JP5080987B2 - 多数の光源のエテンデュー効率のよい合波 - Google Patents

Description

本発明は、システムのエテンデューを大きくせずに、多色照明を提供するための改良システムおよび方法に関する。

本件出願は、２００５年２月９日付けの米国仮出願Ｎｏ．６０／６５１，０７９の権利を主張し、本件出願は、２００５年９月３０日付けの出願シリアルＮｏ．１１／２４０，１６９の一部継続であり、後者は、現在米国特許Ｎｏ．６，９８２，８３０になっている２００３年１月２１日付けの出願シリアルＮｏ．１０／３４７，５２２の継続であり、現在米国特許Ｎｏ．６，５８７，２６９になっている２００１年３月２３日付けの出願シリアルＮｏ．０９／８１４，９７０の継続であり、これは２０００年８月２４日付け米国仮出願Ｎｏ．６０／２２７，３１２と２０００年１１月８日付けの同Ｎｏ．６０／２４６，６８３の権利を主張したもので、言及することによってこれらすべてを丸ごと本件に取り込む。

液晶ディスプレイ（以下「ＬＣＤ」）は、偏光エネルギーの透過を制御するのに使用される公知の装置である。ＬＣＤは、ＬＣＤに加えられる電流次第で透明または不透明になり得る。この機能性のために、投影システムは一般に、画像ソースを形成するために多数のＬＣＤを含む配列を使用する。特に、投影システムは、ＬＣＤ配列（イメージャーとも呼ばれる）に高輝度偏光エネルギーを入力し、希望の画像の投影を形成するために入力された光エネルギーのいくらかを選択的に透過させる。単一のＬＣＤは比較的小さいから、多数のＬＣＤを配列に詰めることができ、それによって高い解像度の画像を生成することができるイメージャーを形成する。

上記で示唆されるように、投影システムは最初にＬＣＤへの光入力を偏光しなければならない。しかし、電球のような光源からの光エネルギーにはｐ偏光またはｓ偏光のいずれかがあり得る。ＬＣＤイメージャーへのこの光入力が１つの偏光方向（つまりｐ偏光またはｓ偏光のいずれか）になければならないから、ＬＣＤプロジェクタは一般に光源からの光エネルギーの半分だけを使用する。しかし、投影システムにおいて、光出力の輝度および強度を最大限にすることが望ましい。これを受けて、使用不可能な偏光エネルギーを捕らえて、この捕らえられた光エネルギーの偏光を変換し、次に、ＬＤイメージャーへ変換光エネルギーを転送するといった種々の方法論が生まれている。これらの公知の偏光回収方法は、光の（望ましくない偏光の）未使用の部分の偏光を変えるための半波長板を通し、次にオリジナルの偏光ビームと再合波するといった、拡張光線の生成を伴っている。残念ながら、これらの公知の方法の実施は複雑で大きなシステムを必要とし、それは通常、２次元のレンズアレイと偏光ビームスプリッタのアレイを含む。更に、公知の方法は、光エネルギーの多くを失い、したがって、高輝度出力を生成するというプロジェクタの目標を損なう。

光導体システムは、光導体、プリズムおよびビームスプリッタを用いて、白色光を赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）の個々の成分に分解するのに使用されている。そのようなシステムの逆を、エテンデューの増大なしで、別々のスペクトルを持つ多数の光源の合波に使用することができる。したがって、エテンデューを大きくする必要のない、多色照明を提供するシステムを得ることが望ましい。

これらのニーズに応えて、本発明は、ＬＣＤ投影システムでの偏光回収機能を実現するために導波路システムを使用する。特に、本発明の導波路偏光回収システムは、ＬＣＤイメージャーにおいて使用される入力光エネルギーを偏光し、ＬＣＤイメージャーの照明に加えるべき使用不能な光エネルギーの偏光を変換する。コンパクトな偏光回収導波路システムは一般に、単一ユニットへ統合される次の光学コンポーネントを含む：（１）システムに非偏光エネルギーを入力する入力導波路；（２）システムから偏光エネルギーを除去する出力導波路；（３）入力導波路から光エネルギーを受け取り、第１偏光タイプの光エネルギーを透過させて、第２偏光タイプの光エネルギーを反射する偏光ビームスプリッタ、そして（４）透過または反射した光エネルギーの偏光を修正する波長板。偏光回収システムは一般に、透過および／または反射光エネルギーを出力導波路へ導くために配置された１つ以上のミラーをも含む。入出力導波路は、投影システムに必要とされる形にすることができる。例えば、希望の画像を生成するのに必要なように、入出力導波路の一方または両方をテーパ・アップまたはダウン状にできる。

導波路偏光回収システムで、入出力導波路は実質的に平行あるいは実質的に直交する向きに構成される。入出力導波路が実質的に平行の構成では、出力導波路は、ビームスプリッタを透過する光エネルギーを直接受け取る。このように、光エネルギーは偏光回収システムに対して実質的に同じ方向に入出射する。あるいは、入出力導波路は互いに実質的に直交する配置でもよく、この場合、光エネルギーは入射方向に直角に偏光回収システムから出射する。入出力導波路が直交する構成では、偏光ビームスプリッタを透過する光エネルギーをミラーが受け、このエネルギーを出力導波路の方へ９０°転向する。

