JP2013545122A - 傾斜式ダイクロイック色合成器ｉｉ - Google Patents

Abstract

本開示は、広くは色合成器、より具体的には、ポケットサイズ投影機のような小型フォーマット投影機において有用な色合成器に関する。開示の色合成器は、少なくとも２つの色光を合成するように集光光学系とともに構成された、少なくとも２つの反射体を有する傾斜したダイクロイックプレートを含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、参照により本出願に組み込まれる以下の米国特許出願、すなわち、いずれも本出願と同日出願の「Ｔｉｌｔｅｄ Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ Ｉ」（代理人整理番号６６５３０ＵＳ００２）及び「Ｔｉｌｔｅｄ Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ ＩＩＩ」（代理人整理番号６６７９２ＵＳ００２）と関連するものである。

スクリーン上に画像を投影するために使用される投影システムは、種々の色を有する発光ダイオー（ＬＥＤ）などの多色光源を使用して、照射光を生成することができる。光を合成し、ＬＥＤから画像表示装置に移動させるために、いくつかの光学素子がＬＥＤと画像表示装置との間に配設される。画像表示装置は、様々な方法を使用して光に画像を与えることができる。例えば、画像表示装置は、透過型又は反射型液晶ディスプレイと同様に偏光を使用してもよい。

画像を画面上に投影するために使用される更に他の投影システムでは、白色光を使用することが可能で、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ’ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＬＰ（登録商標））ディスプレイに使用されるアレイのようなデジタルマイクロミラー（ＤＭＭ）アレイから像様反射するように構成される。ＤＬＰ（登録商標）ディスプレイでは、デジタルマイクロミラーアレイ内の個々の鏡が、投影される画像の個々のピクセルに対応する。ディスプレイの特定ピクセルは、対応する鏡が傾く際に光の照射を受けることによって、入射光が投影光学経路に方向付けられる。光学経路内に定置される回転カラーホイールは、反射される白色光が、フィルター処理されて、ピクセルに対応する色を投影するように、デジタルマイクロミラーアレイからの光の反射に対して時間調節される。次いで、デジタルマイクロミラーアレイは、次の所望のピクセル色に切り替えられ、プロセスは、投影されるディスプレイ全体が、連続して照明されるように見えるほど高速で継続される。デジタルマイクロミラー投影システムは、より少ないピクセル化されたアレイコンポーネントを必要とし、これは、結果として、より小さな寸法の投影機をもたらすことができる。

画像輝度は、投影システムの重要なパラメータである。色光源の輝度、及び光を収集し、合成し、均質化し、また画像表示装置へと伝送する効率性は、全て輝度に影響を及ぼす。現代のプロジェクタシステムのサイズは小型化するに従い、色光源によって生成される熱を、小さなプロジェクタシステム内に消散可能である低レベルに保ちながら、同時に、適切な出力輝度レベルを維持する必要がある。より効率的に複数の色光を合成して、光源が電力を過度に消費することなく適切な輝度レベルの光出力を供給する光合成光学システムが必要とされている。

このような電子投影機は、画面に投影される光の輝度及び色の均一性を向上させるために、光線を光学的に均質化する装置を含むことが多い。２つの一般的な装置として、積分トンネル及びフライアイアレイ（ＦＥＡ）ホモジナイザーが挙げられる。フライアイホモジナイザーは、非常に小型であり得るため、一般的に使用される装置である。積分トンネルは、均質化においてより効率的であり得るが、一般に中空のトンネルは、多くの場合に高さ又は幅のいずれか大きい方の５倍の長さを必要とする。中実のトンネルは、屈折作用のために中空のトンネルより長いことが多い。

超小型及びポケットサイズの投影機では、高効率の合成器、光インテグレータ、及び／又はホモジナイザーに使用できる空間が限られている。その結果、このような投影機に使用される光学装置（色合成器及び偏光変換器など）から高効率で均一な光出力を得るには、コンパクトで効率のよい光設計が必要となり得る。

本開示は、広くは色合成器、より具体的には、ポケットサイズ投影機のような小型フォーマット投影機において有用な色合成器に関する。開示の色合成器は、少なくとも２つの色光を合成するように集光光学系とともに構成された、少なくとも２つの反射体を有する傾斜したダイクロイックプレートを含む。一態様では本開示は、光入力面及び光軸を有する第１の集光光学系と、第１及び第２の色光を光入力面に入射させるように配設された第１及び第２の光源と、第１の集光光学系に対して光入力面とは反対側に面するように配設されかつ光軸に対して傾いた角度で配設されたダイクロイックプレートと、を含む、色合成器を提供する。第１及び第２の光源の少なくとも１つは光軸からずれている。ダイクロイックプレートは、第１の色光を反射し他の色光を透過させることができる第１のダイクロイック反射体と、第２の色光を反射することができる第２の反射体と、を含み、第１のダイクロイック反射体及び第２の反射体はそれぞれ、第１及び第２の両色光が特定の出力方向に反射されるように傾斜し、これら第１及び第２の色光が合成色光ビームを形成する。

