JP5378211B2 - プロジェクションシステム用の装置 - Google Patents

Description

関連出願

本願は、譲渡人が共通である（１）米国仮特許出願第６０／８０７，７０４号（発明の名称：プロジェクションシステム用のライトパイプ、出願日：２００６年７月１８日）、（２）米国仮特許出願第６０／８２９，４９５号（発明の名称：偏光多原色照明システム用の非結像集光器、出願日：２００６年１０月１３日）、および（３）米国仮特許出願第６０／８６２，４１４号（発明の名称：プロジェクションシステム用の集光器、出願日：２００６年１０月２０日）に基づき優先権を主張する。上記仮出願の内容はすべて参照により本願に組み込まれる。

本願は、譲渡人が共通である米国特許出願第１１／７７９，７０４号（発明の名称：プロジェクションシステム用の集光器、出願日：２００７年７月１８日）と、譲渡人が共通である米国特許出願第１１／７７９，７０６号（発明の名称：プロジェクションシステム用の集光器、出願日：２００７年７月１８日）と、譲渡人が同じである米国特許出願第１１／７７９，７１１号（発明の名称：プロジェクションシステム用の集光器、出願日：２００７年７月１８日）とに関する。

本開示内容は概して、集光システムに関する。特に、プロジェクションシステム用の非結像集光器に関する。

エタンデュー（etendue）は光学システムの特性である。エタンデューは、（伝播方向に対して垂直な平面における）光錐の断面積と光が定める立体角との積として与えられる。このような特性に対して与えられているほかの名称を挙げると、受け取り度（ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ）、スループット（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）、光取得度（ｌｉｇｈｔ ｇｒａｓｐ）、集光能力およびＡΩ積（ＡΩ ｐｒｏｄｕｃｔ）がある。エタンデューは、どのような光学システムであっても増加することがないために、重要な指標である。完全な光学システムは、光源と同一のエタンデューを持つ画像を生成する。

エタンデューの重要性は、光学システムのスループットを決定する際に現れる。任意の光源が光学システムに対して光を発光する場合の効率は、システムのエタンデューに左右される。面発光光源（例えば、発光ダイオード）は大抵の場合、プロジェクションパネルが必要とするエタンデューに一致しない。ダイは、小さすぎてダイの追加が必要になるか、または、大きすぎてパネルのエタンデューに一致させることを目的としてＬＥＤのエタンデューを小さくするべく何らかの絞りを設ける必要が出てくる。

上述の課題を鑑みて、ＬＥＤダイのエタンデューをパネルのエタンデューに一致させて光学システムのスループットを最大化することが求められている。

本明細書では、プロジェクション分野で利用される集光器を開示する。集光器は、異なる色（または一部の実施形態では同一色）の面発光源（例えば、ＬＥＤ）からの光を入力ライトパイプによって集める。一実施形態に係る集光システムは、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）および反射素子を利用して、光を互いに直交する線形偏光状態に分割して効率的に当該光を伝播させる。さらに、当該集光システムは、ＰＢＳ素子の出力から延伸する光路に設けられる出力ライトパイプを用いて、効率的に光を均一化するとしてもよい。また、当該集光システムは、一部の実施形態ではカラーセレクトフィルタ、別の実施形態では半波長スイッチ（ＬＣセル）を用いることで、出力時において単一の線形偏光を与えるとしてもよい。当該集光システムは、単一のモノリシックな、ガラス、プラスチック、またはガラスとプラスチックの組み合わせから成る集合体に一体化されているとしてもよい。

一実施形態に係る、プロジェクションシステム用の装置は、第１および第２の光源からの光を受光する第１および第２のライトパイプと、第１および第２の入力ポートならびに第１および第２の出力ポートを有するＰＢＳとを備え、第１および第２のライトパイプはそれぞれ、第１および第２の入力ポートに光学的に結合されている。当該プロジェクションシステム用集光器はさらに、第１の出力ポートに光学的に結合されている偏光回転子と、偏光回転子に光学的に結合され、偏光回転子からの光を方向付ける反射素子とを備える。本実施形態の変形例によると、当該プロジェクションシステム用装置は、第２の出力ポートおよび反射素子に光学的に結合されている第１の端部を有する第３のライトパイプをさらに備えるとしてもよく、第３のライトパイプは第２の端部に光を透過させる。さらに、第２の端部から延伸している光路に配置されるカラーセレクトフィルタをさらに備えるとしてもよく、カラーセレクトフィルタは、第１の軸に沿って加法色スペクトルを偏光して、第２の軸に沿って対応する補色スペクトルを偏光する。本実施形態の別の変形例によると、当該プロジェクションシステム用装置は、第２の出力ポートおよび反射素子に光学的に結合されている第１の端部を有する第３のライトパイプをさらに備えるとしてもよく、第３のライトパイプは第２の端部に光を透過させる。当該集光器はさらに、出力ライトパイプから延伸する光路に配置される切り替え可能な半波回転子を備えるとしてもよい。