本発明の偏光回収導波路システムは、上記列挙された光学コンポーネントを単一のコンパクトなユニット中に組み込む。１つの実施例で、導波路偏光回収システムは、システムによる光エネルギーの損失を最小限にする全反射の発生を促進するために、光学コンポーネント間に設けられた光学的に透明の材料の１つ以上の「ギャップ」をさらに含む。

ＬＥＤ照明の分野で、ＬＥＤそれぞれは一般に単一の色を照射する。多色用途には、Ｎ個のＬＥＤが使用され、通常はＮ＞＝２である。典型的には、Ｎ個のＬＥＤ、例えば２個のＬＥＤ、が並置され、同じターゲットに連結される。各ＬＥＤの出力を変えることによって、希望の色および輝度を達成することができる。このように色を組み合わせるためには、照射面積の拡大に伴って典型的な照明システムのエテンデューは大きくならざるを得ない。従って、本発明の実施例によれば、光導体に基づくシステムはエテンデューを大きくせずに色を組み合わせる。

本システムの実施例によれば、多色照明システムはビームコンバイナを備える。ビームコンバイナは、それぞれ波長の異なる、第１の光を透過させて、第２の光を反射するための２つの三角プリズムと１つのフィルターを備える。ビームコンバイナは透過第１光と反射光を合波して合波ビームを提供する。三角プリズムの各面が磨かれており、それによって、多色照明システムのエテンデューを大きくせずに光を合波する。

本発明の実施例によれば、多色照明システムは、それぞれ波長の異なるｎ＋１の光を合波するためのｎ個のビームコンバイナと、ここでＮ＞２、ビームコンバイナそれぞれの間に設けられた低屈折率接着剤またはエアギャップとを備える。ビームコンバイナはそれぞれ、前段のビームコンバイナから受け取った合波ビームを透過させ、これまで透過も反射もしていないｎ＋１の光中の新しい光を反射するための２つの三角プリズムと１つのフィルターを備え、三角プリズムの各面が磨かれている。ビームコンバイナは、透過した合波ビームと反射した新しい光を合波して、新しい合波ビームを提供する。ビームコンバイナが最後のビームコンバイナでない場合、新しい合波ビームは次のビームコンバイナに与られ、ビームコンバイナが最後のビームコンバイナである場合、新しい合波ビームを出力する。ビームコンバイナそれぞれの間の低屈折率接着剤またはエアギャップは、多色照明システムのエテンデューを大きくせずに多色照明システムが光をすべて合波することを可能にする。

本発明の実施例によれば、多色照明システムは、少なくとも２個のＬＥＤと、各ＬＥＤと関連した光導体と、クロスダイクロプリズムと、低屈折率接着剤またはエアギャップを備える。２個のＬＥＤは２つの異なる波長を持つ２つの光を提供する。クロスダイクロプリズムは、４つの三角プリズムを備え、前記各三角プリズムの各面は磨かれており、ＬＥＤと関連した各光導体から受け取った光を合波して出力ビームを得る。低屈折率接着剤またはエアギャップはそれぞれの光導体とクロスダイクロプリズムの間に設けられ、これによって多色照明システムのエテンデューを大きくせずに光を合波する。

本発明の実施例によれば、光エンジンは上記多色照明システムを備える。

本発明の実施例によれば、投影型ディスプレーシステムは、上記光エンジンと、表示信号に従って光を変調する少なくとも１つの光変調器パネルと、表示画面に変調光を投影するための投影レンズとを備える。

本発明の実施例によれば、多色照明の方法は以下のステップを備える。合波ビームを得るために、第１ビームコンバイナによって、第１フィルターを透過した第１の光と、第１フィルターで反射された第２の光を合波し；出力ビームを得るために、第２ビームコンバイナによって、第２フィルターを透過した合波ビームと、第２フィルターで反射された第３の光を合波し、各光は異なる波長を持つ；そして第１および第２ビームコンバイナ間に低屈折率接着剤またはエアギャップを設け、これによってエテンデューを大きくせずに光を合波する。前記各ビームコンバイナは２つの三角プリズムを備え、前記各三角プリズムの表面は磨かれている。

本発明の実施例によれば、多色照明の方法は以下のステップを備える。クロスダイクロプリズムによって、対応する２つの光導体から受ける２つの異なる波長を持つ少なくとも２つの光を合波し；そして各光導体とクロスダイクロプリズムの間に低屈折率接着剤またはエアギャップを設け、これによってエテンデューを大きくせずに光を合波する。前記クロスダイクロプリズムは４つの三角プリズムを備え、前記各三角プリズムの各面は磨かれている。

本発明のこれらのそして他の利点は、同じ要素に同じ参照番号を付した以下の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１〜４と図６〜１０に示すように、本発明の実施例によれば、コンパクトな導波路偏光回収システム１０は、入力導波路２０と、偏光ビームスプリッタ（「ＰＢＳ」）３０と、構成次第では半波長板または四分の一波長板でありえる波長板４０と、出力導波路５０を備える。導波路偏光回収システム１０は一般に、入出力導波路２０および５０間で光ストリームを導くのに必要ならミラー６０をさらに含む。以下の説明では、先ず導波路偏光回収システム１０のいくつかの可能な構成を概説し、次に、より詳しく個別エレメントについて記載する。

