JP2009514007A - 画像投写表示システム - Google Patents

Abstract

画像投写表示システムは光学特性可変素子1を有する。素子1はコントロールシステム2の管理下にあり、光学素子5(a)〜(g)からなる光学系5内に配置されている。原画像電子装置4は映像生成システム7から入力を受け取り、照明コントロールシステム6の管理下で、波長選択カラーホイール5(b)でフィルタリングした光子源11からの光で照明される。素子1は、アクチュエータパッド154を有する基板152上にスペーサ153を介して取り付けたＳ^ａ３Ｎ４(151)からエッチングした薄いＡｌ被覆膜150を有する。回路155が様々な制御電圧を供給する。電圧Ｖ１、Ｖ２、…ＶＮを駆動チャネルに印加すると、静電吸着によって膜150がアクチュエータパッド154に向けて変形する。コントロールシステム2は、照明コントロールシステム6、映像生成システム7、原画像形成装置4、機械的位置決め及びセンシングシステム12から信号を受け取り、または逆に送る。

Description

本発明は、ビデオフロントプロジェクタ、リアプロジェクションテレビ、カメラのビューファインダ、ニアトゥアイ（near-to-eye）・ディスプレイ、又はフォトリソグラフィシステムのような用途の投写画像表示システムに関する。

現在、このようなシステムで投写画像の良好な品質を達成する方法は、低い像収差及び低い像幾何学的歪を達成する光学系を用いることである。この光学系は、各素子が正確な形状及び位置を有し、かつ恐らくは他の素子に対して異なる光学特性を有する材料で作られた数個の光学素子群で構成することができる。このような光学系は複雑である。これが、その設計及び／又は製造を高価なものにし、かつ寸法及び／又は質量を大型にしている。また、各屈折光学面で起こる反射が、像の輝度（明るさ）及びコントラストを減少させることになる場合がある。

倍率、焦点、及び／又は像幾何学的歪の変化が要求される場合、機械的位置決めシステムによって光学系群を互いに正確に動かす。このような正確な機械的位置決めシステムは、設計及び／又は製造が高価で、寸法及び／又は質量が大きい。

投写画像の要求される垂直及び／又は水平位置が原画像のそれと異なる場合、光学系の光軸を原画像の中心に関してずらして、像の幾何学的キーストン歪を回避しつつ投写画像を移動させることができる。これには、前記光学系の光学素子が、像収差が小さくかつ像の幾何学的歪が小さくて十分な視野サイズを達成するために、原画像の寸法に対して大きな直径を有することが要求される。

光を光子源から原画像へと投写する光学系の部分は、光を原画像から投写して投写画像を形成する光学系の部分により達成される倍率、焦点及び／又は像の幾何学的歪の状態に適切な照明を達成すべきである。これには、両方の前記光学系の部分が投写画像の良好な照明を達成するために、トレセントリック性のような一定のイメージング特性を有することが要求される。これらの特性は、倍率、焦点及び／又は像の幾何学的歪の変化する範囲全体に亘って維持されるべきである。これが、前記両方の前記光学系の部分の設計及び／又は製造及び／又は動作を複雑にし、上述した複雑さの問題を招いている。

非球状素子（例えば、放物面を有する）は、像収差及び像の幾何学的歪を減少させる点で従来の球状光学素子に対して優れた性能を持つ場合がある。しかしながら、それらに関連する問題がある。それらは正確に製造することがより困難で、像収差を招く虞がある。それらの、倍率及び焦点の様々な状態を有する光学系のある状態における準最適性能は、必ずしも他の状態に対して最良に適するものではない。それらの位置を光学系における他の素子に関して変えることは、平行移動が通常、回転動作を伴う螺旋方式で行われるので、困難な場合がある。非球状素子の光学軸とねじ機構のそれとの不整合は、常に軸ずれ（軸外し）像収差を大きくすることになる。

観察者の像の認識は、投写画像表示品質の重要な測定基準である。画像が一定の投写特性、幾何学的特性及び時間的特性を有する又は有しない場合には、観察者の像の認識が悪影響を受ける。

そこで、本発明の目的は、より複雑でなく、かつ／又はより高価でなく、かつ／又は寸法及び／又は質量がより大きくなく、かつ／又は低い若しくは正確な像収差を達成し、かつ／又は低い若しくは正確な像の幾何学的歪を達成し、かつ／又は像コントラストの増加を達成し、かつ／又は像輝度の増加を達成し、かつ／又は投写画像の観察者の認識を向上させる光学系を有する投写画像品質の良好な投写画像表示システムを提供することにある。