別の態様では本開示は、第１の凸面、第１の凸面と反対側の光入力面、及び光軸を有する第１のレンズを含む色合成器を提供する。色合成器は更に、光軸上に中心をおく第２のレンズであって、第１の凸面に面する第２の表面、及び第２の表面と反対側の第３の凸面を有する、第２のレンズを含む。色合成器はまた、第１、第２、及び第３の光源であって、これら第１、第２、及び第３の光源の少なくとも２つが光軸からずれており、第１、第２、及び第３の色光を光入力面に入射させるように配設された、第１、第２、及び第３の光源と、第３の凸面に面し光軸に対して傾いた角度で配設されたダイクロイックプレートと、を更に含む。ダイクロイックプレートは、第１の色光を反射し第２及び第３の色光を透過させることができる第１のダイクロイック反射体と、第２の色光を反射し第３の色光を透過させることができる第２のダイクロイック反射体と、第３の色光を反射することができる第３の反射体と、を含む。第１のダイクロイック反射体、第２のダイクロイック反射体、及び第３の反射体はそれぞれ、第１、第２、及び第３の各色光が特定の出力方向に反射されるように傾斜し、これら第１、第２、及び第３の色光が合成色光ビームを形成する。

更に別の態様では本開示は、色合成器を含む画像投影機を提供する。色合成器は、光入力面及び光軸を有する第１の集光光学系と、第１及び第２の色光を光入力面に入射させるように配設された第１及び第２の光源と、第１の集光光学系に対して光入力面とは反対側に面するように配設されかつ光軸に対して傾いた角度で配設されたダイクロイックプレートと、を含む。第１及び第２の光源の少なくとも１つは光軸からずれている。ダイクロイックプレートは、第１の色光を反射し他の色光を透過させることができる第１のダイクロイック反射体と、第２の色光を反射することができる第２の反射体と、を含み、第１のダイクロイック反射体及び第２の反射体はそれぞれ、第１及び第２の両色光が特定の出力方向に反射されるように傾斜し、これら第１及び第２の色光が合成色光ビームを形成する。画像投影機は、第１、第２、及び第３の色光を受けて偏光した第１、第２、及び第３の色光を出力するように配設された偏光変換器と、偏光した第１、第２、及び第３の色光に画像を付与するように配設された空間光変調器と、投影光学系と、を更に含む。

更に別の態様では、本開示は、色合成器を含む画像投影機を提供する。色合成器は、第１の凸面、第１の凸面と反対側の光入力面、及び光軸を有する第１のレンズを含む。色合成器は更に、光軸上に中心をおく第２のレンズであって、第１の凸面に面する第２の表面、及び第２の表面と反対側の第３の凸面を有する、第２のレンズを含む。色合成器はまた、第１、第２、及び第３の光源であって、これら第１、第２、及び第３の光源の少なくとも２つが光軸からずれており、第１、第２、及び第３の色光を光入力面に入射させるように配設された、第１、第２、及び第３の光源と、第３の凸面に面し光軸に対して傾いた角度で配設された、ダイクロイックプレートと、を更に含む。ダイクロイックプレートは、第１の色光を反射し第２及び第３の色光を透過させることができる第１のダイクロイック反射体と、第２の色光を反射し第３の色光を透過させることができる第２のダイクロイック反射体と、第３の色光を反射することができる第３の反射体と、を含む。第１のダイクロイック反射体、第２のダイクロイック反射体、及び第３の反射体はそれぞれ、第１、第２、及び第３の各色光が特定の出力方向に反射されるように傾斜し、これら第１、第２、及び第３の色光が合成色光ビームを形成する。画像投影機は、第１、第２、及び第３の色光を受けて偏光した第１、第２、及び第３の色光を出力するように配設された偏光変換器と、偏光した第１、第２、及び第３の色光に画像を付与するように配設された空間光変調器と、投影光学系と、を更に含む。

上記の概要は、本発明の開示されるそれぞれの実施形態又は全ての実現形態を説明することを目的としたものではない。以下の図面及び詳細な説明により、例示的実施形態をより詳細に例示する。

本明細書の全体を通じ、同様の参照符合が同様の要素を示す添付の図面を参照されたい。
色合成器の概略断面図。 色合成器の概略断面図。 色合成器の概略断面図。 図１Ａ〜１ＣのＡ−Ａ’断面に付加される概略断面図。 画像投影機の概略図。

図面の縮尺は必ずしも正確ではない。図面で用いられる同様の番号は同様の構成要素を示すものとする。しかしながら、特定の図中のある要素を示す数字の使用は、同じ数字によって示される別の図中のその要素を限定するものではないことは理解されよう。

本開示は広くは画像投影機に関し、具体的には、傾斜したダイクロイック反射プレートを用いて光を合成することによって光均一性を改善した画像投影機に関する。特定の一実施形態では、傾斜したダイクロイック反射プレートは相互に積層された複数のダイクロイックフィルターを備え、ダイクロイックフィルターのそれぞれが、ダイクロイック反射プレートの法線に対して特定の角度で傾き得る。

特定の一実施形態では、それぞれ異なる色を有する少なくとも２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む色合成器が記述される。２つのＬＥＤから放射された光はコリメートされて実質的に重なったビームとなり、これら２つのＬＥＤからの光が合成されて共通の領域に、２つのＬＥＤから放射される光より小さいエテンデュと高い輝度とを有する合成光ビームとして、導かれる。

ＬＥＤは投影機を照明するために用い得る。ＬＥＤが特定の領域全体にわたって近似ランバート角度分布で光を放射することから、投影機の輝度は光源及び投影システムのエテンデュによって制約される。ＬＥＤ光源のエテンデュを減少させる一方法として、ダイクロイック反射体を用いることにより、空間的に重なってあたかも同一領域から放射されているかのように見える２つ以上のＬＥＤ色を形成する方法がある。通常、色合成器ではダイクロイック反射体を約４５度の角度で使用する。これは強い反射バンドシフトの原因となり、有用なスペクトル及びダイクロイック反射体の角度範囲を制限する。特定の一実施形態では本開示は、入射光ビームに対して垂直に近い角度のダイクロイック反射体を用いて異なる色のＬＥＤを合成する物品を記述する。

