JP2004519010A - テーパ光パイプを用いた投影ディスプレイ用の照明エンジン - Google Patents
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Abstract
第1および第2の焦点を有する反射体を含む、テーパ光パイプ(718)を用いた投影ディスプレイ用の照明エンジン。反射体の第1の焦点に近接して配置される電磁放射源は、反射体から第2の焦点に反射する放射光線を射出する。テーパ光パイプ(718)は、第2の焦点(722)で集束した放射の実質的にすべてを収集して伝送し、放射の開口数を調整するが、放射の像によって形成された面を湾曲させる。ストレート光パイプ(724)またはレンズは、テーパ光パイプによって伝送された放射の実質的にすべてを収集して伝送し、放射の像によって形成された面を平坦化する。コンデンサレンズ(707)は、等高線状遅延素子によって伝送された放射のすべてを収集して、偏光ビームスプリッタ(740)および投影システム(738)に伝送する。
Description
【0001】
【発明の背景】
【0002】
【関連出願の相互参照】
この出願は、仮出願である、2001年2月5日に出願された連続番号第60/265,889号、2001年4月30日に出願された連続番号第60/286,982号、2001年8月20日に出願された連続番号第60/313,106号、および2001年10月16日に出願された連続番号第60/329,320号に優先権を主張し、これらの開示内容は、引用により援用される。
【0003】
【発明の分野】
この発明は、投影システムにおけるテーパ光パイプ(TLP)からの光の偏光に関する。
【0004】
【関連技術の説明】
LCD型投影ディスプレイにおいてLCDイメージャを照明するために、偏光を用いることができる。LCDイメージャは、たとえば透過性または反射性であり得る。LCDイメージャに入力された光は、LCD画素を変調する際に、選択した画素の偏光を変更し得るように偏光させることができ、イメージャから出力された光が別の偏光子によって分析されると、選択された画素が暗くなる。画素が所望の情報によって変調されると、その情報が画面上に投影される。
【0005】
しかしながら、光を偏光させると、光の半分しか適切に偏光されない。他の半分は、不適切に偏光する。不適切に偏光した光の中には、或る効率で偏光を回転させることによって復元できるものがあり、50%を超える全体効率をもたらす。不適切に偏光した光の中には、たとえば、それを半波長板に通すことによって復元できるものもあり、後にそれを適切に偏光した光と再び組合せることができる。
【0006】
図1aに示される偏光技術の1つでは、フライアイレンズと呼ばれるレンズのアレイ106を用いることによって、放物面反射体からの光の平行なビーム102を多重ビーム104に集束させることができる。レンズの別のアレイ107によって、偏光ビームスプリッタ(PBS)108のアレイ上に、各ビーム104を集束させることができる。PBSはストライプを有する一次元アレイでである。図1bでは、PBSアレイ108のセルが詳細に示される。PBS108上の被覆108aは、入力ビーム104を平行および垂直な光のビーム111および112に分割する。ビーム111は、反射体108bによって出力方向に再び方向付けられる。射出ビーム110がビーム112と同じ偏光となるように、半波長板108cによってビーム111の偏光を回転させる。
【0007】
図2に示される別の偏光技術では、楕円反射体202を用いて光を集束させることができる。このような集束光システムでは、その開示内容が引用によって援用される、米国特許第6,139,157号に記載されるように、ビームプロファイルを収集して均質化するために、ストレート光パイプ(SLP)204がしばしば用いられる。SLP204の出力から見た場合に、光パイプの側壁による集束光の多重反射により、集束光の多重像206が形成される。次に、これらの多重像206を、レンズ207によってPBSアレイ208上に結像させることができる。SLP204によって形成された像の二次元アレイは、フライアイレンズと同様の態様で像の各行をPBSアレイの各ストライプ上に結像させることにより、PBSアレイ208に合致して、同じ偏光の光210および212を生成する。
【0008】
性能を改良するために1:1結像システムを必要とする光学システムでは、光を集束させるためにデュアル放物面反射体システムを用いることができる。しかしながら、デュアル放物面反射体システムでは、集束光が極めて高い開口数(NA)を有することが考えられる。図3に示されるように、大きなNAをより小さなものに変換して光をさらに処理するために、テーパ光パイプ(TLP)318を用いることができる。
【0009】
TLP318の出力から見た場合に、SLPと同様の態様で集束光の多重像が形成されるが、集束光の反射は、TLPの出力において平面を形成しない。むしろ、集束光は、TLPの多重反射によって湾曲面319を形成する。面319の曲率は、TLP318のテーパ角度α(アルファ)に依存し得る。テーパ角度αは、システム要件を満たすように水平方向および垂直方向で異なり得る。この湾曲面319を平面のPBSアレイに集束することは、費用がかかって難しいことが考えられる。したがって、TLPからの光の偏光を行なうために、このような湾曲面を平面に変換することのできるシステムが必要とされる。
【0010】
【発明の概要】
一実施例において、TLPを用いた投影ディスプレイ用の照明エンジンが開示される。この照明エンジンは、第1および第2の焦点を有する反射体と、反射体の第1の焦点に近接して配置されて、反射体から反射して実質的に第2の焦点で集束する放射光線を射出する電磁放射源と、入力面および出力面を有するTLPとを含み、TLPの入力面は、実質的にすべての放射を収集して伝送するように第2の焦点に近接して配置される。照明エンジンはさらに、入力面および出力面を有するSLPを含み、SLPの入力面は、実質的にすべての放射を収集して伝送するようにTLPの出力面に近接して配置され、照明エンジンはさらに、実質的にすべての放射を収集して伝送するようにSLPの出力面に近接して配置されるコンデンサレンズと、実質的にすべての放射を収集して伝送するようにコンデンサレンズに近接して配置されるPBSとを含む。
