JP2005531039A - 背面投射型ディスプレイ用の折り曲げられた光学経路を備えるビームスプリッタ - Google Patents

背面投射型ディスプレイ用の折り曲げられた光学経路を備えるビームスプリッタ Download PDF

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Abstract

背面投射型表示システムは、ライトエンジン（１３）と、前記ライトエンジンから光を受け取るビームスプリッタと、前記ビームスプリッタから画像を受け取る投射レンズ（１８）と、背面投射型スクリーン（２３）と、前記投射レンズ（１８）から前記画像を受け取り、該画像を前記スクリーン（２３）上に反射するミラー（２１）とを有する。前記ビームスプリッタは、反射素子（１７）を持ち、画像を受け取り、実質的に４５度と等しくない入射角で該反射素子（１７）で該画像を反射する。

Description

本発明は、投射型テレビ及び投射型ディスプレイに関し、より詳細にはコンパクトな背面投射型ディスプレイ(rear projection display)に関する。
背面スクリーン投射型テレビディスプレイは、大きな画像寸法のために消費者の大きな関心を見出している。一番不利な点は、セットの体積及び奥行きである。セットの大きさを縮小するよう大きな要求があるが、これは、現在のCRTをベースにした投射型システムでは、実際問題として困難であり、高くつく。
液晶ディスプレイ(LCD)、デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)又はリキッド・クリスタル・オン・シリコン(LCoS)などのマイクロディスプレイをベースにしたシステムは、CRT投射型ディスプレイよりずっと小さいシステム体積を達成することが出来る。これは、CRTディスプレイ用の３つのチューブ及びレンズとは対照的なより小さなエンジンの大きさ及び単一の投射レンズからの投射のためである。これらのマイクロディスプレイシステムの非常に魅力的なシステム寸法が発表されている。最近の製品発表は、例えば、18インチのシステム奥行きを持つ55インチワイドスクリーンセット、及び35cmの奥行きを持つ50インチワイドスクリーンセットを含む。これらのセットは、当業界では折り曲げミラー(fold mirror)として知られている単一の大きなミラーを利用する。
狭い奥行きは、広角の投射レンズを用いて得られる。これを達成するために、投射レンズからの光は、装置の後部及び上向きに配置される折り曲げミラーの方へ方向づけられなければならない。この望ましい向きの方向を達成する１つの方法は、投射レンズに折り曲げミラーを組み込み、投射レンズを所謂折り曲げ投射レンズ(folded projection lens)にすることによるものである。折り曲げ投射レンズを使用して構成されているコンパクトな背面投射型システムの例は、ソニーのGRAND WEGA及びシャープのLC-R60HDUなどである。これらのシステムは両方とも３つの透過型LCDパネルを用いている。これらのシステムの場合は、キャビネットの底部と平行にエンジンを配列するために折り曲げ投射レンズが用いられなければならない。しかしながら、投射レンズに折り曲げミラーを付加することは、コストの増大、性能の低下又は両方を招く。
それ故、製造コストを可能な限り低く維持しながら背面投射型ディスプレイの奥行きを減らすことは有利である。従って、プリズム又は他のビームスプリッタ、例えばLCoS投射型ディスプレイ中にある偏光ビームスプリッタ（PBS）の利用は、折り曲げ投射レンズの使用を上回る利点を持つであろう。
従って、本発明の第１の側面において、背面投射型表示システムは、ライトエンジン(light engine)と、前記ライトエンジンから光を受け取るビームスプリッタと、前記ビームスプリッタから画像を受け取る投射レンズと、背面投射型スクリーン(rear-projection screen)と、前記投射レンズから前記画像を受け取り、該画像を前記スクリーン上に反射するミラーとを有する。前記ビームスプリッタは、反射素子を持ち、画像を受け取り、実質的に４５度と等しくない入射角で該反射素子で該画像を反射する。
本発明の第２の側面において、背面投射型表示システムは、ライトエンジンと、前記ライトエンジンから光を受け取り、画像を受け取り、実質的に４５度と等しくない入射角で該画像を反射するビームスプリット手段と、前記ビームスプリット手段から前記画像を受け取るよう配置される投射レンズと、前記投射レンズから前記画像を受け取るよう配置されるミラーと、前記ミラーから前記画像を受け取るよう配置される背面投射型スクリーンとを有する。
本発明の第３の側面において、背面投射型表示方法は、ライトエンジンからの光を用いて画像を形成するステップと、前記画像を反射素子で投射レンズの方へ反射するステップと、前記画像をミラーに投射するステップと、前記画像を前記ミラーから背面投射型スクリーンの方へ反射するステップとを有する。前記画像は、実質的に４５度と等しくない入射角で前記反射素子から反射される。
本発明は、必ずしも縮尺通りには描かれていない以下の図面を参照して理解され得る。
図１は、LCoS背面投射型システムに適用され得るような折り曲げ投射レンズを用いるシステムの形状の例を挙げている。この実施例における背面投射型システム１は、折り曲げ投射レンズ５に光を導入するライトエンジン３を含む。折り曲げ投射レンズ５は、光を折り曲げミラー７上に投射し、前記光は折り曲げミラー７からスクリーン９上に反射される。
