JPH11143388A - 暗視野投射ディスプレイ - Google Patents
暗視野投射ディスプレイInfo
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- JPH11143388A JPH11143388A JP10248788A JP24878898A JPH11143388A JP H11143388 A JPH11143388 A JP H11143388A JP 10248788 A JP10248788 A JP 10248788A JP 24878898 A JP24878898 A JP 24878898A JP H11143388 A JPH11143388 A JP H11143388A
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Abstract
いて実質的に均一な強度を有する暗視野投射ディスプレ
イを提供する。 【解決手段】 本発明による暗視野投射ディスプレイ
は、空間光変調器(7)ならびに、光源としてのランプ
(1)および反射体(2)を有している。光源(1、
2)からの光は複数の光学部分系に入射する。光学部分
系は例えば、レンズ部分(3a、3b)が相対的にずら
された分割フレネルレンズ(3)である。部分系(3)
は、光源(1、2)の像の空間分布を形成する。原像の
相対位置は、部分系(3a、3b)の入力開口部の相対
位置とは異なっている。垂直なアレイに構成された鏡面
化コーナーキューブおよびマイクロレンズ(4)などか
らなる複数の反射体が、原像を受け取り、光変調器
(7)上に重なる像(8)を形成する。
Description
プレイに関連する。
語は、光線の大きさと光学的発散度との積と定義する。
元において効果的に集積し、従ってそれに直交する1次
元における光学的広がりに関しては許容性を有するとい
う意味において、本来的に1次元的である。そのような
光学系の例として投射システムがある。例えばプロジェ
クションテレビジョンシステムは、ある1次元において
光を屈曲することによって光を変調し、その次元におけ
る大きさが物理的に小さい光源を必要とする。
ステムは、寿命制限がある小さな光源を用いており、従
って商品としては不適切で望ましくないものである。比
較的大きな電極ギャップを有するメタルハライドランプ
は、電気の光出力への変換の面で効率的であり、比較的
長寿命である。従って、このようなランプは民生用投射
システムに適切に用いられる。しかし、投射ディスプレ
イの性能を改善するために、より長い寿命を有しかつよ
り小さい光源を提供することが望ましい。
aupt、E. IppおよびImenzelの「Full Color Diffractio
n-based Optical System for Light Valve Projection
Displays」、Jn. Display、vol.16、No.11995、第27〜3
3頁ならびに、DavidArmitage「Design Issues in Liqui
d Crystal Projection Displays」、第41〜51頁、SPIE
予稿集Vol.2650 Projection Displays II、Ming H. Wu
編、Hamamatsu Corp.、米国ニュージャジー州Bridgewat
er(国際標準図書番号0-8194-2024-7、308頁、1996年発
行)に、シュリーレン(Schlieren)型あるいは暗視野光
学システムと一般に呼ばれる、公知のタイプのシステム
が開示されている。このようなシステムは、例えば「Th
e Grating Light Valve; revolutionising Display Tec
hnology」D.M. Bloom、Photonics West/Electronic Ima
ging '97 SPIEおよびEP 0 811 872号に開示されている
ように、投射ディスプレイに適切に用いられる。しかし
これらのシステムは、前述のように、高効率で小さな光
源を必要とするという欠点を有する。
する他の装置の例が、「Digital Light Processing for
Projection Displays; A Progress Report」Larry J.H
ornbeck, Proceedings Society of Information Displa
y 16th International Display Research Conference 1
009予稿集第67〜71頁および、H.Hamadaら「A New Brigh
t Single Panel LC-Projector System without a Mosai
c Color Filter」IDRC'94予稿集、422(1994)ならびに、
C. Joubert、B. Loiseaux、A. DelboulbeおよびHuignar
