JP2002529769A - 光パイプ光学系を有する投射器システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 投射機システムが電灯（１０）、反射器収集器光学系（１１）、およびリレー光学系を包含し、光パイプ（１５）の出口孔からの光を、映像形成手段（２１）例えば薄膜ゲートまたはＬＣＤパネルの映像ゲートへ映像形成させる。光パイプは中空であり、コールドミラー反射の内壁を有し、テーパー形状であり、入口孔を有し、該入口孔は断面積が中央部より大である。光パイプは内部反射により光を混合し、出口孔にわたり色と強度が均一である光を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 発明の分野 本発明は光学機器に関し、より特定的には、光学的投射器システム（optical
projector system）の光エンジンに関する。

【０００２】 発明の背景 現代の業務用、教育用および消費者用の応用において、光学的投射器システム
が広く使用されている。例えば、フィルムからスクリーン上に画像を示すようス
ライド映写機および動画映写機が使用され；映写テレビジョンは１枚〜３枚のLC
Dパネル(液晶ディスプレイ)(LCLV−Liquid Crystal Light Valve）を使用するこ
とがあり、且つ、他の映写機はコンピュータ制御式のLCDを使用し得る。而して
投影機システムに対する光は“光エンジン”により提供されるが、斯かる光エン
ジンは一般的に、たとえば白熱電球などの光源と、反射器と、LCDパネルもしく
はフィルムゲートなどの“映像ゲート”上に光を導向する一個以上のレンズとか
ら成る。一般的に、光エンジンは下記の特性を有するのが望ましい：(1)光エン
ジンが提供する光は明るくあるべきである；(2)光エンジンの電球および他の構
成要素の寿命を維持するよう、光エンジンは例えばファンなどによる冷却能力を
超える熱を発生すべきではない；(3)光エンジンは特にハロゲン化金属形アーク
燈で問題となるカラースポットの無い白色光を発生すべきである；(3)光エンジ
ンの光は上記映像ゲートの全体に亙り均等に拡散すべきである。市販の光エンジ
ンにおいては多くの場合、中心における光は少なくとも100％であるが四隅にお
ける光は60％より小である可能性がある。(4)光エンジンは物理的にできるだけ
小形であり、できるだけ低コストであるべきである。

【０００３】 改良された光エンジンは光を均等に拡開することから、矩形の映像ゲートの各
角隅部における光(“隅部の照度”)はゲートの中心における光の少なくとも70％
であり；ランプからの各色は均質化されてカラースポットの無い白色光を生成し
；且つ、“こぼれ（spillage）”(映像ゲートの外側へこぼれる光ビーム)による
浪費の光が減少する。

【０００４】 Changほかの論文“液晶光弁投射器に対する矩形状の均一な照明光学システム(
A Uniform Rectangular Illuminating Optical System For Liquid Crystal Lig
ht Valve Projectors)” Eurodisplay '96 第256-260頁、において、短寸アーク
燈からの光は楕円形反射器により集光されると共に、RPGR(矩形柱状ガラス・ロ
ッド)を介してLCLV(液晶光弁)へと送られる。

【０００５】 また、多数の論文および特許が投影機システムに対する光パイプ(light pipe)
を記述しているが、それはたとえば、米国特許第5,146,248号(第6欄、第35〜51
行)、米国特許第4,813,765号(第1欄、第40〜42行)；米国特許第5,696,865号(第4
欄、第61〜65行)；米国特許第5,634,704号(第8欄、第55〜58行)；米国特許第5,6
25,738号；米国特許第5,059,013号；米国特許第4,045,133号；米国特許第3,913,
872および米国特許第3,170,980号である。

【０００６】 固体の光パイプは、投影機システムにおいて光源から画像ゲートへと光を伝達
すべく使用された場合、多くの問題を呈する。もしアーク燈などの光源が大量の
熱を生成するとしても、光パイプはPyrex(Corningの登録商標)もしくは他の高温
耐性(低熱膨張)のガラスで作成されるべきこともある。しかし、斯かる高温用ガ
ラスの光透過は通常の光学ガラスに比較して少ないことから、光が喪失されると
共に光の伝達効率は不十分である。これに加え、光学ガラスもしくは光学プラス
チックは裸眼には透明できずのないものに見えるが、一般的には微小寸法の泡お
よび溝を有する。これらの微小寸法の欠陥により、透過する光には予期不可能の
望ましくない色シフトが生ずる。

【０００７】 上記の如き光パイプの非均質の固体の透明材料により生ずる色シフトのために
、±200°Kの色の均一性に対する典型的な仕様を満足することは困難または不可
能である可能性がある。更に、特にガラスから作成された固体の光パイプは光エ
ンジンの重量および費用を増大する。それは例えば、先鋭な端部を有するネジな
どによる精密で高価な特殊な取付け方法を必要とする。

【０００８】 アクティブマトリクスは、オンおよびオフに切換えられる多数の小寸の画素(
“pixels”）から成る。“液晶”と称される有機液体は、透明な各プレート間に
保持される。一般にその結晶は透明であるが、電界が印加され結晶分子の整列が
変更されると、該結晶を通過する偏光の配向が変化させられることができる。

【０００９】 単一プレートを有するカラーLCDにおいては、透明プレートの２つの外側面に
は偏光フィルタ(薄寸偏光素子)が被覆されることから、(入射平面に平行な)P方
向、又は、(入射平面に直交する)S方向に導向された光波のみが通過し得る。フ
ルカラーピクセルの各々はカラーフィルタを有する赤、緑もしくは青のサブピク
セルから成ることから、赤、緑もしくは青の光のみが透過される。正常時にはオ
ープンのパネルにおいては電力が印加されていなければ、第1偏光素子に入射す
る光は被選択平面に沿って平面偏光される。電力がオンされていないときに各液
晶は、上記偏光を90°旋回すべく整列されている。第2偏光素子／検光板は、第1
偏光素子に対して90°に設定される。この様にして、電力がオンされていないと
きには上記パネルを介した単一の偏光平面に沿って光が伝達される。殆どのLCD
投影パネルはこのタイプである。電界を印加して(電力オン)ピクセル(またはサ
ブピクセル)が起動されたとき、偏光は、液晶により90°旋回されることは無い
ので、上記第2偏光素子／検光板により阻止される。

【００１０】 上記アクティブマトリクスは、各サブピクセル上に直接的に形成されたサブ・
ピクセル毎に１個のトランジスタと、接続用のプリント配線とを備えている。上
記配線は概略的に、列アドレスラインおよび行アドレスラインで形成される。一
方、偏光は、電球などの非偏光源から導出される。濾過を行うが故に、利用され
るのは上記光源の光出力の半分だけである。

【００１１】 多くのLCD投影機システムにおいては、光の全てを利用するのが望ましい。こ
の様にすれば、同一寸法の電球を使用して更に明るい映像が得られる。あるいは
、電球サイズが減少され、光エンジンにより生成される熱が減少され得る。電球
は小寸なほど温度が低く、寿命も長くなり得る。これまで、LCD投影分野におけ
る主な目的は、投射システムにおいて必要な偏光平面内へと偏光されない光の部
分を回復する方法を開発することであった。このような光は、投射される光ビー
ムから喪失される。もし成功すれば、“偏光子ダブラ(polarizer doubler)”と
称される装置は投影システムの全体的光効率が２倍になり、投射器の性能対コス
トの比が相当に改善される。

【００１２】 幾つかの先行特許および論文によれば、非偏光は２つの偏光ビームへと分離さ
れ得ると共に、各ビームの一方の極性が反転されて２つのビームが結合され得る
ことが示唆されている。上記のタイプのシステムは“偏光素子ダブラ”と称され
るが、その理由は、このようなシステムは１つの極性で利用可能な光の量を２倍
にするからである。このような偏光子ダブラは一般的に、所定の光を２つの極性
へと分離する偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter）(PBS)を使用
する。

【００１３】 LCDパネルに対する偏光素子ダブラシステムは、米国特許第4,913,529号；米国
特許第5,601,351号；欧州特許出願(European P.A.)第0467-447-Al号；米国特許
第4,798,448号；米国特許第5,566,367号；米国特許第5,653,520号；および、以
下の論文に開示されている：Japan Display '92、第121〜124頁におけるNichola
s等の“投影ディスプレイにおける16/9LCDに対する偏光白色による光照明を行う
ための効率的な光学的配置構成(Efficient Optical Configuration for Polariz
ed White Light Illumination of 16/9 LCDs in Projection Display)；Japan D isplay '93、第26〜29頁におけるShikama等の“高輝度のLCD投影機に対する極性
変換用光学機器(A Polarization Transforming Optics For High Luminance LCD
Projector)”；Euro Display '93、第257〜260頁およびJapan Display '93、第
235〜237頁におけるImai等の“高輝度の液晶光弁投影機に対する新規な極性変換
器(A novel polarization converter for high-brightness liquid crystal lig
ht valve projector)”；および、Euro Display 1995、第253〜256頁におけるDe
Vaan、Brandtの“極性変換システムLCD投影(Polarization conversion system L
CD projection)。米国特許第5,777,789号は、直線状各側部を備えた光トンネル
と、ダブラではない偏光ビーム・スプリッタ(PBS)とを開示している。 上記で引用した各特許および論文は、参照により合体されている。

【００１４】 発明の概要 本発明によれば、投射器システムに対する新規で改良された光エンジンが提供
される。上記投射器システムは、下記の従来形の部分を含み得る：アーク燈など
の光源；反射器；一個以上のレンズなどの中継用光学機器；フィルム・ゲートも
しくはLCDパネルなどの画像ゲート；および、単独の投影機レンズもしくは視野
光学機器(field optics)を備えた投影機レンズ。上記光エンジンは、上記ランプ
、反射器および中継用光学機器を含む。これに加えて本発明は、上記反射器から
の光を他のビーム形状では無く円錐状に形成する新規な集光器／反射器アセンブ
リと、テーパ付けされた光パイプLPI(光パイプ・インテグレータ)とを提供する
。上記集光用光学機器は、連続的に湾曲された鏡表面として形成される。上記表
面は、異なる偏心率(e)および焦点(F)を有する２個以上の楕円から成る。上記各
楕円は側面視形状(上記反射器の光軸を通る平面内における断面)におけるもので
あるが；上記反射器の光軸に直交する該反射器の断面は円形である。上記光円錐
の截頭端部(truncated end)は、上記光パイプの入射瞳上に位置せしめられる。
上記中継用光学機器は、上記光パイプの射出瞳(射出面)と、上記画像ゲートとの
間に位置せしめられる。幾つかの実施例においては、上記中継用光学機器が省略
され得ると共に上記射出瞳は上記画像ゲートの直近に位置せしめられ得る。

【００１５】 上記光パイプ・インテグレータ(LPI)は、内面反射の原理で機能する。上記光
パイプの入射瞳(入射面)は、上記集光用光学機器(反射器)から円錐状ビームを受
ける。上記入射瞳は、上記光ビームの截頭円錐形状に最適に整合すべく、上記光
軸に直交する断面において、平坦で円形もしくは八角形である。上記光パイプの
射出瞳(射出面)は断面において平坦であると共に、例えばLCDパネルなどの矩形
の画像ゲートの形状およびアスペクト比を有する。該アスペクト比は典型的には
4:3であるが、HDTV(高精細度テレビジョン)の9:16の画像ゲート用アスペクト比
などの他のアスペクト比も利用され得る。

