JP2010541001A - マイクロプロジェクタ - Google Patents

Abstract

本発明は、投写ディスプレイであって、少なくとも１のレーザ光源ユニットを有し、１またはそれ以上の光ビームを生成するように構成されて機能し得る照明システムと、照明システムの出力に設けられ、画像データに従い入射光を変調するための１またはそれ以上のＳＬＭユニットを有する空間光変調器（ＳＬＭ）システムと、変調された光を投影面に結像するための光投影素子とを備える。照明システムは、少なくとも１のビーム成形ユニットを備え、このビーム成形ユニットが、ＳＬＭユニットに向かって伝播する光の光路に沿って間隔を空けて配置された前後の平行な平面に位置する前後のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）により形成されるデュアルマイクロレンズアレイ（ＤＭＬＡ）構造を有し、このＤＭＬＡの各レンズレットが当該レンズレットに入射する光をＳＬＭユニットの活性面全体に導くようにＤＭＬＡ構造が構成され、各レンズレットが、ＳＬＭユニットの活性面のアスペクト比に対応する幾何学的アスペクト比を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、投写型ディスプレイシステムに関し、特に、携帯用電子機器に対応する小型で移動式の投写型ディスプレイシステムに関するものである。

従来より、投写型ディスプレイシステムは、娯楽目的、私的および自動車用途などのために、ミーティングにおいて拡大像を表示するために使用されている。近年においては、投写型ディスプレイシステムは、携帯電話、ＰＤＡ、携帯型メディアプレーヤ、コンパクトメモリデバイス、コンパニオンデバイス、通信ネットワーク機器、ラップトップおよびポケットパーソナルコンピュータ、ＧＰＳナビゲータなどの画像／映像およびネットサーフィン用途を有する携帯用および移動式機器の分野にも進出している。しかしながら、携帯用デバイスに使用される小さいサイズのディスプレイ画面は、そのような用途に対して依然ボトルネックとなっていた。例えば、グラフィカルＨＴＭＬページまたは高解像度の画像／映像は、画面サイズが小さいため、ディスプレイ画面上に適切に表示することができない。デジタル画像データは、実際には、移動式携帯デバイス内に格納されている。そのため、高解像度の画像／映像の品質を本来の通りに上げるために、あるいは効率的なネットサーフィンを行うために、ユーザは、投写型ディスプレイシステムを使用して実現できるより大きいディスプレイを望むと考えられる。投写型ディスプレイシステムの画面サイズは、移動式デバイスの寸法に限定されることはなく、数インチから数十インチまでの寸法にも達する。

投写型ディスプレイシステムは、一般に、集光素子と関連する主照明光源、通常は、光の三原色（ＲＧＢ）と、異なる色彩の光を結合して空間光変調器（ＳＬＭ）に送る光送出スキームと、投影レンズユニットとを備える。ＳＬＭは、入力映像信号に従い、それを照らす光を空間的に変調する。ある構成では、複数チャネル（多色）の光を変調するために、共通のＳＬＭが使用される。その他の構成では、各チャネルが、専用のＳＬＭと関連する。空間光変調器（ＳＬＭ）または撮影装置は、光透過と光反射の何れかを通じて、光の変調用に使用される。ＳＬＭは、光源パルスと同期して光を伝達（透過／反射）または遮断するために電子的に変調されたＮ×Ｍピクセルのマトリクスである。照明システムから入射する光の変調は、一連のサブフレームにおける像の生成に必要な画像データに基づいて行われ、各サブフレームは、Ｎ×Ｍピクセルを含み、各ピクセルは、数十または数百、さらには数千の階調レベルを有している。この目的を達成するために、対応する画像関連信号により、１または複数のＳＬＭが操作される。投写型ディスプレイシステムに使用されるＳＬＭタイプの一つは、液晶層に基づき各ピクセルの偏光状態を制御して、検光子を通過した後に、空間的に変調された適切な像として電子信号を表示する。透過型液晶マイクロディスプレイ（ＬＣＤ）、ＬＣＯＳ（登録商標）、透過型ＬＣＯＳ（Ｔ−ＬＣＯＳ）は、液晶ＳＬＭの最も広く普及した例である。別のＳＬＭタイプは、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）であり、これは、投影レンズまたは吸収スクリーンの何れかに光を向けるために、各ピクセルにおけるマイクロミラーの位置を制御する。空間的に変調された像は、投影レンズにより、離れた位置にある表面上に拡大されて投影される。

照明光源は、例えば、タングステンハロゲン電球、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザのような固体照明とすることができ、上記レーザには、レーザダイオード、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）およびダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザが含まれる。赤色スペクトル帯域における単一モードレーザ光源は、非常に良く知られており、ＤＶＤ産業用として大量生産されているが、十分な出力パワーを与えるためにアレイで使用しなくてはならない。緑色レーザ光源に関しては、緑色レーザダイオードは未だ実用化されていないが、周波数倍増を有するダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザが、既に５０ｍＷを超える最大出力に達している。青色ダイオードは、市場で入手可能となり始めている。

高出力ランプ、ＬＥＤまたはその他のインコヒーレント光源に基づく投写システムは、大きい空間範囲（etendue：すなわち、光源領域上のビームの広がりの２乗の積算結果）を特徴とし、それは、照明システムおよび投影レンズの制限されたＦ値により、投写光学システムの低い集光効率をもたらす。その結果、投影像の十分な明るさのために、照明光源においてより大量の電力消費が必要とされる。また、コンパクトなＳＬＭ上に非常に均一なＬＥＤまたはランプ照明を設計することは、些細なことではない。このため、高出力ランプまたはその他のインコヒーレント光源のみに基づく投写システムは、非常に嵩張り、扱いが難しく、その可搬性が制限されており、その結果、非常に小型のポータブル携帯投写デバイスへと小型化することができない。

小型化を可能にして投写ディスプレイシステムの高品質パフォーマンスを与える幾つかの一般的な解決策が、開発されて、国際公開ＷＯ０７０６０６６６号、ＷＯ０５０３６２１１号、ＷＯ０３００５７３３号、ＷＯ０４０８４５３４号およびＷＯ０４０６４４１０号に開示されている。それらはすべて本出願の譲受人に譲渡されている。

移動式の携帯型投写ディスプレイは、システム設計、構成および技術に大きな制限を課す。移動式投写ディスプレイのための共通要件には、高い輝度および投写画像品質と相俟って、バッテリ操作、受動的熱除去、軽量および小型（コンパクト光学的寸法の要件を含む）、並びに相対的に低コストが含まれる。それら要件は、とりわけ、光源および光学素子の非常に特別な選択もたらすものである。高い空間コヒーレンスを有する光源の選択は、粒度とスペックル低減のための特別な配慮が必要とされる。

本発明は、移動式携帯用電子デバイスとの併用（例えば、組込み）を可能にする新規な小型投写ディスプレイ（“マイクロプロジェクタ”“ナノプロジェクタ”“ピコプロジェクタ”と呼ばれることもある）を提供する。

本発明の幅広い一態様によれば、投写ディスプレイは、少なくとも１のレーザ光源を有し、１またはそれ以上の光ビームを生成するように構成されて機能し得る照明システムと；照明システムの出力に設けられ、画像データに従い入射光を変調する１またはそれ以上のＳＬＭユニットを有する空間光変調器（ＳＬＭ）システムと；変調された光を投影面上に結像するための光投影素子とを備える。照明システムは、少なくとも１の、望ましくはテレセントリックな、ビーム成形ユニットを含み、そのユニットは、ＳＬＭユニットに向けて伝播する光の光学経路に沿って、間隔を空けて配置された前後の平行な平面により形成されるデュアルマイクロレンズアレイ（ＤＭＬＡ）構造を有する。ＤＭＬＡ構造は、ＤＭＬＡの各レンズレット（lenslet）が、当該レンズに入射する光をＳＬＭユニットの活性面全体に導くように構成され、各レンズレットは、ＳＬＭユニットの活性面のアスペクト面に対応する幾何学的アスペクト比を有している。

好ましくは、ＤＭＬＡのレンズレットは、矩形開口を規定する。

レンズレットのアスペクト比とＳＬＭの活性面のアスペクト比との一致は、照明システムの効率を最適化する。この照明システムの効率の最適化により、限られた電力消費、光学ユニットの小さい面積（最大２５×２５ｍｍ）および体積（３乃至５ｃｃ）で、十分に明るい像を提供することができる。

なお、ビーム成形は、所望のビーム断面内で空間的に均一な光強度を与える光ビームの光学的処理を指すものとして本明細書で使用されるものであるが、ＳＬＭ活性面／領域の均一な照明を提供することを目指している。ビーム成形ユニットは、回折光学素子、反射マイクロ光学素子またはそれら素子のアレイとして構成することができる。ビーム成形ユニットは、フロントおよびリアの（互いに整列された）マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を持つデュアルマイクロレンズアレイ（ＤＭＬＡ）を含むように構成される。そのような前後のＭＬＡは、所望厚さを有する単一基板の両面に、あるいは所定の空隙により互いに離して、配置することができる。望ましくは、フロントＭＬＡの焦点面は、リアＭＬＡのプリンシプル面（principle plane）と一致する。

本発明の小型の投写ディスプレイは、デバイス内の光の光学経路を大幅に低減すると同時に、照明および投写経路に取り込まれる光ビームの断面を低減することによって、実現される。投写ディスプレイの照明システムは、光源ユニットにより生成される殆どの出力を空間光変調器（ＳＬＭ）に向けるように構成され、この空間光変調器は、高い空間均一性、限られた開口数、望ましいＳＬＭ活性面の寸法内の光線のテレセントリック構造、近視野および遠視野におけるスペックル効果の大幅な減少、といった特性を有する。

照明システムは、１またはそれ以上のレーザ光源を有し、任意には、ＬＥＤ光源も有する。一実施形態においては、２つのレーザ光源と１つのＬＥＤにより与えられる三原色の光が使用される。

別の実施形態においては、三原色の光を提供する３つのレーザ光源が使用される。レーザ光源を使用することによって、伝播方向が適切に規定されて非常にコンパクトなデバイスの製造を可能にする単色光が提供される。しかしながら、レーザ光源は特別なビーム成形およびスペックル低減技術を必要とする。光学システムをコヒーレントな光のビームが通過するときに、一次スペックルパターン生成をスクリーン面上で観察することができる。一次スペックルパターンは、投影されたコヒーレント光の異なる光ビーム間のランダム干渉により引き起こされ、それにより画質が低下する。本発明の投写ディスプレイは、スペックル除去ユニットの使用によりスペックル効果を除去または少なくとも大幅に低減するとともに、ＳＬＭのすべての活性面を照明するそれらの幾つものビームのセットをＳＬＭ上で重ね合わせるように構成されている。特に、照明システムは、レーザ光のスペックル効果を低減するように構成されている。照明システムは、ＤＭＬＡ構造の上流の少なくとも１のレーザビームの光学経路内に収容される少なくとも１のスペックル除去ユニットを備えることができる。スペックル除去ユニットは、スペックルパターンの時間平均化という概念に基づいてスペックル低減を行うとともに、光散乱素子（ディフューザ）が空間および時間とともにランダムに変化する光散乱パターンを生成し、それにより、スペックル効果を低減する。ディフューザは、“ピューピルディフューザ”とも呼ばれるが、ビーム成形ＤＭＬＡ構造の上流の少なくとも１のレーザビームの光学経路上において、投写ディスプレイの照明システム内に配置される。

