JP2012528356A - 光源アレイを備えるビーム整列システム - Google Patents

Abstract

平行光ビーム二次元整列アレイを発生させるビーム整列システムであって、長尺で前縁、第１側縁及び第２側縁のあるベース並びに個別のヨー調整及びピッチ調整が可能な複数個のベース側反射器を有するビーム整列室と、それぞれ光ビームアレイを発生させる複数個の光源アレイと、を備える。本ビーム整列システムでは、光源アレイのうちベース側反射器と対をなすもので生じた光ビームアレイがそのベース側反射器にてビーム整列室の長手方向沿いに反射され、それらの光ビームアレイで平行光ビーム二次元整列アレイが形成される。

Description

本発明はディジタル画像投射機、特に固体レーザ光源を照明用光源として使用する装置及び方法の改良に関する。

従来のフィルム式投射機に代替しうるディジタル投射機、特にカラー映写機として使用可能なものを実現するには、画質及び性能に関する最低限の条件を満たす必要がある。とりわけ、高解像度、広色域且つ高輝度で、そのフレーム間コントラスト比が１０００：１を上回ることが必要である。

カラー映写機として使用可能なディジタル投射機を実現する策のうち最も見込みがあるのは、その成像デバイスとして空間光変調器（ＳＬＭ）を使用する策である。ＳＬＭには大別して二種類がある。そのうち一種類はディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、例えば米国テキサス州ダラス所在のＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．で開発されたＤＬＰ（ディジタル光プロセッサ；登録商標；以下注記省略）である。ＤＬＰについては特許文献１、４及び５（発明者：Ｈｏｒｎｂｅｃｋ）並びに７（同：Ｈｅｉｍｂｕｃｈ）を初め数多くの特許文献に記載があり、ＤＬＰ式投射機の光学的構成についても特許文献１２（発明者：Ｔｅｊａｄａ ｅｔ ａｌ．）、１４（同：Ｄｅｗａｌｄ）、１６（同：Ａｎｄｅｒｓｏｎ）及び２０（同：Ｉｗａｉ）に記載がある。ＤＬＰを使用したディジタル投射機も既に開発されている。

図１に、ＤＬＰ型ＳＬＭを使用する投射機１０の概略ブロック構成を示す。この構成では、光源１２からの多色光をプリズムアセンブリ１４、例えばフィリップス（登録商標；以下注記省略）プリズムに入射させ、そこで赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各成分に分離させる。次いで、それらをＳＬＭ２０ｒ，２０ｇ，２０ｂのうち対応するもので変調し、変調された光をプリズムアセンブリ１４で再結合させる。そして、再結合後の光を投射レンズ３０に送り相応の面例えばスクリーンへと投射させる。

こうしたＤＬＰ式投射機は、優れた光スループット、コントラスト比及び色域を実現できデスクトップ表示から大画面上映に至る諸用途での要請に応えうる反面、実現できる解像度が低く現状では高々２１４８×１０８０画素に留まっている。更に、その部品コスト及びシステムコストが高いため、ディジタル映画を高画質投射する用途では使用しづらい。加えて、使用するプリズム例えばフィリップスプリズムが高価、大型、重量且つ複雑で、それを用い高輝度投射を行うのに長作動距離で高速な投射レンズが必要とされることも、ＤＬＰ式投射機の普及や使用を妨げる重大な制約となっている。

ディジタル投射機で使用できるもう一つのＳＬＭは液晶デバイス（ＬＣＤ）である。これは、アレイ状に配置された画素毎に入射光の偏向状態を変調して画像を発生させるデバイスである。その大型化、デバイス歩留まり向上及び解像度向上が比較的容易であるため、ＬＣＤは高画質ディジタル映写向けのＳＬＭと目されている。ソニー株式会社や日本ビクター株式会社では、その解像度が４０９６×２１６０画素のＬＣＤも製造されている。ＬＣＤ型ＳＬＭを使用する電子式画像投射機については、特許文献８（発明者：Ｈａｔｔｏｒｉ ｅｔ ａｌ．）、９（同：Ｓｈｉｍｏｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．）、１３（同：Ｕｅｄａ）、１７（同：Ｌｅｅ）及び１８（同：Ｏｉｋａｗａ ｅｔ ａｌ．）に記載がある。なかでも液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）型ＬＣＤは、大画面画像投射に適しているといえよう。しかしながら、ＬＣＤ型ＳＬＭには、ディジタル映写で課される画質条件、特に良好な発色やコントラスト比を維持することが難しい、という難点がある。これは、高輝度投射時に作用する強い熱負荷で、その素材の偏向品質が低下するためである。

照明効率に関わる未解決の問題点もある。エタンデュ乃至ラグランジュ不変量に係る問題点である。光学分野で周知の通り、エタンデュは光学系で扱える光の量に関連しており、一般にはその値が大きい方が明るい像を得ることができる。エタンデュの値は二種類の特性の積、即ち像面積と数値開口の積に比例する。例えば、図２に示す単純な装置では、光源１２側の像面積Ａ１とそこから出射する光の角度範囲θ１の積、或いはＳＬＭ２０の面積Ａ２とそこに入射しうる光の角度範囲θ２の積で、光学系１８のエタンデュが表される。一般に、輝度を高めるには光源１２からできるだけ多くの光を供給することが必要になり、秀逸な光学的構成を得るにはその光源側エタンデュとＳＬＭ側エタンデュをできるだけ一致させることが必要になる。

