JP2006309231A - 照明ユニット及び方法、それを採用した画像投射装置及び方法 - Google Patents

照明ユニット及び方法、それを採用した画像投射装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 照明ユニット及び方法、それを採用した画像投射装置及び方法を提供する。
【解決手段】 コリメーティングされた光ビームを照射する少なくとも一つの光源ユニット、少なくとも一つの光源ユニット側から入射されたコリメーティングされた光ビームを均一な光ビームにする光インテグレータ、及び少なくとも一つの光源ユニットと光インテグレータとの間に配置され、少なくとも一つの光源ユニットから出射された光ビームの大きさを縮少して光インテグレータにガイドし、物体と像との１：１コンジュゲート特性を有するコンデンシングレンズシステムを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光を照明する照明ユニット及びそれを採用した画像投射装置に係り、特にさらに多い小型光源をアレイに配列して明るい画面を構成可能にする照明ユニット及び方法、それを採用した画像投射装置及び方法に関する。
一般的に、照明ユニットは、光を照射する光源、及びこの光源から照射された光を伝達する照明光学系から構成されるものであって、自体的に発光能力のない液晶表示（ＬＣＤ）素子またはデジタルマイクロミラー素子などの画像形成素子を利用して画像を具現する画像投射装置などに広く採用される。最近、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの小型の発光素子を光源として採用した照明ユニット及び画像投射装置が開発されている。
図１は、特許文献１に開示された従来の画像投射装置の光学系を示す図である。図１に示すように、従来の画像投射装置は、アレイに配列された赤色、緑色及び青色ＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射された色光をそれぞれレンズアレイ２Ｒ，２Ｇ，２Ｂによりコリメーティングし、色合成プリズム３を利用して合成する。色光は、色合成プリズム３を通じて一つの光路に統合された後、ＬＣＤ素子５に照明される。赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ及びＬＣＤ素子５の駆動は、表示制御回路８により制御される。照明光は、ＬＣＤ素子５で映像情報に変調されて投射レンズ６を通じてスクリーン７に映像情報を表現する。
前記のような従来の画像投射装置は、アレイに配列された赤色、緑色及び青色ＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの出射面積がＬＣＤ素子５の有効表示面積より広くなることができないので、複数のＬＥＤ光源をアレイし難くて投射された映像の輝度が制限される。
また、アレイに配列された赤色、緑色及び青色ＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射された光がコリメーティング用のレンズアレイ２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを通過した後で直ちにＬＣＤ素子５に照明されるので、投射スクリーン７での光均一度を得難い。
米国特許第６，８８２，３７９号明細書
本発明の目的は、前記した問題点を改善するためのものであって、アレイに配列される小型光源の数を十分に増加させうるので、明るい画面を構成でき、高い光効率を有する照明ユニット及び方法、それを採用した画像投射装置及び方法を提供するところにある。
前記目的を達成するための本発明による照明ユニットは、コリメーティングされた光ビームを照射する少なくとも一つの光源ユニット、前記少なくとも一つの光源ユニット側から入射されたコリメーティングされた光ビームを均一な輝度分布を有する均一な光ビームにする光インテグレータ、及び前記少なくとも一つの光源ユニットと光インテグレータとの間に配置され、前記光源ユニットから出射されたコリメーティングされた光ビームの大きさを縮少して前記光インテグレータにガイドし、物体と像との１：１コンジュゲート特性を有するコンデンシングレンズシステムを備えることを特徴とする。
前記コンデンシングレンズシステムは、テレセントリックレンズシステムであることが望ましい。
前記少なくとも一つの光源ユニットは、出射面を有し、前記光インテグレータは、入射面を有し、前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面及び前記光インテグレータの入射面は、類似した形状であり、前記コンデンシングレンズシステムは、前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面の大きさと前記光インテグレータの入射面の大きさとの比率に対応する倍率を有することが望ましい。
前記コンデンシングレンズシステムの物体面に、前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面が位置し、前記コンデンシングレンズシステムの上面に、前記光インテグレータの入射面が位置することが望ましい。
前記光インテグレータは、直方体構造のライトトンネル及びフライアイレンズのうちいずれか一つを備える。
前記光源ユニットは、複数個備えられ、この複数の光源ユニットは、異なる色光を照射し、前記複数の光源ユニットとコンデンシングレンズシステムとの間に、この複数の光源ユニットから出射される異なる色光を合成して、異なる色光を同じ光路に進める色合成プリズムをさらに備える。
前記光源ユニットは、２次元アレイ配列の複数のＬＥＤ光源、及び前記複数のＬＥＤ光源から出射された光をコリメーティングするコリメータを備える。
前記コリメータは、前記光源それぞれとモジュールをなす放物型の反射器がアレイに配列されてなりうる。
また、前記コリメータは、前記複数の光源ユニットの配列に対応するレンズアレイに形成されうる。
前記目的を達成するための本発明による画像投射装置は、前記した特徴点のうち少なくともいずれか一つを有する照明ユニット、前記照明ユニット側から入射される均一な輝度分布を有する均一な光ビームから入力された映像信号に対応する画像を形成する画像形成素子、及び前記画像形成素子で形成された画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットを備えることを特徴とする。
