JP2025526202A - 偏光カタディオプトリックコリメータを備えた画像プロジェクタ - Google Patents

Abstract

導光路の入口開口部にコリメートされた画像を投入するための画像プロジェクタは、導光路の入口開口部に対するコリメート光学系の主要な平面の近接性を増強し、それによって光学系のサイズを低減するか、又は所与のサイズの光学系の拡大された視野を可能にするために、偏光カタディオプトリック構成を含むコリメート光学系を用いる。開示された実施形態は、３０度又は４５度のＰＢＳ角度を有する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）プリズムを介して照明されるフロントリット偏光修正空間光変調器（ＳＬＭ）と、ＳＬＭを有するか又は有しないレーザ走査照明構成と、ダイクロイックコンバイナキューブを介して組み合わされたアクティブマトリクス画像生成器と、を用いる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、ニアアイディスプレイに関し、具体的には、拡張現実ディスプレイの導光路に画像を投入するための偏光カタディオプトリックコリメータを備えた画像プロジェクタを主題とする。

ニアアイ拡張現実ディスプレイは、通常、画像プロジェクタを用いて、ユーザの眼に画像を伝達する導光路にコリメートされた画像を投入し、同時に導光路を通して現実世界の視認を可能にする。均一な画像を提供するために、投入された画像が導光路の厚さを満たすべきであることが好ましい。この要件が、画像の角度視野（ＦＯＶ）とともに、導光路への投入の前に画像をコリメートするために必要なコリメート光学系の最小サイズを決める。２つのそのような例を、図１Ａ及び図１Ｂに概略的に例解する。

具体的には、図１Ａには、画像が、プリズム１０２の面に関連付けられたＬＣＯＳディスプレイチップ１００によって生成される、拡張現実ディスプレイが概略的に示されている。照明構成は、提示の簡略化のために省略されている。画像は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０４によって反射コリメート光学系１０６に向かって反射され、反射コリメート光学系１０６は、結合プリズム１０８を介して導光路１１２の入口開口部１１０に送達するために画像をコリメートする。入口開口部は、導光路の厚さの２倍であると示されており、この理由は、これが、下向きに伝搬する画像及び反射された上向きに伝搬する画像の両方で入口開口部を「満たす」ための幾何学的要件であるためである。導光路の内部開口部拡大特徴部及び／又は外部結合特徴部も、提示の簡略化のために省略されている。

プリズムの必要な最小サイズは、必要とされる視野（ＦＯＶ）の外側限界を入口開口部から後方にトレースし、そのＦＯＶの全体がコリメート光学系１０６によって提供されることを確実にすることによって決定されることがわかる。入口開口部からコリメート光学系までの距離は、結合プリズム１０８及びＰＢＳプリズム１０２の寸法の合計であるため、所与の視野に対する光学系の最小サイズは、相対的に大きい。

図１Ｂは、導光路１１２の入口開口部１１０に結合プリズム１０８を通じて投入するために、ディスプレイチップ１１６からの画像をコリメートするための屈折コリメート光学構成１１４を用いる拡張現実ディスプレイを概略的に例解する。ここで、コリメート光学構成のサイズは、入口開口部１１０から光学構成の前方の主要な平面にＦＯＶを外挿し戻すことによって決まる。ここで例解される例では、ＦＯＶは、図１Ａに例解されるよりも大幅に狭く、依然として、結合プリズム１０８のサイズと比較して、レンズの寸法及び光学構成の長さが大きい。

本発明は、導光路の入口開口部にコリメートされた画像を投入するための画像プロジェクタである。

本発明の実施形態の教示によれば、コリメートされた画像を、導光路の入口開口部に投入するための画像プロジェクタであって、（ａ）偏光修正空間光変調器（ＳＬＭ）であって、ＳＬＭに供給される画像データに従って照明の偏光を修正するために展開された、偏光修正空間光変調器（ＳＬＭ）と、（ｂ）偏光された照明でＳＬＭを照明するための照明構成と、（ｃ）画像に対応してＳＬＭから光を選択するように展開された偏光選択的素子と、（ｄ）導光路の入口開口部にコリメートされた画像を提供するように、画像に対応する光をコリメートするためのコリメート光学系であって、（ｉ）第１の１／４波長板と、（ｉｉ）部分反射器として実装される第１の光学表面と、（ｉｉｉ）第２の１／４波長板と、（ｉｖ）偏光選択的反射器として実装される第２の光学表面と、を連続的に備える、偏光カタディオプトリック構成を含む、コリメート光学系と、を備え、第１の光学表面及び第２の光学表面のうちの少なくとも一方は、１回は屈折レンズ表面として、１回は反射レンズとして、光に２回作用する屈折力を有する非平面的な表面として実装される、画像プロジェクタが提供される。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、偏光選択的素子は、プリズムに一体化された偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、照明構成は、ＰＢＳからＳＬＭに向かって反射するように照明を方向付ける。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、ＰＢＳは、ＳＬＭの表面に対して３０度の角度で傾斜しており、画像プロジェクタは、ＳＬＭとＰＢＳとの間でＳＬＭに平行に展開された角度選択的反射器を更に備え、照明構成は、角度選択的反射器からＰＢＳに向かって反射し、かつＰＢＳからＳＬＭに向かって反射するように照明を方向付け、角度選択的反射器は、６０度の入射角で入射する可視光に対して反射性であり、３０度未満の入射角で入射する可視光には実質的に透過性である。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、ＰＢＳは、ＳＬＭの表面に対して４５度の角度で傾斜しており、画像プロジェクタは、ＰＢＳを通過した照明をＰＢＳに向かって戻るように方向付け、ＰＢＳにおいて反射させてＳＬＭに向けるための、プリズムの面に関連付けられた１／４波長板及び照明光学系反射レンズを更に備える。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、照明構成は、照明開口部に関連付けられた光源を更に備え、光源から、光がプリズムを通って照明光学系反射レンズに向かって伝搬し、照明光学系反射レンズ及びコリメート光学系は、導光路の入口開口部に照明開口部を結像するように構成されている。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、照明構成は、少なくとも１つの傾斜軸の周りの角度の範囲を通して照明ビームを走査するための走査ミラーを更に備え、走査ミラーは、照明ビームを、プリズムを通して照明光学系反射レンズに向かって方向付けるように展開されており、照明光学系反射レンズ及びコリメート光学系は、走査ミラーを導光路の入口開口部に結像するように構成されている。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、第２の光学表面は、導光路の画像入力表面に接合されている平面的な表面である。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、第１の光学表面は、プリズムの出力表面に接合されている平面的な表面である。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、第１の光学表面は、プリズムの対応する非平面的な出力表面に接合されている非平面的な表面である。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、照明構成は、導光路であって、一対の相互に平行な主表面での内部反射による照明の伝搬をサポートするための主表面と、導光路の内部にあり、ＳＬＭに向かって照明を外部結合するように主表面に対して斜めに配向された複数の相互に平行な部分反射外部結合表面と、を有する、導光路を備える。