まず、光源から得られる光量を増すには、多くの光を捉えうるようその光学系の数値開口を増すか、広範囲から光がもたらされるよう光源側像面積を増す必要がある。こうすると光源側エタンデュが増すが、ＳＬＭ側エタンデュが光源側エタンデュ以上なら光源側エタンデュの大きさを活かすことができる。しかし、光源側像面積を増すと一般に光学部品及び周辺部品が高価化、大型化する。シリコン基板の価格や欠陥発生確率が大型化につれて増すため、ＬＣＯＳ型ＳＬＭやＤＬＰ型ＳＬＭではことにそうである。エタンデュの増大は光学系の複雑化や高価化にもつながりやすい。例えば、特許文献１１（発明者：Ｓｐｒｏｔｂｅｒｙ ｅｔ ａｌ．）に概述されている光学系では、レンズ素子のエタンデュを大きくすることが求められる。それは、系内光学系で収束させるべき光の光源側像面積が、ＲＧＢ各色光路上に存するＳＬＭの合計面積になるためである。これは、最終的に生じるカラー像の三倍にも上る。このように、収束させるべき光の光路がＲＧＢ別になっている特許文献１１では、系内レンズ部品を大きな像面積を扱える大エタンデュ部品とせざるを得ない。しかも、特許文献１１では、光路１本当たりの光強度が全体の１／３に過ぎないため、最終的に生じるカラー像の面積に比し三倍の像面積を扱えるのに、輝度向上のメリットを享受することができない。

次に、光源側エタンデュとＳＬＭ側エタンデュをできるだけ一致させる必要があるのは、そうしないと効率が低下するからである。仮に、エタンデュの一致度が貧弱だと、光学系が光枯渇してＳＬＭに光を十分供給できなくなるか、変調用に生成された光が不効率にもかなり捨てられてしまうこととなる。

ディジタル映写機に求められる輝度をリズナブルなシステムコストで実現する、という課題も、ＬＣＤ式投射機やＤＬＰ式投射機の設計者にとって悩みの種である。この点で問題となるのは、ＬＣＤ式投射機の場合、偏向光が必要であるため低効率且つ大エタンデュとなり、偏向回復技術を適用しても十分な輝度が得られない点である。ＤＬＰ式投射機の場合は、偏向光を必要としないので若干高効率だが、高価で短命なランプや高価な光学系が必要で、旧来の映写機と競うには高価すぎる点が問題になる。

旧来のフィルム式映写機のうちハイエンドなものと競えるディジタル投射機を実現し、いわゆる電子映写乃至ディジタル映写を行えるようにするには、旧来のフィルム式投射機と比肩しうる輝度での映写を行えるディジタル映写機にする必要がある。使用されるスクリーンの種類により５０００〜４００００ルーメンといった幅が生じるが、一般的な映画館で使用される４０フィート対角級スクリーンへの映写には１００００ルーメン級の光束での投射が求められよう。しかも、この最低輝度条件を満たすだけでは足りず、２０４８×１０８０画素以上の高解像度、２０００：１程度のコントラスト比、並びに広い色域を提供することも求められる。

これまでに提案されているディジタル映写機のなかには、こうした性能条件を充足しうるものもあるが、その装置価格や稼働費用が嵩むことが障害となっている。具体的には、当該性能条件を満たす映写機の価格が一般に５００００米ドル超になること、その映写機で使用される大出力キセノンアークランプを５００〜２０００時間毎に交換する必要があること、その交換毎に往々にして１０００米ドル超の費用がかかることである。キセノンアークランプのエタンデュが大きく、従って光源からの集光及びその投射に高速な光学系が必要なことが、コストや複雑さに重大な影響を及ぼしている。

ＤＬＰ型ＳＬＭ及びＬＣＯＳ−ＬＣＤ型ＳＬＭに共通する問題点としては、固体光源例えば固体レーザ光源との併用が難しい、という点がある。固体光源には、他種光源に比べスペクトル純度や最高輝度が高いという長所があるが、従来通りの手法ではそれを活かすことができない。即ち、旧来の集光、転向及び色結合方法及び装置を使用する構成のディジタル投射機では、レーザ光源アレイに備わる長所を存分に活かすことができない。

固体レーザ光源には、エタンデュや寿命が良好で、全体としてスペクトル安定性や輝度安定性が高いという長所がある。近年では、ディジタル映写に適した輝度、適したコストで可視光を輻射できるようになっている。開発が進み市販に至ったＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）アレイのなかには、ディジタル映写機用光源として使用できそうなものもある。しかし、各色当たり９個以上のアレイを使用しないと必要な輝度を得ることができない。

投射機におけるレーザ光源アレイの用法としては次の諸例が提案されている。

まず、特許文献６（名称：レーザ照明式画像投射機及びその使用方法(Laser Illuminated Image Projection System and Method of Using Same)，発明者：Ｋａｐｐｅｌ ｅｔ ａｌ．）では、マイクロレーザ光源アレイが投射機内照明に使用されている。

本願出願人を譲受人とする特許文献２４（名称：有機レーザ光源アレイを用い二次元ライトバルブを照明する電子成像システム(Electronic Imaging System Using Organic Laser Array Illuminating an Area Light Valve)，発明者：Ｋｒｕｓｃｈｗｉｔｚ ｅｔ ａｌ．）では、ＳＬＭが有機レーザ光源アレイで照明されている。

特許文献３１（名称：画像投射型表示装置、システム及び方法(Projection Display Apparatus, System, and Method)，発明者：Ｍｏｏｒａｄｉａｎ ｅｔ ａｌ．）では、外部共振器面発光半導体レーザ光源アレイが照明に使用されている。

特許文献２５（名称：固体光源を用いるディスプレイ(Displays Using Solid-State Light Sources)，発明者：Ｇｌｅｎｎ）では、マイクロレーザ光源アレイを投射機内照明に使用する種々のディスプレイが示されている。

そして、特許文献２１（名称：輝度保存最適化レーザダイオードアレイアセンブリ(Laser Diode Array Assemblies With Optimized Brightness Conservation)，発明者：Ｌａｎｇ ｅｔ ａｌ．）では、高い除熱効率が得られるよう従来型のバー発光レーザダイオード及びエッジ発光レーザダイオードで二次元光源アレイを形成し、そのアレイの拡散角と面積の積（エタンデュ）が小さくなるよう反射器とレンズの併用で平行光ビーム間隔を縮小・廃止している。

