JP2008502951A - ノッチフィルタ反射鏡本願は、2004年6月14日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/867,956号(現在、放棄されている)の一部継続出願である、2004年9月29日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/955,834号(参照により本明細書に援用する)の一部継続出願である。本願は、2003年4月23日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/423,371号(参照により本明細書に援用する)に関連する。 - Google Patents
ノッチフィルタ反射鏡本願は、2004年6月14日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/867,956号(現在、放棄されている)の一部継続出願である、2004年9月29日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/955,834号(参照により本明細書に援用する)の一部継続出願である。本願は、2003年4月23日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/423,371号(参照により本明細書に援用する)に関連する。 Download PDFInfo
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Abstract
反射鏡は、光学面(313)を画定する本体(333)を備える。反射面(332)は、少なくとも1つのノッチフィルタを画定する誘電積層を含み、光学面上に配置される。反射鏡は、画像プロジェクタ(300)の光源により生成される光スペクトルにおける不所望のピーク波長を除去するために使用される。
Description
典型的な投影システムは、明るい白色光のアーク灯光源、白色光を赤、緑、及び青のスペクトル成分に分解する方法、並びに経時的に各スペクトル成分を2次元空間イメージングしてカラーピクチャを作成する空間光変調器(SLM、光弁とも呼ばれる)を備える。SLMは、コンピュータ、又はTVチューナー、VCR、HDTV放送、若しくはDVDプレーヤ等の別の映像源により生成されるアナログ又はデジタルの映像信号に応答して空間的且つ時間的な変調を行う。SLMは通常、カラーホィールを使用して赤、緑、及び青のカラープレーンに一連の画像を作成するが、シアンプレーン、イエロープレーン、マゼンタプレーン、及びオプションでホワイトプレーン等、他の色分解法も存在する。次いで、カラープレーンを光学的に再結合して、画面上に投影する、すなわち閲覧者が1枚のみの画像として知覚するような速度で画面上に時間的に順序正しくフラッシュさせることができる。
大半のデジタルプロジェクタは、プロジェクタが投影画面上に投影する画面ルーメン数で競い合っている。プロジェクタ市場の競争は激烈であるが、コスト要件並びにサイズ制約がより効率的な光源の開発を制限してきた。
デジタルプロジェクタに使用される既存の光源にはいくつかの問題がある。多くのアーク灯光源は、放射照度が均一ではない可視光スペクトルを有する。この非均一性により、カラーホィールが使用されるシステムでは、非均一スペクトルの不要な部分をフィルタリングするような特定の被膜設計を有するカラーホィールを有することが必要である。
たとえば、水銀アーク灯の場合、520nm(ナノメートル)から600nmのスペクトルに2つの強度スパイクがある。一方の強度スパイクは520nmから560nmで発生する。他方のスパイクは560nmから600nmで発生する。この後者のスパイクは、バランスの良い色域を実現することを難しくする非常に強い黄色の線スペクトルを有する。したがって、この後者のスパイクは従来、カラーホィールによってフィルタリングされる。このスペクトルの光をフィルタリングすることにより、空間光変調器及び最終的に画面に到達するルーメンが失われる。
たとえば、従来のカラーホィール被膜の設計は、良好なカラーバランスを実現するべく、カラーホィールの緑フィルタと赤フィルタの傾き及び重複を調整するようにして選ばれる。通常、カラーホィールの赤部分は、600nmから800nmの波長を有する光を透過させるように設計される。したがって、560から600nmにあるスパイクはカラーホィールによって事実上、ほぼなくなる。その分、それに対応してプロジェクタにより生成される輝度が低減する。
要約すれば、効率性、スペクトル放射照度の非均一性、及び特に水銀蒸気式のアーク灯バルブに関連する他の問題を克服する必要がある。
本発明は、以下の図面を参照することでよりよく理解される。図面の要素は互いに必ずしも一定の比率で描かれているわけではない。むしろ、本発明を明確に示すことに重点が置かれている。さらに、同様の参照符号はいくつかの図面を通して対応する同様のパーツを示す。
