JP2010513948A - Lighting module and method - Google Patents

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Abstract

照明ユニットは、投射型ディスプレイシステムに光を供給する。照明ユニットは、入射角によって定義される光ガイドを含む。光源２００は、特性放射パターンに従って放射される光を供給する。少なくとも１つのレンズを含むレンズ構成は、放射パターンを通って放射された光の一部を集め、入射角２１５以内で光ガイドに達するように、集められた光の焦点を合わせる。集められた放射された光の一部、および角度以内で光ガイドに入る集められた光は、協力して、光源の放射された光のうちでシステムの投影光学部分によって使用可能なパーセンテージを最大にする。  The lighting unit supplies light to the projection display system. The illumination unit includes a light guide defined by the angle of incidence. The light source 200 supplies light emitted according to the characteristic radiation pattern. A lens configuration that includes at least one lens collects a portion of the light emitted through the radiation pattern and focuses the collected light to reach the light guide within an incident angle 215. A portion of the collected emitted light and the collected light that enters the light guide within an angle cooperate to maximize the percentage of the emitted light of the light source that can be used by the projection optics of the system. To.

Description

本発明は、光を発光ユニットからイメージ投影装置に向ける照明ユニットに関する。   The present invention relates to an illumination unit that directs light from a light emitting unit to an image projection apparatus.

空間光変調（ＳＬＭ）ディスプレイシステムは、時々イメージャとも称される空間光変調器の個々の要素によって反射されるか透過される光を使用してディスプレイイメージを生成するディスプレイシステムである。空間光変調器の１つのタイプが、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）である。Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．社が商標ＤＬＰ（登録商標）（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）の下で市販するものなどのＤＭＤを組み込んだＳＬＭディスプレイシステムが既知である。   A spatial light modulation (SLM) display system is a display system that uses light reflected or transmitted by individual elements of a spatial light modulator, sometimes referred to as an imager, to generate a display image. One type of spatial light modulator is a DMD (Digital Micro-mirror Device). Texas Instruments, Inc. SLM display systems incorporating DMDs, such as those sold by the company under the trademark DLP® (Digital Light Processing) are known.

図１に、従来のＳＬＭ投影ディスプレイシステム１０を示す。システム１０は、光源１１を含む。光源１１は、通常、白色光を発するアーク灯を含む。光源１１からの白色光は、光源１１から照明サブシステム２１を画定する（defining）光学経路に沿ってＤＭＤ １９に進む。照明サブシステム２１の光学経路は、縦軸２に沿って延びる。   FIG. 1 shows a conventional SLM projection display system 10. The system 10 includes a light source 11. The light source 11 usually includes an arc lamp that emits white light. White light from light source 11 travels to DMD 19 along an optical path that defines illumination subsystem 21 from light source 11. The optical path of the illumination subsystem 21 extends along the longitudinal axis 2.

第１コンデンサーレンズ１３が、白色光の焦点をカラーホイール１５に合わせる。モーター１６は、カラーホイール１５の諸部分（たとえば、部分３、４、および５）が第１コンデンサーレンズ１３によって与えられる白色光を通すようにカラーホイール１５を回転する。第２コンデンサーレンズ１７は、カラーホイール１５によってフィルタリングされた光を受け取る。第２コンデンサーレンズ１７は、フィルタリングされた光の焦点をＤＭＤ １９に合わせる。   The first condenser lens 13 focuses the white light on the color wheel 15. The motor 16 rotates the color wheel 15 so that portions of the color wheel 15 (eg, portions 3, 4, and 5) pass white light provided by the first condenser lens 13. The second condenser lens 17 receives the light filtered by the color wheel 15. The second condenser lens 17 focuses the filtered light on the DMD 19.

図１では、ＤＭＤ １９は、ＤＭＤチップを組み込んだイメージャを含む。ＤＭＤチップ１９は、個々のミラー素子のアレイを含む。それと共に、ＤＭＤ １９のミラー素子は、ビデオ信号（たとえば、ビデオソース３５によって供給される）に従って、第２コンデンサーレンズ１７からの光を変調して、イメージを形成する。イメージャ１９は、変調された光を映写レンズ部分２９に送る。映写レンズ部分２９は、イメージをスクリーン３１に表示するために、変調された光の焦点を合わせる。   In FIG. 1, DMD 19 includes an imager incorporating a DMD chip. The DMD chip 19 includes an array of individual mirror elements. Along with that, the mirror elements of DMD 19 modulate the light from second condenser lens 17 according to the video signal (eg, supplied by video source 35) to form an image. The imager 19 sends the modulated light to the projection lens portion 29. The projection lens portion 29 focuses the modulated light to display the image on the screen 31.

ディスプレイシステム１０用の従来の光源１１は、たとえば、メタルハライドランプおよび超高圧水銀ランプを含む。しかし、これらのランプは、欠点を有する。これらのランプの寿命は、比較的短く、通常は数千時間である。その結果、ランプを頻繁に交換しなければならない。   Conventional light sources 11 for display system 10 include, for example, metal halide lamps and ultra high pressure mercury lamps. However, these lamps have drawbacks. The life of these lamps is relatively short, usually thousands of hours. As a result, the lamp must be replaced frequently.

発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光デバイスは、投写型ディスプレイでの使用について従来のランプに勝る利益を提供する。ＬＥＤは、他の光源と比較して、比較的より長い寿命を有する。この利益にもかかわらず、ＬＥＤは、ＳＬＭディスプレイの光源として広く使用されてはいない。これは、ＬＥＤの放射特性に関連する欠点に起因する。１つの欠点は、プロジェクションテレビジョン応用に関する適当なイメージの明るさを達成するのがむずかしいことである。ＬＥＤは、メタルハライドランプまたは高圧水銀ランプより少ない光を発する。明るさは、投写型ディスプレイの重要な特性である。   Light emitting devices such as light emitting diodes (LEDs) offer advantages over conventional lamps for use in projection displays. LEDs have a relatively longer lifetime compared to other light sources. Despite this benefit, LEDs are not widely used as light sources for SLM displays. This is due to a drawback associated with the emission characteristics of the LED. One drawback is that it is difficult to achieve adequate image brightness for projection television applications. LEDs emit less light than metal halide lamps or high pressure mercury lamps. Brightness is an important characteristic of a projection display.

ディスプレイ応用例でＬＥＤが提示するもう１つの問題は、その放射パターンである。ＬＥＤは、発散的に光を放射する。したがって、ＬＥＤソースから放射される光のかなりの部分が、ディスプレイスクリーン３１に到達しない。この放射特性で、従来のＬＥＤ光源は比較的効率が悪くなる。   Another problem that LEDs present in display applications is their radiation pattern. LEDs emit light divergently. Thus, a significant portion of the light emitted from the LED source does not reach the display screen 31. Due to this radiation characteristic, conventional LED light sources are relatively inefficient.

複数のＬＥＤを含むアレイが、イメージ投影装置でイメージを照明するのに使用可能な光の量を増やすために提案されてきた。アレイの発光面積は、アレイを構成するＬＥＤの個数に比例して増えるが、使用されるＬＥＤの個数にかかわりなく、アレイの効率は、ほとんどの投射応用には低すぎるままである。ＬＥＤサイトソースから光を集める効率的なシステムおよび方法が必要とされている。   Arrays containing multiple LEDs have been proposed to increase the amount of light that can be used to illuminate an image with an image projection device. The light emitting area of the array increases in proportion to the number of LEDs that make up the array, but regardless of the number of LEDs used, the efficiency of the array remains too low for most projection applications. There is a need for efficient systems and methods for collecting light from LED site sources.