本発明の実施形態の教示によれば、コリメートされた画像を、導光路の入口開口部に投入するための画像プロジェクタであって、（ａ）プリズムに一体化されたビームスプリッタと、（ｂ）プリズムの第３の面に関連付けられた画像平面で画像を生成するように構成された画像生成器と、（ｃ）導光路の入口開口部にコリメートされた画像を提供するように、画像の光をコリメートするためのコリメート光学系であって、（ａ）第１の１／４波長板と、（ｂ）部分反射器として実装される第１の光学表面と、（ｃ）第２の１／４波長板と、（ｄ）偏光選択的反射器として実装される第２の光学表面と、を連続的に備える、偏光カタディオプトリック構成を含む、コリメート光学系と、を備え、第１の光学表面及び第２の光学表面のうちの少なくとも一方は、１回は屈折レンズ表面として、１回は反射レンズとして、光に２回作用する屈折力を有する非平面的な表面として実装される、画像プロジェクタも提供される。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、画像プロジェクタは、（ａ）変調された強度の光ビームを生成するための少なくとも１つの光源と、少なくとも１つの傾斜軸の周りの角度の範囲を通して光ビームを走査するための走査ミラーと、を備える、照明構成であって、走査ミラーは、光ビームをプリズムの第１の面に方向付けるように展開されている、照明構成と、（ｂ）プリズムを通過した光をＰＢＳに向かって戻るように方向付けるための、プリズムの第２の面に関連付けられた照明光学系反射レンズ及び第１の１／４波長板と、（ｃ）プリズムの第３の面に関連付けられたビーム拡散反射器及び第２の１／４波長板と、（ｄ）画像に対応するビーム拡散反射器における光の時間平均強度分布を生成するように、光源の強度を同期的に変調し、かつ走査ミラーを制御するためのコントローラと、を更に備える。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、ビームスプリッタは、ダイクロイックミラーであり、画像生成器は、ダイクロイックミラーによって反射される少なくとも第１の波長の光として放射される画像を生成する第１のアクティブマトリクス画像生成器であり、画像プロジェクタは、プリズムの第２の面に関連付けられた第２のアクティブマトリクス画像生成器を更に備え、第２のアクティブマトリクス画像生成器は、コリメート光学系に到達すると第１の波長の光と組み合わされるように、ダイクロイックミラーによって透過される少なくとも第２の波長の光として放射される画像を生成する。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、ダイクロイックミラーに平行ではないプリズム内に展開された第２のダイクロイックミラーが更に提供され、第２のダイクロイックミラーは、第１の波長及び第２の波長の光には透過性であり、第３の波長の光には反射性であり、画像プロジェクタは、プリズムの第１の面に関連付けられた第３のアクティブマトリクス画像生成器を更に備え、第３のアクティブマトリクス画像生成器は、コリメート光学系に到達すると第１の波長及び第２の波長の光と組み合わされるように、第２のダイクロイックミラーによって反射される少なくとも第３の波長の光として放射される画像を生成する。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、第２の光学表面は、導光路の画像入力表面に接合されている平面的な表面である。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、第１の光学表面は、プリズムの出力表面に接合されている平面的な表面である。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、第１の光学表面は、プリズムの対応する非平面的な出力表面に接合されている非平面的な表面である。