【0011】
第2の実施例では、投影ディスプレイでTLPを用いるための方法が開示される。この方法は、反射体の第1の焦点に電磁放射源を位置付けるステップと、源によって放射光線を生成するステップと、反射体によって放射光線を第2の焦点に反射するステップと、入力面および出力面を有するTLPを、TLPの入力面が第2の焦点と実質的に近接するように位置付けるステップと、TLPの入力面において放射光線を収集するステップと、放射光線をTLPに通すことによって放射の開口数を調節するステップと、TLPの出力面から放射光線を出力するステップと、入力面および出力面を有するSLPを、SLPの入力面がTLPの出力面と実質的に近接するように位置付けるステップと、放射光線をSLPに通すことによって放射の輪郭を平坦化するステップと、放射を偏光させるステップとによって、実施することができる。
【0012】
第3の実施例では、TLPを用いた、投影ディスプレイ用の照明エンジンが開示される。この照明エンジンは、第1および第2の焦点を有する反射体と、反射体の第1の焦点に近接して配置されて、反射体から反射して実質的に第2の焦点で集束する放射光線を射出する電磁放射源と、入力面および出力面を有するTLPとを含み、TLPの入力面は、実質的にすべての放射を収集して伝送するように第2の焦点に近接して配置される。照明エンジンはさらに、入力面および出力面を有するレンズを含み、レンズの入力面は、実質的にすべての放射を収集して伝送するようにTLPの出力面に近接して配置され、照明エンジンはさらに、実質的にすべての放射を収集して伝送するようにレンズの出力面に近接して配置されるコンデンサレンズと、実質的にすべての放射を収集して伝送するようにコンデンサレンズに近接して配置されるPBSとを含む。レンズまたはレンズ系は、当業者には公知であるように、等高線状遅延素子の一例である。
【0013】
第4の実施例では、投影ディスプレイにおいてTLPを用いるための方法が開示される。この方法は、反射体の第1の焦点に電磁放射源を位置付けるステップと、源によって放射光線を生成するステップと、反射体によって放射光線を第2の焦点に反射するステップと、入力面および出力面を有するTLPを、TLPの入力面が第2の焦点と実質的に近接するように位置付けるステップと、TLPの入力面において放射光線を収集するステップと、放射光線をTLPに通すことによって放射の開口数を調節するステップと、TLPの出力面から放射光線を出力するステップと、入力面および出力面を有するレンズを、レンズの入力面がTLPの出力面と実質的に近接するように位置付けるステップと、放射光線をレンズに通すことによって放射の輪郭を平坦化するステップと、放射を偏光させるステップとによって、実施することができる。
【0014】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図4に、この発明の第1の実施例に従った照明エンジン400を示す。照明エンジン400は、第1の焦点404および第1の光学軸406を有する第1の反射体402と、第2の焦点410および第2の光学軸412を有して第1および第2の光学軸406および412が実質的に同一線上にあるように第1の反射体402と実質的に対称に配置された第2の反射体408とを含む。
【0015】
第1および第2の反射体402および408は、一般に、第1および第2の焦点404および410が1つの光学軸によって接続された1つの反射体であり得る。たとえば、第1および第2の反射体402および408が1つの楕円反射体である場合がこれに当てはまる。したがって、以下の説明は、1つの反射体、2つの別個の反射体、または当業者に公知の、放射を集束するあらゆる手段を含む照明エンジン400に適用される。
【0016】
第1および第2の反射体402および408は、たとえば、実質的に楕円、円環、球、または放物面の回転面の部分であってよい。また、第1の反射体402がたとえば実質的に回転楕円面の一部であり得、第2の反射体408が実質的に回転双曲面の一部を含む。または、第1の反射体402がたとえば実質的に回転双曲面の一部であり得、第2の反射体408が実質的に回転楕円面の一部を含む。
【0017】
第1および第2の反射体402および408は、電磁放射スペクトルの予め指定された部分のみを反射する被覆を有し得る。さまざまな実施例において、被覆は、たとえば可視光放射、予め指定された波長帯域の放射、または特定の色の放射のみを反射する。
【0018】
第1の反射体402から第2の反射体408に反射して実質的に第2の焦点410で集束する放射光線416を射出するために、電磁放射源414を第1の反射体402の第1の焦点404付近に配置することができる。電磁放射源414は、たとえば、キセノンランプ、金属ハロゲン化物ランプ、HIDランプ、または水銀ランプ等のアークランプであってよい。電磁放射源414はまた、ハロゲンランプまたはフィラメントランプであってよい。
【0019】
第2の焦点410で集束する放射光線416は、大きな開口数を有し得る。開口数を低減または調節するために、入力面420および出力面422を有するTLP418を、TLP418の入力面420が第2の焦点410に近接するように位置付けることができる。したがって、TLP418は、第2の焦点410で集束する放射416の実質的にすべてを収集して伝送し、入力面420に入る放射416の開口数も調節する。たとえば、TLP418が入力面420から出力面422に拡張する場合は、出力面422における放射416の開口数が低減される。
【0020】
入力面420に入る放射416の開口数を調節することに加え、TLP418の壁の内面反射によって焦点の多重像が生成されて像のアレイ419を生じる。像419は湾曲面を有し、湾曲面の曲率は、TLP418のテーパ角度α(アルファ)に依存する。
【0021】
TLP418の断面は、好ましくは矩形であり、テーパプロファイルは好ましくは線形である。TLP418は、たとえば石英、ガラス、プラスチック、またはアクリル樹脂で形成されてよい。
【0022】