ある実施形態においては、スペックル除去ユニットは、連続的に変位可能なディフューザを備える。この連続的に変位可能なディフューザは、回転散乱面を備えることができる。このディフューザは、ディフューザに入射する光の発散とディフューザの拡散角との和が、レンズレットの開口数ＮＡ、すなわち２ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）により規定される倍角よりも小さくなるよう、拡散角を規定するように構成されて機能し得る。

連続的に変位可能なディフューザは、レーザ光源ユニットからＤＭＬＡ構造に伝播する光の光学経路上に位置させることができ、ＤＭＬＡ上へのディフューザの散乱面の結像を避けるために、ＤＭＬＡから選択された所定距離離して配置されている。

ある実施形態においては、照明システムが、少なくとも１のレーザ光源の出力に、少なくとも１のコリメータを備え、連続的に変位可能なディフューザがコリメート光の光学経路上に配置されている。

連続的に変位可能なディフューザには、音声コイルディフューザ、回転振動ディフューザ、回転ディスクディフューザおよび管状回転ディフューザの一つが含まれるものであってもよい。

ある実施形態においては、スペックル除去ユニット上の光点の断面の寸法がＳＬＭ活性面の寸法よりも小さくなるように、レーザ光源ユニット、スペックル除去ユニットおよびＤＭＬＡが構成されて共に機能する。

ＤＭＬＡは、スペックル低減効果に寄与するように構成されて機能し得る。

スペックル除去ユニットと、望ましくはテレセントリックビーム成形ユニットは、原色チャネルの全部または一部により共有されるものであってもよい。代替的には、原色チャネルは、それ自体がそのようなユニットを有するものであってもよい。デバイス内の光の光学経路を短縮するために、レーザ照明チャネルにおいてレンズの望遠設計を用いるようにしてもよい。このため、照明システムは、望遠負レンズを備え、それにより、投写ディスプレイの有効焦点距離を維持しながら、投写ディスプレイ内の光の光学経路を低減するものであってもよい。

本発明のある実施形態によれば、投写ディスプレイが、独立に一時的に変調されるとともに空間的に結合されたすべての色彩および各色彩の光ビームにより、あるいは複数の波長照明チャネルと関連する単一ＳＬＭにより、あるいはすべての照明チャネルに共通の単一ディフューザおよび単一ＤＭＬＡにより、カラーシーケンシャルスキーム内に構成される。ビーム成形は、光ビームの結合前および／または結合後に行うことができる。

ある実施形態においては、フロントＭＬＡのすべてのレンズレットが、それぞれ平行なビームを出力するリアＭＬＡに、別々に焦点が合わせられたビームを形成する。リアＭＬＡは、これに入射する各ビームの主な伝播を修正する対物レンズとして構成されて機能し得る。ＤＭＬＡの厚さは、フロントＭＬＡの焦点がリアＭＬＡの表面上に実質的に位置するように選択される。

レーザ光源ユニットは、光源アレイにより放出された複数のビームが１のコリメートビームにコリメートされるようにコリメーション光学素子に関連する光源アレイと、最初に遅軸をコリメートしてその後にコリメート光の速軸をコリメートするコリメーション光学素子とを備えることができる。

さらに、投写ディスプレイはコンパクトな特徴を有し、この投写ディスプレイを介した光伝播経路は、実質的に数十ミリメートルを超えることがない。

ある実施形態においては、投写ディスプレイは、互いに反対方向を向く、ほぼ同一の集光レンズおよび対物レンズのセットを備え、集光レンズがＤＭＬＡの近傍に配置される一方、対物レンズが、ＳＬＭの近傍にある集光レンズの後方焦点面に、配置されている。

ビーム成形ユニットは、ＳＬＭに向かう光伝播方向に対して、ＤＭＬＡの上流に位置するサーキュライザ（circulizer）を備えるものであってもよい。サーキュライザは少なくとも１のプリズムを備えるものであってもよい。若しくは、サーキュライザは、フィルディフューザ（fill diffuser）を備えるとともに、その出力に、コリメーティングフィルレンズ（collimating fill lens）を備えるものであってもよい。

また、本発明の投写ディスプレイは、レーザ光源ユニットのホワイトバランスを監視および補正するように構成されて機能し得るカラーセンサも備えることができる。カラーセンサは、少なくとも２の光チャネルを結合するビーム結合器の受動的出力に配置することができる。

本発明を理解して、それが実際にどのように実行されるのかを分かるようにするために、添付の図面を参照しながら、非限定的な実施例のみを使用して、好ましい実施形態を以下に説明することとする。

図１Ａは、本発明の投写ディスプレイの概略ブロック図を示しており、図１Ｂは、投写ディスプレイの照明システムの概略的なブロック図を表している。 図２は、投写ディスプレイの一実施例の概略図を示している。 図３は、デュアルマイクロレンズアレイ（ＤＭＬＡ）の正面図を示している。 図４は、ＤＭＬＡ内部の光ビーム伝播スキームを示している。 図５は、ＤＭＬＡ表面における入射光の光点の位置を示している。 図６は、ＤＭＬＡ内部の光ビーム伝播スキームの詳細を示している。 図７は、投写ディスプレイのＤＭＬＡ照明ユニットの部分図の一例を示している。 図８は、音声コイル振動ディフューザとして構成されるスペックル除去ユニットの機械的な概略レイアウトを示している。 図９は、回転振動ディフューザとして構成されるスペックル除去ユニットの機械的な概略レイアウトを示している。 図１０は、回転ディスクディフューザとして構成されるスペックル除去ユニットの機械的な概略レイアウトを示している。 図１１Ａおよび図１１Ｂは、管状回転ディフューザとして構成されるスペックル除去ユニットの機械的な概略レイアウトを示している。 図１２は、望遠原理を示している。 図１３は、ＤＭＬＡおよび透過型ＬＣＤパネルと関連する望遠光学素子配列を示している。 図１４は、ビーム拡大器とともに機械的に組み立てられた、ダイオード励起固体レーザとして構成された緑色光源を表している。 図１５は、緑色照明チャネルを示している。 図１６は、レザーダイオード光源のアレイの一例を示している。 図１７は、レザー光源のアレイを有する照明チャネルの一例を示している。 図１８は、２つの別個のレーザが結合されたレーザ光源の一例を示している。 図１９は、２つの別個のレーザが結合されたレーザ光源の別の構成を示している。 図２０Ａおよび図２０Ｂは、単一高出力ＬＥＤタイプの光チャネルを示している。 図２１は、ＬＣＯＳ式のＳＬＭと関連する、投写ディスプレイシステムの単色レーザチャネルの一例を示している。 図２２は、レーザおよびＬＥＤ光源が組み合わされた本発明のＬＣＤ投写ディスプレイシステムを示している。 図２３は、レーザおよびＬＥＤ光源が組み合わされた本発明のＬＣＯＳベースの投写ディスプレイを示しており、この例では、赤色レーザ光源が反射ペリスコープを有する一対の赤色レーザとなっている。 図２４は、プリズム式ビームサーキュライザを含む投写ディスプレイの一例の断面図を示している。 図２５Ａは、プリズム式ビームサーキュライザの異なる構成例の一つを示している。 図２５Ｂは、プリズム式ビームサーキュライザの異なる構成例の一つを示している。 図２５Ｃは、プリズム式ビームサーキュライザの異なる構成例の一つを示している。 図２６は、投写ディスプレイ内のプリズム式ビームサーキュライザの異なる構成例の一つを示している。 図２７は、投写ディスプレイ内のプリズム式ビームサーキュライザの異なる構成例の一つを示している。 図２８は、投写ディスプレイ内のプリズム式ビームサーキュライザの異なる構成例の一つを示している。 図２９は、フィルディフューザとして構成されたサーキュライザを示している。 図３０は、フィルディフューザを備える投写ディスプレイの異なる構成例の一つを示している。 図３１は、フィルディフューザを備える投写ディスプレイの異なる構成例の一つを示している。 図３２は、フィルレンズの一例を示している。 図３３Ａおよび図３３Ｂは、二色性ビーム結合器の近傍に（図３３Ａ）、またはＰＢＳの近傍に（図３３Ｂ）、投写ディスプレイ内にカラーセンサを組み込んだ状態を示している。

図１Ａを参照すると、本発明の小型投写ディスプレイ１００の一例の概略図が示されている。この投写ディスプレイは、１またはそれ以上の光ビーム、例えば、異なる波長、一般には原色（ＲＧＢ）またはＹＲＧＢまたはより広い色彩セットの複数の光ビームを生成するための照明システム１０２と、ＬＣＤ、Ｔ−ＬＣＯＳ、ＬＣＯＳまたはＤＭＤパネルとして構成することができる空間光変調器（ＳＬＭ）システム１０４と、光投影素子、典型的にはレンズユニット１０６とを備える。なお、投写ディスプレイは、各光照明チャネルについて別個のＳＬＭを含むことも、あるいは少なくとも２つのチャネルに共通のＳＬＭを含むようにしてもよい。

理解を容易にするために、同じ符号を、すべての実施例で共通の構成要素の幾つかの特定に使用することとする。

図１Ｂを参照すると、照明システム１０２のブロック図が示されており、この照明システム１０２は、この例では複数の原色チャネルを規定する多数の光源を有する光源ユニット１０８、スペックル除去ユニット１１０およびビーム成形ユニット１１３を備えている。

スペックル除去ユニット１１０の提供は、以下の事由に関連している。すなわち、レーザ光源は、投写ディスプレイ照明および結像システムに使用するために最適化することができるが、それらは、高度の空間コヒーレンスを特徴とし、その結果としてスペックルの問題が存在する。スペックルは、スクリーン上の画像の見栄えを大幅に低下させる不規則なスポットおよびグレインを生成する。したがって、スペックルのコントラストの実質的な低減が、レーザを利用する投写ディスプレイに必要とされる。そのために、光源１０８のレーザ光ビームは、スペックル除去ユニット１１０上に向けられ、スペックル除去ユニット１１０が、時間および空間とともに変化する光パターンを生成し、それにより、スペックル効果が低減される。

図２を参照すると、本発明の実施例に係るレーザ投写ディスプレイシステム１２０の全体の概略図が示されている。この投写ディスプレイシステム１２０は、光源ユニット１０８を含む照明システムを備え、光源ユニット１０８が、この実施例では、（可視光学スペクトルの赤色、緑色および青色領域における）異なる原色波長の３つの光ビームを生成する３つの光源１０８Ａ，１０８Ｂおよび１０８Ｃにより構成されている。この実施例においては、複数の光チャネルが共通の時間連続ＳＬＭシステム１０４と関連している。このため、光源１０８Ａ，１０８Ｂおよび１０８Ｃからの３つの光ビームは、３つの別個の集光器１１１Ａ，１１１Ｂおよび１１１Ｃにより構成される集光ユニット１１１とコリメータ１１２Ａ，１１２Ｂおよび１１２Ｃに向けられ、その結果、集められコリメートされた光ビームがビーム結合器１０９に向けて伝播する。集光およびコリメータユニット１１１，１１２は、レーザ光源ユニット１０８からの光を集めてコリメートするように構成されて、高開口数（ＮＡ）を有する円柱、球面またはトロイダルレンズと関連する。ビーム結合器１０９は、２つの正反射体（ミラー）１０９Ａおよび１０９Ｄと２つの波長選択素子（二色性ミラー）１０９Ｂおよび１０９Ｃとを含む。波長選択素子は、基板表面上の二色性コーティングとして実施することができ、基板は、平板または立方体要素として構成することができる。