本発明を、添付の図面を参照して、実施例としてのみ本明細書に説明する。
上で説明される偏光ビームスプリッタプリズム上の反射コリメート光学系を有するプロジェクタを用いる従来のニアアイ拡張現実ディスプレイの概略側面図である。 上で説明される屈折コリメート光学系を有するプロジェクタを用いる従来のニアアイ拡張現実ディスプレイの概略側面図である。 結合プリズムを介して、導光路の入口開口部にコリメートされた画像を投入するように展開された、偏光カタディオプトリックコリメート光学系を用いる、本発明の一実施形態に従って構築され、かつ動作可能であるプロジェクタを用いるニアアイ拡張現実ディスプレイの概略側面図である。 結合反射器を介して、導光路の入口開口部にコリメートされた画像を投入するように展開された、偏光カタディオプトリックコリメート光学系を用いる、本発明の一実施形態に従って構築され、かつ動作可能であるプロジェクタを用いるニアアイ拡張現実ディスプレイの概略側面図である。 偏光カタディオプトリックコリメート光学系がビームスプリッタプリズムに接合されている第１の実装形態による、図２Ａ及び図２Ｂのプロジェクタの拡大概略側面図である。 図３と同様の図であり、偏光カタディオプトリックコリメート光学系が導光路の入力表面に接合されているプロジェクタの変形実装形態を例解する。 図３と同様の図であり、偏光カタディオプトリックコリメート光学系がビームスプリッタプリズム及び導光路の入力表面の両方に接合されている、プロジェクタの更なる変形実装形態を例解する。 反射空間光変調器（ＳＬＭ）及びＳＬＭに対して３０度傾斜した偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を有して実装されたときの、図３～図５のプロジェクタとともに使用するための可能な照明構成を例解する概略側面図である。 反射空間光変調器（ＳＬＭ）及びＳＬＭに対して３０度傾斜した偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を有して実装されたときの、図３～図５のプロジェクタとともに使用するための可能な照明構成を例解する概略側面図である。 ４５度のＰＢＳを有して実装された、本発明の一実施形態に従って構築され、かつ動作可能であるプロジェクタの更なる実装形態の概略側面図である。 照明のために変調走査レーザビームを用いる、本発明の一実施形態に従って構築され、かつ動作可能であるプロジェクタの実装形態を例解する、図７と同様の概略側面図である。 ＳＬＭの照明のための導光路素子を用いる、本発明の一実施形態に従って構築され、かつ動作可能であるプロジェクタの更なる実装形態の概略側面図である。 ダイクロイックキューブ及びアクティブマトリクス画像生成器を用いる、本発明の一実施形態に従って構築され、かつ動作可能であるプロジェクタの更なる実装形態の概略側面図である。

本発明は、導光路の入口開口部にコリメートされた画像を投入するための画像プロジェクタである。

本発明による画像プロジェクタの原理及び動作は、図面及び付随する説明を参照することにより、より良く理解され得る。

ここで図面を参照すると、図２Ａ～図７は、本発明の態様に従って構築され、かつ動作可能である、導光路２７（図２Ａ及び図２Ｂ）の入口開口部２６にコリメートされた画像を投入するための画像プロジェクタの様々な実装形態を例解している。一般的に、これらの実装形態は、好適なコントローラから偏光修正空間光変調器（ＳＬＭ）に供給される画像データに従って照明の偏光を修正するために展開される、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイチップ１０などのＳＬＭを含む。ＳＬＭ１０を照明するために、図２Ａ～図５からは明確にするために省略され、図６Ａ～図８を参照して以下で説明する照明構成が提供される。偏光選択的素子１６、５０、又は１６０が、所望の画像に対応してＳＬＭからの光を選択的に透過させる（又は幾何学的配置に応じて選択的に反射させる）。次に、コリメート光学系が、導光路２７の入口開口部２６にコリメートされた画像を提供するように、画像に対応する光をコリメートさせる。

本発明の一態様の特定の特徴は、コリメート光学系が、図３～図５に最もよく見られるように、典型的には部分反射器として実装される第１の光学表面１８と一体化された第１の１／４波長板と、典型的には偏光選択的反射器として実装される第２の光学表面２０と一体化された第２の１／４波長板と、を連続的に有する、偏光カタディオプトリック構成を含むことである。第１の光学表面１８及び第２の光学表面２０のうちの少なくとも一方は、１回は屈折レンズ表面として、１回は反射レンズとして、光に２回作用する屈折力を有する非平面的な表面として実装され、それによって、大幅に低減された軸方向距離で大幅に増強された屈折力を達成する。

本発明のプロジェクタは、コリメートされた画像が、幾何学的配置の光学系結合によって導光路２７に導入される、すなわち、回折を伴わないディスプレイ構造に主に適用可能である。この文脈における幾何学的配置の光学系結合の主な例は、図２Ａに例解されるような、適切に角度が付けられた内部結合表面２２を提供する結合プリズム２４、及び図２Ｂに例解されるような、ミラー表面２８を用いる反射内部結合の使用である。各場合において、本発明によるコリメート光学系の大幅に低減された軸方向寸法は、コリメート光学系の主要な平面を入口開口部２６に非常に近づけることを容易にし、それによって、所与の角度視野（ＦＯＶ）を供給するために必要とされるコリメート光学系の横方向寸法を低減する。更に、短い焦点距離でコリメート光学系を設計することによって、コリメート光学系からディスプレイチップの画像平面までの距離、及び（以下に説明するような）任意の介在する光学構成要素の対応するサイズを最小化することができる。図２Ａに例解される例示的な実施形態は、対角６４度（４６×４６度）の角度ＦＯＶ及び７．９ミリメートルの焦点距離を有し、特にコンパクトな実装をもたらす。

本発明の特に好ましい実装形態の第１のサブセットでは、偏光選択的素子は、対応するプリズム１５に一体化された偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１６又は５０である。照明構成は、ＰＢＳを介して（幾何学的配置に応じて反射又は透過によって）ＳＬＭ１０に向かって照明を方向付ける。

前で言及されるカタディオプトリック光学系の小さい直径及び短い焦点距離、並びに導光路の入口開口部への光学系の近接度は、以下で更に詳述される、様々な特にコンパクトなＰＢＳプリズム構成の使用を容易にする。図２Ａと図１Ａとを比較すると、ＰＢＳプリズム１５の線寸法は、場合によっては、ＰＢＳキューブの面に反射コリメート光学系を用いる同等のプロジェクタの約半分であることがわかる。ＰＢＳキューブの線寸法の２倍の低減は、プリズムの体積及び質量の８倍の低減に対応し、それによって、ニアアイ拡張現実ディスプレイのための画像プロジェクタの小型化への探求を大幅に容易にする。