本発明によれば、原画像形成装置と、原画像の投写のための、少なくとも１つの光学特性可変素子からなる光学系と、所望の投写表示条件に従って前記素子の光学特性を制御するためのコントローラとからなる画像投写表示システムが提供される。

ある実施例では、前記システムが更に、原画像を照明するための照明コントロールシステムを備える。

別の実施例では、前記コントローラが、前記照明コントロールシステムから入力を受け取りかつ処理する。

更に別の実施例では、前記コントローラが、前記原画像形成装置から入力を受け取りかつ処理する。

ある実施例では、前記コントローラが、機械的位置決めシステムから入力を受け取りかつ処理する。

別の実施例では、前記コントローラが、手動調整システムから入力を受け取りかつ処理する。

更に別の実施例では、前記コントローラが、観察者視線追跡システムから入力を受け取りかつ処理する。

ある実施例では、前記コントローラが、波面センシングシステムから入力を受け取りかつ処理する。

別の実施例では、前記コントローラが、表示画像センシングシステムから入力を受け取りかつ処理する。

更に別の実施例では、前記コントローラが、環境条件センシングシステムから入力を受け取りかつ処理する。

ある実施例では、前記コントローラが、像収差を発生させ又は補正するように動作する。

別の実施例では、前記コントローラが、像の幾何学的歪を発生させ又は補正するように動作する。

更に別の実施例では、前記コントローラが、照明系の収差を発生させ又は補正するように動作する。

ある実施例では、前記コントローラが、前記原画像形成装置の照明系の射出瞳の幾何学的歪を起こさせまたは補正するように動作する。

別の実施例では、前記コントローラが、入力で指標付けした、制御値のデータのルックアップテーブルを備える。

更に別の実施例では、前記コントローラが閉ループ制御系を実行する。

ある実施例では、前記コントローラが開ループ制御系を実行する。

別の実施例では、前記コントローラが、前記光学特性可変素子を制御して、前記システムを通過する照明の量、及び像の明るさを減らすことなく、前記原画像形成装置上に照明される領域の形状及び強度分布を含む光学的な幾何特性及び放射特性を変化させる。

更に別の実施例では、前記コントローラが、前記光学特性可変素子を制御して、異なるアスペクト比の像を表示させる。

ある実施例では、前記コントローラが、前記光学特性可変素子が開口制限絞りの形状を変更することにより、前記システムの射出瞳の形状に変化を起こさせる。

別の実施例では、前記絞りがインテグレータロッドの射出瞳である。

更に別の実施例では、前記絞りが、レンズアレイの重なり合う射出瞳の組み合わせである。

ある実施例では、前記光学特性可変素子が、射出瞳の形状のアナモルフィック拡大のために１対の可変形ミラーを有する。

別の実施例では、前記光学特性可変素子が可変形ミラーである。

更に別の実施例では、前記光学特性可変素子が、その屈折率を前記コントローラにより変化させ得る液晶材料により分離された複数のレンズからなる。

ある実施例では、前記レンズが相補的な曲率を対向させた筒形である。

別の実施例では、前記コントローラが前記レンズの屈折率に適合する又はそれより高くなるように偏光を変化させ、かつ前記液晶材料の屈折率が前記レンズのそれと一致すると、前記素子が屈折率の均一なプレートとして作用する。

更に別の実施例では、前記コントローラが、前記液晶材料の屈折率が前記レンズのそれより高いと、前記素子がアナモルフィック拡大を達成するべく作用するように動作し、前記液晶材料に屈折率の高い値と低い値とが連続することによって、光線を１つの面で集束させるが、直交平面では光線が集束しない作用を有する単軸屈折力の筒形レンズを構成する。

本発明は、添付図面を参照しつつ、以下に単なる実施例として記載される幾つかの実施態様の詳細な説明からより明確に理解される。

図１を参照すると、投写システムは反射性の光学特性可変素子１を備える。この図において、反射による光路の折り返しは示されていない。素子１はコントロールシステム２の管理下にあり、光学素子５（ａ）〜（ｇ）と、幾分かの光を光学素子８、９を介してコントロールシステム２に照射するビームスプリッタ３とからなる光学系５内に配置されている。原画像形成装置４は映像生成システム７から入力を受け取り、照明コントロールシステム６の管理下で波長選択カラーホイールによりフィルタリングされた光子源１１からの光で照明される。また、手動調整システム１０、機械的位置決め及びセンシングシステム１２、観察者視線追跡システム１３、及び環境条件センシングシステム１４が設けられている。