図１、図３および図６は、出力光エネルギーが入力光エネルギーと実質的に平行な導波路偏光回収システム１０の１つの構成を示す。この実施例で、入力導波路２０は、光源またはＬＥＤ光源からの非偏光入力光をＰＢＳ３０に入射させる。図示のＰＢＳ３０はｐ偏光を透過させ、したがって、入力光エネルギーのｐ偏光部分は初期の入力と同じ方向に通り抜け、ｓ偏光は入力の初期方向に対する直交方向に反射される。半波長板４０は、反射されたｓ偏光を受け、かつそれをｐ偏光に変換するよう配置されている。その後、ミラー６０は、半波長板４０からの変換されたエネルギーを入力の初期方向に戻す。ＰＢＳ３０からの透過光エネルギーと半波長板４０からの変換光エネルギーの両方は、出力導波路で再合波され混合される。その結果、出力光エネルギーは均等な強度プロファイルを持っており偏光されている。ｓ偏光を透過させるだけのＰＢＳ３０の使用を通じて反対の偏光の出力が生成され得ることが理解されよう。

図２、図４および図７〜８は、出力光エネルギーがオリジナルの入力光エネルギーに直交する代替構成である導波路偏光回収システム１０の実施例を示す。図１の実施例と同様に、入力導波路２０は非偏光入力光をＰＢＳ３０に入射させる。更に、ＰＢＳ３０はｐ偏光を透過させる同じ機能を果たし、したがって、入力光エネルギーのｐ偏光部分は初期の入力と同じ方向に通り抜け、ｓ偏光は入力の初期方向に対する直交方向に反射される。しかし、図２の構成では、１つのミラー６０が、入力光エネルギーの透過されたｐ偏光部分を出力導波路５０へ向けて９０度転向させる。更に、ＰＢＳ３０からの反射ｓ偏光は、四分の一波長板４０’を通って一度伝播し、第２ミラー６０が反射光エネルギーを四分の一波長板４０に返して、もう一度透過させる。２回目の透過も出力導波路５０の方向である。反射されたｓ偏光が四分の一波長板４０’を２度通過するから、図示のようにｓ偏光はミラーで半波シフトされて２度ｐ偏光化される。ここでも、両方のｐ偏光出力は出力導波路で混合され、均等な強度出力を生成する。図２の実施例はわずか２つの光学部分しか必要としない。入力導波路２０、ＰＢＳ３０、四分の一波長板４０’およびミラー６０の組合せによって形成された第１部分と、出力導波路５０および第２ミラー６０の組合せによって形成された第２部分である。したがって、このシステムは簡単な純設計で比較的低価格である。出力光エネルギーをオリジナルの入力光エネルギーに直交させることは、以下でより詳細に説明するように、よりコンパクトな投影システムを可能にするという利点がある。

波長板４０がＰＢＳ３０によって反射された光エネルギーを修正する上記構成とは対照的に、導波路偏光回収システム１０の他の構成は、ＰＢＳ３０によって透過された光エネルギーを修正するように波長板を配置する。例えば、図９と図１０は、ＰＢＳ３０によって透過された光エネルギーを受けるように半波長板４０を位置づける構成を示す。図９の構成では、半波長板４０がミラー６０と出力導波路５０の間で光学的に配置される。半波長板４０は、ミラー６０によって先ず転向された透過光エネルギーを受ける。同様に、図１０では、半波長板４０はＰＢＳ３０とミラー６０の間に置かれる。このように、ＰＢＳ３０からの透過光エネルギーは、出力導波路５０へ転向される前に先ず再偏光される。図９〜図１０の構成は、入力光エネルギーがＰＢＳ３０の偏光層を一度通過するだけで、それにより、システム１０の光学エネルギーの損失を減らすので有利である。対照的に、図２、図４および図７〜８の上記構成は、入力光エネルギーのうちのいくらかはＰＢＳ３０を２度通過しなければならない。

導波路偏光回収システム１０の種々の構成は同じ要素を使用する。次にそれらを詳細に説明する。

入力導波路２０は典型的に、導波路偏光回収システム１０へより均等な強度プロファイルを生成するために、アークランプのような光源から光を集めて、多重反射光を合波する積分器である。同様に、出力導波路５０は典型的に、イメージャーの照明のためのより均等な強度プロファイルを生成するために、導波路偏光回収システム１０から光を集めて、多重反射光を合波する積分器である。入力導波路２０と出力導波路５０は例えば光ファイバーの束を融着した単芯光ファイバー、ファイバーの束、中実または中空の正方形または長方形の光導体、あるいはホモジナイザーであり得、それらはテーパ状でも非テーパ状でもよい。光学投影システムで、入力導波路２０と出力導波路５０は、イメージャーと最終投影像の形に対応して典型的に矩形の断面である。入力導波路２０と出力導波路５０波は、電力取り扱い要件に応じて、ガラス、クオーツまたはプラスチックから作ることができる。

入力導波路２０と出力導波路５０の一方または両方は、投影システムによって先太りまたは先細りのテーパ状であり得る。例えば図３〜図４と図６〜１０は、入力導波路２０’が光源の面積に一致した入力横断面とＬＣＤイメージャーの寸法と関連する出力横断面を備えたテーパーロッドである導波路偏光回収システム１０の実施例を示す。光学投影システムの迷光損失を最小限にするために必要なように、入力導波路２０の最終寸法は変更可能である。同様に、図８は、出力導波路５０’もテーパ状になっている導波路偏光回収システム１０の実施例を示す。ＰＢＳ３０のパフォーマンスパラメータ、波長板４０および投影システムの出力要件によっては、偏光回収は、出力開口と同じ開口数で必ずしも行われるとは限られないから、出力導波路５０’をテーパ状とすることは有利である。ＰＢＳ３０と波長板４０の性能は、より小さな開口数の方がよく、その結果、入力光エネルギーを小さな開口数の大面積に変換し、次に出力導波路５０’の出力で光エネルギーを元のより大きな開口数に変換することにより性能の利点向上の増進が達成される。全体として、入力導波路２０と出力導波路５０のテーパは、投影システムの全体的動作と一致するよう選択することができ、同様に、入出力導波路はいずれの方向のテーパ状としてもよい。

