JP2010520498A - 固体光源用色合成器 - Google Patents

Abstract

照明装置が、共通開口を共有する第１および第２の集光光学系を有している。第１の集光光学系は、第１スペクトル帯を有する第１固体光源と、この第１固体光源から離れて設置され、第１スペクトル帯を第１光路に沿って共通開口から出射するように反射し、かつ第１スペクトル帯以外の光を通過させるよう処理される第１湾曲面とを有する。第２の集光光学系は、第２スペクトル帯を有する第２固体光源と、第１および第２光源に対し第１湾曲面の後方に配置され、第２スペクトル帯を第２光路に沿って共通開口から出射するように反射するよう処理される第２湾曲面とを有する。

Description

関連出願の説明

本出願は、２００７年２月２８日に出願された米国特許出願第１１／７１１，９２６号の優先権の利益を主張するものである。

本発明は一般に照明装置に関し、より詳細には、固体光源を用いるディスプレイのための照明装置および方法に関するものである。

デジタル画像技術が継続的に進歩している中、リアプロジェクションテレビ、業務用および娯楽市場用映写機、デジタルプリンタおよび他の画像装置など、広範囲に及ぶディスプレイ機器にデジタル光変調が利用されている。これらの装置の開発および設計において、十分な輝度を有する照明の実現という課題があることは広く知られている。特にデジタル投影機のようなデジタル画像機器の中には、十分な輝度を提供できないことにより深刻な性能の制約をもたらすことになるものもある。デジタルプロジェクタ用の従来の照明解決策、例えばＵＨＰ（Ultra-High Performance）ランプすなわち高圧水銀アークランプやキセノンアークランプなどを採用しているデジタル投影システムも存在しているが、この解決策はいくつかの理由、例えば、短寿命、経時変化、高熱、環境有害成分物質、および色域の制約などにより不利であるとされている。

最近まで、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの固体光源は投影に十分な高出力レベルを呈していなかった。しかし、現在では高輝度のＬＥＤ光源が商品化されており、ポケットプロジェクタやリアプロジェクションテレビ（ＲＰＴＶ）用装置などの小型機器の照明系に十分使用することができる。従来のランプを基にした照明解決策と比べると、ＬＥＤは、低消費電力、長部品寿命、およびウォーミングアップの必要性の排除など、特有の利点をいくつか有する。さらに、この光源の相対的なスペクトル純度により、従来の高輝度ランプよりも広い色域が約束される。ＬＥＤはまた、メタルハライドランプに含まれる水銀のような環境有害物質を有していない。さらにＬＥＤの輝度は、スペクトル特性を変えることなく広範囲に調整可能である。

より高輝度なＬＥＤが開発中であり、この固体光源をデジタルディスプレイや投影装置に使用するよう適合させることにかなりの注目が向けられている。様々な種類のディスプレイや投影の設計において、単色ＬＥＤ、すなわち一般に赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、および青色（Ｂ）のＬＥＤからの光を単一光路に合成した後、その光を、テキサス州ダラス、テキサス・インスツルメンツ社（Texas Instruments, Inc.）のＤＬＰ（登録商標）プロジェクションシステムで使用されるデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）のような空間光変調器（ＳＬＭ）へと導くことが必要とされている。

単色ＬＥＤを用いた色合成のために提案されている解決策では、一般にダイクロイック面と光積分部品（light integrating components）の配列を使用する。図１Ａの透視図を参照すると、２つの緑色ＬＥＤ１２ｇ、１つの赤色ＬＥＤ１２ｒ、および１つの青色ＬＥＤ１２ｂを有するＬＥＤ組立部材３２からの光を合成するための積分ロッド３４を採用した照明装置３０が示されている。全反射（ＴＩＲ）により光を導く導光体としての役目を果たしながら、積分ロッド３４は、ＬＥＤ組立部材３２上の異なる色のＬＥＤから入力された光を均質化し、多色光を出力部３６から提供する。

低性能なディスプレイ機器の中には図１Ａに示した解決策が有効な種類があるかもしれないが、あまり効率的ではない。画像技術の当業者には周知であるが、どのような光学系も、エタンデュの観点で、また同様にラグランジュ不変量の観点で表現される、幾何的な考え方、すなわち光学系内の任意の平面における許容立体角と開口サイズの積により制約を受ける。光学系が整合され対称性を有するものである場合、ラグランジュおよびエタンデュの値は系を通じて等しくなる。整合されていないまたは対称でない光学系では、エタンデュは系を通じて光を許容する最も小さい値である。図１Ａの特定の例では、出力光ビームが必要な大きさの二倍となるためエタンデュの整合が比較的悪い。２つの緑色ＬＥＤ１２ｇサイズの領域を有する同一光路上で３色それぞれの光を重ね合わせれば有利であろう。

エタンデュおよびラグランジュ不変量は、直感的な原理を定量化する方法を提供する。すなわちあるサイズの領域からは限られた量の光しか供給することができない。放射領域が小さくなると、同等の輝度を保つために放射光の角度は大きくなる。

より大きな角度で照明を処理する必要が生じると、さらに複雑となりコストも増加することになる。Cobb他への特許文献１、題名「テレセントリック光学を用いた投影装置（Projection Apparatus Using Telecentric Optics）」、Cobbへの特許文献２、題名「空間光変調器を用いた投影装置（Projection Apparatus Using Spatial Light Modulator）」、およびCobb他への特許文献３、題名「リレーレンズおよびダイクロイック合成器を有する空間光変調器を用いた投影装置（Projection Apparatus Using Spatial Light Modulator with Relay Lens and Dichroic Combiner）」には、高密度のＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon；シリコン上液晶）装置に対し、この問題に対する取組みが記されている。これらの特許では、必要な光を得るために空間光変調器において高い開口数を使用し、一方で系の他の部分における角度に関する要求を減少させる電子投影装置の設計について開示している。