一態様では本開示は、異なる色光源からの出力を効率よく合成するコンパクトな方法を提供する。この方法は、コンパクトな投影システムのための光照射器に、特に有用であり得る。例えば、赤、緑、青ＬＥＤのリニアアレイを、予備的な光学系によって各ＬＥＤの出力を部分的にコリメートした上で、赤、緑、青光を別々の角度で反射するダイクロイック反射プレートを含んだ傾斜反射プレートアセンブリに入射させる。反射光はその後、コリメートされた合成色光ビームとして出力される。

３つのＬＥＤからなる構成は、当業者には理解される通り、黄色及び赤外光をはじめとする他の色に拡張することも可能である。ＬＥＤは、直線アレイ及び三角形アレイをはじめとする多様なパターンで配置され得る。光源はＬＥＤと組み合わされたレーザーを含んでもよいし、レーザーのみによるシステムに基づいてもよい。ＬＥＤは、少なくとも赤、緑、及び青の原色の短波長域を放射する１セットと、赤、緑、及び青の原色の長波長域を放射する第２のセットとからなってよい。また、光が混合される場所となる開口にフライアイアレイ（ＦＥＡ）を組み込むことによって、更なる色統合を得るようにしてもよい。これは、別に説明するように少なくとも１次元が２〜約２０のレンズを有する、１次元又は２次元レンズアレイから構成されてよい。

ＬＣｏＳを用いた携帯型投影システムは、低価格で高解像度のＬＣｏＳパネルの有用性のために一般的になってきている。ＬＥＤ照射ＬＣｏＳ投影機の素子のリストには、ＬＥＤ光源、任意の色合成器、任意の先行偏光システム、リレー光学系、ＰＢＳ、ＬＣｏＳパネル、及び投影レンズユニットが挙げられ得る。ＬＣｏＳを用いた投影システムの場合、投影機の効率及びコントラストは、ＰＢＳに入る光の偏光度に直接関連する。少なくともこの理由のために、反射／再循環光学系（reflection/recycling optic）又は偏光変換光学素子のいずれかを使用する先行偏光システムが多くの場合に必要とされる。

偏光ビームスプリッタ及び二分の一波長位相差板を使用する偏光変換方式は、ＰＢＳに偏光を供給するのに最も効率的な方法の１つである。偏光変換光を用いる１つの問題は、空間不均一性に難点があり、表示画像にアーティファクトをもたらし得ることである。したがって、偏光変換器を備えたシステムでは、別に説明するように均質化システムを備えることが望ましい場合がある。

特定の一実施形態では、画像投影機の光照射器は、放射される非偏光を偏光変換器に誘導する光源を含む。偏光変換器は、光を各偏光状態の２つの経路に分離する。２つの偏光状態のそれぞれの経路長はほぼ等しく、偏光した光ビームは、次いでモノリシックＦＥＡインテグレータを通過し得る。モノリシックＦＥＡインテグレータは、光線を発散させることができ、次に光線は、例えば、光線に画像を付与するための空間光変調器と、画像を画面に表示するための投影光学系とを使用することにより、更なる処理に誘導される。

場合によっては、光投影機は、非偏光光源（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は放電光）、偏光選択素子、第１の偏光空間変調器、及び第２の偏光選択素子を使用する。第１の偏光選択素子は、非偏光光源から放射された光の５０％を受け入れないため、偏光選択性投影機は、多くの場合に非偏光装置より効率が低いことがある。

偏光選択性投影機の効率を向上させる１つの手法は、光源と第１の偏光選択素子との間に偏光変換器を加えることである。一般に、当該技術分野において使用される偏光変換器の設計には２つの方法がある。第１の方法は、光源から放射される光を部分的に平行化し、部分的に平行化した光線にレンズのアレイを通過させ、各焦点に偏光変換器のアレイを配置することである。偏光変換器は、典型的には偏光選択性傾斜フィルム（例えば、マクニール偏光子、ワイヤグリッド偏光子、又は複屈折光学フィルム偏光子）を有する偏光ビームスプリッタを有し、反射偏光は傾斜した反射体により、反射光ビームが傾斜偏光選択性フィルムを透過した光線と平行に伝搬するように、反射される。偏光光線の一方又は他方のいずれかが二分の一波長位相差板を通過し、その結果、両方の光線が同じ偏光状態を有する。

非偏光ビームを単一偏光状態を有する光ビームに変換する別の手法は、光ビーム全体を傾斜偏光選択子に通し、分離したビームを反射体及び二分の一波長位相差板で調整して、単一偏光状態が放射されるようにすることである。偏光変換器を使用して偏光選択性空間光変調器を直接照射すると、照度及び色の不均一性がもたらされることがある。

特定の一実施形態では、偏光変換器にフライアイアレイ（ＦＥＡ）を組み込むことで、投影システム内における光を均質化することができる。偏光変換器の出力側はモノリシックＦＥＡを含み、光を均質化する。モノリシックＦＥＡの入力側及び出力側は同数のレンズを含み、出力側の各レンズは、入力側の対応するレンズのほぼ焦点に芯合わせされる。レンズは、円柱形、両凸面形、球面形、又は非球面形であってもよいが、多くの場合に球面レンズが好ましいことがある。フライアイインテグレータ及び偏光変換器により、別に説明するように投影機の照度及び色均一性を著しく向上させることができる。