導波路偏光回収システム１０はＰＢＳ３０をさらに含んでいる。ＰＢＳ３０は、１つの偏光の光エネルギーを透過させると共に、異なる偏光の光エネルギーを反射する周知の光学エレメントである。通常、ＰＢＳ３０は、対角面に偏光コーティングを塗布したプラスチックまたはガラスのような光学的に透明の材料の直角プリズムである。あるいは、ＰＢＳ３０は、光エネルギーの偏光によって光エネルギーを選択的に透過させる材料で構成してもよい。しかし、ＰＢＳの多数の設計代案および種類が存在し、これらの代替ＰＢＳのうちのどれでも本発明の導波路偏光回収システム１０に使用できることを理解するべきである。ＰＢＳ３０は周知で市販されているものであるから、さらに説明はしない。

導波路偏光回収システム１０の別の要素は波長板４０である。波長板４０は、波長板４０を通過する偏光エネルギーを修正する光学的に透明なコンポーネントである。波長板４０は典型的には、１つの軸心の光の伝播を変更し、したがってその偏光を変更する。波長板４０は、導波路偏光回収システム１０の具体構成によって半波または４分の１波のいずれかである。全体として、波長板４０は周知で一般に入手可能であり、さらに説明しない。

導波路偏光回収システム１０は、導波路偏光回収システム１０に光エネルギーを導くのに必要な１つ以上のミラー６０をさらに含む。ミラーは金属被膜のガラス表面または磨き金属であると一般に知られているが、ミラー６０は本発明の目的でこの共通の定義に限定されるべきでない。代わりに、ミラー６０は光エネルギーを反射または転向することができるいかなる光学コンポーネントでもよいと考えられるべきである。例えば、ミラー６０は、光エネルギーを捕らえて転向するために入射角を使用する、例えばプリズム、例えば９０度転向等の転向を持つ光導体（ここではプリズムと総称する）等の光導体と取り替えられてもよい。例えば図９と図１０は、ＰＢＳ３０によって透過された光エネルギーを出力導波路５０の方へ導くないし転向させるプリズムを有する導波路偏光回収システム１０を示す。開口数の小さいシステムについては、プリズムの全反射は使用することができ、その結果コーティングは必要でない。

図６〜図１０に示す本発明の別の好適実施例において、導波路偏光回収システム１０は、他の光学エレメント間に、１つ以上の光学的に透明な領域、低屈折率接着剤または「ギャップ」７０をさらに含む（ここではギャップと総称する）。ギャップ７０は光学コンポーネント間で残された空気のポケットでもよい。ギャップ７０は、全反射がまだ生じるが、構成要素のアセンブリが単純化されるよう、低屈折率エポキシ樹脂等の透明材料で満たすこともできる。例えば、図６は、入力導波路２０とＰＢＳ３０の間にギャップ７０を有する構成を示す。このギャップ７０は、ＰＢＳ３０とギャップ７０の間の境界面からの全反射が、光エネルギーが入力導波路２０に戻ってロスとして出射するのを防ぐから、対角線ＰＢＳ３０によって反射された光エネルギーが四分の一波長板４０’の方へ９０度転向することを保証する。図６の導波路偏光回収システム１０は、異なる光学エレメント間の全反射を促進する他のギャップ７０をも有する。同様に、図７は、図４に示すテーパ状の入力導波路２０と直交構成の出力導波路５０を備えた偏光回収システムにギャップ７０が加えられた導波路偏光回収システム１０を示す。ここでも、これらのギャップ７０は光学コンポーネント間の全反射を促進することによって効率を高める。図６〜図７に示すように、ギャップ７０は、システムの効率を高めるが、導波路偏光回収システム１０を個別部品の数が増えたより複雑なものにする。

図９〜図１０の上記構成において、ギャップ７０は、出力導波路５０に光エネルギーを向けるミラーとしてのプリズム６０’の動作を向上させる目的にさらに役立つ。特に、ギャップ７０は、プリズム６０’の斜辺からＰＢＳ３０の方へ戻るように反射された光が、ギャップ７０のこの境界面に当たり、出力導波路５０の方へ内部反射されるように、ＰＢＳ３０とプリズム６０’の間で必要である。このように、ロスを最小限にすることによりシステムの効率が向上する。

ギャップ７０の性能の利点は、透過光が最小のロスとなるような、両面上の反射防止膜の使用によってさらに向上することができる。

図５は、導波路偏光回収システム１０を使用するプロジェクタ１００を示す。プロジェクタ１００は光収集システム１１０からなり、それはこの図示の例では、光源１２０からの光を反射してそれ自体へ戻すことにより、出力を増加させる２つの放物面リフレクタと１つのレトロリフレクタを有する。光源１２０のアークが第１の放物面リフレクタの焦点に置かれ、入力導波路２０の基端が第２の放物面リフレクタの焦点にある。この光収集システム１１０は単なる例であって、他の多くの光収集システムが公知で使用可能であることを理解されたい。同様に、光源１２０は、キセノン、メタルハライドランプ、ＨＩＤ、または水銀灯等のアークランプ、あるいはシステムがランプの非不透明なフィラメントを収容するよう改変される場合には、ハロゲン・ランプのようなフィラメントランプでもよい。

