JP2007537485A - 多方向光学素子およびその多方向光学素子を用いた光学システム - Google Patents

Abstract

第１の曲率を有する第１の側面と、第２の曲率を有する第２の側面と、第３の曲率を有する第３の側面と、第４の曲率を有する第４の側面とを有する本体を含む多方向光学素子が開示されている。第２の側面は第１の方向に沿って第１の側面と略対向して配置されているとともに、第４の側面は第２の方向に沿って第３の側面と略対向して配置されており、第２の方向は第１の方向とは異なる。またこのような多方向光学素子を用いた光学システムも開示されている。

Description

本開示は屈折光学素子に関し、特に本開示はマイクロディスプレイプロジェクションシステムで用い得る、光を少なくとも２つの異なる方向に屈折可能な多方向光学素子に関する。本開示はこのような多方向光学素子を含む光学システムにも関する。

光学システムは普及しているとともに光源と光学素子系とを含むことが多い。いくつかの光学システムにおいて、光源または光源アセンブリから発した光ビームは異なる方向に進行する２つ以上のビームに分割され、それらがさらに下流で再合成される場合またはされない場合がある。他のタイプの光学システムにおいて、異なる光源または光源アセンブリから発した光ビームは最初は異なる方向に進行し得るとともに、さらに下流で再合成される場合またはされない場合がある。このような多方向光学システムは通常比較的複雑であるとともに、屈折、反射および回折光学素子などの多数の様々な光学素子を含む。折返しミラーを共通使用して光路を折返すことにより大型の複雑な光学システムの設置面積を低減する。

本開示は第１の曲率を有する第１の側面と、第２の曲率を有する第２の側面と、第３の曲率を有する第３の側面と、第４の曲率を有する第４の側面とを有する本体を含む多方向光学素子に関する。第２の側面が第１の方向に沿って第１の側面と略対向して配置されているとともに、第４の側面が第１の方向とは異なる第２の方向に沿って第３の側面と略対向して配置されている。

本開示は第１の光源と、第１の照明対象と、多方向光学素子とを含む第１の照明チャネルを含む光学システムにも関する。多方向素子は第１の曲率を有する第１の側面と、第１の方向に沿って第１の側面と略対向して配置された第２の曲率を有する第２の側面と、第３の曲率を有する第３の側面と、第２の方向に沿って第３の側面と略対向して配置された第４の曲率を有する第４の側面とを有する本体を含む。多方向光学素子は、第１のチャネルの光が多方向光学素子を通って略第１の方向に進行するように第１の光源と第１の照明対象との間に配置される。このような光学システムは第２の光源と、第２の照明対象と、多方向光学素子とを備える第２の照明チャネルをさらに含む。多方向光学素子は、第２のチャネルの光が多方向光学素子を通って第１の方向とは異なる略第２の方向に進行するように第２の光源と第２の照明対象との間に配置さる。

本発明の多方向光学素子およびこのような多方向光学素子を含む光学システムのこれらおよび他の態様は、図面とともに以下の詳細な説明から当業者には容易に明らかになろう。

本発明が関連する当業者が本発明の作製および使用方法をより容易に理解するために、その例示的実施形態を図面を参照して以下に詳細に説明する。

本開示の例示的実施形態は、マイクロディスプレイプロジェクタなどの、光が２つ以上の方向に進行する多方向光学システムで用いるのに適している。このようなシステムの１つは「異なる色チャネル用分離光路を有する照明システム（Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｗｉｔｈ Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｔｈｓ ｆｏｒ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｃｏｌｏｒ Ｃｈａｎｎｅｌｓ）」と題された代理人整理番号第５９６３７ＵＳ００２号の、同一出願人が所有し且つ同時出願中のマガリル（Ｍａｇａｒｉｌｌ）らの米国特許出願に記載されており、本開示と矛盾しない限りその開示を本明細書に参照により援用する。