図１Ａ〜１Ｃは、「ＴＩＬＴＥＤ ＤＩＣＨＲＯＩＣ ＣＯＬＯＲ ＣＯＭＢＩＮＥＲ Ｉ」と題して本出願と同日に出願した同時係属中の米国特許出願（代理人整理番号６６５３０ＵＳ００２）において提示した開示の一態様による、色合成器１００の概略断面図を示す。図１Ａ〜１Ｃにおいて色合成器１００は、第１のレンズ要素１１０及び第２のレンズ要素１２０を含む第１の集光光学系１０５を備える。第１の集光光学系１０５は光入力面１１４と、この光入力面１１４に垂直な光軸１０２とを備える。第１の光源１４０、第２の光源１５０、及び任意的な第３の光源１６０がそれぞれ、光入力面１１４に面した光入射面１０４上に配設されている。光出力領域１７０が光軸１０２上に位置し、光入射面１０４上に配設されている。第１、第２、及び任意的な第３の光源１４０、１５０、１６０はそれぞれ、光軸１０２からずれている。第１、第２、及び任意的な第３の光源１４０、１５０、１６０はそれぞれ、別に説明するように、第１の色光１４１、第２の色光１５１、及び任意的な第３の色光１６１をそれぞれ光入力面１１４に入射させるように配設されている。

特定の一実施形態では、色合成器１００は更に、光軸１０２に沿って第１の集光光学系１０５に面して配設されたダイクロイックプレート１３０を含み、第１のレンズ要素１１０及び第２のレンズ要素１２０がダイクロイックプレート１３０と光入力面１１４との間に位置するようになっている。ダイクロイックプレート１３０は光軸に対して傾斜角φで配設されることができ、第１の色光１４１を反射しその他の色光を全て透過させることができる第１のダイクロイック反射体１３２を含む。ダイクロイックプレート１３０は更に、第２の色光１５１を反射し、その他の色光を全て透過させることができる第２のダイクロイック反射体１３４を含む。ダイクロイックプレート１３０はまた、任意的な第３の色光１６１を反射することができる任意的な第３のダイクロイック反射体１３６を更に含む。場合によって、例えば、第１及び第２の光源１４０、１５０のみを含む（すなわち、任意的な第２の光源１６０が省略される）場合には、その他の波長（すなわち色）の光を透過させる必要がないことから、第２のダイクロイック反射体の代わりに広帯域鏡のような一般的な反射体とすることができる。場合によって、例えば、任意的な第３の光源１６０が含まれる場合には、他の色光が全て、第３の反射体１３６に達する前にすでに他のダイクロイック反射体によって反射されてしまうことから、任意的な第３のダイクロイック反射体１３６はやはり、広帯域鏡のような反射体とすることができる。

ダイクロイックプレート１３０は、第１、第２、及び任意的な第３のダイクロイック反射体１３２、１３４、１３６のそれぞれが、光軸１０２に対してそれぞれ第１のダイクロイック傾斜角α１、第２のダイクロイック傾斜角α２、及び第３のダイクロイック傾斜角α３で傾斜するように形成される。場合によっては、例えば図１Ａ〜１Ｃに示すように、第１のダイクロイック傾斜角α１はダイクロックプレート傾斜角φと同一であり得るが、これはまた、異なっていてもよい。第１、第２、及び第３のダイクロイック傾斜角α１、α２、α３はそれぞれ、別に説明するように、第１、第２、及び任意的な第３の光源１４０、１５０、１６０からの各反射ビームを光出力領域１７０を通して導くように選択され得る。

特定の一実施形態では、第１の集光光学系１０５は、第１、第２、及び任意的な第３の光源１４０、１５０、１６０から放射される光をコリメートする機能を果たす光コリメータであり得る。第１の集光光学系１０５は、１つのレンズを含む光コリメータ（図示せず）、２つのレンズを含む光コリメータ（図示せず）、回析光学素子（図示せず）、又はこれらの組み合わせを含み得る。２つのレンズを含む光コリメータは、光入力面１１４の反対側に配設された第１の凸面１１２を含む、第１のレンズ要素１１０を有する。第２のレンズ要素１２０は、第１の凸面１１２に面した第２の表面１２２と、第２の表面１２２の反対側の第３の凸面１２４とを含む。第２の表面１２２は、凸面、平面、及び凹面から選択され得る。

図１Ａを参照すると、第１の光源１４０からの第１の色光１４１の経路を、色合成器１００を通してたどることができる。第１の色光１４１は、第１の光伝播方向を進む第１の中心光線１４２と、第１の入力光コリメーション角θ１ｉ内の光錐（その境界が第１の境界光線１４４、１４６によって表される）とを含む。第１の中心光線１４２は第１の光源１４０から光入力面１１４に、光軸１０２にほぼ平行に入射し、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０を通過して、図に示すように反射ビームが光軸１０２に一致するように第１のダイクロイック反射体１３２から反射する。第１の境界光線１４４、１４６はそれぞれ、光軸１０２に対してほぼ第１の入力光コリメーション角θ１ｉとなる方向で光入力面１１４に入射し、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０を通過して、図に示すように反射ビームが光軸１０２にほぼ平行になるように、第１のダイクロイック反射体１３２から反射する。図１Ａから分かるように、集光光学系１０５は、第１の光源１４０からダイクロイックプレート１３０へと通過する第１の色光１４１をコリメートする機能を果たす。

第１の中心光線１４２及び第１の境界光線１４４、１４６はそれぞれ、第１のダイクロイック反射体１３２から反射し、光軸１０２に平行で同軸に中心をおくコリメート光線として、集光光学系１０５を通して逆行する。図１Ａに示す特定の一実施形態では、コリメート光線は、第１の出力コリメーション角θ２ｏを有する第１の色光ビーム１４８として光出力領域１７０を通して色合成器１００を出るように、収束する。