図２は、本発明を利用する背面投射型システム１１の一実施例を示している。この特定の実施例は、単一パネルのLCoSシステムのためのものである。このシステムにおいて、ライトエンジン１３は、LCoSイメージャ(imager)１６と投射レンズ１８との間に配置される偏光ビームスプリッタ(PBS)１５を介して光を導入し、投射レンズ１８は、光を折り曲げミラー２１上に投射し、光は折り曲げミラー２１からスクリーン２３上に反射される。正確な投射経路は本発明の実施例が何に用いられるかに依存して変化し得る。例えば、幾つかの実施例においては、投射経路はPBSを介する伝送中にあり得る。他の実施例においては、投射経路はPBSの界面(interface)からの反射中にあり得る。
典型的には、単一パネルのLCoS背面投射型システムにおいては、経路を９０度だけ折り曲げるために４５度の角度の斜辺(hypotenuse)を備えるPBSが設計される。換言すれば、画像の中心光線は４５度の入射角でPBSの界面で反射する。この構成は、光路を直角(square)に保ち、PBSの最小限の寸法を可能にする。しかし、光が直角に出てくる場合、光を折り曲げミラーの方に向けるためにライトエンジン全体が傾けられなければならない。ライトエンジンの傾斜は、底部において付加的な空間を必要とし、これはシステムの高さ及び体積を増大させる。
出願人は、その代わりに、４５度より大きな角度傾斜している界面１７を持つPBS１５を用いる方が好ましいことを見出した。例えば、図２に示した実施例は、５６度においてPBS斜辺を備えるシステム形状を持ち得る。換言すれば、LCoSパネル１６からの画像の中心光線は、約５６度の入射角でPBS界面１７で反射するであろう。この角度は、画像の光を折り曲げミラー２１の方へキャビネット（図示せず）内の後方へ向かわせる。ストレート投射レンズ(straight projection lens)１８が用いられることが出来、ライトエンジン１３は装置の底部に対して直角に位置する。
PBS１５は、例えば、米国特許番号第2,403,731号及び第5,453,859号に記載されている「マクニール(MacNielle)」タイプのガラスプリズムを利用するタイプであり得る。マクニールPBSでは、光がブリュースタ偏向角(Brewster's polarizing angle)において又は該偏光角近くで被覆に当たるような被覆材料がプリズム基材と一緒に選ばれる。低い指数nLと、高い指数nHと、プリズムガラスの指数nGと、偏光角θとの間の関係は、
Figure 2005531039
 によって与えられる。
本発明を取り入れる一実施例の場合は、偏光角は上記のように４５度より大きく、より好ましくは約５０度より大きい。一般的な被覆材料は、例えばTiO2 (nH = 2.3)及びSiO2 (nL = 1.46)である。一般的なガラス基材は、BK7、n=1.52であり、その場合にこれは５４度の偏光角を持つ。これは良い選択であろう。しかしながら、応力複屈折特性が異なる選択を正当とし得る。SF2、n=1.65の場合は、偏光角は４８度であろう。この角度は異なる被覆材料により増大され得る。例えば、Al2O2 (nH = 1.62)の使用は偏光角を５３度まで大きくする。他の例においては、SK5、n=1.59などの低い指数のガラスが用いられることが出来、最初の２つの材料と一緒に５１度の偏光角を与える。最終的に、プリズムの斜辺は偏光角より大きな角度に設定されてもよく、良好な性能が依然として達成される。
偏光角の選択においてより大きな自由度を供給するガラスをベースにしたマクニールPBSに代わるものがある。例はワイヤグリッドPBS又は高分子フィルム広角PBSなどである。これらのタイプは、光を方向づけるために約５０度より大きな角度において斜辺を備える偏光ビームスプリッタに含まれ得る。
本発明の他の実施例、実施例の変形例及び同等のもの、並びに本発明の他の側面、目的及び利点は、当業者にとって明らかであり、図面、開示内容及び添付されている特許請求の範囲の研究から得られ得る。
例えば、上記の単一パネルの実施例以外のLCoS構造も本発明を利用し得る。同様に２つ以上のPBSも用いられ得る。更に、光路の形状は、例示されている実施例において示されている方法以外の光を投射レンズの方に向ける多くの方法に適応され得る。更に、他のマイクロディスプレイをベースにした構造もこの概念を利用し得る。例えば、（テキサス・インスツルメンツの）DLPをベースにした投射型ディスプレイは、大抵、画像に近いビームスプリットプリズムを利用する。このビームスプリッタの形状は、本発明に基づいてビーム方向を供給するよう構成され得る。
また、ことによると、光路及び／又は画像経路の様々な部分に他の光学素子が配置され得る。例えば、素子が別の素子「から光を受け取るよう配置される」という請求項においては、これは、２つの前述の素子の間に第３の素子（例えば、ミラー又は屈折レンズ）が挿入される場合を含む。更に、ライトエンジンがPBSの反対側に位置しており、故に、反射の入射角が、４５度より大きい代わりに、４５度より小さいであろう実施例もありうる。更に他の実施例においては、PBSの代わりに異なるタイプのビームスプリッタが用いられてもよく、且つ／又はLCoSイメージャを用いる以外の方法で画像が生成されてもよい。
折り曲げ投射レンズを備える背面投射型表示システムの形状を図示する。 本発明の一実施例による偏光ビームスプリッタを用いる背面投射型表示システムの形状を図示する。

