JP5089841B2 - 投影ディスプレイ用光学系 - Google Patents

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Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、投影ディスプレイ用の光学系に関し、特に、その内容をここに引用する米国特許第5,552,922号（以下、'922号特許と称する）に開示されたタイプの光学系に関する。
【０００２】
発明の背景
'922号特許には、光源からの照明光をディジタル光パネル（ＤＬＰ）に伝送し、次いで、ＤＬＰの「オン」ピクセルから投影レンズに伝送する系が開示されている。'922号特許の系はうまく機能するが、費用を減少させ、製造を容易にするためにその系を改良できる２つの区域が認識された。
【０００３】
第１の区域は、'922号特許の表面18および20の間の傾斜した空気を含む空間に関する。「オン」ピクセルからの光はこの空間を通過するので、この空間の幅およびウェッジを注意深く調節しない限りは、空間により、ＤＬＰの投影像に非点収差およびコマ収差が導入されることがある。この空間の幅およびウェッジを厳密に調節することが必要となるために、この系の製造がより難しくなる。
【０００４】
第２の区域は、'922号特許の系において、「オン」ピクセルからの光が、'922号特許の表面14、16、および18により画成される光学要素およびその特許の表面12および20により画成される光学要素の両方を通過するという事実に関係する。このことは、これらの光学要素の両方が、高品質ガラスから製造されなければならず、かつ表面平坦度、表面位置調整、脈理、複屈折等の厳しい許容差を満たさなければならないことを意味する。そのような必要条件は、その系の全体の費用を増すので望ましくない。
【０００５】
発明の概要
以上に鑑みて、本発明の目的は、光源からの照明光をＤＬＰに伝送し、次いで、ＤＬＰの「オン」ピクセルから投影レンズまで伝送する改良光学系を提供することにある。より詳しくは、本発明の目的は、製造がより容易であり、費用の減少した、'922号特許に開示された一般タイプの系を提供することにある。
【０００６】
これらと他の目的を達成するために、本発明は、光源、ＤＬＰ、投影レンズ、および第１と第２の間隔の置かれた表面を有するプリズムから構成される光学系であって、第１と第２の間隔の置かれた表面、光源、ＤＬＰ、および投影レンズが互いに対して、光源からの光が第１と第２の間隔の置かれた表面を通ってＤＬＰまで通過し、ＤＬＰの「オン」または「第１位置」ピクセルから反射された光が、この光が投影レンズの受光角内にあるような角度で投影レンズに向かって第２の間隔の置かれた表面で内面反射し、ＤＬＰの「オフ」または「第２位置」ピクセルから反射された光が、この光が投影レンズの受光角に入らないような角度で投影レンズに向かって第２の間隔の置かれた表面で内面反射するか、またはそうでなければその光が受光角から外れるようにプリズムを通過する（例えば、図３の光41の一番上側の束）ように向けられている光学系を提供する。
【０００７】
好ましい実施の形態の説明
明細書に含まれ、その一部を構成する以下の図面は、本発明の好ましい実施の形態を示し、説明と共に、本発明の原理を説明するように働く。もちろん、図面および説明の両方が、説明のみを目的とするものであり、本発明を制限するものではないことが理解されよう。
【０００８】
図に示したように、プリズム13は、プリズムの対角面23で薄い空気層により隔てられた２つの部材すなわち要素15、17からなる。要素15の表面19および要素17の表面21は、この対角面に沿って互いに面し、それぞれ、上述した第１と第２の間隔の置かれた表面を構成する。
【０００９】
図１に示したように、照明系33からの光31が側面25を通ってプリズム13に進入する。プリズム対角面23でのこの光の入射角は、この光が対角面23を通過し、ＤＬＰ35を照らすように臨界角未満である。
【００１０】
図２に示したように、「オン」位置にあるピクセルは、ＤＬＰの活性区域に対して垂直な方向で図１の入射照明光31を反射する。この光37は、臨界角よりも大きい、空気で間隔の置かれた対角面23での入射角を有し、したがって、この光の100％がこの対角面で反射する。特に、ＤＬＰからの反射光37は、空気の屈折率と比較した要素17の屈折率により定義される臨界角よりも大きな角度で要素17の表面21に当たる。
【００１１】
光37は、側面27の鏡像である側面29を通ってプリズム13から出る。側面27および29のこの関係は、プリズム要素17は、「オン」ピクセルから反射した光ビーム37に沿って、実際には、平行平面板であることを意味する。これは、転じて、像形成路にある唯一の要素であるプリズム要素17が、コマ収差も非点収差も形成しないことを意味する。
【００１２】
投影レンズ39は、「オン」ピクセルからの光を捕捉し、観察スクリーン（図示せず）上に所望の像を形成するように側面29の後に位置している。
【００１３】
図３に示したように、「オフ」位置にあるピクセルは、光が投影レンズ39の入射瞳に効果的に進入しない（例えば、図３の光線43を参照）ような方向で図１の入射照明光31を反射する。すなわち、「オフ」ピクセルからの光41は、投影レンズの受光角内に入らない。
【００１４】
実際には、プリズム13の側面25、27、および29は、フレネル反射を最小にするように従来の反射防止膜を有する。また、間隔の置かれた表面19、21は、照明光31のフレネル損失を減少させるために、臨界角に近い入射角のために最適化された反射防止膜を有する。
【００１５】
空気層により隔てられる代わりに、表面19および21は、低屈折率膜により隔てられていても差し支えない。表面21で大きい臨界角を維持するために、要素17は、高屈折率ガラスから製造すべきである。要素15は、照明光31に色収差および他の収差を導入しないように同様のガラスから製造すべきである。そのような膜の利点としては、プリズム要素の組立てが容易になることおよび間隔の置かれた表面の埃および／または水の汚染による問題の排除が挙げられる。そのような汚染は、表面21での全反射が光を投影レンズに導く能力を損なうことがあり、高レベルの光損失となることがある。
【００１６】
図１−３に示したように、ＤＬＰはカバープレート45により通常保護されている。所望であれば、このカバープレートは表面27に接着することができ、したがって、この系から２つのガラス／空気界面が除かれ、これにより、フレネル損失が減少する。
【００１７】
上述したように、投影系の上述した構成は、以下の利点を達成する：
(1) 対角面23に沿った空気を含む間隔の幅およびウェッジは、「オン」ピクセルから投影レンズへの光路に影響を与えない。したがって、この傾斜空間に関連する非点収差およびコマ収差が除去される。
【００１８】
(2) プリズム要素17１つのみが像形成光路で動作する。したがって、プリズム要素15は、表面平坦度、表面位置調整、脈理、複屈折等の厳密な許容差のない低品質ガラスから製造できる。このようにして、このデバイスの全体の費用が低下する。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態をここに記載したが、特許請求の範囲により定義された本発明の範囲から逸脱せずに、さらなる実施の形態が当業者により理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、光源からの光の本発明によるＤＬＰへの通過を示す図である
【図２】 図２は、ＤＬＰの「オン」ピクセルからの光の本発明による投影レンズへの通過を示す図である
【図３】 図３は、本発明によるＤＬＰの「オフ」ピクセルからの光の光路を示す図である
【符号の説明】
13 プリズム
15、17 プリズム要素
19 第１の間隔の置かれた表面
21 第２の間隔の置かれた表面
23 対角面
25 プリズム入口表面
27 プリズム出口／入口表面
29 プリズム出口表面
31 照明光
33 照明系
35 ＤＬＰ
37 「オン」ピクセルから反射した光
39 投影レンズ
41 「オフ」ピクセルから反射した光
43 「オフ」ピクセルからの光線
45 ＤＬＰカバープレート