図１Ｂを参照すると、第２の光源１５０からの第２の色光１５１の経路を、色合成器１００を通してたどることができる。第２の色光１５１は、第２の光伝播方向を進む第２の中心光線１５２と、第２の入力光コリメーション角θ２ｉ内の光錐（その境界が第２の境界光線１５４、１５６によって表される）とを含む。第２の中心光線１５２は第２の光源１５０から光入力面１１４に、光軸１０２にほぼ平行に入射し、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０を通過して、図に示すように反射ビームが光軸１０２に一致するように第２のダイクロイック反射体１３２から反射する。第２の境界光線１５４、１５６はそれぞれ、光軸１０２に対してほぼ第２の入力光コリメーション角θ２ｉとなる方向で光入力面１１４に入射し、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０を通過して、図に示すように反射ビームが光軸１０２にほぼ平行になるように、第２のダイクロイック反射体１３４から反射する。図１Ｂから分かるように、集光光学系１０５は、第２の光源１５０からダイクロイックプレート１３０へと通過する第２の色光１５１をコリメートする機能を果たす。

第２の中心光線１５２及び第２の境界光線１５４、１５６はそれぞれ、第２のダイクロイック反射体１３４から反射し、光軸１０２に平行で同軸に中心をおくコリメート光線として、集光光学系１０５を通して逆行する。図１Ｂに示す特定の一実施形態では、コリメート光線は、第２の出力コリメーション角θ２ｏを有する第２の色光ビーム１５８として光出力領域１７０を通して色合成器１００を出るように、収束する。

図１Ｃを参照すると、任意的な第３の光源１６０からの任意的な第３の色光１６１の経路を、色合成器１００を通してたどることができる。任意的な第３の色光１６１は、第３の光伝播方向を進む第３の中心光線１６２と、第３の入力光コリメーション角θ３ｉ内の光錐（その境界が第３の境界光線１６４、１６６によって表される）とを含む。第３の中心光線１６２は任意的な第３の光源１６０から光入力面１１４に、光軸１０２にほぼ平行に入射し、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０を通過して、図に示すように反射ビームが光軸１０２に一致するように、第３のダイクロイック反射体１３６から反射する。第３の境界光線１６４、１６６はそれぞれ、光軸１０２に対してほぼ第３の入力光コリメーション角θ３ｉとなる方向で光入力面１１４に入射し、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０を通過して、図に示すように反射ビームが光軸１０２にほぼ平行になるように、第３のダイクロイック反射体１３６から反射する。図１Ｃから分かるように、集光光学系１０５は、任意的な第３の光源１６０からダイクロイックプレート１３０へと通過する任意的な第３の色光１６１をコリメートする機能を果たす。

第３の中心光線１６２及び第３の境界光線１６４、１６６はそれぞれ、第３のダイクロイック反射体１３６から反射し、光軸１０２に平行で同軸に中心をおくコリメート光線として、集光光学系１０５を通して逆行する。図１Ｃに示す特定の一実施形態ではコリメート光線は、第３の出力コリメーション角θ３ｏを有する任意的な第３の色光ビーム１６８として光出力領域１７０を通して色合成器１００を出るように、収束する。

特定の一実施形態では、第１、第２、及び第３の入力コリメーション角θ１ｉ、θ２ｉ、θ３ｉはいずれも同一であってよく、第１、第２、及び任意的な第３の入力光源１４０、１５０、１６０のそれぞれに関連する入射光学系（図示せず）によってこれらの入力コリメーション角を約１０度〜約８０度、又は約１０度〜約７０度、又は約１０度〜約６０度、又は約１０度〜約５０度、又は約１０度〜約４０度、又は約１０度〜約３０度又はそれ以下に制限することができる。場合によっては、集光光学系１０５及びダイクロイックプレート１３０を、第１、第２、及び第３の各出力コリメーション角θ１ｏ、θ２ｏ、θ３ｏが同一で、しかも対応する入力コリメーション角と実質的に等しくなり得るように、形成することができる。特定の一実施形態では、各入力コリメーション角は約６０〜約７０度の範囲となり、各出力コリメーション角もまた約６０〜約７０度の範囲となる。

図１Ａ〜１Ｃの開示は、出力される第１、第２、及び第３の色光ビーム１４８、１５８、１６８（すなわち合成出力光）がダイクロイックプレート１３０から反射後に光入力面１１４の光出力領域１７０を通して逆行する、色合成器１００について記述する。図１Ａ〜１Ｃにおいて、色合成器１００は更に、第２のレンズ要素１２０上に設定されたＡ−Ａ’断面を含むが、これについては第２図を参照して後述する。本開示は、第２のレンズ要素１２０を去る光のコリメート性を維持する出力光経路を提供し、合成出力光は光出力領域１７０を通過するのではなく、第１の集光光学系１０５の外部の他の光学素子に向けて導かれる。このような特定の実施形態では、合成出力光はもはや光入力面１１４を通過しないことから、第１、第２、及び任意的な第３の各光源１４０、１５０、１６０は光入射面１０４上のいずれの位置に配設されてもよく、特に光源の少なくとも１つは光軸１０２上に配設されてよい。