図示のプロジェクタ１００内で、入力導波路２０は、光収集システム１１０から集められた光の入力をＬＣＤイメージャー１５０の光学的ニーズに適合させるよう設計されたテーパ状の光導体である。図４で前述したように、入力導波路２０の光出力はＰＢＳ３０によって偏光され、他方の偏光は四分の一波長板４０’によって回収される。そして、出力導波路５０は偏光された光エネルギーをＬＣＤイメージャー１５０に導く。この場合、ロスを最小限にするために入射光の偏光と偏光が適合させられた出力導波路５０の光出力は、第２のＰＢＳ１３０に入射する。カラー・ホイール１４０または他の種類の分色システムと反射ＬＣＤイメージャー１５０は、従来のやり方で投影レンズ１６０による投影像を生成する。図５に示すように、光学エレメントの数は最少であり、その結果プロジェクタのコストは比較的低い。

導波路偏光回収システム１０が他の種類の投影システムに使用できることは理解されよう。例えば、プロジェクタは、投影像を形成するために２つまたは３つのイメージャー１５０を使用してもよい。イメージャー１５０は、液晶・オン・シリコン（「ＬＣＯＳ」）技術を用いた反射ディスプレー、あるいは偏光システムを必要とする他の種類のシステムでもよい。

次に図１１に移ると、エアギャップまたは低屈折率接着剤なしで転向、例えば９０度転向と光導体の内部に種々の光路を備えた光導体２０、５０が示されている。ある高角度光は失われ、それにより光導体システムの効率が下がる。本発明の実施例によれば、図１２に示すように、光導体システム２００は、エアギャップまたは低屈折率接着剤７０を備える光導体２０、５０を備える。光、例えば図１１では失われる光路（ａ）および（ｃ）、は全反射によって再度捕らえられ、光導体システム２００の出力光導体５０に集められる。

本発明の実施例によれば、図１３Ａに示すように、表色システム３００はビームコンバイナ３１０、３２０と、エアギャップまたは低屈折率接着剤７０と、３つの光源つまり赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を備える。光入力はそれぞれ、光導体またはレンズシステム２００（図示しないが、図１２に示すようなもの）を介して直接または間接的に表色システム３００へつながれる。ビームコンバイナはそれぞれ、フィルターと２つのプリズムまたはビームスプリッタ、好ましくは全面が磨かれた三角プリズム、を備える。フィルターＡを備えた第１ビームコンバイナ３１０は赤色光（Ｒ）を透過させて、緑色光（Ｇ）を反射する。フィルターＡは、赤色光（Ｒ）を透過させて、かつ緑色光（Ｇ）を反射するように制御、調整あるいは選択されていることが理解される。入力からの赤色光（Ｒ）は第１コンバイナー３１０を透過し、第１コンバイナー３１０の別の面からの緑色光（Ｇ）は反射される。反射された緑色光（Ｇ）は透過赤色光（Ｒ）と合波して、コンバイナー３１０の同じ面から一緒に出射する。そして、合波した赤・緑色光（Ｒ、Ｇ）はフィルターＢを備え、赤・緑色光（Ｒ、Ｇ）を透過させ、青色光（Ｂ）を反射する第２コンバイナー３２０に入射する。フィルターＢは、赤・緑色光（Ｒ、Ｇ）を透過させ、かつ青色光（Ｂ）を反射するように制御、調整あるいは選択されていることが理解される。その結果、赤・緑色光は第２コンバイナー３２０を通り抜け、青入力からの青色光（Ｂ）は第２コンバイナー３２０によって反射される。反射した青色光（Ｂ）は透過した赤・緑色光（Ｒ、Ｇ）と合波し、合波した光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）は一緒に表色システム３００から出射する。出力強度と色は、表色システム３００に入力される各色光の量によって制御されることが理解される。さらに、光源の配置は任意で、表色システム３００の用途に依存することが理解される。すなわち、フィルターＡが緑色光（Ｇ）の代わりに青色光（Ｂ）を反射するよう調整されれば、第１ビームコンバイナ３１０へ入力される緑色光（Ｇ）の代わりに、青色光（Ｂ）を第１ビームコンバイナ３１０へ入力することができる。本発明の表色システム３００の出力ビームは個々の入力ビームと同じ断面積を占め、したがって単一の光源の同じエテンデューを保持する。光の効率的合波は、ビームコンバイナ３１０、３２０などの種々の光学コンポーネント間にエアギャップまたは低屈折率接着剤７０を設けることにより達成される。本発明の１つの観点によれば、本発明の表色システム３００の合波出力ビームは、光ファイバー照明あるいは投影型ディスプレー用途、例えば投影型ディスプレーシステム用の光エンジンに使用することができる。

