JP2009545854A - Ledモザイク - Google Patents
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Abstract
ターゲット領域(136)を照射するための照射システム(100)は、LED光源(110)と、そのLED光源(110)から光を集光する集光レンズ(106)と、ターゲット領域(136)に配置されている画像形成装置(136)とを含む。LED光源(110)は、少なくとも2つの異なる色のフットプリントを形成するLEDダイのモザイク(500)を含む。
Description
(関連出願の相互対照)
本出願は、その内容がすべて参照により本出願に組み込まれる2006年7月31日に出願された米国特許仮出願番号60/820,883に基づくものであり、またその利点を主張するものである。
本出願は、その内容がすべて参照により本出願に組み込まれる2006年7月31日に出願された米国特許仮出願番号60/820,883に基づくものであり、またその利点を主張するものである。
スクリーン上に画像を投影するために使用される投影システムは、種々の色を有する発光ダイオード(LED)などの多色光源を使用して、照射光を生成することができる。光を合成し、LEDから画像表示装置へ移動させるために、いくつかの光学素子が、LEDと画像表示装置との間に配置されている。画像表示装置は、様々な方法を使用して光に画像を与えることができる。例えば、画像表示装置は、写真スライドと同様に吸収を、液晶ディスプレイと同様に偏光を、又は個別にアドレス指定が可能な傾斜可能な鏡のマイクロメカニカルアレイと同様に、光の屈曲を使用してもよい。ある画像表示装置は、透過型の表示機構を使用しており、他の画像表示装置は、反射型の表示機構を使用している。
光を集光し、合成し、均質化し、画像表示装置に送出することをより効率的にするために、画像表示装置上に色を均一に照射することが、投影システムの重要なパラメータとなり得る。
ターゲット領域を照射するための照射システムは、LED光源と、光混合部と、LED光源から光を集光する集光レンズと、ターゲット領域に配置されている画像形成装置とを含む。LED光源は、少なくとも2つの異なる色のフットプリントを形成するLEDダイのモザイクを含む。
図1は、投影サブシステム100を示している。投影サブシステム100は、携帯電話、携帯情報端末(PDA)、全地球位置測定システム(GPS)受信機などの小型電子システムから静止画像又はビデオ画像を投影するのに有用である。投影サブシステム100は、この投影サブシステム100を内蔵した小型電子システム(図1には図示せず)から電気出力及び画像データを受ける。投影サブシステム100は、コンピュータビデオを表示するための小型プロジェクタ付属品の構成部品として有用である。投影サブシステム100は、非使用時にシャツのポケットなど、衣類のポケットに入れて持ち運べるほど小さいシステムに有用である。投影サブシステム100によって投影される画像は、反射型の投影スクリーン、淡色の塗装壁、ホワイトボード若しくは紙のシート、又は他の既知の投影面に投影されることができる。投影サブシステム100は、ラップトップコンピュータ又は携帯電話などのポータブルコンピュータ内に内蔵されることができる。
投影サブシステム100は、光ビーム104を供給する光エンジン(light engine)102を備えている。光エンジン102は、集光レンズ106と、コリメータ108と、固体発光体110とを含む。サブシステム100の一態様によれば、集光レンズ106は、超半球状のボールレンズを備えている。集光レンズ106は、本発明の譲受人に譲渡された、2005年12月30日出願の米国特許出願11/322,801、「合成封入レンズを備えるLED(LED With Compound Encapsulant Lens)」(代理人整理番号61677US002)に記載されているようなものであってもよいし、本出願と同じ日に出願された、「中空集光レンズを有するLED源(LED Source With Hollow Collection Lens)」(代理人整理番号62371US006)という名称の米国特許出願に記載されているようなものであってもよい。コリメータ108は、第1の非平行ビームを受けるための第1の非ファセット側及び平行ビームを発するための第1のファセット側を有する第1のフレネルレンズと、平行ビームを実質的に直接受けるための第2の非ファセット側及び出力ビームを発するための第2のファセット側を有する第2のフレネルレンズとを備える集束ユニットを備えることができる。