照明モジュールが、光が光軸に関して所与の角度以内で入射する場合に限ってその光を使用できるディスプレイシステムの下流部分に光を供給する。光源は、特性放射パターン（characteristic radiation pattern）に従って放射される光を供給する。少なくとも１つのレンズを含むレンズ配置が、光のうちでこの放射パターンを通って放射される部分を集め、光軸に関してその角度以内で下流部分に入るように、集められた光の焦点を合わせる。放射された光のうちで集められる部分、およびその角度以内で下流部分に入る集められた光は、協力して、光源の放射された光のうちの下流部分によって使用可能なパーセンテージを最大化する。   An illumination module supplies light to the downstream portion of the display system where it can be used only if the light is incident within a given angle with respect to the optical axis. The light source provides light emitted according to a characteristic radiation pattern. A lens arrangement comprising at least one lens collects the portion of the light emitted through this radiation pattern and focuses the collected light so that it enters the downstream portion within that angle with respect to the optical axis. The collected portion of the emitted light and the collected light that enters the downstream portion within that angle cooperate to maximize the percentage that can be used by the downstream portion of the emitted light of the light source. .

本発明の実施形態を、添付図面を参照して下でより詳細に説明するが、添付図面では、同等の符号が、複数の図面を通じて同一のまたは対応する部分を指す。
ＤＭＤおよび従来の光源を使用する従来のＳＬＭディスプレイシステムを示すブロック図である。 本発明の実施形態による対応する照明ユニット内で展開される赤、緑、および青のＬＥＤ光源を含むＳＬＭディスプレイシステムを示すブロック図である。 本発明の代替実施形態による白色光を供給するＬＥＤ光源および白色光をフィルタリングするカラーホイールを含むＳＬＭディスプレイシステム用の照明ユニットを示すブロック図である。 本発明の実施形態によるＳＬＭディスプレイシステム用の照明ユニットを示すより詳細なブロック図である。 本発明の代替実施形態による照明ユニットを示すブロック図である。 本発明の代替実施形態による照明ユニットを示すブロック図である。 本発明の代替実施形態による照明ユニットを示すブロック図である。 Embodiments of the present invention are described in more detail below with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the same or corresponding parts throughout the several views.
1 is a block diagram illustrating a conventional SLM display system using a DMD and a conventional light source. FIG. 3 is a block diagram illustrating an SLM display system including red, green, and blue LED light sources deployed in corresponding lighting units according to embodiments of the present invention. FIG. 6 is a block diagram illustrating an illumination unit for an SLM display system including an LED light source that supplies white light and a color wheel that filters white light according to an alternative embodiment of the present invention. FIG. 2 is a more detailed block diagram illustrating a lighting unit for an SLM display system according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a block diagram illustrating a lighting unit according to an alternative embodiment of the present invention. FIG. 6 is a block diagram illustrating a lighting unit according to an alternative embodiment of the present invention. FIG. 6 is a block diagram illustrating a lighting unit according to an alternative embodiment of the present invention.

図面に示された実施形態を説明する際に、説明を明瞭にするために特定の用語を使用する。しかし、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定されることを意図されておらず、各特定の要素が、同様の目的を達成するために同様の方法で動作するすべての技術的同等物を含むことを理解されたい。さらに、当業者に周知である実施例の特徴および手順は、説明を簡単にするために省略される。   In describing the embodiments illustrated in the drawings, specific terminology is used for the sake of clarity. However, the present invention is not intended to be limited to the specific terms so selected, and all techniques in which each specific element operates in a similar manner to achieve a similar purpose. It is to be understood that this includes the equivalents. Further, features and procedures of embodiments that are well known to those skilled in the art are omitted for the sake of simplicity.

（図２）
図２は、ＳＬＭディスプレイシステム１００を構成する光学コンポーネントのブロック図である。システム１００は、複数光源手法に頼る。この手法では、色（赤、緑、および青）ごとに１つの光源がある。複数光源手法は、それぞれの光源を用いて複数のイメージを生成する。これらのイメージが組み合わされて、カラー付きディスプレイがもたらされる。 ( Fig. 2 )
FIG. 2 is a block diagram of the optical components that make up the SLM display system 100. System 100 relies on a multiple light source approach. In this approach, there is one light source for each color (red, green, and blue). The multiple light source technique generates multiple images using each light source. These images are combined to provide a colored display.

ディスプレイシステム１００は、照明光学部分１４４を含む。照明光学部分１４４は、赤、緑、および青のＬＥＤ光源に対応する３つのそれぞれの照明ユニット１１１、１１２、１１３を含む。照明ユニット１１１、１１２、および１１３のそれぞれは、対応するＬＥＤ光源（図３に最もよく図示されている）を含む。   Display system 100 includes an illumination optics portion 144. The illumination optics portion 144 includes three respective illumination units 111, 112, 113 corresponding to red, green, and blue LED light sources. Each of the lighting units 111, 112, and 113 includes a corresponding LED light source (best illustrated in FIG. 3).

図２に示された実施形態によれば、照明ユニット１１２、Ｘキューブ１２０、および光ガイド１９２が、縦軸１１７に沿って配置されて、照明ユニット１１１、１１２、および１１３のそれぞれからの光を用いてＤＭＤ １９４を照明する。光は、矢印１３３によって示される概略の方向で光ガイド１９２を通って進む。本発明の一実施形態では、照明光学部分１４４を構成する光学素子が、縦軸１１７に沿って対称に配置される。   According to the embodiment shown in FIG. 2, the illumination unit 112, the X-cube 120, and the light guide 192 are arranged along the longitudinal axis 117 to transmit light from each of the illumination units 111, 112, and 113. Used to illuminate DMD 194. Light travels through the light guide 192 in the general direction indicated by arrow 133. In one embodiment of the present invention, the optical elements that make up the illumination optical portion 144 are arranged symmetrically along the longitudinal axis 117.

従来の光学Ｘキューブビームコンバイナ１２０は、照明モジュール１１１から赤成分光、照明モジュール１１２から緑成分光、照明モジュール１１３から青成分光を受け取り、組み合わせる。さまざまな実施形態では、照明モジュール１１１、１１２、１１３は、設計において同一または類似である（色を除いて）。下で説明する図５〜７に、いくつかの照明モジュールの実施形態を示す。   A conventional optical X-cube beam combiner 120 receives and combines red component light from the illumination module 111, green component light from the illumination module 112, and blue component light from the illumination module 113. In various embodiments, the lighting modules 111, 112, 113 are identical or similar in design (except for color). Several lighting module embodiments are shown in FIGS. 5-7 described below.

Ｘキューブ１２０は、従来の構成のものである。一般に、Ｘキューブは、交差した干渉フィルタを使用して、１つの波長を反射すると同時に他の波長を通過させる。緑色光は、赤および青のフィルタを通過する。赤色光は、赤のフィルタに反射し、青のフィルタを通過する。青色光は、青のフィルタに反射し、赤のフィルタを通過する。そのような設計により、３つの色を組み合わせる。Ｘキューブデバイスは、多数の会社によって製造され、多数の高温ポリＬＣＤプロジェクタで使用されている。したがって、その動作を、本明細書でさらに詳細に説明する必要はない。   The X cube 120 has a conventional configuration. In general, an X-cube uses a crossed interference filter to reflect one wavelength while passing the other. Green light passes through the red and blue filters. The red light is reflected by the red filter and passes through the blue filter. Blue light is reflected by the blue filter and passes through the red filter. Such a design combines three colors. X-cube devices are manufactured by many companies and are used in many high-temperature poly LCD projectors. Therefore, its operation need not be described in further detail herein.

図２に示されているように、Ｘキューブ１２０は、赤成分光、緑成分光、および青成分光を組み合わせる。次に、Ｘキューブ１２０は、組み合わされた光を光ガイド１９２の開口８００に供給する。光ガイド１９２は、光をＤＭＤ １９４に運ぶ。ディスプレイシステム１００は、さらに、ＤＭＤ １９４からディスプレイスクリーン１９６に延びる投影光学部分２２０を含む。投影光学部分２２０は、ＤＭＤ １９４から投影面１９６にイメージを投影する。   As shown in FIG. 2, the X-cube 120 combines red component light, green component light, and blue component light. The X cube 120 then supplies the combined light to the aperture 800 of the light guide 192. Light guide 192 carries the light to DMD 194. Display system 100 further includes a projection optical portion 220 that extends from DMD 194 to display screen 196. Projection optics portion 220 projects an image from DMD 194 onto projection surface 196.

