JP4653129B2

JP4653129B2 - ライトバルブ均等照射装置

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Publication number: JP4653129B2
Application number: JP2007042000A
Authority: JP
Inventors: マガリルシモン
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1994-06-28
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-03-16
Also published as: JPH08234109A; EP1306697A1; JP2007141865A; US6332688B1; DE69529866T2; DE69529866D1; EP0691552B1; US5625738A; EP0691552A3; TW338801B; JP3954624B2; EP0691552A2; JP2006171725A

Description

本発明は光源からの光を均等化し、その光をライトバルブに照射する光学装置に関するものである。特に、光透過トンネルからなる光学装置を利用して分散光源から入力された非均質光をライトバルブに均等に照射する装置に関するものである。

近年、液晶表示技術や変形自在ミラー装置技術の投射装置への応用にはかなりの関心が集まっている。このような分野ではライトバルブ（light valve ）、すなわち、液晶ディスプレイや変形自在ミラー装置に均等に光を照射しないと均一な投影像を安定して出力することができない。ほとんど分野について言えることだが、投射装置の設計スペックにはスペースの制限、つまり、光源とライトバルブの間の距離といった制約がある。従って、ライトバルブと照明系を限られたスペース内に納めなくてはならない。液晶装置や変形自在ミラー装置のように赤外線や紫外線に感応するライトバルブの場合、スペース上の制限があると光ビームからこれらの波長を効率的に取り除く必要が生じる。

このように、ライトバルブの有効領域全体に光を均等に照射する小型ライトバルブ照射装置が必要とされている。さらに、光パワーを効率的に利用し、ライトバルブから赤外線や紫外線を分離するライトバルブ照射装置も要望されている。また、市場での競争力をつけるため投射装置の低コスト化や軽量化も必要とされている。

光透過トンネルはPritchardの特許文献１に紹介されている。この特許の説明では、「高精度光学装置製造業者によれば寸法比は約５：１を越えてはならず（第２カラム、第19-22 行）、このような制限があると長さが増すほど光トンネルの重量も非常に増大することになる（第２カラム、第26-28 行）」とあり、光透過トンネルの仕様は大変厳しすぎてライトバルブ照射装置に簡単に取り入れることはできない。

また、Jainの特許文献２に開示されている装置は「強度が均等な光ビームの断面形状を選択する方法と装置に関するもので、選択した開口数でこの装置自体が発光する（第１カラム、第11-14 行）。しかしながら、この特許の中の方法の説明に関する部分で述べているように、ポリゴン開口、光拡大トリミング補助装置、レーザー、第２光源、その他多数の部品を用いているためこの装置は構造が複雑で高価なものになっている（1.48, 第４カラム第48行−第５カラム第32行）」とある。

本発明は上記従来技術の有する課題及び要望に鑑みてなされたものであり、その目的は、費用効果的であり、様々な大きさや形の光源から発せられた光を効率的に利用しながら動作することができ、通常投射装置や表示装置に課されているスペース上の制約内で正しく機能することができる簡素で低価格の光均等化（均質化）透過装置を提供することにある。
米国特許第３、１７０、９８０号米国特許第５、０５９、０１３号

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係るライトバルブ均等照射装置は、
光源と、
光透過トンネルであって、反射壁と、トンネル内の短い辺の長さがNである矩形断面形状と、長さＬと、入射端と、出射端とからなる光透過トンネルと、
前記光源からの光を前記入射端上に光点の形に集束させる手段であって、当該集束手段の開口角はuで、前記光点の最大断面寸法はＤで、この寸法Ｄは前記短い辺の長さＮ以下で、前記長さＬ、トンネル内の短い辺の長さＮ、開口角uは次式
Ｌ＝ｋ^＊Ｎ/tan(u)
で表されるもので、ここでｋは約1.5 - 3の範囲内の定数である集束手段と、
前記出射端に配置されていて、前記光透過トンネルを透過した光が入射する有効領域を備えたライトバルブとから構成されていることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る矩形ライトバルブ均等照射装置は、
光源と、
矩形断面形状、光反射内壁、入射端、出射端を備えた光透過トンネルであって、前記出射端のアスペクト比は前記ライトバルブのアスペクト比に等しく、当該光透過トンネルの長さは、円錐光が入射した時に出射光の集積率(integration factor)が約８５％以上になると共に当該光透過トンネル内でのパワー透過率が約８５％以上となるような長さである、光透過トンネルと、
前記光透過型トンネルから出射された光を前記ライトバルブへと中継する中継手段とから構成されていることを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る多ライトバルブ均等照射装置は、
光源と、
複合光透過トンネルで構成されており、
当該複合光透過トンネルは、
前記光源からの光を反射する内壁と、入射端と、出射端をそれぞれ備えた複数のセグメントであって、前記入射端と出射端は矩形断面形状をしているセグメントと、
複数のジョイント部材であって、当該ジョイント部材は入射端が１つと、第１及び第２出射端と、当該ジョイント部材の中に固定配置されるフィルターガイド手段をそれぞれ有しており、当該ジョイント部材の出射端に入射した一定の範囲の光波長は、前記フィルターガイド手段によって反射されて前記第１の出射端から出射される第１のサブレンジ波長と、前記フィルターガイド手段を透過して前記第２出射端から出射される第２サブレンジ波長に分けられる、ジョイント部材とからなり、
前記セグメントのうちの第１セグメントは、前記光源からの光を前記入射端で受光するよう固定配置されており、
前記ジョイント部材のうち第１ジョイントの前記入射端は、前記第１セグメントの前記出射端に固定接続されており、
前記セグメントのうち第２セグメントの前記入射端は、前記第１ジョイントの前記第１出射端に固定接続されており、
前記セグメントのうち第３セグメントの前記入射端は、前記第１ジョイントの前記第２出射端に固定接続されており、
前記ジョイント部材のうち第２ジョイントの前記入射端は、前記第２セグメントの前記出射端に固定接続されており、
前記ジョイント部材のうち第３ジョイントの前記入射端は、前記第３セグメントの前記出射端に固定接続されており、
前記セグメントのうち第４セグメントの前記入射端は、前記第２ジョイント部材の前記第１出射端に固定接続されており、
前記セグメントのうち第５セグメントの前記入射端は、前記第２ジョイント部材の前記第２出射端に固定接続されており、
前記セグメントのうち第６セグメントの前記入射端は、前記第３ジョイント部材の前記第１出射端に固定接続されており、
前記第４、第５、第６セグメントの前記出射端には、有効領域を有したライトバルブがそれぞれ固定配設されており、当該有効領域は前記第４、第５、第６セグメントからの光でほぼ均等に照射されることを特徴とする。