固体発光体110は、ある電気出力レベルを有する電気出力112を受け、放熱板114に熱的に結合されている。固体発光体110は、ある発光体光束レベルを有する発光体光ビームを供給する。サブシステム100の一態様によれば、光ビーム104は、非干渉性光を含んでいる。別の態様によれば、光ビーム104は、固体発光体110の部分的に集束した像である照射を含んでいる。更に別の態様によれば、固体発光体110は、1つ以上の発光ダイオード(LED)を備えている。この場合、固体発光体110は、赤色、緑色、及び青色のLEDダイなどのLEDダイのモザイク、又は別個のLEDダイの任意の他の構成(総じてLED光源と呼ぶ)を含むことができる。そのモザイクは同じ基板の上でパッケージ化される、また所望により封入されることができる。そのモザイクは、種々の構成において、ダイの外周によって画定される、ある形状又はフットプリントを形成することができる。例えば、その形状は、固体発光体110から光を受けるように配置されている光学部品と実質的に類似させることができる。一例において、その形状のアスペクト比は、モザイクから光を受ける1つ以上の光学部品と類似するように選択することができる。
LEDダイのモザイクは、照射システムによって供給される白色光が個々の原色の時系列ではないが白色発光蛍光体をベースとするLED光源のように原色が同時に投影される非順次的な照射に、又は照射システムによって供給される白色光が個々の原色の時系列の形態であり、その時間平均が通常の観測者には白色に見える順次的な照射に、使用することができる。非順次的な場合には、デジタル画像装置は、着色フィルターを有して、画像の種々の着色サブピクセルを規定することができ、一方で、順次的な場合には、画像装置上の所与のピクセルが、種々の色で種々の回数で照射されると、その相対的な状態に応じて色情報を提供することができるので、着色フィルターを排除することができる。
投影サブシステム100はまた、屈折体120を含む。屈折体120は、光ビーム104を受け、偏光ビーム122を供給する。屈折体120は、内部偏光フィルター124を含む。光ビーム104の1つの偏光成分が、内部偏光フィルター124によって反射して、偏光ビーム122をなす。屈折体は、米国特許公報US2007/0023941 A1(ダンカン(Duncan)ら)、米国特許公報US2007/0024981 A1(ダンカンら)、米国特許公報US2007/0085973 A1(ダンカンら)、及び米国特許公報US 2007/0030456(ダンカンら)の1つ以上の態様に従って形成するか又は利用することができる。
屈折体120は、第1の外部レンズ面126と第2の外部レンズ面128とを備えている。外部レンズ面126、128は、湾曲したレンズ面を有し、ゼロでないレンズの度を有している。外部レンズ面126は、投影サブシステム100に対する小容積を維持する上で有用であり得る凸レンズ面を備えることができる。別の態様によれば、外部レンズ面126、128は平らである。屈折体120は、内部偏光フィルター124の両側にプラスチック樹脂素材体130、132を含むことができる。内部偏光フィルター124は、一例において、多層光学フィルムを含むことができる。所望により、屈折体120は、レンズだけでなく偏光ビームスプリッタとしても機能する多機能光学部品を備えることができる。多機能屈折体において偏光ビームスプリッタ及びレンズの機能を組み合わせることで、そうしなければ別個のビームスプリッタとレンズとの空気界面に生じるであろう損失を回避することが可能となる。
投影サブシステム100はまた、画像形成装置136を含む。画像形成装置136は、電気入力バス138上で画像データを受ける。画像形成装置136は、偏光ビーム122を受光し、画像データに従って偏光ビーム122を選択的に反射させて画像140を形成する。画像形成装置136は、偏光ビーム122の偏光に対して回転される偏光を有する画像140を屈折体120に与える。画像140は次いで、内部偏光フィルター124を通過する。サブシステム100の一態様によれば、画像形成装置136は、液晶オンシリコン(liquid crystal on silicon、LCOS)素子を備えている。画像形成装置136のアスペクト比は、固体発光体110のLEDモザイクのアスペクト比と実質的に同様となるように適合させることができる。