以下は、本発明を実施する、現時点で既知の最良の形態の詳細な説明である。この説明は限定の意味で解釈されるべきではなく、単に本発明の一般原理を示すために行われる。なお、本発明に関連しない投影システム部品の詳細な考察は、簡明化のために省かれている。本発明は、現時点で開発されている、又はまだ開発されていないものを含め、広範囲の表示技術及びプレゼンテーションシステムにも適用することが可能である。たとえば、各種の例示的な投影システムを、デジタルマイクロミラープロジェクタを参照しながら後述するが、磁気レオロジー、回折、透過、干渉等、他の種類の空間光変調器(SLM)も等しく本発明に適用することが可能である。
図面は一定の比率で描かれていないことに留意されたい。さらに、光学素子の各種パーツも一定の比率で描かれていない。本発明のより明確な説明及び理解を提供するために、特定の寸法を他の寸法に対して強調させてある。
さらに、本明細書に示す実施形態のいくつかは、各種領域が長さ及び幅を有する状態の2次元図で示されるが、こういった領域は装置の、実際には3次元の構造の断面部分のみの図であることを明確に理解されたい。したがって、こういった領域は、実際の装置として組み立てられる際には長さ、幅、及び奥行きを含む3つの次元を有することになる。いくつかの3次元構造は、示す2次元構造を横に回転させたものであるが、横矩形形状(たとえば、横断面を奥行き寸法又は幅寸法に線形に延ばす)等、同様の縦断面部分を有する他の3次元構造も存在し、本発明の範囲及び精神内にあるものと解釈されるべきである。
さらに、種々の実施形態が縦軸に沿った断面で示されるが、その実施形態の異なる断面は横断面プロファイルを有し得る。示す本実施形態は、各種の可能な横断面の組み合わせの可能性を包含することを意図され、依然として本発明の範囲及び精神内に留まる。
さらに、本発明を、プロジェクタ装置に向けた実施形態で示すが、こういった説明が本発明の範囲及び適用範囲に対する制限であることを意図しない。本発明のプロジェクタ装置を、示されている物理的な構造に限定することを意図しない。こういった構造は、現時点で好ましい実施形態及び代替の実施形態への本発明の有用性及び適用を実証するために含まれている。
図1は例示的な1931CIE色度図である。「色域」とは、プロジェクタが生成可能な色の範囲のことである。単原色の青色、緑色、及び赤色の投影ピクセルを有する理想的なプロジェクタは、理想的な色域1を有する。したがって、理想的なプロジェクタは、単色の青、緑、及び赤の原色2から4のそれぞれに角を有する、色域1の輪郭を描く略三角形のエリア内の全色を生成することが可能である。例示的な現世界の非均一光源の非理想的、すなわち現実的な色域は、非単色の青、緑、及び赤のカラースペクトル帯6から8のそれぞれに角を有する略三角形のエリア5内の色を含む。中心には白色の空間がある。また、黄スペクトル9も示す。強い黄成分を加えると、結果生成される非理想的な色域が影響を受け、所望の色域よりも小さくなる恐れがある。
単原色を中心にしたすべての色ではあるが非常に狭い範囲の色をフィルタリングして単原色を作成することで、色域は増大するが、フィルタリングにより除去される光が投影可能なルーメン量を低減するため、最終的に投影画像の強度を低減することになる。したがって、輝度を維持しながら所与の光源から利用可能な色域を改善する装置が非常に望まれる。
図2Aは、例示的な水銀アーク灯光源のスペクトルパワー分布10を示す。光源のスペクトルパワー分布10は非均一であり、従来のカラーホィールに使用される複数のカラースペクトル帯12、13、14(それぞれ青、緑、赤)のそれぞれでエネルギーを含む。示すように、スペクトルパワー分布10は、各カラースペクトル帯12から14の間で一様でない。光源のスペクトルパワー分布は、1つ又は複数のスパイク15から18を1つ又は複数のカラースペクトル帯12、13(青、緑)に含み、カラースペクトル帯のうちの少なくとも1つ14(赤)には含まない場合がある。
第1の青スパイク15及び第2の青スパイク16はそれぞれ、青スペクトル帯12の約405nm及び436nmにある。緑スパイク17及び黄スパイク18はそれぞれ、緑スペクトル帯13の約550nm及び580nmにある。一般に赤のカラースペクトル帯14にはスペクトラムはない。緑スパイク18は、従来、デジタルプロジェクタにおいて実際に知覚される色のバランスをとるに際して問題を生じさせてきた、黄色の線スペクトルとして非常に強い強度を有する。従来、製造業者は、デジタルプロジェクタ設計においてこの黄スパイク18をなくす(除去する)ようにカラーホィールセグメントのバンドパスフィルタを入念に設計する。たとえば、緑セグメントが、右側のエッジが調整後の緑セグメント13’で示すエッジに移動するように調整される。しかし、この従来の手法では、黄スパイク18からの光を投影させないことで投影システムが利用可能なルーメン量が低減する。
本発明の一態様は、黄スパイク18をなくすのではなくむしろ、およそ、近隣、すなわち隣接する波長のルーメンレベルにスパイクを低減し(それによって光源を波長にわたる放射照度においてより均一にし)、この光の低減されたフィルタリング部分を投影システムの残りの部分に渡すことができる。この放射照度均一化手法は、大半のルーメンを保持しながら色域のバランスをとることができる。