Claims (20)

  1. ライトエンジンと、
    反射素子を持つビームスプリッタであり、前記ライトエンジンから光を受け取り、画像を受け取るよう配置され、前記反射素子で該画像を反射するビームスプリッタと、
    前記ビームスプリッタから前記画像を受け取るよう配置される投射レンズと、
    前記投射レンズから前記画像を受け取るよう配置されるミラーと、
    前記ミラーから前記画像を受け取るよう配置される背面投射型スクリーンとを有する背面投射型表示システムであって、前記画像が、実質的に４５度と等しくない入射角で前記ビームスプリッタの前記反射素子から反射される背面投射型表示システム。
  2. 前記入射角が４５度より大きい請求項１に記載の背面投射型表示システム。
  3. 前記入射角が４５度から少なくとも５度だけ異なる請求項１に記載の背面投射型表示システム。
  4. 前記入射角が４５度より大きい請求項１に記載の背面投射型表示システム。
  5. 前記入射角が５０度より大きい請求項１に記載の背面投射型表示システム。
  6. 前記ビームスプリッタが偏光ビームスプリッタである請求項１に記載の背面投射型表示システム。
  7. 前記偏光ビームスプリッタが５０度より大きい偏光角を持つ請求項６に記載の背面投射型表示システム。
  8. 前記偏光ビームスプリッタが被覆材料としてAl2Oを利用する請求項６に記載の背面投射型表示システム。
  9. 前記偏光ビームスプリッタが、BK7及びSF2を含むグループから選択されるガラス基材を有する請求項６に記載の背面投射型表示システム。
  10. 前記偏光ビームスプリッタがマクニールタイプのガラスプリズムを利用する請求項６に記載の背面投射型表示システム。
  11. 前記偏光ビームスプリッタがワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ及び高分子フィルム広角偏光ビームスプリッタのうちの一方である請求項６に記載の背面投射型表示システム。
  12. ライトエンジンと、
    前記ライトエンジンから光を受け取り、画像を受け取り、実質的に４５度と等しくない入射角で該画像を反射するビームスプリット手段と、
    前記ビームスプリット手段から前記画像を受け取るよう配置される投射レンズと、
    前記投射レンズから前記画像を受け取るよう配置されるミラーと、
    前記ミラーから前記画像を受け取るよう配置される背面投射型スクリーンとを有する背面投射型表示システム。
  13. 前記入射角が４５度より大きい請求項１２に記載の背面投射型表示システム。
  14. 前記入射角が４５度から少なくとも５度だけ異なる請求項１２に記載の背面投射型表示システム。
  15. 前記入射角が４５度より大きい請求項１２に記載の背面投射型表示システム。
  16. 前記入射角が５０度より大きい請求項１２に記載の背面投射型表示システム。
  17. ライトエンジンからの光を用いて画像を形成するステップと、
    反射素子で投射レンズの方へ前記画像を反射するステップと、
    前記画像をミラーに投射するステップと、
    前記画像を前記ミラーから背面投射型スクリーン方へ反射するステップとを有する背面投射型表示方法であって、前記画像が実質的に４５度と等しくない入射角で前記反射素子から反射される背面投射型表示方法。
  18. 前記反射素子が偏光ビームスプリッタに含まれる請求項１７に記載の背面投射型表示方法。
  19. 前記入射角が４８度より大きい請求項１８に記載の背面投射型表示方法。
  20. 前記入射角が４５度から少なくとも３度だけ異なる請求項１８に記載の背面投射型表示方法。
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