投影サブシステム100は、屈折体120から画像140を受ける投影レンズアセンブリ150を更に有している。投影レンズアセンブリ150は、概略的に152、154、156、158、160で示す複数のレンズを備えている。投影レンズアセンブリ150は、表示に好適な投影光束を有する画像投影ビーム162を供給する。
図2Aは、投影サブシステム200を示している。投影サブシステム200は、アナモルフィック光学装置202が投影サブシステム200に含められていることを除いて、投影サブシステム100と類似している。図2Aで使用されている参照符号であって、図1において使用されている参照符号と同じものは、同じか又は類似の特徴を表す。他の観点において、投影サブシステム200は、投影サブシステム100と類似している。アナモルフィック光学装置202は、光ビーム204のアスペクト比を変更する。アナモルフィック光学装置202は、光エンジン102における第1のアスペクト比を屈折体120における第2の異なるアスペクト比に適合させるように、光ビームの形状を変化させる。一実施形態において、第1のアスペクト比は1:1であり、第2のアスペクト比は16:9である。別の実施形態において、第1のアスペクト比は1:1であり、第2のアスペクト比は4:3である。一態様によれば、第2のアスペクト比は、画像形成装置136のアスペクト比と合致するように適合させることができる。アナモルフィック光学装置202は、図2Aに示すようなアナモルフィックレンズを備えることができる。図2Bに示される別の実施形態において、屈折体220上に設けられたアナモルフィック面206は、アナモルフィック光学装置として役立つ。他の観点において、屈折体220は、図2Aの屈折体120と類似している。
図3は、投影サブシステム300を示す。投影サブシステム300は、光混合部アタッチメント302が投影サブシステム300に含められていることを除いて、投影サブシステム100と類似している。図3で使用されている参照符号であって、図1において使用されている参照符号と同じものは、同じか又は類似の特徴を表す。他の観点において、投影サブシステム300は、投影サブシステム100と類似している。光混合部アタッチメント302は、照射されるターゲット領域、即ち画像形成装置136の上への、固体発光体110の個々のダイからの光を混合する(例えば均質化する)一対のレンズレットアレイ304、306(フライアイレンズアレイとしても知られる)を含む。そのような光は、次いで、画像形成装置136で反射し、その結果、表示のために投影レンズアセンブリ150を通じて方向付けることができる。
レンズレットアレイを光混合装置として使用すると、固体発光体110から画像形成装置136までの輝度の損失が小さくなるように、固体発光体110のエタンデューを保存するのを助けることができる。加えて、画像形成装置136の角部領域における強度を維持することができる。一例において、レンズレットアレイは、格子状に配列された合計9のレンズレットを各アレイが含む3×3のレンズレットアレイである。2つのレンズアレイ302、304の各々の物理的寸法を、およそ画像形成装置136の寸法よりも大きくならないように保つのが、望ましいことがある。更に、レンズレットアレイのいずれかにおける所与のレンズレットの寸法(例えば、一辺又は対角線の長さ)は、ターゲット領域又はデジタル画像装置全体の対応する寸法の約3分の1とすることができる。固体発光体110に対するLEDダイのモザイクの形状又はフットプリントは、レンズレットアレイ304、306の各々に対する開口と正確に合致させることができ、その結果、光源のエタンデューをシステム全体を通じてより良好に維持することができる。
図4は、投影サブシステム400を示す。投影サブシステムは、インテグレータロッド/トンネルがサブシステム400における光混合部として使用されていることを除いて、投影サブシステム100と類似している。例えば、サブシステム400は、本出願と同じ日に出願された米国特許出願「統合光源モジュール(Integrating Light Source Module)」(代理人整理番号62382US008)に記載されているような先細のインテグレータロッド/トンネルを用いてもよい。投影サブシステム400は、インテグレータ402と、再利用フィルター404と、レンズ406と、所望により集光レンズ408とを含む。インテグレータ402は、その側部の光をフィルター404及びレンズ406に向かって反射する。使用する場合、集光レンズ408は、屈折体120に光を送る。インテグレータ402の高さは、所望に応じて変更することができる。