本発明の第４の態様に係る、光源からの光を集束させてターゲットに集束光を照射させるミラーアセンブリは、
反射凹面と、近焦点、遠焦点、切頭面での円形エッジとを有した切頭楕円形ミラーと、
焦点と、反射凹面と、大径円形エッジと、小径円形エッジとを有した第１環状パラボラミラーであって、当該環状パラボラミラーの前記小径円形エッジは前記楕円形ミラーの前記円形エッジに接続されている、第１環状パラボラミラーと、
焦点と、反射凹面と、大径円形エッジと、小径円形エッジとを有した第２環状パラボラミラーであって、当該第２環状パラボラミラーの前記大径円形エッジは前記第１環状パラボラミラーの前記大径円形エッジに接続されており、前記第２パラボラミラーの前記反射面は前記楕円形ミラーの前記反射面に面している、第２環状パラボラミラーとから構成されており、
前記楕円形ミラーの前記近焦点と、前記第１及び第２パラボラミラーの各焦点はほぼ一致しており、また、前記光源の幾何学的中心にもほぼ一致していることを特徴とする。

本発明は上記のように態様に応じて異なる構成を有している。

本発明の第１の態様におけるライトバルブ均等照射装置においては、光源からの光を光トンネルに集束させる。本発明の好適な態様においては、この光トンネルは直角平行六面体の形にする。集束手段は、１または複数のレンズまたはミラーで構成してもよい。例えば、光源は切頭楕円形ミラーの一方の焦点に配置する。そして、球面から取り出した環形ミラーを前記切頭楕円形ミラーの開口部近傍にさらに配置してもよい。この環形ミラーの凹面で反射された光は楕円形ミラーの中へ戻るため、光源からさらに集められた光は光トンネルへと送られる。球状セグメントの焦点は楕円形ミラーの一方の焦点と一致している。

好ましくは、ミラー装置は、第１環状パラボラで構成する。この第１環状パラボラミラーと楕円ミラーをそれぞれエッジ部分が接するように配置すると、当該第１環状パラボラミラーの反射面は楕円形ミラーの反射面と連続になる。当該第１環状パラボラミラーの焦点は前記楕円形ミラーの前記一方の焦点に一致している。第２の環状パラボラミラーはその反射面が反射楕円面に対向しており、また、焦点が前記第１パラボラミラーの焦点と一致している。この第２環状パラボラミラーをその環状部分のエッジと前記第１環状パラボラミラーの環状部分のエッジとが接するように配置する。最後のミラーエレメントは球状エレメントで上記と同様の構成をしており、前記第２の環状パラボラミラーとは間隔をおいて対称的に配置されている。パラボラ及び球状ミラーに形成されている環状開口部は、楕円形ミラーから反射された円錐状の光が通過できるように選択する。

光トンネルの入射端面に集束された光点は通常は円形をしており、その径をＤで表す。この光点は、例えば、長円あるいは周辺部分が不規則な一般的な形であってもよい。この場合は、Ｄは光トンネルの入射端面上の光点の最大直線寸法を表す。また、光トンネルの断面に垂直な線と焦点へ集束する光線とがなす最大角をuとする。この角度uは集束手段の開口角である。光トンネルは壁で構成されており、その断面形状は矩形になっている。また、この光トンネルの長さはＬで、トンネル内の矩形の小さい方辺の長さはＮである。これらN,L,uの関係は次式で表される。すなわち、
Ｌ＝ｋ^＊N/tan(u)
ここで、ｋは定数で約1.5-3の範囲である。このような関係があるため光トンネルの壁で光はほぼ複数回反射される。このように光が複数回反射されると出射端まで光トンネル内を通過する過程でビームは均一化される。出射端にはライトバルブが配置されていて光トンネルから出射された光を受光するようになっている。

開口角uから導き出される光トンネルからの光線の最大出射角は、通常は開口角u以下である。

本発明の実施例においては、光トンネル出射端とライトバルブとの間に出射光学装置を設けている。この光学装置はライトバルブ上に出射光の像を形成するものである。この出射光学装置は１または複数のレンズで構成されており、光トンネル出射端の像を拡大あるいは縮小させてライトバルブのほぼ有効領域全体に像がくるようにする。ライトバルブの有効領域とは、ライトバルブに入射する光またはライトバルブを通過する光の方向及び強度を制御自在に変化させることができるライトバルブ内の領域のことである。この出射光学装置は光トンネルから出射されるほぼ全ての光を集めることができるような開口を備えるように設計されている。つまり、出射光学装置の入射開口角はu以上である。

光トンネルは、光源からの光を内面で反射するのであれば中空のチューブでもよい。このチューブの断面形状はライトバルブの有効領域の形と同じ形とする。矩形ライトバルブの場合、光トンネルは直角な平行六面体であり、その断面アスペクト比はライトバルブの有効領域のアスペクト比にほぼ等しくなる。

本発明の他の態様においては、光源からの光に対して透明な材料で光トンネル内を充填してもよい。光トンネル内に充填される材料の屈折率は壁面近傍での屈折率よりも大きく、また、充填材に隣接する壁と光トンネルの充填材を通過する光とがなす最大角が全内反射の臨界角以下であるため、透明充填材の中で全内反射が生じる。この充填材は、どのような番号のガラスまたはプラスチック組成物でもよく、例えば、Bourns Optical Glass社から販売されているＢＫ７ガラスや、Rohm&HASS社から販売されているV825といったアクリルプラスチックなどでもよい。

本発明の他の態様においては、光トンネルの壁部は入射端から出射端の方向へ断面が均等に変化するよう均等にテーパー加工する。図２aには矩形光トンネルが均等にテーパー加工されている様子が示されている。このテーパー処理の特徴は、矩形光トンネルのそれぞれの面が図２aに示す角度１８でテーパー加工されていることにある。本発明の一態様において、光トンネルの壁部は、面積の小さな入射端から面積の大きな出射端の方向へテーパー加工されている。この実施例
のテーパー加工では光トンネルの出射端側での開口角が入射端側での開口角よりも小さくなる。