言及されるように、第１の光学表面１８及び第２の光学表面２０のうちの少なくとも一方は、１回は屈折レンズ表面として、１回は反射レンズとして、光に２回作用する屈折力を有する非平面的な表面として実装される。いくつかの実施形態では、両方の光学表面は、屈折力を伴って実装されるが、ある特定の特に好ましい実施形態では、表面のうちの一方を、平面的な表面として実装することが有利であることが見出されており、これは、プロジェクタの製造及び組み立てを容易にし得る。図３に例解される例では、第１の光学表面１８は、平面的な表面である。このオプションは、プロジェクタの他の構成要素の一部又は全てをサポートするためにＰＢＳプリズムの使用と特定の相乗効果を有し、第１の光学表面をプリズムの平面的な出力表面に接合することを可能にし、これは、組み立てを簡略化する。

図３の実装形態の構造及び動作の更なる詳細は、以下の通りである。画像の変調された光ビームは、ＬＣＯＳ１０から反射される（明確さのために矢印として表される１つのビーム経路）。光線は、像面湾曲収差を最小化するのに役立つ視野レンズ表面１２を通過する。次いで、ビームは、角度選択的反射器表面１４を通過し、これは、エアギャップ又は大きい角度で全内部反射（ＴＩＲ）を生成する低屈折率材料の層であり得る。角度選択的反射器１４は、以下で説明するように、照明を誘導するのに役立つ。ＰＢＳ表面１６は、この場合、透過によって、画像に対応する光を選択し、この光は、カタディオプトリック構成の前方表面であり、部分反射器を含む第１の光学表面１８に向かって伝搬する。表面１８を通過した後、各ビームは、パンケーキレンズで一般的に使用されるようなワイヤグリッド又は誘電体偏光子などの偏光反射器を含む湾曲した第２の光学表面２０に衝突する。次いで、ビームは、内部結合表面２２を通過し、結合プリズム２４（輪郭は図示せず）に入って導光路の入口開口部２６に到達する前に、ここではビームを部分的に反射させて表面２０及びエアギャップに通す第１の表面１８に反射される。

本明細書に説明される構成は、以下の特徴のうちの１つ以上に起因する、コンパクトさ及び単純性の特定の利点を有する。
１．光学コリメーションの全て又は大部分は、ＰＢＳの後に「パンケーキ」レンズ（表面１８及び２０）を使用することによって達成される。
２．パンケーキレンズは、表面１８（好ましくは平坦な表面）でＰＢＳプリズム１５に直接取り付けられている。
３．視野レンズは、角度選択的反射器表面１４でＰＢＳプリズム１５に直接取り付けられている。
４．ＰＢＳ表面１６の角度は、ここでは、（典型的な４５度の代わりに）３０度として示されており、それによって、ＰＢＳプリズム１５の厚さを低減する。

屈折力を有する全ての表面は、当技術分野で既知であるように、収差を低減するように設計された非球面表面として有利に実装することができる。パンケーキレンズは、同様に当技術分野で既知であるように、色収差を低減するように設計されたダブレットとして製造することができる。

全ての実装形態が必ずしも上で説明される特徴の全てを実装するわけではない。例えば、場合によっては、視野レンズは、使用されない場合がある。これは、更に短い焦点距離で、それによってより小さいプロジェクタサイズでの設計の実装を可能にし得る。

内部結合表面２２、又は第２の光学表面２０を越えた外部表面には、導光路の設計及び特性、並びに関連する任意の開口部拡大及び／又は外部結合構成に応じて、偏光回転子又は任意の他のデポラライザ素子が設けられ得、この場合、偏光解消画像が好ましい。本発明は、導光路内で光を内部で方向付けし直すために、及び導光路からユーザの眼に向かって画像を結合するために、反射器又は回折光学素子を用いるかどうかにかかわらず、広範囲の導光路構造に適用可能である。導光路設計の詳細は、それ自体は本発明の一部ではなく、ここでは説明しない。

ここで図４を参照すると、これは、第２の光学表面２０が、画像光を導光路内に結合するための結合プリズム２４の入力表面２２に接合されている平面的な表面である、第２のオプションを例解する。したがって、第１の光学表面１８は、画像光に２回作用することによって、パンケーキレンズの屈折力を提供する湾曲した表面として実装される。第１の光学表面１８は、ここでは、ＰＢＳプリズム１５の平坦な端部表面である表面１７とは分離されて示されている。

この構成では、プロジェクタの平面的な端部表面（第２の光学表面２０）は、いかなるエアギャップ及び対応する複雑な支持機構も伴わずに、プロジェクタを結合プリズム（表面２２）に取り付けることを容易にする。平面的な表面上での偏光選択的反射器２０の実装もまた、製造を容易にする。他の全ての点では、この実装形態の構造及び動作は、図３を参照して上で説明されるものと同様である。

図５は、図４と同様のよりコンパクトな設計を示し、第２の光学表面２０は、前述のように内部結合表面２２に接合されており、更に、ＰＢＳプリズム表面１７は、第１の光学表面１８に接合されている。ここに例解される実装形態では、表面１８及び１７は湾曲しており、一方で、表面２０及び２２は平坦であるが、表面２０及び２２は、任意選択的に、湾曲した表面として実施され得る。この構成では、光学系に存在するエアギャップの数が低減され、それによって、支持機構の必要性が低減され、プロジェクタサイズを更に低減する。一致する湾曲した表面を形成し、それらを整列させ、それらを接合するための製造技術は、例えば、ダブレットレンズ製造の文脈において既知であり、本出願に容易に適合させることができる。