別の実施形態に係る、プロジェクションシステム用の集光器は、第１の光源からの光を受光する第１のライトパイプと、第２の光源からの光を受光する第２のライトパイプとを備える。当該集光器はさらに、第１および第２の入力ポートならびに第１および第２の出力ポートを有する偏光ビームスプリッタとを備え、第１および第２のライトパイプはそれぞれ、第１および第２の入力ポートに光学的に結合されている。また、当該集光器は、第１の出力ポートに光学的に結合されている反射素子と、反射素子から延伸している光路に配置される偏光回転子とを備える。一実施形態に係るプロジェクションシステム用装置は、第１および第２のライトパイプと、ＰＢＳと、第１および第２の４分の１波長板と、反射素子とを備える。第１および第２のライトパイプはそれぞれ、第１および第２の光源からの光を受光する。ＰＢＳは、第１および第２の入力ポートならびに第１および第２の出力ポートを有する。第１の４分の１波長板は、第１のライトパイプおよび第１の入力ポートに光学的に結合され、第１のライトパイプと第１の入力ポートとの間に配置される。第２の４分の１波長板は、第２のライトパイプおよび第２の入力ポートに光学的に結合され、第２のライトパイプと第２の入力ポートとの間に配置される。反射素子は、第１の出力ポートに配置され、第１の入力ポートに向けて光を反射する。本実施形態の変形例によると、当該装置はさらに、ＰＢＳまたは当該ＰＢＳからの光を伝播する出力ライトパイプから延伸している光路に配置されるカラーセレクトフィルタを備えるとしてもよく、カラーセレクトフィルタは、第１の軸に沿って加法色スペクトルを偏光して、第２の軸に沿って対応する補色スペクトルを偏光する。そのような実施形態によると、第１の光源が加法色スペクトルを提供して、第２の光源が補色スペクトルを提供するとしてもよい。この実施形態のさらに別の変形例によると、当該装置はさらに（カラーセレクトフィルタに代えて）、ＰＢＳまたは当該ＰＢＳからの光を伝播する出力ライトパイプから延伸する光路に配置される切り替え可能な半波回転子を備えるとしてもよい。このような実施形態によると、第１および第２の光源は、同一色であってもよく、強度が高く周期的な出力を交互に提供するべく、時間的に変調されるとしてもよい。

さらに別の実施形態に係る、プロジェクションシステム用の装置は、第１および第２のライトパイプと、第１および第２のＰＢＳと、４分の１波長板と、反射素子とを備える。
第１および第２のライトパイプはそれぞれ、第１および第２の光源からの光を受光する。第１のＰＢＳは、第１の入力ポート、第１の偏光操作ポート、および第１の出力ポートを有し、第１の入力ポートが第１のライトパイプに光学的に結合されている。第２のＰＢＳは、第２の入力ポート、第２の偏光操作ポート、および第２の出力ポートを有し、第２の入力ポートが第２のライトパイプに光学的に結合されている。４分の１波長板は、第１および第２の偏光操作ポートに隣接し、反射素子は、４分の１波長板に隣接する。出力ライトパイプは、第１および第２の出力ポートからの光を集光する。本実施形態の変形例によると、当該装置はさらに、出力ライトパイプから延伸している光路に配置されるカラーセレクトフィルタを備えるとしてもよく、カラーセレクトフィルタは、第１の軸に沿って加法色スペクトルを偏光して、第２の軸に沿って対応する補色スペクトルを偏光する。このような実施形態によると、第１の光源が加法色スペクトルを提供して、第２の光源が補色スペクトルを提供するとしてもよい。この実施形態のさらに別の変形例によると、当該装置はさらに（カラーセレクトフィルタに代えて）、出力ライトパイプから延伸する光路に配置される切り替え可能な半波回転子を備えるとしてもよい。このような実施形態によると、第１および第２の光源は、同一色であってもよく、強度が高く周期的な出力を交互に提供するべく、時間的に変調されるとしてもよい。

その他の特徴および実施形態を、図面、詳細な説明および請求項で示す。

本開示に係る集光システムの第１の実施形態を示す概略図である。

本開示に係る赤色、緑色および青色発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスの一例の遠距離場における角度強度分布を示すグラフである。