図２は、図１のシステムの素子１をより詳細に示している。これは、ミクロ機械加工した膜の可変形ミラー（ＭＭＤＭ）である。素子１は、アクチュエータパッド１５４を有する基板１５２上にスペーサ１５３を介して取り付けられたＳｉ３Ｎ４ １５１からエッチングした薄いＡｌ被覆膜１５０を有する。回路１５５から様々な制御電圧が供給される。電圧Ｖ１、Ｖ２、…ＶＮが駆動チャネルに印加されると、静電吸着が膜１５０をアクチュエータパッド１５４に向けて変形させる。

コントロールシステム２は、照明コントロールシステム６、映像生成システム７、原画像形成装置４、機械的位置決め及びセンシングシステム１２から信号を受け取り、又は逆に送る。また、コントロールシステム２は、画像観察者の管理下にある手動調整システム１０、観察者視線追跡システム１３、及び環境条件センシングシステム１４から入力を受け取る。また、光学素子８は、前記システムを通過する光の歪を測定する波面センシング系８及び、表示画像の品質を測定する表示画像センシング系９である。プリズムビームスプリッタキューブ３が、多数の光路を整合させるために様々な位置に用いられている。

図３は、画像投写システムの別の光学系の光学レイトレーシングを示す図である。同図には、単一の原画像形成装置２０１からの光線がレンズ２０３、２０４、２０６、２０７に関して小さい直径の反射性光学特性可変素子２０５上に照射される様子を示している。プリズム２０２を用いて、原画像形成装置２０１を照明するのに必要な光学系の部分が作られる。以下の表は、図３の光学系で使用されるレンズの特性を表すデータを記載している。光学特性可変素子２０５は、ゼルニケ多項式反射面として作られ、その最初の１３の係数が示されている。

レンズ２０３、２０４、２０６、２０７はアクロマートなものではない。前記光学特性可変素子１００による各色視野の照明波長の補正がない場合には、レンズ２０３、２０４、２０６、２０７が投写画像に色収差を生じさせることになる。

光学特性可変素子２０５は、レンズ２０３、２０４、２０６、２０７に関して直径が小さいので、前記系の中央付近に開口制限絞りとして配置される。光の損失を防ぐ代替方法は、非点収差及び関連する収差の発生を最小にするように反射性光学特性可変素子２０５を光路内に可能な限り最小の折り返し角度で挿入することである。

図３に示す光学系は、そのパラメータが上記表に記載されており、直径１５ｍｍ、３７チャネルのＭＭＤＭ（Flexible Optical B.V.製）を用いる。これは、その３７チャネルのそれぞれに約３００Ｖまでの駆動電圧を必要とする。デジタル制御信号が各チャネルについてコントロールシステムにより出力される。これらは、３７チャネルのデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）により０Ｖ〜５Ｖの範囲の低いアナログ電圧に変換される。この低いアナログ電圧は次に、３７チャネルの高圧増幅器により所望の駆動範囲に増幅される。

制御信号はシステムの動作前に、波面センサ（例えば、ハルトマンマスク又はシャックハルトマン・マイクロレンズアレイ）を用いて光学系の後の波面形状を測定し、かつ反復的閉ループ制御アルゴリズムを用いて光学特性可変素子の適切な制御信号を決定して歪みを補正し又は発生させる較正処理を通じて決定される。別の実施例では、光学的レイトレーシングシミレーションシステム（例えば、Zemax Developmet Corporation製のZemax（Ｒ））を用いて、前記光学系を設計しかつ波面形状を計算することができる。別の代替方法は、測定及び設計の組み合わせを用いることである。

図４は、２つの光学特性可変素子を有する更に別の光学系を示している。マイクロディスプレイ５０１が、プリズム５０２を通して照明系から到来する光を反射する。発散光をレンズ群５０３、５０４により集束させる。光学特性可変ＭＭＤＭ５０５（ａ）及び５０５（ｂ）は所定の角度で傾斜させ、中間像面５０６の前後に配置して、相補的な偏向を光線に生じさせる。可変形ミラー５０５（ａ）及び５０５（ｂ）が、非対称な即ち図面の平面と図面に垂直な平面とが異なる拡大を生じさせる。これにより画像のアナモルフィックな拡大が実現される。次に、光は第２のレンズ群５０７、５０８を通過し、それらが投写レンズ系５０９を通して拡大されかつ投写されるべく虚像を生成する。