図5に示されるように、同じく入力面526および出力面528を有する等高線状遅延素子524は、入力面526がTLP518の出力面522に近接して、像519に構成される放射516の実質的にすべてを収集して伝送するように配置され得る。一実施例において、等高線状遅延素子524の目的は、さまざまな放射光線516がTLP518の出力面522から出て行くのに伴なって、それらの進行距離を等化することであると考えられる。遅延の輪郭は、たとえば等高線状遅延素子524の中心から外側に、半径方向に分散し得る。像519によって形成された湾曲面519がたとえば凸状である場合に、等高線状遅延素子524は、縁に沿った光のビームよりも中央部の光を相対的により多く遅延させることができ、それによって像519の周辺部に沿った光のビームが追いつくことにより、等高線状遅延素子524の出力において湾曲面519を平坦化することができる。
【0023】
一実施例において、等高線状遅延素子524はレンズ系である。レンズ系は、球凸面、球凹面、円筒凸面、および円筒凹面を含むタイプの1つ以上のレンズを有し得る。凸面および凹面は、球面および非球面の湾曲を含む。レンズ系は、等高線状遅延素子の出力が平坦なプロファイルを有して、それがPBSアレイに光を効率良く結合するように設計される。
【0024】
等高線状遅延素子524は所望の結果を生じるが、実際のTLPのほとんどは、水平方向および垂直方向に異なったテーパプロファイルを有する。その結果、等高線状遅延素子524はこれらの2方向に異なるパワーを有するため、環状光学構成要素を用いなければならない。
【0025】
図6に示される別の実施例では、等高線状遅延素子624が一連のレンズである。環状光学構成要素を用いる代わりに、第1のレンズ624aが、第1の、たとえば水平なディメンションに放射616を遅延させることができ、第2のレンズ624bは、第2の、たとえば垂直なディメンションに放射616を遅延させる。各々が特定のディメンション専用である別個のレンズは、1つのレンズよりも生産しやすく、または、設計の柔軟性をより多く提供することができる。
【0026】
図7aに示される別の実施例において、等高線状遅延素子724はSLPである。入力光をTLPの入力において結像させずに、代わりにTLPの出力が用いられる。TLP718の出力端722における放射716は、像のアレイ706が生成されるようにSLP724の側壁によって反射される。TLP718が光出力を均質化するため、出力端722における強度プロファイルは均一である。
【0027】
図7bに示される好ましい実施例では、入力面726の面積が、出力面722の面積のたとえば2倍であり得る。長さ736は、長さ732のたとえば2倍であり得る。この実施例の改良例において、出力面722は第1の出力ディメンション730および第2の出力ディメンション732を有し、第2の出力ディメンション732は、第1の出力ディメンション730と実質的に直交する。入力面726は、第1の出力ディメンション730に対応する第1の入力ディメンション734と、第2の出力ディメンション732に対応する第2の入力ディメンション736とを有する。第1の入力ディメンション730は第1のディメンション734と実質的に等しいと考えられ、第2の入力ディメンション736は第2の出力ディメンション732の実質的に2倍であると考えられるため、出力面722の面積の2倍である入力面726の面積を生じる。
【0028】
TLP718の出力端722を光源として用いることにより、像のアレイ706が形成される。像のアレイ706は、可視域内の明るい帯域および暗い帯域として出現する。次に、PBSアレイ708上に、結像システム707によってこれらの帯域が結像され、PBSアレイ上の入力ストライプと合致することによって偏光を効率良く生成する。
【0029】
図7aに示されるように、集束レンズ738をPBS708アレイの出力面740付近に配置して、放射の偏光されたビーム742を受取ることができる。次に、集束レンズ738は、それらを像投影システム744に伝送し、像746は、集束レンズ738において収集されて集束された放射によって照明され得る。投影システム744は、収集されて集束された放射742を開放して像746を表示する。一実施例において、PBS708は一次元アレイを含む。別の実施例において、PBS708は二次元アレイを含む。
【0030】
図8に示される代替的一実施例では、追加の反射体836を配置して、第1の反射体802に直接当たらない、源814からの電磁放射の部分の少なくとも一部を、第1の反射体802の第1の焦点804を通して第1の反射体802に反射して返し、集束する光線の線束強度を高めることができる。好ましい一実施例において、追加の反射体836は、球面逆反射体であってよい。
【0031】
この発明を上で詳細に説明してきたが、この発明は、説明された特定の実施例に限定されることを意図されない。当業者が、この発明の概念から逸脱することなく、この明細書に記載された特定の実施例の多数の使途および変更例ならびにそれらからの発展例を生じ得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】偏光システムと共に用いるための、フライアイレンズを用いた放物面反射体システムの概略図である。
【図2】偏光システムと共に用いるための、楕円反射体システムおよびSLPの概略図である。
【図3】デュアル放物面反射体およびTLP照明エンジンの概略図である。
【図4】この発明の一実施例と共に用いるための、デュアル放物面反射体およびTLP偏光システムの図である。
【図5】図4の実施例と共に用いるための、等高線状遅延素子の図である。
【図6】この発明の第2の実施例に従った、レンズ系の図である。
【図7a】この発明の第3の実施例に従った、TLP/SLPを組合せた図である。
【図7b】図7aのSLPの詳細を示す図である。
【図8】この発明の一実施例と共に用いるための、逆反射体の図である。
【発明の背景】
【0002】
【関連出願の相互参照】
この出願は、仮出願である、2001年2月5日に出願された連続番号第60/265,889号、2001年4月30日に出願された連続番号第60/286,982号、2001年8月20日に出願された連続番号第60/313,106号、および2001年10月16日に出願された連続番号第60/329,320号に優先権を主張し、これらの開示内容は、引用により援用される。