本発明のある種の実施形態では、負レンズ１２１、１２２、１２３が、照明モジュール１１１、１１２、１１３と光キューブ１２０との間に挿入される。たとえば、いくつかの実施形態では、照明モジュールと光トンネル１９２との間の光路は、非常に短く、光キューブの余地がない。そのような実施形態では、負レンズ１２１、１２２、１２３が、効果的に光路を延ばす。この方法で、照明モジュールの設計の利益を犠牲にすることなく、光キューブ１２０を収容することができる。３つより多数または少数の照明モジュール１１１、１１２、１１３を含む本発明の代替実施形態によるディスプレイシステムが、想定されている。   In certain embodiments of the invention, negative lenses 121, 122, 123 are inserted between the illumination modules 111, 112, 113 and the light cube 120. For example, in some embodiments, the light path between the lighting module and the light tunnel 192 is very short, leaving no room for light cubes. In such an embodiment, the negative lenses 121, 122, 123 effectively extend the optical path. In this way, the light cube 120 can be accommodated without sacrificing the benefits of the lighting module design. A display system according to an alternative embodiment of the present invention comprising more or fewer than three lighting modules 111, 112, 113 is envisaged.

図２に示された本発明の実施形態では、照明ユニット１１１〜１１３のそれぞれが、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。本発明のいくつかの実施形態では、各照明ユニットは、３原色のそれぞれの１つを発する複数のＬＥＤを含む。図２に示された例示的実施形態では、第１光源１１１は、青色光を発するＬＥＤアレイを含み、第２光源１１２は、緑色光を発するＬＥＤアレイを含み、第３光源１１３は、赤色光を発するＬＥＤアレイを含む。しかし、他の色および色の配合を使用することができる。照明ユニット１１１〜１１３を構成するＬＥＤからの光は、照明光学部分１４４を通ってＤＭＤ １９４に向けられる。   In the embodiment of the present invention shown in FIG. 2, each of the lighting units 111-113 includes at least one light emitting diode (LED). In some embodiments of the invention, each lighting unit includes a plurality of LEDs that emit one of each of the three primary colors. In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the first light source 111 includes an LED array that emits blue light, the second light source 112 includes an LED array that emits green light, and the third light source 113 includes red light. Including an LED array. However, other colors and color combinations can be used. Light from the LEDs that make up the illumination units 111-113 is directed to the DMD 194 through the illumination optics portion 144.

図２では、照明光学部分１４４は、光トンネル（光パイプとも呼ばれる）１９２とも称する光ガイド１９２を含む。光ガイド１９２は、Ｘキューブ１２０によって供給される光のうち少なくとも一部を受け取る開口８００を含む。Ｘキューブ１２０によって供給される、入射角Ａ（図４に最もよく示されている）以内で開口８００に入射する光は、開口８００を通って入り、光ガイド１９２を通って進む。光ガイド１９２は、ＤＭＤを構成するイメージャアセンブリ１９４を駆動する。   In FIG. 2, the illumination optics portion 144 includes a light guide 192, also referred to as a light tunnel (also referred to as a light pipe) 192. The light guide 192 includes an opening 800 that receives at least a portion of the light provided by the X-cube 120. Light supplied by the X-cube 120 and entering the aperture 800 within an angle of incidence A (best shown in FIG. 4) enters through the aperture 800 and travels through the light guide 192. The light guide 192 drives the imager assembly 194 that makes up the DMD.

本発明の一実施形態では、映写レンズ部分２２０は、アセンブリ１９４内に収容される。映写レンズ部分２２０は、光をスクリーンなどのディスプレイ１９６に投影する。多くの実施形態で、光トンネル１８０、投影光学部分２２０、イメージャアセンブリ１９４、およびディスプレイスクリーン１９６は、従来のものである。したがって、これを本明細書でさらには説明しない。   In one embodiment of the present invention, projection lens portion 220 is housed within assembly 194. The projection lens portion 220 projects light onto a display 196 such as a screen. In many embodiments, the light tunnel 180, the projection optics 220, the imager assembly 194, and the display screen 196 are conventional. This is therefore not further described herein.

イメージャアセンブリ１９４は、ＤＭＤを含む。ＤＭＤは、小さいミラー素子のアレイを含む。一緒に、これらの素子は、ビデオ信号に従ってＤＭＤ １４４によって受け取られる光を変調する。ＤＭＤ １９４は、そのミラー素子のそれぞれが２つの異なって傾いた状態のうちの１つすなわち、オン状態またはオフ状態のいずれかになるように構成される。ＤＭＤ １９４は、オン状態であるミラー素子だけが投影光学部分２２０を構成する光学素子に向かって照明光を反射するように構成される。したがって、照明光のうちでオン状態であるミラー素子によって反射された部分は、投影光学部分２２０を通過し、最終的に投影面１９６上にディスプレイイメージを形成する。   Imager assembly 194 includes a DMD. The DMD includes an array of small mirror elements. Together, these elements modulate the light received by DMD 144 according to the video signal. DMD 194 is configured such that each of its mirror elements is in one of two different tilted states, either on or off. DMD 194 is configured such that only mirror elements that are in the on state reflect illumination light toward the optical elements that make up projection optical portion 220. Accordingly, the portion of the illumination light reflected by the mirror element that is in the on state passes through the projection optical portion 220 and finally forms a display image on the projection surface 196.

（図３）
図２に示された複数光源手法は、ある種の応用例では不利益を有する。３つの別々の照明モジュールを使用することが、ディスプレイシステムのサイズおよび複雑さを大幅に増やす。ＤＭＤ（商標）タイプディスプレイシステムの代替実施形態を、図３に示す。ディスプレイシステム３００は、本発明の実施形態に従って１つの照明モジュール３１０を含む。照明モジュール３１０は、１つのＬＥＤ光源を含む。単一の照明モジュール３１０を使用することにより、複数照明モジュールシステムと比較してより小さいサイズという利益を有する。単一の光源を使用することによって、ディスプレイのサイズおよび光学エンジンの複雑さが減る。 ( Figure 3 )
The multiple light source approach shown in FIG. 2 has disadvantages in certain applications. Using three separate lighting modules greatly increases the size and complexity of the display system. An alternative embodiment of a DMD ™ type display system is shown in FIG. Display system 300 includes one illumination module 310 in accordance with an embodiment of the present invention. The illumination module 310 includes one LED light source. Using a single lighting module 310 has the advantage of a smaller size compared to a multiple lighting module system. By using a single light source, the size of the display and the complexity of the optical engine is reduced.

ディスプレイシステム３００は、照明光学部分３４４、ＤＭＤ ３９４、および投影光学部分３２０を含む。図３では、光は、照明光学部分３４４内で、概して矢印１３３によって示される経路に沿って進む。照明光学部分３４４は、単一の照明ユニット３１０を含む。照明ユニット３１０は、図４〜７に示された本発明の実施形態に従って構成される。照明ユニット３１０は、ＬＥＤ光源からの光を光ガイド３９２に供給する。本発明の一実施形態で、光ガイド３９２は、従来のインテグレータロッド（integrator rod）を含む。ＤＭＤ ３９４は、光ガイド３９２の出口８５０から出る光を受け取る。   Display system 300 includes illumination optics portion 344, DMD 394, and projection optics portion 320. In FIG. 3, the light travels in the illumination optics portion 344 along a path generally indicated by arrow 133. The illumination optical portion 344 includes a single illumination unit 310. The lighting unit 310 is configured according to the embodiment of the present invention shown in FIGS. The illumination unit 310 supplies light from the LED light source to the light guide 392. In one embodiment of the invention, the light guide 392 includes a conventional integrator rod. DMD 394 receives light exiting from outlet 850 of light guide 392.