本開示に係るＬＥＤの絞りが設けられたダイ領域と光出力との関係を示す概略図である。

本開示に係るＬＥＤの絞りが設けられた角度出力と光出力との関係を示す概略図である。

本開示に係るテーパー状ライトパイプの一例の３次元構造を示す概略図である。

図４に示したテーパー状ライトパイプの一例の上面図を示す概略図である。

図４に示したテーパー状ライトパイプの一例の側面図を示す概略図である。

本開示に係る図１の出力ライトパイプにおける、光軸に沿った０ｍｍの位置において、断面輝度を示すグラフである。

本開示に係る図１の出力ライトパイプにおける、光軸に沿った２ｍｍの位置において、断面輝度を示すグラフである。

本開示に係る図１の出力ライトパイプにおける、光軸に沿った１０ｍｍの位置において、断面輝度を示すグラフである。

本開示に係る図１の出力ライトパイプにおける、光軸に沿った１８ｍｍの位置において、断面輝度を示すグラフである。

本開示に係る、レンズアレイおよびコンデンサ均一化光学系を備える、集光システムの第２の実施形態を示す概略図である。

本開示に係る、第１のレンズアレイがプリズム集合体に結合されるコンデンサ均一化光学系およびレンズアレイを備える、集光システムの第３の実施形態を示す概略図である。

本開示に係る、コンデンサレンズおよび均一化光学系として非結像集光器を備える、集光システムの第4の実施形態を示す概略図である。

本開示に係る、コンデンサレンズおよび均一化光学系として視野レンズを備える、集光システムの第５の実施形態を示す概略図である。

本開示に係る、光のリサイクルを行う、集光システムの第６の実施形態を示す概略図である。

本開示に係る、出力箇所に設けられる均一化光学系で光のリサイクルを行う、集光システムの第７の実施形態を示す概略図である。

本開示に係る、ダブルＰＢＳ構造の集光システムの第８の実施形態を示す概略図である。

本開示に係る集光システムの第９の実施形態を示す概略図である。

本明細書では、プロジェクション分野で利用される光源合成デバイスが開示される。前述した通り、面発光源（例えばＬＥＤ）の出力をプロジェクションシステムの光変調パネルに一致させることが望ましい。一般的に、光源合成デバイスは、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＤＬＰ（デジタル・ライト・プロセッシング）またはＬＣＤ変調パネルに対して、出力領域および分布角が良好に定義されており、線形偏光され且つ空間的に均一である出力を与え得る。多色光源を利用することによって、照明器が任意のエタンデューについて与える発光出力は大きくなる。

図１は、集光システム１００の第１の実施形態を示す概略図である。集光システム１００は、図示されるように配置されている、テーパー状ライトパイプ１０２、１０６と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１０と、偏光回転子１２０と、反射素子１２２と、出力ライトパイプ１２４と、Ｇ´／Ｇカラーセレクト（ＣｏｌｏｒＳｅｌｅｃｔ（登録商標））フィルタ１２６とを備える。

第１のテーパー状ライトパイプ１０２は、ＰＢＳ１１０の第１の入力ポート１１２に光学的に結合されている。ＰＢＳ１１０は、多層複屈折性構造を有するＰＢＳ（例えば、３Ｍ Ｃｏｒｐ．社製のＶｉｋｕｉｔｉ（登録商標）ＰＢＳ）、誘電性ＰＢＳ等であってもよい。第２のテーパー状ライトパイプ１０６は、ＰＢＳ１１０の第２の入力ポート１１４に光学的に結合されている。第１の光源Ｇ１０４および第２の光源Ｇ´１０８は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような面発光色源によって実現されるとしてもよい。光源１０４および１０８は、テーパー状ライトパイプ１０２および１０６の入力ポートに光学的に結合されている。偏光回転子１２０は、ＰＢＳ１１０の第１の出力ポート１１６に配置されている２分の１波長板（ＨＷＰ）によって実現されるとしてもよい。偏光回転子１２０は、偏光状態をＰ偏光からＳ偏光およびその逆に変換する機能を有する。一部の実施形態によると、偏光回転子１２０はフィルムによって実現されるとしてもよい。反射素子１２２は偏光回転子１２０に光学的に結合されるとしてもよく、出力ライトパイプ１２４はＰＢＳ１１０の第２の出力ポート１１８および反射素子１２２に光学的に結合されて、これらの素子から光を集光するとしてもよい。偏光回転子１２０は、本実施形態では出力ポート１１６と反射素子１２２との間に配置されているが、他の実施形態では反射素子１２２と出力ライトパイプ１２４との間に配置されるとしてもよい。

Ｇ´／Ｇ カラーセレクトフィルタ１２６は、出力ライトパイプ１２４からの出射光の光路に配置されている。本明細書では、Ｇ´／Ｇ ＣｏｌｏｒＳｅｌｅｃｔ（登録商標）フィルタ１２６は、光源１０４および１０８それぞれが出力する色であるＧおよびＧ´に対するフィルタの一例として用いられている。カラーセレクトフィルタは、カラーリンク インコーポレーテッド（ＣｏｌｏｒＬｉｎｋ Ｉｎｃ．）社（米国コロラド州ボールダー（Ｂｏｕｌｄｅｒ））が製造している製品で、リターダスタックを用いて加法色帯域（例えば、色Ｇ）の偏光状態を９０度回転させる一方、補色帯域（例えば、色Ｇ´）は入力時の偏光状態を保持させる。Ｇ´／Ｇの組み合わせ例は、これらに限定されないが、緑／マゼンタ、赤／シアン、青／黄などがある。このようなフィルタは、譲渡人が同じである米国特許第５，７５１，３８４号および５，９５３，０８３号（ゲーリー・ディー、シャープ：Ｇａｒｙ Ｄ．Ｓｈａｒｐ）で説明されている。これらの特許の内容は、参照により本願に組み込まれる。光路には、Ｇ´／Ｇ ＣｏｌｏｒＳｅｌｅｃｔ（登録商標）フィルタ１２６の後に、線形クリーンアップ偏光子（不図示）をさらに設けて、より均一に偏光された出力光を実現するとしてもよい。レンズ１２８および１３０は、出力光をＬＣＯＳ、ＤＬＰまたはＬＣＤ変調パネル１３２に対して方向付けるテレセントリックリレーシステムとして構成されるとしてもよい。そのうち一部は本明細書で説明するが、他の実施形態では、上述のものとは異なる撮像光学ネットワークまたはリレー光学ネットワークを用いて光をパネル１３２に方向付けるとしてもよいことに留意されたい。