【0003】
【発明の分野】
この発明は、投影システムにおけるテーパ光パイプ(TLP)からの光の偏光に関する。
【0004】
【関連技術の説明】
LCD型投影ディスプレイにおいてLCDイメージャを照明するために、偏光を用いることができる。LCDイメージャは、たとえば透過性または反射性であり得る。LCDイメージャに入力された光は、LCD画素を変調する際に、選択した画素の偏光を変更し得るように偏光させることができ、イメージャから出力された光が別の偏光子によって分析されると、選択された画素が暗くなる。画素が所望の情報によって変調されると、その情報が画面上に投影される。
【0005】
しかしながら、光を偏光させると、光の半分しか適切に偏光されない。他の半分は、不適切に偏光する。不適切に偏光した光の中には、或る効率で偏光を回転させることによって復元できるものがあり、50%を超える全体効率をもたらす。不適切に偏光した光の中には、たとえば、それを半波長板に通すことによって復元できるものもあり、後にそれを適切に偏光した光と再び組合せることができる。
【0006】
図1aに示される偏光技術の1つでは、フライアイレンズと呼ばれるレンズのアレイ106を用いることによって、放物面反射体からの光の平行なビーム102を多重ビーム104に集束させることができる。レンズの別のアレイ107によって、偏光ビームスプリッタ(PBS)108のアレイ上に、各ビーム104を集束させることができる。PBSはストライプを有する一次元アレイでである。図1bでは、PBSアレイ108のセルが詳細に示される。PBS108上の被覆108aは、入力ビーム104を平行および垂直な光のビーム111および112に分割する。ビーム111は、反射体108bによって出力方向に再び方向付けられる。射出ビーム110がビーム112と同じ偏光となるように、半波長板108cによってビーム111の偏光を回転させる。
【0007】
図2に示される別の偏光技術では、楕円反射体202を用いて光を集束させることができる。このような集束光システムでは、その開示内容が引用によって援用される、米国特許第6,139,157号に記載されるように、ビームプロファイルを収集して均質化するために、ストレート光パイプ(SLP)204がしばしば用いられる。SLP204の出力から見た場合に、光パイプの側壁による集束光の多重反射により、集束光の多重像206が形成される。次に、これらの多重像206を、レンズ207によってPBSアレイ208上に結像させることができる。SLP204によって形成された像の二次元アレイは、フライアイレンズと同様の態様で像の各行をPBSアレイの各ストライプ上に結像させることにより、PBSアレイ208に合致して、同じ偏光の光210および212を生成する。
【0008】
性能を改良するために1:1結像システムを必要とする光学システムでは、光を集束させるためにデュアル放物面反射体システムを用いることができる。しかしながら、デュアル放物面反射体システムでは、集束光が極めて高い開口数(NA)を有することが考えられる。図3に示されるように、大きなNAをより小さなものに変換して光をさらに処理するために、テーパ光パイプ(TLP)318を用いることができる。
【0009】
TLP318の出力から見た場合に、SLPと同様の態様で集束光の多重像が形成されるが、集束光の反射は、TLPの出力において平面を形成しない。むしろ、集束光は、TLPの多重反射によって湾曲面319を形成する。面319の曲率は、TLP318のテーパ角度α(アルファ)に依存し得る。テーパ角度αは、システム要件を満たすように水平方向および垂直方向で異なり得る。この湾曲面319を平面のPBSアレイに集束することは、費用がかかって難しいことが考えられる。したがって、TLPからの光の偏光を行なうために、このような湾曲面を平面に変換することのできるシステムが必要とされる。
【0010】
【発明の概要】
一実施例において、TLPを用いた投影ディスプレイ用の照明エンジンが開示される。この照明エンジンは、第1および第2の焦点を有する反射体と、反射体の第1の焦点に近接して配置されて、反射体から反射して実質的に第2の焦点で集束する放射光線を射出する電磁放射源と、入力面および出力面を有するTLPとを含み、TLPの入力面は、実質的にすべての放射を収集して伝送するように第2の焦点に近接して配置される。照明エンジンはさらに、入力面および出力面を有するSLPを含み、SLPの入力面は、実質的にすべての放射を収集して伝送するようにTLPの出力面に近接して配置され、照明エンジンはさらに、実質的にすべての放射を収集して伝送するようにSLPの出力面に近接して配置されるコンデンサレンズと、実質的にすべての放射を収集して伝送するようにコンデンサレンズに近接して配置されるPBSとを含む。
【0011】
第2の実施例では、投影ディスプレイでTLPを用いるための方法が開示される。この方法は、反射体の第1の焦点に電磁放射源を位置付けるステップと、源によって放射光線を生成するステップと、反射体によって放射光線を第2の焦点に反射するステップと、入力面および出力面を有するTLPを、TLPの入力面が第2の焦点と実質的に近接するように位置付けるステップと、TLPの入力面において放射光線を収集するステップと、放射光線をTLPに通すことによって放射の開口数を調節するステップと、TLPの出力面から放射光線を出力するステップと、入力面および出力面を有するSLPを、SLPの入力面がTLPの出力面と実質的に近接するように位置付けるステップと、放射光線をSLPに通すことによって放射の輪郭を平坦化するステップと、放射を偏光させるステップとによって、実施することができる。
【0012】