これらの例はいずれも難点を抱えている。例えば、特許文献６ではモノリシックなコヒーレントレーザ光源アレイを画像投射機内光源として使用している。従って、レーザ光源個数を適宜設定することで、投射機出射光に課されるパワー条件を充足させることができる。しかし、この手法を大光束投射機で使用すると様々な問題点が発生する。レーザ光源個数が増すにつれ製造歩留まりが低下し、アレイ規模拡張につれ発熱がひどくなる、といった問題点である。コヒーレントなレーザ光源でモノリシックなアレイを形成することも問題である。コヒーレントなレーザ光源を複数個使用すると、干渉によってスペックル等の偽像が生じるからである。従って、レーザ光源アレイを使用するのであれば、そのコヒーレンスのうち空間的コヒーレンスや時間的コヒーレンスを弱化乃至打破すべきである。スペクトル的コヒーレンスについては、色域拡張のため維持するのが望ましいが、やはり若干のスペクトルばらつきを許容すべきである。干渉乃至スペックルに対する敏感さを抑えると共に、個々の単色光源で生じる動作波長シフト即ち色シフトの影響を抑えるためである。例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色のレーザ光源アレイ内で狭帯域レーザ光源が稠密配置されている三色投射機では、そうしたシフトが原因となり投射機全体のホワイトポイント及び発色が仕様外になる可能性がある。従って、個別の色シフトに対する投射機出射光の敏感さを抑えるため、動作波長の小幅なずれをアレイ内で均すようにした方がよい。例えば、別々のロットで製造されたため僅かな相違のあるデバイスを使用し、実質的に非コヒーレントなレーザ光源アレイを形成するようにした方がよい。この策なら、特許文献６記載のシステムへの部品付加でコヒーレンスを弱める策に比べ、コスト及び簡略さの面で有利である。光源の空間的コヒーレンス及び時間的コヒーレンスを弱める策が有利なのは、散光器等の部品を追加しコヒーレンスを弱めるのでは光源光の実質的拡がり（光源側エタンデュ）が増してしまい、光損失やシステムコストが増加するからである。エタンデュが小さいというレーザ光源の長所を活かせないのは、光学系簡素化上望ましくない。

また、レーザ光源アレイのなかで投射機用と目されているのは種々のＶＣＳＥＬアレイ、例えば垂直外部共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）アレイや米国カリフォルニア州サニービル所在のＮｏｖａｌｕｘで製造されているＮＥＣＳＥＬ（ノバラックス外部共振器面発光レーザ；登録商標；以下注記省略）アレイであるが、従来手法をこれらに適用すると様々な問題点が発生する。その一つはデバイス歩留まり上の制約である。例えば、市販のＶＥＣＳＥＬアレイが長尺且つ狭幅で、輻射部の配置行数が一般に二行であるのは、繊細な構成部材を密に配置すると放熱が難しくなるため、即ち三行以上にするとデバイス歩留まりが劇的に低下するためである。こうした現実的制約があるため、ＶＥＣＳＥＬアレイを例えば特許文献２５に従い投射機内照明サブシステムとして使用するのは難しいし、特許文献３１の記載に従い画像投射に使用すると輝度が不足する。特許文献２４等では有機ＶＣＳＥＬ光源で形成されたレーザ光源アレイの用法も提案されているが、有機ＶＣＳＥＬ光源はまだ実用化されていない。これらの問題点に加え、既存のＶＥＣＳＥＬアレイには給電及び放熱に関する問題点が生じる。この種のアレイがハイパワーなためである。例えば、単一行型のＮＥＣＳＥＬアレイを並べて二行にした構成では、その有効光出力が３Ｗ超にもなりうる。そのため、発光につながらない電流やその電流による熱負荷を厳しく制限しないと、温度を十分安定させることができず寿命やビーム品質がひどく損なわれてしまう。

そして、投射機におけるレーザ光源の使用については、これまでの提案では十分に考慮されていない問題点が残っている。例えば、多くの映画館で必要とされる１００００ルーメンの光束を提供するには、例えば２行×２４列型のＮＥＣＳＥＬアレイを９個程度使用する必要がある。効率的な放熱、十分な駆動電力及び制御信号の供給、並びにモジュール化による保守及び交換の簡便化を実現するため、それらのアレイは別々に実装することが望まれる。その際には、別々に実装されているアレイ間で、１本の平行光ビームが生じるようビーム同士を結合させる必要がある。しかし、ビーム結合被覆でビーム同士を結合させるのでは、その被覆の不効率さが原因で輻射光の一部が失われてしまう。角度成分が導入されるプロセスでビーム同士を結合させるのは、エタンデュが増すので望ましくない。最小のビーム間隔で諸ビームを転向させるのが望ましいが、既存のビーム結合技術ではそれを容易に実現することができない。

米国特許第４４４１７９１号明細書 米国特許第４９８６６３４号明細書 米国特許第５０８３０２３号明細書 米国特許第５５３５０４７号明細書 米国特許第５６００３８３号明細書 米国特許第５７０４７００号明細書 米国特許第５７１９６９５号明細書 米国特許第５７９８８１９号明細書 米国特許第５８０８７９５号明細書 米国特許第５８８７０９６号明細書 米国特許第５９０７４３７号明細書 米国特許第５９１４８１８号明細書 米国特許第５９１８９６１号明細書 米国特許第５９３００５０号明細書 米国特許第５９３３２７８号明細書 米国特許第６００８９５１号明細書 米国特許第６０１０１２１号明細書 米国特許第６０６２６９４号明細書 米国特許第６０７５９１２号明細書 米国特許第６０８９７１７号明細書 米国特許第６２４０１１６号明細書 米国特許第６３２４３２０号明細書 米国特許第６５５２８５３号明細書 米国特許第６９５０４５４号明細書 米国特許第７０５２１４５号明細書 米国特許第７４２０９９６号明細書 米国特許第７４３７０３４号明細書 米国特許出願公開第２００５／００５７７３１号明細書 米国特許出願公開第２００５／００９９６９８号明細書 米国特許出願公開第２００６／０００１９７３号明細書 米国特許出願公開第２００６／００２３１７３号明細書 米国特許出願公開第２００９／００４０４７７号明細書