Claims (2)

  1. 像形成投影系であって、当該像形成投影系が、
    (a) 照明光を提供する光源、
    (b) 共通平面に配置された選択的に調節可能な複数の反射素子であって、第１の位置と第２の位置との間で調節可能な反射素子、
    (c) 主平面を有するレンズ、および
    (d) 前記レンズと前記複数の反射素子との間に位置するプリズムであって、第１の要素と第２の要素からなり、当該第１の要素と第２の要素の間が対角面沿って空気層により隔てられているもの、
    を有してなり、
    前記第１の要素が前記対角面に沿う第１の表面を備え、前記第２の要素が前記対角面に沿う第２の表面を備え、前記第１の表面と前記第２の表面とが、前記空気層によって隔てられており、前記第２の要素が、光が前記プリズムから前記反射素子に出射し反射の後に前記プリズムに再入射する出射／入射面、及び、光がレンズに向けて出射する出射面を有し、
    (i) 前記光源からの光が前記第１の表面と前記第２の表面を通って前記複数の反射素子まで到達し、
    (ii) 前記第１の位置にある前記反射素子から反射された光が、前記共通平面の垂直方向に反射され、前記レンズに、前記レンズの受光角に入るような角度で入射するように前記第２の表面で反射され、
    (iii) 前記第２の位置にある前記反射素子から反射された光が、前記レンズに入らない方向に前記第２の表面で反射され、
    前記出射／入射面と前記出射面とが前記第２の表面についてお互いに鏡像関係にあることにより、前記出射／入射面に垂直に入射した光が前記出射面から垂直に出射し、前記第１の位置にある前記反射素子から反射された光と前記第２の位置にある前記反射素子から反射された光とが共に前記出射面から出射することを特徴とする像形成投影系。
  2. 前記第１の要素の表面平坦度が、前記第２の要素の表面平坦度よりも劣ることを特徴とする請求項１記載の像形成投影系。
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