ディスプレイおよび投影装置では、空間光変調器（ＳＬＭ）のエタンデュをできるだけしっかりと整合させることが最も望ましい。原則として、エタンデュが増加すると光学設計がより複雑になりコストがかかる。例えば、図１Ａの部品配列を用いる投影機において、光学系のレンズ部品は大きなエタンデュに合わせて設計されなければならない。

これまで、エタンデュを低減するためにＬＥＤ光源を有する積分ロッドを用いた、いくつかの解決策が提案されている。例えば、Peterson他への特許文献４、題名「多色光源光路を共通の積分トンネルを通して合成する方法および装置（Method and Apparatus for Combining Light Paths of Multiple Colored Light Sources Through a Common Integration Tunnel）」には、複数のＬＥＤから積分トンネルを通して光を導く照明配列について記述されている。Peterson他への特許文献４には、複数のＬＥＤ光源から単一積分器素子に光を導く種々の実施形態が記述されている。しかし、提案されたこれらの解決策は全て出射光のエタンデュを増加させる傾向にあり、別の問題を有していると言える。例えば、特許文献４（特許文献４の図６）で提案され、カリフォルニア州サンタ・ローザ、ブックハム・ディスプレイ・プロダクツ（Bookham Display Products）のＺｏｒｏＬｉｇｈｔ（商標）ＬＥＤマルチプレクサのような照明機器に利用された一解決策は、非効率を招きエタンデュを増加させる種々の問題を呈している。図１Ｂおよび１Ｃに、こういった問題のいくつかがどのように発生するかを示す。図１Ｂの積分ロッド３４は固体透明材料で形成された導光体である。緑色ＬＥＤ１２ｇは積分ロッド３４の一端へと光を導き入れる。青色ＬＥＤ１２ｂは光を側面から積分ロッド３４へと導き入れる。この青色光は、ＬＥＤ１２ｇからの緑色光を透過させＬＥＤ１２ｂからの青色光を反射することにより光路を折り重ねる、積分ロッド３４内部のダイクロイック面１８で反射される。青色ＬＥＤの好ましい光路は実線で示されており、積分ロッド３４の内面で反射された後、積分ロッド３４の右から出射される。光損失分は符号３８ａの点線により示されており、積分ロッド３４から斜めに出射される。この光損失分は、ダイクロイック面１８から完全に外れてしまった光、あるいは、特に高入射角で少なくともいくらかの光漏れを一般に呈するダイクロイック面１８の不完全な性能のいずれかに起因する可能性がある。

図１Ｃは、反射性の内部コーティングを有した中空のライトトンネルである積分ロッド３４に関連した設計における、固有の問題点を示したものである。ダイクロイック面１８で反射された一部の光は、意図された通り、実線で示されたように積分ロッド３４の右から出射されるが、ダイクロイック面１８で適正に反射されなかった光は、非常に高角度で反射して符号３８ｂの点線で示されるように非常に高角度で積分ロッド３４から出射される。この高角度の光により、照明系のエタンデュは著しく増加する。

全体のエタンデュを減少させるための一解決策は、異なる色のＬＥＤ光源を同じ光路に合成することである。図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃに、ＬＥＤ光源から多色光または「白色」光を形成するために色光路を合成する、すなわち色を合成する、ダイクロイック面の種々の配列を使用した従来の手法を示す。図２Ａは、ダイクロイックコーティングを有し、４つの角度を有したプリズムから形成されたＸ−ｃｕｂｅすなわちＸ−プリズム１０を示したものであり、例えば、Soneharaへの特許文献５、題名「投影式ディスプレイ装置に使用するためのダイクロイック光学素子（Dichroic Optical Elements for Use in a Projection Type Display Apparatus）」に述べられているように作製される。Ｘ−プリズム１０は、赤色ＬＥＤ１２ｒ、緑色ＬＥＤ１２ｇ、および青色ＬＥＤ１２ｂからの光を光軸Ｏ上へ導くように処理された、交差したダイクロイック面１４ａおよび１４ｂを装備している。各光源のおおよその光路は、図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃに点線で示されている。実際には、各ＬＥＤ１２ｒ、１２ｇおよび１２ｂは円錐状の光を出射し、この円錐状の光はこれらの機構各々によって一光路上に合成される。Ｘ−ｃｕｂｅすなわちＸ−プリズムを採用した色合成および色分解部品の例は多数あり、例えば、Doany他への特許文献６、題名「投影ディスプレイのコントラストを改善する変形Ｘ−Ｃｕｂｅ配列（Modified X-Cube Arrangement for Improved Contrast Projection Display）」、およびOkuyamaへの特許文献７、題名「交差ダイクロイックプリズム（Cross Dichroic Prism）」が挙げられる。

従来の別の色合成器、フィリップスプリズム２０が図２Ｂに示されている。フィリップスプリズム組立部品はデジタル投影技術の当業者には公知であり、その使用については、例えば、Stoffels他への特許文献８、題名「色分離プリズム組立部品（Color Splitting Prism Assembly）」、およびBryars他への特許文献９、題名「色分解プリズム組立部品およびこれを作る方法（Color Separation Prism Assembly And Method For Making Same）」など多くの特許に記述されている。フィリップスプリズムはこれまで、例えば、特許文献１０および特許文献１１（共にTadic-Galeb他）、特許文献１２（Marshall）および特許文献１３（Doany他）などに開示されているような投影機の設計において、色分解部品または結合部品として採用されている。

つまり、フィリップスプリズム組立部品は２つの三角形プリズム２２および２４と、略矩形の１つのプリズム２６を有する組立部品を含む。２つの三角形プリズム２２および２４の間には空隙２８が存在する。矩形プリズム素子は、１つの三角形プリズム２４の、空隙２８に位置するプリズム２４の面と対向する面と光学的に結合する。ダイクロイック面１４ａおよび１４ｂは、２つの三角形プリズム２２および２４それぞれの一面上に被覆されている。この配列により、赤色ＬＥＤ１２ｒからの光は、プリズム２４の第１面に入射した後、第２面で全反射（ＴＩＲ）により反射される。これにより光はダイクロイック面１４ａへと導かれ、赤色光は光軸Ｏ上へと反射される。青色ＬＥＤ１２ｂからの光は同様に、プリズム２２内を反射する。ＬＥＤ１２ｇからの緑色光は、ダイクロイック面１４ａおよび１２ｂを透過する。