前記画像形成素子は、前記照明ユニットから照明された均一な光ビームを選択的に反射させて画像を形成する反射型の画像形成素子であり、前記照明ユニットと前記画像形成素子との間に配置され、前記照明ユニットから入射された光は、前記画像形成素子側に向かわせ、前記画像形成素子により反射された光は、スクリーン側に向かうように入射光路を変換する光路変換器を備える。
前記反射型の画像形成素子は、複数のマイクロミラーがアレイに配列されてなる素子でありうる。
前記反射型の画像形成素子は、反射型のＬＣＤ素子であり、前記光路変換器は、入射光を偏光方向によって透過または反射させる偏光選択性を有しうる。
前記画像形成素子は、透過型のＬＣＤ素子でありうる。
前記目的を達成するための本発明による光照明方法は、（ａ）コリメーティングされた光ビームを出射するステップ、（ｂ）前記コリメーティングされた光ビームの断面大きさを縮少して集束し、前記縮少された断面大きさを有する前記コリメーティングされた光ビームを物体と像との１：１コンジュゲート特性が維持されるようにガイドするステップ、及び（ｃ）前記ガイドされるコリメーティングされた光ビームを均一な光ビームに変換するステップを含むことを特徴とする。
前記目的を達成するための本発明による光照明方法を使用する画像投射方法は、（ｄ）均一な光ビームを使用して入力される画像信号に対応する画像を形成するステップ、及び（ｅ）前記（ｄ）ステップで形成された画像を拡大してスクリーン上に投射するステップを含むことを特徴とする。
本発明によれば、アレイに配列される小型光源の数に制約を受けず、十分な数の小型光源をアレイでき、光源ユニットから出射される主光線が平行な光をコンデンシングレンズシステムにより、その主光線の平行状態を維持したままでビームの大きさのみを縮少して光インテグレータに伝達できる。
したがって、高い光効率を有するシステムを構成でき、システムの設計時に十分な光量を確保可能に、ＬＥＤ光源のアレイ個数を最適化して設計でき、最大限明るい画面を具現できる。
また、コンデンシングレンズシステムにより、そのビームの大きさが縮少された光を光インテグレータでミキシングするので、均一化した照明光が得られる。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明による照明ユニット及びそれを採用した画像投射装置の望ましい実施形態を詳細に説明する。
図２は、本発明による照明ユニットの光学的構成を概略的に示す図であり、図３は、図２のコンデンシングレンズシステムによる光の進路を示す図である。
図２及び図３に示すように、本発明による照明ユニットは、コリメーティングされた光ビームを照射する少なくとも一つの光源ユニット、前記光源ユニット側から入射された光を均一な光にする光インテグレータ５０、及び前記光源ユニットと光インテグレータ５０との間に配置されるコンデンシングレンズシステム３０を備える。
前記光源ユニットは、複数個備えられうる。このとき、複数の光源ユニットは、異なる色光を照射するように設けられうる。図２及び図３では、例えば赤色、緑色、青色光を照射する第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃを備える例を示す。
図２及び図３のように、異なる色光を照射する第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃを備える場合、この第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃとコンデンシングレンズシステム３０との間には、色合成プリズム２０、例えばＸ−キューブプリズムをさらに備えることが望ましい。色合成プリズム２０は、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃから出射される色光を合成して、一つの光路に統合する。ここで、本発明による照明ユニットは、白色光を照射する単一光源ユニットを備えることもできる。この場合、色合成プリズム２０は不要である。
第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、後述する実施形態から分かるように、２次元に配列される複数のＬＥＤ光源、及びこの複数の光源から出射された光をコリメーティングするコリメータを備える。そして、コリメータは、複数のＬＥＤ光源の配列に対応するコリメーティングレンズ要素の配列でなるか、またはＬＥＤ光源それぞれとモジュールをなす放物型の反射器の配列でなりうる。コリメータは、その各コリメーティングレンズ要素または放物型の反射器が複数個でアレイされたＬＥＤ光源にそれぞれ一つずつ対応する方式で構成される。
第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、例えば赤色、緑色及び青色光を出射する。第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃから出射された赤色、緑色及び青色光は、色合成プリズム２０に入射される。色合成プリズム２０は、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃから入射される色光を同一な経路に進めるように入射光を合成する。
光インテグレータ５０は、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃ側から同一な光路に統合されて入射される光ビームを均一な光にする。この光インテグレータ５０としては、図４に示したような直方体形状のライトトンネル５１を備えることが望ましい。図４では、ライトトンネル５１が中空の構造である例を示す。ライトトンネル５１は、直方体形状の光学媒体ブロックであることもあることはいうまでもない。代案として、光インテグレータ５０として、ライトトンネル５１の代わりに一対のフライアイレンズ（図１１の１５１）を備えることもできる。