図１Ａおよび１Ｂは本開示により構成された例示的多方向光学素子５０を概略的に示す。多方向光学素子５０の概略的斜視図が図１Ａに示されている。図１Ｂは概略的断面図を表わしており、その断面は図１Ａに示すように取った。この例示的多方向光学素子は、第１の方向に沿って互いに略対向して配置された側面５２および５６を有し、さらに第２の方向に沿って互いに略対向して配置された側面５４および５８も有する。いくつかの例示的実施形態において、側面５２は側面５４に隣接し得るとともに側面５６は側面５８に隣接し得る。側面５２および５４は第１の曲率半径を有し得るとともに、側面５６および５８は第２の曲率半径を有し得る。代替的には側面５２および５４は異なる曲率半径を有することが可能であり、側面５６および５８も同様である。用途に応じて本開示のいくつかの実施形態において多方向素子５０は、例えば略六角形、八角形または図１Ｂに示した４側面断面の代わりに異なる多側面断面を形成する追加表面（図示せず）を含むことができる。このような例示的実施形態において追加側面は曲面または平坦であり得るとともに、凹部、凸部またはその両方などの取付面構造を含み、そのような多方向光学素子の取り付けを容易にし得る。

図１Ａをさらに参照すると、例示的多方向光学素子５０が互いに略対向して配置された２つの側面５３および５５をさらに含んでいる。対向表面５３および５５は用途に応じて実質的に平面であり得る、または湾曲していてもよい。本開示のいくつかの実施形態において、対向側面５３および５５は、凹部および／または凸部などの取り付けを容易にする表面構造を含むことができる。適当な例示的実施形態において、任意の１つまたは複数の表面の湾曲は特定の用途に望ましい場合があるように非球面であり得る。同様に任意の１つまたは複数の表面は当業者に既知の回折構造などの微細構造を含むことができる。

図２を参照すると図示の例示的多方向素子５０において、側面５２および５４は凸状であるが、側面５６および５８は凹状である。いくつかの実施形態において多方向光学素子５０は、表面５６または５８のいずれか１つに入射して対向表面５２または５４から出射する光が実質的に同等な光路に沿って２つの異なる一般的方向に進行するとともに実質的に同様に屈折されるように構成されている。２つの方向は図１Ｂの軸ＸおよびＹにより図示されるように互いに対して約９０度の角度をなすことが好ましいが、特に多方向素子が１つの断面にわたって５側面以上を有する場合には、特定のシステム構成に有用であり得るように、２つの方向間の他の角度も本開示の範囲内にある。また本開示のいくつかの実施形態において光は第３の方向に沿って、例えば側面５３から側面５５へまたはその逆に多方向素子５０内を進行し得る。代替的には側面５３および５５を用いて多方向光学素子を取り付けることができる。

図２は本開示により構成された多方向光学素子５０を組み込んだ、３パネル投影システム１００の一部を概略的に示す。このような投影システムを液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）などの反射型画像形成装置と共に用いることが可能であり、各色チャネル（ここでは赤色、緑色および青色）用の光路の少なくとも一部は他の色チャネルと共用されない。具体的には例示的照明システム１００は、赤色チャネル１０５、緑色チャネル１１５および青色チャネル１２５などの、異なる原色に対応するチャネルを含む。特定の用途に適するような他の色の光源とチャネルとを利用する照明システムも本開示の範囲内にある。

赤色チャネル１０５は赤色ＬＥＤなどの赤色光源（図示せず）と、インテグレータ１０４と、中継レンズ１０６ａおよび１０６ｂなどの中継光学部品と、偏光ビームスプリッタ１０９と、画像形成装置などの照明対象１０８とを含む。緑色チャネル１１５は緑色ＬＥＤなどの緑色光源（図示せず）と、インテグレータ１１４と、中継レンズ１１６ａおよび１１６ｂなどの中継光学部品と、折返しミラー１１７と、偏光ビームスプリッタ１１９と、画像形成装置などの照明対象１１８とを含む。同様に青色チャネル１２５は青色ＬＥＤなどの青色光源（図示せず）と、インテグレータ１２４と、レンズ１２６ａおよび１２６ｂなどの中継光学部品と、偏光ビームスプリッタ１２９と、画像形成装置などの照明対象１２８とを含む。赤色、緑色および青色画像形成装置１０８、１１８および１２８により変調された光はクロスダイクロイックコンバイナ１４を用いて合成され得る。そして合成変調した赤色、緑色および青色ビームは、スクリーン（図示せず）にもしくは更なる処理のための他の光学素子またはデバイスに送出するための投影光学部品１８により集光される。