さらに、本発明の他の態様においては、ライトバルブ均等照射装置は、光源と、断面形状が矩形で、光源からの光を壁部内面で反射する中空光透過トンネルとから構成されている。光トンネルの長さＬ、トンネル内矩形の短い辺の長さN、開口角uは次のような等式で表される。

Ｌ＝ｋ^＊Ｎ/tan(u)
ここで、ｋは約1.5-3の範囲の定数である。矩形光トンネルの出射端のアスペクト比Ｍ／Ｎは、光トンネルの出射端から出射された光を受光するライトバルブの矩形有効領域Ｐ／Ｑのアスペクト比にほぼ等しい。

本発明のライトバルブ均等照射装置の他の態様では、光トンネルの出射端とライトバルブとの間に１または複数のレンズを配設してライトバルブの有効領域に光トンネル出射端から出射された光の像を結像させる。光を最大限利用するため、この像でライトバルブの有効領域のほぼ全体をカバーさせ、１または複数のレンズの入射開口角uを光トンネルの出射開口角以上にする。

本発明のさらに他の態様において、矩形断面の第１光透過トンネルの入射端に最大寸法Ｄの絞りを向ける。光トンネルの入射端の短い辺の寸法はNで、Ｄ≦Ｎとなる。絞りの開口角は上述したようにuである。約９０°の角度をなすように第１光透過トンネルすなわち第１セグメントに第２光透過トンネルすなわち第２セグメントを取り付ける。これらのセグメントの接合部には外部からは光は入ってこない。これら二つのセグメントの接続部に直角にプリズムを配設して第１セグメントの出射端から出た光が第２セグメントの入射端へ入射するようにする。第２セグメントから出射された光の開口角は角度uにほぼ等しい。

好適な実施例において、光トンネルの第１セグメントにサブセグメントを取り付ける。このサブセグメントは、第１セグメントの入射端に取り付けられており、その長さは第１セグメントよりも短い。この第１サブセグメントは、入射側断面積よりも出射側断面積が大きくなるようにテーパー加工されている。この第１サブセグメントは第２サブセグメントに取り付けられている。この第２サブセグメントにはテーパー加工は施されておらず、第２セグメントの残りの部分を構成
している。この実施例では、第１セグメントの出射端での開口角は、その入射端での開口角よりも小さくなる。

本発明のライトバルブ均等照射装置の他の態様においては、光透過トンネルは２つのセグメントで構成する。第２セグメントはさらに分割されており、その第１サブセグメントはテーパー処理されていて、第２セグメントの出射端から当該セグメントの長さを越えない長さで延びている。第２サブセグメントは第２セグメントの残りの部分を形成していて、テーパー処理はされておらず、第１サブセグメントに取り付けられている。

本発明のライトバルブ均等照射装置のその他の態様においては、２つのセグメントからなる光透過トンネルは、第１と第２セグメントで構成されている。このセグメントは上述のようにそれぞれさらに分割されており、各セグメントの第１サブセグメントはテーパー加工されている。

本発明の光透過トンネルは、その長さ、テーパー角、１または複数形成されたテーパー部の位置などはどのようにでも変えることができるため、実施例の数は無限といえる。特定の入射開口角で光が光透過トンネルに入射するものと仮定した場合、出射開口かが特定の角度になるよう１または複数のテーパー部を選択配置する。

本発明のさらにその他の態様のライトバルブ均等照射装置は、光源と、矩形断面形状と光反射内壁を備えた光透過トンネルとから構成されており、光透過トンネルの出射端から出射された光を受光するように配置されている。前記光透過トンネルの断面アスペクト比は前記ライトバルブのアスペクト比にほぼ等しく、また、当該光透過トンネルのパワー透過率は約８５％以上で、出射光の集積率(integration factor)が約８５％以上である。

この透過率は次のように定義する。すなわち、
透過率＝(I/I_０)^＊100%
ここでI_０は光透過トンネルに入射する光の全パワーであり、光透過トンネルから出射する光の全パワーでもある。

集積率は次のように定義する。すなわち、
集積率＝(Is/Ic)^＊100%
ここでIcは光透過トンネル出射端の中心部分で測定した単位面積当たりの光パワーで、Isは光透過トンネル出射端のコーナー部分で測定した単位面積当たりの最小光パワーである。

本発明のさらに他の態様のライトバルブ均等照射装置は、光源と、複合光透過トンネルと、当該複合光透過トンネルの各出射端から出てくる光を受光するようそれぞれ配設された複数のライトバルブとから構成されている。この複合光透過トンネルは複数のセグメントで構成されており、各セグメントには入射端、出射端、光反射内壁を備えており、各セグメントの断面形状は矩形になっている。

これらのセグメントは、複数のジョイント部材で互いに固定接続されている。このジョイント部材には、入射端と２カ所の出射端がそれぞれ設けられており、また、各ジョイント部材の内部には光フィルターガイド手段が固定されている。この光フィルターガイド手段は、ジョイント部材に入射してきた一定の光波長を、反射させる第１サブレンジ波長と、通過させる第２サブレンジ波長に分ける。反射された波長はジョイント部材の第１出射端の方へ出射される。一方、透過した波長はジョイント部材の第２出射端の方へ出射される。

第１トンネルセグメントは、光源からの光を受光するよう固定されている。この第１トンネルセグメントの出射端は第１ジョイント部材の入射端に取り付けられている。第２及び第３トンネルセグメントは、第１及び第２サブレンジ波長が入射されるようジョイント部材の出射端にそれぞれ取り付けられている。

この第２及び第３トンネルセグメントは、第２及び第３ジョイント部材にそれぞれ取り付けられており、この第２及び第３ジョイント部材はこれらの部材に入射する光の波長レンジをさらに分割する。

第４及び第５トンネルセグメントは、第２ジョイント部材の出射端に取り付けられている。第６トンネルセグメントは、第３ジョイント部材のいずれか一方の出射端に取り付けられている。