この結果を実現する1つの方法は、特定の望ましくないカラースペクトル帯内のスペクトルエネルギーの特定の範囲又はスパイクを精密に低減し、それによって色域を増大するように光源反射鏡面にノッチフィルタ被膜を塗布することである。スペクトルエネルギーは低減されるだけで、無くならないため、カラーホィールは、従来のデジタルプロジェクタから、この追加の光を透過させて投影される光量を増大するように変更することができる。したがって、エネルギーを低減させるスペクトル範囲は、所望の輝度を保持しながら色域を改善するように選択される。
ノッチにおいて良好な排除性すなわち低い反射性を有する可視光ノッチフィルタ反射被膜が提供されて、光源のスペクトルパワー分布からのエネルギーを近隣の波長のエネルギーに低減する(図2B、図10、及び図11を参照)。ノッチフィルタは好ましくは、シャープなスペクトルカットオン領域及びスペクトルカットオフ領域を有する。例示的な実施形態の場合、フィルタは好ましくは、妥当な数の誘電材料層が反射鏡又は照明経路の他の鏡面に堆積されて構築される。フィルタは好ましくは、可視スペクトルの2つ以上のスペクトル帯にわたって急峻なスペクトルの内部肩及び外部肩を有する。
たとえば、一実施形態では、水銀アーク灯光源を有するプロジェクタは、反射面上にノッチフィルタ被膜を有して、黄スパイク18を低減することができる。ノッチフィルタ被膜は、中心波長が580nmであり、両側の帯域幅が約20nmである反射防止ノッチであってもよい。反射防止は好ましくは、560から600nmで60%以下の反射(たとえば、20%反射)であり、水銀アーク灯が放つ近隣の波長との均一性を実現する。ノッチのエッジの傾斜は、90%から10%までの反射防止点で6nm以下からであるべきである。黄ノッチフィルタを、たとえば垂直入射+/−10度の入射円錐角で使用し、約5度の入射角のために最適化することができる。楕円形反射鏡の場合、これは図3の「グプタ照明環」エリア311に対応する(2004年8月17日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/919,936号(参照により本明細書に援用する)を参照)。入射角によるフィルタシフトは約1.9nmである。
図2Bは、例示的な実施形態の反射面上の黄ノッチフィルタ被膜によりフィルタリングされた超高圧水銀アーク灯のフィルタリング後スペクトルパワー分布20を示す。スペクトルエネルギーは、黄スパイク18(図2Aを参照)の560から600nmの黄色の線スペクトルが減衰される。黄スパイク18からのルーメンエネルギーを隣接する波長のルーメンエネルギーに低減することにより、黄スパイク18に関連するスペクトルエネルギーの多くを残しながら色域が改善され、カラーホィールの変更された赤セグメント19により残りのルーメンを集められるようにすることにより所望の輝度を保持する。
このノッチフィルタリングを実現するいくつかの異なる方法がある。したがって、本発明の様々な実施形態は、オプションとして熱除去を含む反射アセンブリにコートされたノッチフィルタを対象とする。この実施形態は、透過面(ガラス又は水晶等)又は熱除去面(アルミニウム又は他の金属等)上に、ノッチフィルタの帯域幅領域内のスペクトルエネルギーは吸収する一方、可視光の大半の帯域幅領域で非常に効率的に反射する光学的被膜を作成することを提供する。さらに、フィルタ設計は、可視スペクトル外の波長を吸収して不要な不可視放射を低減し、熱除去を可能にすることもできる。
たとえば、一実施形態では、プロジェクタ用の反射鏡アセンブリは、好ましくは放物面又は楕円の凹面キャビティ内に電磁(EM)チャンバを画定する熱伝導アセンブリを備える。吸収層がEMチャンバに配置されて、560nmから600nm領域での黄スパイク、並びに光源によりEMチャンバ内に生じる紫外線(UV)エネルギー及び赤外線(I/R)エネルギーの大部分を吸収する。各種光源は、水銀アークバルブ光源及びキセノンアークバルブ光源を含むがこれらに限定されない。一実施形態では、フリットガラス(SiO2)等の誘電体が吸収層上に配置される。フリットガラスは、平滑な光学面を提供するように手磨き又は別の方法で仕上げ加工することができる。他の実施形態では、成形又はブロー誘電ガラスの表面が、EMチャンバの形成に使用される。フィルタが誘電体上に配置されて、複数の周波数帯(好ましくは、可視光スペクトル内)を反射し、不要なスパイク、UV、及びI/R等の他の周波数を吸収、或いは別法として吸収層に透過させる。誘電体は、吸収層からの反射フィルタの分離をもたらし、フィルタを吸収層上に被膜し易いようにする。さらに、誘電体は、研磨等により吸収層の面を平滑化することを可能にする。誘電体を高度に圧縮した状態で堆積し、その後誘電体を焼成してマイクロクラックを作ることで、良好な光学的性質を依然として保ちながら内部応力が軽減される。熱伝導アセンブリは、吸収層においてUV及びI/Rエネルギーにより発生した熱を周囲環境に伝達する。オプションとして、ファン又は他の熱除去装置を使用して、熱を反射鏡アセンブリからさらに放散させる。