第3の実施例では、TLPを用いた、投影ディスプレイ用の照明エンジンが開示される。この照明エンジンは、第1および第2の焦点を有する反射体と、反射体の第1の焦点に近接して配置されて、反射体から反射して実質的に第2の焦点で集束する放射光線を射出する電磁放射源と、入力面および出力面を有するTLPとを含み、TLPの入力面は、実質的にすべての放射を収集して伝送するように第2の焦点に近接して配置される。照明エンジンはさらに、入力面および出力面を有するレンズを含み、レンズの入力面は、実質的にすべての放射を収集して伝送するようにTLPの出力面に近接して配置され、照明エンジンはさらに、実質的にすべての放射を収集して伝送するようにレンズの出力面に近接して配置されるコンデンサレンズと、実質的にすべての放射を収集して伝送するようにコンデンサレンズに近接して配置されるPBSとを含む。レンズまたはレンズ系は、当業者には公知であるように、等高線状遅延素子の一例である。
【0013】
第4の実施例では、投影ディスプレイにおいてTLPを用いるための方法が開示される。この方法は、反射体の第1の焦点に電磁放射源を位置付けるステップと、源によって放射光線を生成するステップと、反射体によって放射光線を第2の焦点に反射するステップと、入力面および出力面を有するTLPを、TLPの入力面が第2の焦点と実質的に近接するように位置付けるステップと、TLPの入力面において放射光線を収集するステップと、放射光線をTLPに通すことによって放射の開口数を調節するステップと、TLPの出力面から放射光線を出力するステップと、入力面および出力面を有するレンズを、レンズの入力面がTLPの出力面と実質的に近接するように位置付けるステップと、放射光線をレンズに通すことによって放射の輪郭を平坦化するステップと、放射を偏光させるステップとによって、実施することができる。
【0014】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図4に、この発明の第1の実施例に従った照明エンジン400を示す。照明エンジン400は、第1の焦点404および第1の光学軸406を有する第1の反射体402と、第2の焦点410および第2の光学軸412を有して第1および第2の光学軸406および412が実質的に同一線上にあるように第1の反射体402と実質的に対称に配置された第2の反射体408とを含む。
【0015】
第1および第2の反射体402および408は、一般に、第1および第2の焦点404および410が1つの光学軸によって接続された1つの反射体であり得る。たとえば、第1および第2の反射体402および408が1つの楕円反射体である場合がこれに当てはまる。したがって、以下の説明は、1つの反射体、2つの別個の反射体、または当業者に公知の、放射を集束するあらゆる手段を含む照明エンジン400に適用される。
【0016】
第1および第2の反射体402および408は、たとえば、実質的に楕円、円環、球、または放物面の回転面の部分であってよい。また、第1の反射体402がたとえば実質的に回転楕円面の一部であり得、第2の反射体408が実質的に回転双曲面の一部を含む。または、第1の反射体402がたとえば実質的に回転双曲面の一部であり得、第2の反射体408が実質的に回転楕円面の一部を含む。
【0017】
第1および第2の反射体402および408は、電磁放射スペクトルの予め指定された部分のみを反射する被覆を有し得る。さまざまな実施例において、被覆は、たとえば可視光放射、予め指定された波長帯域の放射、または特定の色の放射のみを反射する。
【0018】
第1の反射体402から第2の反射体408に反射して実質的に第2の焦点410で集束する放射光線416を射出するために、電磁放射源414を第1の反射体402の第1の焦点404付近に配置することができる。電磁放射源414は、たとえば、キセノンランプ、金属ハロゲン化物ランプ、HIDランプ、または水銀ランプ等のアークランプであってよい。電磁放射源414はまた、ハロゲンランプまたはフィラメントランプであってよい。
【0019】
第2の焦点410で集束する放射光線416は、大きな開口数を有し得る。開口数を低減または調節するために、入力面420および出力面422を有するTLP418を、TLP418の入力面420が第2の焦点410に近接するように位置付けることができる。したがって、TLP418は、第2の焦点410で集束する放射416の実質的にすべてを収集して伝送し、入力面420に入る放射416の開口数も調節する。たとえば、TLP418が入力面420から出力面422に拡張する場合は、出力面422における放射416の開口数が低減される。
【0020】
入力面420に入る放射416の開口数を調節することに加え、TLP418の壁の内面反射によって焦点の多重像が生成されて像のアレイ419を生じる。像419は湾曲面を有し、湾曲面の曲率は、TLP418のテーパ角度α(アルファ)に依存する。
【0021】
TLP418の断面は、好ましくは矩形であり、テーパプロファイルは好ましくは線形である。TLP418は、たとえば石英、ガラス、プラスチック、またはアクリル樹脂で形成されてよい。
【0022】
図5に示されるように、同じく入力面526および出力面528を有する等高線状遅延素子524は、入力面526がTLP518の出力面522に近接して、像519に構成される放射516の実質的にすべてを収集して伝送するように配置され得る。一実施例において、等高線状遅延素子524の目的は、さまざまな放射光線516がTLP518の出力面522から出て行くのに伴なって、それらの進行距離を等化することであると考えられる。遅延の輪郭は、たとえば等高線状遅延素子524の中心から外側に、半径方向に分散し得る。像519によって形成された湾曲面519がたとえば凸状である場合に、等高線状遅延素子524は、縁に沿った光のビームよりも中央部の光を相対的により多く遅延させることができ、それによって像519の周辺部に沿った光のビームが追いつくことにより、等高線状遅延素子524の出力において湾曲面519を平坦化することができる。
【0023】
一実施例において、等高線状遅延素子524はレンズ系である。レンズ系は、球凸面、球凹面、円筒凸面、および円筒凹面を含むタイプの1つ以上のレンズを有し得る。凸面および凹面は、球面および非球面の湾曲を含む。レンズ系は、等高線状遅延素子の出力が平坦なプロファイルを有して、それがPBSアレイに光を効率良く結合するように設計される。
【0024】
等高線状遅延素子524は所望の結果を生じるが、実際のTLPのほとんどは、水平方向および垂直方向に異なったテーパプロファイルを有する。その結果、等高線状遅延素子524はこれらの2方向に異なるパワーを有するため、環状光学構成要素を用いなければならない。