３種類目の色合成器は、図２Ｃに示すように、角度を成したダイクロイック面１４ａおよび１４ｂを使用して光を合成し、合成された多色光を共通の光軸Ｏの向きに沿って導く。面１４ａおよび１４ｂはプリズム構造の中に入れてもよいし、空気中に置いてもよい。この配列を用いた色合成器の一例は、角度を成すダイクロイック面を用いたＶ−プリズム合成器について述べているCobb他への特許文献３、題名「リレーレンズおよびダイクロイック合成器を有する空間光変調器を用いた投影装置（Projection Apparatus Using Spatial Light Modulator with Relay Lens and Dichroic Combiner）」に記述されている。

従来、図２Ａ〜２Ｃの基本配列にならって解決策として作られたものは、これまで種々のデジタルディスプレイや投影機器にいくらかの成功の目安を持って提供されている。しかし、１２０度にもなり得るＬＥＤの比較的大きな放射角度と、ダイクロイック面固有の特性に起因して、各解決策には色光路の合成に使用されるときに性能を制限してしまうという欠点がある。Cobb他への特許文献３に詳細に記述されているが、ダイクロイック面のスペクトル性能は入射光の角度が増すにつれて低下する。入射角が大きいと偏光効果が発生し、その結果異なる偏光の光量は同じ角度でも均一に反射されない。このことにより、ダイクロイック面で反射された、あるいはこれを透過した光線に色ずれが起きる可能性があり、またその光のいくらかを損失する可能性もある。Ｘ−プリズム１０設計は非常に偏光感度が高く、フィリップスプリズム２０機構は偏光感度がいくぶん低い。図２Ｂのフィリップスプリズムによる解決策は、ダイクロイック面上の光の入射角を小さくすることにより、このような角度および偏光感度の影響を低減させるように配列されている。しかし、この改良は、コスト、サイズ、および複雑さの増加という犠牲を払うことになる。

図２ＡのＸ−ｃｕｂｅ１０の解決策および図２Ｂのフィリップスプリズム２０の解決策は比較的製造コストがかかる。一般に、プリズム部品や光学コーティングは製造コストが高い。すなわち、これらの機構においては、プリズムを正確に形成し、その後適確に結合して１つの組立部品を形成しなければならない。個々のプリズム素子は、各色を軸上に導くため、狭い公差範囲内で作る必要がある。組立方法によるものであるか、あるいは個々のプリズム素子の公差変動によるものであるかに関わらず、プリズム組立部品に誤差が生じると欠陥部品となり、コーティングおよび部品の価値は失われる。Ｘ−プリズム１０は特に公差の問題に弱く、これは適切なダイクロイックコーティングが施された４つのプリズムの隣接面を適正角度で配置し結合することが要求されるためである。

図２Ａから２Ｃに示した色合成器の各配列を投影機の照明として使用するためには、その光出力を光積分器によってさらに調整する必要がある。光源に電圧が繰返し加えられると、光積分器は「均等化装置（uniformizer）」としての役目を果たし、つまり空間的均一性を実現する。光源が多色光あるいは「白色」光を生成するよう合成される場合、光積分器は一般に均質化（homogenization）と称されるようにさらにこの光を混合し、その結果合成された多色光は、その照明ビームのあらゆるポイントにおいて各色との間で実質的に等しい均一性を有した均一な白色光として利用することができる。ダイクロイック面を用いてあらかじめ色を合成すると、図２Ａ〜２Ｃを参照して述べたように、性能要求、コスト、および積分器素子のサイズを最小限に抑えるために少なくとも役立つ。

米国特許第6,758,565号明細書 米国特許第6,808,269号明細書 米国特許第6,676,260号明細書 米国特許第6,956,701号明細書 米国特許第5,098,183号明細書 米国特許第6,019,474号明細書 米国特許第6,327,092号明細書 米国特許第4,084,180号明細書 米国特許第6,144,498号明細書 米国特許第6,280,035号明細書 米国特許第6,172,813号明細書 米国特許第6,262,851号明細書 米国特許第5,621,486号明細書

このように、ＬＥＤおよび関連する固体光源は、高輝度投影機用照明装置として期待できる一方で、未だ相当の改善の余地があることがわかるであろう。望ましくない色ずれ、偏光に関する制約、効率の低下、および低エタンデュ整合のような従来の照明手法に関わる問題は、高輝度レベルが必要とされる場合にこの固体光源を活用するために、解決しなければならない。

本発明は、固体光源を用いた照明技術を前進させることを目的とするものである。この目的を念頭に置いて、本発明は、共通開口を共有する第１および第２の集光光学系を備えた照明装置であって、第１の集光光学系が、
第１スペクトル帯を有する第１固体光源と、
第１固体光源から離れて配置され、第１スペクトル帯を、第１光路に沿って共通開口から出射するように反射し、かつ第１スペクトル帯以外の光を通過させるよう処理される、第１湾曲面と
を有し、
第２の集光光学系が、
第２スペクトル帯を有する第２固体光源と、
第１および第２光源に対して第１湾曲面の後方に配置され、第２スペクトル帯を、第２光路に沿って共通開口から出射するように反射するよう処理される、第２湾曲面と
を有することを特徴とする照明装置を提供する。

本発明は、ＬＥＤ光源からの光を低入射角で受け取るために、適切に湾曲した１つ以上のダイクロイック面を用いる色合成器を提供することを特徴とする。

本発明の長所は、ＬＥＤを用いて高輝度照明を実現する小型装置を提供することにある。

本発明のさらなる長所は、偏光要件を減少させる色光路合成および色混合の解決策を提供することであり、このため、いかなる偏光状態にある光も同じ効率で処理することができる。