プロジェクタ用反射鏡の一実施形態では、金属アセンブリを使用して、光源からの光を集める、導く、或いは集束させるように造形された表面を画定する。このような造形面は楕円面又は放物面を含むが、他の双曲面又は傾斜面を使用することも可能である。UV吸収フィルタ層及びI/R吸収フィルタ層が、造形面上に配置される。分離層がUV及びI/Rフィルタ層上に配置される。分離層はUVエネルギー及びI/Rエネルギーを透過させ、光源の可干渉距離よりも大きい十分な厚さのものである。ノッチフィルタ付き反射面が分離層上に配置されて、UV及びI/Rを透過させながら可視光を反射し、可視の望ましくないピークをすぐ隣の周囲波長レベルに減衰する。たとえば、水銀アーク灯は、約半ミクロンの可干渉距離を有し得る。1ミクロンよりも大きな厚みを有する分離層が、反射層と吸収層との間に光の十分な非干渉を提供する。
より一般的には、本発明の実施形態は、光源と結合し、電磁エネルギーを生成するようになっている任意の光学アセンブリと、光学キャビティを画定する、光源を保持する固定具とを備えることができる。可視光用のノッチフィルタが光学キャビティに堆積されて、或る範囲の可視光周波数を反射し、可視範囲内の1つ又は複数の狭帯内、及びオプションとして光周波数範囲外の帯の電磁エネルギーをさらに吸収又は透過する。オプションとして、光学アセンブリに一体化された熱除去装置が、吸収された電磁エネルギーを放散させる。
ヒートシンクを光学反射鏡として使用する1つの方法は、キャビティをヒートシンクに画定して光学キャビティを形成する。次いで、キャビティには、少なくとも1つの範囲の可視光を吸収する材料を用いて堆積、コートされ、或いは形成される。次いで、その吸収する材料に、フリットガラス層等の誘電体で被膜され、好ましくは研磨される。次いで、フリットガラス層に、吸収される可視光の範囲と異なる範囲の可視光を反射する材料の少なくとも1つの層が堆積、コート、又は別の方法で形成される。
光学プロジェクタ用のフィルタ付き光源を作成する別の方法は、赤外線(I/R)から紫外線(UV)にわたる広帯域光源を創ることである。広帯域光源からのI/R光及びUV光は、誘電被膜を使用してフィルタリングされて、ノッチフィルタリング後の光出力及び熱放射出力の両方を生み出す。熱放射出力は、誘電被膜が塗布されて光学素子がノッチフィルタリング後の光出力を投影できるように形成されるヒートシンクに伝達される。
プロジェクタ用反射鏡アセンブリについて概して述べるが、本発明は、空間ホモジナイザ(図3の320を参照)又は他の鏡面等の任意の反射鏡装置と共に使用することができる。反射鏡装置は、誘電ノッチフィルタ被膜が塗布された金属又はガラスの反射鏡を含む。
たとえば、誘電被膜は、Ta2O5及びSiO2等の異なる薄膜誘電体が交互になったいくつかの層で形成することができる。異なる誘電体は、必要とされるノッチフィルタに応じてそれぞれ異なる屈折率及び膜厚を有する。水銀アーク灯の黄スパイク18をフィルタリングする例示的な1つの設計を図12の表に示し、その結果生成される反射スペクトルを図11に示す。
一実施形態では、反射鏡には吸収被膜がコートされる。金属反射鏡の場合、ガラス層が吸収被膜上に配置される。選択的光学反射鏡がガラス層上に配置されて、少なくとも1つの可視光スペクトル領域を(ノッチフィルタを介して)吸収被膜に透過させる。したがって、反射鏡は光学面を画定する金属反射鏡を有し、吸収面が光学面上に配置され、ガラス層が吸収面上に配置される。吸収層は、可視波長外の光を吸収することもできる。ガラス層は、分離層として働く任意の誘電層であってもよい。可視光を反射し、不可視光を透過する層が、ガラス層又は他の分離層上に配置される。オプションとして、吸収層を、光学面を形成するのに十分に平滑に加工可能な材料で作ることができ、その複雑な屈折率が高反射可視バンドパス被膜の複雑な設計及び実装に繋がらない場合、分離層を除去してもよい。一般に、金属反射鏡は、黒色吸収層が非金属である場合、ガラス層の熱膨張係数(CTE)及び吸収層のCTEと実質的に異なるCTEを有する。大半の堆積プロセスは高エネルギープロセスであり、高度に圧縮された応力下での成膜堆積に繋がる。熱サイクル中、引張り応力が被膜構造に蓄えられている圧縮応力により軽減される。引張り応力が、蓄えられている圧縮応力を超える場合、塗布された被膜は歪みを軽減するために裂ける。しかし、微小断裂は、システムの光学的性能にそれ程影響しない。吸収面は、特定の波長領域を吸収することができるように選択された1つ又は複数の金属誘電被膜を吸収層に含むように加工することができる。
ガラス(又は他の分離)層は一般に、1ミクロンよりも大きな厚さを有し、反射面を吸収面から分離する。この厚さは一般に、光源の可干渉距離よりも大きい。一般に、ガラス面は研磨されて、反射面用の平滑な光学面を形成する。ガラス材料には高引張り応力がかかる可能性があるため、光学アセンブリを焼成するか又は別の方法で熱サイクルを施して、ガラス層に引張り応力断裂を持たせて、ガラス層の光学的性質に影響を及ぼすことなく通常動作中の応力を軽減する。反射面は、ガラス層上に、図12に示すような1つ又は複数の誘電層を使用して作成される。いくつかの実施形態では、反射面は、SiO2及び酸化タンタル(たとえば、Ta2O5)又は酸化チタン(たとえば、TiO2)の層を含んでもよい。