【0025】
図6に示される別の実施例では、等高線状遅延素子624が一連のレンズである。環状光学構成要素を用いる代わりに、第1のレンズ624aが、第1の、たとえば水平なディメンションに放射616を遅延させることができ、第2のレンズ624bは、第2の、たとえば垂直なディメンションに放射616を遅延させる。各々が特定のディメンション専用である別個のレンズは、1つのレンズよりも生産しやすく、または、設計の柔軟性をより多く提供することができる。
【0026】
図7aに示される別の実施例において、等高線状遅延素子724はSLPである。入力光をTLPの入力において結像させずに、代わりにTLPの出力が用いられる。TLP718の出力端722における放射716は、像のアレイ706が生成されるようにSLP724の側壁によって反射される。TLP718が光出力を均質化するため、出力端722における強度プロファイルは均一である。
【0027】
図7bに示される好ましい実施例では、入力面726の面積が、出力面722の面積のたとえば2倍であり得る。長さ736は、長さ732のたとえば2倍であり得る。この実施例の改良例において、出力面722は第1の出力ディメンション730および第2の出力ディメンション732を有し、第2の出力ディメンション732は、第1の出力ディメンション730と実質的に直交する。入力面726は、第1の出力ディメンション730に対応する第1の入力ディメンション734と、第2の出力ディメンション732に対応する第2の入力ディメンション736とを有する。第1の入力ディメンション730は第1のディメンション734と実質的に等しいと考えられ、第2の入力ディメンション736は第2の出力ディメンション732の実質的に2倍であると考えられるため、出力面722の面積の2倍である入力面726の面積を生じる。
【0028】
TLP718の出力端722を光源として用いることにより、像のアレイ706が形成される。像のアレイ706は、可視域内の明るい帯域および暗い帯域として出現する。次に、PBSアレイ708上に、結像システム707によってこれらの帯域が結像され、PBSアレイ上の入力ストライプと合致することによって偏光を効率良く生成する。
【0029】
図7aに示されるように、集束レンズ738をPBS708アレイの出力面740付近に配置して、放射の偏光されたビーム742を受取ることができる。次に、集束レンズ738は、それらを像投影システム744に伝送し、像746は、集束レンズ738において収集されて集束された放射によって照明され得る。投影システム744は、収集されて集束された放射742を開放して像746を表示する。一実施例において、PBS708は一次元アレイを含む。別の実施例において、PBS708は二次元アレイを含む。
【0030】
図8に示される代替的一実施例では、追加の反射体836を配置して、第1の反射体802に直接当たらない、源814からの電磁放射の部分の少なくとも一部を、第1の反射体802の第1の焦点804を通して第1の反射体802に反射して返し、集束する光線の線束強度を高めることができる。好ましい一実施例において、追加の反射体836は、球面逆反射体であってよい。
【0031】
この発明を上で詳細に説明してきたが、この発明は、説明された特定の実施例に限定されることを意図されない。当業者が、この発明の概念から逸脱することなく、この明細書に記載された特定の実施例の多数の使途および変更例ならびにそれらからの発展例を生じ得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】偏光システムと共に用いるための、フライアイレンズを用いた放物面反射体システムの概略図である。
【図2】偏光システムと共に用いるための、楕円反射体システムおよびSLPの概略図である。
【図3】デュアル放物面反射体およびTLP照明エンジンの概略図である。
【図4】この発明の一実施例と共に用いるための、デュアル放物面反射体およびTLP偏光システムの図である。
【図5】図4の実施例と共に用いるための、等高線状遅延素子の図である。
【図6】この発明の第2の実施例に従った、レンズ系の図である。
【図7a】この発明の第3の実施例に従った、TLP/SLPを組合せた図である。
【図7b】図7aのSLPの詳細を示す図である。
【図8】この発明の一実施例と共に用いるための、逆反射体の図である。
Claims (61)
- 実質的に集束された電磁放射の源と、
入力面および出力面を有するTLPとを含み、前記TLPの前記入力面は、前記放射の実質的にすべてを収集して伝送するように配置され、さらに、
入力面および出力面を有するSLPを含み、前記SLPの前記入力面は、前記放射の実質的にすべてを収集して伝送するように前記TLPの前記出力面に近接して配置され、さらに、
前記放射の実質的にすべてを収集して伝送するように前記SLPの前記出力面に近接して配置されるコンデンサレンズと、
前記放射の実質的にすべてを収集して伝送するように前記コンデンサレンズに近接して配置されるPBSとを含む、照明エンジン。 - 前記実質的に集束された電磁放射の源は、
第1および第2の焦点を有する反射体と、
前記反射体の前記第1の焦点に近接して配置されて、前記反射体から反射して実質的に前記第2の焦点で集束する放射光線を射出する電磁放射源とを含む、請求項1に記載の照明エンジン。 - 前記TLPの前記出力面は出力領域をさらに含み、
前記SLPの前記入力面は入力領域をさらに含み、前記出力領域は前記入力領域よりも大きい、請求項1に記載の照明エンジン。 - 前記出力領域は、前記入力領域の実質的に2倍である、請求項3に記載の照明エンジン。
- 前記出力領域は、第1の出力ディメンションおよび第2の出力ディメンションを有し、前記第2の出力ディメンションは、前記第1の出力ディメンションに直交し、
前記入力領域は、前記第1の出力ディメンションに近接して配置される第1の入力ディメンションと、前記第2の出力ディメンションに近接して配置される第2の入力ディメンションとを有し、
前記第1の入力ディメンションは、前記第1の出力ディメンションと実質的に等しく、
