JP2007027122A - 複数の光源からの光を統合するための装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の光源からの光を有効的に統合する。
【解決手段】複数の光源２，３のうち一つ以上に対する反射表面１０，１１と入射表面１５を有する少なくとも一つの統合ロッド１４とから成り、光源が反射表面または入射表面に光束を放射する装置において、光源から放射される光束１２内に、反射表面が光源と前記統合ロッドとの間に配置され、各光源のその焦点におけるスポットが、前記入射表面の面積よりも小さな面積を有し、複数の光源からの光束が、統合ロッドに、該ロッドの入射表面の異なる部分から、入射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の光源からの光を統合するための装置、より詳しくは二つ以上の個別光源から均一の光束を作り出すための装置に関する。
そのような装置は、映像および映画投影の分野で公知である。この場合、光束を、反射または透過光弁たとえばディジタルマイクロミラーデバイス(DMD)または液晶(LC)パネルに向けなければならない。
光弁特に反射光弁たとえばディジタルマイクロミラーデバイスでは、入射光束の割合に精密な制御が必要である。
実際、マイクロミラーデバイスのそれぞれのミラーは、光がステージ上に投射される位置と光がステージ外に投射される位置との間で、ある角度にわたってしか切り換えられない。この場合、この角度は、通常20〜24゜すなわちそれぞれの方向に10〜12゜である。
前記ある角度により、光弁が照射されうる角度範囲が制限される。というのは、20または24゜よりも大きな角度の入射光は、光弁のマイクロミラーの下を照射し、そのため光弁の許容されない加熱が起こるからである。
単一の光源のみを使用する場合には、放射光束の角度は、光源の背後の反射キャップによって、また光源と光弁との間に配置されたレンズ配列によって、補正することができる。
複数の光源が備えられる場合には、これらの光源からの光を統合して、光弁に向う均一な光束が生成されるようにしなければならない。
公知のように、二つ以上の光源からの光が、通常、直方体形に切断された水晶の統合ロッドから成る光ガイドによって、統合される。この場合、それぞれの光源からの光束が統合ロッドの一端の入射表面に集束させられる。このとき、光束は前記ロッドの長さ方向側壁での内部全反射によって前記ロッド内に保持されるので、均一の光束が生成されて、入射表面と反対側の横方向の側壁から前記統合ロッドを出て行く。
それぞれの光源からの光束を統合ロッドの入射表面に集束させるために選択されたいろいろな解決策が公知である。
第一の選択は、二つの光源、二つの反射表面、および一つの集束レンズを備えるというものである。第一の光源から放射された光は、第一の反射表面によって反射されて、集束レンズに向う。同様に、第二の光源から放射された光は、第二の反射表面によって反射されて、集束レンズに向う。最後に、集束レンズが入射光を統合ロッドの入射表面に集束させる。
この選択の一つの欠点は、統合ロッドの入射表面に光源からの光を完全に集束させることが、不可能ではないにしても、非常に難しいと思われる、ということである。不完全な集束の結果、統合ロッドから出て行く光束が割合に広い角度を有し、そのため光弁照射の前にもう一度集束させて、過剰な熱生成を避けなければならない、ということになる。
前記構成の欠点は、楕円形のハウジングを備えて、放射光束を集束させ、放射光束が集束レンズの必要なしで入射表面に集束しうるようにすることによって、排除できる。
この構成は、統合ロッドの入射表面を前記光源のうち一つのものの焦点におけるスポットよりもずっと大きいようにはできない、という欠点を有する。そのように大きくすると、前記ロッドの効率が相当に低下するからである。
効率をさらに高めるために円錐形の統合ロッドが使用できるが、ロッドの入射表面の面積の減少のため、該ロッドの光統合能力が低下する。
もう一つの選択は、ロッドに直接向き合う二つの光源を使用することである。
この選択の一つの欠点は、ロッドに入射するそれぞれの光束の角度が大きく異なり、したがって広い角度でロッドを出て行く光束が生じる、ということである。
もう一つの選択は、二つの追加統合ロッドを使用し、これらを隣同士に配置して、一端が統合ロッドの入射表面に対向接触するようにするものである。この場合、光源は前記統合ロッドの自由端の長さ方向入射表面上に集束する。