d J-P「Dispersive Holographic Microlens Matrix for
LCD Projection」SPIE予稿集 Vol.2650 Projection Di
splays II、Ming H. Wu編、HamamatsuCorp.、米国ニュ
ージャジー州Bridgewater(国際標準図書番号0-8194-20
24-7、308頁、1996年発行)に開示されている。
号およびUS 5 594 526号に、発光体(light emitter)お
よび楕円鏡などの光収集反射体からなる光源によって提
供される、照度の均一性を改善するための構成が開示さ
れている。このような光源において、発光体自体が出力
光線中に向けられた光を部分的に隠すことにより、出力
光線は輪状の強度分布を有している。これらの特許にお
いては、光源からの光線を複数の光学系中においてサン
プリングし、光学系の入力開口部における相対位置と同
じ相対位置で像を生成することによって、分布をより均
一にする試みがなされている。そして光学系のこれらの
出力を、さらなる光学装置(一般にレンズである)を用
いて互いに重なるように再結合する。
いて実質的に平坦な強度分布を有する出力光線を生成す
ることが可能であるが、これらのシステムは光学的広が
り(すなわち、光源の面積と発光立体角度との積)を変
更する能力は有さない。
力を有するシステムが、GB 2 125 983号、GB 1 391 677
号、GB 1 353 739号、EP 0 660 158号、EP 0 527 084
号、EP0 493 365号、EP 0 395 156号、EP 0 343 729
号、EP 0 201 306号、WO 96/41224号、WO 95/18984号、
WO95/00865号、US5 463497号およびUS 5 005 969号に開
示されている。
れぞれ、空間光変調器を照明するための光学系を開示し
ている。これらの光学系は、光源の光学的広がりを再分
配することにより、空間光変調器の照度の均一性を改善
するものである。これら文献に開示された光学系は、屈
折レンズの2つのアレイからなっている。
空間光変調器、および光源からの光を空間光変調器に入
射させるための光学系を有する、暗視野投射ディスプレ
イが提供され、この光学系は、複数の光学部分系および
複数の反射体を備えており、各光学部分系は、入力開口
部を有し、光源からの光を撮像するように構成され、光
学部分系は入力開口部の相対位置とは異なる相対位置を
有する原像の空間的分布を形成し、反射体は、原像の相
対位置に設けられており、各反射体は各光学部分系から
の光を空間光変調器上に反射するように構成され、その
ことにより上記目的が達成される。
く見える光学系を指す。光学系の領域のうち、端部(す
なわち「ステップ」)を越して光を散乱あるいは回折さ
せる領域のみが明るく見える。例えば、図11に示す光
学系がOFF状態にあるとき(すなわちLCDパネル7が
回折状態にないとき)、LCDパネルは鏡として作用す
る。LCDパネル7に入射するランプ1からの光は、投射
レンズ17の方ではなくランプ1の方に向かって反射し
て戻されることにより、投射レンズは暗視野を「見る」
ことになる。光は、LCDパネル7が回折状態にあるとき
(光学系がON状態のとき)のみ投射レンズ17に向け
られ、光はLCDパネル7により、反射体4の第2アレイ
を通り越して投影レンズ17まで回折される。
から屈曲された光を受け取る投射用光学素子との間に設
けられてもよい。
レンズを設けてもよい。
変調器において形成するための、撮像手段を含むか撮像
手段と結合されてもよい。
い。
像形成器と結合されてもよい。各撮像形成器は集光レン
ズを含んでもよい。
よい。各反射体は凹形反射体を有していてもよい。各反
射体は、放物面の一部の形状をなす反射表面を有するミ
ラーを含んでもよい。
原像の空間的分布は1次元アレイを含んでいてもよい。
撮像素子の各々は集光レンズを含んでもよい。集光レン
ズはフレネルレンズの相対的にずらされた部分であって
もよい。または、集光レンズはマイクロレンズのアレイ
を含んでいてもよい。マイクロレンズは矩形の開口部を
有していてもよい。
てもよく、光学撮像素子は凹型反射体の相対的にずらさ
れた部分を含んでいてもよい。反射体は楕円面形状であ
ってもよい。
空間光変調器において実質的に均一な照度を有する暗視
野投射ディスプレイを提供することができる。また、公
知の投射システムに比較して、光学的広がりの変更によ
り、投射システムのスクリーンにおける像の明るさが改
善される。
施例についてさらに説明する。図面において、同様な構
成要素は同様な参照符号を付して表している。
レイは、光源としてのランプ1(例えばアークランプな
ど)および放物面反射体2を有している。光源から生成
される実質的に平行化された光線は、分割フレネルレン
ズ3に入射する。レンズ3は、2つの半円部分3aおよ
び3bを有しており、半円レンズ3aは、半円レンズ3