図５は、光子源６０１からの光で単一の電子画像形成装置６１２を照明するための、更に別の画像投写のための光学系を示している。リフレクタ６０２が光子源６０１から多数の方向に放射される光を捕捉し、かつそれをカラーフィルタホイール６０３を通して、照明強度がより均一に分散することを助けるインテグレータロッド６１４の入射瞳へと照射する。光学系６０４が、インテグレータロッド６１４の射出瞳の形状のアナモルフィック拡大を行う。レンズ６０５、６０６が光を光学特性可変ＭＭＤＭ６０７に、それがその開口に広がるように照射する。ＭＭＤＭ６０７を用いて、レンズ６０８〜６１１により形成される装置６１２上の照明野全体に亘る収差又は歪を除去し又は発生させる。画像の形６１２は投写レンズ系６１３を通して拡大されかつ投写される。

図６は、画像投写のための更に別の光学系であって、特にそれらの素子が光子源７０１からの光で３つの画像形成装置７１１（ａ）〜７１１（ｃ）を照明することが必要なものを示している。リフレクタ７０２が光子源７０１から多数の方向に放射される光を捕捉し、かつそれをレンズアレイ７０４、７０５を通して照射する。これらは、照明強度がより均一に分散されることを助け、かつレンズ形状が照明系の射出瞳の形状を決定する。光学系７０８（ａ）及び７０８（ｂ）は、照明系の射出瞳の形状のアナモルフィック拡大を行うＭＭＤＭを有する。また、それらは、収差又は歪を発生させ又は除去するように作用する。７１１（ａ）〜７１１（ｃ）からの画像は、投写レンズ系７１３を通して拡大されかつ投写される。

図７は、相補的な曲率を有する筒形レンズ８０３、８０５を用い、空胴８０２及び８０４を、適当に偏光させた光について材料８０３及び８０５の屈折率にその屈折率を一致し又はそれより高くなるように変化させ得る液晶材料で充填した光学特性可変素子８００を示す図である。液晶材料の屈折率が前記レンズのそれと一致すると、前記光学系は屈折率の均一なプレートとして作用する。液晶材料の屈折率が材料８０３及び８０５のそれよりも高い場合、前記光学系はアナモルフィック拡大を行うように作用する。筒状面で分離された８０２及び８０４内に屈折率の高い値と低い値とが連続することによって、図面の平面内の光線を集束させるが図面の平面に垂直な平面内の光線は集束しない作用を有する所定の単軸屈折力をもった筒形レンズが形成される。同様に、８０４及び８０５は、８０２及び８０３のアナモルフィック拡大により生じる焦点の変化を補償する適当な屈折力をもった発散レンズを形成する。

図８は、個々に照明レンズアレイ９０４の各レンズに適合する素子８００のアレイ９０５を有する照明系を示している。前記照明系の射出瞳の形状が照明アレイ９０４のレンズの形状により決定されるので、９０４の各レンズの形状を９０５の対応する系と共に変化させることによって、照明系の射出瞳の形状を変化させる効果が得られる。

動作時には、前記投写表示システムが、可変な光学特性をもった光学素子を有する光学系と、前記光学特性を動的に変化させるためのコントローラとを備える。前記コントローラは、表示されるべき画像の、その放射特性及び幾何特性並びにその照明波長のような知られた又は測定したデータを用いて制御信号を生成する。これらの制御信号は、本明細書に記載される利点を達成するために生成される。

前記光学特性可変光学素子は、可変な光学面形状のミラー、可変な光学面形状のレンズ、可変な屈折特性のレンズ、及び可変な回折特性のレンズで構成することができる。

前記光学特性可変光学素子は、次の特性、即ち速い応答時間、低コスト、高いロバスト性、低次及び高次の像収差の補正又は発生能力、低次及び／又は高次の像幾何学的歪の補正又は発生能力、光の反射又は伝送効率を有する。十分な数の駆動チャネルを有するミクロ機械加工した可変形ミラー（ＭＭＤＭ）１５０が、そのような光学特性可変素子の１つである。モーダルな波面位相遅延能力を有する液晶（ＬＣ）レンズ８００は、これらの特性のいくつかを有する。ゾーナルな波面位相遅延を有するシリコン上に液晶をピクセル化した（ＬＣＯＳ）レンズも、同様にこれらの特性のいくつかを有する。