処理について説明すると、明確に異なる面発光色源１０４および１０８（本例ではＧおよびＧ´と示すが、一部の実施形態ではスペクトル範囲が重複するとしてもよい）からの光を、集光してＰＢＳ１１０の第１および第２の入力ポート（１１２および１１４）に向けて透過させる。一般的に、光源１０４および１０８のそれぞれからのＳ偏光はＰＢＳ１１０によって反射される一方、Ｐ偏光は透過される。例えば、Ｇ´のＰ偏光１３８およびＧのＳ偏光１４０は、第１の出力ポート１１６において偏光回転子１２０に向けて伝播され、第１の出力ポート１１６でそれぞれＳ偏光およびＰ偏光に９０度回転させられる。そして反射素子１２２は、偏光回転子１２０からの光をライトパイプ１２４に向けて反射する。ＧのＰ偏光１３４およびＧ´のＳ偏光１３６は、第２の出力ポート１１８に向けて伝播される。

このため、本実施形態例で示すように、Ｇの光はすべてＰ偏光で出力ライトパイプに入射し、Ｇ´の光はすべてＳ偏光で入射する。出力ライトパイプは、ＧおよびＧ´の光の空間分布を別々に均質化するとしてもよく（この場合、偏光純度に何らかの損失が発生する）、ＨＷＰ１２０に起因し得るエッジ効果（ｅｄｇｅ ｅｆｆｅｃｔ）を除去する効果を奏する。ＧおよびＧ´の光は続いて、Ｇ´／Ｇ カラーセレクトフィルタ１２６を通過して、この際にＧ´の光は９０度回転させられ、Ｇの光は回転させられない。こうして得られる出力は、Ｐ偏光のＧおよびＧ´の光を均質に混合したもので、リレー光学系によってパネルに結像され得る。カラーセレクトフィルタの後方に線形偏光子（不図示）を設けて、偏光クリーンアップを行うとしてもよい。１つの共通の偏光で光を出力することは、液晶パネルを用いて光を変調する場合に特に有効であるが、マイクロミラーを用いて光を変調するプロジェクション分野（つまり、ＤＬＰ技術）の場合にはあまり望ましくない場合もある。

図２は、高出力の赤色、緑色および青色ＬＥＤデバイス（本例では、ルミナス・デバイシーズ（Ｌｕｍｉｎｕｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ）社のもの）の一例の、遠距離場における角度強度分布を示すグラフ１５０である。グラフ１５０から分かるように、赤色、緑色および青色ＬＥＤデバイスそれぞれの強度は角度に対して一様ではない。また、赤色ＬＥＤデバイス（ライン１５２で示す）は、正規化強度プロファイルが略ランバーティアン（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）である一方、青色および緑色ＬＥＤデバイス（ライン１５４で示す）の正規化強度プロファイルはよりピークが明瞭である。

ＬＥＤ製品は大抵の場合、プロジェクションパネルが必要とするエタンデューに正確に一致しない。ダイは、小さすぎるか（ダイの追加が必要になる）、または、大きすぎてパネルのエタンデューに一致させることを目的としてＬＥＤのエタンデューを小さくするべく何らかの絞りを設ける必要が出てくる。図３Ａおよび図３Ｂは、ＬＥＤ１６０および１７０におけるエタンデューを小さくするための２つの方法を示す。第１の方法は、ダイ１６２における絞り１６４を変更することに基づく。ダイ１６２は無数の点状発光源を含む面と考えられ得るので、ダイ面積を小さくすると光出力もこれに比例して小さくなる。第２のエタンデュー低減方法は、図３ＢにＬＥＤ１７０として示すように、集光された角度出力を変更することに基づく。しかし、発光源の角度分布が本質的に均一でないことを考えると、角度出力を小さくすると、同じように低減されたエタンデューについて光出力が大きくなる。第１の方法に比べ、第２の方法を用いる場合には、ピークを持つ緑色および青色のダイにおいて、光出力の損失が小さくなり得る。

図４は、テーパー状ライトパイプ１８０の一例の３次元構造を示す概略図である。テーパー状ライトパイプ１８０は、高伝送効率を維持しつつ、角度出力が均一でないＬＥＤ光源からの集光角度分布を小さくするための角度−角度変換器を実現する。一般的に、テーパー状ライトパイプ１８０は、光源入力端１８２および光源出力端１８４を有する。本例によると、ライトパイプ１８０はｙ−ｚ平面におけるダブルテーパー形状を有しており、第１および第２のテーパー状ステージ１８６および１８８は、断面平面に対して垂直である軸（ｚ軸）に沿って断面積が減少し、第１のテーパー状ステージ１８６は、第２のテーパー状ステージ１８８よりも、単位長さ当たりの断面積の減少率が大きい。

本例によると、ライトパイプ１８０は５３度までのＬＥＤの出力角度を２３度以下の出力角度に変換する。直交次元（ｘ）では、当該ライトパイプはテーパー形状を有してはおらず（しかし、他の実施形態ではｘ方向にもテーパー形状を有するとしてもよい）、２３度以下のＬＥＤ出力角度は２３度以下の円錐として出力される。これらの角度は、ダイ面の略すべてが集光システムに対して光を発光でき、且つ、ライトパイプ１８０の出力が選択パネルのエタンデューに一致するように選択された。本例のテーパー状ライトパイプ１８０は、ダイ面にエタンデュー低減用絞りを載置する場合に比べて１．５倍から１．７５倍の光を集光して所望のエタンデューを実現する。他の実施形態によると、当該角度−角度変換器は、より高効率を実現するべくテーパー状ライトパイプ／トンネルおよびＣＰＣを用いても実施され得る。当該角度−角度変換器の出力に設けられるレンズによってさらに効率が高まり得る。