従って、ＤＬＰ型ＳＬＭやＬＣＯＳ型ＳＬＭと効果的に併用でき、固体光源アレイの長所を活かせる照明用光源を実現する必要がある。

投射型ディスプレイにおける輝度向上の要請に応えるべく、本発明に係るビーム整列システムは、
（ａ）（ｉ）長尺で前縁、第１側縁及び第２側縁のあるベース並びに（ｉｉ）個別のヨー調整及びピッチ調整が可能な複数個のベース側反射器を有するビーム整列室と、
（ｂ）それぞれ光ビームアレイを発生させる複数個の光源アレイと、
を備える。本システムでは、光源アレイのうちベース側反射器と対をなすもので生じた光ビームアレイがそのベース側反射器にてビーム整列室の長手方向沿いに反射され、それらの光ビームアレイで平行光ビーム二次元整列アレイが形成される。

本発明によれば、複数個ある光源アレイそれぞれでレーザ光等のアレイを発生させ、その光ビームアレイから平行光ビーム二次元整列アレイを発生させる装置及び方法を、提供することができる。

本発明によれば、レーザ光等のアレイ複数本をコンパクトにまとめ、それらの光ビームアレイを出射光路に対し平行に揃える装置を、提供することができる。

複数本の色別光路同士をプリズムで結合させる従来型投射機を示す模式的ブロック図である。 光学系におけるエタンデュの概念を示す図である。 複数個の光変調チャネル及び複数個の画像投射用光学系を備える投射機の全体構成を示す模式的ブロック図である。 複数個の光変調チャネル及びそれらで共用される単一の画像投射用光学系を備える投射機の全体構成を示す模式的ブロック図である。 別々の固体レーザ光源に発するビーム同士を整列させる反射面を示す模式図である。 別々の固体レーザ光源に発するビーム同士を整列させる光転向プリズムを示す模式的側面図である。 図５Ａに示した光転向プリズムの斜視図である。 複数個の入射面を有する光転向プリズムを示す模式的側面図である。 別々の固体レーザ光源アレイに発するビーム同士を整列させるビーム整列室の一例構成を示す斜視図である。 ビーム整列室のカバーを省略し両側にあるレーザ光源アレイを描いた斜視図である。 ビーム整列室におけるベース側反射器とカバー側反射器の位置関係を示す斜視図である。 その内部にある個別調整可能なミラーマウントが見えるようビーム整列室の一側壁及びカバーを省略して描いた斜視図である。 ビーム整列室の側壁を示す平面図である。 出射される平行光ビーム二次元整列アレイの各部構成を示す平面図である。 カバー側反射器のうち１個に係る光路及びベース側反射器のうち１個に係る光路を代表例として示す頂面図である。 ビーム整列室の一部に関し光路長等化の仕組みを示す頂面図である。 光路長等化で出射ビーム調光用光学系が簡略化される仕組みを示す斜視図である。 ピッチ及びヨーを個別調整可能なキネマティックミラーマウントの一例構成を示す斜視図である。 ビーム整列室の別例として側壁を欠く構成を示す斜視図である。

以下、本件技術分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）が上述のものを含め本発明の構成及び効果を一読で理解できるよう、別紙図面を参照しつつ本発明の実施形態に関し詳細に説明する。説明の対象は、本発明に係る装置を構成する部材及び本発明に係る装置に密接に関連する部材に絞ることにする。具体的な説明や図示のない部材については、いわゆる当業者にとり周知の諸形態を採りうるものと了解されたい。図示及び説明は本発明の動作原理を示すためのものであり、実物の寸法乃至その比率に忠実なものであると亜限らない。諸実施形態で使用されるレーザ光源アレイの寸法が小さいことから、その基本構造、形状及び動作原理がわかるよう若干強調が施されている。

本発明は、電子式画像投射機内色変調チャネルで高強度の光を扱えるようにする、という要請に応えるためのものである。こうした発明をより好適にご理解頂くには、本発明の諸実施形態に係る装置及び方法を稼働させうる状況について説明するのが有益であろう。そこで、図３Ａ及び図３Ｂに、図１に示した投射機１０で採用しうる二種類の基本構成を示す。本発明の諸実施形態に係る装置及び方法は、これらの基本構成下で照明サブシステムの一部として好適に利用することができる。

まず、図３Ａに示す基本構成では、本発明の適用対象となる投射機１０内に、ＲＧＢ各基本色に対応し３個の光変調チャネル４０ｒ，４０ｇ，４０ｂが設けられている。これらの光変調チャネル４０ｒ，４０ｇ，４０ｂでは、その照明サブシステム４２で生じた基本色光がレンズ５０経由で偏向保持性の光導波路５２へと入射する。レンズ５０や光導波路５２を省略することもできる。レンズ５０乃至光導波路５２から出射された光はレンズ５４によってインテグレータ５１、例えばフライアイインテグレータやインテグレーティングバーに送られる。その光は、投射機１０内成像サブシステムの一部であるＳＬＭ６０に入射する。ＳＬＭ６０は反射又は回折を通じ光を変調させるデバイス、例えばＤＬＰを初めとする反射型の微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスである。反射型のＭＥＭＳデバイスが多用されるのは、個々の画素における偏向状態の操作で光を変調する仕組みを採らない「偏向状態ニュートラル」なデバイスであるためである。但し、光がＭＥＭＳデバイス表面に入射し反射される際に、個々の画素で偶発的な偏向状態変化が生じることはあり得る。その変化はその光がＭＥＭＳデバイス表面に入射する角度で左右されるので、そうした不要な偏向現象は当該入射角の調整で抑えることができる。そして、変調された光は投射光学系７０によってスクリーン８０上に投射される。図中、投射光学系７０が破線で括られているのは様々な形態を採りうるからである。

次に、図３Ｂに示す基本構成では、各色光変調チャネル４０ｒ，４０ｇ，４０ｂの出射光が色結合器７６で結合される。結合された光は共通の出射光軸Ａ沿いに投射される。色結合器７６としては、プリズム、ダイクロイック面等を構成要素とするアセンブリ、例えばＸキューブのように電子成像分野でいわゆる当業者にとり既知の結合器を使用することができる。

照明サブシステム４２の役割は、これら二種類ある基本構造のいずれでも同じである。別々のレーザ光源アレイに発する光路同士を結合させることで、個別の光ビームを共通の照明光路沿いに整列させることである。図４に、複数個ある固体光源アレイ４４，４４’間で光路を結合させてより大規模な平行光ビーム整列アレイを形成する例を示す。この例では、固体光源アレイ４４に発する光路と別の固体光源アレイ４４’に発する光路を揃えるためミラー４６（複数個でもよい）が挿入されている。反面、この例では、固体光源アレイの使用個数が熱条件及び間隔条件で制約されることや、固体光源同士の間隔が制約されることも明らかである。