第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、出射面１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有し、ライトトンネル５１は、入射面５１ａを有するが、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの光出射面１１ａ，１１ｂ，１１ｃ及びライトトンネル５１の入射面５１ａは、類似した形状であることが望ましい。このとき、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの光出射面１１ａ，１１ｂ，１１ｃ及びライトトンネル５１の入射面５１ａは、画像投射装置の画像形成素子の横対縦の比率と同じ長方形構造であることが望ましい。
このために、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃにおいて、複数のＬＥＤ光源及びコリメータを構成するコリメーティングレンズ要素または放物型の反射器は、ライトトンネル５１の横対縦の比率と同じ長方形構造で配列される。
コンデンシングレンズシステム３０は、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃから出射された光ビームの断面積を縮少してライトトンネル５１にガイドし、物体と像との１：１コンジュゲート特性を有するように構成されることが望ましい。このように、物体と像との１：１コンジュゲート特性を有するコンデンシングレンズシステム３０を利用すれば、入射光は、倍率のみが変わってそのまま伝達され、エタンデュが保存される。このコンデンシングレンズシステム３０は、物体面から発した光を像面に実像として形成できる。
物体と像との１：１コンジュゲート特性は、例えばコンデンシングレンズシステム３０をテレセントリックレンズシステムで構成することによって達成されうる。したがって、コンデンシングレンズシステム３０は、テレセントリックレンズシステムであることが望ましい。このとき、コンデンシングレンズシステム３０は、その物体側と像側の両端がいずれもテレセントリック条件を満足することがさらに望ましい。
また、コンデンシングレンズシステム３０は、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの出射面１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、すなわちコリメータの出射面とライトトンネル５１の入射面５１ａとの大きさ比率に対応する倍率、さらに望ましくは、同じ倍率を有することが望ましい。
この場合、コンデンシングレンズシステム３０の物体面に第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの出射面１１ａ，１１ｂ，１１ｃを位置させ、上面にライトトンネル５１の入射面５１ａを位置させれば、後述するように、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃから出射される光を最大限の効率でライトトンネル５１に移動できる。また、コンデンシングレンズシステム３０がテレセントリック光学系であるため、後述するように、ライトトンネル５１に入射する光の角度の変調による損失も最小化できる。
ＬＥＤ光源は、厳密にいえば、点光源でなく面光源であるので、ＬＥＤ光源から出射されてコリメータによりコリメーティングされた光は、完全に平行光とならない。したがって、ＬＥＤ光源から出射され、コリメータによりコリメーティングされたビームの主光線は平行し、その主光線それぞれを中心軸として発散する光が存在する。
第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの出射面１１ａ，１１ｂ，１１ｃの面積をＡ、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃから出射される光のうち、主光線に対して発散する光の発散角をθＡ、ライトトンネル５１の入射面５１ａの面積をＢ、ライトトンネル５１に入射する光のうち、主光線に対して収斂する光の収斂角をθＢとする。
物体面から主光線に対して対称的に発散する光を像面から主光線に対して収斂する光に伝達するとき、エタンデュが保存される。
第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの出射面１１ａ，１１ｂ，１１ｃがコンデンシングレンズシステム３０の物体面に位置し、ライトトンネル５１の入射面５１ａがコンデンシングレンズシステム３０の上面に位置するとき、エタンデュの保存によって、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの出射面１１ａ，１１ｂ，１１ｃの面積Ａと、その出射面から出射され、主光線に対して発散する光の発散角θＡのサイン自乗（ｓｉｎ２θＡ）とを乗ずる値、及びライトトンネル５１の入射面５１ａの面積Ｂと、その入射面５１ａでの主光線に対して収斂する光の収斂角θＢのサイン自乗（ｓｉｎ２θＡ）とを乗ずる値が同一にする。したがって、ライトトンネル５１の入射面５１ａの面積Ｂが第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの出射面１１ａ，１１ｂ，１１ｃの面積Ａより小さいので、ライトトンネル５１の入射面５１での主光線に対して収斂する光の収斂角θＢは、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの出射面１１ａ，１１ｂ，１１ｃでの主光線に対して発散する光の発散角θＡより大きくなる。
一方、テレセントリックレンズシステムは、図３の光路図から分かるように、物体面で主光線が平行した光を、その主光線の平行状態をそのまま維持しつつ上面に伝達できるレンズシステムである。
コンデンシングレンズシステム３０は、物体と像との１：１コンジュゲート特性を有し、テレセントリックレンズシステムであるので、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃから出射された主光線がほぼ平行した光は、このコンデンシングレンズシステム３０によりそのビームの大きさのみが小さくなり、主光線は、平行状態を維持したままでライトトンネル５１に入射される。