【００１６】 上記光パイプ・インテグレータは上記アーク燈からの各カラーを統合し、その
射出瞳にては均質化されて均一な白色光に対する色温度を生成する。上記光パイ
プはまた上記画像ゲート口径もしくは偏光ビーム・スプリッタ(PBS)(アスペクト
比および形状)に厳密に適合し得る矩形の射出面も提供することから、零(も)れ
により喪失される光の量を相当に減少する。上記光パイプは、上記画像ゲートも
しくは上記PBSの入力面の全体に対して良好な光の分布を与える。故に上記光エ
ンジンは上記画像ゲートにおけるビームを生成し、中央部の70％となる角隅部照
度(ANSI)に容易に帰着するが、これは現在市販されている光エンジンと比較して
重要な画像品質の強化である。上記光パイプ、および、“VAREX”(Torch Techno
logies LLCの登録商標)と称される多重楕円反射器は、カラー均一性(color unif
ormity)、光均一性(light uniformity)および集光効率(collection efficiency)
を改善する。

【００１７】 上記光源から到来する光円錐の円錐角度分布(“角度分布[angle population]
”)は、出射円錐の円錐角度分布を確定する。上記出射ビームの円錐角度は減少
されるのが望ましい。その目的は、画像ゲートすなわちLCDに必要な角度分布に
整合することである。上記光パイプ(LPI)の好適な形状は、テーパ付けされた入
射セクション、狭幅の中央セクションおよびテーパ付けされた射出セクションか
ら構成される。上記テーパ付けされた射出セクションのテーパの広幅部分は、上
記画像ゲートに向けられる。テーパ付けされた上記入射セクションは、上記光源
に臨むテーパの広幅部分を有している。その様に二重にテーパ付けされた光パイ
プによれば、出射ビーム円錐の角度分布が減少されると共に、幾何学的広がりが
減少されることから、上記光エンジンの物理的長さが減少される結果となる。

【００１８】 光パイプLPIの好適実施例は、入射瞳と、正方形もしくは八角形の断面の中央
セクションと、選択されたアスペクト比を有する平坦で矩形の射出瞳と、を備え
るべく二重テーパ付けセクション形状を有する中空の光パイプである。

【００１９】 好適な上記光パイプ・インテグレータ(LPI)は、内面反射の原理で機能する。
該光パイプ・インテグレータは、内側鏡面壁(内面反射)を備えた中空であって、
ガラスもしくは他の透明材料(内面全反射)の中実片では無い。上記LPIの内側壁
は、“コールド・ミラー被覆”により被覆される。上記被覆は可視光に対して反
射的(鏡)であるが、不都合な熱となるIR(赤外線)光は通過させるものである。上
記LPIは、金属製、または、耐熱性で熱膨張の小さいガラス製の平坦薄寸材で形
成される。上記平坦薄寸材によれば実に高品質のコールド・ミラー被覆が可能と
なるが、これは湾曲ガラス上では高価となりもしくは不可能なものである。上記
光パイプは、±50°Kで測定されたカラー均一性を提供する。

【００２０】 本発明は、線形偏光されて阻止されるビームを90°だけ回転する偏光素子ダブ
ラを提供する。該ダブラの偏光軸心は、選択されたビームの偏光軸心と同一方向
に配向される。一実施例において上記２つのビームはその場合に(各ビームの重
畳では無く)並置して結合される。該ダブラは、偏光ビーム・スプリッタ(PBS)を
使用して初期ビーム全体(反射損失および透過損失は除く)を集光し、それをLCD
画像平面(LCD画像ゲート)を介し更にスクリーン上へと導向する。別実施例にお
いて上記偏光素子ダブラPDは、上記LPI内とされる。

【００２１】 PDおよびLPIを組合せて使用すると独特で重要な利点が得られ、すなわち：(1)
ビーム断面は、矩形である画像ゲートにおける特定口径に対して適切に成形され
、矩形ビームが伝播されることにより、ビームの加算(再結合)の実現を更に効率
的かつ光学的に容易なものとし；(2)上記集光器／LPIの組合せは、上記LCDに入
射する光ビームの円錐角度を最小化することにより該LCDの性能を強化すべく設
計可能となり；(3)この光学的な手法は上記光エンジンのコストおよびサイズを
減少する。これらの３つの要因が組合されることにより、投影システムの全ての
箇所において光は更に効率的とされる。上記偏光素子ダブラに依る利得は、２の
係数に近い。

【００２２】 詳細な説明 図１に示された如く、本発明の光エンジンの第１実施例はLCD(液晶ディスプレ
イ投影機システム)に使用される。該投影機システムは、アーク燈10および反射
器11を含む。反射器11(集光器アセンブリもしくは集光用光学機器)は、光を、頂
点(尖端)13を有する円錐状ビーム12(円錐)へと成形する。上記ビームは、光パイ
プ15すなわちLPI(光パイプ・インテグレータ)の入射瞳14(入射面)内に上記円錐
頂点が収まる如く導向される。光は、LPI 15の射出瞳16(射出面)から射出される
と共に、第1平凸レンズ18および第2平凸レンズ19から成る中継用光学機器17を介
して伝達される。一定の場合には、画像ゲートと映写レンズとの間には視野レン
ズが使用される。これらの構成要素が上記光エンジンを構成する。

【００２３】 中継用光学機器17は上記ビームをLCDパネル21の画像ゲート(入射面)へと導向
する。光学経路中において、LCDパネル21に対してはフレネル・レンズ20(フレネ
ル・レンズ薄寸材)が先行し且つ第2フレネル・レンズ22が追随する。LCDパネル2
1からの画像は(不図示の)スクリーンに対し、映写レンズ23により焦点合わせさ
れる。“フレネル・レンズ”は、プラスチック薄寸材として成形された同心的溝
(約40〜300溝／インチ)を有するプレートであり、習用のレンズの湾曲表面に置
き換わるものである。

【００２４】 光パイプ(LPI)は、入射瞳、反射用内側壁および射出瞳を有する長寸光学要素
である。入射瞳に入射する光は内部的に反射されて均質化(混合)される。上記LP
Iは好適には、内側ミラー壁を備えた中空である。代替的に上記光パイプは、全
体的な内面反射特性が喪失されるが故に外側壁はミラー化されないという光学ガ
ラスもしくはプラスチックの中実透明部材とされ得る。斯かる中実の光パイプは
、支え刃もしくはプラスチック・ネジ支持部材により所定位置に保持されると共
に、例えば薄寸金属外被などの外被により(接触なしで)カバーされる。

【００２５】 入射瞳13は好適に、光ビーム円錐の形状に従うべく、光軸に直交する断面にお
いて(中実LPIならば)正方形、円錐形状もしくは半球状とされ、または、(中空LP
Iならば)平坦な円形もしくは八角形である。もしLPIが中実であれば、平坦な入
射瞳の場合に上記ビーム円錐の回転軸心に直交して該ビーム円錐は截頭される。
光パイプの射出瞳16は平坦かつ矩形であると共に、上記LCDパネルに対して典型
的には4:3である上記画像ゲートのアスペクト比と同一のアスペクト比とされる
。

【００２６】 (PBSを使用している場合を除き)上記LCDパネルに最も近接する光パイプ・セク
ションは、射出瞳が該光パイプの中央セクションよりも(面積において)少なくと
も50％大きく、且つ、該光パイプはその射出瞳に向けて即ち上記画像ゲートに向
けて(光パイプの光軸に直交する断面において)次第に大きくなる如く、テーパ付
けされる。このように形状をテーパ付けしたことから、画像ゲートにおける零れ
により光を浪費せずに、光の伝達を効率化し得る。好適には、射出瞳面積に対す
る入射瞳面積の比率は1:1.5〜1:5の範囲であり、最も好適には1:2〜1:4の範囲で
ある。好適には、上記射出瞳の断面積は上記中央セクションの断面積よりも少な
くとも50％だけ大きい。

【００２７】 図３の実施例において光パイプ25は円形で平坦な入射瞳26および矩形で平坦な
射出瞳27を有し、両者ともに該光パイプの光軸28(一点鎖線)に直交すべく平坦で
ある。射出瞳27のアスペクト比(幅：高さ)は典型的に4:3である。光パイプ25は
その入射瞳26にて円形であり、その壁部は次第に平坦となって行く。図４の光パ
イプ30も同様であるが、その壁部は楕円形状であり、すなわち、その壁部は光軸
28を通る各平面における断面形状が楕円である。

【００２８】 図５には、光パイプ31の一実施例が示されている。該実施例において入射瞳32
は側面視(profile)において湾曲しており、且つ、射出瞳33は矩形であると共に
側面視において平坦である。

【００２９】 例えば図１９の中実なLPIの実施例において、直径“q”は14mmであり、高さ“
p”は24mmであり、射出瞳の幅は18mmである。入射部分35は(光軸に直交する断面
において)円形である。円形の入射セクション35は上記光パイプの長さの少なく
とも1/3、好適には約1/2だけ延在する。側面視において半球状の入射瞳32は円錐
状ビームを受ける。図１９において入射瞳の側面視形状32aは円錐形状である。

【００３０】 尚、中空のLPIは多くの理由により、中実で透明なLPIよりも好適である。まず
中空LPIは、“光エンジン”システムに対する組付けおよび一体化が物理的に容
易である平坦な反射的被覆材料を使用し得ることから、コストが削減される。ま
た、入射瞳および射出瞳における損失の問題が無く(AR被覆が不要であり)、ある
いは、ガラス基材の加熱の問題も無い。更に、反射器の基材(内面反射壁の為の
基材)として、金属薄寸材、または、熱膨張の小さい(高温耐性の)ホウケイ酸ガ
ラスが使用され得る。光は、空疎な空気空間を散乱または他の干渉なしで進行す
る。

【００３１】 上記内面反射被覆は好適には、光ビームからIR(赤外線)熱を除去するコールド
・ミラー被覆である。これにより、上記光ビーム中の可視光を相当に減ずる伝送
用防熱フィルタを使用すること無く、光ビームからIR熱放射を除去することは重
要な利点である。上記LPIは、平坦な金属薄寸材から形成され、または、内側表
面にコールド・ミラー被覆を有する低膨張ガラスから形成される。斯かる被覆は
、湾曲した基材(湾曲したガラス基材)に対して適用するのは更に困難で費用を要
するものである。

【００３２】 ＬＰＩは、カリフォルニア州サンタローザ（Ｓａｎｔａ Ｒｏｓａ）のオプテ
ィカル・コーティング・ラボラトリーズ社（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏａｔｉｎｇ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ Ｉｎｃ．）（ＯＣＬＩ）によって製造されたコール
ドミラー被覆（ＨＲ９８Ｃ）を使用して製造及び試験されている。これは可視ス
ペクトル全体の平均で９８．５％の反射率を有する。この被覆は通常平面鏡で使
用され、（垂直または４５度といった）特定の角度について設計される。入射光
線がその被覆の設計角度から＋／−１５度より大きく外れている場合、反射光線
中に色シフトが生じる。ＬＰＩ中のこのコールドミラー被覆（多層または誘電被
覆）によって、入射角の被覆への依存は重要でなくなる。ＬＰＩの主要な特性の
１つはＬＰＩ中の色の「均質化」であるので、ビームがＬＰＩから出る時間まで
に、様々な色は十分混合され、色の均一性は優秀である。