第４、第５、第６トンネルセグメントの出射端にはそれぞれライトバルブが配設されている。

好適な態様において、前記第１トンネルセグメントは、すでに説明したように、テーパー加工されており、テーパー加工されたセグメントの入射端はその出射
端よりも小さくなっている。

この好適な態様においては、セグメントをテーパー加工することにより、第１トンネルセグメントの入射端での光源の開口角は、第４、第５、第６セグメントの出射端でのそれぞれの開口角よりも大きくなる。

以下、図面を参照しながら本発明のライトバルブ均等照射装置の好適な実施例を説明する。

図１Ａには本発明の光透過トンネル２が示されており、この光透過トンネル２には光源４からの光が入射する。この装置には、集束ミラー６とレンズ８が設けられており、このミラーとレンズは光源４からの光を集めて光透過トンネル２の入射端に光を入射させる。これらの集束手段は、従来周知なレンズやミラーを複数組み合わせたものである。光源からの光を集めて光透過トンネル２に入射させるその他の手段が図３のミラー２２や図１１のミラーアセンブリとして示されている。

図１１は、光源からの光を集束するのに適したミラーアセンブリを示している。図１１において、楕円形ミラー１３０の中心は光軸１４２に合わせられており、その焦点の１つは光源中心点１３４にある。環状パラボラセグメント１３２は楕円形ミラー１３０に接続されており、楕円形ミラー１３０の反射面と連続した面を形成している。環状パラボラセグメント１３２にはパラボラミラーリング１３６が接続されており、このパラボラミラーリング１３６の反射面は環状パラボラセグメント１３２に向いている。球状ミラーリング１３８はパラボラミラーリング１３６から離れて配置されており、パラボラミラーリング１３６と一部重なり合っている。楕円形ミラー１３０、環状パラボラミラー１３２、パラボラミラーリング１３６の各焦点は光源中心点１３４に位置している。環状ミラーリング１３８の曲率中心も光源中心点１３４にある。これら環状リングの開口の大きさは、楕円形ミラー１３０で反射された光がターゲット１４０を通過できるように選択する。このようにミラーを構成することで、光源からの光をほぼ全て捕らえて光透過トンネルの入射開口部などのターゲット１４０へ入射させることができる。ターゲット上の光エネルギーと光源からの光のエネルギーとの比であるミラーアセンブリの効率は、約９５％である。図１の集束ミラー６のような現在用いられている単一反射装置の場合は、その効率は約５０％以下である。

光線１４とライン１６が交差するときの角度をｕとする。このライン１６は光透過トンネル２の入射端面に垂直で入射端面の中心と通っている。従来からこのライン１６を光透過トンネル２の光軸と称している。光線１４は光軸１６に対して最大傾斜角ｕをなす光線である。この角度ｕは集束手段の開口角、すなわち、光透過トンネル２に入射するビームスポットの開口角である。光透過トンネル２の長さはＬで、その断面は矩形をしている。光透過トンネル２は内壁で光を反射する中空トンネル状に構成したり、あるいは、壁面で囲まれた空間内を光源光に対して透明な材料で充填して全内反射が起こるように構成してもよい。いずれの場合も、光透過トンネル２では光はその入射端から出射端へと伝播する。図１Ｂは、光透過トンネル２の入射端における内部空間断面の短辺の長さＮを示している。また、この図ではビームスポットが直径Ｄの円形で示されている。照射装置の効率を最大にするため、集束手段の大きさと配置間隔及び光透過トンネル２の大きさは、Ｄ≦Ｎとなるように選択する。図では光透過トンネル２から出射した光は、１または複数のレンズからなる中継手段１０を通過してライトバルブ１２に照射されている。光の透過効率を最大にするため、中継手段１０の開口角を光透過トンネル２から出射される光の開口角と同じかそれよりも大きくして出射光のほぼ全てがライトバルブ１２に中継されるようにする。

一般に、ライトバルブ１２が正しく機能するにはライトバルブ１２の有効領域への照射をほぼ均等にする必要がある。例えば、ライトバルブ１２が投射装置用の液晶ディスプレイや変形自在ミラー装置などの場合は、より均等に照射するほど画像再生の品質、すなわち、コントラストや清澄性が改善される。スクリーンを均等に照射する際の一般的要件としては、エネルギー分布の均一さが５０％以上でなくてはならない。この均一さも上記の集積率と同様に定義される。開口角ｕと、光透過トンネル２の長さＬと、光透過トンネル２の内部断面の短辺の長さＮを次のような関係式を満足するように選択すればライトバルブ１２を均等に照射できることがわかっている。すなわち、
Ｌ＝ｋ^＊Ｎ/tan(u)
ここでｋは１．５−３の範囲の定数である。

光透過トンネル２の入射端から出射端へ伝播する時に光線が反射すると、一般的な形をした光線のスポットの形やエネルギー分布が効果的に均一化されて矩形になり、エネルギー分布もほぼ均一になる。

光透過トンネル２の出射端とライトバルブ１２の位置がほぼ同軸上にあり、かつ、ライトバルブ１２が出射端側に配置されていて均等に照射されるのであれば中継手段１０は不要である。しかしながら、本発明の装置は大きさが制限されるとビームスポットの開口角にも影響を及ぼし、少なくとも１枚は集光リレーすなわちレンズを使用しなくてはならなくなる。また、このように装置の大きさが制限されると、以下に説明する実施例１に示すライトバルブの有効領域を完全に照射するためにビームスポットの大きさを例えば大きくする必要がでてくる。

図２Ａにはテーパー加工した本発明の光透過トンネルが示されている。図２Ａに示すようなテーパーで、その断面が図２Ｃに示すような断面の場合、光透過トンネルの開口角はトンネルの出射端の開口角よりも大きくなる。従って、本発明の光透過トンネルとテーパー加工されたセグメントを組み合わせれば、光透過トンネルの出射端とライトバルブの間に設ける中継手段は小さなものでよく、あるいは、中継手段を設けなくてもよくなる。従って、このような組み合わせを行えば、スペースも装置のコストも削減できる。