したがって、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃから出射された光は、そのビームの大きさのみが小さくなってライトトンネル５１に入射され、その主光線の平行状態は維持されるので、光源ユニットから出射する光を最大限の効率でライトトンネル５１に移動できる。また、エタンデュの保存によって、ライトトンネル５１の入射面５１ａでの主光線に対して収斂する光の収斂角θＢが、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの出射面１１ａ，１１ｂ，１１ｃでの主光線に対して発散する光の発散角θＡより大きくなるが、主光線は平行状態を維持するので、主光線が非平行状態に入射される場合に比べて、ライトトンネル５１に入射する光の角度の変調による損失も最小化できる。
ここで、ライトトンネル５１に入射される光が集束光形態である場合、その主光線が平行しないだけでなく、その主光線を中心軸として収斂する光が存在する。したがって、この場合には、ライトトンネル５１内での内部全反射（ＴＩＲ）条件を満足しない光が、主光線が平行した場合に比べて多く存在するので、入射光の主光線が平行した場合に比べて光伝達損失がはるかに大きい。
一方、図２及び図３では、コンデンシングレンズシステム３０が４個のレンズからなる例を示すが、物体と像との１：１コンジュゲート特性を有する範囲内でレンズの個数及びその設計仕様は多様に変形されうる。さらに、コンデンシングレンズシステム３０は、テレセントリックレンズシステムを満足する範囲内で多様に変形されうる。
前記したような本発明による照明ユニットによれば、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃから出射された主光線が平行したビームを、その主光線の平行状態は維持しつつビームの大きさのみを縮少して、光インテグレータ５０、例えばライトトンネル５１に伝達できるので、光伝達効率が優秀であり、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの出射面１１ａ，１１ｂ，１１ｃの面積を光インテグレータ５０の入射面、例えばライトトンネル５１の入射面５１ａの面積より広くすることができるので、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃに配列されるＬＥＤ光源の数に制約を受けず、さらに多いＬＥＤ光源をアレイできる。したがって、本発明による照明ユニットによれば、高い光効率を有するシステムを構成でき、システムの設計時に十分な光量を確保可能に、ＬＥＤ光源のアレイ個数を最適化して設計できるので、最大限明るい画面を具現できる。また、本発明による照明ユニットは、コンデンシングレンズシステム３０によりそのビームの大きさが縮少された光を光インテグレータ５０でミキシングするので、均一化された照明光が得られる。
以下では、本発明による照明ユニットを適用した画像投射装置の多様な実施形態について説明する。
図５は、本発明による照明ユニットを適用した画像投射装置の一実施形態の光学的構成を概略的に示す図である。図５に示すように、本発明の一実施形態による画像投射装置は、照明ユニット、前記照明ユニット側から入射された光から入力された映像信号に対応する画像を形成する画像形成素子８０、及び画像形成素子８０で形成された画像をスクリーン１００に拡大投射させる投射レンズユニット９０を備えて構成される。
本実施形態において、照明ユニットの第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、それぞれ２次元にアレイされた複数のＬＥＤ光源１３、及びこの複数のＬＥＤ光源１３から出射された光をコリメーティングするコリメータ１５を備え、コリメータ１５は、レンズアレイ方式で形成される。
図６に示すように、コリメータ１５は、前記複数のＬＥＤ光源１３の配列に対応して２次元に配列された複数のコリメーティングレンズ要素１５ａを備える。コリメータ１５の各コリメーティングレンズ要素１５ａは、アレイされた複数のＬＥＤ光源１３にそれぞれ一つずつ対応する。
コリメータ１５は、図６に示したように、２次元にアレイされた複数のコリメーティングレンズ要素が形成された単一レンズプレート構造で形成されうる。
前記のように、複数のＬＥＤ光源１３は、２次元アレイをなすように配列され、コリメータ１５のコリメーティングレンズ要素１５ａも、複数のＬＥＤ光源１３の配列にそれぞれ対応して２次元アレイに配列されうる。
複数のＬＥＤ光源１３それぞれは、対応するコリメーティングレンズ要素１５ａの焦点に位置する。
前述したように、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、出射面を有し、光インテグレータ５０、例えばライトトンネル５１は、入射面５１ａを有するが、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの光出射面及びライトトンネル５１の入射面５１ａは、類似した形状であり、画像形成素子８０の横対縦の比率と同じ長方形構造を有することが望ましい。
このとき、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃにおいて、複数のＬＥＤ光源１３及びコリメータ１５のコリメーティングレンズ要素１５ａは、ライトトンネル５１の横対縦の比率と同じ長方形構造に配列される。
ここで、照明ユニットの残りの構成は、図２ないし図４を参照として前述したものと同一であるので、同じ参照符号で表記し、その反復的な説明は省略する。
第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃから出射されたその主光線が平行であるほぼ平行な光は、色合成プリズム２０により単一光路に統合されてコンデンシングレンズシステム３０に入射され、このコンデンシングレンズシステム３０により、その主光線の平行状態が維持されつつ、そのビームの大きさのみが縮少されてライトトンネル５１に入射される。ライトトンネル５１では、その輝度分布が均一化した白色光が出射され、この均一化した照明光は、画像形成素子８０に照射される。
本実施形態において、画像形成素子８０は、反射型の画像形成素子であって、入射された均一な照明光を画素単位で制御して画像を形成する。