bに対して垂直上方にずらされている。
結合システム4において光源の像を形成する。光学撮像
/結合システム4は、2つの鏡面化コーナーキューブ5
および2つのマイクロレンズ6からなっている。図2
(a)に示すように、各鏡面化コーナーキューブ5は透
明材料(ガラスまたはプラスチックなど)から形成され
る立方体の半分からなっており、例えば銀メッキなどに
より反射性を付与した傾き面5bを有している。分割レ
ンズ3からの光は、表面5aに入射して通過し、銀メッ
キされた表面5bにおいて反射される。マイクロレンズ
6は、鏡面化コーナーキューブ5の出射面5cに形成さ
れている。
れた光源1、2の像は、各鏡面化コーナーキューブ5、
特にその反射面5b上に位置している。マイクロレンズ
6は、フィールドレンズ16を介して、半円レンズ3a
および3bの開口部の像を空間光変調器(SLM)7上
に形成する。像は参照符号8に示されるように重なって
いる。SLMの画素からの反射または回折などにより選
択的に屈曲された光は、投射レンズ17に向けられる。
投射レンズ17は、SLM7に供給された画像データに
対応する像を、投射スクリーン(図示せず)の前面また
は背面に投射する。
わち半円レンズ3aおよび3b)を構成する。各部分系
3a、3bは入力開口部を有する。本実施態様において
入力開口部は光学平面上にある半円レンズの形状を有し
ており、光源からの光を撮像することにより各鏡面化コ
ーナーキューブ5の面5bにおいて原像を形成する。部
分系(半円レンズ3a、3b)は、原像の空間分布(垂
直間隔)を形成する。形成された原像の空間分布におけ
る相対位置は、入力開口部の相対位置(水平間隔)と異
なっている。
強度分布を生成する。光源1、2からの出力光線は実質
的に平行化された、円柱対称的な強度分布を有する円柱
状の光線である。ランプ1は、例えばランプ1と分割レ
ンズ3との間に設けられた電極1aにより部分的に光を
隠す。この結果、光分布は輪状のピークを有しており、
光源の中心あるいは軸において減少し、かつ出力光線の
端部に向かって減少している。
1、2の広がりを、2つの鏡面化コーナーキューブ5お
よびマイクロレンズ6によって別々にSLM7上に撮像
される2つの光線に分割する。得られる像は重なり、図
1および図2(b)に示すように、実質的に互いに重畳
され得る。マイクロレンズ6が形成する像がインコヒー
レントに混合されることにより、図2(b)の10に示
されるように、照明は実質的により均一な強度分布を有
する。さらに、光源1、2の広がりを変更することによ
って、ある1次元においては小さくかつそれに直交する
1次元においては大きくなった広がりをSLM7上にお
いて提供する。照明は従ってより「1次元的」になり、
特に例えばEP 0 811 872号に開示されるタイプのSLM
を照明するために適切になる。特に、表示輝度およびコ
ントラスト比を増大することができ、強度分布の均一性
の改善によってより均等に照明された像が得られる。
ている。図3に示す異なる暗視野投射ディスプレイは、
反射体2が楕円面状であり、円柱状レンズ18および1
9が光源1、2と分割レンズ3との間に設けられ、光学
的結合システム4が分割平面ミラーからなっている点
で、図1および図2に示したものとは異なっている。ラ
ンプ1および反射体2からの光は円柱状コリメートレン
ズ18および19によって平行化される。レンズ19の
焦点距離f”は、レンズ18の焦点距離f’の2倍に等
しい。レンズ18および19の各々は1次元における発
散度を変更し、像サイズについてもその方向における対
応する変更が起こる。これにより光源の発散度が等しく
なり、均一な照度の円錐が形成される。これは分割フレ
ネルレンズ3によって撮像された際に、円形光源の楕円
像を生成する効果を有する。半円レンズによって生成さ
れる像をオフセットすることにより、2つの像の広がり
が水平方向においておよそ半分に減少する。像面にある
分割ミラー4は、これら2つの像からの光伝播の方向を
調整し、フィールドレンズ16を介してSLM7上にお
およそ均一な照度領域を形成する。
ィスプレイは、鏡面化コーナーキューブ5およびマイク
ロレンズ6の代わりに、非軸上放物面ミラー11のアレ
イを用いて光学撮像/結合システムを構成している点に
おいて、図1および図2に示すものとは異なっている。
アレイは、分割フレネルレンズ3の2つの半円レンズ3
aおよび3bを撮像するための、2つのミラー11を有
している。各ミラー11は、鏡面化コーナーキューブ5
の一方およびマイクロレンズ6の一方の有する屈曲およ
び撮像機能を行う。
ィスプレイは、フレネルレンズ3が4つの部分3c、3
d、3eおよび3fに分割されている点において、図1
に示すものとは異なっている。4つの部分3c、3d、
3eおよび3fは、垂直方向において互いにずらされて
いることにより、光源1、2の各像を構成する4つのス
ポット22をそれぞれ異なる高さで形成する。また、シ
