JP4740840B2 - 複数の光ビームを組み合わせる機能を有する照明システム - Google Patents

Description

本発明は、オブジェクトを照明するための光学的照明システムに関し、とりわけ、画像投影装置または後方投影装置内で空間的な光変調器を照明するためのシステムに関する。また本発明は、前記形式の照明システムが使用されるプロジェクタまたはバックプロジェクタに関する。

投影の分野では、複数の光源を使用して個別に空間的な光変調器を照明しなければならない場合がある。このことはたとえば、制限された出力レベルのランプを使用するのが望ましい場合、または相互補完的である光放出スペクトルを有するランプを使用するのが望ましい場合に必要となる。したがって、このような光源によって放出されたビームを組み合わせて、単一の照明ビームを変調器に送出する必要がある。

ＵＳ６２２４２１７（図１を参照）に開示されているような種々のシステムが公知である。このシステムでは、２つの光源からのビームが同じ方向に沿って、２つの反射面によって反射される。これら２つの反射面は、たとえばプリズムの外面等である。しかしこのようなシステムでは、２つの再結合されたビームの完全なオーバラップを形成して、均一の照明を形成する単一のビームを得るのは困難である。

ＵＳ５５０４５４４（図２を参照）に開示されているような別のシステムでは、コリメートされた２つの光ビームによって照明されるプリズムのアレイが提案されている。各ビームからの光が、各プリズムの１つの面を介して該プリズムに透過し、該プリズムの別の面で内部反射することによって該プリズムのこの別の面で反射される。したがって、アレイのプリズムの組み合わせによって、単一の方向に沿って２つのビームが組み合わされる。このようなシステムでは、高価なコンポーネントであるプリズムのアレイが必要とされる。さらに、プリズムのアレイからの出力として得られるビームの照明の均一性は、光源から送出されたビームの均一性に依存する。

ＵＳ６３４１８７６およびＵＳ２００１／０４８５６２には、ビームを組み合わせて統合するための光学的コンポーネントが開示されている。この光学的コンポーネントは、上流から下流への順序で以下のものを有している：
・上流には少なくとも１つのプリズムを有しており、このプリズムは第１の面と第２の面とによって区切られている。第１の面は入力面と称され、第１の面と第２の面とによって２面角が形成される。該入力面はソースから来たビームのうち１つを受光し、このビームは該プリズムを透過して、少なくとも部分的に、第２の面で内部反射によって反射される。

・下流には光インテグレータを有している。この光インテグレータは透過性の材料のシリンダ形ロッドを含んでおり、該シリンダ形ロッドは一方の端部で、少なくとも１つのプリズムによって反射された前記ビームを受光する。この一方の端部は入力端部と称される。該シリンダ形ロッドの長さは、該ビームの光が該シリンダ形ロッドの内壁で複数回反射され、他方の端部で、ほぼ均一な照明ビームが形成されるようになっている。この他方の端部は出力端部と称される。

このプリズムはＵＳ６３４１８７６に記載されているように、インテグレータロッドと別個の部材とすることができる。またはＵＳ２００１／０４８５６２に記載されているように、これらがインテグレータシステムのロッドの不可欠部分を形成することができる。

ビームを組み合わせて統合するためのこのような光学的コンポーネントの欠点の１つに、組み合わせるべきビームあたりで必要とされるプリズムの数が多いことである。この欠点は、組み合わせるべきビームの数が２つ以上である場合に一層問題になる。

