JP2011505599A - Ｌｅｄ配列及びダイクロイックウェッジを使用する小型投射装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、共通の基板上のＬＥＤの線形配列と、各ＬＥＤからの光をコリメートする共通のレンズ群と、各光源を、光を遠位表面に集光する集光手段に反射するダイクロイックコーティングを有する単一のダイクロイックウェッジとを有する画像投射装置に関する。したがって、画像投射装置は、携帯電話等のモバイル装置内により容易に収容されると共に、製造が単純且つ安価なより小さな光学パッケージを提供する。
【選択図】 図１ａ

Description

本発明は、小型投射装置に関し、特に、投射画像が、複数の光源及び各光線を別個に反射するように適合された表面を有するダイクロイックウェッジの使用により提供される装置であって、ウェッジの角度が、光線を制御して混合するのに役立つように調整可能な装置に関する。

画像投射装置は、長年にわたって知られており、２つの別個のカテゴリ：背面投射型及び前面投射型に分けられる。例えば、従来のテレビ受像器は背面投射装置である一方で、従来のシネマプロジェクタは前面投射装置である。現在既知のプロジェクタには、いくつかの問題及び制限がある。

これらのうちの最初のものは、すべての投射装置が、装置に内蔵される高度で複雑な光学エンジン及び電子構成要素を必要とすることである。往々にして、装置は、精密光学系が機能する必要があるＬＣＤ技術、ＤＬＰ技術、又は陰極線管技術を含む。複雑な光学エンジンはこれらプロジェクタのコストを増大させると共に、そのサイズにより、例えば、ハンドヘルド装置内の小型プロジェクタに適用できないことが多い。さらに、複雑な光学エンジンは極めて壊れやすく、破損又は位置合わせずれを容易に受けてしまう恐れがある。通常、複雑な光学エンジンは扱いにくく、且つ真のポータブル装置を目的としていない。

上述した理由のうちのいくかにより、投射装置は、注意して格納し移動させる必要があり、そのため、ポータブル環境での画像の表示には不適である。

本出願人は、同時係属中の特許出願（特許文献１）及び（特許文献２）の所有者であり、これらは、ポータブル装置及び小型投射システム内で使用されるように適合された内蔵式光学エンジン設計を提供するという点で、上述した問題のうちのいくつかを解消する光学エンジンに関する。

これら装置は、効率的であるが、それもまだ、複雑性、装置内で大きなスペースを消費し、小型ユニットにあまり適さないようにする複数の構成要素が必要なこと、及びその結果としての全体サイズ及び費用を含むいくつかの欠点を有する。光学エンジン内の部品数を低減するいかなる手段も、光損失、小型化、コスト、及び全体の堅牢性、すなわち可搬性に関して有益である。

豪州特許第２００６９０６１７９号明細書 豪州特許第２００６９０６１８０号明細書

したがって、本発明の目的は、上記問題のうちの少なくともいくつかを解消する、又は公衆に有用な代替を提供する小型投射装置を提供することである。

本発明のさらなる目的は、ＬＥＤソースの線形配列と、単一のコリメートレンズ群と、スタックダイクロイックミラーとを有し、ウェッジミラーの角度及び厚さが、ＬＥＤソースに重なるように選択される、小型投射システムを提供することである。

本発明のさらなる目的は、２軸のみの光学系を必要とする小型投射装置を提供することである。

本発明のさらなる目的は、現在まで既知のシステムよりも複雑性が低く、より少数の光学構成要素を含む小型投射システムを提供することである。

したがって、本発明の一形態において、
波長の異なる少なくとも２つの光源と、
上記少なくとも２つの光源のそれぞれからの光をコリメートする手段と、
複数の反射表面を有し、それにより、各反射表面が、前記コリメート光源のそれぞれからの光を同じ方向に反射するように適合される、ダイクロイックウェッジと、
ダイクロイックウェッジから反射された光を遠位表面に集光する手段と
を特徴とする画像投射装置が提案される。

好ましくは、少なくとも２つの光源は、共通の基板上に線形配列で配置される。

好ましくは、上記少なくとも２つの光源のそれぞれ１つからの光をコリメートする手段は、すべての光源に対して単一のコリメートレンズ群である。

好ましくは、光源に対するダイクロイックウェッジの角度は調整可能である。

好ましくは、画像投射装置は、共通の基板上に線形配列で配置された３つの光源を含む。

好ましくは、上記３つの光源は赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤである。

代替として、画像投射装置は、近接した線形構成に位置決めされた２つの光源と、ダイクロイックウェッジの背後に位置決めされた第３の光源とを含む。

好ましくは、３つの光源は赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤである。

好ましくは、画像投射装置は、上記集光手段からの光で照明される液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又は液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）等の光変調器をさらに含む。