ステム4は4つの鏡面化コーナーキューブおよび4つの
マイクロレンズを有しており、4つのスポット22はそ
れぞれの4つの鏡面化コーナーキューブ5の反射面5b
に形成される。
されるような従来の強度分布を示している。分布9の上
に示すように、SLMパネル7(例えば液晶空間光変調
器)は、パネル7よりも実質的に大きい光線15によっ
て照明される。このように実質的な量の光が失われてお
り、このことは、従来の光源によって生成される光が非
効率的に使用されていることを意味する。図6におい
て、図5に示すディスプレイのSLM7によって生成さ
れる強度分布10の上に、4つの重なる部分の強度プロ
ファイル8を示している。強度分布10は非常に均一で
あり、頂部が平らで垂直な端部を有する理想的な分布に
近い。この構成により、パネル7のサイズにマッチし光
源1、2からの光を効率的に利用することを可能にす
る、正方形あるいは矩形状のプロファイルが達成され得
る。
ィスプレイは、分割フレネルレンズ3を省略し放物面反
射体2の代わりに分割楕円面反射体2を用いている点に
おいて、図1に示すものと異なっている。図示した反射
体2は2つの部分2aおよび2bに分割されているが、
必要な光学部分系の数に応じて任意の所望の数の部分に
分割され得る。部分2aおよび2bは垂直方向に互いに
ずらされてもよいし、ランプ1が位置されている焦点を
通る水平軸のまわりに角度的にずらされてもよい。部分
2aおよび2bは、光源1、2の像を形成する2つの光
学部分系を構成している。部分2aおよび2bにより形
成される光源1、2の像は、部分系の入力開口部におけ
る空間分布とは異なる空間分布を有しており、実効的に
ミラー部分2aおよび2bの出力開口部である。
らの光を集める機能と、対応する鏡面化コーナーキュー
ブ5の反射面上に光を撮像する機能とを組み合わせてい
る。その他の点については、図7に示すディスプレイは
図1に示すものと同様に動作する。
ィスプレイは、分割フレネルレンズ3の代わりに、矩形
の開口部を有するマイクロレンズのアレイ3’を用いて
いる点で、図1に示すものとは異なっている。各マイク
ロレンズは光源1、2をシステム4の各鏡面化コーナー
キューブ5およびマイクロレンズ6上に撮像する。シス
テム4は、アレイ3のマイクロレンズの矩形開口部を、
フィールドレンズ16を介してSLM7上に撮像する。
キューブ5のミラーを正しく位置合わせするために必要
な寸法を示している。ミラーを正しく方向付けるために
は、成分(xn,yn,zn)を有する法線ベクトルnの
角度θ(x)およびθ(z)を決定しなければならない。成
分および角度は、3次元デカルト座標系(x,y,z)
に対して測定される。
+(b−c)*|a−c|/|b−c|}によって定義
される。
を以下のように決定することができる: θ(z)=a tan(yn/xn)かつ θ(x)=a tan(zn/(xn 2+yn 2)1/2) 上式において、ベクトルa、b、cおよびdは以下のよ
うに定義される:a =(a1,a2,a3)はレンズ矩形部分の中心への
ベクトルを表す。b =(b1,0,0)は装置中心へのベクトルを表す。c =(d1,d2−F,d3)はミラー中心へのベクト
ルを表す。d =(d1,d2,d3)はレンズ部分の光学中心への
ベクトルを表す。
れたマイクロレンズの焦点距離fmを以下の式を用いて
計算することができる: 1/fm=(1/F)+(1/L)
ンズの焦点距離であり、Lはミラー平面と装置平面との
間の距離である。
ートル)、a =(7.5,70,13.25)b =(0,60,0)c =(0,0,7.5) F=70 L=60 以下の値が計算される: θ(z)=38.7° θ(x)=-2.6° fm=32.3mm
て並べられた鏡面化コーナーキューブ5およびマイクロ
レンズ6または放物面ミラー11を有しているが、その
他の構成も可能である。図10に示すディスプレイは、
鏡面化コーナーキューブ5およびマイクロレンズ6が2
次元アレイとして並べられて光学撮像/結合システム4
を構成している点において、図8に示したものとは異な
る。
を有するマイクロレンズのアレイ3’を用いたディスプ
レイを示している。しかし、図11のディスプレイは、
マイクロレンズの数が増やされ、非軸上放物面ミラーの
2次元アレイをシステムが有している点において、図1
0のものとは異なる。
に改善された、暗視野投射ディスプレイを提供すること
ができる。この照明はSLMのパネルサイズに正確にマ
ッチングさせ得る。例えば、適切な方向における広がり
を減少させて照明をより1次元的にすることにより、1
次元的照明を必要とするディスプレイの性能を改善して
もよい。均一な照度を必要とする2次元的開口部を有す
るSLMにおいては、照明をSLMの形状およびサイズ
に対してより正確にマッチングさせ、SLMの周囲付近
で無駄にされる光の量を減少させることができる。この
ように、照度の均一性を改善することに加え、ディスプ
レイの明るさを増大することができる。