【００３３】 適切なコールドミラー被覆は赤外線の９０％を透過し、可視光線の少なくとも
９８％を反射する。赤外線と可視光線の両方を有し、ライトパイプ中で２回反射
される光線は赤外線熱の少なくとも９０％を失い、可視光線の損失４％未満で反
射される。

【００３４】 好適には、図２７に示されるように、平面ガラス・コールドミラー・シート１
３０は金属薄板であり、金属薄板ケース１３１を形成している。ケースはＶブロ
ック・ライトパイプであり、ヒートシンクの役目を果たす。これは必要な場合、
ファンによって冷却される。

【００３５】 ビームの熱の９５％程が、コールドミラーを通過して金属外被に入ることで除
去されると考えられる。ＬＰＩ上のコールドミラー被覆のもう１つの利点は、反
射器上の「コールドミラー」被覆を通じて熱を取り出すならば、入射角の非常に
大きな変化の結果、可視光線の損失が生じるということである。もちろん、これ
はＶブロックＬＰＩでもある程度ありうることだが、角度はそれほど不良ではな
い。

【００３６】 金属外被はフィンを伴う金属薄板であり、フィンと共にダイカストされること
もある。ランプが小型の場合、熱は、例えば映写機外被の底部及び上部の穴を通
る対流空気によって除去されることもある。ＬＰＩの金属外被はヒートシンクの
役目を果たし、従来の冷却ファンの騒音、重量及び信頼性のなさを回避する新し
い形態の映写機冷却を可能にする。

【００３７】 金属ＬＰＩ外被は熱電冷却、例えば、固体半導体のＮ及びＰ接合を使用するペ
ルチェ効果を使用して冷却されることがあるが、これについては、引用によって
本明細書の記載に援用する米国特許第５，７２４，８１８号を参照されたい。こ
の固体熱電冷却は、電気的非効率のため電池駆動映写機には適していない。しか
し、これは、プラグ差込式（家庭電源用）映写機と共に使用されることがある。
ペルチェ効果の反対側からの熱は、ヒートシンク、すなわち、フィンを伴う金属
プレート、または対流空気またはファンによって除去される。

【００３８】 好適な中空ＬＰＩ形状は八角形または正方形及び平面（断面）の入口瞳孔を有
し、端部が八角形または正方形（断面）になるテーパー第１区分を伴っている。
この八角形または正方形は、図２６に示されるように、矩形断面（１４ｍｍ×１
４ｍｍ）とさらに大きな出口瞳孔断面（出口区分）を伴う第２区分（中央区分）
に取り付けられ、ＰＢＳまたは画像ゲートの形状に一致する。全体の長さは１０
６ｍｍであり、入口瞳孔の直径は２８ｍｍであり、出口瞳孔は高さ１８ｍｍ、幅
２４ｍｍである。

【００３９】 好適なアークランプ電球とその反射器が図６に示される。反射器（集光光学装
置）７０は鏡面内部仕上げと伴う金属で、その断面形状は楕円形（１２．２７ｍ
ｍ Ｆ（中心）、ｅ＝０．７４６）であり、「傾斜楕円」、例えば単一の楕円を
形成しない２つの楕円区分のことがある。電球７１はプラズマ・アーク電球、例
えば、オスラム（Ｏｓｒａｍ）社のＨＴＩ ４０４Ｗ／ＳＥ型である。光源はキ
セノン・アークランプ、またはハロゲンランプのような白熱光源である。反射器
直径“Ａ”は３．２５０インチ（８２．５５ｃｍ）である。

【００４０】 図７の実施形態は光エンジン５０の構成を示すが、リレーレンズ構成要素は除
去されている。ＬＣＤパネル５１は、ライトパイプとパネルの間の視野レンズ５
３と共に、ライトパイプ５２の出口瞳孔に配置される。視野レンズは、画像ゲー
トの後の位置５３ａに配置されることもあり、また２つの視野レンズが使用され
、１つが位置５３、及びもう１つが位置５３ａに配置されることもある。映写レ
ンズ５６の設計は視野光学装置の選択と一致しなければならない。この構成では
、ライトパイプ出口瞳孔は画像ゲート、すなわちフィルムゲートまたはＬＣＤパ
ネルと一般に同じ寸法である。プラズマ・アークランプ５４と反射器／集光器５
５は図６の種類のものでもよい。このシステムにはまた、従来の映写レンズ５６
とスクリーン５７も含まれる。この構成は、対角線３インチ以下の、小さな画像
開口の場合有効である。リレー光学装置が除去されているため、映写機のパッケ
ージングはさらに密になる（長さが短くなる）。ほぼ光経路の長さだけの短縮が
存在する。

【００４１】 上記で示された説明はＬＣＤパネルに関連するものであるが、本発明はフィル
ム映写システムにも適用可能である。以下の光エンジンがフィルム映写システム
で使用される。すなわち、この光エンジンは（ａ）プラズマ・アークランプ（ま
たはハロゲンランプ）、（ｂ）集光光学装置、（ｃ）ライトパイプ・インテグレ
ータ、（ｄ）リレー光学装置、（ｅ）視野光学装置、（ｆ）スライド映写機フィ
ルムゲートまたは動画映写フィルムゲートまたはオーバヘッド・プロジェクタ・
ステージ、及び（ｇ）映写レンズから構成されている。

【００４２】 ランプからの光を集めそれをライトパイプの入口瞳孔に向ける反射器（凹面鏡
）の形状は好適には２つの楕円区分を有する曲面である。これは、後方端部（閉
じた端部）が第１の離心率と二次焦点Ｆ₁’を有する楕円として形成され、前方
端部（開いた端部）が第２の（異なった）離心率と二次焦点Ｆ₂’を有する楕円
である凹面反射器である。この可変楕円反射器は、画像を形成するために使用さ
れるのではないため、焦点で鮮明な（点または線焦点）を形成しない。その代わ
り、それはテーパー・ライトパイプの入口瞳孔の場所、またはその内部に位置す
る光の曖昧な球を形成する。内部鏡面反射表面の断面は、２つか、またはそれ以
上の曲率の母線を有し（好適には楕円）、断面が円形（光の円錐の光軸に垂直）
である非球状連続曲面である。

【００４３】 通常の（先行技術の）集光光学装置は、ランプからの光を収集してそれをライ
トパイプの入口に向ける楕円錐区分である。図９はその種の集光器を示し、いく
つかの重要な角度を定義する。角度ｉ（Ｉ）は集光角（ランプが中心から見て一
次焦点Ｆにある時、光が収集され方向付けられる角度）であり、角度ｉ（Ｅ）は
収束角（反射器上の光ビームの光軸に対する反射の角度）であり、Ｆ’及びＦ’ ₁ は、同じ一次焦点Ｆを使用するが離心率が異なった集光光学装置の２つの楕円
区分の二次焦点である。

【００４４】 楕円集光器のパラメータ研究が行われ、ＬＰＩに関連するその機能について多
数の洞察が確立された。アーク光源からの光の有効な収集のためには、集光角ｉ
（Ｉ）が３５〜１３５度の間にわたることが必要である。この角度の幅は各適用
業務について機械的またはほかの方法で達成できないこともあり、分析によれば
４０〜１２０度の幅がより穏当な集光角であると考えられるが、条件が許す場合
には、３５〜１３５度の集光角を実現すべきである。ｅ＝０．６０〜ｅ＝０．９
０の楕円の離心率が調査される。実際的な適用業務の大部分はｅ＝０．６０〜ｅ
＝０．７５の範囲内にある。これは、特殊な状況がこの範囲外の離心率の使用を
示さないという意味ではない。

【００４５】 集光角を１２０度に制限して、様々な集光角での倍率対離心率（図１０）と、
様々な集光角での収束角対離心率（図１１）のパラメータ・グラフが作成される
。様々な離心率での収束角対集光角のグラフが図１２に示される。以下の結論が
導き出される。

【００４６】 １．対象集光角（１２０度）での集光器最大収束角は、楕円の離心率のみに依
存する。これはＬＰＩが見る最大収束角である。 ２．焦点の倍率も、様々な集光角で、主として楕円の離心率に依存する。 ３．楕円の焦点距離が小さくなるほど収束角は大きくなるので、集光光学装置
をＬＰＩに一致させる時最適な決定がなされる。小さい収束角では小さいスポッ
トが望ましい。図１３は、倍率の関数として、収束円錐ｆ＃（焦点番号）のグラ
フを示す。 ４．楕円反射器の後方端部（閉じた端部）から出る光は最小収束角と最大倍率
を有する。反射器の前方端部（開いた縁端）から出る光は最大収束角と最小倍率
を有する。 ５．アークランプから出る光は３５〜１３５度の集光角の幅の中でかなり均一
に分布している。

【００４７】 一定断面中空ＬＰＩが、例示のみの目的で図１４Ａに示される。光のビームは
ａ（アルファ）とｂ（ベータ）の入射角を含み、楕円集光光学装置からの入力を
表している。小さい方の角度ｂはライトパイプ壁の中で最初の反射を獲得し、大
きい方の角度ａより下に向かう。大きい方の角度ａはＬＰＩの下流に移動するに
つれてさらに大きな反射を有する。多数の寸法のＬＰＩ開口ｄについて、様々な
収束角ａ（アルファ）の入射光線の第１反射がＬＰＩの下流に向かう距離が図１
５に示されるグラフでパラメータ的に示される。第１反射の後の次の反射は、Ｌ
ＰＩの下流で２×（入口瞳孔から第１反射までの距離の２倍）毎に発生する。図
１６でΘ（シータ）は収束角である。角度ａ（アルファ）は小さい収束角を示し
、角度ｂ（ベータ）は反射器からの最大収束角である。×はＬＰＩ中の当初の主
光線の第１反射距離であり、２×はその第２反射に対する距離であり、ｔａｎ
ａ＝ｄ／２／×かつ×＝ｄ／２ｔａｎΘである。

【００４８】 テーパーＬＰＩが図１６に示されるが、ここでは幅広い部分がフィルムゲート
の方向に置かれている。入口瞳孔（小さい方の端部）に入る主光線は小さい方の
角度で出口瞳孔（大きい方の端部）を出る。入射光線の角度（例えば、ａまたは
ｂ）は、ＬＰＩの壁から反射する都度Θ（シータ）だけ変化する。テーパー・ラ
イトパイプが使用されて入射ビームのｆ＃を大きいｆ＃に変化させるので、ライ
トパイプ出口での角度ポピュレーション最大値が減少する。これはテーパーＬＰ
Ｉの重要な利点である。図１７は、テーパー・ライトパイプの円形入口瞳孔と矩
形出口瞳孔の対角線の比を、入口及び出口瞳孔でのｆ＃の比に関連付けるグラフ
である。図１８は、円形入口瞳孔と矩形出口瞳孔に基づく、１６ｍｍの入口瞳孔
対角線に対するライトパイプ対角線対出口瞳孔円錐角のパラメータ・グラフであ
る。