図２は、図１Ａ〜１ＣのＡ−Ａ’断面に付加される、本開示の一態様による色合成要素２００の概略断面図を示す。図２に示される各要素１０２〜１３６は、先に述べた図１Ａ〜１Ｃに示された同一番号の要素１０２〜１３６に対応している。図１Ａ〜１Ｃの第２のレンズ要素１２０の第３の凸レンズ表面１２４の一部が示されており、ダイクロイックプレート１３０が、光軸１０２に対して傾斜角φで傾いたものとして示されている。図２から分かるように、ダイクロイックプレート１３０からの反射光が第１の集光光学系１０５を通して戻らないように、傾斜角φを大きくしてある。場合により、傾斜角φはほぼ４５度であってもよく、第１、第２、及び任意的な第３の色光１４１、１５１、及び１６１はそれぞれ対応する第１、第２、又は第３のダイクロイック反射体１３２、１３４、１３６から、出力色合成光ビーム２８０のコリメーションを維持する出力方向２８１に反射される。色合成器２００の瞳１２８が、第３の凸レンズ面１２４と第１のダイクロイック反射体１３２との間に位置するものとして、示されている。

図３は、本開示の一態様による画像投影機１の概略図を示す。画像投影機１は、部分的にコリメートされた合成色光出力２４を均質化偏光変換器モジュール３０に入射させることができる色合成器モジュール１０を含み、部分的にコリメートされた合成色光出力２４はここで変換されて均質化偏光４５となり、均質化偏光変換器モジュール３０を出て画像生成器モジュール５０に入る。画像生成器モジュール５０が撮像光６５を出力し、この撮像光６５が投影モジュール７０に入り、そこで投影撮像光８０となる。

一態様では色合成器モジュール１０は、別に説明するように、色合成器２００を通して入力される、波長スペクトルの異なる入力光源を含む。色合成器２００は、別に説明するように、波長スペクトルの異なる光を含む、部分的にコリメートされた合成色光出力２４を生成する。

一態様では、入力光源は非偏光であり、部分的にコリメートされた合成色光出力２４もまた非偏光である。部分的にコリメートされた合成色光出力２４は、複数の光波長スペクトルを含む多色合成光であり得る。部分的にコリメートされた合成色光出力２４は、受けた光のそれぞれの時分割出力であってもよい。一態様では、異なる波長スペクトル光のそれぞれは、異なる色光（例えば、赤色、緑色、及び青色）に相当し、合成光出力は白色光、又は時分割された赤色、緑色、及び青色光である。本明細書に提供される説明のために、「色光」及び「波長スペクトル光」は、両方とも、人間の目に可視的である場合に、特定の色と関連付けられ得る波長スペクトル範囲を有する光を意味することが意図される。より一般的な「波長スペクトル光」という用語は、可視光、及び例えば、赤外光を含む、他の波長スペクトルの光の両方を指す。

一態様によると、各入力光源は、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。様々な光源、例えば、レーザー、半導体レーザー、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、並びに適切な集光器及び反射体を備えた超高圧（ＵＨＰ）ハロゲンランプ又はキセノンランプなどの非固体光源を使用することができる。本発明で有用な光源、光コリメータ、レンズ、及び光インテグレータは、例えば、米国特許出願公開第２００８／０２８５１２９号に更に記載されており、その開示は全体として本明細書に含まれる。

一態様では、均質化偏光変換器モジュール３０は、非偏光で部分的にコリメートされた合成色光出力２４を均質化偏光４５に変換することができる、偏光変換器４０を含む。均質化偏光変換器モジュール３０は更に、レンズのモノリシックアレイ４２、例えば、均質化偏光４５として均質化偏光変換器モジュール３０を出る部分的にコリメートされた合成色光出力２４を均質化してその均一性を向上させることができる、別に説明するような任意的なレンズのモノリシックＦＥＡを含んでもよい。偏光変換器モジュール３０に関連した任意的なＦＥＡの代表的な構成は、例えば、同時係属中の「ＦＬＹ ＥＹＥ ＩＮＴＥＧＲＡＴＯＲ ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ」と題された米国特許出願第６１／３４６１８３号（代理人整理番号６６２４７ＵＳ００２、２０１０年５月１９日出願）、「ＰＯＬＡＲＩＺＥＤ ＰＲＯＪＥＣＴＩＯＮ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＯＲ」と題された米国特許出願第６１／３４６１９０号（代理人整理番号６６２４９ＵＳ００２、２０１０年５月１９日出願）、及び「ＣＯＭＰＡＣＴ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＯＲ」と題された米国特許出願第６１／３４６１９３号（代理人整理番号６６３６０ＵＳ００２、２０１０年５月１９日出願）に記述されている。

一態様では、画像生成器モジュール５０は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５６、代表的な撮像光学系５２、５４、及び空間光変調器５８を含み、これらが協働して均質化偏光４５を撮像光６５に変換する。好適な空間光変調器（すなわち画像生成器）はすでに、例えば、米国特許第７，３６２，５０７号（Ｄｕｎｃａｎら）、同第７，５２９，０２９号（Ｄｕｎｃａｎら）、米国特許出願公開第２００８−０２８５１２９−Ａ１号（Ｍａｇａｒｉｌｌら）に、また国際特許公開第２００７／０１６０１５号（Ｄｕｎｃａｎら）にも、記載されている。特定の実施形態では、均質化偏光４５は任意的なＦＥＡの各レンズに端を発する発散光である。撮像光学系５２、５４、及びＰＢＳ ５６を通過した後、均質化偏光４５は、空間光変調器を均一に照射する撮像光６０になる。特定の一実施形態では、任意的なＦＥＡの各レンズからの各発散光線束は、個々の発散光線束が互いに重なり合うように空間光変調器５８の主要部分を照射する。

一態様では、投影モジュール７０は、撮像光６５を投影光８０として投影するのに使用可能な、代表的な投影光学系７２、７４、７６を含む。好適な投影光学系７２、７４、７６はすでに記述されており、当業者には周知である。