本発明のいくつかの実施形態によれば、照明光学部分３４４は、さらに、カラーホイール３１２を含む。カラーホイール３１２は、光が照明ユニット３１０からＤＭＤ ３９４に進むときの光の経路に挿入される。照明モジュール３１０のＬＥＤ光源は、各色（赤、緑、および青）のイメージを作るために白色光を生成する。色は、カラーホイール３１２を回転することによって、時間内に順番に作られる。ＬＥＤ光源からの白色光は、カラーホイール３１２が回転するときカラーホイール３１２によってフィルタリングされる。所望の色が、対応するイメージを照明する。異なって色付けされたイメージが、非常に速く生成されるので、目は、これらのイメージを、ディスプレイスクリーン３９６上で見たとき正しい色付きフレームに統合する。   According to some embodiments of the invention, the illumination optics portion 344 further includes a color wheel 312. The color wheel 312 is inserted into the light path as light travels from the lighting unit 310 to the DMD 394. The LED light source of the illumination module 310 generates white light to create an image of each color (red, green, and blue). Colors are made in order in time by rotating the color wheel 312. White light from the LED light source is filtered by the color wheel 312 as the color wheel 312 rotates. The desired color illuminates the corresponding image. Because differently colored images are generated very quickly, the eye integrates these images into the correct colored frame when viewed on the display screen 396.

照明ユニット３１０および照明光学部分３４４を構成する光学コンポーネントは、縦軸３１７に沿って配置される。投影光学部分３２０は、ＤＭＤ ３９４からディスプレイスクリーン３９６に光を運ぶ。照明光学部分３４４は、照明ユニット３１０を構成する光源からの光を平滑化する機能を実行する。照明光学部分３４４、および特に光ガイド３９２は、軸方向光線（たとえば、軸３１７に沿った光線）と軸外れ光線との明るさの差の影響を最小にする。これにより、ＤＭＤ ３９４の素子に入射する光の明るさ分布均一性を改善することができる。   The optical components that make up the illumination unit 310 and the illumination optical portion 344 are arranged along the longitudinal axis 317. Projection optics portion 320 carries light from DMD 394 to display screen 396. The illumination optical portion 344 performs a function of smoothing light from a light source that constitutes the illumination unit 310. The illumination optics 344, and in particular the light guide 392, minimizes the effects of brightness differences between axial rays (eg, rays along axis 317) and off-axis rays. Thereby, the brightness distribution uniformity of the light incident on the element of the DMD 394 can be improved.

（図４）
図４は、本発明の実施形態に従って構成された図３に示されたディスプレイシステム３００の照明ユニット３１０のブロック図である。照明ユニット３１０は、ＬＥＤ光源２００、第１レンズ２０１、および少なくとも第２レンズ２０２を含む。任意選択で、第３レンズ２０３が、本発明のいくつかの実施形態で照明ユニット３１０を構成する。本発明の一例示的実施形態によれば、ＬＥＤ ２００は、市販の高出力ＬＥＤ、たとえばＬＵＸＥＯＮ（商標）高出力＋ＬＥＤを含む（Ｌｕｘｅｏｎ ＬＥＤは、米国カリフォルニア州サンノゼのＬｕｍｉｌｅｄｓ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ社から市販されている）。 ( Fig. 4 )
FIG. 4 is a block diagram of the lighting unit 310 of the display system 300 shown in FIG. 3 configured in accordance with an embodiment of the present invention. The illumination unit 310 includes an LED light source 200, a first lens 201, and at least a second lens 202. Optionally, the third lens 203 constitutes the illumination unit 310 in some embodiments of the invention. According to one exemplary embodiment of the present invention, LED 200 includes a commercially available high power LED, such as LUXEON ™ high power + LED (Luxeon LED is commercially available from Lumileds Lighting, San Jose, Calif., USA. ).

さまざまな実施形態で、光源２００は、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、白色ＬＥＤ、および他の色のＬＥＤからなる群から選択される。光源２００は、特性ＬＥＤ放射パターンに従って光を発する。ＬＥＤ ２００によって放射された光は、順番にレンズ２０１、２０２、および（任意選択で）２０３を通って進む。レンズ２０１、２０２、および２０３は、本発明の一実施形態で光源２００を含む共通の光軸３０１に沿って並べられる。   In various embodiments, the light source 200 is selected from the group consisting of red LEDs, green LEDs, blue LEDs, white LEDs, and other color LEDs. The light source 200 emits light according to the characteristic LED radiation pattern. The light emitted by the LED 200 travels through the lenses 201, 202, and (optionally) 203 in turn. Lenses 201, 202, and 203 are aligned along a common optical axis 301 that includes light source 200 in one embodiment of the invention.

光源の放射パターンは、すべての光エネルギーを、インターセプトされイメージ投影に使用されるように向けることが理想的である。しかし、実際には、通常のＬＥＤの放射パターンは、ある量の光を浪費する。光ガイド３９２に達する光の一部は、光ガイド３９２に入るには大きすぎる角度で開口８００に向けられることになる。本発明の実施形態による照明ユニット３１０は、光源２００からの光が光ガイド３９２の入射角内に含まれるように、その光を向けることによって、浪費される光を最小にする。本発明は、軸３０１に関して定義される入射角、たとえば角度Ａの範囲で光ガイド３９２に達する光線のパーセンテージを高めることによって、効率を高める。   The radiation pattern of the light source ideally directs all light energy to be intercepted and used for image projection. In practice, however, the radiation pattern of a normal LED wastes a certain amount of light. Some of the light reaching the light guide 392 will be directed to the aperture 800 at an angle that is too large to enter the light guide 392. Illumination unit 310 according to an embodiment of the present invention minimizes wasted light by directing the light from light source 200 so that it is included within the angle of incidence of light guide 392. The present invention increases efficiency by increasing the percentage of rays that reach the light guide 392 in the range of incident angles defined with respect to axis 301, eg, angle A.

図４のレンズは、簡略化したブロック図で楕円として描かれている。本発明の実施形態によるさまざまなタイプのレンズ、位置、および方位が、図４〜７に示されている。いくつかの実施形態で、第１レンズ２０１は、コリメータ、たとえば部品番号ＦＬＰ−ＨＮＢ３−ＬＬ０１−０（米国マサチューセッツ州レディングのＦｒａｅｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社）である。さまざまな実施形態で、レンズ２０２、２０３は、非球面コンデンサーレンズ、平凸レンズ、および他のレンズタイプのさまざまな組合せとして実施される。   The lens of FIG. 4 is depicted as an ellipse in a simplified block diagram. Various types of lenses, positions, and orientations according to embodiments of the invention are shown in FIGS. In some embodiments, the first lens 201 is a collimator, such as part number FLP-HNB3-LL01-0 (Fraen Corporation, Redding, Mass., USA). In various embodiments, the lenses 202, 203 are implemented as various combinations of aspheric condenser lenses, plano-convex lenses, and other lens types.

図４に示され、下で説明される構成は、本発明の原理に従って距離およびレンズ仕様によって定義される。本発明の実施形態による照明ユニット３１０の光学コンポーネントの構成を、表１に示す。   The configuration shown in FIG. 4 and described below is defined by distance and lens specifications in accordance with the principles of the present invention. Table 1 shows the configuration of the optical components of the illumination unit 310 according to the embodiment of the present invention.