【００４９】 以下の結論がこの研究から適用される。 １．楕円集光光学装置からの入り光円錐は約６〜４５度の収束角範囲にわたり
、多様なスポットサイズを有する。好適には、ＬＰＩ光学装置は、図２６に示さ
れる二重テーパー区分を使用する。入口区分テーパーのため、大きい方の入口瞳
孔によって、ＬＰＩは、（大きい方の角度での）小さい方のスポットに有害な影
響を与えることなく、（小さい方の角度で）大きい方のスポットを集めることが
できる。

【００５０】 ２．ＬＰＩは、最小及び最大両方の入射角について、ライトパイプ内部の多数
の反射によって、ライトパイプの出口瞳孔で、色と光分布について入り光ビーム
を統合する。

【００５１】 ３．ＬＰＩは、出力ＬＰＩ断面（出口瞳孔）が、照射される開口（画像ゲート
）と同じ形状と縦横比になるようにビームを整形する。ＬＰＩの入口瞳孔は、円
形断面入りビーム、すなわち円錐ビームに適合される。

【００５２】 ＬＰＩは入りビームと出ビームの間の角度ポピュレーションの円錐角のｆ＃を
変更する。「角度ポピュレーション」は、角度増分毎の合計ビームの割合であり
、６度未満の角度の光が８０％ならば、それは低い角度ポピュレーションを有す
る。ＬＣＤパネルの角度ポピュレーション許容角度はかなり制限されている（１
０度以下）のでこれは重要である。テーパ−形状によって入り角度ポピュレーシ
ョンの最大角度は減少し、低い角度ポピュレーション（少なくとも８０％が１０
度以下である）を有する出光ビームを生じる。

【００５３】 ＬＰＩによる光エンジンの目的は、ＬＣＤパネルが適切な角度ポピュレーショ
ンで配置される画像ゲート（開いた開口）を通じてアークランプから収集される
光の可能最大量を提供することである。角度ポピュレーションは±１５度以内に
制限されるべきであり、好適には±１０度以内、最も好適には±６度以内である
。

【００５４】 楕円の集光光学要素に関して、小さいスポットか小さい収束角かという選択が
存在するが、それらは両立しない。ｅ＝０．６５とｅ＝０．７５の間の離心率範
囲の楕円が３ｍｍ長（アークギャップが３ｍｍ）の光源と共に選択される。この
範囲の離心率は小さいスポットと比較的大きな収束円錐角を提供する。上端離心
率（ｅ＝．７５）は、許容可能な倍率（アークギャップ３ｍｍ）によって規定さ
れる。例えば、集光角ｉ（Ｉ）が４０度の時、ｅ＝０．７５での倍率は約６倍で
ある。３ｍｍのアークギャップは１８ｍｍのスポットに画像化される。ｅ＝０．
６０では、１１ｍｍのスポットに画像化される。収束の最大角はｅ＝０．７５の
場合２８度で、ｅ＝０．６５の場合４１度である。最大収束角は、許容可能なラ
イトパイプ内の反射数（角度が鋭角になるほど反射数は多くなる）によって規定
され、ライトパイプ媒体の媒体の臨界角によって制限が課される。

【００５５】 テーパーＬＰＩ及び他のＬＰＩに関連する問題の１つは、ＬＰＩに入る角度が
小さいと、一度も反射されず混合されずに通過することがあるということである
。これは画面上の色の均一性と光の分布に有害な影響を与える。この理由から、
ＬＰＩの性能を最適化するために、上記で記載されたＬＰＩ機能を最適化するＬ
ＰＩ設定の１つの概略が図５に示される。これは中空ＬＰＩである。中央区分は
狭く、円形形状の一定の断面積を有する。第１区分は入り円錐の混合区分である
。ＬＰＩの入口瞳孔は円錐、または準円錐形の開いた入口を有する。このアプロ
ーチは屈折率の影響を回避するが、屈折率は入射の際角度を垂直に近づけ、反射
間の距離を大きくして長いＬＰＩを要求する傾向がある。円形と矩形のライトパ
イプ区分（出口区分）の境界面では、多数の遷移形状が可能である。製造が容易
な好適な形状は、混合セクションの円形ライトパイプの端部が、ライトパイプと
同じ直径を有する適切な縦横比の矩形となることを要求する。次にこれは、出口
角度ポピュレーションの最大円錐の縮小を目的とするライトパイプのテーパー区
分の小さい端部に嵌合する。ライトパイプ混合区分は、入射ビームの収束角が最
小であっても内部で少なくとも１つの反射を得られるよう十分に長く、かつ十分
に小さな断面積を有する。

【００５６】 ＬＰＩの混合区分、またはこの場合、テーパー区分だけからなるＬＰＩのもう
１つの好適な遷移形状は、円形でなく八角形のＬＰＩ入口断面から始まるもので
ある。八角形断面は、図２０に示されるように、矩形ＬＰＩ出口断面と円滑に遷
移することができる。この遷移ジオメトリは、画面上の光分布について良好なコ
ーナーのカバレージを開発するのに最も適している。

【００５７】 ＬＰＩ／集光光学装置の組み合わせに関する基本的なトレードオフが図１３及
び図１７に示される。図１３は、楕円集光光学装置の収束角（ｆ＃によって記載
されている）、倍率及び離心率ｅの間の関係を詳細に示している。低い離心率で
は低い倍率と大きい収束角が得られる。高い離心率では高い倍率と小さい収束角
が得られる。このグラフは（楕円の縁端に由来する）最大収束角と、（４０度の
最小集光角に由来する）最大倍率を示している。図１７は、ＬＰＩの入口円形開
口の対角線と出口対角線の比が入り及び出角度ポピュレーションのｆ＃の変化に
どう関連するかを示している。ＬＰＩ出口面積は小さいＬＣＤパネル（または他
の開いた開口）に対して約３”までのパネル対角線の寸法に制限されているので
、パネルに入射する際、入口対角線が小さいほど円錐角度ポピュレーションは良
好になる（すなわち、円錐角が小さくなる）。

【００５８】 表１（図２５）は、最適化のための一次アプローチを説明している。１．３”
、２．０”及び３．０”（４：３縦横比）の３つの通常のＬＣＤパネルが選択さ
れた。次にアークギャップ寸法が選択される。現在製造されている一般的なハロ
ゲン化金属ランプはオスラムＶＩＰ Ｒ ２７０であり、その電力範囲で利用可
能な最小アークギャップ（１．６ｍｍ）を有する。この最適化で使用されるもう
１つのランプはオスラムＭＨランプ４０４Ｗ／ＤＥであるが、これは４００ワッ
トで３００００ルーメン、アークギャップは３．０ｍｍである。

【００５９】 小さいギャップのランプについて、第１反復として０．７５の離心率が選択さ
れる。表１に記載された結果が示すところによれば、ＬＰＩの入口のスポットサ
イズは１０ｍｍの対角線を有する。最終結果が示すところによれば、アークラン
プのこの選択は２．０”パネルに良好に適合し、３．０”パネルとは容易に適合
させることができ、１．３”パネルとはやや不適合である。円錐角度ポピュレー
ションは楕円から２８度の最大値を有するが、パネルで３．５のｆ＃を生じる許
容可能な円錐は２０．３度である。３．０ｍｍギャップの場合、小さい方の離心
率が使用され、ＬＰＩへの入射スポットの倍率を低減する。３．０”パネルはこ
の離心率とアークギャップに良好に適合する。他の２つのパネルは、さらに高い
円錐角に属するかなりの量の光を拒否する。

【００６０】 円錐角度ポピュレーションに良好に適合するものがない状況では、良好なトレ
ードオフは、ＬＰＩへの入射対角線を小さくする、すなわち３．０ｍｍアークラ
ンプに対して１０ｍｍ入口瞳孔（開口）だけを開くことによって入射光の一部を
失うことである。このアプローチは当初スポットの一部を拒否することがある。
しかし、全ての光の約７５％は対角線の５０％以内に集中しているので、外側縁
端を切り捨てることは、収束円錐角の一部を切り捨てるほど悪いことではない。
収束円錐内では、光全体のほぼ１０％が各１０度の集光ゾーン内にある。

【００６１】 好適には、入口テーパー区分と出口テーパー区分を有する中空「Ｖブロック」
（Ｖ−８ ＩＮＴＥＧＲＡＴＯＲ−トーチ・テクノロジーズ社（Ｔｏｒｃｈ Ｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＬＬＣ）の商標）が使用されるが、これは図２６を参
照されたい。この装置は生成スポットサイズとその円錐角度ポピュレーションの
両方に適応することができる。入口テーパー区分（入口瞳孔）は、入射ビームか
らの全ての光を集光する。図２６の実施形態は好適には、可変楕円離心率と２つ
か、またはそれ以上の焦点を有する“ＶＡＲＥＸ”（ＴＭ）反射器と共に使用さ
れる。

【００６２】 光源と画像開口の間の最適化に課される制限の１つは、単一の離心率によって
定義される楕円集光器によるものである。これは、一度離心率を選択すると、そ
のスポットについて特定の値の最大収束円錐角と最大倍率が決定されるため、厳
しい制限である。本発明は可変離心率を有する楕円集光器の設計を提供する。４
０度の集光角付近で集光された逆光線の離心率を小さい離心率に保ち、倍率を低
減することが望ましい。また、低い離心率で楕円の縁端を１２０度またはそれ以
上の集光角に保ち、収束円錐角度ポピュレーションを低減することも望ましい。
後方端部が前方端部より低い離心率で始まる楕円曲線が好適である。図２１は、
全ての集光角について倍率が等しくなるという要求から導出された可変離心率を
伴う曲線を示す。可変ゾーンは光軸に沿って異なった点に焦点を合わせる。例え
ば、各離心率の焦点間距離が異なっている。明らかに、様々な集光角に沿った離
心率のこのように大きな変化は現実的でない。

【００６３】 図２２は、可変的偏心率曲線の実用例を示す。この場合、偏心率の広がりは０
．０５に制限されている。異なる楕円曲線は、中心焦点から±２mm以内に異なる
焦点距離をもつ。２本のビームは光学軸上の異なる点で集束するとしても、ＬＰ
Ｉはなおも、コレクタにより投射される全ての光を収集することができる。楕円
コレクタよって収集された光は、単一の焦点内で集束される必要はない。

【００６４】 可変的偏心率の設計においては、ＬＰＩは、入射光円錐からの追加の収集能力
に対応するべくラッパ状の入口を有することができる（図２２）。小さなパネル
については、リレー光学部品は必要でなく、光学発動機の形態は図７に示される
ようなものであってよい。対角線上で約３.０”より幅の広いパネルについては
、ライトエンジン設計は図１及び２の設計に追従することになる。