示す図である。
り、(b)は強度分布を示すグラフを含む、図1の実施
態様を示す断面図である。
示す図である。
示す、図2(b)と同様な図である。
示す、図1と同様な図である。
す図である。
示す、図1と同様な図である。
示す、図1と同様な図である。
うに決定するかを示す図である。
を示す、図1と同様な図である。
を示す、図1と同様な図である。
Claims (17)
- 【請求項1】 光源、空間光変調器、および該光源から
の光を該空間光変調器に入射させるための光学系を有す
る暗視野投射ディスプレイであって、該光学系は複数の
光学部分系および複数の反射体を有しており、 該複数の光学部分系の各々は、入力開口部を有し、該光
源からの光を撮像するように構成され、 該光学部分系は、入力開口部の相対位置とは異なる相対
位置を有する原像の空間的分布を形成し、 該複数の反射体は、該原像の該相対位置に設けられてお
り、該反射体の各々は該光学部分系の各々からの光を該
空間光変調器上に反射するように構成されている、 暗視野投射ディスプレイ。 - 【請求項2】 前記反射体は、前記空間光変調器と、該
空間光変調器から屈曲された光を受け取る投射用光学素
子との間に設けられている、請求項1に記載のディスプ
レイ。 - 【請求項3】 前記反射体と前記空間光変調器との間に
フィールドレンズが設けられた、請求項1または2に記
載のディスプレイ。 - 【請求項4】 前記反射体の各々は、前記入力開口部の
重複像を前記空間光変調器において形成するための、撮
像手段を含むか撮像手段と結合されている、前記請求項
のいずれかに記載のディスプレイ。 - 【請求項5】 前記重複像は互いに実質的に重畳されて
いる、請求項4に記載のディスプレイ。 - 【請求項6】 前記反射体の各々は平面反射体を有して
もよく、撮像形成器と結合されている、請求項4または
5に記載のディスプレイ。 - 【請求項7】 該撮像形成器の各々は集光レンズを含
む、請求項6に記載のディスプレイ。 - 【請求項8】 前記反射体の各々は凹形反射体を含む、
請求項4または5に記載のディスプレイ。 - 【請求項9】 前記反射体の各々は、放物面の一部の形
状をなす反射表面を有するミラーを含む、請求項8に記
載のディスプレイ。 - 【請求項10】 前記入力開口部は2次元アレイとして
構成され、原像の前記空間的分布は1次元アレイを含
む、前記請求項のいずれかに記載のディスプレイ。 - 【請求項11】 各部分系は光学撮像素子を含む、前記
請求項のいずれかに記載のディスプレイ。 - 【請求項12】 前記撮像素子の各々は集光レンズを含
む、請求項11に記載のディスプレイ。 - 【請求項13】 前記集光レンズはフレネルレンズの相
対的にずらされた部分を含む、請求項12に記載のディ
スプレイ。 - 【請求項14】 前記集光レンズはマイクロレンズのア
レイを含む、請求項12に記載のディスプレイ。 - 【請求項15】 前記マイクロレンズは矩形の開口部を
有する、請求項14に記載のディスプレイ。 - 【請求項16】 前記光源は発光体および凹型反射体を
含み、前記光学撮像素子は該凹型反射体の相対的にずら
された部分を含む、請求項11に記載のディスプレイ。 - 【請求項17】 前記反射体は楕円面形状である、請求
項16に記載のディスプレイ。
Applications Claiming Priority (4)
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| GB9718741.3 | 1998-01-03 | ||
| GBGB9800018.5A GB9800018D0 (en) | 1998-01-03 | 1998-01-03 | Illumination system |
Publications (3)
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| JPH11143388A true JPH11143388A (ja) | 1999-05-28 |
| JPH11143388A5 JPH11143388A5 (ja) | 2005-03-10 |
| JP3929003B2 JP3929003B2 (ja) | 2007-06-13 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP24878898A Expired - Fee Related JP3929003B2 (ja) | 1997-09-05 | 1998-09-02 | 投射ディスプレイ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6155688A (ja) |
| EP (1) | EP0901031B1 (ja) |
| JP (1) | JP3929003B2 (ja) |
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