この非限定の実施例では、レーザ１０８Ａからの光が、緑色を有し、集光ユニット１１１Ａおよびコリメータ１１２Ａを介してミラー１０９Ａに向けられる。ミラー１０９Ａは、コリメートされた緑色ビームを赤色の二色性ミラー１０９Ｂに向けて反射する。同時に、赤色レーザ１０８Ｂからの赤色ビームは、集光ユニット１１１Ｂおよびコリメータ１１２Ｂを介して赤色の二色性ミラー１０９Ｂに向けられる。そのため、二色性ミラー１０９Ｂは、緑色ビームおよび赤色ビームを受け入れて、それらを透過および反射モードで青色の二色性ミラー１０９Ｃに向ける。青色の光ビームは、集光ユニット１１１Ｃおよびコリメータ１１２Ｃを介して二色性ミラー１０９Ｃに向けられる。そのため、二色性ミラー１０９Ｃは、緑色ビーム、赤色ビームおよび青色ビームを受け入れて、それらを、緑色ビームおよび赤色ビームは透過モードで、青色ビームは反射モードで、ミラー１０９Ｄに向ける。

結合された光は、ミラー１０９Ｄにより、スペックル除去ユニット１１０およびビーム成形ユニット１１３に向けて反射される。ビーム成形ユニット１１３から出力された光は、集光レンズ１１５を通過することが望ましく、また、レンズユニット１１６（その構成および作用は後でさらに述べる）を通過することが望ましい。さらに、任意には、透過性ＳＬＭ１０４の上流に位置する対物レンズ４２０および偏光子９０２が投写ディスプレイに設けられている。ＳＬＭにより空間的に変調された出力光は、検光子９０４を通過した後、投影レンズ１０６を通過し、それによりスクリーン上で必要な拡大スケールが与えられる。なお、光源および二色性ミラーの順序は、変えることができ、ＳＬＭは、偏光子、検光子、任意には補償位相波長板（compensating phase retarder）のような偏光素子を含むものであってもよい。

また、偏光素子ユニットの使用は、一般的には任意であり、そのようなユニットは、別個のユニットとして使用することができ、あるいは照明システム１０２および／またはＳＬＭシステム１０４の一部とすることもできる。

なお、本発明の実施例として透過式のＳＬＭが示されているが、本発明は、同様に、反射式のＬＣＯＳまたはＤＭＤデバイスとともに使用することもできる。

ビーム成形ユニット１１３は、デュアルマイクロレンズアレイ（ＤＭＬＡ）、すなわち２つの互いに整列されたレンズレットアレイを規定するようにパターン形成された両面を有する基板として構成するようにしてもよい。図３は、マイクロレンズ（レンズレット）の矩形状に形成されたマトリクスを備えるＤＭＬＡの表面の一方を示している。鉛直または水平方向における各マイクロレンズのＦ値（Ｆ＃）は、マイクロレンズ焦点距離とその高さまたは幅との比率である。ＤＭＬＡのレンズレットの開口数ＮＡは、レンズレットに対する半角、すなわち焦点から見たときに、レンズ開口の半分に対する角度のＳＩＮとして定義される。ＮＡは１／２Ｆ＃として近似的に定義することができる。レンズレットのＮＡは、隣接レンズレットとのクロストークを生じることなく、ＤＭＬＡの半分の収束角を特徴付ける。ＤＭＬＡレンズレットが矩形状であるため、ＮＡは、鉛直および水平方向で異なる可能性がある。

ＤＭＬＡ構造は、前後のマイクロレンズ（ＭＬＡ）の２つの互いに整列されたアレイセットを備え、ＳＬＭに入射する光に対して所望の均一性およびコリメーションの程度を与えるように構成されている。ＤＭＬＡの各レンズレットは、好ましくは、ＳＬＭ活性面のアスペクト比に対応するアスペクト比を有する矩形状断面を有する。

本発明によれば、スペックル除去ユニット１１０は、光散乱面１１０Ａを含み、この光散乱面１１０Ａは、後でより詳細に述べるように、時間および空間とともにランダムに変化する光散乱効果を与えるように構成されている。本発明者は、ＤＭＬＡの上流に光拡散素子を配置することにより、ディフューザからスクリーン上における投影像の任意の望ましくない粒状およびスペックル構造のさらなる低減が可能になることも見出している。粒状およびスペックル構造は、そのような構成において、各々が矩形状をなす異なるＤＭＬＡレンズレットによりＳＬＭ上に形成される矩形状の光点の効果と重ね合わせることにより、さらに低減される。

スペックル除去ユニットのディフューザによる光損失を回避するために、ＤＭＬＡパラメータの適切な組合せ、拡散角および光源の照明角度を適合させるべきである。レーザ光源から出る光は、非常に低い剰余発散角（residue divergence angle）θ_{ｓｏｕｒｃｅ}を有する非常にコリメートされたビームの形態をとる。スペックル除去ユニットのディフューザは、拡散角θ_ｄｉｆｆを有し、スペックル除去ユニットから出る光は、θ_ｍａｘ＝θ_{ｓｏｕｒｃｅ}＋θ_ｄｉｆｆ（二乗平均平方根合計）とおおよそ推定される発散角を有する。ＤＭＬＡの垂直および水平方向の各々における光損失を回避するために、次の条件：ＮＡ＞ｓｉｎ（θ_ｍａｘ／２）を満足する必要がある。ここで、θ_ｍａｘはスペックル除去ユニットから出る光線束の最大角度である。最大角度θ_ｍａｘの値は、２ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）の限界を下回るはずである。一方、角度の値θ_ｍａｘが開口数ＮＡのそれに近付くに連れて、ピューピルフィルが良くなり、画質が高くなる。

図４を参照すると、ＤＭＬＡを介した光ビーム伝播スキームが示されている。図示のように、フロントＭＬＡ１０のすべてのレンズレットは、リアＭＬＡ１０’に焦点が合わされた別個のビームを生成し、ＭＬＡ１０’は、それぞれの平行ビームを出力する。このため、ＤＭＬＡの厚さは、フロントＭＬＡ１０の焦点がリアＭＬＡ１０’の表面に正確に位置合わせされるように選択される。後者は対物レンズのアレイとして機能し、各ビームの主な伝播方向を修正する。

図５を参照すると、ＤＭＬＡの表面上に入射する光の光点が示されている。水平および鉛直線からなるグリッドは、マイクロレンズアレイの前側のレンズレットの境界を示している。影が付された円は、３つの異なる光源からＤＭＬＡに入射する光の３つの光点の面積（投影）を示している。ＳＬＭに到達する高度にコリメートされた光ビームにおいて小さい入射角を得るとともに、小さい投影寸法（すなわち、短い光学経路）を可能にするために、ＤＭＬＡ上のビームの断面（直径）が小さいことが要求される。また、ビームの直径が小さいことにより、スペックル除去ユニットのディフューザの寸法（直径）の最小化が可能になる。しかしながら、ＤＭＬＡ上の光点サイズを減少させることは、ビーム光点サイズにより覆われるレンズレットの数量の減少をもたらし、それにより、ＳＬＭ上の光強度の均一性が低下する。特に、ＳＬＭ上の光点均一性は、ビーム直径が４−５ピッチのＤＭＬＡのレンズアレイよりも小さい場合に、不十分なものとなり得る。このため、ビーム成形ユニット上の光点を増加させることにより、より高い均一性が与えられる。しかしながら、一方で、ビーム成形ユニット上の光点を増加させるには、より長い集光レンズの焦点距離が必要とされ、それは、所与のＳＬＭ照明角度における全体の投写ディスプレイ寸法に影響を与えることになる。ビーム成形ユニット上の光点は、均一性と、システムのコンパクトさ、例えば１−５ｍｍの範囲内となるようにすることとの間の最適な妥協点が得られるようにすることが好ましい。考慮に入れるべきＤＭＬＡの別の設計パラメータは、ＭＬＡのピッチである。所与の光点寸法について、ＭＬＡピッチが小さくなるほど、光点により覆われるより多くのレンズレットを与えるが、ＭＬＡのレンズレット間の“デッドゾーン”における光出力損失をもたらす可能性がある。なお、デッドゾーンはＭＬＡの境界間に位置する狭いストリップであり、それはＭＬＡ製造工程によりもたらされて、不適当な光学的パフォーマンスを与える。また、より小さいＭＬＡピッチは、望ましくない回折効果をＭＬＡのレンズレットのエッジにも与える。プロジェクタに適した設計の実施例は、５０μｍから最大１０００μｍの間隔のＭＬＡピッチに対して、５から最大１００のレンズレットに広がる光点である。図６を参照すると、フロントおよびリアＭＬＡアレイ１０，１０’の間に包含された、光学材料（例えば、ガラス、プラスチック、結晶、ソルゲルなど）から形成されるＤＭＬＡ１１３内部の光ビーム伝播スキームの詳細が示されている。前方および後方の表面１０および１０’の各々はレンズレットにより形成されている。入射光ビームは、異なる入射角度でＤＭＬＡ１１３の互いに離間した地点１１，１２，１３に衝突する。関心のある特性に焦点を合わせるために、すべての入射光線は、それらの横方向位置に関係なく、それらの方向に関して考慮される。特に、入射ビームの垂直入射光線（光軸に平行な入射光線）２，５，８、下方境界光線３，６，９および上方境界光線１，４，７は、図中、実線、点線および破線で描かれている。ＤＭＬＡ１１３の前方面１０は、平行光線束２，５，８；３，６，９および１，４，７が球状光線束（spherical ray bundles）２’，５’，８’；３’，６’，９’および１’，４’，７’に変換されるように、ビーム収束効果を与える。なお、フロントＭＬＡ面を通過した後は、各球状束（５’，６’，４’）の中心光線が光軸に対して斜位にある。中心光線の斜位を修正するために、光ビームはリアＭＬＡ面１０’によりさらに変換される。ＤＭＬＡは、平行入射光線の収束点１４，１５，１６がＤＭＬＡの後方面１０’上に正確に位置するように構成されている。具体的に、垂直入射光線束の焦点１５は、面１０’におけるレンズレットの中心に配置され、一方、斜平行入射光線束の収束点１４および１６は、面１０’におけるレンズレットの縁部に配置され、後者については、その後、対物レンズのように作用する。これにより、球状光線束２’，５’，８’；３’，６’，９’および１’，４’，７’は、球状光線束２”，５”，８”；１”，４”，７”および３”，６”，９”に変換され、その各々が、実線、点線および破線で示されるように、光軸に対して平行となる中心光線を有する。このような光軸に平行な中心光線は、ＤＭＬＡにより均一な光点（矩形）に成形されたビームの最適で有効なコリメーションを与える。

ここで、図２に戻ると、ビーム成形ユニット１１３が、ＤＭＬＡおよび焦点集光レンズ１１５を有するフライズアイインテグレータ（fly's eye integrator）として機能し得ることに留意されたい。ＳＬＭ面で結果として得られる強度は、ＤＭＬＡの入力側のレンズレットの縮小された強度の重畳、すなわち