【００６５】 図２６は、ＬＰＩの最も好ましい実施形態を示す。入射区分１００は入射瞳１
０１で始まる。入射瞳は平坦（光学軸１０２に対して垂直な横断面）であり、丸
形又は八角形でありうる。このＬＰＩは中空で、シートメタルミラーで作られて
いる。入射区分はテーパーのついた形状をもち、大きい方の部分が光源（図２６
中の左側）に向いている。プロトタイプにおいては、入射瞳の横断面は正方形で
あるが、八角形の横断面の入射瞳が好ましい。入射瞳の面積（横断面）は、中央
区分１０３の最小面積の横断面（軸１０２に対し垂直）に対して、１：１.５〜
１：５，最も好ましくは１：２〜１：４の範囲内にある。射出区分１０４は同様
にテーパーがついており、射出瞳１０５は平坦で矩形（横断面）をしている。中
央区分１０３は、射出区分１０４と一体化されている。図２６の実施形態におい
ては、入射瞳の断面形状は平坦かつ正方形（２８mm×２８mm）であるか好ましく
は八角形であり、八角形である場合には、入射区分は、中央区分に連結されてい
る正方形の平面へと遷移する。入射区分は長さが２１mmである。

【００６６】 この実施形態は２つの部品で作られている。その連結部分で、これらの両方共
正方形（１４mm×１４mm）である。第２のテーパー（中央区分及び射出区分）は
長さが８５mmであり、画像ゲートのアスペクトレシオと整合するよう正方形の横
断面（１４mm×１４mm）から矩形（２４mm×１８mm〜３０mm対角線）へと移行す
る。その合計長は１０６mmである。

【００６７】 反射かさ−コレクタ１０６は、前述した２重楕円タイプ（「ＶＡＲＥＸ」反射
がさ）のものであり、ここでランプの一次焦点Ｆ₁及びＦ₂は二次焦点Ｆ₁’及び
Ｆ₂’に導かれ、Ｅ₁及びＥ₂は、Ｅ₁という偏心率よりも大きいＥ₂という偏心率
すなわちＥ₁＝０.７１０及びＥ₂＝０.７３０の楕円曲線であり、反射がさの半径
は、ＯＳＲＡＭ４０４ランプを用いて９.０〜５２.３mmまで移行する。ＶＡＲＥ
Ｘ反射がさが図２６の実施形態（「Ｖ−ＢＬＯＣＫ」）で使用される場合、６°
を超える全ての光線は少なくとも１回の反射を有することになる。標準的には、
最低の角度は６〜８°である。必要な場合、２つのテーパーの間の追加の直線的
正方形混合区分（中央区分）を、付加的な混合のために使用することができる。

【００６８】 光学軸上にランプが置かれた状態でコレクタ光学部品が位置づけされる。かか
る光学要素は、好ましくは複合楕円表面（すなわち、可変的偏心率及び焦点から
成るもの）である。代替的には、各ファセットが局所的光線を適切な方向でＬＰ
Ｉ要素に向かって誘導しているファセット反射がさ又は複合設計とファセット設
計の組合せを使用することもできる。かかる設計は、コンピュータプログラムに
よって生成でき、自動車のヘッドライトが作られるのと類似したガラス成形技術
によって製造可能である。

【００６９】 図２３では、ＬＰＩ（ライトパイプ）は中空であり、入射区分７１をもち、直
角プリズム７６，７７で２回の各々９０°ずつの方向転換を行なう。入射区分７
１は、平坦な八角形の入射瞳（横断面）をもち、区分７１は、光学軸に対して垂
直なその横断面が漸進的に八角形から矩形まで変化する。ライトパイプ全体７１
ａは１８０°の方向転換を行なう。反射がさ７２は、ＬＣＤパネル７５に近いＬ
ＰＩ７４の矩形面７３から反対方向に向けられている。一部のケースでは、方向
転換したライトパイプを使用することにより、さらに短かくよりコンパクトなプ
ロジェクタが可能となる。

【００７０】 図２４の実施形態においては、１つの電球が作動しなくなった場合に代替用電
球をオンに切換えるような２重電球システム９０が示されている。回路３１は、
オン切換えされた時点でまず最初に第１の電球８２に対し電力を適用することに
なる。それが点灯しない場合には、電力が引き出されないことから、回路８１に
より数ミリセカンド以内でその暗条件が検知される。このとき回路は、電力を第
２の電球８３に適用する。第１の電球が交換された時点で、回路は再び第１の電
球に電力を加えることになる。この実施形態では、ＬＰＩ（ライトパイプ）は中
空であり、各々好ましくは（その方向転換した中心軸に対して垂直な）その入射
瞳横断面で丸いか又は八角形である。ＬＰＩの中央区分９１は（光学軸に対し垂
直な横断面で）矩形である。分岐８４又は８５から区分９１内に光を反射するた
めに、直角プリズム９２が用いられる。さらに、その分岐にある電球が照明され
ていないときの光の損失を防ぐため、各分岐８４，８５には、光弁（図示せず）
が具備されていてよい。ライトパイプ８９の矩形面８８はフィルムゲート９０の
近くにある。この実施形態は、電球の交換が必要となる頻度が少ないことから、
映画プロジェクタにおいて有用であり得る。

【００７１】 本発明の図３０では、ライトパイプインテグレータ３（ＬＰＩ）が偏光ビーム
スプリッタ５Ａ（ＰＢＳ）を内蔵している状態で「ライトエンジン」が示されて
いる。それは、画像ゲートにおける偏光された光強度を倍加することから「偏光
子ダブラー」ＰＤである。ランプ１Ａ（光源）からの光は、コレクタ光学部品２
Ａ（反射がさ）によって収集され、ＬＰＩ３Ａの入射瞳２３Ａ上に集中させられ
る。ＬＰＩ３Ａは、光ビームをその入射瞳２３Ａからその射出瞳２６Ａまで多数
の反射を介して伝送する。ＬＰＩ射出瞳及びＰＤを退出した光は、例えばＬＣＤ
プレートＡといったように画像ゲート上にＬＰＩの射出瞳の画像を形成するリレ
ー光学部品４によって収集される。ＬＰＩ射出瞳は矩形であり、アスペクト断面
において、矩形ＬＣＤプレートのアスペクト幅Ｗの半分である。図３０では、Ｗ
はこの幅を表わしており、例えばこの図は、ＬＣＤプレート７Ａの側面を示して
いる。

【００７２】 好ましくは、ＰＤと共に使用される場合、ＬＰＩのＬＣＤパネルに最も近いラ
イトパイプ区分は、射出瞳がライトパイプの中央区分より少なくとも２０％大き
く（面積）、ライトパイプがその射出瞳に向かって、すなわちＬＣＤプレートに
向かってさらに大きくなる（その光学軸に対し垂直な横断面で）ような形で、テ
ーパーがかかっている。このテーパーのついた形状により、ＬＣＰプレートにお
いて漏洩に起因する光の浪費なく効率の良い光の透過が可能となる。好ましくは
、入射瞳面積対射出瞳面積の比は１：１.５〜１：５の範囲内にあり、最も好ま
しくは１：２〜１：４の範囲内にある。好ましくは、射出瞳の横断面面積は、中
央区分の横断面面積よりも少なくとも２０％大きい。

【００７３】 図３３は、図２のＬＰＩ３Ａの射出瞳を退出する際のビームの横断面を示す。
図３２は、視野レンズ６Ａ内に入る際の横断面ビームを示す。視野レンズ６Ａは
、ビームを矩形ＬＣＤプレート７Ａ上に導き、プレート７Ａを通して投映レンズ
８Ａに渡される。ビームの幅は、それがＰＤ５Ａ内を通る際に倍加される。図３
０のＰＤ５Ａは、中実ＰＢＳ立方体５Ａ及び鏡９Ａを含む半波長リターダ及び鏡
アセンブリである。ビームの両方の半分は、（入射平面に対して垂直な）S偏光
に変換される。

【００７４】 図３０に示されているように、誘導され画像ゲート上に撮像された光ビームの
中心には小さなギャップが存在する。このギャップは、回転を用いて小さな角度
「ａ」にわたりＰＢＳ立方体５Ａをわずかに傾動させることによって及び／又は
角度「ｂ」の回転を通してＰＢＳ立方体に取付けられた鏡９Ａを独立して傾動さ
せることにより、除去することができる。ＰＢＳ立法体５Ａの回転は、ランプ、
コレクタ、ＬＰＩ、リレー光学部品及びＰＢＳの間の心合せが維持されているよ
うな形で、その軸に沿った全ての光学部品を同時に回転させながら行なわれなく
てはならない。画像ゲート上に形成されたＬＰＩ射出瞳の画像は、ＰＢＳ半波長
板、鏡アセンブリにより生成された２つの半分で構成されている。これら２つの
半分は、望ましい任意の重ね合せ量を有するように調整可能である。重ね合せが
明るすぎる場合には、それは、重ね合せと視野レンズ６Ａの間に中性フィルタの
ストリップを用いて拡散できる。

【００７５】 ＰＢＳの１つのタイプの機能要領は、図３１に詳細に示されている。ＰＢＳ立
方体５Ａに入る光３０Ａは、無作為に偏光されている（偏光されていない）。反
射されたビーム３１Ａは、Ｓ偏光をもち、透過されたビーム３２ＡはＰ偏光をも
つ。立方体５Ａは、その面の全てが正方形であるという意味では真の「立方体」
ではない。その入力面３６Ａ及びその出力面３７Ａ及び３８Ａは、Ｗ及びＨがＬ
ＣＤパネルのアスペクト幅及び高さであるものとして１/２Ｗ：Ｈのアスペクト
レシオを有する。例えば、面３６Ａ，３７Ａ及び３８Ａは、２：３というアスペ
クトレシオ及び１２mm幅及び１８mm高さの寸法をもつ。

【００７６】 入射ビーム３０Ａは、立方体５Ａの入力面３６Ａに対し適切な角度を成してい
るコーティング３５Ａによって反射される。コーティング３５Ａは、出射ビーム
３１Ａを形成するようにビーム３０ＡのＳ成分を反射し、ビーム３０ＡのＰ成分
を透過する。コーティング３５Ａは、ＴｉＯ₂及びＭｇＯといったような高屈折
材料及びＳｉＯ₂及びＭｇＦ₂といった低屈折材料の交互のコーティングを直角プ
リズムの面上で積層化させ、次にこれをもう１つの直角プリズムに接着して立方
体５Ａを形成することによって形成された多層コーティングであってよい。例え
ば、立法体５Ａは、ＭｇＦ６３２.８ｎｍの半波長コーティング３５Ａを伴うＢ
Ｋ−７ガラスでできていてよい。代替的には、コーティング３５Ａは、複屈折接
着層、例えば液晶ジアクリレート接着剤及び研摩されたポリアミド配向層（厚み
５０mm）であってよい。米国特許第２,５７８,６８０号の図１１に関連して適切
な立方体５Ａ（立方体偏光子）が記述され、米国特許第５,５７０,２０９号の図
２には、代替的なＰＢＳ立方体が記述されており、これらの特許は両方共参考と
して内含されている。