本発明は、前記の欠点を解決するための照明システムを提供する。

したがって本発明は、次のような照明システムに関する。すなわち、同一直線上になくコリメートされていない光ビームを放出する少なくとも２つの光源と、少なくとも１つの第１の入力面および１つの第２の入力面と出力面とによって区切られたプリズムとを有し、該第１の入力面および第２の入力面は２面角を形成する照明システムに関する。各ビームは前記入力面のうち１つを介してプリズムを透過し、少なくとも部分的に、前記入力面のうち他方で内部反射によって反射され、出力面の方向に向かう。本システムはまた、該出力面に光学的に結合された光インテグレータも有し、１つの入力面を介して、該プリズムによって反射された該ビームを受光する。ロッドの長さは、該ビームの光が光インテグレータの内壁で複数回反射され、後者によって出力面を介して、ほぼ均一な照明ビームが形成されるように選択されている。このような照明システムでは、少なくとも１つのプリズムおよび光インテグレータは別個の部材とされている。

より詳細には、本発明の対象は次のような照明システムである。すなわち、同一直線上になくコリメートされていない光ビームを放出する少なくとも２つの光源と、このビームを組み合わせて統合するための光学的コンポーネントとを有しており、該光学的コンポーネントはこのビームの光路に配置されている照明システムである。該光学的コンポーネントは、該光路の上流の端部から下流の端部までの順序で以下のものを有する：
・上流では、少なくとも１つの第１の入力面および１つの第２の入力面によって区切られた少なくとも１つのプリズムを有する。これら第１の入力面および第２の入力面は２面角を形成し、該ビームはそれぞれ、前記入力面のうち一方を透過した後、少なくとも部分的に、該入力面のうち他方で内部反射によって反射される。
・下流では、透過性の材料のシリンダ形ロッドを有する光インテグレータを有する。このシリンダ形ロッドは一方の端部で、少なくとも１つのプリズムによって反射されたビームを受光する。この一方の端部は入力端部と称される。該シリンダ形ロッドの長さは、該ビームの光が該シリンダ形ロッドの内壁で複数回反射され、他方の端部でほぼ均一な照明ビームが供給されるように選択されている。この他方の端部は、出力端部と称される。

後者の照明システムでは、少なくとも１つのプリズムおよびインテグレータのシリンダ形ロッドは、単一の部材を形成することができる。したがって各プリズム（または少なくとも１つのプリズム）は、光源によって放出されたすべてのビームを組み合わせる。こうすることにより、ＵＳ６３４１８７６の図７に示された構成またはＵＳ２００１／０４８５６２の図１に示された、光源１つあたり１つのプリズムが必要とされる構成より、簡略かつ低コストの構成が実現される。組み合わせるべき光源が３つである場合、たとえば、プロジェクション装置またはバックプロジェクション装置において使用されるのが３つの異なる原色光源の場合、本発明によれば１つのプリズムだけを使用することができる。したがってこのプリズムは、矩形ベースまたは正方形ベースのプリズムとなる。この同じようなプリズムは、４つの光源を組み合わせるためにも使用することができる。したがって、本照明システムは有利には、少なくとも３つの光源を有し、および／または、光学的コンポーネントは上流に、１つのプリズムだけを有する。

さらに、コリメートされていないビームを使用することによって有利には、下流のインテグレータロッドの内壁に多数の反射が発生し、該インテグレータロッドは他方の端部でより均一な照明ビームを形成するようになる。しかもこのことは、長さが制限されていても実現することができる。有利には、各ビームの開口数は２以上である。

有利には、光源の配置および少なくとも１つのプリズムのジオメトリおよび材料は、次のように適合される。すなわち、該少なくとも１つのプリズムによって反射される異なったビームの平均的な方向が近似的に、相互に平行であり、インテグレータのロッドのシリンダの軸に対して平行であり、少なくとも、ロッドの入力端部におけるシリンダの軸に対して平行であるように適合される。その理由は、プリズムのジオメトリおよび材料のインデックスが、該プリズムの出力におけるビームの方向を決定するからである。

有利には、少なくとも１つのプリズムの第１の入力面および第２の入力面が、約６０°の角度を形成する。さらに、これら２つの入力面の２等分面は有利には、インテグレータのロッドのシリンダの軸に対して平行である。