となる。ここで、ｉ，ｊはレンズレットの番号、ｋはＤＭＬＡレンズレットの寸法とＳＬＭの寸法との間の縮小係数、Ｍ，Ｎは、ｘ，ｙ方向における、光点により覆われるＤＭＬＡのレンズレットの数量である。ビームにより覆われるレンズレットの数が増えるほど、ＳＬＭ平面における均一性が良くなる。フライズアイインテグレータは、発散角２ω_ＤＭＬＡ＜ｄ_ｕ／ｆ_ｕ（ここで、ｄ_ｕおよびｆ_ｕはレンズレットのサイズおよび焦点距離である）を有するテレセントリックビームによりＤＭＬＡが照明される場合には、単一のレンズレットにより与えられるサイズにわたる照明ビームの幾何学的広がりを増加させることはない。

集光レンズ１１５は、ＳＬＭの近傍に対物レンズ４２０を置きながら、単一グループまたは分割レンズとして構成することができる。この構成は、ＳＬＭと投影レンズとの間にもう一つ対物レンズが加えられた場合に、正の投影レンズがその内部にエントランスピューピルを有するため、ＳＬＭのテレセントリック照明を与えて、照明と投影ピューピルとの間の最適マッチングを行うことができる。ＬＣＯＳ式のＳＬＭの場合には、対物レンズは、照明および投影パスの両方で機能して、ＳＬＭのテレセントリック照明とピューピルマッチングの両方を与える。

図７を参照すると、フライアイインテグレータを有する本発明の投写ディスプレイのＤＭＬＡ照明ユニットの部分図の一例が示されている。この具体例においては、ＳＬＭシステム１０４が透過ＬＣＤパネルであるが、同様に、本発明はＬＣＯＳおよびＤＭＤパネルにも適用可能である。ＤＭＬＡ４１１はスペックル除去ユニット４１０から出るビームを集めて成形する。さらに、光の変換および中継は、集光レンズ４１２および対物レンズ４２０で行うことができる。この実施形態においては、プロジェクタ配置のために、集光レンズ４１２が、背面焦点距離とほぼ同一の有効焦点距離（ＥＦＬ）を有する単一の両凸正レンズとして構成されることが好ましい。このため、この実施形態においては、対物レンズ４２０を、背面焦点距離とほぼ同一のＥＦＬを有する単一の両凸正レンズとして構成することが好ましく、その背面焦点距離が集光レンズ４１２のそれと同一となっている。それらレンズ４１２および４２０は、ＤＭＬＡ４１１からの光の適切な集光を達成して、ＳＬＭシステム１０４上の均一な矩形光点としてＤＭＬＡ４１１を結像することがともに必要とされる。さらに、ＬＣＤ（またはＬＣＯＳまたはＤＭＤ）パネルのコントラスト比がより小さい角度により改善されて、結果として長焦点距離レンズがもたらされるため、レンズ４１２および４２０は、照明光の角度範囲を低減する。光ビームはＤＭＬＡ４１１の後に集光レンズ４１２を通過する。この集光レンズ４１２は、ＤＭＬＡ４１１のすべてのマイクロレンズからの光線を集めるとともに、主光線のすべてをＳＬＭ（ＬＣＤパネル）１０４の中心で焦点が合わせられるように導く。このため、レンズ４１２は、ＤＭＬＡのすべてのレンズレットからの矩形光点の完全で均一なオーバラップを与え、その結果、すべてのレンズレットからの光線により形成されるＳＬＭ活性面上の矩形光点が生成される。これは、複数の光成分を平均化する効果を実際に示し、それにより、スペックル効果がさらに低減される。対物レンズ４２０は、各ＳＬＭ点上に入射する光束の方向を修正する。ＳＬＭ活性面上の矩形光点の寸法は、ｄを対応方向におけるマイクロレンズの寸法、ｆを集光レンズ焦点距離による、レンズレット焦点距離とした場合、ＤＭＬＡ視野のプロダクト、すなわち、

と等しくなる。ＳＬＭ活性面に入射する光線の最大角は、ラジアンで、集光レンズ焦点距離に対するＤＭＬＡ上の光点サイズの割合となる。なお、ＳＬＭ１０４は、集光レンズ４１２と焦点が合っており、そのため、図７の照明光学配置のトータルトラック、すなわち機械的範囲は、集光レンズの焦点距離と本質的に同じである。

図１Ｂに戻ると、照明システム１０２が、（図２に例示されるように）共通のＳＬＭに向かう複数の波長伝播の光部分を有する単一の照明ビームを与えることができることに留意されたい。代替的または追加的には、照明システム１０２は、各光源チャネルが専用のＳＬＭユニットを有するか、または２またはそれ以上の光チャネルが共通のＳＬＭを使用するよう、コヒーレント（レーザ）および／またはインコヒーレント（ＬＥＤタイプ）光源を生成および結合させるように構成することができる。このため、光源からの光は照明システム１０２の構成要素のすべてを通過することができ（よって、スペックル除去および成形処理を受け）、一方、ＬＥＤ光源からの光はシステムの一連のブロックに進み、図１Ｂの破線の矢印で示されるように、それらブロックを通過することはない。

このため、本発明の投写ディスプレイは、ＬＥＤとレーザを組み合わせて使用することを可能にする。光源ユニット１０８は、２つのレーザ光源（例えば 赤原色および緑原色のレーザ光源）とＬＥＤ（例えば、青原色のＬＥＤ）とを備え、それにより異なる波長の３つの光ビームを生成するものであってもよい。赤色および緑色レーザの使用により、投写ディスプレイ１００用として低電力消費照明が可能になり、青色ＬＥＤの使用は、現在入手可能な青色レーザの高コストを避けるうえで、好ましい。レーザとＬＥＤのその他の組合せ、例えば、（ａ）赤色および青色レーザと緑色ＬＥＤ、（ｂ）緑色レーザと赤色および青色ＬＥＤのような組合せを利用することも可能である。若しくは、光源ユニット１０８が３つのレーザ光源（例えば、赤、緑および青の原色のレーザ光源）を備えるものであってもよい。

上述したように、スペックル除去ユニットを提供することは、コヒーレント光（レーザ光源）の作用に関連する。スペックル除去ユニット１１０は、当該ユニットに衝突する光を、０．１から最大１０度までの区間内で定義し得る上限θ未満の最大拡散角で、散乱させるように構成されて機能し得る。上述したように、投写ディスプレイに光拡散素子を配置すると、スクリーン上に投影された像に望ましくない粒状構造がもたらされる。この粒状構造はスペックルよりも粗いものであるが、画質を大幅に低下させる可能性がある。粒状構造を回避し、かつスペックル効果を大幅に低減するために、光散乱素子が、光源とビーム成形ユニットとの間の光学経路上であって、ビーム成形ユニットから短い距離の位置に、ＤＭＬＡ上における光散乱素子の散乱面の結像を回避するように、配置することが好ましい。本出願の発明者は、ＤＭＬＡの前にディフューザを配置することにより、粒状構造を追加することなく、実際にスペックルが大幅に低減されることを実験的に証明している。上述したように、スペックル除去ユニットは、時間および空間とともにランダムに変化する散乱効果を与えるように構成されて機能し得る。そのために、スペックル除去ユニットは、連続的に移動させることができるディフューザ（散乱面）として構成され、それは、機械的形状および動作タイプの異なる構成を有することができる。スペックル除去ユニットには、音声コイルディフューザ、回転振動ディフューザ、回転ディスクディフューザおよび管状回転ディフューザ、またはＭＥＭＳ活性化ディフューザの中の少なくとも１が含まれる。さらに、本発明の別の実施形態においては、拡散液晶パネルまたは音響光学変調器のような連続的に変位可能なディフューザの電気光学的な実施が可能である。

各位置のディフューザは観察者の目にスペックルパターンを作り出すが、そのコントラストはレーザビームのコヒーレンスおよび光学システム全体のパラメータに依存するものとなる。動作中、ディフューザは様々な無相関なスペックルパターンを作り出し、それらは、その平均化（知覚）時間（〜０．１ｓ）を通じて、目で平均化される。

図８を参照すると、音声コイル振動ディフューザユニットの概略的な機械的レイアウトが示されており、このディフューザは、光散乱面３と、コイル１および磁石２を有する変位機構とを備え、それらすべてが保持フレーム４に取り付けられている。音声コイルを使用することの利点の一つは、そのコンパクトさにある。

ディフューザは、直線運動を行うことができる。異なる周波数および異なる振幅でコイルにＡＣ電流を印加することにより、周期的な直線運動が生成される。線形振動は、機械構造の固有振動周波数に対応する同じ周波数でＡＣ電流を印加する場合に、最小電力で実現することができる。

図９を参照すると、回転振動ディフューザの概略的な機械的レイアウトが示されている。回転振動ディフューザは、モータホルダ２に取り付けられたＤＣモータ１によって駆動される光散乱面３を備える。ＤＣモータはＡＣ電流によって駆動される。ディフューザ３は、周期的に変化する方向に、その軸を中心に小さい角度往復しながら、モータにより回転される。

図１０を参照すると、回転ディフューザユニットの概略的な機械的レイアウトが示されており、このユニットは、電気モータ２に取り付けられた光散乱面３を規定する拡散材料からなるディスク１を備えている。後者は、散乱面３の連続回転を与えるように機能する。光点４はディスクの外周部に入射する。このため、散乱面の開口部が、光ビーム断面の少なくとも２倍の寸法の円い形状をしていて、ディスクの外周（リング状の）部分のみを光学的に使用するのが好ましい。回転ディフューザの開口部の寸法は、好ましくは、回転ディフューザ上の光ビームの断面４の光学的減少（焦点調節）により最小化される。回転ディフューザは、低電力消費、高い利用可能回転速度、低ノイズを特徴とし、その結果、効率的なスペックル低減を特徴とする。

図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、回転ディフューザ１の概略的な機械的レイアウトのさらに別の例が示されている。この具体例においては、シリンダとして成形されて、光散乱面として形成された表面（例えば、内面、外面またはそれら両面）、例えば光拡散溝が形成された表面を有する管状ディフューザが示されている。シリンダは、回転するように電気モータ３に取り付けられ、電気モータ３は、コネクタ４を介して、例えばフレキシブルケーブル２により電源に接続されている。モータ３は、シリンダの連続的な回転を与えるように機能する。管状ディフューザ１のシリンダは、図１１Ｂに示すように、光伝播の光軸に対して垂直に組み立てられている。管状ディフューザ１の光散乱面（例えば、光拡散溝）は、円筒の内面、外面またはそれら両面に直接加工するものであってもよい。代替的には、光拡散溝を有する軟質プラスチックシートは、シートの両端を付着させることにより、シリンダの内部に設置されている。付着された端部上における光拡散効果を補うために、ランダムに駆動圧力を変化させることにより、モータ回転速度の不規則な変化を加えるようにしてもよい。管状ディフューザは、光ビームの断面のすべての部分で同じ直線速度を提供する。管状ディフューザ構成は、幅および重さの両方においてコンパクトであり、連続的な回転により省電力を特徴とする。さらに、ビームは、円筒軸に対してほぼ垂直な軸（あるいは円筒軸に対して傾いた軸）に沿って伝播する間に、ディフューザを２回通過し、それにより、スペックルをさらに低減する。

図２のレンズユニット１１６を参照して述べたように、投写ディスプレイデバイス内の光の光学経路は、負レンズ１１６を加えることにより、照明チャネル内で望遠原理を使用して（すなわち、正レンズおよび負レンズの組合せを使用して）減少させることができる。これに関して、図１２を参照すると、望遠原理がより具体的に示され、この例では、有効焦点距離（ＥＦＬ）を保ちながら光学システムのトータルトラックが縮小されている。この具体例では、同じ２０ｍｍのＥＦＬを有する正レンズおよび負レンズの望遠組合せ（１１７および１１６）が使用されている。光学システムのトータルトラックは１２．５ｍｍであり、それはＥＦＬよりも非常に小さい。