図２Ａに示すようにトンネルセグメントのそれぞれの壁面は、角度１８で均等にテーパー加工されている。角度１８は、壁面のレベルと光透過トンネルの入射面に垂直な直線とがなす角度である。角度１８の大きさは、一定のバルブサイズまたは中継手段に適した出射開口角が得られるように選択する。図２Ｃの断面図や図２Ｂの斜視図からも分かるように、光透過トンネルの壁面は均等にテーパー処理されている。

図３の本発明の実施例では、テーパー加工したセグメントが直線トンネルセグメントに接続されている。炭素アークがよく用いられる光源２０からの光はミラー装置２２のガイドによってテーパー加工セグメント２８の入射端に入射させられる。光の使用効率を最適にするには、ミラー装置２２の環状ミラーに形成されている開口部の大きさとミラーの形を選択して、入射端面内に光透過ミラーのトンネルよりも小さいかつ径が最大となるビームスポットを形成する。光透過トンネルに入射した光線２６はテーパー加工されたトンネルセグメントの表面で反射される。光線２４はまず光透過トンネルの直線部分の内面で反射される。この場合、光線２４と２６は光透過トンネルの入射面の垂線に対して同じ角度をなす。角度４０は角度３８よりも小さいほうが望ましい。前記の説明とは異なり、光線２６は光線３８よりも小さな角度で光透過トンネルから出射する。テーパー加工セグメントは、大きな角度で光透過トンネルに入射する光線がまずテーパーセグメントで反射されるよう長さになっている。このため、出射開口角は入射開口角よりも小さくなる。従って、光線中継手段３２はより多くの出射光を集めてライトバルブ３４にその像を投影することができる。あるいは、光線中継手段３２をより薄くなるように、あるいは、有効表面積が小さくなるように選択すると、ライトバルブ３４への光の供給効率が向上する。中継手段が小さくなればコストが削減され、また、中継手段をこの場合は１または複数のレンズで構成したり薄くしたりするため、光の吸収による損失が減少する。

好適な実施例において、図４Ａと図４Ｂに示すようにトンネルは２つのセグメントを直角に接続して構成するのが一般的である。この実施例では、直線トンネルに比べて少なくとも次のような２つの利点がある。すなわち、
（１）折れ曲がりのある通過トンネルだと直線スペースを減らしてもライトバルブを均等に照射でき、また
（２）ジョイント部分で赤外線や紫外線といった光線をフィルター処理してトンネルから排出させることができるため、このような放射線波長を原因とする透過系の一部やライトバルブへのダメージが防止される。

光線をセグメント４４からセグメント４６へ誘導する手段としては図４Ｂに示すような直角プリズムが好ましい。このプリズムは出射開口角と入射開口角を同じに保つ役割を果たしており、一方、図４Ａのミラー構成の場合は出射光線の角度が大きくなってしまって集束しないためライトバルブには照射されない。図４Ａの場合、光線４２はセグメント４４の壁面で反射された後に直接セグメント４６の壁面に照射されるため、出射光線の角度が大きくなってしまう。これに対して、図４Ｂの光線４２の角度がプリズムの臨界角よりも大きくても、プリズムの中で全内反射されるため、セグメント４４での壁面に対する角度とほぼ同じ角度でセグメント４６に入射する。対角プリズム面４８にダイクロイックコーティングのようなフィルターを形成して赤外線、すなわち、熱や紫外線などを光透過トンネルから外へ取り出すことができる。出射開口角を小さくする必要があればセグメント４４またはセグメント４６にテーパー処理を施せばよい。

図５Ａには、光源の近傍に配設した集束手段によって本発明の光透過トンネルの入射端に入射させた光の一般的なエネルギー分布が示されている。図５Ａの底面５０は光透過トンネルの入射端面に相当する。光エネルギー分布は、図５Ａと図５Ｂの垂直壁５２の表面で任意の単位で測定したものである。光透過トンネルに入射すると、図５Ａの面５４に示すように光のエネルギーはトンネルの中心部分に局所的に集まる。図５Ｂの面５８は光透過トンネルの出端面に相当する。本発明の光透過トンネルを通過すると、光のエネルギー分布は面５６に示すようにトンネルの出射面内でほぼ均等になる。すでに説明したように、図５Ａのようなエネルギー分布での集積率はほぼゼロである。図５Ｂのようなエネルギー分布での集積率は約９０％である。ちなみに、集積率が１００％とは、エネルギー分布がほぼ完全に均一になっていることを意味する。一般的な分野では、集積率が５０％以上であればよい。

図６Ａの実施例には本発明の主な特徴が示されている。すなわち、
（１）光透過トンネルの出射面全域に渡って光エネルギーが均一である。

（２）限られた空間内に設けられた装置で光エネルギーを効率的に伝送する。

（３）入射開口角と同じかそれよりも小さくなるよう出射開口角を制限する。

（４）赤外線や紫外線の消散させる。

複合光透過トンネルの入射端６０に光が入射する。セグメント６２にはテーパー処理が施されており、各出射端での出射開口角は入射開口角よりも小さい。フィルターガイド手段６４、６６、６８はセグメント６２、７４、７６のそれぞれに設けるのが好ましい。フィルターガイド手段６４は選択レンジ内の波長の光を反射してセグメント７４に入射させると共にもう一方の選択レンジ内の波長の光は透過させてセグメント７６に送る。このフィルターガイド手段としては、その対角面にダイクロイックコーティングを施したプリズムで構成するのが好ましく、
また、プリズムの内側対角面のダイクロイックコーティングは透過及び反射させたい光の波長と同じになるよう選択する。

フィルターガイド手段６６と６８では、入射する波長のレンジをさらに分割して、一方のサブレンジの波長を透過させ、また、他方のサブレンジの波長を反射させる。このように、ライトバルブ７０ではそれぞれ固有の波長の光を受光する。このように複合光透過トンネルは、３原色のそれぞれの強度をライトバルブで変調するような分野での利用が好ましい。例えば、エレメント６４、６６、６８の内側対角面のダイクロイックコーティングを選択して、エレメント６４で緑と青色の波長がセグメント７４の方へ反射させ、赤色とビームのその他のスペクトルはセグメント７６の中に通過させるようにする。同様に、エレメント６６では緑は透過させるが青は反射させて、エレメント６８で赤を反射させて赤外線と紫外線を透過させてもよい。こうして、それぞれ別の原色である３本の非常に均等なビームを表面領域で重ね合わせてカラー画像を形成する。フィールドレンズと称する光学エレメント７２を図６Ａに示す。図において、ライトバルブから出射された光ビームを集束させて投射レンズなどの入射瞳などにガイドしてもよい。