二つの追加ロッドの前記入射表面の反対側の壁には、傾斜がつけられ、内部ミラーを備えていて、追加ロッドに入射する光が前記ミラーによって必要な角度で反射されるようになっている。
二つの独立の追加ロッドの光束は、最終的に統合ロッドで統合され、均一な光束が適当な角度で統合ロッドを出て行くようになっている。
この最後の構成の主要な欠点は、ミラーが入射光によって加熱されることになるということである。しかし、ロッドに隣接配置されているこのミラーの冷却は、該ロッド内での熱移動が小さいためにほとんど不可能である。
もう一つの主要な欠点は、二つの追加ロッドが空気の層によって物理的に分離されていなければならないということである。というのは、二つの追加ロッドの接触により、これらのロッドにおける内部反射が妨害されるからである。
二つの追加ロッドのこの物理的分離を実現するのは、非常に難しい。というのは、通常のDMDとともに使用される統合ロッドの断面の寸法は、約4×6 mmだからである。したがって、追加ロッドの断面寸法は、2×3 mmよりも小さくなければならないが、追加ロッドの長さは数cmでありうる。
本発明の目的は、前記欠点およびその他の欠点の一つ以上を克服するための解決策を提供することである。
前記目的に対応して、本発明は、
複数の光源からの光を統合するための装置であって、
実質的に、前記光源のうち一つ以上に対する反射表面と入射表面を有する少なくとも一つの統合ロッドとから成り、ここで、各光源が、前記入射表面に光を集束させる対応する反射表面に光束を放射するか、または直接に前記入射表面に光束を放射するかすることができるような装置において、
前記反射表面が、前記光源から放射される光束内に、前記光源と前記統合ロッドまた場合によっては随意ロッドとの間に配置され、
各光源のその焦点におけるスポットが、統合ロッドの入射表面の面積よりも小さな面積を有し、
それぞれの光源からの光束が、前記統合ロッドに、該ロッドの入射表面の、異なるが場合によっては一部重なる部分から、入射する、
ことを特徴とする装置、
に関する。
本発明の利点は、それぞれの光源からの光束がすべて同じ角度で統合ロッドに入射するということである。入射角のこの等しさにより、適当な角度で統合ロッドを出て行く統合光束が生成される。
もう一つの利点は、それぞれの光源の焦点におけるスポットがすべて、統合ロッドの入射表面の異なる部分から該ロッドに入射するということである。したがって、光源の数を、統合ロッドの入射表面の大きさに応じて選択することができる。統合ロッドは、それぞれの光源の焦点のスポットに適合させる必要がなく、光束の統合に対する有効性を考えて選択することができる。
また、複数の光源の使用により、投射映像の輝度を高めることができる。
本発明のもう一つの利点は、反射表面がロッドに接触配置されておらず、容易に冷却することができるということである。
もう一つの実施形態によれば、本発明の装置は、
実質的に、入射表面を有する少なくとも一つの統合ロッドと、それぞれが入射表面を有する二つ以上の追加ロッドとから成り、ここで、各光源が、対応する追加ロッドの入射表面上に光束を放射することができるような装置であって、
追加ロッドが、一つの表面が統合ロッドの入射表面に接触するように配置され、
各光源のその焦点におけるスポットが、統合ロッドの入射表面の面積よりも小さな面積を有し、
光源の焦点が、対応する追加ロッドの入射表面に一致し、
それぞれの光源からの光束が、前記統合ロッドに、該ロッドの入射表面の、異なるが場合によっては一部重なる部分から、入射する、
ことを特徴とする装置、
である。
以下、本発明の特徴をさらに十分に説明するために、添付の図面を参照しつつ、本発明による、複数の光源からの光を統合するための装置の実施形態について説明する。これらの実施形態は単なる例であり、本発明を限定するものではない。
図１は、プロジェクター1を示し、該プロジェクターは、二つの光源2および3、該光源2および3からの光を統合するための装置4、レンズ配列5、ミラー6、ディジタル光弁7、ならびに映写レンズ8から成る。
この場合、光源2および3は、好ましくは、小さな焦点距離を特徴とするいわゆる短アークランプである。
前記光源2および3は、反射キャップ9を備えており、二つの光源が互いに向かい合う向きに光を放射するようになっている。
それぞれの光源2および3に対して、該光源2および3のそれぞれが放射する光束12内に、反射表面10および11がそれぞれ備えられている。図２に示すように、前記反射表面10および11は三角柱体13の二つの隣り合う側面によって構成され、該三角柱体は、光束12内に、光源2、3のそれぞれと統合ロッド14との間に備えられている。