図5A〜5Fは、固体発光体110において実施し得る例示的なLEDモザイク配列を示す。発光しない(暗色の)空間又は間隙が、隣接するLEDダイ間に存在して、モザイクによって画定されるフットプリント内に不均一性の高い輝度を生じることがある。図示されるように、各配列は、少なくとも1つの赤色発光LEDダイと、少なくとも1つの緑色発光LEDダイと、少なくとも1つの青色発光LEDダイとを含む。これらの原色を混合することで、白色を発生させることができるが、他の混色も、白色を発生させるために使用することができ、本出願において企図される。更に、白色を必要としない用途、又は実際には白色以外の特定の色の光を必要とする用途には、発光色が3つ未満のLEDダイ又はすべてが同じ色を発するLEDダイのモザイクを使用してもよい。
LEDダイは、図5A、5C及び5Fのように対照的に配列されてもよいし、図5B、5D及び5Eのように非対称的に配列されてもよい。対照的とは、ある線の反対側に又はある軸の周りに、LEDダイの一貫した構成を有することとして定義される。加えて、LEDダイは、図5B及び5Cのように、すべてが同じ寸法及び形状であってもよく、又は図5A、5D、5E及び5Fのように、異なる寸法及び/若しくは形状を有していてもよい。例えば、緑色のダイは、青色及び赤色のダイよりも大きな表面積を覆うように調節することができる。水平中心線及び垂直中心線の周りで四分区間に分割すると、図5A〜5Fにおけるモザイクの四分区間のうちの少なくとも2つが、少なくとも2つの異なる色を有している。また、互いに対角にある四分区間が同じ色を有して均一性を向上させることも有益であり得る。
投影システムに関しては、モザイクの形状又はフットプリントが概ね矩形であり、所望により、画像形成装置136のアスペクト比と同じか又は類似したアスペクト比を有することが望ましいことがある。モザイクの幅をモザイクの高さで除算したものとして定義される、モザイク配列のアスペクト比は、所望により調節することができ、例えば4:3又は16:9のアスペクト比がもたらされる。一例において、図5A〜5Fのモザイクは、約1.20mm〜1.75mm×0.75mm〜1.25mmの範囲内にある寸法のものにすることができ、この範囲は、特定の小型のプロジェクタシステムにおいては有用であり得るが、限定的なものとして解釈されるべきではない。図5Gは、図5A〜5Fのモザイクのターゲット領域において望ましい照射プロファイルを(分解図で)示す。つまり、ターゲット領域における照射プロファイルは、同時であるか又は順次であるかにかかわらず、均一に赤色、緑色、及び青色であり、その結果、均一に白色の照射プロファイルが、ターゲット領域(例えば画像形成装置136)にわたって得られる。
図5Aは、幅「w」及び高さ「h」で画定されるフットプリントを有するモザイク500を示す。モザイク500は、互いに離間された合計15の別個のダイを有し、それらのダイは、赤色のR、緑色のG、及び青色のBで示される3つの異なる色を含む。Gダイが9つ、Bダイが4つ、及びRダイが2つある。他の色がダイに使用されてもよい。モザイク500のフットプリントは、軸502及び504によって識別される四分区間500A〜500Dに分割することができる。四分区間500A〜500Dの各々は、3色すべての少なくとも一部分を含む。例えば、四分区間500Aは、完全なBダイを1つ、完全なGダイを1つと部分的なGダイを3つ、及び部分的なRダイを1つ有する。加えて、モザイク500は、軸502と504の双方の周りだけでなく、軸502と504との交点に位置する軸の周りでも対称である。Rダイは、モザイク500において他のダイの各々よりも大きく、Gダイは、モザイク500においてBダイよりも大きい。加えて、Gダイによって覆われる領域は、B又はRダイによって覆われる領域よりも大きい。
図5Bは、幅「w」及び高さ「h」で画定されるフットプリントを有するモザイク510を示す。モザイク510は、互いに離間された合計12の別個のダイを有し、赤色のR、緑色のG、及び青色のBで示される3つの異なる色を含む。Gダイが5つ、Bダイが4つ、及びRダイが3つある。他の色がダイに使用されてもよい。モザイク510のフットプリントは、軸512及び514によって識別される四分区間510A〜510Dに分割することができる。四分区間510A、510C及び510Dの各々は、3色すべての少なくとも一部分を含む。例えば、四分区間500Aは、完全なRダイを1つ、完全なGダイを1つ、及び部分的なBダイと部分的なGダイを含む。四分区間510Bは、完全なGダイを1つ、完全なBダイを1つ、及び部分的なBダイと部分的なGダイを含む。加えて、モザイク510は、軸512と514の双方の周りだけでなく、軸512と514との交点における軸の周りでも非対称である。ダイの各々は、モザイク510内において同じ寸法である。
