JP2006500631A - 投写型ディスプレイシステム用の集光器 - Google Patents

Abstract

アークランプ用の集光システムは一次放物面反射部及び二次的放物面反射部を有する放物面反射器を含む。二次的放物面反射部は複数のサブセクションに分割されることで、複数のアークイメージが得られる。集光システムは高効率及びエタンデュー保持孔整形を組み合わせ、特に投写ディスプレイシステムにおいて有用である。

Description

本発明は集光システムに関し、より詳細には、アークランプのような強い光源からの光を集光するための集光システムに関し、集光された光は投写型ディスプレイシステムにおいて用いられる。

投写型ディスプレイシステムは強い光源を使用することで、１つ又はそれ以上の光バルブによって光を変調した後、視覚スクリーンにおける明るい表示のための十分な光を提供する。この目的のために広く用いられている光源はＵＨＰのようなアークランプ及びキセノンランプを含む。後続する変調及び表示のために、放射された光を集光し整形するための効率的な光学システムを提供する上で、そのようなランプのアークの長手形状は設計者に対して難題を提起する。

投写における最も一般的な集光方法は、光源の非均一性を矯正するための放物面又は楕円形反射器と、レンズ配列とに基づいている。これらの反射器において典型的にみられる大きな光学収差(aberration)及び光源とレンズ形状との間の不一致の故に、ビームの角度方向の広がりであるエタンデュー(etendue)が保持されない。これは投写器における貧弱な光利用の原因となり、特に小さい光バルブの場合に顕著である。

２００１年５月１５日にＬｉに対して発行された米国特許第６，２３１，１９９号は、１つ又はそれ以上のアークランプからの光を、単一の光学ファイバの入力面のようなターゲットに結合するための小さなスポットサイズに集光し集束するための光学システムを教示する。このシステムは、アークランプの光出力を効率的に倍増するための再帰反射器と、複数の凹面の放射面形反射器とを含む。

ユニット倍率近くでアークイメージを生成するために背中合わせにされた２つの放物面反射器の例示的な配置が出願人の図１Ａ乃至Ｃに示されている。

図１Ａは、長手アーク１４を有するアークランプ光源１２用の集光システム１０の長手方向断面図である。この図はアーク１４の軸方向イメージ面に対応する。集光システムは、再帰反射器１６と、一次放物面反射部１８ａ及び二次的放物面反射部１８ｂから構成される複合放物面反射器１８とを含む。光線Ｒ１及びＲ２によって表わされるランプからの光は再帰反射器１６によって再帰反射されてアークに戻る。放物面反射部１８ａ及び１８ｂは同軸であり、アーク１４は一次放物面反射部１８ａの焦点に位置する。光線Ｒ３及びＲ４によって表わされるアーク１４からの光は、よって、光学ファイバ２２の入口面２２ａが位置する二次的放物面反射器１８ｂの焦点にアークイメージ２０を形成する。

この配置の対称性の故に、放物面の膨大な光学収差は概ね相殺される。アークから放射された光の円錐角度はランプの放射特性によって決定される。このＵＨＰランプの円錐角度は極めて大きい。図１Ｂ及びＣに示されるように、軸方向イメージ面における円錐角度ψ及び径方向面における円錐角度π（ＡＡ’線に沿って見る）は各々９０°及び１８０°であり、アナモフィック円錐を形成している。この大きさの円錐角度は従来のイメージ光学によっては下流側で処理できない。非イメージ整形手段、すなわち、放物面反射器は放物面光学収差を再導入するので、コンセプトの目的を無にする。よって、図１の配置はアークイメージ２０をアクセス可能にするが、そこからどのように効率的にエタンデューを保持する方法で光を伝達するかという問題を解決しない。

本発明に従って、二次的放物面部は複数のセグメントに分割され、各セグメントは長手方向（アーク軸に沿って）又は径方向（アーク軸の周りで）のいずれかに移動されることで、アーク軸に対し対応的に移動された複数のアークイメージ（各セグメント毎に１つ）を形成する。

各アークイメージが従来の光学素子によって処理され得るよう、各セグメントに関連する光円錐は適宜小さくすることができる。しかしながら、集光システムからの各アークイメージは同一出願人に譲渡された同時係属中の＿＿＿＿に出願された米国特許出願第＿＿＿＿＿号（代理人整理番号PHUS020,170）に記載されているような種類の低損失であってエタンデューを保持する導光体に直接結合される。