本発明に関するこれらおよび他の目的、特徴および長所は、本発明の実施形態を図示および説明する図面と併せて以下の詳細な記述が読まれたときに、当業者には明らかになるであろう。

単一の棒状積分器（integrator bar；インテグレータ・バー）を用いた色混合を示す透視図 ２つの固体光源を用いた固体積分棒の側面図 ２つの固体光源を用いた中空の積分棒の側面図 ＬＥＤ光源の色を混合するためのＸプリズムの使用形態を示す概略ブロック図 ＬＥＤ光源の色を混合するためのフィリップスプリズムの使用形態を示す概略ブロック図 ＬＥＤ光源の色を混合するための、角度を有したダイクロイック面の使用形態を示す概略ブロック図 一実施の形態におけるＬＥＤ光源を示す斜視図 楕円形ミラーの焦点特性を示す図 一実施の形態における照明装置の光路を示す側面断面図 図５Ａの実施形態における一方の光源からの光の光路を示す図 図５Ａの実施形態における別の光源からの光の光路を示す図 図４の照明装置を示す斜視図 対向する放物面ミラーを用いた照明装置の光路を示す側面断面図 図７Ａの実施形態における一方の光源からの光の光路を示す図 図７Ａの実施形態における別の光源からの光の光路を示す図 反射率に対するバンドパス特性曲線を示すグラフ 放物面ミラーの作用を示す断面図 放物面ミラーの作用を示す断面図 本発明の一実施の形態における照明装置を用いたディスプレイ装置の概略ブロック図 本発明の別の実施の形態における照明装置を用いたディスプレイ装置の概略ブロック図

本記述において参照する図は、本発明による装置の一般的構想や重要な構造および部品を説明するものである。これらの図は、縮尺に配慮して描かれたものではなく、また、明瞭にするために寸法、比率、および部品の相対的配置が誇張されているかもしれない。本書に記述されているスペクトル帯は例示目的で与えられ、これに限定されるものではない。具体的に図示または記述されていない要素は、当業者に公知の種々の形態をとることができることを理解されたい。

周知のように、特定の光学系による光の分配はその全体の形状に依存する。例えば、完全に回転対称の放物面反射器は、理想的に光を「フォーカル・ポイント（焦点；focal point）」へと導くであろう。しかし、光学部品製造の当業者にはよく知られていることであるが、実際に実現できるのはこの理想的な形状に適度に近似したものに限られ、完全なるフォーカル・ポイントを得ることは不可能であり、また効率的な光の集束に必要なものでもない。このため、理想的な「フォーカル・ポイント」という専門用語を用いる代わりに、本発明における記述および請求範囲では、光を集束する光学部品に対しては、最も大きく光が集中する空間領域を示し、放射光の方向を変更するまたは平行光とする光学部品に対しては、所望の方向変更または平行光を達成するために光源が最も適切に配置される空間領域を示すための用語として、より一般的な「焦点領域（focal region）」や単に「焦点（focus）」という用語を採用する。

本発明の装置および方法では、その対応する光源に対して凹状を呈する湾曲面を用いる。本開示の文脈において「対向する曲面」とは、単に互いに対面する２つの凹状反射面を示す。一方の面が正の曲率（一般に曲率中心がその面の右側に位置する場合）を有し、他方の面が負の曲率（曲率中心がその面の左側に位置する場合）を有していると言えるかもしれない。

本発明の文脈において「光学的集光器（optical condenser）」や「集光光学系（optical condenser system）」という用語は、従来より画像技術において使用されていた意味合いを有する。すなわち、光学的集光器や集光光学系とは、光源から光を集めて物体や、例えば投影レンズなどの画像システムへとその光を導く、１つ以上の屈折または反射光学素子を含む組合せである。本発明の装置および方法では一対の集光光学系を採用するが、これらの系は互いに対称的ではなく、かつその光路は略重複する可能性がある。また、これらの系は、それぞれ別個の光源を有して提供され、さらに出射する光が導かれる共通開口を共有するように配置される。

本発明の装置および方法は、ダイクロイック面を用いて色光を合成する従来の解決策を使用したときに直面する、いくつもの問題を最小限に抑える。高入射角でのダイクロイック応答が悪いことによりもたらされる固有の問題を低減するため、本発明では、所定のスペクトル領域の光を導く湾曲したダイクロイック面を装備する。この結果、表面の湾曲により、光源となる照明の入射角が小さくなる。同時に、湾曲したダイクロイック面が光を焦点領域すなわち焦点に向けて集束し、それにより照明装置のエタンデュを、投影またはディスプレイ装置の他の部品に適切に整合させることができる。

本書で使用されているように、「固体光源」という用語の意味は照明技術の分野では十分理解されており、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ポリマー発光ダイオード（ＰＬＥＤ）、および無機または有機の半導体材料と光を発生させるための原理とを採用した類似の光源などのデバイスが挙げられる。高輝度用途のもので特に興味深いのは、マサチューセッツ州ダンバース、オスラム・シルバニア社（OSRAM Sylvania Incorporated）のＯｓｔａｒ（登録商標）ＬＥＤデバイスのような高ルーメン出力ＬＥＤである。図３は、カリフォルニア州アーバイン、サムスン・エレクトロニクス・アメリカ社（Samsung Electronics America, Inc.）のＳＰ−Ｐ３００ＭＥプロジェクタのような、携帯用すなわちミニプロジェクタに一般に使用される設計のＬＥＤモジュール５０を示している。ＬＥＤモジュール５０は、プリント回路（ＰＣ）基板５６上に装備された種々のサポート電気回路や実装部品に加えて、電気コネクタ５２およびＬＥＤパッケージ５４を有する。典型的な一実施形態において、ＬＥＤパッケージ５４は低背形状を呈し、例えば２つの緑色ＬＥＤ、１つの赤色ＬＥＤ、および１つの青色ＬＥＤなどの４つの単色ＬＥＤから構成される。４つの同色ＬＥＤを用いるなど他のＬＥＤ配列とすることも可能であり、次に述べる本発明の実施形態には適しているかもしれない。一般にＬＥＤパッケージ５４は、光をモジュールから外に向かって導くためにサポートする光学部品を有する。