前記光学特性可変光学素子は、次の位置のいずれか又は全部に、即ち照明光学系内、照明光学系の後、原画像形成装置上／内、画像投写光学系の前、画像投写光学系内、及び画像投写光学系の後に配置することができる。位置の選択に影響し得る１つの要素は、一般的な光学特性可変素子がレンズのような従来の光学素子に関して直径が小さいことである。従って、前記光学特性可変素子は、開口制限絞りの位置に又はその近くに配置することができる。幾何学的歪が必要な場合には、前記光学特性可変素子を中間実像の位置に又はその近くにより効果的に配置することができる。

前記コントローラは、照明コントロールシステム、波面センシングシステム、原画像形成装置、機械的位置決め及びセンシングシステム、投写画像距離推定システム、投写画像センシングシステム、画像コンテンツ分析システム、画面合成システム、画像合成システム、映像生成システム、環境条件センシングシステム、観察者により制御される手動調整システム、及び観察者視線追跡システムのいずれか又は全部からの入力を受け取る。

前記コントロールシステムは、次のいくつか又は全部を用いてデータ処理を実行する。
像収差の補正又は発生のための制御信号、像幾何学的歪の補正又は発生のための制御信号、及び観察者の認識の向上又は補正のための制御信号の事前計算テーブル。（前記コントローラの入力が、事前計算テーブルから使用するべき制御信号を決定する。）
開ループ制御系の部分として最良の投写画像品質を動的に計算するアルゴリズム。
閉ループ制御系の部分として最良の投写画像品質を見つける波面センシングシステム及び他のシステムからの入力。
観察者の認識のモデル／アルゴリズム／ヒューリスティック近似。

前記コントロールシステムの出力には、光学特性可変素子の制御信号、照明コントロールシステムの制御信号、原画像形成装置の制御信号、機械的位置決めシステムの制御信号、及び／又は、前記コントロールシステムが受け取る入力を送り出すあらゆるシステムの制御信号を含むことができる。

このような制御を光学特性可変素子に与えることによって、本発明は投写画像品質の改善、観察者による画像認識の向上を達成する。

本発明によって、光学系の複雑さ、光学素子の数、光学面の数、システムの寸法及び質量、各素子に必要な製造精度、及び要求される機械的位置決め動作の大きさを小さくすることを達成できることが理解される。また、本発明は、像収差の量を少なくすることにより、かつ表示画像の観察者による認識の特性を考慮することにより、表示画像の品質を改善する。

１例として、図１を再び参照すると、光学特性可変素子１を用いて、単色照明用に設計した光学系が多色照明について良好な性能を発揮できるようにする場合を考える。フィールドシーケンシャル照明（カラーホイール５（ｂ）のような照明波長選択装置をもって、又は発光ダイオードのような様々な波長生成装置をもって達成されるような）を単一の電子画像形成装置に用いた投写システムでは、コントロールシステム２が、照明コントロールシステム６から現在の照明波長を示す信号を受け取り、かつ光学特性可変素子１について適当な信号を、それが波長の変化による光学系の屈折又は回折における差を補償するように発生させる。このようにシステムの動作は開ループ式に制御される。

システム動作の開ループ制御に代わるものは、反復的閉ループ制御を用いることであり、光学系内で又はその後で波面センサから入力を受け取って、システムの動作中に波面の歪を連続的に又は時折補正することである。

別の実施例として、図５に示すように、光子源６０１からの光を原画像形成装置６１２に照射する光学系の部分において光学特性可変素子６０７を使用する場合を考える。原画像形成装置６１２が、入射波面形状を維持するように反射する場合には、光学特性可変素子６０７は、像収差又は像の幾何学的歪を、必ずしもそのようなレベルの収差又は歪みを達成するようには設計されていない、又は図１及び図２のそれらが有するような光学特性可変素子を組み込むように設計する必要がない画像投写レンズ系６１３を通して、発生させ又は補正するように動作することができる。画像投写レンズ系６１３の倍率及び焦点の状態に適した制御信号は、上述した較正処理を通して見つけられる。