Figure 2010513948
Figure 2010513948

光源２００と光ガイド３９２の開口８００との間の総光路長ＬTOTALは、次式によって与えられる。
ＬTOTAL＝Ｌ１＋ＴＨＩＣＫＮＥＳＳ（２０２）＋ＳＥＰ＋ＴＨＩＣＫＮＥＳＳ（２０３）＋Ｌ２
ここで、ＴＨＩＣＫＮＥＳＳ（ｎ）は、指定されたレンズの中心厚すなわち、レンズを通る光がたどる光軸３０１に沿った距離を表す。レンズ２０３が省略される実施形態では、ＳＥＰおよびＴＨＩＣＫＮＥＳＳ（２０３）は０である。 The total optical path length L TOTAL between the light source 200 and the opening 800 of the light guide 392 is given by the following equation.
L TOTAL = L1 + THICKNESS (202) + SEP + THICKNESS (203) + L2
Here, TICHKNESS (n) represents the center thickness of the designated lens, that is, the distance along the optical axis 301 that the light passing through the lens follows. In embodiments where lens 203 is omitted, SEP and TICHKNESS (203) are zero.

一実施形態で、光源２００は、部品番号ＬＸＨＬ−ＰＷ０３すなわち３ワットＬＵＸＥＯＮＴ（商標）ＳＴＡＲ（米国カリフォルニア州サンノゼのＬｕｍｉｌｅｄｓ社の登録商標）である。レンズ２０１は、コリメータ部品番号ＦＬＰ−ＨＮＢ３−ＬＬ０１−０（米国マサチューセッツ州レディングのＦｒａｅｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社）として実施される。レンズ２０２および２０３のさまざまな選択、位置、および方位を、次の点を考慮して下で述べる。   In one embodiment, light source 200 is part number LXHL-PW03, a 3-watt LUXEON ™ STAR (a registered trademark of Lumileds, San Jose, Calif.). Lens 201 is implemented as a collimator part number FLP-HNB3-LL01-0 (Fraen Corporation, Redding, Mass., USA). Various selections, positions, and orientations of lenses 202 and 203 are described below in view of the following points.

簡潔に言うと、システム３００の照明光学部分の効率を最大にすることが望まれる。効率は、本明細書では、光源２００から放射される光のうちで、軸３０１に関して入射角Ａ以内で光ガイド３９２の開口８００に達する部分と定義される。   In short, it is desirable to maximize the efficiency of the illumination optics portion of the system 300. Efficiency is defined herein as the portion of the light emitted from the light source 200 that reaches the aperture 800 of the light guide 392 within an incident angle A with respect to the axis 301.

入射角Ａは、照明光学部分を構成する特定の光学コンポーネントに従って、および、ある程度、システム３００の投影光学部分に従って定義される。この角度Ａ以内で開口８００に達する光を、「有用な」光と称する。有用な光を、イメージャ３９４の照明に使用することができる。この要件を満足するより大量の光により、システム３００に、より良い性能を与える。図５〜７によって包含される照明モジュール実施形態は、少なくとも部分的に、構成パラメータＬ１、ＳＥＰ、およびＬ２によって定義される。性能は、レンズ２０２および２０３の選択または設計にも関係する。   The angle of incidence A is defined according to the specific optical components that make up the illumination optics and, to some extent, according to the projection optics of the system 300. Light that reaches the aperture 800 within this angle A is referred to as “useful” light. Useful light can be used to illuminate the imager 394. A greater amount of light that satisfies this requirement gives the system 300 better performance. The lighting module embodiment encompassed by FIGS. 5-7 is defined at least in part by configuration parameters L1, SEP, and L2. Performance is also related to the selection or design of lenses 202 and 203.

発光面積とＬＥＤによって放射される光の立体角との積が、「エタンデュ」と呼ばれる保存される値（conserved value）である。エタンデュは保存されるので、発光面積とＬＥＤによって放射される光の立体角との積は、イメージ形成デバイスの面積とイメージ形成デバイスの入射の立体角との積と等しくならなければならない。イメージ形成デバイスのエタンデュは、幾何学的に決定される。   The product of the light emitting area and the solid angle of light emitted by the LED is a conserved value called “etendue”. Since etendue is conserved, the product of the light emitting area and the solid angle of light emitted by the LED must be equal to the product of the area of the image forming device and the solid angle of incidence of the image forming device. The etendue of the image forming device is determined geometrically.

ここで、光源２００の発光の立体角は、ＬＥＤの発光の立体角である。イメージ形成デバイス３９４の面積は、特定のデバイスが選択されると、固定される。一部の光は、光を映写レンズによって効果的に投影できる立体角の範囲の外に出て、光の損失が発生する。この損失は、システム３００の光効率を下げる。その結果、イメージ形成デバイス３９２の輝度は、時々、より多数のＬＥＤが設けられるにもかかわらず、制限される。   Here, the solid angle of light emission of the light source 200 is the solid angle of light emission of the LED. The area of the image forming device 394 is fixed when a particular device is selected. Some light goes out of the range of solid angles where light can be effectively projected by the projection lens, and light loss occurs. This loss reduces the light efficiency of the system 300. As a result, the brightness of the image forming device 392 is limited, even though sometimes more LEDs are provided.

本発明は、光ガイド３９２に入る光の量を最適化する、より効率的なシステムを提供する。より高い効率は、より多くの光を意味し、全体としてプロジェクタ（または他のデバイス）へのよりよい出力照明を可能にする。しかし、光ガイド３９２に入る光の量を最大化することは、光が光ガイド３９２に入る入射角Ａを最適化する望みと衝突する。入射角Ａの最適化は、光軸３０１にほぼ平行な光でない光は投影光学系によって使用可能ではないので、重要である。使用不能な光は、浪費される光エネルギーを表す。通常のシステムは、光軸３０１に平行な軸から１０〜１５度以内の光を使用することができる。   The present invention provides a more efficient system that optimizes the amount of light entering the light guide 392. Higher efficiency means more light and allows for better output illumination to the projector (or other device) as a whole. However, maximizing the amount of light entering the light guide 392 conflicts with the desire to optimize the angle of incidence A where the light enters the light guide 392. Optimization of the incident angle A is important because light that is not substantially parallel to the optical axis 301 is not usable by the projection optics. Unusable light represents wasted light energy. A typical system can use light within 10-15 degrees from an axis parallel to the optical axis 301.

説明を簡単にするために、次の議論では、「在庫」（市販）レンズが使用される実施形態の性能について説明する。もちろん、レンズが特別に設計される本発明の実施形態が、想定されている。本発明は、市販レンズが選択される実施形態に限定されてはならない。   For ease of explanation, the following discussion describes the performance of embodiments in which “in-stock” (commercial) lenses are used. Of course, embodiments of the invention in which the lens is specifically designed are envisioned. The present invention should not be limited to embodiments in which commercially available lenses are selected.

（図５）
図５では、レンズ５０２、５０３の非平面（凸）面５０２ｃ、５０３ｃが相互に対向している。レンズ５０２の平坦面５０２ｐは、レンズ５０１に面する。レンズ５０３の平坦面５０３ｐは、光ガイド５９２に面する。代替実施形態によれば、所与のレンズ５０２、５０３の平坦面は、図５に示されたものと反対の方向を指す（後続の表３の議論を参照されたい）。 ( Fig. 5 )
In FIG. 5, the non-planar (convex) surfaces 502c and 503c of the lenses 502 and 503 face each other. The flat surface 502p of the lens 502 faces the lens 501. The flat surface 503p of the lens 503 faces the light guide 592. According to an alternative embodiment, the flat surfaces of a given lens 502, 503 point in the opposite direction as shown in FIG. 5 (see discussion in Table 3 below).

さらに、他の実施形態では、レンズ５０３が、完全に除外される。たとえば、図６および７に、第１レンズ（図６の６０２および図７の７０２）に第２レンズが続かない実施形態を示す。   Furthermore, in other embodiments, the lens 503 is completely excluded. For example, FIGS. 6 and 7 show an embodiment where the first lens (602 in FIG. 6 and 702 in FIG. 7) is not followed by a second lens.