金属反射鏡は、熱除去を可能にするために金属反射鏡に接続された1組の冷却フィン又はヒートパイプを有することができる。他のいくつかの熱除去選択肢が当業者に既知である。光学キャビティはオプションとして、所望の熱設計及び光学設計に応じて周囲空気から封止され、又はさらに熱が流れるようにする開口を備えることができる。
本発明の特定の実施形態の製造法及び使用法についてのより詳細な説明が続くが、これは限定を意味するものではなく、本発明の単なる例示である。
図3は、本発明の少なくとも1つの態様を組み込んだ例示的な投影装置に見られる、展開された光学表示システム300の概略図である。光学表示システムは光源310、カラーホィール316、空間ホモジナイザ320、空間光変調器(SLM)340、及び結像光学系350を備える。光源310は楕円形反射鏡313及びバルブ370を備える。バルブ370は一般に、第2の焦点で集束(合焦)して、インテグレーティングロッド322として示すように空間ホモジナイザ320の入口324に像点314を生成する広帯域光楕円の第1の焦点(物点)に小さなファイアボール317を生成する水銀蒸気式のアーク灯である。
光源310は、ノッチフィルタ付き反射層332(図10、図11を参照)を使用して像点314に集束する1組の集束光線315を生み出す。光源310はUV波長及びI/R波長での電磁エネルギーを生成し、これらはノッチフィルタ付き反射層332及び分離層331を透過して吸収層330に吸収される。光源310は、吸収層330、分離層331、及びノッチフィルタ付き反射層332の特殊被膜が施された楕円反射鏡313を画定する金属反射鏡333を備える。金属反射鏡333は、吸収層330が吸収したエネルギーを除去するヒートシンク312等の一体型熱除去装置を備える。
カラーホィール316はカラーホィール軸318を中心に回転して、1つ又は複数のカラーセクション(少数を挙げれば、赤19−緑13’−青12、赤−緑−青−白、又は赤−緑−青−赤−緑−青等)を提示して、光源310からの可視光スペクトルを時間的なカラーシーケンスに変換する。しかし、水銀灯は通常、生成される赤スペクトルの量が足りないことから、カラーホィール又は他の機構で補正しなければならないオフホワイト光を発生させる。カラーホィール316は、カラーシーケンスを生成することができる多くの色域発生器456(図4を参照)の1つである。空間ホモジナイザ320を使用して、出口326での横断面プロファイルから放射される光線の強度を空間的に一様にする。
像点314で集束した光は、楕円鏡の光学設計に基づいて第1の角度319(通常、円錐半角と呼ばれる)で空間ホモジナイザ320の入口324に入る。通常、空間ホモジナイザ320として使用される従来のインテグレーティングロッド322は、(図示されている縦断面と対照的に)矩形の横断面形状を有して、光を矩形像に変換して、それに対応する比率を有する矩形のSLM340上で集束する。大半のインテグレーティングロッド322は、中空で矩形の箱として構築され、内部には、入射光線を表面で反射させる高度反射被膜がコーティングされている。オプションとして、インテグレーティングロッドに反射鏡333の表面にコーティングされたものと同様の膜をコーティングすることにより、さらなるノッチ付き可視、UV、及びI/Rフィルタリングを実現することができる。インテグレーティングロッド322でのこの反射は光を空間的に均質化させ、それによって光を横断面出口の開口内で均等に分散させ、インテグレーティングロッド322の出口326を出る光線の断面において空間的に一様な強度を生み出す。一般に、従来の矩形インテグレーティングロッド322の場合、光は出口326から第1の角度319で出射する。インテグレーティングロッドを出る光線は次いで、集光レンズ328又は他の光学系を使用して1組の均一光線342として結像されて、SLM340の能動素子が占めるエリアを満たす。この結像は、インテグレーティングロッド322の高さ及び幅をSLM340の寸法の比率に合わせることにより行われる。SLM340を出射する反射光344は次いで、反射光344が投影光学系348の結像光学系の開口349にほぼ取り込まれるように結像光学系350に光学的に結合される。偏向された光346は、投影されないよう結像光学系の開口349から離れる方向に向けられる。SLM340は反射型のものとして説明するが、光路は理解をし易くするために展開して示している。
金属反射鏡333を製造する実施形態のいくつかの方法がある。1つの方法は、円筒に大まかな楕円形の中空形状を形成してから、その円筒内の中空形状をシングルポイントダイヤモンド旋削(SPDT)する。別の手法は、光軸に沿って継ぎ目を有して電鋳される2つのパーツを作成する。別法として、2つのパーツは、光(縦)軸に垂直な(光軸を横断する)継ぎ目を有する2つのパーツとして電鋳することができる。さらに、各種の鋳造方法が当該技術分野において既知であり、高質の光学面に使用される。製造ステップについてのより多くの情報を図8に詳述する。
従来の楕円反射鏡はガラス等の中実の光学材料から形成されるが、水銀アーク灯からの熱が、適宜制御されない場合に楕円面を変形させ、それによって効率低下を生じさせる場合がある。ヒートシンク312等の一体化された熱除去装置を有する金属反射鏡333を使用することで、反射鏡は、摂氏で100度にわたる変化等、広範囲の動作温度にわたって楕円面を保つことが可能になる。しかし、低強度用途等、いくつかの用途では、反射鏡材料の選択はランプのエネルギーにより影響を受けない場合がある。しかし、ここで説明する被膜は、依然として楕円又は他の双曲面(放物面等)に適用することが可能であり、依然としてフィルタリング機能を行うことが可能である。