緑色チャネル１１５および青色チャネル１２５は両方とも、緑色および青色ビームの交点に配置された多方向光学素子５０を含んでいる。図２に示した例示的投影システムでは、中継レンズ１１６ｂを出射して折返しミラー１１７により反射された緑色照明ビームは緑色照明の光学軸により示す第１の一般的方向に、多方向光学素子５０の側面５６に入って側面５２を介して出る。同じ例示的実施形態の中継レンズ１２６ｂを出射する青色照明ビームは、青色照明の光学軸により示す第２の一般的方向に、側面５８を介して多方向光学素子５０に入って側面５４を介して出る。他の例示的実施形態は、照明が多方向光学素子内を側面５３から側面５５へまたはその逆に進行するように追加照明チャネルを含み得るが、その照明の主光線は第３の一般的方向を示す。このような例示的実施形態において追加側面は取付用に追加することが好ましい。

異なるチャネルからの照明は多方向素子内を異なる一般的方向に沿って進行することができるため、素子５０をそのようなチャネルの特定の色に対してそれらの方向に沿って優先的に構成することができる。本開示の状況において用語「優先的に構成される」とはこの用語が指す光学素子の任意の特徴を包含し、特定の色チャネルの透過性または収差補正などの性能を少なくともある程度改善し得る。より詳細には、ある光学素子は、このような素子が仮に別の照明チャネルの対応する素子として構成されるとそのチャネルの性能が低下する場合に、その特定の照明チャネルの色に対して優先的に構成される。例えば素子５０は側面５６および５２のうちの少なくとも一方上に緑色反射防止コーティングおよび側面５４および５８のうちの少なくとも一方上に青色反射防止コーティングなどの色固有コーティングを含み得る。本開示のいくつかの実施形態において側面５２および５４のうちの少なくとも一方の曲率および側面５６および５８のうちの少なくとも一方の曲率を、異なる色に対して異ならせることにより、より効果的に色収差を低減することができる。このように４側面光学素子５０は口径食を最小限に抑え、より小型のシステムを構成するのに役立ち、さらに照明チャネルの色固有の最適化に貢献することができる。

赤色、緑色および青色チャネルを有する図２に基づいた本開示により構成し得るモデル化例示的照明システムは、以下のパラメータを有することができる。この例示的実施形態のすべてのインテグレータは同じ幾何学形状、約６．１×６．１ｍｍの入口端、約５０．０ｍｍの長さ、および約６．１×１０．７ｍｍの出口端を有する。異なる色チャネルに対するインテグレータは異なる色固有コーティングで製造されるため、それらの透過性が特定の色に対して高められるかまたはコストが削減される。追加の折返しミラーを中継レンズ１２６ｂと多方向素子５０との間で青色チャネル内と、中継レンズ１０６ａと１０６ｂとの間で赤色チャネル内とに挿入することができる。緑色、青色および赤色チャネルに対する例示的モデル化システムの他のパラメータが以下の表１〜５に示されている。

特定の例示的実施形態を参照して本開示の多方向光学素子およびそのような多方向光学素子を用いた光学システムを説明したが、当業者には本発明の趣旨と範囲とから逸脱することなく変更および変形をなし得ることは理解できよう。例えば多方向光学素子の形状、サイズおよび材料は用途により異なり得る。さらにまた赤色、緑色および青色チャネルを参照して本開示の例示的実施形態を説明したが、本開示に範囲から逸脱することなく記載の色チャネルに代えてまたは追加して他のタイプおよび数の色チャネルを用い得る。

本開示により構成された例示的多方向光学素子の斜視図を概略的に示す。 図１Ａに示す多方向光学素子の断面図を概略的に示す。 本開示により構成された例示的多方向光学素子を組み込んだ例示的３パネル投影システムの一部を概略的に示す。

Claims (21)