アークイメージに適合する大きさの入力面を有する、各アークイメージ用の別個の導光体入力部を設け、次に、アークイメージの配列に適合する大きさの共通入力面を有する導光体本体部にイメージを別個に入力することによって孔整形が達成される。例えば、別個のイメージを端部接続して整列することによって連結し、単一パネルスクローリングカラー投写器で要求されるストライプ形状に一致させる。

「適合」導光体は単一アークイメージ又は隣接若しくは完全に重ね合わさらない程度に部分的に重複するアークイメージの配列に適合するような大きさの入力面を有するものである。

本発明の１つの特徴に従えば、集光システムは、一次放物面反射部及び二次的放物面反射部を有する放物面反射器を有し、一次放物面反射部の焦点位置に位置する光源が、二次的放物面反射部の焦点位置において結像されるよう、一次放物面反射部及び二次的放物面反射部が同軸に位置しており、

二次的放物面反射部が複数のセグメントに分割されることで、各セグメントにおいて別個のイメージが結像されることを特徴とする。

本発明の他の特徴に従えば、本発明の集光システムと、複数の入力面と１つの出力面を有する低損失でエタンデューを保持する光パイプと、を有する投写ディスプレイのための光エンジンが設けられている。各入力面は、集光システムによって結像された複数のイメージの１つを入力するよう位置する。

本発明の更なる特徴に従えば、本発明の光エンジンと、表示信号に従って表示を生成するように前記光エンジンからの光を変調するための少なくとも１つの光バルブと、表示をディスプレイ面に投写するための投写レンズと、を含む投写ディスプレイシステムが設けられている。

本発明の集光システムは、低価格で複製可能な低光学収差の反射型光学素子を提供し、エタンデューを損失することなく、高効率な集光及び孔整形を可能とする。小さい大きさの光バルブを備えた高効率投写がこれによって可能となる。狭いストライプの照明を用いる単一パネルスクローリングカラーシステムが本発明からの利益を特に享受する。

図２Ａ乃至２Ｃは二次的放物面反射器を径方向のみならず軸方向で複数のセグメントに分割する１つの方法を例示している。複合放物面反射器３０の長手方向断面図である図２Ａは、二次的放物面反射器部分３２ｂを、長手軸Ｌに沿って位置Ｃから位置Ｄへと、放物面反射器部分３２ａから離れる方向にどのように移動するかを示しており、その結果、アークイメージ３４は軸Ｌに沿って位置Ｃ’から位置Ｄ’へ移動する。

図２Ｃは、二次的放物面反射器３２ｂをセグメント３２ｅ及び３２ｆに分割し、これらのセグメントを一次放物面反射器３２ａから軸方向に離れる方向に移動することによって、Ｌ軸に沿うイメージ（４２，４４）の配列が形成されることを示している。セグメント３２ｅ及び３２ｆは環帯３２ｇによって接続されている。小さな角度方向の広がりの光円錐（光線Ｒ６及びＲ１３並びにＲ８及びＲ１４によって各々確定される）は各セグメントに関連付けられ、これらの光円錐によって形成されたイメージは、下流の光学素子によって、例えば、図３、４及び５に示された導光体によって、より容易に別個に処理され得る。

線ＢＢ’に沿う断面図である図２Ｂは、二次的放物面反射器部分３２ｂをセグメント３２ｃ及び３２ｄに分割し、これらのセグメントを径方向に相互に離れる方向に移動することによって、別個のイメージ（３８，４０）の配列が光線Ｒ９及びＲ１０並びにＲ１１及びＲ１２各々により画定される角度方向の広がりφの光円錐によって軸Ｌの各々の側に形成されることを示している。

二次的放物面反射器をさらに小さなセグメントに分け、各セグメントを軸方向又は径方向のいずれかに移動することによって、任意の小さな角度の広がりの各イメージに関連付けられた光円錐を形成することが可能であり、各イメージは「従来の」光学素子によって容易に処理され得る。

しかしながら、好適なイメージの処理方法は各イメージを適合導光体に直接結合することである。この種の導光体は同一出願人による同時係属中の「低損失であってエタンデュー保持する屈曲部を含む導光体」と題する＿＿＿＿に出願された米国特許出願第＿＿＿＿＿＿号（代理人整理番号PHUS020,170）に記述されている。