視野レンズ１２とＬＣＯＳ１０との間のエアギャップはまた、ギャップを画定するようにスペーサが挿入されたガラスとして組み込むことができる。この場合、異なるサイズのスペーサのセットから適切なスペーサを選択することによって、焦点の微調整が行われる。このようにして、別のエアギャップが排除される。

ここで図６Ａ～図９を参照すると、これらは、図３～図５において上記で例解された変形形態のいずれかに適用可能な、照明光学経路の様々な実装形態を概略的に例解する。光導体の出口先端部、ＬＥＤ表面、及びレーザビームの走査ミラーなどの光源３０を用いる照明構成の非限定的な例が本明細書に説明される。照明光学系３２は、好ましくは、照明光をコリメートするのに役立つように提供され、好ましくは、コリメート光学系と組み合わせて、照明開口部３０を、導光路の入口開口部２６に対応するプロジェクタの出口開口部上に結像するように設計されている。

図６Ａ及び図６Ｂの例では、ＰＢＳ１６は、ＳＬＭ１０の表面に対して３０度の角度で傾斜しており、ＬＣＯＳと「パンケーキ」レンズとの間の距離をより短くし、プロジェクタをより小さくする。ＬＣＯＳへの正しく配向された照明を達成するために、照明構成は、角度選択的反射器１４からＰＢＳ１６に向かって反射するように照明を方向付け、ここで、照明はＳＬＭ１０に向かって反射される。次いで、画像に対応する偏光修正光は、角度選択的反射器１４によって透過され、コリメート光学系（上で説明されるように機能する）に向かって伝搬するようにＰＢＳ１６によって選択される。

角度選択的反射器１４は、好ましくは、ＳＬＭとＰＢＳ１６との間でＳＬＭ１０に平行に展開される。上記の機能性をサポートするために、角度選択的反射器は、（表面に対する垂線から）６０度の領域の入射角で入射した可視光に対しては反射性であり、表面に対する垂線に対して３０度未満の入射角で入射した可視光には実質的に透過性でなければならない。そのような特性は、エアギャップを残すことによって、又は臨界角よりも大きい入射角で全内部反射（ＴＩＲ）の特性を提供する低屈折率材料の層を含むことによって、簡便に提供することができる。代替的には、同様の特性は、必要な角度選択的反射を提供するように実装された多層誘電体コーティングによって提供され得る。

図６Ａ及び図６Ｂは、照明構成による光投入の幾何学的配置の２つのオプションを例解する。図６Ａにおいて、光源３０からの光は、照明プリズム３６に入り、表面３４上のミラーによって反射される。次いで、高角度照明光は、表面１４からＰＢＳ表面１６に向かって反射され、そこで、ＬＣＯＳ１０を照明するように反射される。この幾何学的配置は、プロジェクタの光軸に平行である軸に沿った照明の投入を可能にする。

図６Ｂは、照明プリズム３８の側面の適切に角度が付けられた面から照明光が投入される代替的な投入の幾何学的配置を例解する。ここでは、反射ミラー３４は必要ではない。

図７は、ＰＢＳ表面５０がＳＬＭ１０の表面に対して４５度の角度で傾斜している代替的な実装形態を例解する。この場合、１／４波長板５３及び照明光学系反射レンズ５２は、ＰＢＳを通過した照明をＰＢＳに向かって戻るように方向付け、ＰＢＳ５０によってＳＬＭ１０に向かって反射させるために、ＰＢＳプリズムの面に関連付けられている。この場合、照明構成は、光がプリズムを通って照明光学系反射レンズ５２に向かって伝搬する照明開口部４６に関連付けられた光源４２を含む。照明光学系反射レンズ５２及びコリメート光学系は、最も好ましくは、照明開口部４６を導光路の入口開口部２６に結像するように構成されており、それによって、光学系の効率（「パンケーキレンズ」技術の使用によって既に制限されている）を最適化し、迷光を低減する。

ここで例解されるパンケーキレンズ構成は、図４と同等であるが、図３又は図５の構造と同様に同じように実装することができる。ここで例解されるが、任意の実施形態に適用可能な更なる変形形態の特徴は、ＬＣＯＳ１０が、ここでは、視野レンズ並びに結果として生じる余分な長さ及び／又はエアギャップなしで、表面５１においてＰＢＳプリズムに直接取り付けられて示されていることである。合焦調整は、表面１７と表面１８との間のギャップを調整することによって行うことができる。

ここで例解される特に好ましいが非限定的な実装形態によれば、光源４２からの光は、好ましくは拡張光導体である光導体４４に沿って伝搬する。光は、反射器４５によって、開口部４６上に反射される。上で言及されるように、後続の光学系は、好ましくは、平面４６を出口開口部２６上に結像し、それによって最小限の電力損失を達成する。改善された均一性は、光導体内又は平面４６においてディフューザを実装することによって達成することができる。好ましくは、偏光フィルタを、平面４６に配置し、Ｐ偏光を透過させるべきである。

Ｐ偏光された透過光は、ＰＢＳ５０を通過し、反射レンズ５２上に伝搬する。このレンズは、反射光がこの時点でＳ偏光され、ＰＢＳ５０によってＬＣＯＳ１０上に反射されるように、１／４波長の波長板を組み込む。