前記第2の入力ディメンションは、前記第2の入力ディメンションの実質的に2倍である、請求項4に記載の照明エンジン。 - 前記電磁放射は、実質的に明るい帯域および暗い帯域で前記SLPの前記出力面から伝送され、
前記明るい帯域および暗い帯域は、前記PBSと実質的に合致する、請求項5に記載の照明エンジン。 - 前記TLPは、出力領域を有する出力面をさらに含み、
前記SLPは、入力領域を有する入力面をさらに含み、
前記出力領域は、前記入力領域と実質的に等しい、請求項1に記載の照明エンジン。 - 前記SLPは、石英、ガラス、プラスチック、またはアクリル樹脂からなる群から選択される材料を含む、請求項1に記載の照明エンジン。
- 前記TLPは、石英、ガラス、プラスチック、またはアクリル樹脂からなる群から選択される材料を含む、請求項1に記載の照明エンジン。
- 前記反射体は、実質的に回転楕円面の少なくとも一部を含む、請求項2に記載の照明エンジン。
- 前記反射体は、実質的に回転球面の少なくとも一部を含む、請求項2に記載の照明エンジン。
- 前記反射体は、実質的に回転円環面の少なくとも一部を含む、請求項1に記載の照明エンジン。
- 前記反射体は、第1の光学軸を有する第1の反射体を含み、前記第1の焦点は前記第1の反射体の焦点であり、前記照明エンジンは、
第2の光学軸を有して前記第1および第2の光学軸が実質的に同一線上にあるように前記第1の反射体と実質的に対称に配置された第2の反射体をさらに含み、前記第2の焦点は前記第2の反射体の焦点であり、
前記放射光線は、前記第1の反射体から前記第2の反射体に反射して、前記第2の焦点で実質的に集束する、請求項2に記載の照明エンジン。 - 前記第1および第2の反射体は、実質的に回転楕円面の少なくとも一部を含む、請求項13に記載の照明エンジン。
- 前記第1および第2の反射体は、実質的に回転円環面の少なくとも一部を含む、請求項13に記載の照明エンジン。
- 前記第1および第2の反射体は、実質的に回転球面の少なくとも一部を含む、請求項13に記載の照明エンジン。
- 前記第1および第2の反射体は、実質的に回転放物面の少なくとも一部を含む、請求項13に記載の照明エンジン。
- 前記第1の反射体は、実質的に回転楕円面の少なくとも一部を含み、
前記第2の反射体は、実質的に回転双曲面の少なくとも一部を含む、請求項13に記載の照明エンジン。 - 前記第1の反射体は、実質的に回転双曲面の少なくとも一部を含み、
前記第2の反射体は、実質的に回転楕円面の少なくとも一部を含む、請求項13に記載の照明エンジン。 - 前記反射体は、電磁放射スペクトルの予め指定された部分のみを反射する被覆を有する、請求項2に記載の照明エンジン。
- 前記被覆は、可視光放射、予め指定された波長帯域の放射、または特定の色の放射のみを反射する、請求項20に記載の照明エンジン。
- 前記電磁放射源によって射出された電磁放射の或る部分は前記反射体に直接当たり、前記電磁放射の或る部分は前記反射体に直接当たらず、前記システムは、前記反射体に直接当たらない前記電磁放射の前記部分の少なくとも一部を、前記反射体の前記第1の焦点を通して前記反射体に反射して、集束する光線の線束強度を高めるように構成されかつ配置される追加の反射体をさらに含む、請求項2に記載の照明エンジン。
- 前記追加の反射体は、前記源の、前記反射体とは反対の側に配置されて、前記反射体から離れる方向に前記源から射出された電磁放射を、前記反射体の前記第1の焦点を通して前記反射体に反射する球面逆反射体を含む、請求項22に記載の照明エンジン。
- 前記電磁放射源はアークランプを含む、請求項2に記載の照明エンジン。
- 前記アークランプは、キセノンランプ、金属ハロゲン化物ランプ、HIDランプ、または水銀ランプを含む群から選択されるランプを含む、請求項24に記載の照明エンジン。
- 前記電磁放射源は、ハロゲンランプおよびフィラメントランプからなる群から選択される、請求項2に記載の照明エンジン。
- 前記PBSの出力面に近接して配置される集束レンズと、
前記集束レンズの出力側に近接して配置される像投影システムと、
前記集束レンズにおいて収集されて集束された放射によって照明される像とをさらに含み、前記投影システムは、前記像を表示するために、前記収集されて集束された放射を開放する、請求項1に記載の照明エンジン。 - 前記PBSは一次元アレイを含む、請求項1に記載の照明エンジン。
- 前記PBSは二次元アレイを含む、請求項1に記載の照明エンジン。
- 実質的に集束された電磁放射を生成するステップと、
入力面および出力面を有するTLPを、前記TLPの前記入力面が前記実質的に集束された電磁放射の焦点に実質的に近接するように位置付けるステップと、
前記実質的に集束された電磁放射を前記入力面において収集するステップと、
前記電磁放射を前記TLPに通すことによって前記電磁放射の開口数を調節するステップと、
前記TLPの前記出力面から前記電磁放射を出力するステップと、
入力面および出力面を有するSLPを、前記SLPの前記入力面が前記TLPの前記出力面と実質的に近接するように位置付けるステップと、
前記電磁放射を前記SLPに通すことによって前記電磁放射の輪郭を平坦化するステップと、
前記電磁放射を偏光させるステップとを含む、照明方法。 - 実質的に集束された電磁放射を生成する前記ステップは、
電磁放射源を反射体の第1の焦点に位置付けるステップと、
前記源によって放射光線を生成するステップと、
前記反射体によって前記放射光線を第2の焦点に反射するステップとを含む、請求項30に記載の照明方法。 - 実質的に集束された電磁放射の源と、
入力面および出力面を有するTLPとを含み、前記TLPの前記入力面は、前記電磁放射の実質的にすべてを収集して伝送するように、前記実質的に集束された電磁放射の焦点に近接して配置され、さらに、
入力面および出力面を有する等高線状遅延素子を含み、
前記等高線状遅延素子の前記入力面は、前記電磁放射の実質的にすべてを収集して伝送するように、前記TLPの前記出力面に近接して配置され、さらに、
前記電磁放射の実質的にすべてを収集して伝送するように、前記等高線状遅延素子の前記出力面に近接して配置されるコンデンサレンズと、
前記電磁放射の実質的にすべてを収集して伝送するように、前記コンデンサレンズに近接して配置されるPBSとを含む、照明エンジン。 - 前記実質的に集束された電磁放射の源は、