かかる反射型の画像形成素子８０としては、反射型のＬＣＤ素子（図１１の１８１）やマイクロミラーがアレイに形成されたデバイスパネル、すなわちＤＬＰ（デジタルライトプロセッシング）パネル８１（または、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）ともいう）を使用できる。代案として、画像形成素子８０としては、透過型のＬＣＤ素子（図１２の２８１）を使用することもできる。
図５では、ＤＬＰパネル８１を画像形成素子８０として使用した実施形態を示す。ＤＬＰパネル８１は、独立的に駆動される２次元配列構造のマイクロミラーアレイを含むものであって、入力された画像信号によって各画素別に反射光の角度を変えることによって、画像を形成する。
一方、画像形成素子８０として反射型の画像形成素子を備える場合には、ライトトンネル５１と画像形成素子８０との間でライトトンネル５１から入射される光は、画像形成素子８０に向かわせ、画像形成素子８０から反射された画像情報を表す光は、投射レンズユニット９０側に進むように入射光の進路を変換する光路変換器をさらに備えることが望ましい。反射型の画像形成素子８０としてＤＬＰパネル８１を備える場合には、図５に示したように、光路変換器としてＴＩＲプリズム７０を使用できる。
一方、光インテグレータ５０と光路変換器との間（例えば、ライトトンネル５１とＴＩＲプリズム７０との間）の光路上には、光インテグレータ５０から出射される光を画像形成素子８０の有効面積に合わせて拡大または縮少するリレイレンズシステム６０をさらに備えることが望ましい。
前記したような構成を有する本発明の一実施形態による画像投射装置において、画像形成素子８０で形成された画像情報を含む光は、ＴＩＲプリズム７０を透過して投射レンズユニット９０に向かい、投射レンズユニット９０は、画像形成素子８０で形成された画像をスクリーン１００に拡大投射する。
図７は、本発明による照明ユニットを適用した画像投射装置の他の実施形態を示す図であって、図５と比較するとき、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃが、複数のＬＥＤ光源１３、及びこのＬＥＤ光源１３それぞれとモジュールをなす放物型の反射器１２０の配列でなるコリメータ１１５を備える点のみで差がある。ＬＥＤ光源１３に対応する放物型の反射器１２０は、光モジュールを構成する。ここで、図５と同じ参照符号は、実質的に同一または類似した機能を行う部材を表す。
図８は、図７の第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの構造を概略的に示す斜視図である。図８に示したように、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、複数のＬＥＤ光源１３、及びこのＬＥＤ光源１３それぞれとモジュールをなす放物型の反射器１２０の配列でなるコリメータ１１５を備える。コリメータ１１５は、放物型の反射器１２０が複数個にアレイされたＬＥＤ光源１３にそれぞれ一つずつ対応する構成を有する。
これにより、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、ＬＥＤ光源１３と放物型の反射器１２０とからなるＬＥＤ光モジュールの複数個を２次元アレイに配列した形態を有する。ここで、ＬＥＤ光源１３は、一般的にメタルハライドランプや超高圧水銀ランプに比べて光量が少ないため、光源として使われるときには、アレイ形態に使われることが望ましい。
図９は、図８のＬＥＤ光モジュールの一つを抜粋して示した斜視図であり、図１０は、図９のX−Xの断面図である。
図８ないし図１０に示すように、各ＬＥＤ光モジュールは、ＬＥＤ光源１３、及びこのＬＥＤ光源１３から出射された光をコリメーティングするための放物型の反射器１２０を備える。
放物型の反射器１２０は、放物反射面１２１、入光面１２２及び光ガイド部１２４を備える。入光面１２２を通じて放物型の反射器１２０の内部に入射された光は、放物反射面１２１により反射されて光ガイド部１２４側に進む。
入光面１２２は、例えば放物反射面１２１の主軸１２６を含むか、または主軸１２６を含む平面と平行するか、または主軸１２６を含む平面に対して所定の角度で傾斜した面でありうる。入光面１２２の中心部には、ＬＥＤ光源１３のＬＥＤチップ１３ａが挿入可能な大きさに球面状の凹部１２３が形成されている。光ガイド部１２４は、長方形の断面を有する。
放物型の反射器１２０は、ＬＥＤ光源１３が光ガイド部１２４に比べて下部に突出されるように結合可能に形成されたことが望ましい。このために、光ガイド部１２４の入光面１２２と平行な面１２５は、入光面１２２に対して上方に、すなわち光ガイド部１２４の断面の大きさを縮少する方向に段差的に形成されたことが望ましい。
このように放物型の反射器１２０を形成すれば、放物反射面１２１から反射された光が再びＬＥＤ光源１３のドーム部分を通過することを減らすので、さらに多い光が光ガイド部１２４を通過させることが可能である。
ここで、ＬＥＤ光源１３から放射された光のうち一部の光が放物反射面１２１から反射された後に凹部１２３側に進めば、放物型の反射器１２０の内部材質とその外部媒質との屈折率差により凹部１２３から反射されるか、または凹部１２３を透過して光量の減少が起きうる。このとき、光ガイド部１２４の出射面１２７での光量分布がその出射面の中心から若干上側に偏った形態に表れうる。しかし、図９のように、光ガイド部１２４の入光面１２２と平行な面１２５を入光面１２２より上側に段差的に形成すれば、さらに多い光が光ガイド部１２４を通過可能にし、出射面１２７での光量分布を出射面の中心に集中させうる。
このとき、入光面１２２と光ガイド部１２４の面１２５との段差量は、凹部１２３の形状及び大きさに鑑みて、その放物型の反射器１２０の出射面１２７で均一な光量分布が得られる範囲内で適切に調節されうる。
放物反射面１２１は、円錐係数Ｋ＝−１である厳密な放物面のみを意味するものではない。放物型の反射器１２０で使われる放物反射面１２１は、Ｋが−０．４ないし−２．５、望ましくは、−０．７ないし−１．６の非球面を意味する。放物反射面１２１のためのＫは、ＬＥＤ光源１３から放射される光を照明しようとする対象体に有効に照明できる放射角度範囲でコリメーティングさせるために、前記の範囲内で適切に選定されうる。Ｋ＝−１である放物反射面１２１を例として説明する。
ＬＥＤ光源１３は、光を放出するＬＥＤチップ１３ａを備える。図示していないが、ＬＥＤ光源１３には、ＬＥＤチップ１３ａで発生する熱を放出するための熱放出体、及びＬＥＤチップ１３ａに電流を印加するために使われる電極などが設けられる。