好ましくは、画像投射装置は、光変調器と遠位表面との間に位置決めされた対物・投射レンズをさらに含む。

好ましくは、集光手段は、１つ又は複数の集光レンズの形態である。

好ましくは、上記レンズのすべては、反射を最小に抑える反射防止コーティングを含む。

好ましくは、上記画像投射装置は、光学素子からの熱を放散する手段を含む。

好ましくは、上記画像投射装置は、モバイル装置から画像を投射するために使用される。

本発明のさらなる形態では、
共通の基板上に線形配列で配置された青色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び赤色発光ダイオードと、
発光ダイオードのそれぞれからの光をコリメートするように適合された単一のコリメートレンズ群と、
発光ダイオードのそれぞれからの上記コリメート光を同じ方向に反射するように構成された３つのダイクロイックコーティングを有するウェッジと、
ウェッジから反射された光を遠位表面に集光する少なくとも１つの集光レンズと、
上記少なくとも１つの集光レンズからの光で照明されるＬＣＤパネル等の光変調器と、
光変調器と遠位表面との間に位置決めされる対物・投射レンズと
を特徴とする画像投射装置が提案される。

本発明のさらなる形態では、上記の特徴を有する画像投射装置を含む、携帯電話等のモバイル装置が提案される。

ＬＥＤの線形配列、各ＬＥＤをコリメートする共通レンズ群、及び各光源を反射する異なるダイクロイックコーティングを有するウェッジを有することにより、本発明の画像投射装置は、現在までに既知のこの種の装置と比較して、より小さな光学パッケージ、製造がより単純且つ安価なものを可能にする。

本明細書に組み込まれ、その一部をなす添付図面は、本発明のいくつかの実施態様を示し、説明と共に、本発明の利点及び原理を説明する役割を果たす。

本発明の小型投射システム及び特に青色光の経路の上面断面図を示す。 本発明の小型投射システム及び特に緑色光の経路の上面断面図を示す。 本発明の小型投射システム及び特に赤色光の経路の上面断面図を示す。 図１ａ〜図１ｃの投射システムの筐体の上面断面図を示す。 図２のビューＡからの図１ａ〜図１ｃの投射システムの筐体を示す。 図２のビューＢからの図１ａ〜図１ｃの投射システムの筐体を示す。 図２のビューＣからの図１ａ〜図１ｃの投射システムの筐体を示す。 図１ａ〜図１ｃの投射システムのスペーサの側面断面図を示す。 図１ａ〜図１ｃの投射システムの保持リングのうちの１つの側面断面図を示す。 図１ａ〜図１ｃの投射システムのＬＥＤブラケットの斜視図を示す。 図１ａ〜図１ｃの投射システムの合焦ブロックの正面図を示す。 図９ａの合焦ブロックの側面図を示す。 本発明による内蔵小型投射システムを有するモバイル装置の上面図である。

本発明の以下の詳細な説明は、添付図面を参照する。説明は例示的な実施形態を含むが、他の実施形態も可能であり、本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、説明される実施形態に対して変更を行い得る。

図１ａ〜図１ｃは、本発明の投射装置１０を示し、その一方で、図２〜図９は装置１０の様々な構成要素を別個に示す。図示していないが、装置は通常、画像を構築し投射装置から投射するために必要なすべての光学構成要素を含む光学エンジンの一部を形成する。

装置１０は、互いに対しておおよそ８０度で延びる２つの細長い主要セクション１４及び１６を有する筐体１２を含み、筐体は、主要セクション１４及び１６の頂点にわたって延び、ダイクロイックウェッジ１８を受けるように構成された部分１７を含む。図示の実施形態では、ダイクロイックウェッジは、おおよそ同じサイズ及び形状の２つのスタックダイクロイックミラー２０及び２２で構成される。ダイクロイックウェッジ１８は、入力光に対するその角度が調整可能なように取り付けられ、これについてはさらに詳細に後述する。

筐体１２は通常（しかし、必須ではない）、放熱性及び低重量性により、アルミニウムから作られる（埋め込み装置内では、筐体は、プラスチック材料であり得る既存の装置筐体の部分を利用し得ることに留意する）。第１のセクション１４は、入口２４と、第１のコリメートレンズ２６と、スペーサ３０を使用して第１のコリメートレンズ２６から離間された第２のコリメートレンズ２８と、第２のコリメートレンズ２８を定位置に保持する保持リング３２とを含む。