図4は、本発明を組み込んだ光学結像システムの実施形態のより大まかなブロック図400である。光学系を通る光路を一点鎖線で示す。他の信号は実線として示す。発光器423は、光源410、吸収層430、分離層431、及びノッチフィルタ付き反射層432を有する金属反射鏡433を備え、少なくとも1つのノッチフィルタリングされた光425を有するバンドパスを生成して色域発生器456に送る(色を発生させるために)。光源410は好ましくは、楕円面又は放物面等の凹面を使用して光を集束させる結像用の表面を有する。
発光器423からのフィルタリングされた光425は、空間光変調器440に光学的に結合される。映像源又は画像源データ入力452からアナログ入力又はデジタル入力を受け取るコントローラ454が、SLM440を制御する。SLM440からの光は次いで、結像光学系450に光学的に結合され、ターゲット460上に投影又は結像される。このようなターゲット460は、前方投影スクリーン、後方投影スクリーン、壁、半透明スクリーン、又はアクティブスクリーン等の他の表示装置を含む。アクティブスクリーンでは、投影された画像の光学的増幅又はコントラスト強調が可能である。さらに、空間光変調器440、結像光学系450の後に色域発生器456を組み込むことが可能であり、又はアクティブスクリーンを使用する場合等、ターゲット460に組み込むことさえも可能である。
図5A及び図5Bはそれぞれ、フィルタリングされた光を生成する可能な反射鏡アセンブリ333、433(図3及び図4)のうちの一方のみの例示的な実施形態の斜視図及び背面図である。図5Aは、バルブ開口540及び部分楕円形反射鏡キャビティ550を有する楕円形光反射鏡500である。部分楕円形反射鏡513の形状は、ファイアボール317(図3)の位置等、楕円の第1の焦点からの光が、反射鏡表面510から反射して、楕円の第2の焦点に像点314を形成するようなものである。反射鏡表面510は、吸収層330、分離層331、及びノッチフィルタ付き反射層332という複数の誘電被膜の積層で構成される。
図5Bは、半径方向に分散してファン又はブロワ等の空気移動装置からの空気流が冷却フィンを通って流れるようにして、熱を周囲環境に逃す冷却フィン530を示す図5Aの近位端570の背面図である。また、冷却フィン530に形成されて、空気流が冷却フィン530上を通過する際に空気流の乱流を最大化する乱流誘発形体580も示す。反射鏡本体から伝達される熱量を最大化することにより、キャビティ550に蓄積される熱が低減され、それによってランプアセンブリの寿命を増長させるとともに、反射鏡の形状を保持し、光を空間ホモジナイザ320に効率的に結合できるようにする。開口540は、固定式の、又は交換可能なバルブアセンブリを配置できるようにする。
図6は代替の光源600の断面図である。この図では、放物面光源が、キャビティ650の放物面613の焦点にファイアボール617を形成するバルブ625を開口640に有する。放物線の焦点を出る可視光はノッチフィルタ付き反射面332で反射されて、ほぼコリメートされた(平行な)光路を生み出し、この光路は次いで集光レンズ675により像点614に結像される。望ましくない可視ピーク、UV及びI/R放射は、ノッチフィルタ付き反射層332を透過して分離層331を透過し、吸収層330により吸収される。吸収されたエネルギーは、吸収層により熱に変換され、反射体640内に放散され、最終的に一体化された冷却フィン630により放散される。この手法では、集光レンズ675の光学系が像点614を形成し、したがって反射鏡をより緩い許容差で製造することができるため、光路長(ひいては半角)の設計をより柔軟にすることができる。この手法は概して、楕円鏡手法より非効率な手法であり、追加要素を追加するため、光源の重量、長さ、及び費用が増大する。しかし、反射面332を出るフィルタリングされた光が実質的に可視スペクトルのみの光であることから、残りの光路でのUVフィルタリング及び/又はI/Rフィルタリングの必要がないため、より低コストの集光レンズ675を使用することができる。
従来のプロジェクタ設計は一般に、輪郭のはっきりしたファイアボールを特定の像点に結像する単一光源に制限される。しかし、本発明を使用する投影システム又は他の結像システムでは、従来の水銀アーク灯以外の異なる種類の光源も可能である。水銀は既知の毒物であり、一般にその使用を低減するか、又はなくすことが望ましい。たとえば、キセノン等の光源は、水銀バルブよりもより長い動作寿命を有し、より白色に近いが、所与のワット数に対して水銀バルブほどの光出力を有さない場合があり、一般に水銀バルブほど小さな点光源を形成しない。さらに、I/R領域に、除去しなければならない(除去しなければプロジェクタの他の光学部品を劣化させる)より多くの光がある。熱除去を備える金属反射鏡にフィルタ被膜を組み込み、キセノンファイアボールを空間ホモジナイザ320の入口口径前の像点に結像することにより、キセノン光源の効率が改善され、それによって水銀を使用しない光源ソリューションが可能になる。したがって、任意の実施形態のバルブは、ほんの数例を挙げればキセノン、ナトリウム、又はハロゲンベースの光等の非水銀光源で置き換えることができる。実際に、非点光源であるいくつかの異なる光源を、選択された用途、空間光変調器、及び色域発生器に応じて使用することができる。