本発明においては、照明システムに望遠原理が適用され、それにより、トータルトラック、機械的寸法および体積の縮小、照明システムおよび投写ディスプレイ全体の軽量化の利点を有する。なお、集光レンズおよび対物レンズの焦点距離に依存するシステムのトータルトラックとＳＬＭ平面におけるビームコリメーションの程度との間にトレードオフが存在する。より短い焦点距離および光学的トラックの距離は、プロジェクタディスプレイの機械的寸法の最小化に有用である。一方、より長い焦点距離および光学的トラックの距離は、ＳＬＭに入射するコリメート照明ビームの低い剰余発散角を達成するために好ましい。上述したトレードオフの影響を低減するために、望遠原理を使用することができる。均一な強度、照明システムの相対的に短い光学的トータルトラックを持つ高度にコリメートされた照明を可能にするために、照明システムの集光レンズと対物レンズとの間に、負レンズを加えることができる。

これに関して、図１３を参照すると、ＤＭＬＡおよび透過ＬＣＤパネルに関連する望遠光学配置が示されている。ＤＭＬＡ４１１は、スペックル除去ユニット４１０から出るビームを集めて成形する。光の更なる変換および中継は、正の集光レンズ（例えば、両凸非球面）４１２、負レンズ（例えば、両凹球面）４１４および対物レンズ４２０により行われる。そのため、望遠の概念は、１つの追加的負レンズ４１４を利用するとともに、照明システムのトータルトラックの大幅な縮小を可能にする。図１３の構成と図７の構成とを比較すると、図１３の望遠照明システムの距離Ｌ₁は、図７に示される照明システムよりも３７％短い。

その他の実施形態においては、望遠光学配置が、ＤＭＬＡおよび反射ＳＬＭ（例えば、ＬＣＯＳパネル）と関連するものであってもよい。この場合には、ビームスプリッタ／結合器、典型的には偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を、ＳＬＭの入力に加える必要がある。ＰＢＳとＳＬＭとの間には対物レンズを加えることができる。

ある実施形態においては、ディフューザ上の光点の断面寸法がＳＬＭ活性面の寸法（すなわち、ＳＬＭ活性面における開口の対角線寸法）よりも小さくなるように、光源、ディフューザおよびＤＭＬＡが何れも構成されて共に機能する。なお、ＳＬＭ活性面は、ＳＬＭピクセル配置により形成されるＳＬＭユニットの表面のことを云い、それは基板（例えば、ガラス）と適当なスペーサとの間に収容されているＳＬＭユニットの内面である。そのようなピクセル配置は、活性セル（例えば、液晶セル）の二次元アレイを有し、各々がイメージのピクセルとしての機能を果たすとともに、不透明なＳＬＭの開口により制限を受ける。非限定の実施例においては、ディフューザ上の光点の断面が１ｍｍから５ｍｍまでの範囲内にあり、光点のサイズの約２倍となるディフューザの直径が、依然としてコンパクトな投写ディスプレイに対応する。ディフューザは、０．１度から５度までの範囲内の最大光拡散角を有する表面レリーフディフューザとして構成することが好ましい。

光源の細部構造に戻ると、投写ディスプレイの照明システムは、赤色、緑色および青色光源を備え、それらにはレーザおよび／またはＬＥＤが含まれる。コンパクトデバイスとしての本発明のプロジェクタディスプレイの使用は、ＲＧＢ（赤、緑、青）光源に非常に厳しい条件、すなわち、ＲＧＢ波長の各々における数百ｍＷの相対的に高い光出力、能動冷却を用いずに５０℃未満の動作温度、高い光学的効率、少ないビームの幾何学的広がり、限定された照明角度範囲を有するトップハット（top-hat）ビーム成形の可能性、大量生産において低コスト、といった条件を課す。図１４を参照すると、緑色光チャネル構成が部分的に例示されており、その構成は、ダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザを備え、それは、集光ユニットおよびコリメータの両方として機能するビーム拡大器とともに機械的に組み立てられている。なお、ビーム拡大器は、速軸で赤色および青色ビームのサイズとほぼ同じかそれに近い緑色ビーム直径を与えることを可能にする。ＤＰＳＳレーザユニットは、三角形ホルダ５０１、励起レーザダイオード（ＬＤ）５０２、非線形結晶アセンブリ５０３およびビーム拡大器５０４−５０５を含む。三角形ホルダ５０１は、ヒートシンクとしての機能を果たし、２５℃−５０℃の周囲のプロジェクタ動作温度範囲（ＯＴＲ）において最適熱消散パフォーマンス用に設計された、質量、材料および構造を有している。励起ＬＤ５０２は、選択的な内蔵サーミスタと関連するものであってもよく、この励起ＬＤ５０２は、このデバイスに典型的な約４０℃−５０℃の動作温度で、約８０７−８０９ナノメートルの範囲の波長の放射を発するように設計されている。ＬＤは、熱伝導接着剤で三角形ホルダ５０１に付着させるようにしてもよい。ＬＤの電子機器／ドライバは、移動式プロジェクタデバイスの時間フレーム内で放射を発するために使用される駆動電流およびデューティサイクルを制御することができる。ＬＤは、例えばＵＶ接着剤により、光学的接点、非線形結晶のアセンブリに取り付けるのが好ましい。非線形結晶アセンブリ５０３は、周波数変換結晶、好ましくはＮｄ：ＹＶＯ４と、周波数倍増（レージング）結晶、好ましくはＫＴＰとを含むようにしてもよく、このうちＫＴＰは、５３２ナノメートルの波長と例えば７０−２００マイクロメートルの直径を有する偏光レーザ光を発するものである。非線形結晶アセンブリは、ビーム拡大器のハウジングに機械的に取り付けることが好ましい。ビーム拡大器は、それぞれ有効焦点距離ＥＦＬ１、ＥＦＬ２を有し、よって（ＥＦＬ２／ＥＦＬ１）の拡大比を有する負レンズおよび正レンズから構成することができる。ビーム拡大器は、狭レーザビームを、約５３２ナノメートルの波長で例えば１−５ミリメートルの直径を有する、拡大されてコリメートされた緑色ビームに変換する。

ある実施形態においては、ビーム拡大器は、第１レンズ５０４（例えば、両凹面ロッド）および第２レンズ５０５を備える。

図１５を参照すると、緑色照明チャネルの一例が示されている。この具体例において、緑色照明チャネルは、ＤＰＳＳレーザユニット４００と、両凹面負レンズ４０８およびコリメータ正レンズ４０９により形成されるビーム拡大器と、スペックル除去ユニットとして機能する回転ディスクディフューザ１１０を回転させる回転電気モータ５０１と、緑色光を透過して赤色光を反射する二色性ミラー１０９Ｂと、ＤＭＬＡ４１１と、集光レンズ４１２と、緑色および赤色光を透過して青色光を反射する二色性ミラー１０９Ｃと、コリメータレンズ１１２とを備える。そのように結合された光はＬＣＤパネル１０４に衝突し、変調光は投影レンズ１０６に伝播する。

なお、ポータブル投写ディスプレイ用に適した可視波長を有するレーザ光源の実施には、サイズの厳しい制限、出力散逸、光−電気効率、および高くて利用可能な動作温度に関する幾つもの技術的な問題に直面する。代表的な状況として、利用可能なレーザは、非常に限定された数十ｍＷの出力パワーしか提供することができず、それでは、スクリーン上に約１０−５０ルーメンの光束を必要とする移動式プロジェクタディスプレイシステム用として不十分なものとなっている。

本発明の一態様によれば、幾つものレーザのセットが組み合わされてパッケージング高さ（packaging level）のアレイとなり、それにより、温度安定性、熱消散およびレーザ発振パワー条件が満たされる。図１６を参照すると、複数のビームが１つの本質的にコリメートされたビームへと組み合わされるように、集光ユニットおよびコリメータと関連するレーザアレイ光源７００が示されている。光源７００は、レーザダイオードアレイ６００を含み、それは、効率的な受動熱管理のために、幾つかのレーザのパッケージングのベース上に設けられ、かつ最初に遅軸次いで速軸のコリメーション光学部品を有するアセンブリ内に設けられる。この非限定の実施例においては、レーザアレイ６００が、１ｍｍのピッチで組み立てられた６つのレーザダイオード６０２を含み、すべての発光体が一直線に配置されている。一方、全体アレイ６００は数ミリメートルの相対的に大きい全体の空間的広がりを有するが、各レーザは、数マイクロメートルの小さい発光体サイズを有し、その結果、低い剰余発散で効率的にコリメートされる。このため、レーザアレイ６００は、小さい空間範囲（すなわち、ビーム発散度に亘るビームの幾何学的広がりの２乗の積算結果）およびマルチ出力パワーを特徴とし、このマルチ出力パワーは、本発明のプロジェクタディスプレイシステムの開発にとって重要な条件である。レーザアレイ６００のコリメーションは、レーザの各々の個別アドレッシングを可能にするために、交差円柱マイクロレンズアレイを使用して実現することができる。なお、交差円柱マイクロレンズアレイは、一般に、一方向に延びる円柱マイクロレンズの第１アレイと、垂直な方向に延びる、第１アレイの下流側に位置する円柱マイクロレンズの第２アレイとを規定する。２つのアレイの焦点距離は、異なっていて、レーザダイオードの遅軸および速軸発散と適合するものであってもよい。

なお、レーザバーコリメーションモジュールのための標準的な手法は、始めに速軸を非球面円柱レンズで、その後に遅軸を円柱レンズの水晶体アレイで、それぞれコリメートするというものである。結果として得られるコリメートビームは、幾つかの小さな光点からなる細長い直線構造を明示する。しかしながら、この手法は、コンパクトプロジェクタ条件には適合しない。そのコリメータ条件は、適当な数の光学部品で、アレイの各レーザおよび全レーザのビームをコリメートして、ｘとｙの両方向に数ミリメートル幅の光点を生成することを行うというものである。

図１７を参照すると、ダイオードレーザアレイを有する照明チャネルが示されており、そのダイオードレーザアレイは、遅軸コリメーション用の水晶体マイクロレンズアレイ７０２と、速軸コリメーション用の円柱レンズ７０３とを備え、両軸が、本実施例におけるそれぞれの光源レーザダイオードの発光体平面と一致する共通の焦点面を有する。レーザダイオードの各々の速軸は、光点サイズがレーザアレイの全体サイズ（例えば、３−６ｍｍ）に達するまで、始めにビームを自然に発散する。それにより、遅軸は、約１ｍｍのアレイピッチまで発散して、アレイにおける異なるレーザビームのオーバラップを回避する。そのようなコリメータの製造は、従来の成形技術を使用することにより可能である。シミュレーションおよび測定値は、０．２５インチのＳＬＭ上に投影される赤色ダイオードレーザアレイ６００からの全体ビームの角度発散が±４度を超えることはなく、集光効率が７５−８５％の範囲内にあることを示している。また、スペックル除去ユニットおよびＤＭＬＡに必要とされるより小さい光学的光点サイズを有するレーザアレイの後に、コリメートされた出力ビームの大きな光点に適合させるために、ビームレジューサユニットが加えられる。ビームレジューサは、反転ガリレオ式のテレスコープを使用し、このテレスコープは、正レンズ４０５および負レンズ４０７を備え、それはコリメーションを保つがビームの外寸を低減する。ガリレオ式のビームレジューサは、正負のレンズを備えるか、あるいは２つの正レンズを備えることができる。