本明細書全体を通して、本明細書に例解される光学構成は、ＳＬＭを更新し、かつ必要な出力画像を生成するために照明構成を同期的に動作させるように電力及び入力データを提供する様々な制御構成要素によって補完されることが理解されるであろう。これらの構成要素は、図７及び図８において、コントローラ９０によって概略的に表され、これは、提示の簡略化のために他の図面からは省略されている。コントローラ９０の構造及び動作は、当業者には明らかであり、本明細書では詳細に説明しない。

ここで図８を参照すると、これは、照明構成が、典型的には、光学系５８によってコリメートされるレーザ源５６からの照明ビームを、少なくとも１つの傾斜軸の周りの角度の範囲を通して走査するための走査ミラー６０を含む更なるオプションを例解する。走査ミラー６０は、照明ビームを、プリズムを通して照明光学系反射レンズ５２に向かって方向付けるように展開されており、その地点から、光路は、図７のものと同様である。最も好ましくは、照明光学系反射レンズ５２及びコリメート光学系は、走査ミラー６０を導光路２６の入口開口部に結像するように構成されており、それによって、導光路に入るレーザ照明の量のエネルギー伝達を最適化する。

図７に例解される非限定的な実装形態では、ＬＣＯＳ１０は、コリメート光学系の反対側に位置し、照明プリズム及び照明光学系は、プリズムの外側表面上に配置されており、光路は、ＰＢＳで透過－反射－透過のシーケンスを受ける。この構成は、例えば、ＬＣＯＳから反射された所望の画像光を選択するＰＢＳでの反射である、反射－透過－反射の光路シーケンスを用いて変化させることができることが認識されるであろう。画像生成及びコリメーションの全体的な機能性は変更されないままである。

したがって、この構成は、ＳＬＭの選択的照明及びＳＬＭの変調の両方が画像形成に寄与するように、ＳＬＭ上の走査レーザ照明を提供する。レーザ５６からのビームは、光学系５８によって走査ミラー６０上にコリメートされる。走査器６０の平面は、後続の光学系によって出力開口部２６上に結像される（レーザビーム幅に従って低減された寸法であるとして図８に表示されている）。レーザ５６からの走査ビーム６２は、Ｐ偏光され、したがって、反射レンズ５２上にＰＢＳ５０を通過する。偏光回転後、Ｓ偏光ビームは、ＰＢＳ５０からＬＣＯＳ１０上に反射する。ＬＣＯＳ１０は、ビームが開口部２６に伝搬するときにビームを拡大するためのマイクロレンズアレイ又はディフューザを含み得る。狭い照明レーザビームのため、ＰＢＳをより小さくすることができることが明らかである。

図８は、ＬＣＯＳ上のレーザ走査として説明されているが、更なる代替的な実装形態によれば、同じ構造を、唯一の画像生成機構としてレーザ走査を用いるように適合させることができる。この場合、ＬＣＯＳは、典型的には、１／４波長板に関連付けられた反射マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）として実装されるビーム拡散反射器によって置き換えられる。コントローラ９０は、走査運動と同期してレーザビームの強度を変化させ、所望の画像に対応する各画像フレームの期間にわたって、ビーム拡散反射器での光の時間平均強度分布を生成する。他の全ての点では、この構成は、既に上で説明されるように、図８のＬＣＯＳバージョンに構造的及び機能的に類似している。

ここで図９を参照すると、これは、前の実施形態のＰＢＳプリズムを、ＳＬＭを照明するためのスラブ型導光路に置き換える、本発明の代替的な実装形態を例解する。これは、４５度のＰＢＳキューブ（又は３０度のキューブ）を使用する実装形態と比較して、コリメート光学系の焦点距離の更なる短縮、ＬＣＯＳの更なる小型化、したがって、全体的なサイズ及び重量の低減、並びに／又は角度ＦＯＶの更なる増加を可能にする。

具体的には、ここでの照明構成は、導光路１５６であって、一対の相互に平行な主表面での内部反射による照明の伝搬をサポートするための主表面と、導光路の内部にあり、ＳＬＭ１０に向かって照明を外部結合するように主表面に対して斜めに配向された複数の相互に平行な部分反射外部結合表面１５８と、を有する、導光路１５６を含む。

偏光された照明は、全内部反射（ＴＩＲ）によって伝搬するために、プリズム１５４を通じて導光路１５６内に結合される。誘導光は、偏光選択的部分反射器１５８に衝突し、空間光変調器（ＬＣＯＳ）１０上に外部結合される。反射光は、（例えば、偏光回転によって）空間的に変調され、反射される。この反射光は、部分反射器１５８を通過し、導波路１５６を通過する。この光はまた、偏光子１６０を通過する。この偏光子は、好ましくは、以下の機能のいくつか又は全てを提供する。
・ＬＣＯＳ１０によって変調されるような、画像が適切なコントラストを有するように、部分反射器１５８を貫通した残留Ｓ偏光を除去する。
・パンケーキ光学系が従う正しい入力偏光を確保し、それによって第２の光学表面１６８からの第１の反射での損失を回避する。
・好ましくは、また、波長板１６２Ａを２回通過し、したがって偏光子１６０の透過軸に直交して偏光した、部分反射器１６４から反射された光の大部分を吸収することによって、パンケーキレンズからの反射光を抑制する。

ビームは、１／４波長１６２Ａを通過し、部分反射器１６４（上記の第１の光学表面１８に対応する）に衝突し続ける。レンズ１６６Ａ及び１６６Ｂは、ビームが前後に伝搬し、１／４波長板１６２Ｂ、及び上記の第２の光学表面２０に対応する反射偏光子１６８も通過するときにコリメーションを実行する（光路は、１つのビームについて概略的に示される）。