フィルターガイド手段６４と６８は赤外線と紫外線を透過させるように構成して装置部品の動作を妨げるようなダメージの原因となるこれらの赤外線と紫外線を照射装置から取り除く。あるいは、図９の二重プリズムエレメント１０１を光透過トンネルの入射端に配設してトンネルに入射する光から赤外線と紫外線を取り除くこともできる。

図６Ｂは３つの出射端を備えた複合光透過トンネルの斜視図である。

直線トンネルＬＣＤ照射装置
図７には１４４ｘ１９２ｍｍの寸法のＬＣＤパネルを均等に照射する光学装置がの構造が示されている。この装置の光源７８はメタルハライドショートアークＯＳＲＡＭ、ＨＴＩ４００Ｗ／２４で、ＯＳＲＡＭのカタログに記載されている。この光源の楕円反射装置によって、光透過トンネル８２の入射面８０に直径約２０ｍｍの円形の光点が生成される。光源７８の前面と入射面８０との距離は２４ｍｍである。このトンネル８２は寸法が１４．８ｍｍｘ１９．７３ｍｍｘ６０ｍｍの直角平行六面体である。このトンネルはアルミ製ハウジングでできており、その内面には高温エポキシでガラスシートが貼着されている。このガラス面には銀メッキが施されており、その屈折率は０．９６である。このメッキ部分の厚みは約０．０８５５ｍｍで、酸化を防止して反射能を高めるためメッキ部分には保護層としてＳｉＯ_２がさらにコーティングされている。

光トンネルに集束される光エネルギーは１６０００ルーメンスで、開口角は±３６゜である。トンネルの入射窓での集積率は７．１％である。トンネルから出射する光エネルギーは１４２５０ルーメンスで、トンネル透過率は８９％である。ここで、ｕ＝３６゜で、トンネルの内側断面の短い辺がＮ＝１４．８ｍｍと小さくて長さはＬ＝６０ｍｍであれば、次の等式から
Ｌ＝ｋ^＊Ｎ/tan(u)
１．５〜３．０の範囲内であるｋ＝２．９５となる。トンネルが短いとｋの値は２．９５よりも小さくなり、出射端での集積率も小さくなる。しかしながら、透過率はトンネルが短くなるほど大きくなる。

図７の２個の中継レンズエレメント８４と８６は、トンネルから出射された光を集束させてＬＣＤパネル（図示せず）へと導く。レンズ８４はＦＤ６のガラスでできており、前側半径は２８９．５００４ｍｍ、後側半径は３９．７５４１ｍｍ、中心部分での厚みは１８．５ｍｍ、そして口径は７４．２ｍｍである。トンネル出射窓８１とレンズ８４の第１光学面の頂点との間の距離は１７．８４ｍｍであり、レンズのもう一方の光学面とＬＣＤパネルとの間の距離は４８９．９ｍｍである。

図８Ａ−８Ｃはトンネルの入射面での光エネルギー分布８８、トンネル出射窓での光エネルギー分布９０、ＬＣＤパネル上での光エネルギー分布９２をそれぞれ示している。集積率は、それぞれ、７．１％，９３％，７０％である。ここで、トンネル出射窓での集積率が高いことに注意する。トンネル出射窓からＬＣＤ
パネルへいくに従って集積率が低下するのは、中継レンズで生じるぼかしのためである。しかしながら、このようなぼかしといった問題はもっと大きな中継レンズを使用すれば解決する。しかしながら、このケースの場合は集積率が７０％と装置の動作性能が優れているためこのような措置は行わない。

ＬＣＤパネル照射用折り畳み型装置
図９の光学装置は、光源を取り除いており、光路を効果的に屈折させるためにプリズムを使用している点を除けば第１実施例の装置と同じである。このような構造をしているため、直線スペースが節約され、不要な赤外線や紫外線を装置から除去できる。

光透過トンネルの入射端に直角プリズムを取り付ける。このプリズムの断面積とトンネル入射面の断面積はほぼ等しい。このプリズムは上記のＢＫ７のような安価な光学ガラスで作製してよい。プリズムの面９４と９６には反射率が約１．５％の標準的な反射防止コーティングが施されている。プリズム面９８には特別な選択性コーティング（コールドミラーと称す）が施されていて可視光線波長（０．４−０．７ミクロン）を反射するが、波長が約０．７ミクロン以上の赤外線または熱や、波長が約０．４ミクロン以下の紫外線は透過させる。

ＯＳＲＡＭ光源からの光はプリズム領域９４で集束される。ｒ１のような光線はプリズム面９８で反射され、光軸１００に対してはプリズムに入射する前と同じ角度でトンネルに入射する。ｒ２のような光線はプリズム面９８で反射され、ガラスと空気の境界領域であるプリズム面９４の部分で全内反射される。このプリズム面９４で反射された光線は、光軸１００に対してはプリズムに入射する前と同じ角度でトンネルに入射する。光線ｒ３は図９に示すように反射され、光軸１００に対してはプリズムに入射する前と同じ角度でトンネルに入射する。これらの光線ｒ１，ｒ２，ｒ３はトンネル内を反射して伝播するためほとんどエネルギーの損失がない。つまり、このプリズムは光線束の開口角は変化させずに、最小限のエネルギー損失でその方向を９０゜変化させる役割を果たしている。赤外線や紫外線はプリズム面９８を透過して装置の外へ出射される。このように、アークエネルギー放出(arc emitted energy)が防止され、光学エレメントやライトバルブへのダメージが防止される。