ＬＥＤ光源１３は、ドームレンズ（または、キャップ）１３ｂをさらに備える。ＬＥＤ光源１３は、放物反射面１２１の焦点Ｆに位置する。すなわち、ＬＥＤ光源１３は、そのＬＥＤチップ１３ａが放物反射面１２１の焦点Ｆに位置するように設置される。凹部１２３は、ＬＥＤ光源１３のＬＥＤチップ１３ａを放物反射面１２１の焦点Ｆ付近に位置させるための空間を提供する。凹部１２３は、ＬＥＤ光源１３のドームレンズ（または、キャップ）１３ｂの形状に対応して、放物反射面１２１の焦点を中心とする球形に形成されうる。
ここで、前述したように、ＬＥＤチップ１３ａは、厳密にいえば、点光源でない面光源であるので、あらゆる発光点が正確に放物反射面１２１の焦点Ｆに位置できない。したがって、ＬＥＤチップ１３ａから発光され、放物反射面１２１から反射された光は、完全な平行光とならず、平行な主光線に対して分岐する光が存在しうる。
ＬＥＤ光源１３は、その光軸ｃが放物反射面１２１の主軸１２６とほぼ垂直に配置されることが望ましいが、これにより、本発明の範囲が限定されるものではない。
ＬＥＤチップ１３ａから放射された光は、凹部１２３を通じて放物型の反射器１２０の内部に入射される。光は、放物反射面１２１から反射されてほぼ主軸１２６と平行な光にコリメーティングされる。光は、光ガイド部１２４の内部に伝播されて出射面１２７に出射される。出射面１２７の２次元アレイ配列がコリメータ１１５の出射面１１５ａに該当する。
一方、ＬＥＤ光源１３としては、ドームレンズ（または、キャップ）なしにＬＥＤチップ１３ａが露出されたタイプを備えることもできるが、この場合、凹部１２３には、緩衝物質が充填されることが望ましい。
ＬＥＤチップ１３ａが露出されたタイプである場合、放物型の反射器１２０とＬＥＤチップ１３ａとの間には、空気が介在される。ＬＥＤチップ１３ａから放射された光が放物型の反射器１２０に入射されるとき、空気と放物型の反射器１２０の光ガイド部１２４との屈折率差により、その凹部１２３の境界面で屈折される。これにより、光の放射位置が放物反射面１２１の焦点Ｆから外れるため、コリメーティング効率が低下する。緩衝物質は、放物型の反射器１２０と外部媒質（例えば、空気）との屈折率差を補償するためのものである。緩衝物質の屈折率は、放物型の反射器１２０の屈折率と空気の屈折率との間であることが望ましい。ＬＥＤ光源１３がドームレンズ（または、キャップ）１３ｂを備えるタイプである場合にも、必要によって凹部に緩衝物質が充填されうるが、このときの緩衝物質の屈折率は、ドームレンズ（または、キャップ）１３ｂの屈折率と放物型の反射器１２０の屈折率との間であることが望ましい。
図１１は、本発明による照明ユニットを適用した画像投射装置のさらに他の実施形態を示す図である。ここで、前述した実施形態と同じ部材は同じ参照符号で表示し、その反復的な説明は省略する。
図１１に示すように、本発明のさらに他の実施形態による画像投射装置は、図８の画像投射装置と比較するとき、画像形成素子８０として反射型のＬＣＤ素子１８１を備える。このとき、本実施形態による画像投射装置は、光インテグレータ５０として凸レンズまたは円筒形のレンズ状の複数のレンズセルアレイを有する一対のフライアイレンズ１５１を備えることが望ましい。代案として、光インテグレータ５０として、フライアイレンズ１５１の代わりにライトトンネル（図４の５１）を備えることもできる。
本実施形態による画像投射装置において、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃとしては、図５のアレイされたＬＥＤ光源及びレンズアレイ方式のコリメータ、または図７のアレイされたＬＥＤ光源及び放物型の反射器方式のコリメータを適用できる。
フライアイレンズ１５１の入射面は、照明ユニットのコンデンシングレンズシステム３０の上面に位置することが望ましい。
反射型のＬＣＤ素子１８１は、入射される均一な照明光を画素単位で選択的に反射させて画像を形成する。この反射型のＬＣＤ素子１８１は、画像信号によって画素単位で入射光の偏光を変化させて反射光をオン、オフさせることによって、画像を形成する。
画像形成素子８０として反射型のＬＣＤ素子１８１を適用する場合、入射光路を変換するための光路変換器として偏光ビームスプリッタ１７０を備えることが望ましい。偏光ビームスプリッタ１７０は、照明ユニット側から入射された一偏光を反射型のＬＣＤ素子１８１側に向かわせ、反射型のＬＣＤ素子１８１から反射されて入射される他の偏光が投射レンズユニット９０側に向かうように、入射光路を変換する。
フライアイレンズ１５１と偏光ビームスプリッタ１７０との間の光路上には、光効率を向上させるために、照明ユニットから照射された光が単一偏光となって偏光ビームスプリッタ１７０に入射されるようにする偏光変換素子１５５をさらに備えることが望ましい。この偏光変換素子１５５は、複数の小型の偏光ビームスプリッタ１５６により光を偏光によって分離し、所定の偏光の光路上にのみ半波長板１５７を配置することによって、偏光変換素子１５５に入射された無偏光のほとんどを特定の偏光に変える。かかる偏光変換素子１５５については、本技術分野で周知されている。
図１２は、本発明による照明ユニットを適用した画像投射装置のさらに他の実施形態を示す図である。図１２に示すように、本実施形態による画像投射装置は、図１１の画像投射装置と比較するとき、画像形成素子８０として透過型のＬＣＤ素子２８１を備える点で差がある。画像形成素子８０として透過型のＬＣＤ素子２８１を備える場合、光路変換器としての機能を行う偏光ビームスプリッタ（図１１の１７０）は不要である。
透過型のＬＣＤ素子２８１は、画像信号によって画素単位で入射される均一な照明光の偏光を変化させて透過光をオン、オフさせることによって、画像を形成する。
本実施形態による画像投射装置において、第１光源ユニットないし第３光源ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃとしては、図５のアレイされたＬＥＤ光源及びレンズアレイ方式のコリメータ、または図７のアレイされたＬＥＤ光源及び放物型の反射器方式のコリメータを適用できる。
前記したように、本発明による照明ユニットは、多様な実施形態の画像投射装置に適用されうる。