上記システムは、小さい寸法を有し、短焦点距離を使用しながら大きい視野をサポートすることができ、同時に、光をコリメート光学系から同様に短い距離に位置する導波路開口部２６に結合することができる。

ここで図１０を参照すると、図３～図８を参照して上記で例解されたような様々なプリズムベースの実施形態の利点は、既に例解されたように、プリズムの画像平面表面に関連付けられ得、プリズム内でビームスプリッタを利用する様々な実装を可能にし、画像平面からコリメート光学系まで、及びコリメート光学系から導光路の入口開口部まで短い距離を維持する、実質的にいかなる画像生成技術にも一般化され得ることに留意されたい。図１０は、ビームスプリッタが１つ以上のダイクロイックミラーであり、画像生成器が、ＯＬＥＤ又はマイクロＬＥＤアレイなどのアクティブマトリクス画像生成器である更なる例を例解する。

ここで例解される特に好ましいが非限定的な例では、各色（例えば、ＲＧＢ）の画像は、異なるアクティブマトリクス画像生成器（それぞれ１７０Ｒ、１７０Ｇ及び１７０Ｂ）によって生成され、表面１７２ａ及び１７２ｂは、ダイクロイックプリズム内でカラービームを組み合わせるダイクロイックコンバイナ（ダイクロイックミラー）である（実線及び破線の矢印によって示され、明確さのために１７０Ｇからの光線のみが示される）。光源１７０からの照明は、偏光されていない場合があるため、追加の偏光子は、全ての光源に直接隣接して、又は表面１７上の第１の素子として導入され得る。カタディオプトリックコリメート構成の形態及びプリズムとのその関連性は、ここでは図５に類似した形態で例解されているが、代替的に、図３又は図４に例解されている構造に従い得る。

本明細書に例解される実施形態では、第１のアクティブマトリクス画像生成器１７０Ｒは、ダイクロイックミラー１７２ａによって反射される少なくとも第１の波長の光（赤色）として放射される画像を生成し、一方、プリズムの第２の面に関連付けられた第２のアクティブマトリクス画像生成器１７０Ｇは、ダイクロイックミラー１７２ａによって透過され、それによって、コリメート光学系に到達すると赤色光と組み合わされる少なくとも第２の波長の光（緑色）として放射される画像を生成する。第２のダイクロイックミラー１７２ｂは、ダイクロイックミラー１７２ａに平行ではなく、第３の波長の青色の光に反射性である一方、赤色光及び緑色光には透過性である。プリズムの更なる面に関連付けられた第３のアクティブマトリクス画像生成器１７０Ｂは、コリメート光学系に到達すると赤色光及び緑色光と組み合わされるように、第２のダイクロイックミラー１７０ｂによって反射される少なくとも第３の波長の光（青色）として放射される画像を生成する。表示される全体の画像のＲＧＢ分離に対応する画像を生成することによって、別個の画像は全て組み合わされ、コリメート光学系に送達され、ユーザの眼に表示される。

上記の説明は、実施例としてのみ役立つことが意図されること、及び添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の範囲内で、多くの他の実施形態が可能であることが認識されるであろう。

Claims (17)