【００７７】 この場合、Ｐ偏光された透過光３２Ａは、半波長リターダプレート３３Ａ（偏
光子回転子）内に通され、反射されたＳ偏光成分の偏光軸と整列させるべく９０
°回転させられる。リターダプレート３３Ａを通って透過されるビーム３４Ａは
、Ｓ偏光を有する。半波長リターダプレート３３Ａは、立方体５Ａの面３７Ａ上
にコーティングされた又は接着された層、例えば面３７Ａ上の複屈折接着層であ
ってよい。例えば、半波長リターダプレート３３Ａは、ポリビニルアルコール、
ポリカーボネート又はポリスチレンの立方体の面上の適切なフィルムであってよ
い。原則として、Ｓ偏光されたビームを回転させ、２つのＰ偏光ビームで終わる
よう選択することができる。

【００７８】 立方体５Ａの代りに、Glan-Thompsonプリズムの修正であるＰＢＳプリズムの
特殊な設計を利用することができる。これは、２つのガラスプリズムの間の複屈
折接着剤層又は液晶層といったような複屈折材料の薄いスラブのみを使用し、上
述のDe Vaanの論文（１９９５）及び米国特許第５,６０１,３５１号に開示され
ている。このプリズムは、全内部反射により作動し、従って、全ての可視波長に
適し、広い角度受容度を有する。ＰＢＳの幾何形状はＬＣＤ投映のために最適化
される。このＰＢＳプリズムの機能は、本特許出願内で開示されている先ドング
リ型コレクタ／ＬＰＩシステムと合わせて使用したとき著しく改善される。この
改善は、まず第一に、２つの類似の偏光を受けたビームが再結合する本発明の態
様に関係している。De Vaan の論文のシステムにあるような２つの円形ビームで
はなくむしろ２つの矩形ビームを再結合する方がさらに効率が良い。

【００７９】 一般にＬＣＤパネル（図３０）は、４：３（幅対高さ）のアスペクトレシオを
有する。その結果、図３０のＰＢＳ立方体５Ａ及びその鏡からのビームは４：３
という同じアスペクトレシオを有し、図３２に示されているように矩形となる。
ＬＰＩ３Ａはその射出瞳２６において、２：３のアスペクトレシオの半分である
横断面を有する；しかしながら、これは、並列したビーム間のギャップを防ぐた
め、わずかに幅が大きいものであってよい。高画質大型カラーＬＣＤパネルは、
対角６.４インチ（２２.７cm）である。これは、４：３のアスペクトレシオをも
ち、従ってその寸法は、幅５.１２”，高さ３.８４”である。ＬＰＩの射出瞳は
、幅０.８４”，高さ１.２６”となる。ＬＰＩの射出瞳はこのときリレー光学部
品を通して拡大される。

【００８０】 図３５の実施形態においては、ＬＰＩ５０は、中実（透明ガラス又はプラスチ
ック）であり、立方体５Ａの半分と一体化されている。それは、面３６のコーテ
ィングで被覆された４５°の面５１Ａ及びそれに接着された４５°のプリズム５
２Ａで終結している。これは低コストシステムであるが、中空管ＬＰＩに比べ効
率は低い。ＬＣＤパネルは、能動マトリクスシステム、時分割マトリクスシステ
ム、単色パネル、３色又は４色パネル又は、Ｓ又はＰ偏光のいずれかを受けた光
を用いるその他のタイプのＬＣＤパネルであり得る。

【００８１】 図３０，３１及び３５の偏光子ダブラー実施形態に付随する問題はライトパイ
プからの退出後、光の２つの光路が等しくないということにある。例えばＳとい
う１つの光路は、それが図３０の立方体５Ａを通って直接進むため、比較的短か
くなる。もう１つの光路Ｐは、鏡９Ａから反射されることからより長いものであ
る。このことは、長い方の光路Ｐをもつビームが短かい方の光路をもつビームよ
りも幅が広くなるために、不利な効果をもたらす。ライトパイプ出口の２つの半
分の画像は、等しくなくなり、その結果、標的部域９Ａ（ＬＣＤプレート）内に
適切にはまり込まないことになる。

【００８２】 光路長は、米国特許第５,６０１,３５１号のプリズムにおいて等しいが、ガラ
ス又はプラスチックプリズムを通た光の通過に起因する光の損失が存在すること
になる。

【００８３】 ２つのビームの光路長を互いに等しくするために、一定数の代替的光学系が図
３６−４１に示されている。これらのＰＤ実施形態は、図３０のライトパイプ実
施形態又はその他のライトパイプ実施形態と合わせて使用することができる。

【００８４】 図３６のＰＤ実施形態においては、Ｓビームの光路長は、それを複数の鏡５０
Ａ，５１Ａから反射させることによって、さらに長くされている。Ｐビームは、
ＰＢＳ立方体５４ＡによってＳに変換され（変換されたビームは「ＣＰ」とラベ
ル付けされる）、２つの鏡５２Ａ，５３Ａから反射される。ＣＰのための鏡５２
Ａは、光路Ｓのため鏡５０ＡよりもＰＢＳ立方体５４Ａに近く、ＣＰ及びＳ光路
をそれらの全長にわたり等しくしている。この実施形態では、図３１に示されて
いるタイプの第１のリレーレンズ５５Ａ，第２のリレーレンズ５６Ａ，ライトパ
イプ５７Ａ，ＬＣＤプレート５８Ａ及びＰＢＳ立方体５４Ａが用いられている。
残念なことに、鏡は、光学系のサイズ、コスト及び複雑性を増大させる可能性が
ある。さらに、図３６で、ビームＣＰ及びＳは両方共長い光路を有し、こうして
、両方の光路内の光がレンズ口径の境界を超えて拡張させられ、より幅の広いレ
ンズが必要となる可能性がある。

【００８５】 図３７及び３８の実施形態では、鏡は、空気中に保持され、ガラス立方体又は
プリズムの表面ではない。鏡６３Ａは、コーティング３５Ａのようなコーティン
グであるが、これはＰビーム通しＳビームを反射し、鏡６４Ａは、半波長リター
ダプレートを６５Ａを通してＳビームを反射する。

【００８６】 図３７の実施形態においては、Ｐ光路６１Ａ及びＳ光路６２Ａは、ＬＣＤプレ
ート６０Ａの前にＰの焦点を、又ＬＣＤプレート６０Ａの後にＳの焦点を置くこ
とにより互いに長さを等しくされている。

【００８７】 図３８の実施形態においては、正のレンズ７０Ａ（凸−凸）がＳ光路６８Ａ内
に置かれている。図３９では、負のレンズ（凹−凹）がＰ光路６６Ａ内に置かれ
ている。レンズ６６Ａ，６７Ａは、Ｐ及びＳビームについて等しい光路長と同じ
有効な光学的効果を提供する焦点効果を提供する。

【００８８】 もう１つの実施形態（図示せず）においては、Ｓ光路内の角度は、Ｓビームの
横断面を円形でなくするつまり楕円にすることによって分離を減少させるべくシ
フトされている。これは、Ｓ光路内で鏡を傾動させることによって達成できる。

【００８９】 図４０の実施形態においては、Ｐ光路７５Ａは、ガラス内を通過させることに
よって短縮される。Ｓ光路は、ガラスプリズム７７Ａの頂部角度付き表面上で、
コーティング７６Ａから反射される。Ｐ光路は、ガラスプリズム７８Ａの中を通
過し、空中に保持された鏡７８Ａによって反射される。ガラスユニット内の光路
は、ｌ×Ｍ≒ｌ×１.５であり、これは、空気中よりも０.５多く、例えば、ガラ
スを通る光路は、空気中を通るより長い測定光路と同じ有効長を有する。Ｐ及び
Ｓの光路長Ｚは、等しくなくてはならない。 すなわちＺｐ＝Ｚｓである。０.
５−２ｕ（単位）、ｌ＝２／０.５ｕ＝Ｌ/ｕである場合、光路長Ｚｐ内のガラス
の量（ガラス幅）は約４cmとなる。コーティング７６Ａ（Ｓを反射する）及び鏡
７８Ａ（Ｐを反射する）は、ビームＳ及びＰに対し４５°の角度を成し、半波長
板６５Ａは、ＰビームをＳビームに変換するため、鏡７８Ａの前にある。

【００９０】 図４１の実施形態は、もう１つの偏光子ダブラーである。これには、空気中に
４枚のガラスシートを保持する金属ハウジングが内含されている。このハウジン
グは、長さ約９.７cm（後ろから前へ）、幅（Ｗ）６cm，高さ（Ｈ）４.５であり
、ＰＢＳはPhilips から販売されている。これは、ハウジングの出射面８６Ａで
退出する２つのＰビームへと、ライトパイプからの入射未偏光ビーム８１Ａを分
割する。２つのＰビームの光路長は、実際上等しい。図４１に示されているよう
に、１/２Ｗ：Ｈのアスペクトレシオをもつ無作為に偏光された光のビーム８１
Ａが入射ビームである。

【００９１】 Ｐ成分を通す鏡８２Ａ及び８３Ａからビーム８１が反射された場合のＳ成分。
このＳ成分は、鏡８４Ａから反射されて、金属クリップで保持されている半波長
板８５Ａ内を通過する。Ｐ及びＳ成分は、共にＰ偏光をもつ平行な（上下）バン
ドとしてホルダー面８６Ａを退出する。鏡８２Ａ，８３Ａ及び８４Ａは、互いに
平行であり、これらは、出射面８６Ａとの関係において角度がついている。鏡８
２Ａ及び８３Ａは、それらがＰ成分を透過しＳ成分を反射するという点を除いて
、コーティング３５Ａ（図３１）と類似している。面板８６Ａ（図３１）は、Ｓ
成分９０°を回転させそれをＰ成分へと変換する偏光回転子（半波長リターダプ
レート）である。

【００９２】 図４１のＰＤが使用される場合には、ライトパイプの射出瞳は、サイズ（リレ
ーレンズ無しで）及び形状（リレーレンズを伴うか又は伴わずに）の面でその入
口面と整合していなければならない。画像ゲートすなわち４：３の幅：高さ比を
もつＬＣＤのアスペクトレシオの場合、ＰＤ入力面（１/２Ｗ）及びライトパイ
プ 射出瞳は２：３の比をもつことになる。例えば、ライトパイプは、平坦で正
方形（２８mm×２８mm）である入射瞳及び、平坦で矩形（２４mm×１８mm）であ
る射出瞳及び、平坦な矩形（２４mm×１８mm）である射出瞳を有することになる
。

【００９３】 ライトパイプ内の偏光子ダブラーの位置は、ライトパイプがその反射により単
一偏光された光を混合しそれを偏光されていない状態になるようにすることが予
想されるため、新規なものである。しかしながら、発明人の実験及びコンピュー
タ解析では、ライトパイプ内部でＰＤから退出する偏光された光の大部分が、Ｐ
Ｄの出力面とＬＰＩの射出瞳の間のその反射にも関わらず偏光された状態にとど
まる、ということが示されている。

【００９４】 図４４及び４５のＰＤ実施形態においては、ＰＢＳ（偏光フィルタ）は、互い
に９０°の角度を成すくさびを形成しＰを通しＳを反射する２枚のプレート１２
０，１２１を含んで成る。翼を形成する２枚の鏡１２４，１２５はプレート１２
０，１２１に平行であり、それぞれ、半波長リターダプレート１２２，１２３（
偏光子回転子）を通して（プレート１２０，１２１から反射された）Ｓを反射す
る。代替的には（図示していないが）、２枚のプレート１２０，１２１に代って
、４枚のプレートに対し平行な４枚の鏡を伴いかつ角錐のまわりのフレーム（正
面図）として形成された４枚のリターダプレートを伴う、４面角錐として形成さ
れた４枚のこのようなプレートを用いることができる。