以上、本発明による照明ユニット及びそれを適用した画像投射装置が小型光源としてＬＥＤ光源を使用すると説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、他の種類の小型光源を使用することもできる。例えば、小型光源として有機電界発光（ＥＬ）素子または電界発光素子（ＦＥＤ）を使用することもできる。
本発明は、画像投射装置関連の技術分野に適用可能である。
米国特許第６，８８２，３７９号明細書に開示された従来の画像投射装置の光学系を示す図である。 本発明による照明ユニットの光学的構成を概略的に示す図である。 図２のコンデンシングレンズシステムによる光路を示す図である。 図２のライトトンネルを概略的に示す斜視図である。 本発明による照明ユニットを適用した画像投射装置の一実施形態の光学的構成を概略的に示す図である。 図５のレンズアレイ方式のコリメータを概略的に示す斜視図である。 本発明による照明ユニットを適用した画像投射装置の他の実施形態を示す図である。 図７の第１光源ユニットないし第３光源ユニットの構造を概略的に示す斜視図である。 図８のＬＥＤ光モジュールの一つを抜粋して示す斜視図である。 図９のX−Xの断面図である。 本発明による照明ユニットを適用した画像投射装置のさらに他の実施形態を示す図である。 本発明による照明ユニットを適用した画像投射装置のさらに他の実施形態を示す図である。
符号の説明
１０ａ 第１光源ユニット
１０ｂ 第２光源ユニット
１０ｃ 第３光源ユニット
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 出射面
２０ 色合成プリズム
３０ コンデンシングレンズシステム
５０ 光インテグレータ
５１ ライトトンネル
５１ａ 入射面

Claims (32)

  1. コリメーティングされた光ビームを照射する少なくとも一つの光源ユニットと、
    前記少なくとも一つの光源ユニット側から入射されたコリメーティングされた光ビームを均一な光ビームにする光インテグレータと、
    前記少なくとも一つの光源ユニットと光インテグレータとの間に配置され、前記少なくとも一つの光源ユニットから出射されたコリメーティングされた光ビームの大きさを縮少して前記光インテグレータにガイドし、物体と像との１：１コンジュゲート特性を有するコンデンシングレンズシステムと、を備えることを特徴とする照明ユニット。
  2. 前記均一な光ビームは、均一な輝度分布を有することを特徴とする請求項１に記載の照明ユニット。
  3. 前記コンデンシングレンズシステムは、テレセントリックレンズシステムを備えることを特徴とする請求項１に記載の照明ユニット。
  4. 前記少なくとも一つの光源ユニットは、出射面を有し、前記光インテグレータは、入射面を有し、前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面及び前記光インテグレータの入射面は、類似した形状であり、
    前記コンデンシングレンズシステムは、前記光源ユニットの出射面の大きさと前記光インテグレータの入射面の大きさとの比率に対応する倍率を有することを特徴とする請求項３に記載の照明ユニット。
  5. 前記コンデンシングレンズシステムの物体面に、前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面が位置し、前記コンデンシングレンズシステムの上面に、前記光インテグレータの入射面が位置することを特徴とする請求項４に記載の照明ユニット。
  6. 前記少なくとも一つの光源ユニットは、出射面を有し、前記光インテグレータは、入射面を有し、前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面及び前記光インテグレータの入射面は、類似した形状であり、
    前記コンデンシングレンズシステムは、前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面の大きさと前記光インテグレータの入射面の大きさとの比率に対応する倍率を有することを特徴とする請求項１に記載の照明ユニット。
  7. 前記コンデンシングレンズシステムの倍率は、前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面の大きさと前記光インテグレータの入射面の大きさとの比率と同一であることを特徴とする請求項６に記載の照明ユニット。
  8. 前記コンデンシングレンズシステムの物体面に前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面が位置し、前記コンデンシングレンズシステムの上面に前記光インテグレータの入射面が位置することを特徴とする請求項６に記載の照明ユニット。
  9. 前記光インテグレータは、直方体構造のライトトンネル及びフライアイレンズのうちいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の照明ユニット。
  10. 前記少なくとも一つの光源ユニットは、出射面を有し、前記光インテグレータは、入射面を有し、前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面及び前記光インテグレータの入射面は、同じ横対縦の比率の類似した形状を有することを特徴とする請求項１に記載の照明ユニット。
  11. 前記少なくとも一つの光源ユニットは、異なる色光を出射する複数の光源ユニットを備え、
    前記複数の光源ユニットとコンデンシングレンズシステムとの間に、この複数の光源ユニットから出射される異なる色光を合成して、前記異なる色光を同じ光路に進める色合成プリズムをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし１０のうちいずれか一項に記載の照明ユニット。
  12. 前記複数の光源ユニットのうち少なくとも一つは、
    ２次元アレイ配列の複数のＬＥＤ光源と、
    前記複数のＬＥＤ光源から出射された光をコリメーティングするコリメータと、を備えることを特徴とする請求項１１に記載の照明ユニット。
  13. 前記コリメータは、前記複数のＬＥＤ光源それぞれとモジュールをなす複数の放物型の反射器がアレイに配列されてなることを特徴とする請求項１２に記載の照明ユニット。