1. 導光路の入口開口部にコリメートされた画像を投入するための画像プロジェクタであって、
   （ａ）偏光修正空間光変調器（ＳＬＭ）であって、前記ＳＬＭに供給される画像データに従って、照明の偏光を修正するために展開されている、偏光修正空間光変調器（ＳＬＭ）と、
   （ｂ）偏光された照明で前記ＳＬＭを照明するための照明構成と、
   （ｃ）画像に対応して前記ＳＬＭから光を選択するように展開された偏光選択的素子と、
   （ｄ）前記導光路の前記入口開口部に前記コリメートされた画像を提供するように、前記画像に対応する前記光をコリメートするためのコリメート光学系であって、
   （ｉ）第１の１／４波長板と、
   （ｉｉ）部分反射器として実装される第１の光学表面と、
   （ｉｉｉ）第２の１／４波長板と、
   （ｉｖ）偏光選択的反射器として実装される第２の光学表面と、を連続的に備える、偏光カタディオプトリック構成を含む、コリメート光学系と、を備え、
   前記第１の光学表面及び前記第２の光学表面のうちの少なくとも一方が、１回は屈折レンズ表面として、１回は反射レンズとして、前記光に２回作用する屈折力を有する非平面的な表面として実装される、画像プロジェクタ。
2. 前記偏光選択的素子が、プリズムに一体化された偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記照明構成が、前記ＰＢＳから前記ＳＬＭに向かって反射するように、照明を方向付ける、請求項１に記載の画像プロジェクタ。
3. 前記ＰＢＳが、前記ＳＬＭの表面に対して３０度の角度で傾斜しており、前記画像プロジェクタが、前記ＳＬＭと前記ＰＢＳとの間で前記ＳＬＭに平行に展開された角度選択的反射器を更に備え、前記照明構成が、前記角度選択的反射器から前記ＰＢＳに向かって反射し、かつ前記ＰＢＳから前記ＳＬＭに向かって反射するように、照明を方向付け、前記角度選択的反射器が、６０度の入射角で入射する可視光に対して反射性であり、３０度未満の入射角で入射する可視光には実質的に透過性である、請求項２に記載の画像プロジェクタ。
4. 前記ＰＢＳが、前記ＳＬＭの表面に対して４５度の角度で傾斜しており、前記画像プロジェクタが、前記ＰＢＳを通過した照明を前記ＰＢＳに向かって戻るように方向付け、前記ＰＢＳにおいて反射させて前記ＳＬＭに向けるための、前記プリズムの面に関連付けられた１／４波長板及び照明光学系反射レンズを更に備える、請求項２に記載の画像プロジェクタ。
5. 前記照明構成が、照明開口部に関連付けられた光源を更に備え、前記光源から、光が前記プリズムを通って前記照明光学系反射レンズに向かって伝搬し、前記照明光学系反射レンズ及び前記コリメート光学系が、前記導光路の前記入口開口部に前記照明開口部を結像するように構成されている、請求項４に記載の画像プロジェクタ。
6. 前記照明構成が、少なくとも１つの傾斜軸の周りの角度の範囲を通して照明ビームを走査するための走査ミラーを更に備え、前記走査ミラーが、前記照明ビームを、前記プリズムを通して前記照明光学系反射レンズに向かって方向付けるように展開されており、前記照明光学系反射レンズ及び前記コリメート光学系が、前記走査ミラーを前記導光路の前記入口開口部に結像するように構成されている、請求項４に記載の画像プロジェクタ。
7. 前記第２の光学表面が、前記導光路の画像入力表面に接合されている平面的な表面である、請求項２に記載の画像プロジェクタ。
8. 前記第１の光学表面が、前記プリズムの出力表面に接合されている平面的な表面である、請求項２に記載の画像プロジェクタ。
9. 前記第１の光学表面が、前記プリズムの対応する非平面的な出力表面に接合されている非平面的な表面である、請求項２に記載の画像プロジェクタ。
10. 前記照明構成が、導光路であって、一対の相互に平行な主表面での内部反射による照明の伝搬をサポートするための前記主表面と、前記導光路の内部にあり、前記ＳＬＭに向かって照明を外部結合するように前記主表面に対して斜めに配向された複数の相互に平行な部分反射外部結合表面と、を有する、導光路を備える、請求項１に記載の画像プロジェクタ。
11. 導光路の入口開口部にコリメートされた画像を投入するための画像プロジェクタであって、
    （ａ）プリズムに一体化されたビームスプリッタと、
    （ｂ）前記プリズムの第３の面に関連付けられた画像平面で画像を生成するように構成された画像生成器と、
    （ｃ）前記導光路の前記入口開口部にコリメートされた画像を提供するように、前記画像の光をコリメートするためのコリメート光学系であって、
    （ｉ）第１の１／４波長板と、
    （ｉｉ）部分反射器として実装される第１の光学表面と、
    （ｉｉｉ）第２の１／４波長板と、
    （ｉｖ）偏光選択的反射器として実装される第２の光学表面と、を連続的に備える、偏光カタディオプトリック構成を含む、コリメート光学系と、を備え、
    前記第１の光学表面及び前記第２の光学表面のうちの少なくとも一方が、１回は屈折レンズ表面として、１回は反射レンズとして、前記光に２回作用する屈折力を有する非平面的な表面として実装される、画像プロジェクタ。
12. 前記ビームスプリッタが、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記画像プロジェクタが、
    （ａ）変調された強度の光ビームを生成するための少なくとも１つの光源と、少なくとも１つの傾斜軸の周りの角度の範囲を通して前記光ビームを走査するための走査ミラーと、を備える、照明構成であって、前記走査ミラーが、前記光ビームを前記プリズムの第１の面に方向付けるように展開されている、照明構成と、
    （ｂ）前記プリズムを通過した光を前記ＰＢＳに向かって戻るように方向付けるための、前記プリズムの第２の面に関連付けられた照明光学系反射レンズ及び第１の１／４波長板と、
    （ｃ）前記プリズムの前記第３の面に関連付けられたビーム拡散反射器及び第２の１／４波長板と、
    （ｄ）画像に対応する前記ビーム拡散反射器における光の時間平均強度分布を生成するように、前記光源の強度を同期的に変調し、かつ前記走査ミラーを制御するためのコントローラと、を更に備える、請求項１１に記載の画像プロジェクタ。
13. 前記ビームスプリッタが、ダイクロイックミラーであり、前記画像生成器が、前記ダイクロイックミラーによって反射される少なくとも第１の波長の光として放射される画像を生成する第１のアクティブマトリクス画像生成器であり、前記画像プロジェクタが、前記プリズムの第２の面に関連付けられた第２のアクティブマトリクス画像生成器を更に備え、前記第２のアクティブマトリクス画像生成器が、前記コリメート光学系に到達すると前記第１の波長の前記光と組み合わされるように、前記ダイクロイックミラーによって透過される少なくとも第２の波長の光として放射される画像を生成する、請求項１１に記載の画像プロジェクタ。
14. 前記ダイクロイックミラーに平行ではない前記プリズム内に展開された第２のダイクロイックミラーを更に備え、前記第２のダイクロイックミラーが、前記第１の波長及び前記第２の波長の光には透過性であり、第３の波長の光には反射性であり、前記画像プロジェクタが、前記プリズムの第１の面に関連付けられた第３のアクティブマトリクス画像生成器を更に備え、前記第３のアクティブマトリクス画像生成器が、前記コリメート光学系に到達すると前記第１の波長及び前記第２の波長の前記光と組み合わされるように、前記第２のダイクロイックミラーによって反射される少なくとも前記第３の波長の光として放射される画像を生成する、請求項１３に記載の画像プロジェクタ。
15. 前記第２の光学表面が、前記導光路の画像入力表面に接合されている平面的な表面である、請求項１１に記載の画像プロジェクタ。
16. 前記第１の光学表面が、前記プリズムの出力表面に接合されている平面的な表面である、請求項１１に記載の画像プロジェクタ。
17. 前記第１の光学表面が、前記プリズムの対応する非平面的な出力表面に接合されている非平面的な表面である、請求項１１に記載の画像プロジェクタ。