図５Ａ及び図５Ｂに、光転向プリズム４８を用い光路同士を結合させる例の側面及び斜視外観を示す。この照明サブシステム４２は、４個ある固体光源アレイ４４からのレーザ光が図４に示した構成に比べ狭い範囲内にまとまる秀逸な構成である。この構成では、固体光源アレイ４４上のレーザ光源２６から方向Ｄ１沿いに輻射された光が光転向プリズム４８の面３２に入射し、転向された光が輻射方向Ｄ１と略直交する方向Ｄ２沿いに面３４から出射していく。光転向プリズム４８は複数個の光転向ファセット３８を有する転向面３６を備えており、そのファセット３８はレーザ光源２６から輻射された光が内部全反射するよう輻射方向Ｄ１に対しある傾斜角を呈している。両図中、光転向ファセット３８が段差状に形成されているのは、照明光路ひいては光ビームアレイを狭幅化するためである。更に、図５Ｂに示すように、レーザ光源２６は各固体光源アレイ４４の長手方向Ｌ沿いに並んでおり、光転向ファセット３８その他のファセットも転向面３６上で同方向Ｌ沿いに延びている。

図６に、光転向プリズム４８を用いる照明サブシステム４２の別例側断面を示す。これは、複数個ある固体光源アレイ４４からのレーザ光が図５Ａ及び図５Ｂに示した構成に比べ狭い範囲内にまとまる構成である。この構成では、方向Ｄ１沿いに光を輻射する固体光源アレイ４４と、それとは逆の方向Ｄ１’沿いに光を輻射する固体光源アレイ４４とが、互いに向かい合うように配置されている。光転向プリズム４８には、それらの光を受け入れるべく転向面３６が２個設けられている。それらの転向面３６には、それぞれ、対応する固体光源アレイ４４からの光入射方向に直交する入射ファセット２８と、その入射光を転向させる光転向ファセット３８を併せ、二種類のファセットが設けられている。

光転向プリズム４８を用い平行光ビーム整列アレイを形成する手法は、従前の手法に比べ秀逸ではあるが、ある種の問題も抱えている。その一つは整列の困難性である。即ち、この光路結合手法では、光ビームが正しい方向をきちんと向くよう、個々の固体光源アレイ４４を極めて精密に整列させる必要がある。これは、個々の固体光源アレイ４４を光転向プリズム４８に対し精密に位置設定又は位置調整することができねばならず、固体光源アレイ４４を実装するに当たり厳しい条件が課されるということである。しかも、大出力レーザ光源では多大な熱が発生するので、その除熱を考慮し固体光源アレイ４４を実装、整列させる必要もある。即ち、幾らかの工夫は可能であるが、固体光源アレイ４４間にある程度の間隔を設けねばならない。更に、光転向プリズム４８の実装は難しく、動作条件下でのプリズム形成素材温度変化で問題例えば不本意な複屈折が生じることがある。そして、レーザ光を適正にシールドしなければならないのも面倒である。

本発明では、色変調チャネル毎にビーム整列室を設けることで、その波長が異なるレーザ光ビームアレイ同士を整列させ、平行光ビーム整列アレイを発生させるようにしている。本発明に係るビーム整列室は、図３Ａ及び図３Ｂ中の光変調チャネル４０ｒ，４０ｇ，４０ｂにて、照明サブシステム４２の一部として使用されうる。

図７に、本発明の一実施形態に係るビーム整列室１００の斜視外観を示す。このビーム整列室１００では、幾つかの固体光源アレイ、具体的にはレーザ光源アレイから出射される光ビームアレイ同士を横並びに整列させることで、複数本の光ビームからなる光ビーム整列アレイを発生させる。図示の通り、その光ビーム整列アレイは、ビーム整列室１００の長手方向沿いに延びる照明光軸Ａ１に対し平行となる。図８〜図１１に、ビーム整列室１００の細部構成を示す。

図７〜図１１に示す通り、このビーム整列室１００はベース１１０を備えている。そのベース１１０には前縁１１２、後縁１１４、第１側縁１１６及び第２側縁１１８が備わっている。それらのうち第１側縁１１６には、ビーム整列室１００の長手方向沿いに延びる第１側壁１２０が連なっている。その向かいの第２側縁１１８には、ビーム整列室１００の長手方向沿いに延びる第２側壁１２２が連なっている。前壁１３２も設けられている。第１側壁１２０及び第２側壁１２２には、固体光源アレイ１４０に発する光ビームアレイをビーム整列室１００内に入射させるための側孔１２４が設けられている。前壁１３２には、光ビーム整列アレイをビーム整列室１００外に出射させるための出射孔１２８が設けられている。ベース１１０（及びカバー１２６）上には、第１側壁１２０及び第２側壁１２２に対しある傾斜角をなすよう、都合複数個の反射器１３０が配置されている。これらの反射器１３０は、対応する固体光源アレイ１４０に発する光ビームアレイを転向させ、出射孔１２８越しにビーム整列室１００外に出射させることで、平行光ビーム二次元整列アレイを発生させる。図７に示すように、カバー１２６に複数個の調整用アクセス孔１５４が設けられているので、反射器毎のピッチ調整及びヨー調整をその調整用アクセス孔１５４越しに反射器１３０に施し、個々の固体光源アレイ１４０に発する光ビームアレイ同士を精密に整列させることができる。ベース１１０側に調整用アクセス孔１５４を幾つか設けるようにしてもよい。図７に示す構成では、カバー側反射器１３０，ベース側反射器１３０双方に対するピッチ調整及びヨー調整を、いずれもカバー１２６越しに行うことができる。