ここで注意すべきことは、三角柱体13と統合ロッド14とは、本発明の装置4の個別部品であり、反射表面10、11は統合ロッド14と一体化されていない、ということである。
前記統合ロッド14は、好ましくは、直方体形に切断された水晶ロッドから成り、該ロッドは、三角柱体13と対向配置されている入射表面15、入射表面15と反対側の前壁16、および長さ方向の側壁17を有する。
注意すべきことは、三角柱体13の隣り合う反射表面10と11との間の連結線は、好ましくは統合ロッド14の入射表面15の中心線上または該中心線の近傍に配置される、ということである。
図１に示す光弁7は、反射光弁たとえばディジタルマイクロミラーデバイスである。明らかに、本発明においては、その他のタイプの光弁7の使用、たとえば液晶(LC)パネルまたはシリカ上の液晶パネル(liquid crystal on silica panel)(LCOSパネルとも呼ばれる)の使用も可能である。
このプロジェクターと本発明による装置4との動作は、割合に簡単であり、下記のようである。
光源2から放射される光束12は、前記反射表面10によって、一つの部分、すなわち入射表面15の半分15Aに向けて反射される。この場合、前記光束12の焦点は、入射表面15に一致する。同様に、光源3から放射される光束12は、前記反射表面11によって、入射表面15の別の半分15Bに向けて反射される。
図３に示すように、光束12の焦点におけるスポット12´は、好ましくは入射表面15の対応する半分に大きさが合わされる。このように大きさを合わせることにより、光は入射表面15のほぼ全体から統合ロッド14内にはいる。
また、光束12が統合ロッド14に入る角度は、光源2および3と反射表面10および11とのロッド14に対する相対位置が同じになるように設定されている場合、同じになる。
光束12は、統合ロッド14に入ると、統合ロッド14の長さ方向の側壁17の間でジグザグに反射されてから、前壁16からロッド14を均一光束として出て行く。
次に、この均一光束はレンズ配列5によって拡大されてから、ミラー6によって光弁7に投射される。
最後に、光弁7が光束を処理し、映写レンズ8を通じて映像をスクリーンまたはステージに投射する。
前記実施形態においては入射表面15が左右の部分に分割されていると仮定したが、図４~６に示す実施形態は、入射表面15が上の部分15Aと下の部分15Bとに分割されている変形を示す。
この変形においては、反射表面10および11が、二つの三角柱体13の側面によって構成されており、これらの三角柱体は、反射表面10、11が上下に交差するように配置されている。
明らかに、この場合には、二つの光源2および3は異なる高さに配置され、これらからの光束12は全部がそれぞれ対応する反射表面10および11に向けて放射されるようにすべきである。
図６に示すように、光源2、3の焦点におけるスポット12´は、統合ロッド14の入射表面15上に、上下に配置される。
図７〜９は、もう一つの変形であり、この場合、光源2および3は統合ロッド14の片側に隣り合うように配置されている。
この場合、追加ロッド18が統合ロッド14の入射表面15に接触するように配置されている。ここで、この追加ロッド18は、入射表面15の半分を覆うだけの断面寸法を有する。
この実施形態の第一の反射表面10は、入射表面15の非被覆半分15Aの前方に備えられ、第二の反射表面11は、追加ロッド18の入射表面19の前方に備えられる。
この実施形態の第一の光源2の位置は、図４に示す実施形態における光源3の位置と同じである。
第二の光源3の位置は、第二の反射表面11に光を放射するようになっており、ここで、この第二の光源3の焦点は追加ロッド18の入射表面19に一致するようになっている。
明らかに、第一の光源2からの光束12が統合ロッド14に入射する角度は、第二の光源3からの光束12が追加ロッド18に入射する角度と等しくなるようにするのが好ましい。
この変形の動作は、第二の光源3からの光束が直接には統合ロッド14に入射しないという点で、前記実施形態と異なる。
実際、前記光束12は、まず追加ロッド18を通過し、該ロッド内に内部全反射によって保持される。そのあと、該光束は、統合ロッド14の入射表面15の下部に接触配置された前壁20を通って出て行く。
注意すべきことは、この実施形態の場合、第二の反射表面11が追加ロッド18に一体化されなくても良く、また該ロッド18の壁に対向しかつ平行に配置されなくても良い、ということである。
第二の反射表面11のただ一つの正しい位置は、第二の光源3から放射される光束12内の、該光源3と追加ロッド18との間の位置である。