レンズ５０２は、多くの光を集める。レンズ５０３は、そのまま入射するより小さい入射角Ａで光ガイド５９２に入るように光を収束させる。したがって、レンズ５０２、５０３は、システム５００の効率を高めるために光を集め、収束させるというそれぞれの機能を実行する。   The lens 502 collects a lot of light. The lens 503 converges the light so that it enters the light guide 592 at a smaller incident angle A that is incident as it is. Accordingly, lenses 502 and 503 perform their respective functions of collecting and focusing light to increase the efficiency of system 500.

図６および７の実施形態は、両方の機能を実行するのに単一のレンズを使用する。これらの機能を実行するために、１つまたは複数のレンズが、表１、２、および３に示された寸法に従って構成される。また、レンズの相対位置および相対方位は、本発明による構成によって最適化される。   The embodiment of FIGS. 6 and 7 uses a single lens to perform both functions. To perform these functions, one or more lenses are configured according to the dimensions shown in Tables 1, 2, and 3. Also, the relative position and orientation of the lens are optimized by the configuration according to the present invention.

図４を参照すると、光ガイド３９２の開口８００は、本発明のコンポーネントを配置する際に考慮される断面積を定義する。異なるサイズの断面積について、本発明は、最適のレンズ構成を提供する。次の議論で、８ｍｍ×４．５ｍｍの光ガイド３９２に関連する構成パラメータを提示する。そのような光ガイドは、ＴＩ（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ社）のＨＤ−２ ＤＬＰイメージャと共に使用される光ガイドに特有である。   Referring to FIG. 4, the aperture 800 of the light guide 392 defines a cross-sectional area that is considered when placing the components of the present invention. For different sized cross-sectional areas, the present invention provides an optimal lens configuration. In the following discussion, the configuration parameters associated with the 8 mm × 4.5 mm light guide 392 are presented. Such light guides are unique to light guides used with HD-2 DLP imagers from TI (Texas Instruments Incorporated).

本発明の上記の実施形態で、レンズ２０２は、ｆ／１より速い非球面レンズを含む。レンズ２０３は、レンズ２０２より長い焦点距離のレンズを含む。   In the above embodiment of the invention, lens 202 comprises an aspheric lens that is faster than f / 1. The lens 203 includes a lens having a longer focal length than the lens 202.

一般に、レンズ２０１、２０２、および２０３の相対配置は、本発明の実施形態による次の原理によって支配される。Ｌ１は、レンズ２０２がレンズ２０３より長い焦点距離を有する場合にＬ２より大きい。Ｌ２は、レンズ２０３がレンズ２０２より長い焦点距離を有する場合にＬ１より大きい。ＳＥＰは、光ガイド３９２の断面積に従って選択される。   In general, the relative placement of lenses 201, 202, and 203 is governed by the following principles according to embodiments of the present invention. L1 is greater than L2 when lens 202 has a longer focal length than lens 203. L2 is greater than L1 when lens 203 has a longer focal length than lens 202. The SEP is selected according to the cross-sectional area of the light guide 392.

表２に、本発明の原理によるレンズ２０２、２０３の特定の実施形態のレンズ部品番号の例を示す。部品番号は、Ｅｄｍｕｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｏｐｔｉｃｓ社（米国ニュージャージ州バリントン）のものである。各レンズは、下で表３を論ずるのをより簡単にするために、Ａ、Ｂ、Ｃ、またはＤと省略される。   Table 2 shows examples of lens part numbers for specific embodiments of lenses 202, 203 according to the principles of the present invention. Part numbers are from Edmund Industrial Optics (Barrington, NJ, USA). Each lens is abbreviated as A, B, C, or D to make it easier to discuss Table 3 below.

Figure 2010513948
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表３に、表２からのＥｄｍｕｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｏｐｔｉｃｓ社の部品（レンズ２０２、２０３を実施する）のさまざまな組合せと一緒に、上で述べたＦｒａｅｎ社のコリメータ（レンズ２０１を実施する）を使用した結果を示す。これらの結果は、効率に関して表されている。ここで、効率は、光のうちで、光ガイド３９２の受ける開口８００に入る光軸に関して１０〜１５度の角度以内で下流部分２２０に入るパーセンテージと定義される。   Table 3 shows the results of using the Fraen collimator (implementing lens 201) described above together with various combinations of Edmund Industrial Optics parts (implementing lenses 202, 203) from Table 2. Indicates. These results are expressed in terms of efficiency. Here, efficiency is defined as the percentage of light that enters the downstream portion 220 within an angle of 10-15 degrees with respect to the optical axis entering the aperture 800 received by the light guide 392.

表３に表された実施形態で、レンズ２０２の平坦面は、上流に面する、すなわち、レンズ２０１に向かって面し、レンズ２０３の平坦面は、下流に面する、すなわち、光トンネル３９２に向かって面する。この方位に対する例外は、表３では記号「］」を用いて注記される。「］」は、レンズ２０２の平坦面が下流に面することを示す。レンズ２０３が完全に省略される実施形態は、「レンズ２０３」列の「なし」によって注記される。   In the embodiment depicted in Table 3, the flat surface of lens 202 faces upstream, i.e., faces lens 201, and the flat surface of lens 203 faces downstream, i.e., to light tunnel 392. Face to face. Exceptions to this orientation are noted in Table 3 using the symbol “]”. “]” Indicates that the flat surface of the lens 202 faces downstream. Embodiments in which lens 203 is omitted entirely are noted by “none” in the “lens 203” column.

Figure 2010513948
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図５に、表３の＃１〜＃１６に従って構成された本発明の実施形態を示す。図６に、表３の＃１７、＃１８、＃２１、および＃２３に従って構成された本発明の実施形態を示す。図７に、表３の＃１９、＃２０、＃２２、および＃２４に従って構成された本発明の実施形態を示す。＃６（Ｂ−Ａ）に従って構成された本発明のいくつかの実施形態では、追加のレンズが、光ガイド３９２の開口８００の前に設けられる。   FIG. 5 shows an embodiment of the present invention configured according to # 1 to # 16 of Table 3. FIG. 6 shows an embodiment of the present invention configured according to # 17, # 18, # 21, and # 23 of Table 3. FIG. 7 shows an embodiment of the present invention configured according to # 19, # 20, # 22, and # 24 of Table 3. In some embodiments of the invention configured according to # 6 (B-A), an additional lens is provided in front of the aperture 800 of the light guide 392.

本発明のいくつかの実施形態は、組み合わせる光学系（combining optics）（たとえば、Ｘキューブ１２０）を含む。そのような実施形態は、構成＃４（Ｄ−Ｄ）に従って、および代替案では構成＃１６（Ｄ−Ｃ）に従って構成される。本発明の単一レンズ実施形態は、＃１８（Ｂ）および＃１９（Ｂ］）に従って構成される。本発明の一実施形態は、ｆ／２．８システムを含む。そのような実施形態は、表３の＃１２（Ｃ−Ｂ）に従って構成される。   Some embodiments of the present invention include combining optics (eg, X-cube 120). Such an embodiment is configured according to configuration # 4 (DD) and, in the alternative, according to configuration # 16 (D-C). The single lens embodiment of the present invention is configured according to # 18 (B) and # 19 (B]). One embodiment of the present invention includes an f / 2.8 system. Such an embodiment is configured in accordance with # 12 (C-B) of Table 3.

いくつかの実施形態で、レンズ（２０２）は、光ガイド３９２の光軸に関して１０度の角度以内で光ガイド３９２の開口８００に放射されたＬＥＤ ５００の光のうち少なくとも２７％を提供する（構成＃１８）。   In some embodiments, the lens (202) provides at least 27% of the LED 500 light emitted into the aperture 800 of the light guide 392 within an angle of 10 degrees with respect to the optical axis of the light guide 392 (configuration). # 18).

いくつかの実施形態で、レンズ（２０２）は、光ガイド３９２の光軸に関して１０度の角度以内で放射された光のうち少なくとも２７％、光軸に関して１５度の角度以内で放射された光のうち３１％を供給する（構成＃１８）。   In some embodiments, the lens (202) includes at least 27% of light emitted within an angle of 10 degrees with respect to the optical axis of the light guide 392 and of light emitted within an angle of 15 degrees with respect to the optical axis. Of this, 31% is supplied (Configuration # 18).