本発明の実施例によれば、図１３Ｂに示すように、表色システム３００はビームコンバイナ３１０と、２つの光源つまり赤（Ｒ）と緑（Ｇ）を備える。光入力はそれぞれ、光導体またはレンズシステム２００（図示しないが、図１２に示すようなもの）を介して直接または間接的に表色システム３００へつながれる。ビームコンバイナはそれぞれ、フィルターと２つのプリズムまたはビームスプリッタ、好ましくは全面が磨かれた三角プリズム、を備える。フィルターＡを備えたビームコンバイナ３１０は赤色光（Ｒ）を透過させ、緑色光（Ｇ）を反射する。フィルターＡは、赤色光（Ｒ）を透過させて、かつ緑色光（Ｇ）を反射するように制御、調整あるいは選択されていることが理解される。入力からの赤色光（Ｒ）は第１コンバイナー３１０を透過し、第１コンバイナー３１０の別の面からの緑色光（Ｇ）は反射される。反射された緑色光（Ｇ）は透過赤色光（Ｒ）と合波して、コンバイナー３１０の同じ面から一緒に出射する。出力強度と色は、表色システム３００に入力される各色光の量によって制御されることが理解される。さらに、光源の配置は任意で、表色システム３００の用途に依存することが理解される。すなわち、フィルターＡが緑色光（Ｇ）の代わりに青色光（Ｂ）を反射するよう調整されれば、ビームコンバイナ３１０へ入力される緑色光（Ｇ）の代わりに、青色光（Ｂ）をビームコンバイナ３１０へ入力することができる。本発明の表色システム３００の出力ビームは個々の入力ビームと同じ断面積を占め、したがって単一の光源の同じエテンデューを保持する。光の効率的合波は、三角プリズムの反射磨き表面によって達成される。本発明の１つの観点によれば、本発明の表色システム３００の合波出力ビームは、光ファイバー照明あるいは投影型ディスプレー用途、例えば投影型ディスプレーシステム用の光エンジンに使用することができる。

本発明の実施例によれば、図１３Ａ−Ｂ中の入力光源（Ｒ、ＧまたはＢ）はそれぞれ、図１４に示されるように、まっすぐまたはテーパ状の光導体３３０に連結したＬＥＤ光源である。図１４はテーパ・アップの光導体３３０を示しているが、テーパ・ダウンの光導体３３０をも使用できることが理解される。図１７に示すように、光源は、それぞれが異なる色または波長の光を提供する複数のＬＥＤ光源またはＬＥＤ光源アレイＩ_１〜Ｉ_ｎ（ｎ＞＝２）でありえることが理解される。任意として、光源Ｉ_０をビームコンバイナＢＣ_１への入力部として設けることができ、ビームコンバイナＢＣ_１は光源Ｉ_０から次のビームコンバイナＢＣ_２に光を透過させる。各光源Ｉ_ｊからの光または光エネルギーは、対応する光源Ｉ_ｊからの光の波長に合致するフィルターＦ_ｊを備える対応するビームコンバイナＢＣ_ｊによって反射される。反射光Ｉ_ｊは透過光Ｉ_０ ．．．Ｉ_ｊ−１と合波し、合波した光Ｉ_０ ．．．I_ｊは次のビームコンバイナＢＣ_ｊ＋１に入射する。最後に、合波した光Ｉ_０ ．．．Ｉ_ｎはビームコンバイナＢＣ_ｎから出射し、まっすぐな、あるいはテーパ・アップまたはテーパ・ダウン状の出力光導体４３０に入射する。図示しないが、光源はそれぞれ、図１４に示すようなまっすぐな、あるいはテーパ・アップまたはテーパ・ダウン状の光導体３３０につなぐことができる。

強化されたあるいはよりよい色が本発明の特定用途で要求される場合、色座標空間において広面積がでカバーされるように、種々の色を生成する複数のＬＥＤを使用することができる。投影型ディスプレーシステムでは、より鮮明な純色を得られるものとして６色システムが知られている。本発明の実施例によれば、ｎ色の投影型ディスプレーシステムは、図１７に示すように、ｎ個の異なる色を持つ又はｎ個の異なる波長を持つ光を提供するｎ個の異なるＬＥＤ光源（Ｉ_１．．．Ｉ_ｎ）を備える。フィルターＦ_ｊは、波長λ_ｊを持つ光だけを反射するべく、ＬＥＤ光源Ｉ_ｊの波長λ_ｊと合致するように制御、調整または選択されている。

本発明の典型的な実施例によれば、出力光の輝度は、より鮮明で強い色を提供するように、フィルターと光源の適切な選択とともに、制御し高めることができる。例えば、フィルターＦ_ｊはそれぞれ、対応する光またはＬＥＤ源からの光または光エネルギーの低輝度部分を除去するように制御、調整または選択することができ、これによって光の高輝度部分だけを伝播し、より明るい出力ビームにする。

本発明の典型的な実施例によれば、図２０に示すように、多数のＬＥＤ光源は単一色（例えば赤）を強化するのに使用することができる。典型的には、図１９に示すように、それぞれの光には高輝度部分があり、例えば、赤色光は高輝度部分λ_Ｒを持ち、青色光は高輝度部分λ_Ｂを持つ。例えば、高輝度部分λ_Ｒ１、λ_Ｒ２およびλ_Ｒ３をそれぞれ持つ３つの異なる赤色光Ｒ_１、Ｒ_２およびＲ_３が組み合わせられて、クロスダイクロプリズム４１０またはビームコンバイナ３１０、３２０またはＢＣ_ｊに入力される単一の高輝度赤色光を形成する。対応するフィルターＦ_Ｒ1、Ｆ_Ｒ２およびＦ_Ｒ３は、それぞれ赤色光Ｒ_１、Ｒ_２およびＲ_３の低輝度部分を除去する。