図７〜図１１に示す通り、ビーム整列室１００は、ベース１１０の第１側縁１１６が第１側壁１２０と交差し第２側縁１１８が第２側壁１２２と交差する角筒状のモジュールとなっている。この構成はコンパクトさ、実装の容易さの点で優れているが、これとは異なる構成の第１及び第２側壁を用い本発明を実施することもできる。ベースを他の形状にすること、例えば前縁並びに第１及び第２側縁しかない三角形のベースにすることもできる。より長大なシャーシ構造の一部をベースとして用い、第１及び第２側壁より長くすることもできる。カバー１２６の役割をシャーシその他の構造の他部分に担わせることもできる。

斜視図たる図８に示す通り、ビーム室１００の第１側壁１２０沿いには６個、第２側壁１２２沿いには６個、都合１２個の固体光源アレイ１４０が配置されている。ベース１１０上及びカバー１２６上には、それらの固体光源アレイ１４０と対をなし都合１２個の反射器１３０が実装されている。従って、このビーム整列室１００から出射される光ビームアレイ上では、個々の固体光源アレイ１４０から出射される光ビームアレイがその断面上の特定部分を占めることとなる。即ち、出射孔１２８から出射される光で平行光ビーム二次元整列アレイ１５０が形成される。そのパターンは、図３Ａ及び図３Ｂに示すＳＬＭ６０を初め、ＳＬＭのアスペクト比に見合う寸法の照明向けパターンとなる。

斜視図たる図９に示す通り、図８に示したカバー側反射器１３０及びベース側反射器１３０はある位置関係にてビーム整列室１００内に配置されている。その配置には、後に詳述する通り、斜視図たる図１０に示すミラーマウント２００が使用されている。

図１２に、平行光ビーム二次元整列アレイ１５０における光ビームアレイの整列形態を平面的に示す。個々の固体光源アレイ１４０から図８中のビーム整列室１００に入射される光ビームアレイは、ビーム整列室１００から出射される長方形断面の平行光ビーム二次元整列アレイ１５０にて、この図の如き位置を占めることとなる。即ち、図７〜図１１に示した構成では、ビーム整列室１００から出射される平行光ビーム二次元整列アレイ１５０にて、ベース側反射器１３０と対をなす６個の固体光源アレイ１４０で生じた光ビームアレイ１４２ａ〜１４２ｆが下部を占め、またカバー側反射器１３０と対をなす６個の固体光源アレイ１４０で生じる光ビームアレイ１４４ａ〜１４４ｆが上部を占めることとなる。図７及び図８にも、同様の出射光内位置関係が示されている。なお、図７では平行光ビーム二次元整列アレイ１５０のうちベース側反射器１３０による部分のみが示されていること、またそれに対応する６個の固体光源アレイ１４０のうち３個のみが示されていることに留意されたい。光ビームアレイ１４２ａ〜１４２ｅ，１４４ａ〜１４４ｅは、いずれも、対応する固体光源アレイ１４０に発する個別の光ビーム１４８複数本で形成されている。

図１３に、本実施形態に係るビーム整列室１００の頂面を示す。図示の通り、このビーム整列室１００では、平行光ビーム二次元整列アレイ１５０を発生させるための反射器１３０が、それに対応する個別の固体光源アレイ１４０と対をなしている。図１２に示した光ビームアレイのうち、光ビームアレイ１４４ａ〜１４４ｆを発生させているのはカバー１２６側の固体光源アレイ１４１ａ〜１４１ｆであり、光ビームアレイ１４２ａ〜１４２ｆを発生させているのはベース１１０側の固体光源アレイ１４０ａ〜１４０ｆである。また、この図には、カバー１２６側の固体光源アレイ１４１ｃに係る光路及びベース１１０側の固体光源アレイ１４０ｄに係る光路が示されている。固体光源アレイ１４１ｃはカバー側反射器１３１ｃ、固体光源アレイ１４０ｄはベース側反射器１３０ｄと対をなしている。

これらの固体光源アレイ１４０では、個々のレーザ光源で平行光ビームを発生させる。その光ビームには、発生元レーザ光源の種類に応じたビーム拡散が生じているので、発生元のレーザ光源かその付近に相応の光学素子、例えば円柱面レンズ素子やレンズレットアレイを配してビーム拡散を補正する方がよい。しかしながら、レーザ光源で生じるビーム拡散が直交二軸に対し様々な角度をなしうるのに対し、そうした光学素子ではある一軸沿いのビーム拡散しか補正できないものである。互いに直交する二本の軸それぞれに沿いビーム拡散を補正することも可能だが、それには例えば交差配置円柱面レンズ対、即ちある軸沿いに湾曲するレンズ素子とそれに直交する軸沿いに湾曲するレンズ素子とを組み合わせたものが必要となる。そうした交差配置円柱面レンズ対は高価であるし、レンズ素子の適正な配列も難しい。そのため、図１２に示した光ビーム１４８に関しては、レーザ光源で生じるビーム拡散のうちＸ軸沿いビーム拡散しか補正されていない。直交二軸それぞれに沿い補正されているわけではないので、図１２中のＹ軸についてはビーム拡散補正の必要性が残っている。

Ｙ軸沿いビーム拡散を補正するには、例えば、各固体光源アレイの出射側に平行光化用の円柱面レンズを設ければよい。しかしながら、この従来手法では、図７〜図１１に示したビーム整列室１００の場合、平行光化用の円柱面レンズを１２個設ける必要があるため多大なコストがかかってしまう。また、反射器１３０の表面を平坦面ではなく円筒面にしてビーム拡散を補正することも可能である。しかしながら、図８〜図１１に示すありふれた平坦面反射器１３０に比べ、この従来手法で使用される円筒面ミラーはかなり高価である。更に、湾曲付の反射面ではピッチ調整及びヨー調整も面倒になる。