図5Cは、幅「w」及び高さ「h」で画定されるフットプリントを有するモザイク520を示す。モザイク520は、互いに離間された合計12の別個のダイを有し、赤色のR、緑色のG、及び青色のBで示される3つの異なる色を含む。Gダイが6つ、Bダイが4つ、及びRダイが2つある。他の色がダイに使用されてもよい。モザイク520のフットプリントは、軸522及び524によって識別される四分区間520A〜520Dに分割することができる。四分区間520A〜520Dの各々は、3色すべての少なくとも一部分を含む。例えば、四分区間520Aは、完全なBダイを1つ、完全なGダイを1つ、及び部分的なRダイと部分的なGダイを含む。加えて、モザイク520は、軸522と424の双方の周りだけでなく、軸522と524との交点における軸の周りでも対称である。ダイの各々は、モザイク520内において同じ寸法である。
図5Dは、幅「w」及び高さ「h」で画定されるフットプリントを有するモザイク530を示す。モザイク530は、互いに離間された合計6の別個のダイを有し、赤色のR、緑色のG、及び青色のBで示される3つの異なる色を含む。Gダイが2つ、Bダイが2つ、及びRダイが2つある。他の色がダイに使用されてもよい。モザイク530のフットプリントは、軸532及び534によって識別される四分区間530A〜530Dに分割することができる。四分区間530A及び530Dの各々は、3色すべての少なくとも一部分を含む。例えば、四分区間530Aは、完全なBダイを1つ、完全なRダイを1つ、及び部分的なGダイを1つ含む。四分区間530B及び530Cの各々は、部分的なGダイを1つだけ含む。加えて、モザイク530は、軸532と534の双方の周りで非対称である。モザイク530は、軸532と534との交点における軸の周りで対称であり、モザイク530が軸532と534との交点における軸の周りで180°回転された場合、同じ構成のダイが得られることになる。2つのGダイの各々は、Rダイ及びBダイよりも大きい。加えて、Rダイは、Bダイよりも大きい。
図5Eは、幅「w」及び高さ「h」で画定されるフットプリントを有するモザイク540を示す。モザイク540は、互いに離間された合計6の別個のダイを有し、赤色のR、緑色のG、及び青色のBで示される3つの異なる色を含む。Gダイが2つ、Bダイが2つ、及びRダイが2つある。他の色がダイに使用されてもよい。モザイク540のフットプリントは、軸542及び544によって識別される四分区間540A〜540Dに分割することができる。四分区間540A及び540Dの各々は、3色すべての少なくとも一部分を含む。例えば、四分区間540Bは、完全なBダイを1つ、完全なRダイを1つ、及び部分的なGダイを1つ含む。四分区間540A及び540Dの各々は、部分的なGダイを1つだけ含む。加えて、モザイク540は、軸542と544の双方の周りで非対称である。2つのGダイの各々は、Rダイ及びBダイよりも大きい。加えて、Rダイは、Bダイよりも大きい。
図5Fは、幅「w」及び高さ「h」で画定されるフットプリントを有するモザイク550を示す。モザイク550は、互いに離間された合計7の別個のダイを有し、赤色のR、緑色のG、及び青色のBで示される3つの異なる色を含む。Bダイが4つ、Rダイが2つ、及びGダイが1つある。他の色がダイに使用されてもよい。モザイク550のフットプリントは、軸552及び554によって識別される四分区間550A〜550Dに分割することができる。四分区間550A及び550Dの各々は、3色すべての少なくとも一部分を含む。例えば、四分区間520Aは、完全なBダイを1つ、部分的なRダイを1つ、及び部分的なGダイを1つ含む。モザイク550は、軸552と554の双方の周りでだけでなく、軸552と554との交点における軸の周りでも対称であり、モザイク550が軸552と554との交点における軸の周りで180°回転された場合、同じ構成のダイが得られることになる。Gダイは、Rダイ及びBダイよりも大きい。加えて、Rダイは、Bダイよりも大きい。ダイの各々の寸法は、サブシステムの均一性を達成するように調節することができる。例えば、R、G及びBダイは、軸554の方向に調節(幅を調節)することができ、R及びBダイは、軸552の方向に調節(長さを調節)することができる。