本発明の実施例によれば、図１５と図１６に示すように、表色システム４００は、表色システム４００のエテンデューを大きくせずに光線を合波するクロスダイクロプリズム色コンバイナ４１０（またはクロスダイクロプリズム４１０）を備える。各光源（図１６）またはＬＥＤ光源（図１５）は、まっすぐな、あるいはテーパ・アップまたはテーパ・ダウン状の光導体４２０につながれる。赤色光源または赤色ＬＥＤ光源からの赤色光（Ｒ）は、まっすぐな、あるいはテーパ・アップまたはテーパ・ダウン状の光導体４２０を介して、クロスダイクロプリズム４１０の第１入力面からクロスダイクロプリズム４１０に入射する。赤色光（Ｒ）はクロスダイクロプリズム４１０を透過し、クロスダイクロプリズム４１０の出力面から射出して、まっすぐな、あるいはテーパ・アップまたはテーパ・ダウン状の出力光導体４３０に入る。緑色光源または緑色ＬＥＤ光源からの緑色光（Ｇ）は、まっすぐな、あるいはテーパ・アップまたはテーパ・ダウン状の光導体４２０を介して、クロスダイクロプリズム４１０の第２入力面からクロスダイクロプリズム４１０に入射する。クロスダイクロプリズム４１０は緑色光（Ｇ）を反射する。反射緑色光（Ｇ）は透過赤色光（Ｒ）と合波し、クロスダイクロプリズム４１０の同じ面から一緒に出射して、まっすぐな、あるいはテーパ・アップまたはテーパ・ダウン状の出力光導体４３０に入る。青色光源または青色ＬＥＤ光源からの青色光（Ｂ）は、まっすぐな、あるいはテーパ・アップまたはテーパ・ダウン状の光導体４２０を介して、クロスダイクロプリズム４１０の第３入力面からクロスダイクロプリズム４１０に入射する。クロスダイクロプリズムは青色光（Ｂ）を反射する。反射青色光（Ｂ）は透過赤色光（Ｒ）と反射緑色光（Ｇ）と合波し、クロスダイクロプリズム４１０の同じ面から一緒に出射して、まっすぐな、あるいはテーパ・アップまたはテーパ・ダウン状の光導体４３０に入る。光導体４２０、４３０は例えば光ファイバーの束を融着した単芯光ファイバー、ファイバーの束、中実または中空の正方形または長方形の光導体、あるいはホモジナイザーであり得、それらはテーパ・アップまたはテーパ・ダウン状でも非テーパ状でもよい。出力強度と色は、対応する光源またはＬＥＤ光源によって表色システム４００に入力される各色光の量によって制御されることが理解される。さらに、光源の配置は任意で、表色システム４００の用途に依存することが理解される。すなわち、クロスダイクロプリズム４１０の第２入力面に入力される緑色光（Ｇ）の代わりに、赤色光（Ｒ）をクロスダイクロプリズム４１０の第２入力面に入力することができる。本発明の表色システム４００の出力ビームは個々の入力ビームと同じ断面積を占め、したがって単一の光源の同じエテンデューを保持する。光の効率的合波は、クロスダイクロプリズムおよびまっすぐな、あるいはテーパ・アップまたはテーパ・ダウン状の光導体４２０、４３０などの種々の光学コンポーネント間にエアギャップまたは低屈折率接着剤７０を設けることにより達成される。本発明の１つの観点によれば、本発明の表色システム４００の合波出力ビームは、光ファイバー照明あるいは投影型ディスプレー用途、例えば投影型ディスプレーシステム用の光エンジンに使用することができる。

本発明の１つの観点によれば、光の効率的合波は、光導体２０、５０、３３０、プリズム、およびビームコンバイナ３１０、３２０、ＢＣ_１〜ＢＣ_ｎのような種々の光学コンポーネント間にエアギャップまたは低屈折率接着剤７０を設けることにより達成される。これらのエアギャップまたは低屈折率接着剤７０は、全反射しなければ失われる、表色システム３００へ反射して戻される角度のある光を全反射させ、それによって、光または光エネルギーの損失を最小限ないし皆無にする。

当業者は、本発明の同じ概念に従った他の構成を、異なるフィルターのセットと光源の位置で作成可能なことを理解しよう。２またはｎ色のシーケンスは変えることができる。有色ＬＥＤの入口点も変えることができる。

本発明の実施例によれば、多色照明の方法は以下のステップを備える。合波ビームを得るために、第１ビームコンバイナ３１０によって、第１フィルターＡを透過した第１の光（Ｒ）と、第１フィルターＡで反射された第２の光（Ｇ）を合波し；出力ビームを得るために、第２ビームコンバイナ３２０によって、第２フィルターＢを透過した合波ビームと、第２フィルターＢで反射された第３の光（Ｂ）を合波し、各光は異なる波長を持つ；そして、ビームコンバイナ３１０、３２０の間に低屈折率接着剤またはエアギャップ７０を設け、これによってエテンデューを大きくせずに光を合波する。

本発明の実施例によれば、多色照明の方法は以下のステップを備える。クロスダイクロプリズム４１０によって、対応する２つの光導体３３０から受ける２つの異なる波長を持つ少なくとも２つの光を合波し；そして、各光導体３３０とクロスダイクロプリズム４１０の間に低屈折率接着剤またはエアギャップ７０を設け、これによってエテンデューを大きくせずに光を合波する。