いくつかの実施形態で、レンズ（２０２）は、光軸３０１に関して１５度の角度以内で放射された光のうち少なくとも３４％を下流部分（３２０）に供給する（構成＃１９）。   In some embodiments, the lens (202) provides at least 34% of the light emitted within an angle of 15 degrees with respect to the optical axis 301 to the downstream portion (320) (configuration # 19).

いくつかの実施形態で、レンズ（２０２）は、光軸に関して１０度の角度以内で放射された光のうち少なくとも２４％、光軸３０１に関して１５度の角度以内で放射された光のうち３４％を供給する（構成＃１９）。   In some embodiments, the lens (202) is at least 24% of light emitted within an angle of 10 degrees with respect to the optical axis and 34% of light emitted within an angle of 15 degrees with respect to the optical axis 301. (Configuration # 19).

いくつかの実施形態で、レンズ（２０２）は、非球面コンデンサーレンズを含む（表２のレンズ「Ｂ」、構成＃１８または＃１９）。いくつかの実施形態で、レンズ構成は、第１焦点距離を有し、放射パターンを通って放射される光の一部を集め、集められた光を第２レンズ（２０３）に向かって透過させるように構成された第１レンズ（２０２）と、少なくとも第１焦点距離と同程度に長い第２焦点距離を有し、光軸（２１０）に関して角度（２１５）以内で下流部分（２２０）に入るように、その集められた光の焦点を合わせるように構成された第２レンズ（２０３）とを含む（図４、複数レンズ）。   In some embodiments, the lens (202) comprises an aspheric condenser lens (lens “B” in Table 2, configuration # 18 or # 19). In some embodiments, the lens arrangement has a first focal length, collects a portion of the light emitted through the radiation pattern, and transmits the collected light toward the second lens (203). A first lens (202) configured as described above and a second focal length that is at least as long as the first focal length and enters the downstream portion (220) within an angle (215) with respect to the optical axis (210) And a second lens (203) configured to focus the collected light (FIG. 4, multiple lenses).

いくつかの実施形態で、第１レンズ（２０２）および第２レンズ（２０３）は、合計で、光軸に関して１５度の角度以内で放射された光のうち少なくとも４０％を下流部分（２２０）に供給する（構成＃６）。   In some embodiments, the first lens (202) and the second lens (203) total at least 40% of the light emitted within an angle of 15 degrees with respect to the optical axis to the downstream portion (220). Supply (Configuration # 6).

いくつかの実施形態で、第１レンズ（２０２）および第２レンズ（２０３）は、合計で、光軸に関して１０度の角度以内で放射された光のうち少なくとも３０％、光軸に関して１５度の角度以内で放射された光のうち４０％を下流部分（２２０）に供給する（構成＃６）。   In some embodiments, the first lens (202) and the second lens (203) total at least 30% of the light emitted within an angle of 10 degrees with respect to the optical axis and 15 degrees with respect to the optical axis. 40% of the light emitted within the angle is supplied to the downstream portion (220) (configuration # 6).

いくつかの実施形態で、第１レンズ（２０２）および第２レンズ（２０３）は、合計で、光軸に関して１０度の角度以内で放射された光のうち少なくとも３３％を下流部分（２２０）に供給する（構成＃１２）。   In some embodiments, the first lens (202) and the second lens (203) total at least 33% of the light emitted within an angle of 10 degrees with respect to the optical axis to the downstream portion (220). (Configuration # 12).

いくつかの実施形態で、第１レンズ（２０２）および第２レンズ（２０３）は、合計で、光軸に関して１０度の角度以内で放射された光のうち少なくとも３３％、光軸に関して１５度の角度以内で放射された光のうち３６％を下流部分（２２０）に供給する（構成＃１２）。   In some embodiments, the first lens (202) and the second lens (203) total at least 33% of the light emitted within an angle of 10 degrees with respect to the optical axis and 15 degrees with respect to the optical axis. 36% of the light emitted within the angle is supplied to the downstream portion (220) (configuration # 12).

いくつかの実施形態で、ディスプレイシステムは、下流部分（２２０）の前の光を組み合わせる要素（１２０）と、合計で、光軸３０１に関して１０度の角度以内の放射された光のうち少なくとも２０％、光軸に関して１５度の角度以内の放射された光のうち２８％を下流部分に供給する第１レンズ（２０２）および第２レンズ（２０３）とを含む（構成＃４、＃１６）。   In some embodiments, the display system includes an element (120) that combines light in front of the downstream portion (220) and a total of at least 20% of the emitted light within an angle of 10 degrees with respect to the optical axis 301. , Including a first lens (202) and a second lens (203) that supply 28% of the emitted light within an angle of 15 degrees with respect to the optical axis to the downstream portion (configuration # 4, # 16).

いくつかの実施形態で、第１レンズ（２０２）は、平坦面で光を受け、その光を凸面から送るように構成された平凸レンズを含む。いくつかの実施形態で、第２レンズ（２０３）は、凸面で光を受け、その光を平坦面から送るように構成された平凸レンズを含む。いくつかの実施形態で、第１レンズおよび第２レンズのうちの少なくとも１つは、非球面レンズである。いくつかの実施形態で、第１レンズおよび第２レンズのうちの少なくとも１つは、球面レンズである。   In some embodiments, the first lens (202) includes a plano-convex lens configured to receive light on a flat surface and transmit the light from the convex surface. In some embodiments, the second lens (203) includes a plano-convex lens configured to receive light at a convex surface and transmit the light from a flat surface. In some embodiments, at least one of the first lens and the second lens is an aspheric lens. In some embodiments, at least one of the first lens and the second lens is a spherical lens.

本開示は、さらに、少なくとも１つのレンズを用いる方法のサポートを提供する。この方法は、ディスプレイシステム投影光学部分（３２０）に光を供給する。この方法の実施形態は、（ａ）特性放射パターンに従って放射される光を供給するステップ（２００）と、（ｂ）放射された光（２００から）のうちでディスプレイシステムの下流部分（２２０）によって使用可能なパーセンテージを最大にするステップとを含む。最大にするステップは、協働して、（ｂ１）放射パターンで放射された光の一部を集めるステップと、（ｂ２）光軸、たとえば軸３０１に関して入射角Ａ以内で光ガイド（３９２）に入るように集められた光の焦点を合わせる（図５、６のレンズ２０２または図４のレンズ２０２＋２０３）ステップとを含む。   The present disclosure further provides support for methods using at least one lens. This method provides light to the display system projection optics (320). Embodiments of this method include (a) providing light emitted according to a characteristic radiation pattern (200), and (b) out of the emitted light (from 200) by a downstream portion (220) of the display system. Maximizing the available percentage. The steps of maximizing work together: (b1) collecting a portion of the light emitted in the radiation pattern; and (b2) in the light guide (392) within an incident angle A with respect to the optical axis, eg axis 301. Focusing the light collected to enter (lens 202 of FIGS. 5 and 6 or lens 202 + 203 of FIG. 4).

いくつかの実施形態で、集めるステップおよび焦点を合わせるステップは、単一のレンズ（２０２）（図６および７）を使用して、放射された光の一部を集めること、および、その集められた光の焦点を合わせることを含む。   In some embodiments, the collecting and focusing steps use a single lens (202) (FIGS. 6 and 7) to collect a portion of the emitted light and the collected Focusing the light.

いくつかの実施形態で、集めるステップは、第１焦点距離を有する第１レンズ（２０２）を用いて放射された光の一部を集めることを含み、焦点を合わせるステップは、少なくとも第１焦点距離と同程度に長い第２焦点距離を有する第２レンズ（２０３）を用いて集められた光の焦点を合わせることを含む（図４）。   In some embodiments, the collecting step includes collecting a portion of the emitted light using a first lens (202) having a first focal length, and the focusing step includes at least a first focal length. Focusing the collected light using a second lens (203) having a second focal length that is as long as (FIG. 4).