原画像形成装置６１２が高い回折性を有し、又はさもなければ入射波面形状を維持しないようなものである場合、及び画像投写レンズ系６１２が、例えば図５に示すように、原画像形成装置６１２の前方に配置された光学特性可変素子６０７をもって動作するように設計されている場合、投写レンズ系６１３の設計は簡単化することができる。これは、光学特性可変素子６０７がコントロールシステム２により、画像投写レンズ系６１３の倍率及び焦点の状態に原画像の照明を確実に最適化するように制御し得るからである。画像投写レンズ系６１３の倍率及び焦点の状態に適した制御信号は、上述した較正処理を通して見つけられる。

ある範囲の倍率及び焦点の状態を有する光学系については、前記較正処理を状態の部分集合について行うことができる。他の状態の制御信号は、較正した状態について見つけられたもの及びコントロールシステムがアクセスするためのルックアップテーブルに記録されたものとの間で適当な補間法によって決定することができる。倍率及び焦点の状態は、光学素子位置のセンサによって測定することができ、これらを用いて適当な制御信号を選択し又は補間することができる。

別の実施例では、観察者が図１の手動調整システム１０を用いて、較正処理を通して見つけられる、又はさもなければ倍率及び焦点の状態に適した制御信号を選択し、又は発生させることができる。

別の実施例では、光学特性可変素子を用いて、従来の光学系の焦点素子／素子群の機能を実行する場合を考える。光学特性可変素子が適当な量の焦点ぼけを発生させ又は除去し得る場合には、これを用いて、倍率が変化する場合に光学系の中心から原画像までの距離の必要な変化を補償する、即ち焦点ぼけを用いて原画像までの光学距離をそれが正しく維持されるように変更することができる。これによって、従来の焦点素子／焦点群及びそれに関連する機械的位置決めシステムの必要がなくなる。同様の方法を用いて、可変倍率のズームレンズ系から素子／素子群を置き換える、即ち適当な量の焦点ぼけを有する光学特性可変素子を用いて光学系全体の有効焦点距離を変化させることができる。

別の実施例として、光学特性可変素子を用いて、投写レンズの周辺部からの収差を、レンズを画像源に関して平行移動させた場合に、像幾何学的キーストーン歪なしで投写画像の位置を変えられるように、補正する場合を考える。前記光学特性可変素子が、ＭＭＤＭのように、適当な量の非対称歪を発生させ又は除去し得る場合には、これを用いて、平行移動した標準的な直径のレンズの歪が大きい周辺部を光が通過する場合に発生する歪を補償することができる。従来の代替方法は、レンズを平行移動させた場合でさえ、歪が小さい中心のみを光が通過するようにより大きな直径のレンズを用いることである。

光学特性可変素子を用いて、例えば光学系の軸に対して直角でない２Ｄ面に、又は３Ｄ非平坦面に投写する場合、若しくは画像のアナモルフィック拡大を達成する場合に要求されるような像幾何学的歪を補正し又は発生させることができる。これは、前記光学特性可変素子が光学系の中間画像の位置に又はその近くに配置されている場合に最も簡単に達成される。図４は、中間画像が円筒屈折力を有する２つの光学特性可変素子の間に形成される光学系を示している。

これらを用いてアナモルフィック拡大を達成する。光学特性可変素子について適当な制御信号を決めるのに必要な較正処理は、上述したように、閉ループ反復方法であるが、波面センサの代わりに像幾何学的歪センシングシステム（例えば、画像の取得のためのカメラ及び適当な画像処理システム）を用いたものとすることができる。

前記光学特性可変素子を用いて、前記システムを通過する照明の量及び従って像の明るさを大幅に減少させることなく原画像形成装置上に照明される領域の、形状及び強度分布のような幾何学的特性及び放射特性を変えることができる。これは、例えば異なるアスペクト比の画像の表示に有用である。このような照明系の射出瞳の形状における変化を生じさせるため、光学特性可変素子は、照明系の開口制限絞りの形状を変化させる。インテグレータロッドの射出瞳のような実物の絞りが唯１個である場合には、図５に示すように、単一の光学特性可変素子を用いて前記変化を生じさせることができる。図６乃至図８を参照すると、「蝿の眼」インテグレーティングレンズアレイにおけるそれのような実物の絞りが多数ある場合には、各絞りについて光学特性可変素子が必要である。

前記光学特性可変素子を用いて、光学系における低い製造及び／又は組立精度を補償することができる。適当な較正処理を通じて、例えば低精度による歪を光学系の様々な状態について測定し、かつそれを補正する適当な制御信号を前記光学特性可変素子について見つける。