さらに、各ビームがインテグレータの入力端部で実質的に収束するように構成することもできる。

該プリズムは、角錐形の形状を有することができ、この出力面を、偶数の辺を有する正多角形とすることができる。この角錐の側面は、入力面として使用される。

本発明の択一的な実施形態では、直角三角形の断面の２つのプリズムが設けられる。各プリズムの直角を決定する第１の面は、インテグレータの入力面に接合されている。各プリズムの直角を決定する第２の面は、ビームスプリッタを閉じこめる。

本発明は、ここに開示された照明システムが使用されるプロジェクション装置またはバックプロジェクション装置に適用できる。その際には空間光変調器が、インテグレータの出力面を介して送出された光によって照明される。

空間光変調器は、液晶セルを有することができる。

本発明の種々の側面および特徴が、以下の説明に詳述されており、添付図面に示されている。

図面
図１および２ すでに上記に記載された関連分野の照明システムを示している。

図３ａ〜３ｃ 本発明による照明システムの実施例を示している。

図４ 入力プリズムが４つの入力面を有する、本発明のシステムの択一的な実施形態を示している。

図５ ビームスプリッタによって分離された２つのプリズムを含む、本発明のシステムの択一的な実施形態を示している。

本発明による照明システムの実施例を、図３ａを参照して説明する。

該システムは、２つの光源１０．１〜１１．１および１０．２〜１１．２を有しており、これらはそれぞれ、コリメートされていない光ビーム１２．１および１２．２を供給する。各ビームはプリズム２０の入力面へ送出され、該プリズムに透過し、該プリズムの反対の面で内部反射によって反射される。このようにして、ビーム１２．１は面２０．２を介してプリズム２０を透過し、反対の面２０．１で反射される。同様に、ビーム１２．２は面２０．１を介してプリズムを透過し、反対の内部の面２０．２で反射される。

この反射されたビーム１３．１および１３．２は、プリズムの面２０．３を介して光インテグレータ３０へ伝送される。この光インテグレータ３０は、対称軸を有する光導波路またはロッドの形態である。この光インテグレータの断面は、円または多角形とすることができる。

図３ａに示された実施例では、ロッドの対称軸はプリズム２０の軸と整合される。ビーム１３．１および１３．２は実質的に、光インテグレータ３０の入力面でフォーカシングされるか、または少なくとも、光インテグレータの入力時のこれらのビームの包絡線が、該ビーム全体が該光インテグレータを透過するようになっている。したがって、ビーム１３．１および１３．２がロッドを透過する際には、該ビームはロッドの内壁３０．１で多重反射される。その後、これらのビームは出力面３０．２を介して、オブジェクト５０を照明するための単一の均一なビーム４０の形態で再出力される。このオブジェクト５０は、たとえば空間的光変調器である。

本発明の範囲から逸脱せずに、光インテグレータの出力面３０．２とオブジェクト５０との間に、ビーム４０のサイズを被照明側のオブジェクトの面積に適合するための光学系を設けることももちろんできる。

図３ａに示された実施例では、光インテグレータロッドの入力面は、該プリズムの出力面として使用されるプリズムの底面に接合されている。

プリズムの尖端の角度および該プリズムの面２０．１および２０．２でのビームの入射角は、該面２０．１および２０．２によって反射された該ビーム１３．１および１３．２の軸が該プリズムの軸および光インテグレータロッドの軸と作る角度が比較的小さいかまたはゼロになるように選択される。光源１０．１‐１１．１および１０．２‐１１．２は、プリズムの軸ＸＸ’に関して対称的に配置され、面２０．１および２０．２を同じ入射角で照明する。