図１８を参照すると、レーザ光源の別の実施形態が示されており、このレーザ光源は、増大パワー出力を特徴とする一対のレーザダイオードと、反射ファセット構造に基づくビーム結合器とを備える。２つの別個のレーザダイオードの各々のビームは、コリメートされて、反射コーティングを有する２つの４５度ファセットからの反射により、隣接する平行な光路にて伝播するように向けられる。特に、レーザ８０２および８０２’の光ビームは、一重項球面レンズ８０４および８０４’によりコリメートされて、２つのミラーファセット８０６および８０６’により反射された後、レーザの偏光に対して４５度の軸を有する半波長板として構成された光学的偏光回転子８０８を通過する。ミラーファセット８０６および８０６’は、ガラスまたはプラスチック材料のプリズムとして製造された後、光スペクトルの赤色領域における反射係数に対して最適化された、アルミニウム、銀、クロムまたは別の高反射コーティングにより被覆されるものであってもよい。

図１９を参照すると、レーザ光源の別の実施形態が示されており、このレーザ光源は、増大パワー出力を特徴とする一対のレーザダイオードと、反射ペリスコープに基づくビーム結合器とを備える。２つの別個のレーザダイオードの各々のビームは、コリメートされて、４５度の傾きを有する２つのミラーからの反射により、隣接する平行な光路にて伝播するように導かれる。特に、レーザダイオード８０２および８０２’の光ビームは、レンズ８０４および８０４’によりコリメートされて、２つのミラー８１０および８１０’により反射された後、僅かな横方向シフトを有する平行な光路上を伝播する。ミラー８１０および８１０’は、ガラスまたはプラスチック材料から作成した後、光スペクトルの赤色領域における反射係数に対して最適化された、アルミニウム、銀、クロムまたは別の高反射コーティングにより被覆されるものであってもよい。

図２０Ａおよび図２０Ｂを参照すると、本発明に従い構成された単一高出力ＬＥＤ式の光チャネル（例えば、青色光チャネル）が示されている。ＬＥＤは、放射の非常に高い発散、すなわち大きい空間範囲（すなわち、ビーム発散度に亘るビームの幾何学的広がりの２乗の積算結果）を有する広がった放射源であるため、ＬＥＤ（例えば、青色）光チャネルは、レーザ（例えば、緑色および赤色の両色）チャネルとは異なる。このため、ＬＥＤ光の効率的な集光およびコリメーションは、科学技術的な難題である。典型的には、ＬＥＤから発せられる光ビームの角度は±９０度から約±１０度に減少され、一方、発光ＬＥＤ領域は、ＳＬＭ活性面の数ミリメートルの寸法を有する本質的に均一な矩形光点に変換される。ＬＥＤ光チャネルは、発光面１０８Ｃと、ＬＥＤを詰めた内蔵集光レンズ２０２（例えば、半球）と、コリメータ非球面レンズ２０３と、１またはそれ以上のその他のチャネルと共有の更なる光学部品とを備えることができる。この光学部品には、ＬＥＤ光（例えば、青色）を反射してその他の原色（例えば、赤色および緑色）の光を透過する二色性ミラー１０９Ｃと、ＳＬＭ面１０４とが含まれる。ＳＬＭ面における光点サイズおよび角度は、内蔵レンズ２０２および２つの正レンズ２０３および２０５を有するＬＥＤを使用して決めることができる。ＬＥＤ発光体１０８Ｃは、青色チャネル光学縦列の焦点面に配置されているため、それは投影レンズのピューピルに焦点を合わされ、ＬＥＤ発光面１０８Ｃが非均一なパターンを有していても、像面に均一像を形成する。

図２１を参照すると、ＬＣＯＳ式のＳＬＭおよび光学的望遠照明チャネルと関連するプロジェクタディスプレイシステムの典型的な単色レーザチャネルが示されている。その他のＲＧＢまたは異なる色彩チャネルは、二色性のＸキューブ（X-cube）１０９により結合することができる。二色性Ｘチューブの構成および動作は当業者に知られており、そのため、ここでは詳細に述べる必要はないと考えられる。レーザ１０８からの光は、コリメータレンズ８０４（例えば、非球面）によりコリメートされて、Ｘキューブビーム結合器１０９を通過する。完全に結合されてコリメートされた赤色、緑色および青色ビームは、スペックル除去ユニット１１０およびビーム成形ユニット（好ましくは、ＤＭＬＡ）１１３、集光レンズ４１２、好ましくは両凹の、光学的負望遠レンズ１１６、対物レンズ４２０を通過し、それらは一緒に、光強度分布をＬＣＯＳ活性面上の矩形光点に変換する。集光レンズ４１２および対物レンズ４２０は、同じ非球面レンズとしてもよく、負の望遠レンズ１１６は、平凹レンズ、好ましくはハイインデックスガラスからなる平凹レンズとしてもよい。偏光子９０２により線形偏光される光は、さらに、偏光ビームスプリッティングキューブ（ＰＢＳ）４１６と、偏光波長板として作られたリターダまたは位相差板スタック１１６とを通過し、それらが、ＳＬＭ反射係数およびコントラストを改善するために入射光の偏光状態を変更する。ＰＢＳキューブの寸法は、例えば、７×７×７ｍｍである。ＬＣＯＳ式のＳＬＭにより、反射されて偏光状態が空間的に変調された出力光は、波長板１１６を逆方向に通過して、ＰＢＳ４１６に反射され、検光子９０４を通過し、対物テレセントリック投影レンズ１０６により結像され、スクリーン上に必要な拡大スケールを与える。投影レンズは、８ｍｍ未満の直径を有する５つの球面レンズを備え、偏光ビームスプリッティングキューブにより引き起こされる収差を補正し、０．１６７のＮＡ、および３×４ｍｍのＬＣＯＳ活性面を特徴とする。この具体的構成において、プロジェクタの全長は３６ｍｍである。なお、光源および二色性ミラーの順序は入れ替えることが可能であり、ＳＬＭが、偏光子、検光子、および任意には、補償位相リターダまたは四分の一波長板のような追加的偏光素子を含むことも可能である。

図２２を参照すると、赤色レーザ光源が６つのレーザダイオードのアレイであるレーザ光源とＬＥＤ光源とを組合せたユニットと関連する、ＬＣＤ投写ディスプレイシステム１４０の非限定的な具体例が示されている。具体的には、緑色および赤色光源がレーザ式の光源、青色光源がＬＥＤ式の光源となっている。この実施例においては、緑色光源が緑色ＤＰＳＳレーザを含み、赤色光源１０８Ｂが、１ｍｍのピッチで配列された複数の素子（ダイオード）からなる赤色レーザダイオードアレイの形態を取り、青色光源１０８Ｃが青色ＬＥＤとして構成されている。緑色光源１０８Ａは、ガリレオ式として構成される緑色レーザビーム拡大器を備え、この拡大器が負レンズ４０８および正レンズ４０９を含んでいる。レーザダイオードアレイ１０８Ｂは、レンズユニットと関連しており、このレンズユニットが、水晶体マイクロレンズアレイ７０２、例えば６つの円柱レンズのアレイと、レーザダイオードアレイ１０８Ａの速軸をコリメートするように構成された円柱レンズ７０３とを有している。

本発明の一実施形態においては、コリメーションを保ちながらＤＭＬＡ上のビームサイズを縮小する反転テレスコープ（４０５，４０７）が（上述したように）使用される。このため、２つのレーザビームは、共通の光学経路に沿ってスペックル除去ユニット１１０およびＤＭＬＡ１１３に向けて伝播し、その後、集光レンズ４１２を通過して、二色性ミラー１０９Ｃに向けて進む。青色ＬＥＤ１０８Ｃは、そのパッケージケースに取り付けられた半球集光レンズ２０２と、ＬＥＤの発散角を９０度から約４０度に減少させてＳＬＭ活性面の対角線と同じ直径を有する光点を形成するためのコリメータレンズ２０３とを備えるものであってもよい。レンズ４０９から出るコリメート緑色光ビームは、赤色二色性ミラー１０９Ｂにより透過される。レンズ４０９から出るコリメート赤色光ビームは、赤色二色性ミラー１０９Ｂにより反射される。よって、二色性ミラー１０９Ｂは、透過および反射モードにおいて、緑色および赤色ビームを結合させる。この結合された光は、共通の光学経路に沿ってスペックル除去ユニット１１０およびＤＭＬＡ１１３に向けて伝播し、その後、集光レンズ４１２を通過して、二色性ミラー１０９Ｃに向けて進む。後者は、青色光を反射して、緑色および赤色光を透過し、その結果、完全に結合された、赤色、緑色および青色ビームを生成し、このビームが対物レンズ４２０および偏光子９０２を経由して透過性ＳＬＭ１０４に伝播する。対物レンズ４２０は、結合光をコリメートして、それによりＳＬＭ１０４に衝突する光の入射角度を減少させて、ＳＬＭ透過およびコントラストを改善する。

図２３を参照すると、ＬＣＯＳ投写ディスプレイシステム１５０の構成の非限定的な具体例が示されており、このＬＣＯＳ投写ディスプレイシステム１５０は、レーザおよびＬＥＤ光源の組合せユニットを含むもので、このシステムにおいては、赤色レーザ光源が、図１９に示す反射ペリスコープと関連する一対の赤色レーザとして構成されている。具体的には、緑色および赤色光源がレーザ式の光源、青色光源がＬＥＤ式の光源となっている。この実施例においては、光源ユニットが緑色レーザにより形成される緑色光源と、ペリスコープ光学配置と結合された一対の赤色レーザダイオードとして構成された赤色光源１０８Ｂおよび１０８Ｂ’と、青色ＬＥＤとして構成された青色光源１０８Ｃとを有する。緑色光源１０８Ａは、ガリレオ式として構成される緑色レーザビーム拡大器を備え、この拡大器が負レンズ４０８および正レンズ４０９を含んでいる。一対の赤色レーザ１０８Ｂおよび１０８Ｂ’の光ビームは、レンズ８０４および８０４’によりコリメートされて、２つのミラー８１０および８１０’により反射された後、僅かな横方向シフトを有する平行な光路上を伝播する。青色ＬＥＤ１０８Ｃは、そのパッケージケースに取り付けられた集光レンズ２０２（例えば、半球）と、ＬＥＤの発散角を９０度から４０度に減少させてＳＬＭ活性面の対角線と同じ直径を有する光点を形成するためのコリメータレンズ２０３とを備える。レンズ４０９から出るコリメート緑色光ビームは、ミラー１０９Ａから赤色二色性ミラー１０９Ｂに向けて反射される。二色性ミラー１０９Ｂは、透過および反射モードにおいて、緑色および赤色ビームを結合させて、それらをミラー１０９Ｄに向ける。ミラー１０９Ｄは、結合されたコリメート緑色および赤色光ビームをスペックル除去ユニット１１０に向けて反射する。この結合された光は、共通の光学経路に沿ってスペックル除去ユニット１１０およびＤＭＬＡ１１３に向けて伝播し、その後、集光レンズ４１２を通過して、二色性ミラー１０９Ｃに向けて進む。二色性ミラー１０９Ｃは、青色光を反射して、緑色および赤色光を透過し、その結果、完全に結合されてコリメートされた、赤色、緑色および青色ビームを生成し、このビームが偏光子９０２を通過して、偏光ビームスプリッティングキューブ（ＰＢＳ）４１６から対物レンズ４２０に向けて反射される。対物レンズ４２０は、結合光をコリメートして、それにより反射ＬＣＯＳ１０４に衝突する光の入射角度を減少させる。偏光波長板として作られたリターダまたは位相差板スタック１１６は、入射光の偏光状態を変更して、ＳＬＭ反射係数およびコントラストを改善する。ＳＬＭにより、反射されて偏光状態が空間的に変調された出力光は、リターダ１１６および対物レンズ４２０を逆方向に通過して、ＰＢＳ４１６を透過し、検光子９０４を通過し、投影レンズ１０６により結像され、スクリーン上に必要な拡大スケールを与える。