図５Ａは、図４に示したテーパー状ライトパイプ１８０の一例の上面図を示す概略図である。同図から分かるように、テーパー状ライトパイプ１８０はｘ−ｚ平面ではテーパー形状を有していない。本明細書ではある１つの次元でテーパー形状を有し別の次元ではテーパー形状を有しないテーパー状ライトパイプの例を開示するが、他の実施形態では、テーパー状ライトパイプがテーパー形状を有する次元を上記とは別に設定するとしてもよい。例えば、ｘ−ｚ平面でテーパー形状を有するとしてもよい。

図５Ｂは、図４に示したライトパイプ１８０の一例の側面図を示す概略図である。

図６Ａから図６Ｄは、光軸に沿った位置の関数として、出力ライトパイプ１２４（図１を参照のこと）における断面輝度２００、２１０、２２０および２３０を示す図である。ライトパイプ１２４内の光は、ＰＢＳおよび反射素子（直角プリズム構造）を通過する際に生じ得る損失について適切に増減されている。図６Ａは、光軸に沿った０ｍｍの位置において（つまり、出力ライトパイプ１２４の入力箇所において）、２分の１波長板がＰＢＳと反射素子の間に配置されている陰影の領域２０２が顕著であることを示している。図６Ｂおよび図６Ｃは、出力ライトパイプをさらに奥に進み、例えば光軸の方向において入力面から２ｍｍおよび１０ｍｍの箇所において、ＨＷＰの陰影が小さくなっているが、光の蓄積（ｌｉｇｈｔ ｐｏｏｌｉｎｇ）が２つの端部（例えば、図６Ｂでは斜線領域２１２および２１４として示されており、図６Ｃでは斜線領域２２２および２２４として示されている）に沿って明らかであることを示している。図６Ｄからは、出力ライトパイプの入力箇所から約１８ｍｍの位置において、光がプロジェクションアプリケーションでの使用に適するだけ十分に均質化されていることが分かる。他の実施形態によれば、上述の構成に代えて、出力ライトパイプは、Ｆナンバーがより小さいリレー光学系を実施することを目的として複合放物面集光器（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ：ＣＰＣ）を有するダブルテーパー状ライトパイプまたはテーパー状ライトパイプとして実施されてもよい。角度−角度変換器の出力箇所に設けられているレンズによって、さらに効率が高くなり得る。

図７は、集光モジュール２６０および均一化光学モジュール２７０を備える集光システム２５０の第２の実施形態例を示す図である。集光モジュール２６０は、第１および第２の光源２５２および２５４からの光を受光し、図１に示した素子１０２から１２２と、同様の構造を有し同様に動作するとしてもよい。均一化光学モジュール２７０は通常、均一化光学系を実現し、第１のレンズアレイ２７２および第２のレンズアレイ２７４（それぞれは、２つ以上の小型レンズを含む）と、コンデンサレンズ２７６とを有する。第１のレンズアレイ２７２の各小型レンズの像は、第２のレンズアレイ２７４およびコンデンサレンズ２７６によって照明平面２７８に結像されるとしてもよい。像が重複することによって、照明平面２７８では、略均一な光を得られる。一実施形態によると、カラーセレクトフィルタ２８０をレンズトレイン（ｔｒａｉｎ）に載置して、すべての光を１つの共通した偏光に回転させるとしてもよい。第１および第２の光源２５２および２５４を時間的に切り替える別の実施形態によると、カラーセレクトフィルタ２８０に代えてＬＣセル（切り替え可能な半波回転子）を設けて１つの共通の偏光を有する出力光を提供するとしてもよい。このような実施形態例を図１４に図示するが、当該実施形態例に関連して説明される切り替え法は本例の構成にも用いられるとしてもよい。

図８は、集光モジュール３１０および均一化光学モジュール３２０を備える集光システム３００の第３の実施形態例を示す図である。ここで、集光モジュール３１０の構造および機能は、図１を参照しつつ説明した第１の実施形態と同様である。本実施形態例によると、均一化光学モジュール３２０は、光の全反射（ＴＩＲ）を最適化するべく、プリズム集合体３１２の面とＰＢＳ３１４の出力ポートに低屈折率接着剤で接着されている、第１のレンズアレイ３２２を有している。第１のレンズアレイ３２２は、第２のレンズアレイ３２４およびコンデンサレンズ３２６と協同して、光を照明平面３２８に方向付ける。カラーセレクト素子３３０は、レンズトレインに載置されて、すべての光を１つの共通した偏光に回転させるとしてもよい。レンズ素子３２２−３２６の複屈折率が低い場合、本実施形態によれば、図１に示したライトパイプ均一化光学系１２４に比べて、出力箇所における偏光純度が高くなるという効果を奏し得る。第１および第２の光源３０２および３０４を時間的に切り替える別の実施形態によると、カラーセレクトフィルタ３３０に代えてＬＣセル（切り替え可能な半波回転子）を設けて１つの共通の偏光を有する出力光を提供するとしてもよい。このような実施形態例を図１４に図示するが、当該実施形態例に関連して説明される切り替え法は本例の構成にも用いられるとしてもよい。