本発明の有利な実施形態によれば、光インテグレータ３０を透過するビームは、該光インテグレータの対称軸に対して平行な方向に沿っている。したがって図３ｂの基本図には、光源によって供給されたビームがプリズムの入力面に対して垂直であり、かつ、光インテグレータへ伝送されるビーム１３．１および１３．２が確実に平行であるのが望ましい場合に、入力面２０．１と２０．２との間の角度が６０°になるプリズムを設けなければならないことが示されている。したがって図３ｃには、光インテグレータに入力されるビームが該光インテグレータの軸に対して平行な方向に沿っている本発明の照明システムが示されている。それゆえ、この実施形態は有利な実施形態である。

本発明の範囲から逸脱せずに、次のような実施形態を構成することができる。すなわち、プリズムに入力されるビーム１２．１および１２．２の方向が、所与のプリズムの入力面２０．１および２０．２に対して垂直でなく、これらのビームのうち最も傾斜している光線の入射角が、該入力面で反射が行わない限界である限界角度より小さい実施形態を構成することができる。また、面２０．１と２０．２との間の角度が６０°ではない実施形態を構成することも可能である。

同様に図３ｃには、インテグレータロッドの入力面にフォーカシングされたビームが示されている。しかし、このことは必須ではない。必要なのは、各ビームの包絡線がプリズムを透過した後にインテグレータロッド内に包括されていることである。

図３ａ〜３ｃに示されたプリズム２０は、２つの入力面２０．１および２０．２を有し、これらによって２つのビームが組み合わされ、単一の照明ビームが形成される。図４に示された本発明の択一的な実施形態では、プリズム２０は角錐の形状のプリズムであり、この角錐の底面は、偶数の辺を有する正多角形である。このような入力プリズムによって、２つより多くの入力ビームを組み合わせることができる。図４に示された実施例では、底辺は正方形である。この場合、プリズムは４つの入力面２０．１０〜２０．１３を有する。この構成によって、４つの光源Ｓ０〜Ｓ３からの光をプリズムに入射し、ひいてはインテグレータに入射することができる。光源Ｓ０からの光は、面２０．１０を介してプリズムを透過し、ＸＸ’軸を対称軸として面２０．１と対称的になっている面２０．１２で反射される（この図では示されていない）。光源Ｓ１からの光は、面２０．１１を介してプリズムを透過し、面２０．１３で反射される。別の光源からの光も同様である。

図５は、本発明の択一的な実施形態を示している。この実施形態ではプリズム２０は、インテグレータ３０のＸＸ’軸に沿って配置されたビーム分割プレート（またはビーム分割層）２２によって、２つの矩形プリズム２１．１および２１．２に分割されている。２つのプリズム２１．１および２１．２は、プリズムの直角を形成するインテグレータの面のうち１つを介して該インテグレータの入力面に接合されており、これらのプリズムは、この直角を形成する別の面を介して、これら２つの面の間に配置されたスプリッタ２２に接合されている。プリズムの斜辺の面が、該プリズムの入力面２０．１および２０．２を形成する。

光源１０．１〜１１．１によって放出された光ビーム１２．１は、面２０．２を介してプリズム２１．１を透過する。このビームの第１の部分は、スプリッタによってプリズム２１．２の面２０．１に伝送され、この面２０．１は、受け取られた光をビーム１３．１の形態で反射し、この光はインテグレータ３０を透過する。このことは前記の通りである。ビーム１２．１の第２の部分は、スプリッタ２２によってプリズム２１．１の面２０．２に反射され、この面２０．２は、受け取られた光をビーム１５．１の形態で反射し、この光はインテグレータ３０を透過する。このようにしてインテグレータ３０は、光源１０．１〜１１．１によって放出された光を２つのビーム１３．１および１５．１の形態で受け取る。このようにして、インテグレータによって出力されたビーム４０の均一性がより良好になる。