次に図１８に移ると、本発明の実施例によれば、本発明の光導体に基づく表色システムを組み込んだ光投影システムの概略図が示されている。ＬＥＤ光源５１０、例えば本書に記載したいずれかの表色システム、からの出力は、従来のやり方で投影レンズ５３０によって投影像を生成する投影エンジン５２０（例えばデジタル光処理（ＤＬＰ（登録商標））、液晶・オン・シリコン（ＬＣＯＳ）、高温ポリシリコン（ＨＴＰ）など）に入力される。本発明の１つの観点によれば、投影エンジン５２０は表示信号に従って光を変調する少なくとも１つのモジュレータ・パネルを備え、投影レンズ５３０は表示画面に調光を投影する。

ファイバーが通常丸いファイバーオプティクス用途については、システムは丸プリズムおよびフィルターを使用して実施することもできる。

中実でテーパ状の光導体３３０、４２０、４３０は図１４、図１５および図１７に示したが、複合放物面集光器（ＣＰＣ）、レンズ、中実または中空のＣＰＣまたは光導体を含む他の連結構成、および他のイメージングまたは非イメージングシステムを使用することができる。本発明の実施例によれば、テーパ状の光導体はレンズ状の出力面を持っている。本発明の実施例によれば、光導体の入力部もＬＥＤ光源からの合波効率を高めるように形作られる。

本発明を図示の実施例について詳細に説明したが、種々の ．．．が理解されよう。

反復、改変および改作は本開示に基づいて行うことができ、本発明の範囲内になるように意図される。付加されたクレームは、上記実施例、記載された種々の選択肢およびそのすべての均等物を含んでいると解釈されることが意図される。

本発明の種々の実施例による導波路偏光回収システムの概略図 本発明の種々の実施例による導波路偏光回収システムの概略図 本発明の種々の実施例による導波路偏光回収システムの概略図 本発明の種々の実施例による導波路偏光回収システムの概略図 本発明の実施例による偏光回収システムを組み込んだコンパクトな投影装置の概略図 本発明の種々の実施例による導波路偏光回収システムの概略図 本発明の種々の実施例による導波路偏光回収システムの概略図 本発明の種々の実施例による導波路偏光回収システムの概略図 本発明の種々の実施例による導波路偏光回収システムの概略図 本発明の種々の実施例による導波路偏光回収システムの概略図 エアギャップまたは低屈折率接着剤のなしの９０度転向を有する光導体の概略図 エアギャップあるいは低屈折率接着剤を備えた、９０度転向を有する本発明の実施例による光導体の概略図 本発明の実施例による、光導体に基づいた表色システムの概略図 本発明の実施例による、光導体に基づいた表色システムの概略図 本発明の実施例による、光導体に基づいた表色システムの概略図 本発明の実施例による、クロスダイクロプリズムを備える、光導体に基づいた表色システムの概略図 本発明の実施例による、クロスダイクロプリズムを備える、光導体に基づいた表色システムの概略図 本発明の実施例による、ＬＥＤ源のアレイを備える、光導体に基づいた表色システムの概略図 本発明の光導体システムを組み込んだ投影システムの概略図 青、緑および赤色光のピークまたは高輝度部分を示すグラフ 異なる高輝度部分を持つ３つの異なる赤色光を混合することから形成された赤色光を示すグラフ

Claims (8)

1. 投影型ディスプレーシステム用の光エンジンと、表示信号に従って光を変調する少なくとも１つの光変調器パネルと、前記変調された光を表示画面に投影するための投影レンズとを備える投影型ディスプレーシステムであって、
   前記投影型ディスプレーシステム用の光エンジンは多色照明システムを備え、
   前記多色照明システムは、
   ｎが２より大きく、それぞれ波長の異なるｎ＋１の光を合波して合波ビームを生成するためのｎ個のビームコンバイナであって、前記ビームコンバイナはそれぞれ、前段のビームコンバイナから受け取った前記合波ビームを透過させ、これまで透過も反射もしていない前記ｎ＋１の光中の新しい光を反射するための各面が磨かれた２つの三角プリズムと１つのフィルターを備え、前記各ビームコンバイナは、前記透過した合波ビームと前記反射した新しい光を合波して、前記各ビームコンバイナが最後のビームコンバイナでない場合、新しい合波ビームを次のビームコンバイナに与え、前記各ビームコンバイナが最後のビームコンバイナである場合、前記新しい合波ビームを出力ビームとして出力し、
   前記ビームコンバイナそれぞれの間に設けられた低屈折率接着剤またはエアギャップを備えることにより、前記多色照明システムのエテンデューを大きくせずに全ての前記光を合波する投影型ディスプレーシステム。
2. それぞれの前記光は、ＬＥＤまたはＬＥＤアレイを光源とするものである請求項１に記載のシステム。
3. 前記各ＬＥＤまたはＬＥＤアレイと関連した光導体をさらに備える請求項２に記載のシステム。
4. 前記光導体が、まっすぐな光導体、テーパ・アップ状の光導体およびテーパ・ダウン状の光導体の何れか１つである請求項３に記載のシステム。
5. 前記出力ビームの大半を受け取るよう配置された出力光導体をさらに備える請求項１に記載のシステム。
6. 前記出力光導体が、まっすぐな光導体、テーパ・アップ状の光導体またはテーパ・ダウン状の光導体の何れか１つである請求項５に記載のシステム。
7. 前記出力光導体と前記ビームコンバイナとの間に低屈折率接着剤またはエアギャップをさらに備える請求項５に記載のシステム。
8. 前記光エンジンはイメージング手段を備える請求項１に記載のシステム。

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