図９は、集光モジュール３６０および均一化光学モジュール３７０を備える集光システム３５０の第4の実施形態例を示す図である。ここで、集光モジュール３６０の構造および機能は、図１を参照しつつ説明した第１の実施形態と同様である。均一化光学モジュール３７０は、コンデンサレンズ３７２と、均一化光学系として機能するライトパイプ３７４（または、同様の非結像集光器、例えば、ライトトンネル、中実な複合放物面集光器（ＣＰＣ）、中空なＣＰＣ、中実な角度−角度変換器または中空の角度−角度変換器）とを有する。

処理について説明すると、図１に示した実施形態と同様に、集光モジュール３６０は、第１および第２の光源３５２および３５４から光を受光して、ＰＢＳ出力ポート３６２およびプリズム出力ポート３６４に向けて光を方向付ける。コンデンサレンズ３７２は、集光モジュール３６０の出力からの光を、非結像集光器３７０の入力に方向付ける。非結像集光器３７０によって光は均一化される。他の実施形態によると、非結像集光器３７４をテーパー状にすること、または、成形することによって、所望のリレーレンズ開口数に一致するように照明の角度分布を調整するとしてもよい。本実施形態によると、コンデンサレンズ３７２は、当該レンズとプリズム集合体との間に空隙を設けるように図示されている。しかし、ほかの実施形態によると、これに代えて、コンデンサレンズ３７２は低屈折率接着剤でプリズム集合体に光学的に結合されるとしてもよい。第１および第２の光源３５２および３５４を時間的に切り替える別の実施形態によると、カラーセレクトフィルタ３８０に代えてＬＣセル（切り替え可能な半波回転子）を設けて１つの共通の偏光を有する出力光を提供するとしてもよい。このような実施形態例を図１４に図示するが、当該実施形態例に関連して説明される切り替え法は本例の構成にも用いられるとしてもよい。

図１０は、第１および第２の光源４０２および４０４から光を受光して、集光モジュール４１０および均一化光学モジュール４２０を備える集光システム４００の第５の実施形態例を示す図である。ここで、集光モジュール４１０の構造および機能は、図１を参照しつつ説明した第１の実施形態と同様である。均一化光学モジュール４２０は、コンデンサレンズ４２２および視野レンズ４２４を有する。コンデンサレンズ４２２は、照明平面４２８においてテレセントリックソースを作成する機能を有する。一部の実施形態によると、システム４００は、コンデンサレンズ４２２および視野レンズ４２４それぞれについて複数のレンズを利用するとしてもよい。均一化光学モジュール４２０を用いるので、集光システム４００は、ライトパイプまたはライトトンネルベースのシステムに比べると、偏光純度が高くなる可能性がある。なお、コンデンサレンズ４２２は、低屈折率接着剤で集光モジュール４１０に光学的に結合されるとしてもよい。第１および第２の光源４０２および４０４を時間的に切り替える別の実施形態によると、カラーセレクトフィルタ４３０に代えてＬＣセル（切り替え可能な半波回転子）を設けて１つの共通の偏光を有する出力光を提供するとしてもよい。このような実施形態例を図１４に図示するが、当該実施形態例に関連して説明される切り替え法は本例の構成にも用いられるとしてもよい。

図１１は、別の構成を提供する、集光システム４５０の第６の実施形態例を示す図である。集光システム４５０は、第１および第２の光源４５２および４５４からの光を受光する第１および第２の集光器４５６および４５８を備える。集光システム４５０はさらに、第１および第２の集光器４５６および４５８と、ＰＢＳ４７０の第１および第２の入力ポート４６４および４６６との間に配置されている、第１および第２の４分の１波長板（ＱＷＰ）４６０および４６２を備える。本実施形態例によると、フラットミラー４７２がＰＢＳ４７０のポート４７４に配置されている。カラーセレクト素子は、出力光に１つの共通の偏光を与えるべく、出力ポート４７６を介して透過される光の出力光路に配置されるとしてもよい。第１および第２の光源４５２および４５４を時間的に切り替える別の実施形態によると、カラーセレクトフィルタ４８０に代えてＬＣセル（切り替え可能な半波回転子）を設けて１つの共通の偏光を有する出力光を提供するとしてもよい。このような実施形態例を図１４に図示するが、当該実施形態例に関連して説明される切り替え法は本例の構成にも用いられるとしてもよい。

処理について説明すると、第１の光源４５２が発光するランダム偏光（Ｇ）は第１の集光器４５６を介してＱＷＰ４６０およびＰＢＳ４７０に対して透過される。第１の光源４５２からの光Ｇの場合は、Ｓ偏光がＰＢＳの出力ポート４７６に向けて反射される一方、Ｐ偏光はミラー４７２に向けて透過される。Ｐ偏光は、ミラー４７２によって反射されて、ＰＢＳ表面４６５を通過して、ＱＷＰ４６０を通過し、ＱＷＰ４６０で円偏光状態に変換される。円偏光は再度、ＬＥＤ４５２の表面４５３で反射され（表面反射率は約２５％）、左右像が変化し、再度ＱＷＰ４６０を通過する。ＱＷＰ４６０を通過した後の時点において、この光はＳ偏光で、ＰＢＳ表面４６５によってＰＢＳの出力ポート４７６に向けて反射される。第２の光源４５２（Ｇ´のＬＥＤ）からの照明は、Ｐ偏光がそのまま透過される一方でＳ偏光がリサイクルされる点を除いては、同様の経路／リサイクルを経る。