このように、従来手法を使用するとコスト及び複雑性の問題が発生する。これに対し、本発明の実施に当たっては、レーザ光源毎の光路長等化で光ビームの拡散特性を揃え、出射光軸沿いに配した単一の円柱面レンズでビーム拡散を補正する形態を採ることができる。頂面図たる図１４及び斜視図たる図１５に、ビーム整列室１００内で光路長を等化し単一の円柱面レンズ１５２でＹ軸沿いビーム拡散を補正する実施形態を示す。この実施形態では、図１３に示した実施形態と異なり一群の反射器が互い違いに配置されている。光ビームアレイの光路は、他の光ビームアレイの光路間を縫うようそれらの反射器で転向されている。固体光源アレイ間光路長差は図１４に示す仕組みで抑制されている。固体光源アレイ１４１ａ〜１４１ｆを例に図１５に示す通り、固体光源アレイ内レーザ光源配列方向に従いビーム拡散が発生するものの、固体光源アレイ間で光路長が等化されているので、円柱面レンズ１５２への光入射角は固体光源アレイ間でほぼ等しくなる。円柱面レンズ１５２は、その拡散軸に沿い平行光化を施す。このような構成では、固体光源アレイ毎に平行光化用光学部品を配置する必要がない。

なお、円柱面レンズ１５２は一例に過ぎない。出射光軸沿いに光学素子を複数個配して出射光を平行光化することもできる。例えば、交差円柱面レンズを配し互いに直交する二本の軸それぞれに沿いビーム拡散を補正するようにしてもよい。或いは、各固体光源アレイ１４０に係る光路上に、出射孔１２８から出射される光を平行光化するレンズを別途設けるようにしてもよい。図示しないが、そうしたレンズがあれば、図１５に示した円柱面レンズ１５２やそれに類する平行光化用光学部品を使用する必要はない。

反射器１３０に対するピッチ調整及びヨー調整も、ビーム整列室１００内に複数個ある反射器１３０毎に好適に実行することができる。図１６に、そうした調整を行えるようベース側に設けられたミラーマウント２００を示す。これは、反射素子２０２の支持フレーム２０４を基部２１０に可調連結した構成である。その連結の調整により、図１６中のＸ軸周りでの調整即ちピッチ調整や、Ｙ軸周りでの調整即ちヨー調整を施すことができる。このほかにも、様々な構成のミラーマウントをビーム整列室１００内で使用することができる。

これら、本発明の実施形態に係るビーム整列室１００は、図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明した基本構造を有する投射機１０等、投射機に備わる照明サブシステムの構成部品として好適に使用することができる。ビーム整列室１００からの出射光を更に調光することもできる。例えば、インテグレーティングバー等のデバイスを用いユニフォマイズすることで、変調に適したより均一な照明光ビームを得ることができる。反射器１３０の実装先は単一面でも複数面でもかまわない。例えば、図７に従いベース側のみに実装してもよいし、図８に従いカバー側，ベース側双方に実装してもよい。効率向上のため、反射器１３０をダイクロイック面にしてもよい。

本発明の実施形態に係るビーム整列室はコンパクトな構成であり、複数個のレーザ光源アレイから得られる出射光を密にまとめることができる。その際に角度成分が導入されないので、投射機用照明サブシステムのエタンデュが大きく増すこともない。更に、ビーム整列室が高度にモジュール化されているため、光路上に存する諸部品全てを並べ直さずとも、個別のレーザ光源アレイを交換することができる。反射器に対する調整で光ビームの整列具合を調整できるため、レーザ光源それ自体の調整や再配置は必要ない。

そして、図７に示すように、側壁１２０及び１２２に設けた側孔１２４に直接装着できるよう光源アレイ１４０がモジュール化されているため、光の漏洩を好適に抑えることができる。照明サブシステムの設計に際してはレーザ光遮蔽が肝要とされるので、これは有益なことである。

本発明に、本発明の他の実施形態に係るビーム整列室３００を示す。このビーム整列室３００は壁のない開放型の構成であり、その長手方向たるＺ軸沿いに延びるベース３１０を備えている。そのベース３１０には、前縁３１２、第１側縁３１４及び第２側縁が備わっている。この図では第２側縁が見えていないが、それは第１側縁３１４から見てベース３１０の逆側に位置している。また、ベース３１０上には、キネマティックミラーマウント３１８を用い反射器３１６が複数個実装されている。そのキネマティックミラーマウント３１８は、反射器３１６毎のヨー調整及びピッチ調整を行えるよう構成されている。図示しないが、個々の反射器３１６と対をなすよう光源アレイも複数個設けられている。それらの光源アレイは、対応する反射器３１６に光ビームアレイを入射させうるよう配置されている。図示した複数本の光ビームアレイのうち、光ビームアレイ３２４はビーム整列室３００に一方の側から入射しており、光ビームアレイ３２６は逆の側から入射している。反射器３１６は、対応する光源アレイに発した光ビームアレイをビーム整列室３００の長手方向に沿うよう転向させ、平行光ビーム二次元整列アレイを発生させるよう配置されている。ミラーマウント３１８上でヨー調整及びピッチ調整を実行することで、光ビーム同士を整列させ平行に保つことができる。

平行光ビーム二次元整列アレイの光路上にビーム拡散補正用の円柱面レンズ３３０を配置し、その円柱面レンズ３３０でのビーム拡散補正を経た平行光ビーム二次元整列アレイを出射させる構成にすることもできる。そうした構成では、円柱面レンズ３３０と個々の光源との間の光学的距離がどの光ビームでもほぼ等しく、そのビーム形状が揃うよう、光源アレイを配置するのが望ましい。前述の通り、光ビーム拡散の補正に他種光学素子を用いることもできる。例えば、光ビームが二軸沿いに拡散している場合、個々の軸に係る拡散を交差配置円柱面レンズ対で個別に補正するようにしてもよい。

図示の通り、カバー３２８を設けることもできる。そのカバー３２８をミラーマウント３１８の支持に併用することで、構造的な安定性を高めることができる。また、図示しないスペーサを用い、カバー３２８とベース３１０の間に広めの間隔をとってもよい。更に、図７〜図１１を参照し前述した構成に倣い、そのカバー３２８に幾つかの反射器を設けてもよい。それらの反射器は、対応する光源アレイからの光ビームアレイを、ビーム整列室の長手方向に沿うよう転向させる。この場合、カバー側反射器にて反射された光ビームとベース側反射器に係る光ビームとにより、平行光ビーム二次元整列アレイが形成されることになる。