図7は、本発明の少なくとも1つの実施形態を組み込んだ投影システム700の実施形態のブロック図である。投影システム700は、ランプアセンブリ740、ファンアセンブリ720、投影アセンブリ710、及び制御アセンブリ730を備える。制御アセンブリ730は、投影アセンブリの諸側面を調整し、ランプアセンブリ740への電力を制御し、ファンアセンブリ720を動作させるために使用される。ランプアセンブリ740は、複数の光学被膜が反射鏡表面に塗布されて可視スペクトルでのノッチフィルタを形成する一体化された反射鏡及びヒートシンクを備える。これら被膜は、吸収層330、光学分離層331、及び反射層332を含み、可視光ノッチフィルタを有するバンドパスフィルタを形成して、可視スペクトルでのフィルタリングされた光を生成する。ランプアセンブリ740のランプから放射される不要なエネルギーは反射層332、分離層331(存在する場合)を透過して吸収層330に伝えられる。吸収層330により生成される熱は、一体化されているヒートシンク500に熱的に結合される。コントローラアセンブリ730は、必要な場合にファンアセンブリ720を動作させて空気流をヒートシンク上に向け、不要な熱を周囲環境に逃す。ランプアセンブリ740からのフィルタリングされた光は、投影アセンブリ710に光学的に結合される。投影アセンブリ710は、制御アセンブリ730により制御される1つ又は複数の空間光変調器を組み込んで、閲覧可能な画像又は動画を生成する。別法として、投影アセンブリは、画像の生成と同様に又は画像の生成の他に、通信機能のために制御されることも可能である。
バンドパス/ノッチフィルタ被膜を有する一体化された反射鏡及びヒートシンクは、いくつかの異なる方法で形成することができる。たとえば、図8は、一体化反射鏡のみ、又は他の光学素子と組み合わせて形成することが可能な製造ステップ800のいくつかの異なる組み合わせを表すフローチャートである。6061、7000、又は1000シリーズ等のアルミニウム合金を、ほぼ所望の形状に粗加工し(ブロック810)、次いでオプションとして熱処理し(ブロック816)、且つ/又はオプションとしてMIL H6088等の既知の規格に応力を緩和させる(ブロック818)。他の形成ステップは、アルミニウム材料を射出成形すること(ステップ814)又は鋳造で成形を使用して鋳造物を形成すること(ステップ812)であり得る。型が十分に精密ではない場合、成形パーツ又は鋳造パーツを次いで、さらに粗加工することができる。オプションとして、アルミニウム表面をニッケルメッキして硬化させるかどうか判定する(ブロック820)ことができ、この場合、アルミニウムをニッケルでメッキする(ブロック820)。いずれの方法でも、アルミニウム合金パーツが次いで、オプションとしてシングルポイントダイヤモンド旋削(SPDT)されて、光学仕上げを形成する(ブロック824)。
光学面が形成された後、吸収層が光学面に付けられる(ステップ826)。可能な方法のいくつかとしては、黒色材料を堆積すること(ステップ828)、窒素中でアルミニウムをボンバードすること(ステップ830)、及び誘電体の位相を整合させた層等の反射防止被膜を堆積すること(ステップ832)が挙げられる。黒色材料は、アルミニウム反射鏡に直接堆積される黒色クロム又はゲルマニウムであってもよい。誘電体の位相を整合させた層は、薄膜クロムを有するアルミニウム表面上のMgF2被膜であってもよく、それによって広帯域の黒色層を形成する。アルミニウムが窒素中でボンバードされる場合、窒化アルミニウムがアルミニウムに埋め込まれてアルミニウム黒色表面を形成することになり、そこへ高反射被膜を直接コーティングすることができる(ステップ838)。
反射層と吸収層との干渉を防止したい、又は研磨された好ましい特性の光学面を形成したい(ステップ834)場合、分離層を吸収層上に堆積又は別の方法で付けることができる。分離層は、UV放射及びI/R放射を透過して吸収層に結合させる誘電材料から形成される。例示的な1つの材料は、微細研削又は研磨して(ステップ840)光学ガラス面を形成することができるフリットガラスの面を堆積すること(ステップ836)である。分離層を堆積した後、1つ又は複数の層で構成される高反射被膜がそこに堆積される(ステップ838)。可視光のノッチフィルタを備える例示的な1つのバンドパス反射面は、SiO2及び酸化タンタル(Ta2O5)又は酸化チタン(TiO2)の複数の層が付けられたものを有すること(ステップ842)である(例示的な1つの設計については図12を参照)。