本発明の実施形態は、まず幾何光学の簡単な原理を復習することによって最も理解することができる。図４は球状反射面４２の特性を示したものである。曲率中心Ｃから片側に一定距離離れた点Ｑは、Ｃから同じ距離に位置する点Ｑ´に映し出される。光源がＱにある場合、例えば、その光源の像はＱ´となる。楕円反射面の理想事例では、収差なしに第１焦点の点は第２焦点に映し出される。

図４の一般的な原理を用いると、湾曲反射面は、その形状が球状、楕円状または放物面状のいずれであるかに関わらず、第１の位置に配置された物体の像を第２の位置に結像するように配置することができる。図４に示した球状の反射器の観点から、本発明ではＬＥＤ光源を点Ｑに配置し、点Ｑ´に光源の像を映し出すようにしてこの焦点特性を利用する。第２湾曲反射面と対になる第１湾曲ダイクロイック面の選択的な形状および処理により、異なる色の光源からの光を単一開口へと導くために本発明ではこの原理を適合させる。

図５Ａは本発明の一実施の形態における照明装置６０を示している。照明装置６０は、２つの集光光学系４４ａおよび４４ｂの組合せを使用している。各集光光学系４４ａおよび４４ｂそれぞれにおいて、光源からの光は、図３を参照して説明したデバイスにそれぞれ類似した２つのＬＥＤモジュール５０ａおよび５０ｂの一方から供給されている。図５Ｂに光路をより明確に示しているが、集光光学系４４ｂのＬＥＤモジュール５０ｂは、第１湾曲反射面６２の曲率中心Ｃ_６２の片側に配置されたＬＥＤパッケージ５４ｂを有する。曲率中心Ｃ_６２はＬＥＤパッケージ５４ｂと開口６６の略中間に位置する。図５Ｃに光路をより明確に示しているが、集光光学系４４ａのＬＥＤモジュール５０ａは、第２湾曲反射面６４の曲率中心Ｃ_６４の片側に配置されたＬＥＤパッケージ５４ａを有する。光源、つまりここではＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂの一方あるいは両方に対して、第２湾曲反射面６４は第１湾曲反射面６２の後方にあるとみなされる。曲率中心Ｃ_６４はＬＥＤパッケージ５４ａと開口６６の略中間に位置する。湾曲面６２および６４の光軸Ｏ_６２およびＯ_６４は同一線上に存在しない。

この配列が与えられると、図５Ａ〜５Ｃの照明装置６０は共通の開口６６を共有するように２つの集光光学系を組み合わせる。図示の実施形態による集光光学系４４ａにおいて、ＬＥＤパッケージ５４ａは図５Ｃに示される光路に従って緑色光を放射する。他方の集光光学系４４ｂにおいて、ＬＥＤモジュール５０ｂ上のＬＥＤパッケージ５４ｂは、図５Ｂに示される光路に従って赤色および青色光を放射する。両ＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂから放射された光は、ダイクロイックコーティングが施された第１反射湾曲面６２に向かって進む。このダイクロイックコーティングは、反射面６２が一種のバンドパスフィルタとして働くよう部分的に調整されており、緑色スペクトル帯を透過すなわち通過させ、この帯域外の光を反射する。

図８のグラフは、この種のバンドパス作用の反射率のカーブ７０を示している。ここで、緑色の中心波長（通常約５２５ｎｍ）付近のスペクトル帯に対する反射率は非常に低く、このため緑色光のほとんどはダイクロイック面を透過する。

図５Ｂの集光光学系４４ｂに戻るが、赤色（通常中心は６２５ｎｍ付近）や青色（通常中心は４６４ｎｍ付近）のような緑色バンドパスの領域外の他の波長の光は、第１反射湾曲面６２をほとんど透過せずに反射される。この赤色および青色の反射光は集束され、ＬＥＤモジュール５０ａと５０ｂとの間に位置する共有の開口６６から出射する光路に沿って導かれる。図６の斜視図は、ＬＥＤモジュール５０ａおよび５０ｂに対する共通開口６６の相対的位置をより明確に詳しく示している。図６では、照明装置６０が固体であること、すなわち、合成された光の波長においては実質的に透明な誘電体で満たされていることに留意されたい。積分器素子６８や棒状積分器のような任意の光ホモジナイザ（homogenizer）は、開口６６から放射された光を均質にする、すなわち均一化するために装備される。本発明の文脈において「均等化装置」、「ホモジナイザ」、および「積分器素子」という用語は交換可能に使用される。

図５Ｃが最もよく示しているが、第２の反射湾曲面６４は、第１湾曲面６２を透過した入射光、すなわち、この典型的な実施形態では緑色スペクトル帯に対し、略球状のミラーとしての役目を果たす。第２湾曲反射面６４は、この緑色光を集束し、同様に共通開口６６にある出口方向へと通じる光路に沿ってその光を導く。結果として、両ＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂからの集束された光は、共通開口６６から出射するときに合成される。

図５Ａ〜５Ｃの実施形態に対するいくつかの所見は特に有益である。

（i）各集光光学系４４ａおよび４４ｂにおいて、各反射湾曲面（６２および６４）に対する各曲率中心（Ｃ_６２およびＣ_６４）は、その対応するＬＥＤパッケージ（それぞれ５４ｂおよび５４ａに対応）と、これらの光源を含む平面上に位置する共有の開口６６との略中間に位置する。図４を参照して説明したように、光源を開口に映し出すためにこの配列が用いられる。

（ii）曲率中心Ｃ_６２およびＣ_６４と、光源すなわちＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂは、全て実質的に共通開口６６を含む同じ平面内に位置している。曲率中心Ｃ_６２およびＣ_６４の位置は同一ではない。