以下に、本開示の実施形態を列記する。

第１項目は、光入力面及び光軸を有する第１の集光光学系と、第１及び第２の色光を光入力面に入射させるように配設された第１及び第２の光源であって、これら第１及び第２の光源の少なくとも１つが光軸からずれた、第１及び第２の光源と、第１の集光光学系に面し光入力面の反対側に配設されかつ光軸に対して傾いた角度で配設されたダイクロイックプレートであって、第１の色光を反射しその他の色光を透過させることができる第１のダイクロイック反射体、及び第２の色光を反射することができる第２の反射体を含む、ダイクロイックプレートと、を含み、第１のダイクロイック反射体及び第２の反射体がそれぞれ、第１及び第２の両色光が特定の出力方向に反射されように傾斜し、これら第１及び第２の色光が合成色光ビームを形成する、色合成器である。

第２項目は、第１の集光光学系が光コリメーション光学系を含む、第１項目に記載の色合成器である。

第３項目は、光コリメーション光学系が、１つのレンズを用いた設計、２つのレンズを用いた設計、回析光学素子、又はこれらの組み合わせを含む、第２項目に記載の色合成器である。

第４項目は、第１の集光光学系が、光入力面と反対側の第１の凸面を有する第１のレンズと、第１の凸面に面した第２の表面及び第２の表面と反対側の第３の凸面を有する第２のレンズと、を含む、第１項目〜第３項目に記載の色合成器である。

第５項目は、第１及び第２の各色光が第１の広がり角を備え、合成ビームが第２の広がり角を備え、第２の広がり角が約２０度未満の角からなる、第１項目〜第４項目に記載の色合成器である。

第６項目は、第２の反射体が広帯域鏡からなる、第１項目〜第５項目に記載の色合成器である。

第７項目は、第２の反射体が、第２の色光を反射しその他の色光を透過させることができる第２のダイクロイック反射体からなる、第１項目〜６項目に記載の色合成器である。

第８項目は、光軸からずれて第３の色光を光入力面に入射させるように配設された第３の光源を更に含み、ダイクロイックプレートが、第３の色光を反射して光出力方向に合成色光ビームとして出るようにすることができる第３の反射体を更に含む、第１項目〜第７項目に記載の色合成器である。

第９項目は、第３の反射体が広帯域鏡からなる、第８項目に記載の色合成器である。

第１０項目は、第３の反射体が、第３の色光を反射しその他の色光を透過させることができる第３のダイクロイック反射体からなる、第８項目に記載の色合成器である。

第１１項目は、第２の広がり角が約１５度未満の角からなる、第５項目〜第１０項目に記載の色合成器である。

第１２項目は、第２の広がり角が約１２度未満の角からなる、第５項目〜第１１項目に記載の色合成器である。

第１３項目は、第１の凸面、第１の凸面と反対側の光入力面、及び光軸を有する第１のレンズと、光軸上に中心をおく第２のレンズであって、第１の凸面に面する第２の表面、及び第２の表面と反対側の第３の凸面を有する、第２のレンズと、第１、第２、及び第３の光源であって、これら第１、第２、及び第３の光源の少なくとも２つが光軸からずれており、第１、第２、及び第３の色光を光入力面に入射させるように配設された、第１、第２、及び第３の光源と、第３の凸面に面し光軸に対して傾いた角度で配設されたダイクロイックプレートであって、第１の色光を反射し第２及び第３の色光を透過させることができる第１のダイクロイック反射体、第２の色光を反射し第３の色光を透過させることができる第２のダイクロイック反射体、並びに第３の色光を反射することができる第３の反射体を備える、ダイクロイックプレートと、を含み、第１のダイクロイック反射体、第２のダイクロイック反射体、及び第３の反射体がそれぞれ、第１、第２、及び第３の各色光が特定の出力方向に反射されるように傾斜し、これら第１、第２、及び第３の色光が合成色光ビームを形成する、色合成器である。

第１４項目は、第１、第２、及び第３の各色光が第１の広がり角を備え、合成ビームが第２の広がり角を備え、第２の広がり角が約２０度未満の角からなる、第１３項目に記載の色合成器である。

第１５項目は、第３の反射体が広帯域鏡からなる、第１３項目又は第１４項目に記載の色合成器である。

第１６項目は、第３の反射体が、第３の色光を反射しその他の色光を透過させることができる第３のダイクロイック反射体である、第１３項目〜第１５項目に記載の色合成器である。

第１７項目は、第２の広がり角が約１５度未満の角からなる、第１４項目〜第１６項目に記載の色合成器である。

第１８項目は、第２の広がり角が約１２度未満の角からなる、第１４項目〜第１７項目に記載の色合成器である。

第１９項目は、第１項目〜第１８項目の色合成器と、第１、第２、及び第３の色光を受けて偏光した第１、第２、及び第３の色光を出力するように配設された偏光変換器と、偏光した第１、第２、及び第３の色光に画像を付与するように配設された空間光変調器と、投影光学系と、を含む、画像投影機である。

第２０項目は、空間光変調器が液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）表示装置又は透過型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含む、第１９項目の画像投影機である。

指示がない限り、本明細書及び請求項で使用される特性となる大きさ、量、及び物理特性を示す全ての数字は、「約」と言う用語によって修飾されることを理解されたい。それ故に、別の指示がない限りは、本明細書及び添付の請求項に説明される数字のパラメータは近似値であり、本明細書に開示された教示を使用して当業者が獲得しようとする所望の特性に応じて変化し得る。