光学特性可変素子を用いて、特に軸外れが起こるような非球状光学素子を光学系で使用することにより生じる収差を補償することができる。非球状素子は、光学系で要求される球状素子の数を減らすために用いられている。しかしながら、それらの軸外性能は制限され、従来の球状素子にこれを補償することが要求される。この補償は、その代わりに光学特性可変素子によって達成することができ、それによって更に球状素子の必要性が少なくなる。適当な較正処理を通じて、上述したように、例えば、非球状素子による歪を光学系の様々な状態について測定し、かつそれを補償する適当な制御信号を前記光学特性可変素子について見つける。

光学特性可変素子を用いて、温度又は湿度のような環境条件による光学的変化を補償することができる。プラスチックのようなある光学材料は、この問題により敏感である。温度又は湿度センサを前記コントロールシステムにインタフェースさせることができ、これが、温度又は湿度と光学的変化との関係のモデルを用いて、適当な制御信号を光学特性可変素子に送り、システムの動作中に温度又は湿度に誘起される光学的変化を補正する。

適当な大きさのチップ及び／又はチルトを有する光学特性可変素子を用いて、原画像形成装置上の画素が投写画像の様々な異なる空間的位置に投写され得るようにすることができる。これは、投写画像の画素分解能を原画像形成装置上の画素の数より大きな数に増加させる効果を有する場合がある。得られる画像は、各フィールドがせいぜい原画像形成装置の画素分解能を有する場合に、十分に速く表示されるフィールドのシーケンスとして形成される。

この場合、光学特性可変素子を同様に用いて、原画像形成装置の独自の空間位置において個々の画素からの光が投写画像の様々な空間位置に投写される場合に前記光学系によって生じる歪を除去することができる。この歪は、上述した較正処理を通じて、測定することができ、かつ適当な制御値が決定される。

光学特性可変素子を用いて、観察者の認識に影響を与える収差を発生させ又は補正することができる。フィールドシーケンシャル照明系における認識の問題の１つは、色視野間における網膜の動きによる画素の色分解（即ち、「虹の効果」）である。僅かな焦点ぼけ又は他の収差を光学特性可変素子によりフィールド表示時間の僅かな部分だけ発生させて、この効果を軽減させることができる。これには、各色視野について前記照明コントロールシステムから前記コントロールシステムへのトリガ信号が必要である。同様に、僅かな焦点ぼけ又は他の収差を光学特性可変素子により発生させて、画素の境界の認識（即ち、「スクリーンドア効果」）を軽減することができる。観察者視線追跡システムが利用可能な場合には、前記コントロールシステムがその入力を用いて前記光学特性可変素子を制御し、表示画像のフィールド全体についてではなく、観察者の関心がある領域のみにおける画像品質を最適化（例えば、像収差の最小化を通じて）することができる。これは、ＭＭＤＭのような光学特性可変素子の振幅がその考えられる波面変形のモードのそれぞれについて制限されているので、有利である。特定の領域における画像品質の改善に全ての振幅が利用可能な場合には、フィールド全体の改善が要求される場合よりも最適の補正を達成する可能性が高くなる。

本発明は上述した実施例に限定されるものでなく、その構成及び詳細において様々に変化させることができる。

特性可変光学素子を組み込んだ本発明の投写システムを示す概略図である。 本発明の別の投写システムの一部分のレイトレーシングを示す図である。 本実施例ではミクロ機械加工膜の可変形ミラー（ＭＭＤＭ）である特性可変光学素子を示す図である。 本実施例では可変アナモルフィック拡大を達成するように構成したＭＭＤＭである２つの光学特性可変素子を有する光学モジュールを示す図である。 照明光路に特性可変光学素子を組み込んだ本発明の投写システムを示す図である。 照明光路に特性可変光学素子を組み込んだ本発明の別の投写システムを示す図である。 本実施例では連続する静的光学素子で、それらの間の空胴にその屈折率が変化し得る液晶材料を充填したものである光学特性可変素子を示す図である。 照明光路に多数の特性可変光学素子を組み込んだ本発明の別の投写システムを示す図である。

Claims (28)