図１０〜１２は、四つの個別光源2、3からの光が統合されるもう一つの変形を示す。
これらの光源のうち二つに対する反射表面10および11は、統合ロッド14の入射表面15の上の部分15Aに隣接して配置されている。反射表面10および11は、三角柱体13の二つの隣り合う側面によって構成され、ここで、両側面の連結線は入射表面15の前記上の部分15Aの中心線上に配置されている。したがって、入射表面の上の部分15Aは互いに隣接配置された二つの下位部分に分割されている。
同様に、追加ロッド18の入射表面19は、二つの反射表面10および11を有する第二の三角柱体13によって二つの下位部分に分割されている。
明らかに、この実施形態の場合、光源2および3は、その焦点距離とその光アークの長さとにもとづいて選択しなければならない。実際、これらの光源2、3の焦点におけるスポットは、図１２に示すように、統合ロッド14の入射表面15の面積の約四分の一とすべきである。
それぞれの光源の焦点におけるスポットは入射表面15において一部重なり合うようにすることができるが、その場合でも、それぞれの光束は統合ロッド14に同じ角度で入射すべきである。
この変形の動作は、光源のうち二つの光が追加ロッド18で統合されてから、直接統合ロッド14にはいる第三および第四の光源の光と統合されるという点で、前記実施形態と異なる。
もう一つの変形を、図１３〜１５に示す。この変形の場合、四つの光源2、3が四つの異なる追加ロッド18の入射表面19上に直接焦点を結ぶ。
前記追加ロッド18の各々は、統合ロッド14の入射表面15に対して接触配置された前壁20を有する。
この場合、それぞれの追加ロッド18の前壁20は、互いに隣接するように配置され、また、各前壁20の面積は、統合ロッド14の入射表面15の面積の四分の一に等しい。
図１４にはっきり示されているように、追加ロッド18の入射表面19は、間隔をとって配置され、各追加ロッド18の側壁が互いに接触せず、各ロッド18における光の内部全反射が妨げられないようになっている。
注意すべきことは、各追加ロッド18の長さ方向と統合ロッド14の入射表面15に垂直な方向とのなす角度Aは、好ましくは、どの追加ロッド18でも同じ値を有する、ということである。
この変形の動作は、前記の各実施形態と基本的には同じである。ただ一つの違いは、光源からの光が各追加ロッド18の入射表面19上に直接焦点を結ぶということである。
注意すべきことは、本発明は最大で四つの光源からの光の統合に限定されるものではないということである。前記説明にもとづいて、二つ以上の追加光ロッドを備えた同様の実施形態を、五つ、六つ、またはさらに多くの光源に対して、設計することできる。
最後に、やはり注意すべきことは、本発明による装置はプロジェクターでの使用に限定されるものではない、ということである。本発明の装置は、照明装置たとえばいわゆるゴーボー(gobo)または他の光放射用途において使用することもできる。
本発明は、添付の図面に示し、上で単なる例として説明した実施形態のみに限定されるものではない。逆に、複数の光源からの光を統合するための本発明の装置は、本発明の範囲を逸脱することのない、あらゆる種類の変形を加えて、実施することができる。
本発明による装置を備えたプロジェクターの模式図である。 図１に矢印F2で示す部分の拡大図である。 本発明の装置の使用時の、図２の線III−IIIに沿う断面を示す図である。 図１にF4で示す部分の変形を示す図である。 図４に矢印F5で示す部分の図である。 図５の線VI−VIに沿う断面を示す図である。 図４〜６に示すものの三つの変形を示す図である。 図４〜６に示すものの三つの変形を示す図である。 図４〜６に示すものの三つの変形を示す図である。 図４〜６に示すものの三つの変形を示す図である。 図４〜６に示すものの三つの変形を示す図である。 図４〜６に示すものの三つの変形を示す図である。 図４〜６に示すものの三つの変形を示す図である。 図４〜６に示すものの三つの変形を示す図である。 図４〜６に示すものの三つの変形を示す図である。
符号の説明
1 プロジェクター
2 光源
3 光源
4 光を統合するための装置
5 レンズ配列
6 ミラー
7 ディジタル光弁
8 映写レンズ
9 反射キャップ
10 反射表面
11 反射表面
12 光束
12´ 光束のスポット
13 三角柱体
14 統合ロッド
15 入射表面
15A 15の部分
15B 15の部分
16 前壁
17 側壁
18 追加ロッド
19 入射表面
20 前壁、表面