なお、典型的なレーザダイオードは、実質的に異なる発散角と、速軸および遅軸において異なる寸法の楕円形断面とを有するビームを発する。このビームは通常はコリメーティングレンズ（球面または非球面）によりコリメートされる。速軸および遅軸方向の各々において、楕円ビームは、ｆをコリメータの焦点距離、ＮＡを対応方向における集光開口数としたときに、寸法Ｄ＝２ｆ・ＮＡを有する。コリメートされたビームの完全な発散は、ａを発光体サイズとしたときに、次のようになる。

コリメートされたレーザダイオードビームの楕円ビーム光点のアスペクト比（すなわち、長軸対短軸比）は、３：１乃至６：１の範囲内にある。したがって、ＤＭＬＡにおいて楕円光点により覆われるＤＭＬＡレンズレットの数量は不十分であり、それは、ＳＬＭ活性領域内のＳＬＭ平面における低い空間的均一性をもたらす可能性がある。最小レンズレットサイズが、ＭＬＡ加工技術および基本波の回折現象により制限されるため、ＤＭＬＡにおける短い側の光点サイズは、レンズレット寸法を数倍超えるはずである。一方、ＤＭＬＡにおいて大きなアスペクト比を有する長い側の光点サイズは、プロジェクタディスプレイの低体積および小型化要件により、上限値を有するはずである。よって、レーザビームを、ＤＭＬＡと相互作用する前に、好ましくは円形とする、すなわち、１：１に近いアスペクト比を与える必要がある。本発明は、円柱レンズ、プリズムおよび特別なディフューザを利用した楕円レーザダイオードビームの円形化を有する投写ディスプレイシステムについての様々な実施形態を教示している。

図２４を参照すると、本発明の投写ディスプレイの構成の一例の断面図が示されている。ここで、投写ディスプレイ、特に照明システムは、円柱レンズを利用するビームサーキュライザを備える。照明システムは、赤色、緑色および青色光ビームの生成および伝播用の３つの光チャネルＣＨ−１，ＣＨ−２およびＣＨ−３をそれぞれ規定するように構成されている。それら光チャネルは、その後、二色性ビームスプリッタ／結合器１０９により結合される。結合された光ビームは、ドライブ２５４と関連する回転ディスク１１０によりランダムな散乱を受け、その後、ＤＭＬＡ４１１と集光レンズ４２０とを有するビーム成形ユニットを通過する。レンズ４２０からの出力光は、ＰＢＳ２５２により反射され、対物レンズ４１２を含む更なるレンズアセンブリを通過し、その後、反射式のＳＬＭ１０４に向けて導かれる。変調された光はＰＢＳ２５２により向けられて投影レンズユニット１０６を通過する。この実施例においては、それぞれの光源および追加的ビーム拡大器２５０の出力で、２つの光チャネルＣＨ−１およびＣＨ−３がコリメータ１１２を利用する。これは、それら光源で生成される光ビームが楕円断面を有するという事実と関連する。このため、楕円ビームは、ＤＭＬＡ平面において必要とされるビーム直径と等しい速軸サイズまで、コリメータレンズ１１２（例えば、軸対称）により事前コリメートすることができる。その後、コリメートされた楕円ビームは、サーキュライザ、例えば円柱レンズを含む反転ケプラー式またはガリレオ式テレスコープ２５３として構成されるサーキュライザ２５０により円形とされる。

サーキュライザは円柱レンズの代わりにトロイダル素子を含むものであってもよく、それにより、構成要素の総数を減少させて、高い品質の円形化およびコリメーションを提供することが可能になる。

なお、図２４に示すように、光軸に対して直角な回転軸を有するディフューザ１１０を使用して、ピューピルフィルを最適化するために、矩形状の遠視野パターンを有するディフューザを使用することができる。レンズレットが矩形状をなし、フロントＭＬＡがディフューザの遠視野の焦点をリアＭＬＡに合わせるため、ディフューザの最適な遠視野パターンは矩形状をなす。さらに、照明システムの開口絞りがＤＭＬＡに近いため、ＤＭＬＡ背面の良好な充填（filling）はプロジェクタディスプレイの画質を改善する。

上述したように、この実施例において、反射式ＳＬＭ１０４は、ＰＢＳ２５２を備えて使用され、ＰＢＳ２５２は、ＳＬＭディスプレイを照らしてＳＬＭから投影レンズ１０６に光を伝達するために使用される。提案した構成においては、誘電薄膜被覆またはワイヤグリッドＰＢＳを使用することができる。

テレセントリック・レイトレーシングは、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に向けることができ、それは最大コントラスをもたらすものであるが、集光レンズおよび投影レンズのサイズの増大と複雑化を引き起こす。一方、非テレセントリック・レイトレーシングは、ＰＢＳに向けることができ、それは簡素でコンパクトな設計をもたらすものであるが、コントラスを低下させる。

サーキュライザは、プリズムサーキュライザとして構成することができ、それは、一つの方向におけるビームサイズを実質的に変えるが、直交する方向におけるビームサイズを変えないものとなっている。プリズムサーキュライザの３つの可能性のある実施例が図２５Ａ−図２５Ｃに示されている。図２５Ａにおいて、サーキュライザ２５０は２つのプリズム２５０Ａおよび２５０Ｂの形態を取り、プリズム２５０Ａを通過するときに、入力光ビームＬ_inは、その最初の方向から向きを変えながら、鉛直軸に沿って拡大を受け、また、プリズム２５０Ｂを通る光路は、入力ビームと平行な出力ビームＬ_out伝播を与えながら、同じ軸に沿って更なる拡大をもたらす。図２５Ｂおよび図２５Ｃは、サーキュライザ構成の２以上の実施例を見て直ぐに分かるような形で示しており、それらサーキュライザ構成は、単一のプリズムサーキュライザと、出力ビームを９０度折り曲げる機能を内蔵する２プリズム２５０Ａ−２５０Ｂサーキュライザとをそれぞれ含んでいる。

図２６および図２７を参照すると、レーザダイオード光源およびプリズムサーキュライザに基づく３つの光チャネルＲＧＢを利用する本発明のプロジェクタディスプレイの２つの実施例が示されている。図２６および図２７の実施例においては、赤色および青色チャネルの各々が、発せられた光のコリメーションと、２プリズムシェーパによりそれぞれのビームの円形化（成形）を利用する。図２６の実施例においては、青色および赤色光ビームが二色性ミラーにより結合されて、その結合されたビームがさらに緑色光ビームと結合される。図２７の実施例においては、緑色光ビームが始めに青色光ビームにより結合された後、それらが赤色光ビームと結合される。両実施例においては、ＲＧＢの結合された光はランダムな拡散を受け、ＤＬＭＡおよび集光レンズにより成形され、共通の反射式ＳＬＭにより変調された後、その変調された光が投影レンズを通過する。

図２８を参照すると、ビームの折り曲げ機能を内蔵するビームサーキュライザを使用する別の投写ディスプレイ構成が示されている。赤色および青色ビームはコリメータレンズによりコリメートされる。コリメートされた楕円ビームは、出力ビームを９０度折り曲げる機能を内蔵するプリズム折曲げ式の拡大器（例えば、アナモルフィックプリズム）により円形化される。その後、赤色および青色コリメート円形ビームが二色性結合器により結合される。この結合されたビームは、その後さらに平行な緑色光ビームと結合される。緑色ビームはガリレオ式またはケプラー式テレスコープで予め拡大される。

図２９を参照すると、レーザビームの拡散およびコリメーションを利用するビームサーキュライザの構成のさらに別の実施例が示されている。図示のように、このサーキュライザは、フィルディフューザ（例えば、回折またはホログラフィック）２６０を備える。フィルディフューザ２６０は、そのコリメータと関連するレーザ光源の出力に設けられている。ディフューザ２６０は、入射コリメートビームに若干の発散を引き起こすように構成されて機能し得る。フィルディフューザ２６０は、円形の遠視野角度パターンを有し、それにより円形断面のビームを生成することができる。回転ディフューザ１１０（スペックル除去ユニットの回転ディフューザ）はフィルレンズ２６２の後側焦点面に配置されるが、フィルディフューザは、フィルレンズ２６２の前側焦点面に配置することが好ましい。その結果、テレセントリック照明を有する円形光点がピューピルディフューザ１１０上で得られる。

フィルディフューザ２６０に対して拡散角を選択するときには、とりわけ、トップハット遠視野プロファイルを持つ回折ディフューザを使用する場合には、特別の配慮をすべきである。それは、結果として得られる角度パターンが、入力角と拡散角の畳み込み（convolution）であるからである。このため、規定された角度内部のパワーの最大部分を維持するために、入射ビーム散乱に対する拡散角のできるだけ大きな比率が必要とされる。ディフューザは、レーザからディスプレイに向かう途中にあるビームの幾何学的広がりを増大させる唯一の素子であるため、その因子の最適な割当てが必要とされる。

回折ディフューザがフィルおよびピューピルディフューザ２６０および１１０の両方に対して使用され、かつ空間的トップハットプロファイルが、照明システムピューピルの平面とＳＬＭの平面について同じスケールで重要な意味を持つ場合に、拡散角は以下の手順に従って計算することができる。

・Ａ_Ｄをディスプレイサイズ、ＮＡ_Dを照明ＮＡ、ａ_ＬＤを対応方向におけるレーザダイオード発光体サイズ、ＮＡ_ＬＤをコリメータレンズにより集光されたビームまたは基準として使用されるある強度レベルで集光されたビームの開口数として、ディスプレイ平面における幾何学的広がりとレーザダイオードビームとの比率Ｋを計算する。

・出力ビーム角と入射角との比率ｋを各々のディフューザについて、

として計算する。

・ＤＭＬＡ上の選択した光点サイズ（ピューピルサイズ）について、ＤＭＬＡ角を定義する。このＤＭＬＡ角は、最適ピューピルフィリングについて、ピューピルディフューザの後の出力角、すなわち、