３バルブ照射装置
１つのパネルの寸法が２６．２４ｍｍｘ１９．６８ｍｍである３つのＬＣＤパネルを均等に照射する装置を図１０Ａに示すように構成する。炭素アーク光源１０２のアーク寸法は４ｍｍで、楕円形ミラー１０４の中心部分に配設されている。ミラー１０４の前面は上記のコールドミラーで構成されているため、アーク光源からの熱エネルギーの大半は、第１トンネル入射面からミラー内に侵入しない。アーク光源から発せられるエネルギー全体のうち約３５％はトンネル入射面１０６に１０゜の開口角で集束される。トンネル入射面はミラーの頂点から１５８ｍｍ離れている。トンネル１０６は直角六面体で、その内部はミラーになっており、内部寸法は２８．２ｍｍｘ２１．７ｍｍｘ５０ｍｍである。図１０Ａの各トンネルはすべて断面形状が同じで、その寸法も２８．２ｍｍｘ２１．７ｍｍとなっている。トンネル１２０は長さが４１．７ｍｍで、トンネル１２２の長さは１２ｍｍである。

複合立方体プリズム１０８はトンネル１０６の出射端に配置されており、その対角面１１０にはダイクロイックコーティングが施されていて図６Ａで説明したように一定の波長は透過させ、また、それとは異なる波長は反射するようになっている。この複合立方体プリズムは、ダイクロイックコーティングが挟まれるように２個の直角プリズムの対角面を接合して作製した。図１０Ａに示したトンネルの残りの部分の機能は図６Ａで説明した通りである。プリズム１１２を同様に作製するが、その機能はプリズム１０８と同じである。プリズム１１４の外側対角面には反射コーティングしか設けられていない。

トンネル１２２からそれぞれ出射された光は、フィールドレンズ１１８を通過して、各寸法が２６．２４ｍｍｘ１９．６８ｍｍであるＬＣＤパネル１１６の有効領域に光の像が形成される。ここで、トンネルセグメントのアスペクト比はＬＣＤパネルのアスペクト比にほぼ等しいことに注意する。３つのダイクロイックミラー（図示せず）を用いてこれらの出射光を中継して投射レンズ（図示せず）の入射瞳位置に集束させる。この集束レンズ１１８は周知のデザインからなっており、１０゜の開口角の出射光を集束するよう選択されている。

ダイクロイックプリズムでの損失を無視すれば、内面を銀メッキでコーティングされたこの複合型トンネルの透過率は約９９％である。この複合型トンネルを用いた場合、ＬＣＤパネルの入射窓での集積率は７％から６０％まで改善された。

第３実施例との比較
実施例３の装置を図１０Ｂに示すように改造する。主な相違点は、
１）光源近傍に設ける反射装置を単一ミラー反射装置から複合（２枚のミラー）反射装置１２４に取り替えた。この反射装置を用いることにより、スペースが節約され（光源のベース部分からトンネルの入射面までの直線距離が第３実施例の１５８ｍｍに比べて１０７．２ｍｍまで短縮されている）、開口角が１６゜の時の集束効率が５４％（３５％であったのが）となった。また、寸法が２３ｍｍｘ１６．４ｍｍのトンネル１２６に光を集束させた。

２）トンネル１２６は、その入射端２３．０ｍｍｘ１６．４ｍｍから出射端２８．２ｍｍｘ２１．７ｍｍへとまっすぐにテーパー加工されている。これは、すなわち、トンネルのそれぞれの面が光軸１２８に対して３゜のテーパー角で加工されていることになる。このようにテーパー加工を施すと、入射端で１６゜であった光の開口角が出射端では１０゜になる。ダイクロイックエレメントの透過率１００％を仮定した場合、開口角１６゜でトンネル１２６に入射した光の全エネルギーの８３％が開口角１０゜でトンネル装置から出射されることになる。トンネルの透過率は、開口角１６゜で寸法２３．０ｍｍｘ１６．４ｍｍの空間に入射して開口角１０゜で寸法２８．２ｍｍｘ２１．７ｍｍの空間から出射される時の光の透過効率を表すものである。

この複合反射装置とテーパー加工トンネルを組み合わせると、図１０Ａの装置の場合に比べて集束効率が約２５％向上する。

３）ＬＣＤパネルとフィールドレンズの位置はそのまま（図１０Ａと図１０Ｂと比較）
ＬＣＤの後ろ側にフィールドレンズを配置すると、ＬＣＤパネルの有効面に入射する光の開口角が１０゜に保たれるため画像のコントラストが非常に改善される。これに比べて、ＬＣＤパネルの前にフィールドレンズを配置すると、オンアクシス点では±１０゜、また、有効領域のコーナー部分の地点などであるオフアクシス点では＋５゜からー１５゜のずれが開口角に生じる。ＬＣＤでのコントラストは開口角で決まるため、図１０Ｂの装置のほうが図１０Ａの装置よりも良質な画像を提供する。ここで注意しなくてはならないのは、ＬＣＤパネルの後ろ側にフィールドレンズを配置する時には、フィールドレンズからの像面湾曲収差を補償するよう投射レンズを設計しなければならないことである。

図1Aは本発明のライトバルブ均等照射装置の構成を表す模式側面図であって光源、光透過トンネル、トンネル出射端側に設けられた集束手段とライトバルブが示されており、図1Bは図1Aの線A-Aから見た光透過トンネルの断面で、光透過トンネルの内部とその中のビームスポットの大きさを相対的に示している模式図図2Aはテーパー加工した光透過トンネルの長手方向断面図で、図2Bはテーパー加工した光透過トンネルの斜視図で、図2Cは図2Aの線B-Bで見たテーパー加工光透過トンネルの断面図で入射端が出射端よりも小さく、入射端から出射端へと均等にテーパー加工が施されている様子が示されている断面図図３は、テーパー加工したトンネル、光源、光源集束手段、ライトバルブ、出射光の像をライトバルブ上に形成する手段を組み合わせて配列した状態を示す概略図図4Aは２セグメント型光透過トンネルの長手方向断面図で、セグメントとセグメントの接続部分にミラーを配設して一方のセグメントから他方のセグメントへ光を伝播させている様子が示されており、図4Bは２セグメント型光透過トンネルの長手方向断面図で、セグメントとセグメントの接続部分に直角プリズムを配設して一方のセグメントから他方のセグメントへ光を伝播させている様子を示した長手方向断面図図5Aは光透過トンネルの入射端での光エネルギー分布を示した３次元グラフであり、図5Bは光透過トンネルの出射端での光エネルギー分布を示した３次元グラフ図6Aは複合光透過トンネルの断面図で、トンネルセグメントの接続部分には、第１方向と第２方向に入射光の波長レンジを分割する手段が設けられていて、トンネルの出射端にはライトバルブが配設され、さらにこのライトバルブに光を集束させる手段も設けられている様子を示しており、図6Bは図6Aの複合光透過トンネルの外観を示す斜視図図７は本発明のライトバルブ均等照射装置の構成を示す模式側面図であり、本発明の光透過トンネル、光源、トンネルの出射端に設けられたレンズを示した模式側面図図8A−8Cは図７の光透過トンネルの入射端と出射端での光エネルギー分布を示した１組の３次元グラフ図９は図７に似た側面図であって、光路を屈折させると共に光源からの光を集めるプリズムが設けられたライトバルブ均等照射装置の側面図図10Aは光源、光反射装置、接続部分にダイクロイックプリズムが配設された複合光透過トンネルから構成されたライトバルブ均等照射装置の断面図、図10Bは図10Aによく似た図であって、光源にもっと効果的な光反射装置を設けたライトバルブ均等照射装置の断面図図11は光源からの光を集束させるミラーアセンブリの側面図