前述の実施形態は、単に例であり、本発明を限定するものと解釈してはならない。実施形態の説明は、例示的であることを意図しており、特許請求の範囲を限定することを意図していない。多数の代替形態、改良形態、および変形形態が、上記の教示に鑑みて当業者に明白であろう。もちろん、実施例を、本発明の範囲内にとどまりながら変更することができる。したがって、添付の特許請求の範囲およびその同等物の範囲内で、本発明を、本明細書で具体的に説明されたものと異なる形で実施できることを理解されたい。   The foregoing embodiments are merely examples and should not be construed as limiting the invention. The descriptions of the embodiments are intended to be illustrative and are not intended to limit the scope of the claims. Numerous alternatives, modifications, and variations will be apparent to those skilled in the art in view of the above teachings. Of course, the embodiments can be modified while remaining within the scope of the invention. It is therefore to be understood that within the scope of the appended claims and their equivalents, the invention may be practiced otherwise than as specifically described herein.

Claims (10)

発光ダイオード（ＬＥＤ）光源、光収集ユニット、および光投影ユニットを含むディスプレイシステムであって、前記光収集ユニットは、少なくとも、第１レンズ、第２レンズ、および入射角によって定義される開口を含む細長い光ガイドを含み、
前記収集ユニットは、
第１および第２光学素子と前記光ガイドとは、共通の軸に沿って並べられ、
前記第１光学素子は、前記光源によって前記第２光学素子に放射される光の多くを結合するために前記光源に関して配置され、
前記第２光学素子は、前記入射角以内で前記第１光学素子から前記開口へ光の少なくとも一部を結合し、
前記第２光学素子は、前記軸に沿って前記光源から距離Ｌ１の間隔で配置され、
前記開口は、前記軸に沿って前記第２光学素子から距離Ｌ２の間隔で配置され、
前記第１光学素子は、コリメートレンズを含み、前記第２光学素子は、非球面レンズを含み、前記入射角は、前記軸に関して１５度を超えず、前記光源から放射される光全体の少なくとも１５％は、前記入射角以内で前記収集ユニットによって前記開口に供給されることを特徴とするディスプレイシステム。 A display system comprising a light emitting diode (LED) light source, a light collection unit, and a light projection unit, the light collection unit being elongated comprising at least a first lens, a second lens, and an aperture defined by an angle of incidence. Including a light guide,
The collection unit is
The first and second optical elements and the light guide are arranged along a common axis,
The first optical element is disposed with respect to the light source to combine much of the light emitted by the light source into the second optical element;
The second optical element couples at least a portion of light from the first optical element to the aperture within the incident angle;
The second optical element is disposed at a distance L1 from the light source along the axis,
The openings are arranged at a distance L2 from the second optical element along the axis,
The first optical element includes a collimating lens, the second optical element includes an aspheric lens, and the incident angle does not exceed 15 degrees with respect to the axis, and is at least 15 of the total light emitted from the light source. % Is supplied to the aperture by the collection unit within the incident angle. 前記入射角は、前記軸に関して１０度以内であることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイシステム。   The display system according to claim 1, wherein the incident angle is within 10 degrees with respect to the axis. ＬＥＤ光源から放射される光を集め、前記集められた光を光トンネルの入口に供給する光学モジュールであって、前記ＬＥＤおよび前記入口は、共通の中心軸に沿って並べられ、前記共通の中心軸上で距離ＬTの間隔で配置され、
前記光学モジュールは、
前記モジュールの中心軸の周りで前記光源に結合される第１光学素子と、
前記中心軸の周りで第１光学素子と前記入口との間に配置され、前記光源から少なくとも７．４ｍｍの距離Ｌ１の間隔で配置される第２光学素子と
を含み、
前記第２光学素子は、少なくとも８ｍｍの厚さｔ１、直径ｄ１、少なくとも１３ｍｍの有効焦点距離ＥＦＬ１、および少なくとも０．５ｍｍのＦ値（ｆｏｃａｌ ｎｕｍｂｅｒ）ｆ１であり、
前記モジュールは、少なくとも１５％の効率Ｅであり、
集束角Ａは、少なくとも１０度である
ことを特徴とする光学モジュール。 An optical module for collecting light emitted from an LED light source and supplying the collected light to an entrance of a light tunnel, wherein the LED and the entrance are aligned along a common central axis, and the common center is spaced a distance L T on the axis,
The optical module includes:
A first optical element coupled to the light source about a central axis of the module;
A second optical element disposed between the first optical element and the entrance around the central axis and disposed at a distance L1 of at least 7.4 mm from the light source;
The second optical element has a thickness t1 of at least 8 mm, a diameter d1, an effective focal length EFL1 of at least 13 mm, and an F number (focal number) f1 of at least 0.5 mm;
The module has an efficiency E of at least 15%;
The optical module characterized in that the focusing angle A is at least 10 degrees. 前記光源は、少なくとも３つのＬＥＤを含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the light source comprises at least three LEDs. 前記少なくとも３つのＬＥＤは、少なくとも１つの赤色ＬＥＤ、少なくとも１つの青色ＬＥＤ、および少なくとも１つの緑色ＬＥＤを含むことを特徴とする請求項４に記載のデバイス。   The device of claim 4, wherein the at least three LEDs include at least one red LED, at least one blue LED, and at least one green LED. 少なくとも１つの前記光源は、白色光源を含み、前記システムは、前記光源から前記白色光を受け、色付きの光をアレイに供給するよう結合された回転カラー要素（rotating color element）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。   At least one of the light sources includes a white light source, and the system further includes a rotating color element coupled to receive the white light from the light source and provide colored light to the array. The device of claim 1, characterized in that: 前記入射角以内で光コレクターに結合される前記光の一部は、前記ＬＥＤによって放射される光全体の少なくとも１０％であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein a portion of the light coupled to a light collector within the incident angle is at least 10% of the total light emitted by the LED. 前記入射角以内で前記光コレクターに結合される前記光の一部は、前記ＬＥＤによって放射される光全体の少なくとも１５％であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein a portion of the light coupled to the light collector within the incident angle is at least 15% of the total light emitted by the LED. 前記入射角以内で前記光コレクターに結合される光の前記一部は、前記ＬＥＤによって放射される光全体の少なくとも２０％であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the portion of light coupled to the light collector within the angle of incidence is at least 20% of the total light emitted by the LED. 光が光軸（２１０）に関して所与の角度（２１５）以内で入射する場合に限って前記光を使用できるディスプレイシステム（１００、１０１）の下流部分（２２０）に光を供給する方法であって、
ａ）特性放射パターンに従って放射される光を供給するステップ（２００）と、
ｂ）（２００から）放射された光のうちで前記ディスプレイシステムの下流部分（２２０）によって使用可能なパーセンテージを最大にするステップと
を含み、
前記最大にするステップは、協力して、
ｂ１）前記放射パターンで前記放射された光の一部を集めるステップ（２０２）と、
ｂ２）前記光軸（２１０）に関して前記角度（２１５）以内で前記下流部分（２２０）に入るように前記集められた光の焦点を合わせるステップと
を含むことを特徴とする方法。 A method of supplying light to a downstream portion (220) of a display system (100, 101) that can use the light only when it is incident within a given angle (215) with respect to the optical axis (210). ,
a) providing (200) light emitted according to a characteristic radiation pattern;
b) maximizing the percentage of light emitted (from 200) that can be used by the downstream portion (220) of the display system;
The steps of maximizing cooperate,
b1) collecting (202) a portion of the emitted light in the radiation pattern;
b2) focusing the collected light to enter the downstream portion (220) within the angle (215) with respect to the optical axis (210).
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