色の均一性は、原色空間(color primary space)において赤色(R)、緑色(G)及び青色(B)によって規定することができ、ここで、R、G及びBは、0〜255の値を有する。色の均一性Uは、この空間においてU=(ΔR2+ΔG2+ΔB2)1/2として定義され、ここで、ΔRは、四隅における赤色の値の間の最大差であり、ΔGは、四隅における緑色の値の間の最大差であり、ΔBは、四隅における青色の値の間の最大差である。Uの値が低いほど、色の均一性は高い。ダイの配列は、この均一性を最大限にするように調節することができる。
図4の照射サブシステムと共に、図5E、5F及び6に示すLED配列について、色の均一性Uを求める。そのデータを以下の表にまとめるが、ここで、インテグレータ402は、長さを変化させている。図6は、一般的なLEDベイヤー配列を示す。
インテグレータの長さ2.5mmに関して、データが示すところによれば、図5E及び5FのLED配列は、優れた色の均一性を与える。従来のLEDベイヤー配列に匹敵する色の均一性を得るためには、インテグレータは、少なくとも1.1mm、更に長くなければならない。一般に、対称性を用いると、必要となるインテグレータ402の長さが減じられる。また、インテグレータをより短くすると、インテグレータ内部で必要な反射がより少なくなるので、照射効率を改善することができる。
主題について、構造的な特徴及び/又は方法論的な行為に特有の言葉で記載してきたが、添付の特許請求の範囲で定義される主題は、必ずしも、上述の特定の特徴又は行為に限定されるとは限らないことが理解されよう。むしろ、上述の特定の特徴及び行為は、請求項を実施するための例示的な形態として開示される。
Claims (17)
- ターゲット領域を照射するための照射システムであって、
フットプリントを形成するLEDダイのモザイクを含むLED光源であって、前記フットプリントは、垂直中心線及び水平中心線の周りで4つの四分区間に分割されており、少なくとも2つの四分区間については、少なくとも2つの異なる色のLEDダイが前記少なくとも2つの四分区間内に存在するようにしたLED光源と、
前記LED光源から光を集光する集光レンズと、
前記ターゲット領域において前記LED光源から光を受ける画像形成装置とを備えるシステム。 - 前記少なくとも2つの四分区間は互いに対角にある、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも2つの四分区間は、少なくとも3つの異なる色のLEDダイを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記フットプリントは、前記ターゲット領域のアスペクト比と実質的に合致するアスペクト比を有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記LEDダイは、少なくとも2つの異なる寸法を有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記LEDダイは、3つの異なる色について3つの異なる寸法を有する、請求項5に記載のシステム。
- 前記LEDダイは、異なる色の光を発する少なくとも3つのダイを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記異なる色が、赤色、緑色及び青色を含む、請求項7に記載のシステム。
- 順次的な照射を供給する、請求項1に記載のシステム。
- 非順次的な照射を供給する、請求項1に記載のシステム。
- 前記画像形成装置は、液晶オンシリコン素子である、請求項1に記載の投影システム。
- 前記画像形成装置から画像を受ける投影レンズアセンブリを更に備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記モザイクは、前記垂直中心線及び前記水平中心線の少なくとも一方の周りで対称である、請求項1に記載のシステム。
- 前記モザイクは、前記垂直中心線及び前記水平中心線の少なくとも一方の周りで非対称である、請求項1に記載のシステム。
- 前記モザイクは、前記垂直中心線と前記水平中心線との交点に位置する軸の周りで対称である、請求項1に記載のシステム。
- 前記モザイクは、少なくとも5つのダイを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記モザイクは、3つの異なる色の各々について少なくとも2つのダイを含む、請求項16に記載のシステム。
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