符号の説明

２、８２、１０６、１２０、１２６光透過トンネル
４、７８光源
６集束ミラー
８集束レンズ
１０、３２、８４、８６中継手段
１２ライトバルブ
１４、２６、４２光線
２２ミラー装置
２８テーパー加工セグメント
１６、１００、１２８、１４２光軸
２２、１３２、１３６ミラー
４４、４６、６２、７４、７６セグメント
４８対角プリズム面
６０入射面
６４、６６、６８フィルターガイド手段
８４、８６レンズ
９４、９６、９８プリズム面
１０４、１３０楕円形ミラー
１０８、１１４プリズム
１２４反射装置
１３８球状ミラーリング
１４０ターゲット

Claims

ライトバルブを均等に照射する装置であって、当該装置が、
光源、
少なくとも入射端から出射端に向けて断面積が均等に増加するように均等にテーパー加工されている第１の部分を有してなる光透過トンネルであって、当該トンネルが、前記光源からの光を反射する内面を有する壁、長辺長Ｍ及び短辺長Ｎの矩形断面形状及び長さＬを有し、入射端及び出射端を備えているもの、
前記光源からの光を前記入射端上に光点の形に集束させる手段であって、当該集束手段の開口角は角度ｕで、前記光点の最大断面寸法はＤで、この寸法Ｄは前記短辺長Ｎ以下で、前記長さＬ、前記トンネル内の短辺長Ｎ、開口角ｕは、次式
Ｌ＝ｋ＊Ｎ/tan(u)
で表されるもので、ここでｋは１．５−３の範囲内の定数である集束手段、及び、
前記出射端に配置されていて、前記光透過トンネルを透過した光が入射する有効領域を備えたライトバルブ
を有してなることを特徴とするライトバルブ均等照射装置。
前記集束手段が、前記光源からの光を集束し、当該光を前記ライトバルブに向けるミラーアセンブリからなり、当該ミラーアセンブリが、
反射凹面と、近焦点、遠焦点、切頭面での円形エッジとを有した切頭楕円形ミラーと、
焦点と、反射凹面と、大径円形エッジと、小径円形エッジとを有した第１環状パラボラミラーであって、当該環状パラボラミラーの前記小径円形エッジは前記楕円形ミラーの前記円形エッジに接続されている、第１環状パラボラミラーと、
焦点と、反射凹面と、大径円形エッジと、小径円形エッジとを有した第２環状パラボラミラーであって、当該第２環状パラボラミラーの前記大径円形エッジは前記第１環状パラボラミラーの前記大径円形エッジに接続されており、前記第２パラボラミラーの前記反射面は前記楕円形ミラーの前記反射面に面している、第２環状パラボラミラーとから構成されており、
前記楕円形ミラーの前記近焦点と、前記第１及び第２パラボラミラーの各焦点はほぼ一致しており、また、前記光源の幾何学的中心にもほぼ一致していることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記ミラーアセンブリが、環状球形ミラーをさらに具備しており、当該環状球形ミラーは曲率センターと反射凹面を有しており、また、前記第２環状パラボラミラーの小径円形エッジの中心に対向しており、当該エッジを中心として間隔をおいて対称に配置されており、前記曲率センターは前記光源の幾何学的中心に一致しており、及び／または前記第２の環状パラボラミラーと前記環状球形ミラーの各円形開口部は、前記楕円ミラーで反射された光が通過できるよう選択することを特徴とする請求項２記載の装置。
前記光トンネルの前記出射端と前記ライトバルブとの間に位置する光学装置を更に有してなり、当該光学装置が、前記ライトバルブの有効領域に前記出射端からの光の像を形成するものであり、前記像の大きさが、実質的に前記ライトバルブの有効領域の大きさに対応するものであることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記光学装置の入射開口角がｕ以上であることを特徴とする請求項４記載の装置。
前記ライトバルブの有効領域が、Ｐ及びＱの大きさを有する矩形であり、そのアスペクト比（Ｐ/Ｑ）が、前記トンネルのアスペクト比（Ｍ/Ｎ）に等しいことを特徴とする請求項１記載の装置。
前記トンネルが、更に、前記トンネルの前記壁で画成されるスペースを充填する材料を有してなり、当該材料は、前記光源からの光に対しては透明であり、当該材料の屈折率が、隣接する前記壁の屈折率よりも大きいため、透明な充填材料の中で全反射が生じることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記トンネルの前記第１の部分の長さが、前記トンネルに入射する前記光の角度が、前記第１の部分の壁から反射すること、及び前記光の出射角が前記入射角よりも小さくなるように選択されることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記トンネルの前記入射端に入る光の開口角が、前記トンネルの前記出射端から出る光の開口角と等しいか大きいことを特徴とする請求項１記載の装置。
前記トンネルが、前記第１の部分と少なくとも第２の部分を含み、当該第１及び第２の部分が、前記トンネルの全体の長さＬをなし、前記第１の部分と前記第２の部分がなす角が９０度であることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記トンネルの長さが、光円錐が入射した時に、出射光の集積率が約８５％以上になると共に前記トンネル内でのパワー透過率が約８５％以上となるような長さであることを特徴とする請求項１記載の装置。