1. 第１の曲率を有する第１の側面と、第１の方向に沿って前記第１の側面と略対向して配置された第２の曲率を有する第２の側面と、第３の曲率を有する第３の側面と、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って前記第３の側面と略対向して配置された第４の曲率を有する第４の側面とを有する本体を備える多方向光学素子。
2. 前記第１の曲率が前記第３の曲率と略同じであるとともに、前記第２の曲率が前記第４の曲率と略同じである、請求項１に記載の多方向光学素子。
3. 前記第１および第３の側面が凸状であるとともに、前記第２および第４の側面が凹状である、請求項１に記載の多方向光学素子。
4. 前記第１の方向が前記第２の方向に対して約９０度の角度をなす、請求項１に記載の多方向光学素子。
5. 前記第１、第２、第３および第４の曲率のうちの少なくとも１つが特定の色の照明に対して優先的に構成されている、請求項１に記載の多方向光学素子。
6. 前記第１、第２、第３および第４の側面のうちの少なくとも１つの上に配置された色固有コーティングをさらに備える、請求項１に記載の多方向光学素子。
7. 前記本体が、第５の側面と、前記第１および第２の方向とは異なる第３の方向に沿って、前記第５の側面と略対向して配置された第６の側面とをさらに備える、請求項１に記載の多方向光学素子。
8. 前記第５および第６の側面が実質的に平坦である、請求項７に記載の多方向光学素子。
9. 前記第５および第６の側面が取付面構造を含む、請求項７に記載の多方向光学素子。
10. 前記第５および第６の側面が湾曲している、請求項７に記載の多方向光学素子。
11. 前記側面のうちの少なくとも１つが非球面曲率を有する、請求項１に記載の多方向光学素子。
12. 前記側面のうちの少なくとも１つが微細構造を含む、請求項１に記載の多方向光学素子。
13. 第１の光源と、第１の照明対象と、多方向光学素子とを備え、前記多方向光学素子が第１の曲率を有する第１の側面と、第１の方向に沿って前記第１の側面と略対向して配置された第２の曲率を有する第２の側面と、第３の曲率を有する第３の側面と、第２の方向に沿って前記第３の側面と略対向して配置された第４の曲率を有する第４の側面とを有する本体を備え、前記多方向光学素子が、前記第１のチャネルの光が前記多方向光学素子を通って略前記第１の方向に進行するように、前記第１の光源と前記第１の照明対象との間に配置されている第１の照明チャネルと、
    第２の光源と、第２の照明対象と、前記多方向光学素子とを備え、前記多方向光学素子が、前記第２のチャネルの光が前記多方向光学素子を通って前記第１の方向とは異なる略前記第２の方向に進行するように、前記第２の光源と前記第２の照明対象との間に配置されている第２の照明チャネルと
    を備える光学システム。
14. 前記多方向光学素子の前記第１の曲率が前記第３の曲率と略同じであるとともに、前記第２の曲率が前記第４の曲率と略同じである、請求項１３に記載の光学システム。
15. 前記多方向光学素子の前記第１および第３の側面が凸状であるとともに、前記第２および第４の側面が凹状である、請求項１３に記載の光学システム。
16. 前記第１の方向が前記第２の方向に対して約９０度の角度をなす、請求項１３に記載の光学システム。
17. 前記第１の光源が第１の色の照明を生成するとともに、前記多方向光学素子の前記第１および第２の曲率のうちの少なくとも一方が前記第１の色の照明に対して優先的に構成されている、請求項１３に記載の光学システム。
18. 前記第１の光源が第１の色の照明を生成するとともに、前記多方向素子が前記第１および第２の側面のうちの少なくとも一方上に配置されている前記第１の色の照明に対して優先的に構成された少なくとも１つの色固有コーティングをさらに備える、請求項１７に記載の光学システム。
19. 前記第２の光源が第２の色の照明を生成するとともに、前記多方向光学素子の前記第３および第４の曲率のうちの少なくとも一方が前記第２の色の照明に対して優先的に構成されている、請求項１３に記載の光学システム。
20. 前記第２の光源が第２の色の照明を生成するとともに、前記多方向素子が前記第３および第４の側面のうちの少なくとも一方上に配置されている前記第２の色の照明に対して優先的に構成された少なくとも１つの色固有コーティングをさらに備える、請求項１９に記載の光学システム。
21. 第３の光源と第３の照明対象とを備える第３の色の照明チャネルをさらに備える、請求項１３に記載の光学システム。

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