光は、プレート３４上に線形配列で位置決めされた３つのＬＥＤ３６、３８、及び４０を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）プレート３４から発せられる。プレート３４は、光が第１のコリメートレンズ２６に向けられるように、筐体１２の入口２４に隣接して取り付けられるＬ字形ブラケット４２に固定される。ブラケット４２は、好ましくは、ＬＥＤ又は他の任意の個々の着色光源と第１のコリメートレンズ２６との間の距離を調整可能なように調整可能に取付け可能である。

図示の実施形態では、第１のＬＥＤ３６は赤色であり、第２のＬＥＤ３８は青色であり、第３のＬＥＤ４０は緑色であり、各光源の強度は、個々に制御されるように適合される。図１ａは青色ＬＥＤ３８からの光の経路を示し、図１ｂは緑色ＬＥＤ４０からの光の経路を示し、図１ｃは赤色ＬＥＤ３６からの光の経路を示すが、これは、光の経路を明確に示すためである。３つの光源はすべて随時動作すべきであることを理解されたい。

第２のセクション１６は、集光レンズ４４と、図示の実施形態では、その出口４８に隣接して液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル４６とを収容する。上述したように、ＬＣＯＳパネル等の他の光変調器も等しく使用し得る。さらなる保持リング５０が、集光レンズ４４を図示の位置に保持するために使用される。出口４８には、投射中の画像を合焦するように調整可能な対物レンズ又は焦点レンズ（図示せず）を含む合焦ブロック（図示せず）が取り付けられる。対物レンズは、図１０に示すように、投射装置１０と併せて使用可能なモバイル装置のアンテナを受けるか、又はそのようなアンテナを形成するように構成することもできる。

上記レンズは、好ましくは、屈折及び反射を最小に抑えると共に、ＬＥＤから発せられた光のスループットを最大にするために、反射防止コーティングでコーティングされる。

上述したように、ダイクロイックウェッジ１８は、２つのスタックダイクロイックミラー２０及び２２で構成される。ミラー２０及び２２は、ミラーの３層５４、５６、及び５８が特定の色のみを透過するようにコーティングされる。例えば、第１の表面５４は、第１の筐体セクション１４の長軸６０に対して垂直な軸に対しておおよそ５４度の角度を有し、赤色光を反射し、青色光及び緑色光を透過するようにコーティングされる。第２の表面５６は、おおよそ５６．４度の角度で延び、青色光を反射し、緑色光を透過するようにコーティングされる。最後に、第３の表面５８は、おおよそ５８．８度の角度で延び、残っているいかなる光も反射するようにコーティングされる。当業者は、ミラーがおおよそ２．４度に固定され、したがって、各反射表面の角度が増大することを認識するであろう。

ウェッジの角度及び厚さが、赤色、青色、及び緑色の光源が位置及び角度の両方に関してＬＣＤ・ＬＣＯＳに重なることを保証するように選ばれることを理解されたい。

ＬＥＤ３８から発せられた青色光が、レンズ２６及び２８におりコリメートされ、次に、ダイクロイックウェッジ１８に移動し、第２の表面５６により反射されることを理解することができる。同様に、ＬＥＤ４０からの緑色光は、第３の表面５８により反射され、ＬＥＤ３６からの赤色光は第１の表面５４により反射される。次に、光は集光レンズ４４及びＬＣＤパネル４６を通り、そして合焦ブロック５２及び投射レンズ（図示せず）を通り、遠位表面上に投射されて、表示される。

当業者は、本装置１０が、１つのコリメートレンズ群と、光変調器を照明するように構成されたスタックミラーを有する単一のダイクロイックウェッジ１８を使用する３つの異なる着色光源を提供することを認識するであろう。これは、通常、２ｘ２マトリックスのＬＥＤを含むか、又は代替として、個々のＬＥＤのそれぞれが各自のコリメート光学系及び個々のミラーを有する従来既知の装置と異なる。線形配列光源及びスタックダイクロイックミラーの使用は、このシステムを組み込む光学エンジン内で必要なスペースが大幅に小さく、且つ構成要素の数も少ないことを意味し、これは、システムを従来のシステムよりも多くの用途で、且つより低いコストで使用できることを意味する。