複数のイメージを集めるのに適した適合導光体の一例が図３に示されている。導光体５０は一対の入力部５２及び５４を有する。図２Ｃの二次的放物面反射器３２ｂからのアークイメージ４２及び４４を入力面５２ａ及び５４ａの各々で入力するよう、入力部５２及び５４は離間して設けられている。光線Ｒ９及びＲ８によって各々表わされる２つのアークイメージ４２及び４４からの光線は入力ガイド部５２及び５４の側壁（５２ｂ及び５２ｃ）並びに（５４ｂ及び５４ｃ）によって各々出力面５２ｄ及び５４ｄに導かれ、そこから、それらは入力面５６ａ及び５８ａを通じて各々結合部５６及び５８に進入する。光線は面５６ｂ，５６ｃ，５８ｂ，５８ｃからの内部反射によって各々出力面５６ｃ及び５８ｃに導かれる。面５６ｃ及び５８ｃに対する光線の入射角は、光線が内部反射されるか又は主要ガイド部６０へ出力されるかを決定する。そこから、光線は段状入力面６０ａ及び６０ｂを介して主要ガイド部へ入力され、側壁６０ｃ及び６０ｄによって共通出力面６０ｅに導かれる。

低損失でエタンデューを保持する光のガイドに加えて、導光体はイメージ４２及び４４を連結し、図３Ｂの端面図に示された出力面６０ｅの形状と一致した主要ガイド部６０の断面形状にそれらを一致させることによって、孔整形を達成する。この断面形状は長手の長方形であり、例えば、渦巻きカラー投写におけるストライプ形状と適合している。

複数のオフノーマルなアークイメージの集合に適した適合導光体の他の実施態様が図４に示されている。オフノーマルなアークイメージは複数の光円錐によって形成され、これらの光円錐の軸は、Ｌ（アーク／放物面）軸と直交せず、軸方向平面（ページの平面）にもなく、半径セグメントによって形成されている。オフノーマルなアークイメージの例は図２Ｂにおけるアークイメージ３８及び４０であり、それらの関連付けられた光円錐は各々軸Ｅ及びＥ’を有する。図４Ａ、４Ｂ及び４Ｃは、一対の導光体７２（図４Ｂ）及び７４（図４Ｃ）が一体に挟まれて成る複合導光体７０（図４Ａ）の側面図である。導光体７２は、アークイメージを入力するための適合入力面７６ａと、中間反射面７６ｂと、出力面７６ｃとを有する入力部７６を含む。出力面７６に接合されているのは、入力面７８ａと、側壁７８ｂ及び７８ｃと、図示されていない出力面とを有する導光体本体部７８である。導光体７４は複合入力部８０を含み、複合入力部はセグメント８２、８４及び８６を有する。入力セグメント８２及び８４は各々入力面（８２ａ及び８４ａ）を有し、それらは共にアークイメージを入力するための適合入力面（８２ａ及び８４ａ）を形成する。各セグメント（８２，８４，８６）は１つ又はそれ以上の内部反射面（入射角に応じて、８２ｂ及び８６ｂ並びに８４ａ及び８４ｄ）及び共通出力面（８４ｄ及び８６ｃ）も有する。入力部８０に接合されているのは、入力面８８ａと、側壁８８ｂ及び８８ｃと、図示されていない出力面とを有する導光体本体部８８である。

図４Ｄは複合導光体７０のＧ−Ｇ’線に沿う上面図であり、適合入力面７６ａ並びに（８２ａ及び８４ａ）に入射するアークイメージ３８及び４０を示し、これらの適合入力面は次に本体部７８及び８８に各々接触する。

整列していないオフノーマルなアークイメージは、低損失な導光体内で屈曲部又折畳部を曲がって通過されることによって、好適な共通位置に整列され得る。これは図４の複合導光体７０において生得的に達成される。図５は屈曲部又は折畳部を備えた導光体９０の他の実施態様を示し、「角を曲がった」光の低損失な伝播を実現する。各々長手軸Ｙ及びＺを有する直線的な導光体９２の出力面９２ｄ及び直線的な導光体９６の入力面９６ａは、入力面９４ａと中間反射面９４ｂ及び９４ｃとを有する結合素子９４に結合される。結合素子９４の出力面９４ｃは、光線Ｒ１５の通路によって明示されているように、入射角に応じて、内面反射的であるか又は導光体に対して透明である。

そのような折畳部を備えた導光体は、放射セグメント（光線Ｒ１０及びＲ１１によって表わされている）からのオフノーマルな光が好適な共通位置に再整列され得るという点で、本発明において特に有用である。