  14. 前記コリメータは、前記複数の光源ユニットの配列に対応するレンズアレイに形成されることを特徴とする請求項１２に記載の照明ユニット。
  15. 請求項１ないし１０のうちいずれか一項に記載の照明ユニットと、
    前記照明ユニット側から入射される均一な光ビームから入力された映像信号に対応する画像を形成する画像形成素子と、
    前記画像形成素子で形成された画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットとを備えることを特徴とする画像投射装置。
  16. 前記画像形成素子は、前記照明ユニットから照明された均一な光ビームを選択的に反射させて画像を形成する反射型の画像形成素子を備え、
    前記照明ユニットと前記画像形成素子との間に配置され、前記照明ユニットから入射された均一な光ビームは、前記画像形成素子側に向かわせ、前記画像形成素子により反射された光は、スクリーン側に向かうように入射光路を変換する光路変換器を備えることを特徴とする請求項１５に記載の画像投射装置。
  17. 前記反射型の画像形成素子は、複数のマイクロミラーがアレイに配列されてなる素子であることを特徴とする請求項１６に記載の画像投射装置。
  18. 前記反射型の画像形成素子は、反射型の液晶表示素子を備え、
    前記光路変換器は、入射される前記均一な光ビームを偏光方向によって透過または反射させる偏光選択性を有することを特徴とする請求項１６に記載の画像投射装置。
  19. 前記画像形成素子は、透過型の液晶表示素子であることを特徴とする請求項１５に記載の画像投射装置。
  20. 前記少なくとも一つの光源ユニットは、異なる色光を出射する複数の光源ユニットを備え、
    前記複数の光源ユニットとコンデンシングレンズシステムとの間に、この複数の光源ユニットから出射される異なる色光を合成して、前記異なる色光を同一な光路に進める色合成プリズムをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の画像投射装置。
  21. 前記複数の光源ユニットのうち少なくとも一つは、
    ２次元アレイ配列の複数のＬＥＤ光源と、
    前記複数のＬＥＤ光源から出射された光をコリメーティングするコリメータと、を備えることを特徴とする請求項２０に記載の画像投射装置。
  22. 前記コリメータは、前記複数のＬＥＤ光源それぞれとモジュールをなす複数の放物型の反射器がアレイに配列されてなることを特徴とする請求項２１に記載の画像投射装置。
  23. 前記コリメータは、前記複数の光源ユニットの配列に対応するレンズアレイに形成されることを特徴とする請求項２１に記載の画像投射装置。
  24. （ａ）コリメーティングされた光ビームを出射するステップと、
    （ｂ）前記コリメーティングされた光ビームの断面大きさを縮少して集束し、前記縮少された断面大きさを有する前記コリメーティングされた光ビームを物体と像との１：１コンジュゲート特性が維持されるようにガイドするステップと、
    （ｃ）前記ガイドされるコリメーティングされた光ビームを均一な光ビームに変換するステップとを含むことを特徴とする光照明方法。
  25. 前記（ａ）ステップは、出射面を有する少なくとも一つの光源ユニットを使用して行われ、前記（ｃ）ステップは、入射面を有する光インテグレータを使用して行われ、
    前記（ｂ）ステップで前記コリメーティングされた光ビームの断面大きさを縮小することは、前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面の大きさと前記光インテグレータの入射面の大きさとの比率による倍率を有するコンデンシングレンズシステムを使用して行われることを特徴とする請求項２４に記載の光照明方法。
  26. 前記コンデンシングレンズシステムの倍率は、前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面の大きさと前記光インテグレータの入射面の大きさとの比率と同一であることを特徴とする請求項２５に記載の光照明方法。
  27. 前記（ｃ）ステップは、直方体構造の少なくとも一つのライトトンネルまたは少なくとも一つのフライアイレンズを使用して、前記ガイドされるコリメーティングされた光ビームをインテグレーティングすることを特徴とする請求項２４に記載の光照明方法。
  28. 前記（ａ）ステップは、出射面を有する少なくとも一つの光源ユニットを使用して行われ、前記（ｃ）ステップは、入射面を有する光インテグレータを使用して行われ、
    前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面及び前記光インテグレータの入射面は、同じ横対縦の比率の類似した形状を有することを特徴とする請求項２４に記載の光照明方法。
  29. 請求項２４ないし２７のうちいずれか一項に記載の光照明方法を使用する画像投射方法であって、
    （ｄ）均一な光ビームを使用して入力される画像信号に対応する画像を形成するステップと、
    （ｅ）前記（ｄ）ステップで形成された画像を拡大してスクリーン上に投射するステップと、を含むことを特徴とする画像投射方法。
  30. 前記（ａ）ステップは、出射面を有する少なくとも一つの光源ユニットを使用して行われ、前記（ｃ）ステップは、入射面を有する光インテグレータを使用して行われ、前記（ｄ）ステップは、画像形成素子を使用して行われ、
    前記少なくとも一つの光源ユニットの出射面及び前記光インテグレータの入射面は、前記画像形成素子と同じ横対縦の比率の類似した形状を有することを特徴とする請求項２９に記載の画像投射方法。
  31. 前記（ｄ）ステップは、前記均一な光ビームを選択的に反射する反射型の画像形成素子を使用して行われ、前記（ｄ）ステップは、前記均一な光ビームの経路を変換し、画像情報を表す光を反射するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の画像投射方法。
  32. 前記均一な光ビームの経路変換は、前記均一な光ビームの偏光によってその均一な光ビームを透過または反射することを特徴とする請求項３１に記載の画像投射方法。
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