図５には、光源１０．１〜１１．１によって放出された光ビーム１２．１の光路のみが示されている。光源１０．２〜１１．２によって放出されたビームの光路は、上記の光路と対称的になっている。しかし、光源１０．２〜１１．２によって放出されたビーム１２．２はスプリッタ２２によって、２つの部分に分割されることを指摘しておく。２つの光源が、スプリッタ２２を含む面を対称軸として対称的に配置されており、かつ２つのプリズムがこの面に対して平行である場合、スプリッタによって伝送されるビームのこの部分は、該スプリッタによって反射されるビーム１２．１のこの部分（図４では点線によって示されている）に重ね合わされ、ビーム１５．１と組み合わされる。スプリッタによって反射されたビーム１２．２のこの部分は、スプリッタによって伝送されたビーム１２．１のこの部分に重ね合わされ、後者の部分と組み合わされてビーム１３．１が形成される。

２つの光源からの光はこのようにして、プリズム２１．１および２１．２により、インテグレータ３０の入力面の上方の部分および下方の部分を介して分配される。

したがってこの構成により、出力ビーム４０の均一性が改善される。このことは、光源のランプが異なるスペクトル特性を有する場合に、より有利である。さらに、ランプのうち１つが光ビームを供給しなくなった場合、システムは照明の均一性を維持することができる。

本発明は、プリズムがインテグレータシステムのロッドを有するただ１つの部品を形成する場合にも適している。本発明はとりわけ、照明システムが２つより多くの光源を有する場合に適しており、有利には、ビームを組み合わせるのに必要なプリズムの数を低減する場合に適している。

本発明はしたがって、図５に概略的に示されたようなプロジェクタ（またはバックプロジェクタ）に適用可能である。オブジェクト５０はこの場合、液晶セル等の空間光変調器である。その場合には、システムはそれ自体に公知のように、インテグレータによって空間光変調器５０へ伝送された光の変調から得られたイメージをスクリーンに投影するための投影光学系によって補完しなければならない。

関連分野の照明システムを示している。 関連分野の照明システムを示している。 本発明による照明システムの実施例を示している。 入力プリズムが４つの入力面を有する、本発明のシステムの択一的な実施形態を示している。 ビームスプリッタによって分離された２つのプリズムを含む、本発明のシステムの択一的な実施形態を示している。

Claims (3)

1. 照明システムであって、
   同一直線上になくコリメートされていない光ビームを放出する少なくとも２つの光源と、該光ビームの光路に配置された少なくとも１つのプリズムおよび光インテグレータとを有し、
   該照明システムには、該光路の上流の端部から下流の端部までの順序で、
   上流には、２面角を形成する第１の入力面と第２の入力面とを有し、且つ出力面を有する前記少なくとも１つのプリズムが設けられており、
   各光ビームは、前記入力面のうち１つを介して該プリズムを透過し、前記入力面のうち別の入力面で内部反射によって部分的に反射され、
   下流には、透過性のシリンダ形ロッドを有する前記光インテグレータが設けられており、
   前記光インテグレータは、入力端部と称される１つの端部で、前記少なくとも１つのプリズムによって反射された該光ビームを受光し、
   前記ロッドの長さは、該光ビームの光が該ロッドの内壁で複数回反射されて、出力端部と称される他方の端部で、ほぼ均一の照明ビームが供給されるようにされている形式のものにおいて、
   前記少なくとも１つのプリズムは、直角三角形の断面を有する２つのサブプリズムにさらに分けられ、
   直角を決定する第１の面を有する前記少なくとも１つのプリズムの直角サブプリズムの各々は、光インテグレータの入力端部に接合されており、
   前記少なくとも１つのプリズムの各サブプリズムの直角を決定する第２の面は、ビームスプリッタを閉じこめている
   ことを特徴とする照明システム。
2. プロジェクション装置またはバックプロジェクション装置において、
   請求項１記載の照明システムが適用され、
   前記光インテグレータの出力端部を介して伝送された光によって照明される空間光変調器を有することを特徴とする、プロジェクション装置またはバックプロジェクション装置。
3. 該空間光変調器は、液晶セルを有する、請求項２記載のプロジェクション装置またはバックプロジェクション装置。

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