本発明の集光システムは、長手のアーク光源の効率的な集光及び／又はビーム整形が必要とされる任意の適用場所において、特に投写ディスプレイシステムにおいて有用である。本発明の集光システムは単一パネルカラー投写ディスプレイシステムにおいて特別に有用である。

単一パネルカラー投写ディスプレイシステムは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルのような単一の光変調パネルによって特徴付けられる。ＬＣＤパネルは個々の画像素子又はピクセルの行列配列を有し、水平方向で長い赤色、緑色及び青色の照明バー又はストライプによって照らされる。その時入射されたストライプの色に対応した表示情報を有するピクセルの行を同期してアドレスしながら、ストライプはパネルに亘って縦方向に連続的にスクロールされる。例えば、１９９４年３月２５日にピー・ヤンセンに発行した「単一パネルカラー投写ビデオディスプレイの改良された走査」と題する米国特許第５，４１０，３７０号及び１９９５年５月１６日にピー・ヤンセンその他に発行した「光バルブの読み／書きを備えたカラー照明システムを同期するための制御回路を有する単一パネルカラー投写ビデオディスプレイ」と題する米国特許５，４１６，５１４号を参照。これらの全文が本明細書に援用される。

図６はそのような単一パネルスクローリングカラーディスプレイシステムにおいて用いられるビーム分離及びスクロールエンジン６００を概略的に示す。スクローリングカラー投写器において現在用いられている光エンジン６０１のための照明構造は図７に概略的に示されている。光源Ｓからの白色光は二色素子６０２によって青色成分と緑色／赤色成分Ｇ／Ｒに分離される。青色成分はレンズ６０３及びミラー６０４によってプリズムスキャナ６０５に向けられる。Ｇ／Ｒ成分は二色素子６０２によってしレンズ６０６を通じて二色素子６０７へ通過され、二色素子６０７はＧ／Ｒ成分を緑色成分と赤色成分とに分離する。緑色成分は二色素子６０７によってプリズムスキャナ６０８へ反射されるのに対し、赤色成分は二色素子６０７を通じてプリズムスキャナ６０９へ通過される。走査された赤色、緑色及び青色の成分は次にミラー６１２及びリレーレンズ６１３乃至６１７によって再結合二色素子６１０及び６１０へ向けられる。

図７は本発明の集光システムが組み込まれた単一パネルカラー投写ディスプレイシステム７００のブロック図である。光エンジン７１０は集光システム７２０を含み、集光システムはストライプ形状断面の照明ビームをビーム分離及びスクローリングエンジン７３０に供給する。エンジン７３０は、光バルブパネル７４０の表面に亘って連続的にスクロールするために、連続的にスクロールする赤色、緑色及び青色のストライプを生成する。それらのストライプは、スクローリング光ビームを電気信号入力源７５０からの表示情報の入力と同期して変調する。投写レンズ７６０は変調された光を図示されていないディスプレイスクリーンに投写する。

本発明は止むを得ず限定的な数の実施態様に関して記述された。この記述から、他の実施態様及び実施態様の変形が当業者にとって明らかであり、それらは本発明及び添付の請求項内に完全に包含されることが意図されている。

Ａ乃至Ｃは、アークランプ光源と共に用いられる従来技術の集光システムの長手方向の断面図及び横方向の断面図であり、集光システムは一次放物面反射器及び二次的放物面反射器を備えた複合放物面反射器を有する。 Ａは、図１Ａ及び１Ｂの複合放物面反射器の長手方向の断面図であり、本発明に従った二次的放物面反射器の変形を示す。Ｂは、図１Ｃと同様な横方向の断面図であり、本発明に従った二次的放物面反射器の他の変形を示す。Ｃは、本発明の複合放物面反射器の複合二次的放物面部を示す長手方向の断面図である。 Ａは、図２Ｂ及び２Ｃの集光システムからの光を低損失でガイドする導光体の一実施態様を示す側面図である。Ｂ及びＣは、図３Ａの導光体の出力面及び入力面を各々示す端面図である。 Ａ乃至Ｃは、図２Ｂ及び２Ｃの集光システムからの光を低損失でガイドする導光体の他の実施例を示す側面図である。Ｄは、図２Ｂ及び２Ｃの集光システムからの光を低損失でガイドする導光体の他の実施例を示す端面図である。 光を低損失で屈曲する導光体の一実施態様を示す側面図である。 本発明の集光システム及び低損失導光体を含む光エンジンの一実施態様を示す概略図である。 図６の光エンジンを含む光バルブ投写ディスプレイシステムを示す概略図である。