（iii）各光路において、光源から反射湾曲面６２および６４への入射光は、標準的なものよりも比較的低角度になっている。前述の背景技術の説明において強調したように、低角度入射によってダイクロイック性能は良好となり、スペクトル分離が改善されるため有利である。

（iv）積分器素子６８や他の光均等化装置すなわちホモジナイザからの光出力は、均一に混合され、単一光源ＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂのいずれのエタンデュよりもごくわずかに大きいエタンデュとなり得る。ホモジナイザや積分器素子６８に入る、それぞれの光源からの像の間にわずかな角度差があるため、合成された出力光のエタンデュはいくらか増加するはずである。この角度差は、湾曲面６２および６４の半径を大きくすることによって減少させることができるが、厚さおよび直径の増加という犠牲を払うことになる。

両ＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂからの光は、反射されて共通開口６６に到達したときに集束される。積分器素子６８は、良好な色混合および均一性を実現する光ホモジナイザとして開口６６あるいはその近傍に設置される。積分器素子６８の形状はまっすぐでもよいし、図５Ａに示すようにテーパ状でもよい。様々な種類の積分器素子６８が使用可能であり、例えば棒状積分器、フライアイ小型レンズアレイや類似の光学素子、中空のライトパイプやライトトンネル、複合放物面集光器、１つ以上のレンズ、ミラー、拡散器または他の素子が挙げられる。

テーパ形状の積分器素子６８は、前述したようなエタンデュの分配を変えるために有益である。各色からの光は積分器素子６８の出口面で空間的に均一となる。

図７Ａは、照明装置６０の別の実施形態を示したものである。照明装置６０は、図５Ａの実施形態と類似の原理を利用しており、開口６６を共有する第１および第２の集光光学系４４ａおよび４４ｂを同じように有しているが、ここでは対向した放物面反射器の配列を各光路内で使用している。この配列がどのように機能するかを理解するためには、放物面反射器の有用な特性をいくつか復習することが有益である。図９Ａを参照すると、軸Ａを有する放物面ミラー８０ａの焦点Ｆ１に光源８２が配置されている。それゆえに、光源８２から放射された光は軸Ａに平行な方向に反射される。図９Ｂは、軸Ａに平行な入射光と共に放物面ミラー８０ｂを示している。ここで、軸に平行（オンアクシス；on-axis）な入射光はその焦点Ｆ２に導かれる。

「パラボリック・ウォク（放物状中華鍋；parabolic wok）」など種々の名前で知られる公知の光学的錯覚用機器は、図９Ａおよび９Ｂを参照して説明した基本原理を合成することで動作する。この機器は、対向する曲面を有し同じ軸を共有する２つの放物面ミラーを一緒にして杯状とし、機器にその特徴的な鍋形状を付与する。上方ミラーはその頂点に開口を有する。下方ミラーの頂点に配置された物体は、この組合せによって映し出され、対面に配置された上方ミラーの開口の空間に浮かんでいるように見える。もちろん、この種の配列は、それ自身が照明装置に明らかな恩恵を与えるわけではないが、図７Ａの実施形態において使用された原理の一つが説明できる。

図７Ａの照明装置６０を参照すると、対向する放物面反射器は、対になって第１および第２の集光光学系４４ａおよび４４ｂを形成し、そして２以上の固体光源から得た光を、照明を提供する同一光路上へと合成する新規の手法に採用される。図５Ａを参照して説明した照明装置６０の実施形態と比べると、ここでは第１および第２のＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂは、開口６６に対向した、後反射湾曲面７２の頂点近傍に配置される。反射湾曲面７２は好ましくは放物面であり、他の２つの湾曲面それぞれと対になって第１および第２の集光光学系４４ａおよび４４ｂそれぞれの光路内に位置している。ここで、ダイクロイック湾曲面７４は、ＬＥＤパッケージ５４ｂの近傍に位置する焦点Ｆ_７４を有する。反射湾曲面７６は、ＬＥＤパッケージ５４ａの近傍に位置し焦点Ｆ_７４と同心ではない焦点Ｆ_７６を有する。両湾曲面７４および７６は放物面であることが好ましい。光源であるＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂの一方または両方に対して、反射湾曲面７６はダイクロイック湾曲面７４の後方にあるとみなされる。ダイクロイック湾曲面７４は、ＬＥＤパッケージ５４ｂからの光のあるスペクトル帯を反射し、このスペクトル帯以外の光を通過すなわち透過させるように処理される。湾曲面７６は、この反射されたスペクトル帯以外の光、すなわちダイクロイック湾曲面７４を通過した光を反射する。

図５Ａの照明装置６０全体の配列とほぼ同様に、図７Ａの照明装置６０は共通開口６６を共有する２つの集光光学系４４ａおよび４４ｂを組み合わせたものである。各系の作用を、それぞれ図７Ｂおよび７Ｃを参照して説明する。図７Ｂは、軸Ａ_７２を有する凹状反射湾曲面７２と、対向した曲面を備え、軸Ａ_７６を有する凹状湾曲面７６との組合せを使用した１つの集光光学系４４ａを示している。軸Ａ_７２およびＡ_７６は同一線上にはなく、放物面の実施形態においては平行でも平行でなくてもよい。ＬＥＤパッケージ５４ａは軸Ａ_７６に沿って凹状反射湾曲面７２の頂点近傍に配置される。凹状湾曲面７４および７６の凹面は、凹状反射湾曲面７２の凹面に対向する。

この配置が与えられると、ＬＥＤパッケージ５４ａからの光はダイクロイック湾曲面７４を通過し、湾曲面７６によって反射され平行光となる。反射湾曲面７２の軸Ａ_７２に略平行なこの平行光は、その後、反射湾曲面７２により焦点Ｆ_７２へと集光光学系４４ａの光路に沿って向きが変わり、先ほど説明した公知の放物面反射器の原理に従って開口６６から出射する。