以上、その好適な実施形態を具体的に参照し本発明を詳細に説明したが、それらに対し変形乃至改良を施したものも、本発明の技術的範囲に包含されるので、その点を了解されたい。例えば、本願記載の実施形態ではレーザ光源アレイを例示したが、それ以外の固体輻射部品を使用することもできる。個々の光路に補助的なレンズその他の光学部品を付加することもできる。投射機内の各所に種々のセンサを設け、個々の色変調チャネルにおける光強度を検出することもできる。重要なのは、照明用固体光源整列装置及び方法が提供されることである。

１０ 投射機、１２ 光源、１４ プリズムアセンブリ、１８ 光学系、２０，２０ｒ，２０ｇ，２０ｂ，６０ 空間光変調器（ＳＬＭ）、２６ レーザ光源、２８ 入射ファセット、３０ 投射レンズ、３２ 入射面、３４ 出射面、３６ 転向面、３８ 光転向ファセット、４０ｒ，４０ｇ，４０ｂ 光変調チャネル、４２ 照明サブシステム、４４，４４’ 光源アレイ、４６ ミラー、４８ 光転向プリズム、５０，５４ レンズ、５１ インテグレータ、５２ 光導波路、７０ 投射光学系、７６ 色結合器、８０ スクリーン、１００，３００ ビーム整列室、１１０，３１０ ベース、１１２，３１２ ベース前縁、１１４ ベース後縁、１１６，３１４ ベース第１側縁、１１８ ベース第２側縁、１２０ 第１側壁、１２２ 第２側壁、１２４ 側孔、１２６，３２８ カバー、１２８ 出射孔、１３０，３１６ 反射器、１３０ｄ ベース側反射器、１３１ｃ カバー側反射器、１３２ 前壁、１４０，１４０ａ〜１４０ｆ，１４１ａ〜１４１ｆ 光源アレイ、１４２ａ〜１４２ｆ，１４４ａ〜１４４ｆ，３２４，３２６ 光ビームアレイ、１４８ 光ビーム、１５０ 平行光ビーム二次元整列アレイ、１５２，３３０ 円柱面レンズ、１５４ 調整用アクセス孔、２００，３１８ ミラーマウント、２０２ 反射素子、２０４ 支持フレーム、２１０ 基部、Ａ 出射光軸、Ａ１ 照明光軸、Ｄ１，Ｄ１’ 輻射方向、Ｄ２ 出射方向、Ｘ，Ｙ，Ｚ 軸。

Claims (14)

1. （ａ）（ｉ）長尺で前縁、第１側縁及び第２側縁のあるベース並びに（ｉｉ）個別のヨー調整及びピッチ調整が可能な複数個のベース側反射器を有するビーム整列室と、
   （ｂ）それぞれ光ビームアレイを発生させる複数個の光源アレイと、
   を備え、光源アレイのうちベース側反射器と対をなすもので生じた光ビームアレイがそのベース側反射器にてビーム整列室の長手方向沿いに反射され、それらの光ビームアレイで平行光ビーム二次元整列アレイが形成されるビーム整列システム。
2. 請求項１記載のビーム整列システムであって、その光源アレイが、ビーム整列室内の対応するベース側反射に光ビームアレイが届くようビーム整列室外に配置されたビーム整列システム。
3. 請求項２記載のビーム整列システムであって、その光源アレイのうち幾つかがビーム整列室から見て一方の側、残りがそれとは逆の側にあるビーム整列システム。
4. 請求項１記載のビーム整列システムであって、
   そのビーム整列室が、ベースから隔たった位置にあるカバー並びに個別のヨー調整及びピッチ調整が可能な複数個のカバー側反射器を有し、
   光源アレイのうちカバー側反射器と対をなすもので生じた光ビームアレイがそのカバー側反射器にてビーム整列室の長手方向沿いに反射され、それらとベース側反射器にて反射された光ビームアレイとで平行光ビーム二次元整列アレイが形成されるビーム整列システム。
5. 請求項４記載のビーム整列システムであって、ヨー及びピッチの個別調整をカバー側反射器，ベース側反射器双方に対し同じ孔から行えるよう、そのカバーに調整用アクセス孔が設けられたビーム整列システム。
6. 請求項１記載のビーム整列システムであって、
   平行光ビーム二次元整列アレイを形成する光ビームの拡散がビーム整列室内で一軸又は複数軸に沿い補正されるよう、その平行光ビーム二次元整列アレイの光路上に配置された１個又は複数個の光学素子を備え、
   個々の光源と光学素子との間の光学的距離がどの光ビームでもほぼ等しくなるよう、光源アレイに備わる光学素子が配置されたビーム整列システム。
7. 請求項６記載のビーム整列システムであって、その補正により平行光ビーム二次元整列アレイの平行度を高めるビーム整列システム。
8. 請求項６記載のビーム整列システムであって、その光学素子として、ある一軸に沿い光ビーム拡散を補正する円柱面レンズを備えるビーム整列システム。
9. 請求項６記載のビーム整列システムであって、その光学素子として、ある二軸に沿い光ビーム拡散を補正すべく交差配置された一対の円柱面レンズを備えるビーム整列システム。
10. 請求項１記載のビーム整列システムであって、そのベース側反射器が、一軸又は複数軸についてその拡散が補正されていない光ビームに対し、ビーム整列室内である一軸沿いに補正を施す円柱面反射器であるビーム整列システム。
11. 請求項１記載のビーム整列システムであって、その光源アレイがレーザ光源を有するビーム整列システム。
12. 請求項１記載のビーム整列システムであって、そのビーム整列室が開放型で、ベースの第１側縁又は第２側縁につながる側壁を欠くビーム整列システム。
13. 請求項１記載のビーム整列システムであって、そのビーム整列室が開放型で、ベースの縁につながる側壁を欠くビーム整列システム。
14. 平行レーザ光ビーム二次元アレイを発生させるレーザ光源サブシステムと、
    その平行レーザ光ビーム二次元アレイをユニフォマイズする照明サブシステムと、
    ユニフォマイズされた平行レーザ光ビーム二次元アレイを操作する成像サブシステムと、
    その操作で生じる像をスクリーン上に投射する投射サブシステムと、
    を備えるレーザ光投射機にて、レーザ光源サブシステムの一構成要素として使用される請求項１記載のビーム整列システム。

Images