と等しくなる必要がある。

・拡散角を、

として計算する。

・フィルディフューザの角度を定義するために同じ手法を使用する。

図３０を参照すると、上述した構成のサーキュライザ、すなわちフィルディフューザを有するサーキュライザを利用する投写ディスプレイが示されている。この実施例では、赤色および青色光ビームがレーザ光源により生成されてフィルディフューザが使用される一方、緑色光ビームがＤＰＳＳ光源により生成されて、このＤＰＳＳ光源が、追加的負レンズ２５０およびビーム拡大器の正素子としてフィルレンズを使用して拡大されている。青色光ビームは始めに赤色光ビームに結合されて、この結合されたビームが共通のサーキュライザ（フィルディフューザ）２６０を通過し、その後、緑色光ビームに結合される。フィルレンズ２６２は、赤色および青色チャネルに対してはフィルレンズコリメータとしての機能を、緑色チャネルにおいてはビーム拡大器の正素子としての機能を、それぞれ果たす共通モジュールとして実装される。フィルディフューザ２６０の拡散角は、回折ディフューザを使用する場合、波長に依存するため、赤色と青色チャネルの双方に共通のディフューザを２６０使用しても、同じ発散角をもたらすことはない。このため、図示のように、追加的ディフューザ２６０’が青色チャネルに加えられて、赤色と青色チャネルの両方用のフィルディフューザの後のビーム発散が均等化される。

投写ディスプレイにおける光伝播スキームの代替的な構成が図３１に示されている。この構成においては、赤色および青色チャネルがそれぞれ専用のフィルディフューザ２６０をチャネル内部に備えている。フィルレンズ２６２は、焦点距離と比べてその機械的長さを短縮するために、望遠レンズとして構成されている。追加的に正素子２６４は、ＤＭＬＡにとって重要なイメージ側にテレセントリックピューピルを与えるために、フィルレンズ２６２の出力に追加されている。

青色チャネルの光路用に示されたフィルレンズユニットの設計例が図３２に示されている。この設計は、３０ｍｍの焦点距離のフィルレンズについて行われており、光軸に沿うフィルおよびピューピルディフューザ２６０および１１０間の距離が２３ｍｍとされ、ピューピルディフューザ側にテレセントリック・レイトレーシングが与えられている。フィルディフューザ２６０から出る光は、ミラー２６１により補正されて、二色性ビーム結合器２６３を通過し、その際に青色光を透過する一方で、赤色および緑色光を反射する。正負のレンズは望遠レンズ２６５として機能することができ、その次のミラー２６７は、システムサイズを短縮して、投写ディスプレイの必要形状を設計するために加えられるものである。正の単一レンズ２６９は、ＤＭＬＡおよびピューピルディフューザのテレセントリック照明を与えるために、対物レンズとして加えられる。

図３３Ａおよび図３３Ｂを参照すると、投写ディスプレイにおける光伝播スキームの一部が示されるとともに、投写ディスプレイにカラーセンサ２７０が組み込まれることが示されている。カラーセンサ２７０は、投写ディスプレイに組み込まれて、ホワイトバランスを監視し、温度変化および長期電力減衰と関連する異なる色彩についてのレーザパワーの変動に起因して、ホワイトバランスを必要に応じて補正する。図３３Ａに示すように、センサ２７０は、二色性ビーム結合器１０９（すべての光チャネルを集める最後の結合器）の近傍に配置して、ビーム結合器１０９から出力されたマルチチャネルの光を集光するように向けることができる。ビーム結合器は、いわゆる“能動的出力”であって、それを介して結合エネルギの殆どが所望方向に沿って導かれることとなる出力と、いわゆる“受動的出力”であって、不可避の“エネルギ損失”の伝播と関連する出力とを常に有する。このため、図示のように、カラーセンサ２７０は、ビーム結合器１０９に対して、当該結合器１０９の受動的出力における光を集めるように配置され、一方、ビーム結合器の能動的出力はビームシェーパ（例えば、ＤＭＬＡ）１１３に向けられる。図３３Ｂに示すように、カラーセンサの別の光学的位置は、ＰＢＳ２５２の近傍である。カラーセンサ２７０は次のように構成することができる。すなわち、それには、３つの対応する赤色、青色および緑色フィルタを有する３つの検出器、回折格子を有する３つの検出器、分散素子（プリズムまたはそれ以外）を有する３つの検出器、分光器、またはそれらの任意の組合せが含まれる。カラーセンサは、カラービームを結合させた後の任意の地点に配置することができる。

そのため、本発明は、１またはそれ以上のチャネルについての相対的に短い光路に起因して小型投写デバイスを得ることを提供するものである。本発明の移動式投写ディスプレイの典型的な機械的な外形寸法（Ｗ×Ｌ×Ｈ）は、２５×１５×６ｍｍ^３から１２０×６０×３０ｍｍ^３までの範囲内である。本発明の投写ディスプレイシステムは、６インチ乃至２０インチのスクリーンに適した６乃至２５ルーメンのＲＧＢ光束を与えることができる。

Claims (26)

1. 投写ディスプレイであって、
   少なくとも１のレーザ光源ユニットを有し、１またはそれ以上の光ビームを生成するように構成されて機能し得る照明システムと、
   前記照明システムの出力に設けられ、画像データに従い入射光を変調するための１またはそれ以上のＳＬＭユニットを有する空間光変調器（ＳＬＭ）システムと、
   変調された光を投影面に結像するための光投影素子とを備え、
   前記照明システムが、少なくとも１のビーム成形ユニットを備え、このビーム成形ユニットが、前記ＳＬＭユニットに向かって伝播する光の光学経路に沿って間隔を空けて配置された前後の平行な平面に位置するフロントおよびリアのマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）により形成されるデュアルマイクロレンズアレイ（ＤＭＬＡ）構造を有し、このＤＭＬＡの各レンズレットが当該レンズレットに入射する光を前記ＳＬＭユニットの活性面全体に導くように前記ＤＭＬＡ構造が構成されており、各レンズレットが、前記ＳＬＭユニットの前記活性面のアスペクト比に対応する幾何学的アスペクト比を有することを特徴とする投写ディスプレイ。
2. 請求項１に記載の投写ディスプレイにおいて、
   前記ＤＭＬＡの各レンズがほぼ矩形状の開口を規定することを特徴とする投写ディスプレイ。
3. 請求項１に記載の投写ディスプレイにおいて、
   前記照明システムが、レーザ光中のスペックル効果を低下させるように構成されていることを特徴とする投写ディスプレイ。
4. 請求項１に記載の投写ディスプレイにおいて、
   前記照明システムが、前記ＤＭＬＡ構造の上流の少なくとも１のレーザビームの光学経路上に設けられる少なくとも１のスペックル除去ユニットを備えることを特徴とする投写ディスプレイ。
5. 請求項４に記載の投写ディスプレイにおいて、
   前記スペックル除去ユニットが、時間および空間とともにランダムに変化する光散乱パターンを生成するように構成されて機能し得ることを特徴とする投写ディスプレイ。
6. 請求項５に記載の投写ディスプレイにおいて、
   前記スペックル除去ユニットが、連続的に変位可能なディフューザを備えることを特徴とする投写ディスプレイ。
7. 請求項６に記載の投写ディスプレイにおいて、
   前記連続的に変位可能なディフューザが、回転散乱面を備えることを特徴とする投写ディスプレイ。
8. 請求項６または７に記載の投写ディスプレイにおいて、
   前記ディフューザに入射する光の発散と前記ディフューザの拡散角との和が、前記レンズレットの開口数ＮＡにより規定される倍角よりも小さくなるよう、前記ディフューザが拡散角を規定するように構成されて機能し得ることを特徴とする投写ディスプレイ。
9. 請求項６乃至８の何れか１項に記載の投写ディスプレイにおいて、
   前記変位可能なディフューザが、前記レーザ光源ユニットから前記ＤＭＬＡ構造に伝播する光の前記光学経路上に位置し、前記ＤＭＬＡから、前記ＤＭＬＡ上への前記ディフューザの散乱面の結像を避けるように選択された所定距離空けて配置されていることを特徴とする投写ディスプレイ。
10. 請求項９に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記照明システムが、前記少なくとも１のレーザ光源の出力に、少なくとも１のコリメータを備え、前記連続的に変位可能なディフューザがコリメート光の前記光学経路上に配置されていることを特徴とする投写ディスプレイ。
11. 請求項６乃至１０の何れか１項に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記変位可能なディフューザが、音声コイルディフューザ、回転振動ディフューザ、回転ディスクディフューザおよび管状回転ディフューザのうちの一つを含むことを特徴とする投写ディスプレイ。
12. 請求項４に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記スペックル除去ユニット上の光点の断面の寸法が前記ＳＬＭ活性面の寸法よりも小さくなるように、前記レーザ光源ユニット、前記スペックル除去ユニットおよび前記ＤＭＬＡが構成されてともに機能することを特徴とする投写ディスプレイ。
13. 請求項３に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記ＤＭＬＡが、スペックル除去ユニットとして構成されて機能し得ることを特徴とする投写ディスプレイ。
14. 請求項１に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記照明システムが望遠負レンズを備え、それにより、前記投写ディスプレイの有効焦点距離を維持しながら、前記投写ディスプレイ内の光の光学経路を低減することを特徴とする投写ディスプレイ。
15. 請求項１に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記フロントＭＬＡのすべてのレンズレットが、それぞれ平行なビームを出力する前記リアＭＬＡに、別個の焦点が合わせられたビームを形成することを特徴とする投写ディスプレイ。
16. 請求項１に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記リアＭＬＡが、これに入射する各ビームの主な伝播を修正する対物レンズとして構成されて機能し得ることを特徴とする投写ディスプレイ。
17. 請求項１５または１６に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記ＤＭＬＡの厚さが、前記フロントＭＬＡの焦点が前記リアＭＬＡの表面上に実質的に位置するように選択されることを特徴とする投写ディスプレイ。
18. 請求項１に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記レーザ光源ユニットが、光源アレイであって、当該アレイにより発せられた複数のビームが１のコリメートビームにコリメートされるようにコリメーション光学素子に関連する光源アレイと、コリメートビームの遅軸を始めにコリメートしてその後に速軸をコリメートするコリメーション光学素子とを備えることを特徴とする投写ディスプレイ。
19. 請求項１乃至１８の何れか１項に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記投写ディスプレイを通る光伝播経路が、実質的に数十ミリメートルを超えることがないことを特徴とする投写ディスプレイ。
20. 請求項１乃至１９の何れか１項に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記照明システムがＬＥＤ光源を含むことを特徴とする投写ディスプレイ。
21. 請求項１に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記投写ディスプレイが、互いに反対方向を向く、ほぼ同一の集光レンズおよび対物レンズのセットを備え、前記集光レンズが前記ＤＭＬＡの近傍に位置する一方、前記対物レンズが、前記ＳＬＭの近傍の前記集光レンズの後方焦点面に位置することを特徴とする投写ディスプレイ。
22. 請求項１に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記少なくとも１のビーム成形ユニットが、前記ＳＬＭに向かう光伝播方向に関して前記ＤＭＬＡの上流に位置するサーキュライザを備えることを特徴とする投写ディスプレイ。
23. 請求項２２に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記サーキュライザが少なくとも１のプリズムを含むことを特徴とする投写ディスプレイ。
24. 請求項２２に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記サーキュライザが、フィルディフューザを備えるとともに、このフィルディフューザの出力に、コリメーティングフィルレンズを備えることを特徴とする投写ディスプレイ。
25. 請求項１乃至２４の何れか１項に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記レーザ光源ユニットのホワイトバランスを監視および補正するように構成されて機能し得るカラーセンサを備えることを特徴とする投写ディスプレイ。
26. 請求項２５に記載の投写ディスプレイにおいて、
    前記カラーセンサが、少なくとも２の光チャネルを結合するビーム結合器の受動的出力に配置されることを特徴とする投写ディスプレイ。
    

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