図７Ｃは、ＬＥＤパッケージ５４ｂからの光を導くための他の集光光学系４４ｂの作用を示している。ＬＥＤパッケージ５４ｂは、軸Ａ_７４に沿って反射湾曲面７２の頂点近傍に配置される。この配置が与えられると、ＬＥＤパッケージ５４ｂからの光はダイクロイック湾曲面７４によって反射され平行光となる。反射湾曲面７２の軸Ａ_７２に略平行なこの平行光もまた、その後、先ほど説明した同様の放物面反射器の原理に従って、反射湾曲面７２により開口６６に位置する焦点Ｆ_７２方向へと集光光学系４４ｂの光路に沿って向きが変わる。このようにして、図７Ａにおいて組み合わされた集光光学系に対し示したように、両ＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂからの光は合成され、すなわち、これらの光路は光積分器素子６８の入力面と略同じ位置にある共通開口６６で効率的に重ね合わせられる。

図７Ａの実施形態に対するいくつかの所見は特に有益である。

（i）３つの湾曲面７２，７４および７６は全て、理想的な放物面に最も近いときに最もよく作用する。面の形状が理想形から外れると、それに応じて性能は低下する。

（ii）積分器素子６８から出射した光は均一に混合され、単一光源５４ａおよび５４ｂのいずれのエタンデュよりもごくわずかに大きいエタンデュとなり得る。

（iii）この実施形態では、ＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂを、間隔を空けてすぐ近くに一緒に設置してもよく、それぞれ対応する反射面の焦点に最も近い位置となるように装備される。

（iv）湾曲面７２は、スペクトルの分離は行わずに単に両光学系に共通する再導光器としての役目を果たし、両集光光学系４４ａおよび４４ｂの光路に沿って位置している。

これまで強調してきたように、この実施形態では各湾曲反射面の形状ができる限り略対照的な放物面となったときに最良の結果が得られる。一方、これらの湾曲反射面を互いに対して正確に位置決めするためには、ごく微量の非対称性が必要となる。例えば、理想的には軸Ａ_７２，Ａ_７４およびＡ_７６は同一線上ではなく、少なくとも平行に近いことが必要とされる。このことは、本実施形態において、ダイクロイック湾曲面７４および反射湾曲面７６が、互いに対して光学的に偏心されていてかつ軸Ａ_７４または軸Ａ_７６のどちらも軸Ａ_７２と同一線上にはない状態でなければならないことを意味する。軸Ａ_７４およびＡ_７６はそれぞれ、ＬＥＤパッケージ５４ａまたは５４ｂのいずれか一方の中心に置かれているので、これらの軸が同一線上にどの程度まで近づくことができるのかについては、ＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂの相対的サイズにより間接的に決定される。これらのＬＥＤデバイスは、反射湾曲面７２の頂点近傍で互いに隣接させてもよいし、互いに多少の距離を空けて離して設置してもよい。

図５Ａおよび図７Ａの両実施形態において、光源と一対の湾曲反射面との間の空間は可視光に対して透明な誘電性材料で満たされている。光源のＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂは、例えばエポキシ樹脂などにより埋め込まれ、または接合され、誘電性材料と光学的に接触することが好ましい。光学的に接触することでフレネル反射を低減することができ、光の放射角の制御が改善され、結果的に光の収集状態が改善される。

図５Ａおよび図７Ａの両実施形態では、２以上の光学的に偏心された凹状反射面を用いて、２以上の光源からの光が共通開口から出射するよう導かれる。光源に最も近い凹状面は、少なくとも１つのスペクトル帯に亘る光を反射し他の光を透過すなわち通過させるように処理されるダイクロイック面である。図５Ａの実施形態では、開口６６は光源間に位置している。図７Ａの実施形態では、開口６６はこれらの凹状反射面の頂点に位置している。どちらの構造でも、ダイクロイック面で反射されなかった光はダイクロイック面を反対方向に２回透過する。

偏心され、かつダイクロイック面として処理された湾曲反射面を用いる一般的な方法は、図示の照明装置６０の実施形態を超えてさらに発展させ得ることがわかっている。例えば、図５Ａの実施形態または図７Ａの実施形態のいずれも、第３のＬＥＤパッケージおよび第３の反射面が追加され、それにより最初の２つの集光光学系４４ａおよび４４ｂと同じように共通開口を共有する第３集光光学系が形成されるかもしれない。このときは、２以上の湾曲反射面がダイクロイック面となるであろう。例えば図６に関して、第３のＬＥＤパッケージは開口６６のどちら側に加えてもよく、すなわち３つのＬＥＤパッケージが開口６６の周りの同一平面上に、ある他の手法で、例えば互いに１２０度の間隔を空けて配列されるかもしれない。

「焦点領域近傍」、「焦点で」、「焦点領域で」または「頂点近傍」などの表現に関しては、ある程度の許容範囲が許されるべきであることは光学設計の当業者には認知されている。本発明のこの教示で使用された原理に従って正確になされた位置決めには、実際の光学機械的な公差によって多少のばらつきは許される。また、デバイス自体の寸法には若干の制約が課せられる。前述したように、種々の実施形態における焦点コリメーションには、正確な球状または放物面形状を成す反射面が理想的である。しかし、実際に実現できるのは球状または放物面形状に近似の形状のみであり、本発明の技術を適用して許容できる結果を得るにはこの近似形状で十分である。

ダイクロイック応答は不完全であるため、高性能のダイクロイック面であっても必然的にある程度のスペクトル混成が存在することがわかっている。以上に示した任意の実施形態は、用途の要求に最も合うようにスペクトル帯を決定し最適化することができる。さらに、本書に記述した実施形態では１つのダイクロイック面を採用しているが、より一般に「反射面」として参照された他の面に、銀メッキ反射器あるいは他の従来のミラーコーティングに代わる高効率の代替手段となるダイクロイックコーティングが施されるかもしれないことに留意されたい。