このＬＥＤ配列及びダイクロイックウェッジ構成を使用して、投射装置に使用される光導体、小型レンズ、又は他の任意の均質化光学系の照明に使用できることに留意されたい。

図示していない代替の実施形態では、単一のダイクロイック両面ミラーを使用でき、３つのＬＥＤが入口に位置決めされることに代えて、代わりに２つのＬＥＤがあり、第３のＬＥＤが、光がダイクロイックミラーを通して集光レンズに向けられるようにダイクロイックミラーの背後に配置されてもよい。この状況では、例えば、緑色ＬＥＤがウェッジの背後に位置決めされる場合、一方は青色のみを反射し、他方は赤色のみを反射する２つの反射表面を有する１つのみのミラーが必要とされる。

図示していないさらに別の代替の実施形態では、背後に従来のミラーが位置決めされた２つの反射表面を有する単一のダイクロイック両面ミラーを使用してもよく、両面ダイクロイックミラーは、青色及び赤色のそれぞれを反射し、従来のミラーがダイクロイックミラー表面を透過したすべての光（主に緑色光）を反射する。この代替の構成では、並んだＬＥＤ及び単一のコリメートレンズを保持することができる。

上述したように、筐体１２は、好ましくは、アルミニウム等の吸熱性及び放熱性を有する材料から構築され、機械的に強い。筐体１２は、フレームの任意の捻れ又はそりにより画像が歪むことになるため、アーチファクトが投射画像にもたらされないように、光学構成要素を完全に位置合わせされた状態で保持しなければならない。

送信画像を投射する能力により、投射装置１０は、詳細な送信情報を、モバイル装置に埋め込まれた画面よりもはるかに大きなディスプレイ上に投射し、ＧＰＳ衛星からの衛星写真等の詳細な情報をよりはっきりと見る能力をユーザに与えることができる。

本発明のさらなる実施形態は、可視スペクトルＬＥＤを赤外線ＬＥＤで置換して、赤外線で投射される画像を提供する。このような画像は、赤外線ゴーグルを装着したユーザしか見ることができず、セキュリティ、防衛、又は同様の目的で使用され得る。

図１０は、携帯電話６２に使用される投射システムを示す。このような装置１０が小型化を目的とし、様々なハンドヘルド装置内で使用されるように構成し得ることを理解することができる。投射システムは、可動部を有さず、その結果、堅牢で頑丈であると共に、これら等のポータブル装置との使用に適合可能なように設計される。いかなる可動部又は繊細な回路は、通常、ユーザのポケットに格納され、強く叩かれること及び他の破損を受けやすいことがあるポータブル装置と併用されるストレスに耐えるために十分な頑丈性を有さない。

投射システムは、ＬＥＤにより捕捉される光の量を最大にし、それにより、投射画像の輝度を増大させ、画像の均質性をより良好にし、コントラスト比をより良好にし、且つ投射画像の画角比をより良好にするようにも設計される。レンズ設計は、ＬＥＤから生成される光の最大で９８％を捕捉することもでき、その結果、投射画像の輝度を維持するために必要な電力がより低く、装置１０を低電力ハンドヘルド装置に適したものにする。

さらなる実施形態では、ＬＣＤパネルおよびＬＥＤの動作は、プリント回路基板（図示せず）を使用して制御することができる。装置への電力は、ケーブルを介して回路基板に供給し、電子回路に分配し得る。

装置１０はまた、光学構成要素のすべてを略垂直な光路内に有し、それにより、コストを最小に抑え、光伝達効率を最大にし、且つ必要な構成要素の数を最小に抑える。この設計により、装置１０を他の投射装置よりもかなり小型にすることができ、したがって、広範囲の用途での使用に適合することができる。構成要素数の低減及びこれら構成要素の構成により、装置１０をさらに堅牢化することができると共に、より過酷な状況でも使用できるようにする。

現在まで既知の小型投射システムでは、ＬＥＤは、線形１次元構成に並べられず、通常、２次元マトリックス型構成、例えば、２ｘ２マトリックスに位置決めされた４つのＬＥＤに並べられ、それにより、ＬＥＤのうちの２つが同色である。本発明の装置、すなわち、おおよそ１〜１．５ｍｍ離間されて線形構成に位置決めされた３つのＬＥＤを使用するに当たり、２次元のみの光学系が必要とされる。