本明細書に引用したすべての参照文献及び刊行物は、本開示と直接矛盾しうる場合を除いて、それらの全容を本開示に明確に援用するものである。以上、本明細書において特定の実施形態について図示及び説明してきたが、当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な代替的及び／又は同等の実施形態を、図示及び説明した特定の実施形態に置き換えることが可能である点は認識されるであろう。本出願は、本明細書において考察した特定の実施形態のあらゆる適合形態又は変形形態を網羅するものである。したがって、本開示は特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されるものとする。

Claims (20)

1. 色合成器であって、
   光入力面及び光軸を有する第１の集光光学系と、
   第１及び第２の色光を前記光入力面に入射させるように配設された第１及び第２の光源であって、前記第１及び第２の光源の少なくとも１つが前記光軸からずれた、第１及び第２の光源と、
   前記第１の集光光学系に面して前記光入力面の反対側に配設され、かつ前記光軸に対して傾いた角度で配設されたダイクロイックプレートであって、ダイクロイックプレートが、
   前記第１の色光を反射しその他の色光を透過させることができる第１のダイクロイック反射体、及び
   前記第２の色光を反射することができる第２の反射体を含む、ダイクロイックプレートと、
   を含み、前記第１のダイクロイック反射体及び前記第２の反射体がそれぞれ、前記第１及び第２の両色光が特定の出力方向に反射するように傾斜し、該第１及び第２の色光が合成色光ビームを形成する、色合成器。
2. 前記第１の集光光学系が光コリメーション光学系を含む、請求項１に記載の色合成器。
3. 前記光コリメーション光学系が、１つのレンズを用いた設計、２つのレンズを用いた設計、回析光学素子、又はこれらの組み合わせを含む、請求項２に記載の色合成器。
4. 前記第１の集光光学系が、
   前記光入力面と反対側の第１の凸面を有する第１のレンズと、
   前記第１の凸面に面した第２の表面及び該第２の表面と反対側の第３の凸面を有する第２のレンズと、
   を含む、請求項１に記載の色合成器。
5. 前記第１及び第２の各色光が第１の広がり角を備え、前記合成色光ビームが第２の広がり角を備え、該第２の広がり角が約２０度未満の角からなる、請求項１に記載の色合成器。
6. 前記第２の反射体が広帯域鏡からなる、請求項１に記載の色合成器。
7. 前記第２の反射体が、前記第２の色光を反射しその他の色光を透過させることができる第２のダイクロイック反射体からなる、請求項１に記載の色合成器。
8. 第３の色光を前記光入力面に入射させるように配設された第３の光源を更に含み、前記ダイクロイックプレートが、前記第３の色光を反射して前記光出力方向に前記合成色光ビームとして出るようにすることができる第３の反射体を更に含む、請求項１に記載の色合成器。
9. 前記第３の反射体が広帯域鏡からなる、請求項８に記載の色合成器。
10. 前記第３の反射体が、前記第３の色光を反射しその他の色光を透過させることができる第３のダイクロイック反射体からなる、請求項８に記載の色合成器。
11. 前記第２の広がり角が約１５度未満の角からなる、請求項５に記載の色合成器。
12. 前記第２の広がり角が約１２度未満の角からなる、請求項５に記載の色合成器。
13. 色合成器であって、
    第１の凸面、該第１の凸面と反対側の光入力面、及び光軸を有する第１のレンズと、
    前記光軸上に中心をおく第２のレンズであって、前記第１の凸面に面する第２の表面、及び該第２の表面と反対側の第３の凸面を有する、第２のレンズと、
    第１、第２、第３の光源であって、該第１、第２、及び第３の光源の少なくとも２つが前記光軸からずれており、第１、第２、及び第３の色光を前記光入力面に入射させるように配設された、第１、第２、及び第３の光源と、
    前記第３の凸面に面し前記光軸に対して傾いた角度で配設されたダイクロイックプレートであって、前記ダイクロイックプレートが、
    前記第１の色光を反射し前記第２及び第３の色光を透過させることができる第１のダイクロイック反射体と、
    前記第２の色光を反射し前記第３の色光を透過させることができる第２のダイクロイック反射体と、
    前記第３の色光を反射することができる第３の反射体と、を備える、ダイクロイックプレートと、
    を含み、前記第１のダイクロイック反射体、前記第２のダイクロイック反射体、及び前記第３の反射体がそれぞれ、前記第１、第２、及び第３の各色光が特定の出力方向に反射されるように傾斜し、該第１、第２、及び第３の色光が合成色光ビームを形成する、色合成器。
14. 前記第１、第２、及び第３の各色光が第１の広がり角を備え、前記合成色光ビームが第２の広がり角を備え、該第２の広がり角が約２０度未満の角からなる、請求項１３に記載の色合成器。
15. 前記第３の反射体が広帯域鏡からなる、請求項１３に記載の色合成器。
16. 前記第３の反射体が、前記第３の色光を反射しその他の色光を透過させることができる第３のダイクロイック反射体からなる、請求項１３に記載の色合成器。
17. 前記第２の広がり角が約１５度未満の角からなる、請求項１４に記載の色合成器。
18. 前記第２の広がり角が約１２度未満の角からなる、請求項１４に記載の色合成器。
19. 画像投影機であって、
    請求項１又は１３に記載の色合成器と、
    前記第１、第２、及び第３の色光を受けて偏光した第１、第２、及び第３の色光を出力するように配設された偏光変換器と、
    前記偏光した第１、第２、及び第３の色光に画像を付与するように配設された空間光変調器と、
    投影光学系と、
    を含む、画像投影機。
20. 前記空間光変調器が、液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）表示装置又は透過型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含む、請求項１９に記載の画像投影機。

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