また、図５Ａおよび図７Ａの実施形態には、ある程度のコマ（coma）が表れていることがわかる。これは開口６６からの出力ビームの断面輪郭を若干歪ませる影響がある。しかし投影機用途においては、ＳＬＭ自体は一般に長方形の縦横比で光を要求する。このため、光変調器およびそれに続く投影光学素子の縦横比と一致するときには、一方向に延びた光は投影装置において実用的である。

図１０および図１１は、本発明の照明装置６０を用いた変調光を供給するディスプレイ装置１２０を形成する、代替部品配列を示したものである。照明装置６０からの光は、例えば棒状積分器、フライアイレンズアレイ、あるいは他の光均一性を改善し必要であれば色混合をも改善する部品のような光均等化装置すなわちホモジナイザ１２２へと導かれる。光はその後、視野レンズ１２４または他の光学アセンブリにより空間光変調器（ＳＬＭ）１２６へと導かれるが、このＳＬＭはデジタル・マイクロミラー・デバイスや液晶ディスプレイ機器または他の変調器でもよい。変調された光はその後、ディスプレイ面に投影するために投影レンズ１３０の瞳に供給される。

図１１の実施形態において、任意のコリメートレンズ１２８は、光を例えばニューヨーク州ロチェスター、ＲＰＣフォトニクス社（RPC Photonics Inc.）製のEngineered Diffuser（商標）のような拡散器１３２へと導く。図１０または１１の実施形態のいずれかにおいて、本発明の照明装置６０は一度に単色を供給するように使用されることもあるため、ＳＬＭ１２６は電子ディスプレイ技術の当業者に公知のカラーシーケンシャル方式で動作する。あるいは、例えば液晶ＳＬＭとともにカラーフィルタアレイを用いるときのように、多色光や白色光が変調用に供給されるかもしれない。

背景技術の章において前述した従来の色混合方法とは異なり、本発明の照明装置は偏光感度が比較的低い。このため、発生した光をある種の光変調器、例えばデジタル・マイクロミラーや類似の機器などで直接使用することができる。液晶機器（ＬＣＤ）型ＳＬＭの場合には、偏光を調整するため偏光部品が必要となるであろう。

ＬＥＤパッケージ５４ａおよび５４ｂからの光を効率的に重ね合わせることにより、本発明の照明装置は、色照明ビームの小さいエタンデュを維持しながら別々の光源からの光路を合成する。小さいエタンデュの実現は、小型のＳＬＭと共に使用するのに有利であり、また従来の多くの光混合装置に勝る長所である。

本発明について、ここまで特定の好ましい実施形態を特に参照して詳細に説明してきたが、上述したような、また添付の請求範囲に記したような本発明の範囲内で、一般的な当業者により、本発明の範囲から逸脱することなく、変更および変形が達成可能であることを理解されたい。例えば、本発明の方法は高輝度用途を対象としているが、異なる色光の効果的な混合を必要とする他の用途にも本手法を使用することができるかもしれない。Ｒ，Ｇ，ＢのＬＥＤを使用する代わりに、異なる２色のＬＥＤのみを使用すること、または４色以上のＬＥＤを使用することも可能である。詳細な説明において記述したように、球状、楕円状、または放物面形状を用いたときに理想的な性能が得られるが、こういった湾曲面に近似する形状によって十分なレベルの性能を実現することもできる。

以上のように、本発明は固体光源からの光を合成するための照明装置および方法を説明するものである。

４４ａ、４４ｂ 集光光学系
５０ａ、５０ｂ ＬＥＤモジュール
５４ａ、５４ｂ ＬＥＤパッケージ
６０ 照明装置
６２ 第１湾曲反射面
６４ 第２湾曲反射面
６６ 開口
６８ 積分器素子
７２、７６ 反射湾曲面
７４ ダイクロイック湾曲面

Claims (10)

1. 共通開口を共有する第１および第２の集光光学系を備えた照明装置であって、
   前記第１の集光光学系が、
   第１スペクトル帯を有する第１固体光源と、
   前記第１固体光源から離れて配置され、前記第１スペクトル帯を、第１光路に沿って前記共通開口から出射するように反射し、かつ前記第１スペクトル帯以外の光を通過させるよう処理される、第１湾曲面と
   を有し、
   前記第２の集光光学系が、
   第２スペクトル帯を有する第２固体光源と、
   前記第１および第２光源に対して前記第１湾曲面の後方に配置され、前記第２スペクトル帯を、第２光路に沿って前記共通開口から出射するように反射するよう処理される、第２湾曲面と
   を有することを特徴とする照明装置。
2. 前記開口が、前記第１および第２の固体光源を含む平面上に位置することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記第１および第２の光路が、前記共通開口をその焦点に有する第３の湾曲面をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
4. 前記第１および第２の固体光源が、発光ダイオード、有機発光ダイオード、および高分子発光ダイオード、からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
5. 前記第１および第２の湾曲面のうち少なくとも一方がダイクロイック面であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
6. 前記共通開口から出射した光を処理するよう配置された光積分器素子をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
7. 前記光積分器素子が、小型レンズアレイ、フライアイ小型レンズアレイ、ライトトンネル、棒状積分器、ミラー、１つ以上のレンズ、複合放物面集光器、および拡散器、からなる群から選択されることを特徴とする請求項６記載の照明装置。
8. 前記共通開口から出射した光を変調するための光変調器をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
9. 前記第１湾曲面が、実質的に球状、楕円状、または放物面の形状を有することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
10. 照明を提供する方法であって、
    ａ）第１スペクトル帯を有する第１固体光源からの光を第１湾曲面へと導く工程、
    ｂ）第２スペクトル帯を有する第２固体光源からの光を前記第１湾曲面へと導く工程、
    ｃ）前記第１スペクトル帯の光を、第１光路に沿って共通開口から出射するように反射し、かつ前記第２スペクトル帯の光を、前記第１湾曲面に通過させる工程、および、
    ｄ）前記第２スペクトル帯の光を、第２湾曲面から逆戻りして第１湾曲面を通り第２光路に沿って前記共通開口から出射するように反射する工程、
    を含むことを特徴とする照明を提供する方法。

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