A 角度

Claims (11)

  1. 複数の光源(2、3)からの光を統合するための装置であって、
    実質的に、前記光源(2、3)のうち一つ以上に対する反射表面(10、11)と入射表面(15)を有する少なくとも一つの統合ロッド(14)とから成り、ここで、各光源(2、3)が、前記入射表面(15)に光を集束させる対応する反射表面(10、11)に光束(12)を放射するか、または直接に前記入射表面(15)に光束(12)を放射するかすることができるような装置において、
    前記反射表面(10、11)が、前記光源(2、3)から放射される光束(12)内に、前記光源(2、3)と前記統合ロッド(14)また場合によっては随意の追加ロッド(18)との間に配置され、
    各光源(2、3)のその焦点におけるスポットが、統合ロッド(14)の入射表面(15)の面積よりも小さな面積を有し、
    それぞれの光源(2、3)からの光束(12)が、前記統合ロッド(14)に、該ロッドの入射表面(15)の、異なるが場合によっては一部重なる部分から、入射する、
    ことを特徴とする装置。
  2. 反射表面(10、11)がそれぞれの光源(2、3)に対して備えられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. ２つの光源（2、3）を有する場合、それぞれの前記光源(2、3)の焦点のスポットが、統合ロッド(14)の入射表面(15)の面積の半分に大体等しい面積を有することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
  4. 光源(2、3)が統合ロッド(14)の両側に配置されることを特徴とする請求項１から３の中のいずれか１つに記載の装置。
  5. 反射表面(10、11)が三角柱体(13)の二つの隣り合う側面によって構成され、このとき、これらの側面の間の連結線が入射表面(15)の中心線に接触するか、または該中心線の近傍に配置されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
  6. 二つの異なる光源(2、3)の反射表面(10、11)が上下に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
  7. 追加ロッド(18)が備えられ、該ロッドが、一端が統合ロッド(14)の入射表面(15)に接触するように配置され、このとき、追加ロッド(18)の断面が入射表面(15)の断面よりも小さいことを特徴とする請求項１から３の中のいずれか１つに記載の装置。
  8. 反射表面(10または11)が備えられ、該表面が、統合ロッド(14)の入射表面(15)の非被覆部分上に一つ以上の第一の光源(2)からの光を集束させ、また、第二の反射表面(10または11)が備えられ、該表面が、追加ロッド(18)の入射表面(19)上に一つ以上の第二の光源(3)からの光を集束させることを特徴とする請求項７に記載の装置。
  9. 複数の光源(2、3)からの光を統合するための装置であって、
    実質的に、入射表面(15)を有する少なくとも一つの統合ロッド(14)と、それぞれが入射表面(19)を有する二つ以上の追加ロッド(18)とから成り、ここで、各光源(2、3)が、対応する追加ロッド(18)の入射表面(19)上に光束(12)を放射することができるような装置において、
    追加ロッド(18)が、１つの表面(20)が統合ロッド(14)の入射表面に接触するように配置され、
    各光源(2、3)のその焦点におけるスポットが、統合ロッド(14)の入射表面(15)の面積よりも小さな面積を有し、
    光源(2、3)の焦点が、対応する追加ロッド(18)の入射表面(19)に一致し、
    それぞれの光源(2、3)からの光束(12)が、前記統合ロッド(14)に、該ロッドの入射表面(15)の、異なるが場合によっては一部重なる部分から、入射する、
    ことを特徴とする装置。
  10. 隣り合う追加ロッド(18)の側壁が間隔をとって配置されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
  11. それぞれの追加ロッド(18)の長さ方向と統合ロッド(14)の入射表面(15)に垂直な方向との間の角度(Ａ)がすべての追加ロッド(18)で同じであることを特徴とする請求項９または１０に記載の装置。
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