【００９５】 このタイプのＰＤは、図４４に示されているようにＬＰＩの射出瞳に又は図４
５に示されているようにＬＰＩ内に位置づけすることができる。角度α及びβは
、変動させてもよいし、縁部及び翼でカバーされる面積も変動させることができ
る。翼の面積は、翼内の単位面積あたりの光を増大させ分布を助けるため削減し
てもよい。

【００９６】 さまざまなサイズのＬＣＤパネル及び市販のさまざまな電球（ランプ）に伴っ
て幾何学的広がり（ＧＥ）を増大させた偏光子ダブラー（ＰＤ）の有用性につい
て、研究が行なわれた。一般に、入手可能な電球は１mmという最小アークギャッ
プを有する（開発中のPhilips ＵＨＰ−Ｘ）ことから、ＬＰＩが、ＰＤ無しで、
ＰＤを用いた場合よりも多くの光を小さいサイズの画素（対角１.３インチ以下
）に対し生成することが発見された。例えば、１.３インチのパネルについて、
ＰＤ無しで、電球ＵＨＰ１００，ＵＨＰ１２０（Philips)を使用することができ
る。しかながら、より広いパネルについて（対角１.８インチ以上）は、ＬＰＩ
及びＰＤの組合せは、ＬＣＤパネルに対し最も有効な光を生成した。

【００９７】 しかしながら、図４３Ａ−４３ＣのＰＤがライトパイプ内で使用される場合、
これらは、幾何学的広がりを増大しない。従って、これらのＰＤは、小さなパネ
ル（対角１.８インチ未満）について特に有用である。

【００９８】 図４３Ａ−４３Ｃの偏光子ダブラーの実施形態は、中空ライトパイプ（ＬＰＩ
）内に位置づけされた場合に特に有用である。その他のＰＤとは異なり、これら
は横断面面積（幾何学的広がり）を増大させず、例えば、それらの入力面の面積
は、その出力面の面積と同じである。ライトパイプはＰＤにおいてその横断面面
積（光学軸に対し垂直な横断面）を倍加する必要がないことから、上述のことは
、ＰＤがライトパイプ内部にあるとき特に有用である。

【００９９】 図４３Ａの実施形態においては、ライトパイプ（ＬＰＩ）１００は中空であり
、矩形の横断面１０１をもつ。ＬＰＩ 入射瞳からの未偏光の光１０２は、コー
ティングされた角度付きプレート１０４，１０５（Ｐを通しＳを反射するＰＢＳ
）及びＳをＰに変換する半波長リターダプレート（偏光子回転子）１０６から成
る偏光子ダブラー１０３によりＰ偏光へと偏光される。

【０１００】 図４３Ｃの実施形態においては、ライトパイプ矩形横断面１０１は、Ｐを通し
Ｓを反射する角度付きＰＢＳプレート１１０（偏光フィルタ）及びＳを反射しそ
れをＰに変換することになる１/４波長板１１１を有する。

【０１０１】 図４３Ｂの実施形態においては、偏光ビームスプリッタプレート１３０（ＰＢ
Ｓ）がＳを反射しＰを通す。Ｓ成分は、ＳをＰに変換する１/４波板１３１，１
３２から反射される。ライトパイプ矩形区分の４つの内部壁上には、このような
４分の１波板が４枚存在することになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明の投影システムの斜視図である。

【図２】 図２は、図１の投影システムの上面図である。

【図３】 図３は、本発明の光パイプの１つの実施例の斜視図である。

【図４】 図４は、本発明の光パイプの第２の実施例の斜視図である。

【図５】 図５は、本発明の光パイプの第３の実施例の斜視図である。

【図６】 図６は、ランプおよび反射器の側断面図である。

【図７】 図７は、本発明の投影システムの他の実施例の側面図である。

【図８】 図８は、光パイプの中実の実施例の入射部分の拡大側面図である。

【図９】 図９は、同一の焦点Fを有し乍らも異なる偏心率(実線および点線)を有する各
楕円円錐セクションに対する二重集光器式光学機器(反射器)を示す極座標系であ
る。第2の焦点はF'およびF₁'である。

【図１０】 図１０は、0°乃至110°の５種類の異なる集光角度L_Iに関して倍率(y軸心)に
対する反射器の楕円状曲線の偏心率(e)(x軸心)をプロットしたグラフである。

【図１１】 図１１は、半円錐において３種類の集光角度(40°、90°および120°における
i_I)に関して0°乃至50°の収束角度(i_E)(x軸心)に対する0乃至1.00の偏心率(e)(
y軸心)をプロットしたグラフである。

【図１２】 図１２は、楕円状曲線のe＝0.60乃至0.90の７種類の偏心率において集光角度(
i_I)に対して収束角度(i_E)(y軸心)をプロットしたグラフである。

【図１３】 図１３は、２種類の収束角度(i_I＝60°およびi_I＝40°)において倍率(x軸心)
に対して(i_E＝120°における)収束領域のf数[f#](y軸心)をプロットしたグラフ
である。

【図１４】 図１４は、光パイプの断面図であり(光軸に対して直交する同一サイズの断面)
、(中空で内側鏡面壁の)光パイプ・インテグレータの入射瞳に入射する光円錐の
簡略図である。

【図１５】 図１５は、図１４の３種類の直径(d)に関して0°乃至50°の収束角度αに対し
、第1反射に必要な上記光パイプの長さをmm(y軸心)でプロットしたグラフである
。

【図１６】 図１６は、円形断面を有する本発明のテーパ付け光パイプ(中空)の簡略断面図
である。

【図１７】 図１７は、pを比率4:3の矩形状を有する射出瞳とし且つcを円形状の入射瞳と
した場合、円錐角度f数の比率(R_f＝f_p/f_c)(x軸心)に対し、入射瞳：射出瞳の面
積の比率(R_D＝D_p/D_c)(y軸心)をプロットしたグラフである。

【図１８】 図１８は、円形状でありかつ16mmの直径(D_c)の入射瞳に関し、mmで表した射出
瞳の対角線寸法(x軸心)に対し、LPI(光パイプ・インテグレータ)の種々のf数(1.
0乃至2.0)における射出瞳のf数(1.0〜6.0)(左目盛)(y軸心)をプロットしたグラ
フである。

【図１９】 図１９は、上記LPIの実施例の側断面図である。

【図２０】 図２０は、八角形の入射瞳および矩形の射出瞳を有するテーパ付きで中空のLP
Iの斜視図である。

【図２１】 図２１は、一定の倍率を提供する連続表面を形成すべく多重偏心率e群を有す
る楕円状曲線の側断面図である。

【図２２】 図２２は、二重偏心率を有する楕円状曲線の側断面図である。

【図２３】 図２３は、U形状湾曲LPIを使用した光エンジンの側面図である。

【図２４】 図２４は、動画フィルム・ゲートと共に使用される二重ランプ光エンジンの斜
視図である。

【図２５】 図２５は、表１である。

【図２６】 図２６は、二重テーパ付けされたLPIの側断面図である。

【図２７】 図２７は、正方形の入射瞳および矩形の射出瞳を有する二重テーパ付け中空LP
Iの斜視図である。

【図２８】 図２８は、図２７の上記光パイプを形成する平坦なコールド・ミラー薄寸材に
対する金属ケーシングの側面図である。

【図２９】 図２９は図２８のA-Aに沿った断面図である。

【図３０】 図３０は、本発明の新規な光学機器の使用による偏光素子ダブラの提供を例証
する本発明のシステムの断面図である。

【図３１】 図３１は、PBSすなわち半波遅延器アセンブリの側面図である。

【図３２】 図３２は、W:Hのアスペクト比を有する上記LCDプレート上の二重ビームの断面
図である。

【図３３】 図３３は、上記LPIの射出瞳を射出する上記ビームであってW/2：Hのアスペク
ト比を有するビームの断面図である。

【図３４】 図３４は、八角形の入射瞳と、W/2：Hのアスペクト比の矩形の射出瞳とを有す
るLPIの斜視図である。

【図３５】 図３５は、中実LPIを使用した実施例の断面である。

【図３６】 図３６は、PおよびS成分に対して等しい経路長を有すると共にミラーを使用す
るPD(偏光素子ダブラ)を示す上面図である。

【図３７】 図３７は、PおよびS成分に対して等しい経路長の効果を獲得すべく異なる焦点
を使用するPDの側面図である。

【図３８】 図３８は、PおよびS成分に対して等しい経路長の効果を獲得すべく凸レンズを
使用するPDの側面図である。

【図３９】 図３９は、PおよびS成分に対して等しい経路長の効果を獲得すべく凹状／凹状
ミラーを使用するPDの側面図である。

【図４０】 図４０は、PおよびS成分に対して等しい経路長の効果を獲得すべく一方の成分
経路中にガラス・プリズムを使用するPDの側面図である。

【図４１】 図４１は、PDの側断面図である。

【図４２Ａ】 図４２Ａは、偏光素子ダブラの側面図である。

【図４２Ｂ】 図４２Ｂは、図４２Ａの偏光素子ダブラの正面図である。

【図４３Ａ】 図４３Ａは、光パイプ内の偏光素子ダブラの側断面図であり、夫々が代替実施
例を示している。

【図４３Ｂ】 図４３Ａと同様の図である。

【図４３Ｃ】 図４３Ａと同様の図である。

【図４４】 図４４は、光パイプの射出瞳に位置された図４２Ａの偏光素子ダブラの側断面
図である。

【図４５】 図４５は、光パイプ内に位置された図４２Ｂの偏光素子ダブラの側断面図であ
る。

【手続補正書】

【提出日】平成１３年６月１９日（２００１．６．１９）

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１０】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１１】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１３】

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１５】

【手続補正８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１６】

【手続補正９】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１７】

【手続補正１０】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１８】

【手続補正１１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１９】

【手続補正１２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２２】

【手続補正１３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２５】

【手続補正１４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２６】

【手続補正１５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３０】

【手続補正１６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３１】

【手続補正書】

【提出日】平成１３年６月１９日（２００１．６．１９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グアリー，ヘレン アメリカ合衆国，カリフォルニア 94127， サン フランシスコ，サン ベニト ウェ イ 389 Ｆターム(参考） 5C039 HH04