この構成によると、第１および第２の集光器４５６および４５８、ならびにＰＢＳ４７０の寸法は、全パネルのエタンデューを得るように決められるとしてもよい（図１および図７から図１０の前出の構成では、パネル半分のエタンデューであった）。また、出力表面はシームレスであるので、ＰＢＳ４７０の出力はそのまま変調パネルに結像するとしてもよい。最後に、ＰＢＳ４７０の出力表面４７６における偏光純度は、非常に良好なはずである。

図１２は、集光システム５００の第７の実施形態例を示す図である。本システム５００は、ライトパイプ５０２（またはその他の非結像集光器、例えば、ライトトンネル、中実または中空のＣＰＣ、またはレンズアレイおよびコンデンサ）が照明を均一化するべく出力箇所に追加されている点以外は、図１１に図示したシステム４５０と同様の構成である。ライトパイプ５０２または同等の素子は、低屈折率接着剤で接着されるとしてもよい。

図１３は、集光システム５５０の第８の実施形態例を示す図である。当該構成例によると、直交配向される第１および第２の偏光ビームスプリッタが利用される。詳細を説明すると、第１のＰＢＳ５５２がＳ偏光を反射して、第２のＰＢＳ５５４がＰ偏光を反射する。スリーエムコープ（３Ｍ Ｃｏｒｐ．）社製のデュアル・ブライトネス・エンハンスメント・フィルム（Ｄｕａｌ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍ：ＤＢＥＦ）であれば、この種の処理を実行することができる。

本例によると、第１の光源（Ｇ´のＬＥＤ）５５６からのランダム偏光は、第１のＰＢＳ層５６０に対して透過され、第１のＰＢＳ層５６０はＳ偏光５６１を出力５６２に向けて反射して、Ｐ偏光５６３を透過させる。Ｐ偏光５６３は続いて、第２のＰＢＳ層５６６で反射されて、ＱＷＰ５６８を通過した後で円偏光に変換される。円偏光は、ミラー５７０で左右像が変化し、ＱＷＰ５６８を再度通過した後でＳ偏光に変換される。Ｓ偏光は続いて、ＰＢＳを透過して出力５６２に向かう。ライトパイプ５７２（またはその他の均一化光学構造）が出力５６２に含まれており均一な照明を実現する。ライトパイプ５７２もまた、低屈折率接着剤で接着されるとしてもよい。第２の光源（ＧのＬＥＤ）５５８からのランダム偏光は、Ｐ偏光が第２のＰＢＳ層５６６で出力５６２に対して反射されて、Ｓ偏光が透過される点を除いては、第１の光源からの光と略同じ方法で処理される。カラーセレクト素子を出力光路に載置して、１つの共通した偏光を持つ出力光を提供するとしてもよい。第１および第２の光源５５６および５５８を時間的に切り替える別の実施形態によると、カラーセレクトフィルタ５７４に代えてＬＣセル（切り替え可能な半波回転子）を設けて１つの共通の偏光を有する出力光を提供するとしてもよい。このような実施形態例を図１４に図示するが、当該実施形態例に関連して説明される切り替え法は本例の構成にも用いられるとしてもよい。

明度倍増照明器（ダブル・ブライトネス・イルミネータ）について説明する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）が出力する瞬時光束は、デバイスに入力される瞬時電流に対して略線形に変化する。ＬＥＤは、連続波（ＣＷ）電流でも駆動できるし、または、電流の変調が短い時間（１秒未満）である場合にはピークがより高い電流でパルスを印加することもできる。ＬＥＤメーカーは、自社製品に対して、デバイスの寿命（通常は２万時間から１０万時間）を実現するための、パルス電流およびＣＷ電流の最大限度を決める。尚、デバイスの寿命はどちらの駆動方法でも同程度である。一般的には、長時間にわたってメーカーが限度として示すパルス電流でパルスを印加するＬＥＤが生成する平均光束は、メーカーが限度として示すＣＷ電流で駆動されるＬＥＤが生成する平均光束以下である。これは、１つのＬＥＤについて、最高明度の光出力は通常ＣＷで駆動されるＬＥＤで得られることを意味する。

図１４は、単一色ＬＥＤ入力に比べて同一システムの明度を略倍増させる非結像集光システム（図１から図１３に示すさまざまな実施形態と比較されたい）の変形例を示す図である。集光システム６００の構造は、いくつかの変形を除いて、図１に示す集光システム１００の構造と同様である。例えば、本実施形態によると、第１および第２の光源（ＬＥＤ）６０２および６０４は同一の色（または同様の色）の光を発光し、図１のカラーセレクトフィルタに代えて、切り替え可能な半波回転子（例えば、液晶セル）およびアナライザ６０６が設けられている。

図１から図１３は、まず、集光器の入力箇所において実質的に相違する２つの色（またはスペクトル分布）を用いると共に出力箇所においてカラーセレクトデバイスを設けることによって、より明るい光源が得られることを図示している。ＬＥＤに代えて同一の色（または同様の色）のＬＥＤ６０２および６０４を設けて、カラーセレクトフィルタに代えて切り替え可能な半波板回転子（例えば、液晶セル）およびアナライザ６０６を設けると、光源６０２および６０４のいずれかからの光を半波回転子６０６の駆動位相に基づいて出力箇所において選択することができる。また、ＬＥＤ６０２および６０４をＣＷ電流の限界値よりも約１／（デューティーサイクル）だけ大きいパルス電流で駆動すると、回転子６０６はＬＥＤ駆動電流のそれぞれと同期して切り替えられるので、ＬＥＤからの光はどちらもアナライザを通過する。よって、照明器からの平均光束は単一のＬＥＤ光源のＣＷの場合の出力の略２倍となり得る。