1. 原画像形成装置と、原画像の投写のための、少なくとも１つの光学特性可変素子からなる光学系と、所望の投写表示条件に従って前記素子の光学特性を制御するためのコントローラとからなる画像投写表示システム。
2. 前記原画像を照明するための照明コントロールシステムを更に有する請求項１に記載の画像投写表示システム。
3. 前記コントローラが前記照明コントロールシステムから入力を受け取りかつ処理する請求項２に記載の画像投写表示システム。
4. 前記コントローラが前記原画像形成装置から入力を受け取りかつ処理する請求項１に記載の画像投写表示システム。
5. 前記コントローラが機械的位置決めシステムから入力を受け取りかつ処理する請求項１乃至４のいずれかに記載の画像投写表示システム。
6. 前記コントローラが手動調整システムから入力を受け取りかつ処理する請求項１乃至５のいずれかに記載の画像投写表示システム。
7. 前記コントローラが観察者視線追跡システムから入力を受け取りかつ処理する請求項１乃至６のいずれかに記載の画像投写表示システム。
8. 前記コントローラが波面センシングシステムから入力を受け取りかつ処理する請求項１乃至７のいずれかに記載の画像投写表示システム。
9. 前記コントローラが表示画像センシングシステムから入力を受け取りかつ処理する請求項１乃至８のいずれかに記載の画像投写表示システム。
10. 前記コントローラが環境条件センシングシステムから入力を受け取りかつ処理する請求項１乃至９のいずれかに記載の画像投写表示システム。
11. 前記コントローラが像収差を起こさせまたは補正するように動作する請求項１乃至１０のいずれかに記載の画像投写表示システム。
12. 前記コントローラが像幾何学的歪を起こさせまたは補正するように動作する請求項１乃至１１のいずれかに記載の画像投写表示システム。
13. 前記コントローラが照明系の収差を起こさせまたは補正するように動作する請求項１乃至１２のいずれかに記載の画像投写表示システム。
14. 前記コントローラが、前記原画像形成装置の照明系の射出瞳の幾何学的歪を起こさせまたは補正するように動作する請求項１乃至１３のいずれかに記載の画像投写表示システム。
15. 前記コントローラが、入力で指標付けした、制御値のためのデータのルックアップテーブルを有する請求項１乃至１４のいずれかに記載の画像投写表示システム。
16. 前記コントローラが閉ループ制御系を実行する請求項１乃至１５のいずれかに記載の画像投写表示システム。
17. 前記コントローラが開ループ制御系を実行する請求項１乃至１５のいずれかに記載の画像投写表示システム。
18. 前記コントローラが、前記光学特性可変素子を制御して、前記システムを通過する照明の量、及び像の明るさを減らすことなく、前記原画像形成装置上に照明される領域の形状及び強度分布を含む光学的な幾何特性及び放射特性を変化させる請求項１乃至１７のいずれかに記載の画像投写表示システム。
19. 前記コントローラが、前記光学特性可変素子を制御して、異なるアスペクト比で像を表示させる請求項１８に記載の画像投写表示システム。
20. 前記コントローラが、前記光学特性可変素子が開口制限絞りの形状を変更することにより、前記システムの射出瞳の形状に変化を起こさせる請求項１９に記載の画像投写表示システム。
21. 前記絞りがインテグレータロッドの射出瞳である請求項２０に記載の画像投写表示システム。
22. 前記絞りが、レンズアレイの重なり合う射出瞳の組み合わせである請求項２０に記載の画像投写表示システム。
23. 前記光学特性可変素子が、射出瞳の形状のアナモルフィック拡大のために１対の可変形ミラーを有する請求項１乃至２２のいずれかに記載の画像投写表示システム。
24. 前記光学特性可変素子が可変形ミラーである請求項１乃至２３のいずれかに記載の画像投写表示システム。
25. 前記光学特性可変素子が、その屈折率を前記コントローラにより変化させ得る液晶材料により分離された複数のレンズからなる請求項１乃至２３のいずれかに記載の画像投写表示システム。
26. 前記レンズが相補的な曲率を対向させた筒形である請求項２５に記載の画像投写表示システム。
27. 前記コントローラが前記レンズの屈折率に適合する又はそれより高くなるように偏光を変化させ、かつ前記液晶材料の屈折率が前記レンズのそれと一致すると、前記素子が屈折率の均一なプレートとして作用する請求項２５又は２６に記載の画像投写表示システム。
28. 前記コントローラが、前記液晶材料の屈折率が前記レンズのそれより高いと、前記素子がアナモルフィック拡大を達成するべく作用するように動作し、前記液晶材料に屈折率の高い値と低い値とが連続することによって、光線を１つの面で集束させるが、直交平面では光線が集束しない作用を有する単軸屈折力の筒形レンズを構成する請求項２７に記載の画像投写表示システム。

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