Claims (40)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を発生させるランプ手段、 入口瞳、中央区分、反射鏡内壁及び光学軸をもつ中空の光パイプであって、コ
   レクタ手段からの光がこの入口瞳上に導かれるもの、 出口瞳がその上に光を導いている映像ゲートをもつ、映像を形成する映像形成
   手段、及び 投射器レンズ、 を含む投射器システムであって、光パイプは、中心区分の光学軸に対し垂直な横
   断面の面積に対する比が少なくとも１対１．５である面積を有する入口瞳を有し
   てテーパー形状になっている、ことを特徴とする投射器システム。
2. 【請求項２】 ランプ手段は、１〜６mmの範囲内のアーク間隙をもつハロゲ
   ン化金属形のアークランプである、請求項１に記載の投射器システム。
3. 【請求項３】 光パイプは、コレクタからの光のテーパー角度を減少させ、
   少なくとも８０％は１０°より小なるテーパー角度をもつ光（半円錐）を発生さ
   せる、請求項１に記載の投射器システム。
4. 【請求項４】 コレクタ手段は、中心軸をもつ鏡面反射かさであり、アーク
   間隙は反射かさの中心軸に沿って心合せされている、請求項２に記載の投射器シ
   ステム。
5. 【請求項５】 コレクタ手段は、鏡面内部壁を有し、２つの異なる偏心率を
   もつ少なくとも２つの楕円曲線を伴う断面形状をもつ複合反射かさである、請求
   項２に記載の投射器システム。
6. 【請求項６】 反射かさの断面形状は湾曲して凹状であり、この湾曲は異な
   る偏心率をもつ２つの楕円形を含み、両方の偏心率が共に０.６０〜０.９０の範
   囲内であり、反射かさは軸に対し垂直な断面において円形である、請求項５に記
   載の投射器システム。
7. 【請求項７】 ライトパイプは金属板の基板及び鏡面内部壁上のコールドミ
   ラーの被膜を含む、請求項１に記載の投射器システム。
8. 【請求項８】 映像形成手段がＬＣＤ（液晶表示装置）のパネルである、請
   求項１に記載の投射器システム。
9. 【請求項９】 映像形成手段は、３色ＬＣＤパネルである、請求項１に記載
   の投射器システム。
10. 【請求項１０】 出口瞳とＬＣＤパネルの間に位置づけされた光を視準する
    フレネルレンズ及びＬＣＤパネルと投射器レンズの間に位置づけされている、映
    像を集束するフレネルレンズ手段を含むフィールド光学系をさらに包含する、請
    求項８に記載の投射器システム。
11. 【請求項１１】 入口瞳の横断面が平坦でかつ８角形であり、出口瞳横断面
    が平坦かつ矩形である、請求項１に記載の投射器システム。
12. 【請求項１２】 光パイプは、正方形の横断面をもち光パイプの長さの少な
    くとも３分の１である入口区分を有する、請求項１に記載の投射器システム。
13. 【請求項１３】 光パイプは、その長さの少なくとも３分の１である入口区
    分、中央区分及び、中央区分の横断面の面積よりも大きい面積をもつ出口瞳を伴
    うテーパー形状の射出区分を有する、請求項１に記載の投射器システム。
14. 【請求項１４】 コレクタ手段からの光の円錐形ビームを形成し入口瞳上に
    ビームを導くためのリレー光学手段をさらに含む、請求項１に記載の投射器シス
    テム。
15. 【請求項１５】 １〜６mmの範囲内のアーク間隙を有するハロゲン化金属形
    アークランプ、 ランプが反射かさの軸に位置づけされた状態で、中心軸を有する反射かさ、 光学軸、入口瞳、矩形射出瞳、入口瞳と出口瞳の間の中央区分、反射する内部
    鏡面壁及び、出口瞳及び入口瞳が光学軸に対し垂直にとられた中央区分の横断面
    の面積より少なくとも５０％大きい２重のテーパー形状を有する中空の光パイプ
    を含む投射器システムの光エンジン。
16. 【請求項１６】 光を生成するランプ手段、 生成された光を集束し誘導するコレクタ手段、 入口瞳、中央区分、直線的光学軸に沿った出口瞳及び反射壁を有する光パイプ
    を含む光学的投射器用のライトエンジンであって、 光パイプは、出口瞳が矩形であり、出口瞳及び入口瞳の面積が各々中央区分の
    光学軸に対し垂直である断面積よりも少なくとも５０％大きい状態で、２重のテ
    ーパー形状であることを特徴とする光エンジン。
17. 【請求項１７】 ランプ手段が、１〜６mmの範囲内のアーク間隙をもつハロ
    ゲン化金属形のアークランプである、請求項１６に記載の光エンジン。
18. 【請求項１８】 コレクタ手段が中心軸をもつ楕円形鏡面反射かさであり、
    アーク間隙が反射かさの中心軸にある、請求項１７に記載の投射器システム。
19. 【請求項１９】 光パイプが光学軸及び、光学軸に対し垂直な全ての断面図
    において丸形又は正方形であり光パイプの長さの少なくとも３分の１である入口
    区分を有する、請求項１６に記載の光エンジン。
20. 【請求項２０】 光を発生させるランプ手段、 発生した光を収集し誘導するためのコレクタ光学部品手段、 周囲空気に開放した内部鏡壁、入口瞳及び出口瞳、反射性内部壁、入口瞳と出
    口瞳の間の中央区分及び光学軸を有し、コレクタ手段からの光が入口瞳上に誘導
    されている、中空の光パイプ、 画像を形成することを目的とし、映像ゲートを有する映像形成手段、及び 投射器レンズ、 を含み、 光パイプは、入口瞳と出口瞳の各々が中央区分の横断面面積に対し少なくとも
    １．５：１の比率の面積を有する状態で、その形状が２重のテーパー形状である
    こと、及びコレクタ光学部品手段には、光学軸をもつ複合反射かさが含まれ、こ
    の反射かさは、光学軸を通るその横断面が少なくとも２つの異なる曲線のセグメ
    ントであるような湾曲を有することを特徴とする投射器システム。
21. 【請求項２１】 ２つの異なる曲線が、２つの異なる偏心率をもちかつ中心
    焦点から±２mmである２つの異なる焦点距離を伴う楕円である、請求項２０に記
    載の投射器システム。
22. 【請求項２２】 反射かさが、鏡面内部壁、断面形状が第１の偏心率をもつ
    楕円曲線である背面閉鎖型端部部分及び断面形状が第１の偏心率よりも大きい第
    ２の偏心率をもつ楕円曲線である開放端部部分を有する、請求項２０に記載の投
    射器システム。
23. 【請求項２３】 光パイプは、軸及びこの軸に対し垂直にとった横断面が正
    方形か八角形である入口瞳を有し、入口区分が光パイプの長さの少なくとも３分
    の１である、請求項２０に記載の投射器システム。
24. 【請求項２４】 楕円曲線が各々異なる焦点を有する、請求項２１に記載の
    投射器システム。
25. 【請求項２５】 楕円曲線の各々が同じ頂部点のまわりに形成されている、
    請求項２１に記載の投射器システム。
26. 【請求項２６】 内部壁が金属でできているか又は平坦である、請求項２０
    に記載の投射器システム。
27. 【請求項２７】 鏡面が、可視光を反射し赤外線を透過するコールドミラー
    である、請求項２６に記載の投射器システム。
28. 【請求項２８】 投射器システム内で使用するための、光学軸、入口瞳及び
    出口瞳をもつ長形のライトパイプにおいて、 （ａ） ライトパイプが中空でかつ内部鏡面壁を有し、誘電体が充てんされてい
    ないこと、 （ｂ） 鏡面壁が金属でできていること、 （ｃ） 可視光を反射し赤外線を透過させるようコールドミラーコーティングが
    鏡面壁上に施されていること、 を特徴とする、長形の光パイプ。
29. 【請求項２９】 入口瞳が正方形又は八角形であり、出口瞳の光学軸に対し
    垂直な横断面が矩形である、請求項２８に記載の光パイプ。
30. 【請求項３０】 光パイプが、中央区分をもつ２重テーパーのかかった形状
    をしており、入口瞳及び出口瞳は各々、光学軸に対し垂直にとった中央区分を通
    る横断面の面積よりも少なくとも２０％大きい、請求項２８に記載の光パイプ。
31. 【請求項３１】 光を発生させるランプ手段、 発生した光を収集し再度誘導するコレクタ手段、 入口瞳、出口瞳、中央区分及び光学軸を有し、コレクタ手段からの光が入口射
    瞳上に誘導されている、光パイプ、 画像を形成することを目的とし、出口ゲートをもち、出口瞳が画像ゲート上に
    光を導いている、液晶表示（ＬＣＤ）画像形成手段、及び 投射器レンズ、 を含み、 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を内含する偏光子ダブラーが光パイプ内又は
    光パイプとＬＣＤ画像ゲートの間に位置づけられていること、及び光パイプが中
    空であり、誘電体が充てんされておらず、鏡面壁を伴い、入口瞳が中央区分の光
    学軸に対して垂直な横断面の面積に対し少なくとも１対１．５の比率の面積を有
    する状態で、テーパー形状をもつことを特徴とする、投射器システム。
32. 【請求項３２】 偏光子ダブラーが、Ｗを幅、Ｈを高さとして１／２Ｗ：Ｈ
    という横縦比をもつ矩形入力面及びＷ：Ｈの横縦比をもつ出力面を含んで成る、
    請求項２１に記載の投射器システム。
33. 【請求項３３】 映像ゲートが矩形であり、幅Ｗ対高さＨ（Ｗ：Ｈ）の横縦
    比を有し、光パイプの出口瞳はＷ／２：Ｈの横縦比をもつ矩形をしており、偏光
    子ダブラーが出口瞳と映像ゲートの間にある、請求項３１に記載の投射器システ
    ム。
34. 【請求項３４】 コレクタ手段が、中心軸、鏡面内部壁をもつ反射がさであ
    り、２つの異なる偏心率をもつ少なくとも２つの楕円曲線の断面形状を有する複
    合反射がさであり、かつ軸に対して垂直な横断面で円形をしている、請求項３１
    に記載の投射器システム。
35. 【請求項３５】 反射かさの断面形状が湾曲し凹状であり、断面形状の湾曲
    が、異なる偏心率をもつ少なくとも２つの楕円を含み、両方の偏心率が０．６０
    〜９．９０の範囲内にある、請求項３１に記載の投射器システム。
36. 【請求項３６】 偏光子ダブラーが光パイプ内にある、請求項３１に記載の
    投射器システム。
37. 【請求項３７】 光パイプの入口瞳の横断面が平坦であり、正方形、丸形又
    は八角形のいずれかであり、出口瞳の横断面が平坦で矩形である、請求項３１に
    記載の投射器システム。
38. 【請求項３８】 中空の光パイプが誘電体で充てんされておらず、光学軸、
    矩形の出口瞳、入口瞳と出口瞳の間の中央区分、コールドミラーの被膜を伴う低
    膨張率のガラス又は金属製の平坦鏡面内部反射壁、及び入口瞳がその光学軸に対
    し垂直にとった中央区分の横断面の面積よりも少なくとも５０％大きい面積をも
    つテーパー形状を有する、請求項３１に記載の投射器システム。
39. 【請求項３９】 偏光子ダブラーがＷ／２：Ｈの横縦比をもつ矩形入力面を
    有し、Ｗ：Ｈの横縦比をもつ単偏光ビームを発生させる、請求項３１に記載の投
    射器システム。
40. 【請求項４０】 光パイプは、入口瞳及び出口瞳が各々中央区分の横断面の
    面積よりも大きい面積をもつ状態で、２重のテーパー形状を有する、請求項３１
    に記載の投射器システム。