Claims (16)

1. 一次放物面反射部及び二次的放物面反射部を有する放物面反射器を有し、前記一次放物面反射部の焦点位置に位置する光源が、前記二次的放物面反射部の焦点位置において結像されるよう、前記一次放物面反射部及び前記二次的放物面反射部が同軸に位置する集光システムであって、
   前記二次的放物面反射部が複数のセグメントに分割されることで、各セグメントにおいて別個のイメージが結像されることを特徴とする集光システム。
2. 前記二次的放物面反射部は、相互に長手方向で配置された少なくとも２つの放物面セグメントに分割されていることを特徴とする請求項１に記載の集光システム。
3. 前記放物面セグメントは、相互に長手方向で配置された複数の長手セグメントであることを特徴とする請求項２に記載の集光システム。
4. 前記二次的放物面反射部の複数の放物面セグメントの１つは、相互に長手方向で配置された少なくとも２つの径方向放物面セグメントに分割されていることを特徴とする請求項２に記載の集光システム。
5. 再帰反射器が前記一次放物面反射部の反対側で前記光源の背後に設けられ、前記光源からの光を前記光源に向けて再帰反射することを特徴とする請求項１に記載の集光システム。
6. 請求項１の前記集光システムと、少なくとも１つの入力面及び少なくとも１つの出力面を有する少なくとも１つの導光体を有する光ガイド手段と、を有する投写ディスプレイ用の光エンジンであって、各入力面は、前記集光システムによって結像された複数のイメージの１つを入力するよう位置することを特徴とする光エンジン。
7. 前記導光体は少なくとも１つの屈曲部を有することを特徴とする請求項６に記載の光エンジン。
8. 前記導光体の前記出力面は、長手の長方形状を有することで、長手のストライプ形状のビーム断面を有する光が出力されることを特徴とする請求項６に記載の光エンジン。
9. 前記導光体は、
   長手軸と、相互に長手方向に配置された複数の入力面を有する段状入力端部と、出力面を有する出力端部と、を有する主要部と、
   入力面及び出力面を有する複数の入力部と
   該入力部を前記主要部に結合するための複数の結合部と、を有し、
   各結合部は、前記入力部の前記出力面と前記主要部の前記入力面との間に位置することを特徴とする請求項６に記載の光エンジン。
10. 前記導光体の前記主要部の前記出力面は長手の長方形状を有することで、長手のストライプ形状のビーム断面を有する光を出力することを特徴とする請求項９に記載の光エンジン。
11. 前記光ガイド手段は、少なくとも第一及び第二の導光体と、少なくとも第一及び第二の入力部とを有し、
    各導光体は、入力面を有する入力端部と、出力面を有する出力端部と、を有する主要部を有し、該主要部は並列位置に配置され、
    各入力部は、入力面と、出力面とを有し、前記第一の入力部の前記入力面は、第一の方向からのオフノーマルな光を入力するよう傾斜し、前記第二の入力部の前記入力面は、第二の方向からのオフノーなるな光を入力するよう傾斜し、前記入力部の各出力面は、各主要部の各入力面に各々結合していることを特徴とする請求項６に記載の光エンジン。
12. 前記導光体の前記主要部の前記出力面は一体で長手の長方形状を有することで、長手のストライプ形状のビーム断面を有する光を出力することを特徴とする請求項１１に記載の光エンジン。
13. 出力された光を赤色、緑色及び青色のビームに分離し、光バルブの表面に亘って該ビームを連続的にスクロールする手段をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の光エンジン。
14. 請求項６に記載の光エンジンと、表示信号に従って表示を生成するように前記光エンジンからの光を変調するための少なくとも１つの光バルブと、表示をディスプレイ面に投写するための投写レンズと、を含むを有する投写ディスプレイシステム。
15. 請求項８に記載の光エンジンと、表示信号に従った表示を生成するよう、赤色、緑色及び青色の光を、前記光エンジンからの前記赤色、緑色及び青色の光ストライプに同期して変調するための信号光バルブと、前記表示をディスプレイ表面に投写するための投写レンズと、を有することを特徴とする投写ディスプレイシステム。
16. 前記光バルブは反射性の液晶ディスプレイパネルであることを特徴とする請求項１５に記載の投写ディスプレイシステム。

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