第1および第2の焦点を有する反射体と、
前記反射体の前記第1の焦点に近接して配置されて、前記反射体から反射して実質的に前記第2の焦点で集束する放射光線を射出する電磁放射源とを含む、請求項1に記載の照明エンジン。 - 前記等高線状遅延素子はレンズである、請求項32に記載の照明エンジン。
- 前記レンズは、第1のディメンションに放射を遅延させるための第1のレンズであり、前記照明エンジンは、第2のディメンションに放射を遅延させるための第2のレンズをさらに含む、請求項34に記載の照明エンジン。
- 前記第1のディメンションは、前記第2のディメンションと実質的に直交する、請求項35に記載の照明エンジン。
- 前記レンズは、石英、ガラス、プラスチック、またはアクリル樹脂からなる群から選択される材料を含む、請求項34に記載の照明エンジン。
- 前記TLPは、石英、ガラス、プラスチック、またはアクリル樹脂からなる群から選択される材料を含む、請求項32に記載の照明エンジン。
- 前記反射体は、実質的に回転楕円面の少なくとも一部を含む、請求項33に記載の照明エンジン。
- 前記反射体は、実質的に回転球面の少なくとも一部を含む、請求項33に記載の照明エンジン。
- 前記反射体は、実質的に回転円環面の少なくとも一部を含む、請求項33に記載の照明エンジン。
- 前記反射体は、第1の光学軸を有する第1の反射体であり、前記第1の焦点は、前記第1の反射体の焦点であり、前記照明エンジンは、
第2の光学軸を有して前記第1および第2の光学軸が実質的に同一線上にあるように前記第1の反射体と実質的に対称に配置された第2の反射体をさらに含み、前記第2の焦点は前記第2の反射体の焦点であり、
前記放射光線は、前記第1の反射体から前記第2の反射体に反射して、前記第2の焦点において実質的に集束する、請求項33に記載の照明エンジン。 - 前記第1および第2の反射体は、実質的に回転楕円面の少なくとも一部を含む、請求項42に記載の照明エンジン。
- 前記第1および第2の反射体は、実質的に回転円環面の少なくとも一部を含む、請求項42に記載の照明エンジン。
- 前記第1および第2の反射体は、実質的に回転球面の少なくとも一部を含む、請求項42に記載の照明エンジン。
- 前記第1および第2の反射体は、実質的に回転放物面の少なくとも一部を含む、請求項42に記載の照明エンジン。
- 前記第1の反射体は、実質的に回転楕円面の少なくとも一部を含み、
前記第2の反射体は、実質的に回転双曲面の少なくとも一部を含む、請求項42に記載の照明エンジン。 - 前記第1の反射体は、実質的に回転双曲面の少なくとも一部を含み、
前記第2の反射体は、実質的に回転楕円面の少なくとも一部を含む、請求項42に記載の照明エンジン。 - 前記反射体は、電磁放射スペクトルの予め指定された部分のみを反射する被覆を有する、請求項33に記載の照明エンジン。
- 前記被覆は、可視光放射、予め指定された波長帯域の放射、または特定の色の放射のみを反射する、請求項49に記載の照明エンジン。
- 前記電磁放射源によって射出された電磁放射の或る部分は前記反射体に直接当たり、前記電磁放射の或る部分は前記反射体に直接当たらず、前記システムは、前記反射体に直接当たらない前記電磁放射の前記部分の少なくとも一部を、前記反射体の前記第1の焦点を通して前記反射体に反射して、集束する光線の線束強度を高めるように構成されかつ配置される追加の反射体をさらに含む、請求項33に記載の照明エンジン。
- 前記追加の反射体は、前記源の、前記反射体とは反対の側に配置されて、前記反射体から離れる方向に前記源から射出された電磁放射を、前記反射体の前記第1の焦点を通して前記反射体に反射する球面逆反射体を含む、請求項51に記載の照明エンジン。
- 前記電磁放射源はアークランプを含む、請求項33に記載の照明エンジン。
- 前記アークランプは、キセノンランプ、金属ハロゲン化物ランプ、HIDランプ、または水銀ランプを含む群から選択されるランプを含む、請求項53に記載の照明エンジン。
- 前記電磁放射源は、ハロゲンランプおよびフィラメントランプからなる群から選択される、請求項33に記載の照明エンジン。
- 前記PBSの出力面に近接して配置される集束レンズと、
前記集束レンズの出力側に近接して配置される像投影システムと、
前記集束レンズにおいて収集されて集束された放射によって照明される像とをさらに含み、前記投影システムは、前記像を表示するために、前記収集されて集束された放射を開放する、請求項32に記載の照明エンジン。 - 前記PBSは一次元アレイを含む、請求項32に記載の照明エンジン。
- 前記PBSは二次元アレイを含む、請求項32に記載の照明エンジン。
- 実質的に集束された電磁放射を生成するステップと、
入力面および出力面を有するTLPを、前記TLPの前記入力面が前記実質的に集束された電磁放射の焦点に実質的に近接するように位置付けるステップと、
前記実質的に集束された電磁放射を前記入力面において収集するステップと、
前記電磁放射を前記TLPに通すことによって前記電磁放射の開口数を調節するステップと、
前記TLPの前記出力面から前記電磁放射を出力するステップと、
入力面および出力面を有する等高線状遅延素子を、前記等高線状遅延素子の前記入力面が前記TLPの前記出力面と実質的に近接するように位置付けるステップと、
前記電磁放射を前記等高線状遅延素子に通すことによって前記電磁放射の輪郭を平坦化するステップと、
前記電磁放射を偏光させるステップとを含む、照明方法。 - 実質的に集束された電磁放射の前記源は、
第1および第2の焦点を有する反射体と、
前記反射体の前記第1の焦点に近接して配置されて、前記反射体から反射して実質的に前記第2の焦点で集束する放射光線を射出する電磁放射源とを含む、請求項59に記載の照明エンジン。 - 前記等高線状遅延素子はレンズを含む、請求項60に記載の照明エンジン。
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US26588901P | 2001-02-05 | 2001-02-05 | |
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