図9は、UV放射及びI/R放射の大半を透過させながら可視スペクトルの光を反射するバンドパスフィルタの例示的なグラフである。図10は、560nmから600nm波長スペクトルのノッチフィルタを備えて、反射される光の量を図9の約100%から図10の約60%反射に低減するように、バンドパスフィルタの伝達関数をどのように変更することができるかを例示するグラフである。このノッチフィルタの追加は、光学面に付けられる、異なる複数の誘電被膜の相対厚を調整して反射面を形成することにより行われる。UV及びI/Rの大半の非反射は保持される。不所望のピークのさらなる減衰が求められる場合、ノッチフィルタの設計を、図11に示すように20%の反射に下げる等、ノッチでの反射量を低減するように調整することができる。図11のノッチフィルタリングを実現するための、誘電層の積み重ねの例示的なリストを図12の表に示す。特定の光源に適合するように反射の割合を変更すること、又はピークの波長を調整する等のノッチフィルタパラメータを変更することを、当業者により行うことができる。たとえば、第1の青ピーク15を低減して色域をさらに微調整することができる。
本明細書において論じた例示的な実施形態は、特定の光源の色域を改善することができる特定のフィルタを含む。一般原理を他の光源に適用することが可能であり、又、本明細書において論じた光源を、本明細書において論じたスペクトル範囲以外のスペクトル範囲のエネルギーを除去して色域を改善するフィルタと併せて使用可能なことを当業者は認識するであろう。異なるフィルタ及び異なるフィルタの組み合わせを、所与の光源と併せて使用して、各種用途に望ましい異なる色域を実現することができる。
本開示のフィルタとの併用に適したプロジェクタは、眼鏡型ディスプレイ、デジタルプロジェクタ、リア・プロジェクション・テレビジョン、コンピュータモニタ、広告ディスプレイ、及び変調した光を観視面上に投影する他の表示装置等、任意の表示装置を含むことができ、デジタルプロジェクタも含むことができる。
本発明を上記の好ましい実施形態及び代替の実施形態を参照して特に示し説明したが、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、そこに多くの変形を行うことが可能なことを当業者は理解するであろう。本発明のこの説明は、本明細書において説明した要素の新規且つ非自明の組み合わせをすべて包含し、特許請求の範囲は、本願又は後の出願においてこれら要素の任意の新規且つ非自明の組み合わせに対して提示できることを理解されたい。上記実施形態は説明のためのものであり、単一の特徴又は要素は、本願又は後の出願において特許請求することができる可能なすべての組み合わせにとって重要ではない。特許請求の範囲においてその均等物の「1つの」、或いは「第1の」と云った要素が記される場合、このような請求の範囲は、2つ以上のこのような要素を要求することもなければ除外することもなく、1つ又は複数のこのような要素の組み込みを包含するものと理解されたい。
Claims (11)
- 反射鏡であって、
光学面(313)を画定する本体(333)と、
少なくとも1つのノッチフィルタを画定する、積層された誘電体の層を含み、前記光学面上に配置される反射面(332)と
を備えることを特徴とする、反射鏡。 - 前記反射面の下の前記光学面上に配置される吸収面(330)をさらに備えることを特徴とする、請求項1記載の反射鏡。
- 前記反射面(332)と前記吸収面(330)との間に配置される分離層(331)をさらに備えることを特徴とする、請求項2記載の反射鏡。
- 取り外し可能な光源(310)を搭載するように構成されることを特徴とする、請求項1記載の反射鏡。
- 前記反射鏡が空間ホモジナイザであることを特徴とする、請求項1記載の反射鏡。
- 前記積層された誘電体の層はTa2O5及びSiO2の複数の層で形成される(図12)ことを特徴とする、請求項1記載の反射鏡。
- 前記積層された誘電体の層は、560nmから600nmの波長を有して入射する光を相当の割合で透過するように構成される(図10)ことを特徴とする、請求項1記載の反射鏡。
- 透過する光の前記相当の割合は40%よりも大きいことを特徴とする、請求項7記載の反射鏡。
- プロジェクタの色域を増大する方法であって、
反射鏡のキャビティ(313)に配置される、不所望の波長にピーク出力を有する光源(330)を設けることと、
前記反射鏡のキャビティに配置される積層された誘電体の層(332)を設けることであって、それにより前記光源からの前記不所望の波長の一部分のみを反射するノッチフィルタを画定し、前記一部分は前記光源の周囲波長にほぼ等しい、積層された誘電体の層を設けることと、
前記ノッチフィルタにより反射された前記不所望の波長の前記一部分を透過するように構成されるカラーセグメントを有するカラーホィール(316)を設けること
を含むことを特徴とする、プロジェクタの色域を増大する方法。 - 前記積層された誘電体の層の下に、前記積層された誘電体の層により反射されない前記光源からの波長を吸収する吸収面(330)を設けることをさらに含むことを特徴とする、請求項9記載のプロジェクタの色域を増大する方法。
- 吸収される前記波長は紫外線波長及び赤外線波長を含むことを特徴とする、請求項10記載のプロジェクタの色域を増大する方法。
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