しかし、本発明は、線形ＬＥＤのみの使用に制限される意図はなく、例えば、３つのＬＥＤを等しく２次元Ｌ字形構成に配置し、そのため、３軸光学系を必要としてもよい。

装置の寸法に関する限り、これは、いくつかの要因、例えば、ＬＣＤ又はＬＣＯＳのパネルサイズ、特定の用途により要求される光出力及び課される次元制約に依存する。一用途では、筐体が、２６ｘ２６ｍｍ正方形内に合うような寸法を有し、各ダイクロイックウェッジが約２３ｍｍ長及び約１６ｍｍ幅であり、最大深さ約１．４ｍｍを有することが考えられる。

ダイクロイックウェッジの形状（寸法、角度、及びコーティングを含むが、これらに限定されない）は、光源の波長及び相対配置に依存する。ウェッジ角度は、光源までの距離及び光源間の距離に依存する。

一般的に、ダイクロイックウェッジの光学設計は、カラービームが異なる角度でミラーに入射すると共に、異なる角度で反射もするようなものである。この達成可能な結果は、すべて（２つ以上）の光線が、集光レンズを通して画像担持パネル上に衝突する際に、平行になりコリメートされることである。

この「反射」戦略は、すべての種類の反射デジタルディスプレイパネルと併せて利用して、はっきりとした画像を生成することも可能である。

さらなる利点及び改良を、本発明の範囲から逸脱せずに本発明に対して行うことが可能である。本発明を、最も実用的及び好ましい実施形態であると考えられるもので図示し説明したが、本発明の範囲及び趣旨内で逸脱を行うことができ、本発明の範囲及び趣旨が、本明細書において開示された詳細に限定されるべきではなく、特許請求の完全な範囲に従うべきであり、それにより、いかなるすべての均等なデバイス及び装置を包含することが認識される。

以下の任意の請求項及び本発明の概要において、言葉又は必要な含意を表すために文脈により別段のことが必要な場合を除き、言葉「備える」は、「含む」の意味で使用される。すなわち、指定された特徴は、本発明の様々な実施形態におけるさらなる特徴と関連付け得る。

Claims (16)

1. 波長の異なる少なくとも２つの光源と、
   前記少なくとも２つの光源のそれぞれからの光をコリメートする手段と、
   複数の反射表面を有し、それにより、各反射表面が、前記コリメートされた光源のそれぞれ１つからの光を同じ方向に反射するように適合される、ダイクロイックウェッジと、
   前記ダイクロイックウェッジから反射された光を遠位表面に集光する手段と
   を特徴とする、画像投射装置。
2. 前記少なくとも２つの光源は、共通の基板上に線形配列で配置される、請求項１に記載の画像投射装置。
3. 前記少なくとも２つの光源のそれぞれ１つからの光をコリメートする手段は、すべての前記光源に対して単一のコリメートレンズ群である、請求項１又は２に記載の画像投射装置。
4. 前記光源に対する前記ダイクロイックウェッジの角度は調整可能である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の画像投射装置。
5. 前記画像投射装置は、共通の基板上の線形配列に配置された３つの光源を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の画像投射装置。
6. 前記３つの光源は赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤである、請求項５に記載の画像投射装置。
7. 接した線形構成に位置決めされた２つの光源と、前記ダイクロイックウェッジの背後に位置決めされた第３の光源とを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の画像投射装置。
8. 前記３つの光源は赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤである、請求項７に記載の画像投射装置。
9. 前記集光手段からの光が照明される、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又は液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）等の光変調器をさらに含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の画像投射装置。
10. 前記光変調器と前記遠位表面との間に位置決めされた対物・投射レンズをさらに含む、請求項９に記載の画像投射装置。
11. 前記集光手段は、１つ又は複数の集光レンズの形態である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の画像投射装置。
12. 前記レンズのすべては、反射を最小に抑える反射防止コーティングを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の画像投射装置。
13. 光学素子からの熱を放散する手段を含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の画像投射装置。
14. モバイル装置から画像を投射するために使用される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の画像投射装置。
15. 共通の基板上に線形配列に配置された青色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び赤色発光ダイオードと、
    前記発光ダイオードのそれぞれからの光をコリメートするように適合された単一のコリメートレンズ群と、
    前記発光ダイオードのそれぞれからの前記コリメート光を同じ方向に反射するように構成された３つのダイクロイックコーティングを有するウェッジと、
    前記ウェッジから反射された光を遠位表面に集光する少なくとも１つの集光レンズと、
    前記少なくとも１つの集光レンズからの光で照明される、ＬＣＤパネル等の光変調器と、
    前記光変調器と前記遠位表面との間に位置決めされた対物・投射レンズと
    を特徴とする、画像投射装置。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の画像投射装置が内蔵された、携帯電話等のモバイル装置。

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