一部の実施形態によると、同じシステムを複数の光源に対して用いることが可能で、それぞれの光源の帯域幅の半分の和よりも小さい量だけ光源のスペクトルは互いに分離している。例えば、青みがかかった緑色のＬＥＤと黄色がかかった緑色のＬＥＤとを組み合わせると、２次元ディスプレイにおいて明るい緑色の光源が実現され得る。この照明器をフレームレートがより高いディスプレイと組み合わせると、スペクトル分割３次元アプリケーションにおいて２つの画像を表示し得る。

本明細書で説明される集光システムは、モノリシックなガラス、プラスチックまたはガラス／プラスチックの組み合わせから成る集合体として実施されるとしてもよい。光の当該構造内の移動に際してエタンデューおよび効率を維持するべく、ＰＢＳおよび直角プリズムの複数の表面において全反射（ＴＩＲ）が必要となる。光路における折り返しに先立ってＴＩＲを維持するためには、高屈折率ガラス（例えば、ｎ＝１．７８）を低屈折率接着剤（例えば、ｎ＝１．５１）と共に用いて所望の表面に沿ってＴＩＲを維持するとしてもよい。これに代えて、ガラス表面に設けられる誘電層によって低屈折率ガラスまたはプラスチックを接着剤と共に利用できるようにしてＴＩＲを維持するとしてもよい。モノリシックな集合体によれば、構成要素をプラスチックで成形することができれば、ロバスト性、位置合わせ、および、可能性としては、コストの面においても効果が得られる。

尚、図１に示したテーパー状のライトパイプは、米国特許出願公開公報第２００６／０００７５３８号 Ａ１（発明者：エム・ジー、ロビンソン（Ｍ．Ｇ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ）、発明の名称：「照明システム（Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）」、出願日：２００５年７月６日）で開示されている色合成および偏光スプリット構成によってＬＥＤ光源に対する接続を実現するべく用いられるとしてもよい。当該米国特許出願公開公報は、参照により本願に組み込まれる。また、出力ライトパイプは、出力光を均一化することを目的として、本開示の教示内容に従って、上記公開公報第２００６／０００７５３８号で説明するＰＢＳ／ミラーの出力ポートからの光を方向付けるために利用されるとしてもよい。本開示および上記公開公報第２００６／０００７５３８号の教示内容を組み合わせて、プロジェクションシステム用のさまざまな集光システムを提供するとしてもよい。本明細書で使用される場合、「プロジェクションシステム」という用語は、スクリーン上に画像を投影するディスプレイを意味し、リアプロジェクションシステムとフロントプロジェクションシステムを含むものとする。

本明細書で使用される場合、「光学的に結合されている」という表現は、ある構成要素から別の構成要素に対して光路および光透過を実現するべく光学素子同士を結合することを意味する。光学素子は別の光学素子と一体化されて、単一のモノリシックなガラス、プラスチックまたはガラス／プラスチックの組み合わせから成る集合体を形成するとしてもよいが、機能的にはこれらの光学素子は「光学的に結合されている」という状態としてもよい。光学的な結合には、構成要素同士が直接的または間接的に接触していることが含まれるとしてもよく、屈折率整合材を利用して構成要素同士を結合することが含まれるとしてもよいし含まれなくてもよい。屈折率整合材は、これに限定されないが、屈折率整合接着剤であってもよい。例えば、ある構成要素と別の構成要素との間で光路が設けられている限り当該構成要素同士は、互いに接触していても、単一の集合体として一体化されていても、その間に透光性の物体があっても、および／またはその間に間隙が設けられていても、光学的に結合されているとしてよい。

本明細書の教示内容は上記以外の具体的な形態でもその目的または本質的な特徴から離れることなく実施できるということは、当業者には明らかである。このため、本明細書で開示した実施形態は、例示を目的としたものに過ぎず本発明を限定するものではない。本発明の範囲は上記の説明よりはむしろ添付の特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の均等物の意味および範囲内で行われる変更はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

また、本明細書で用いたセクションのタイトルは米国特許法施行規則§１．７７に基づく提言を遵守して、もしくはそれ以外では本明細書の構成を分かりやすくするべく設けたものである。これらのタイトルは、本開示に基づく請求項に明記した発明を限定または特徴づけるものではない。具体的に例を挙げると、「技術分野」としてタイトルが設けてあるが、本願請求項は、いわゆる「技術分野」を説明するべくこのタイトル以下の内容に基づき選択される用語によって限定されるべきではない。また、「背景技術」のセクションにおける技術の説明は、当該技術を本明細書で開示された発明に対する先行技術と自認したものと解されるべきではない。同様に、「発明の説明」セクションの内容も本願の請求項に記載する発明を特徴づけるものとして解釈されるべきではない。またさらに、本開示において「発明」と言及しているが、本開示において請求している新規性が１点しかないと解されるべきではない。本開示内容に対応する複数の請求項の限定に基づき複数の発明が記載されているとしてもよく、このため請求項は１または複数の発明を定義しており、当該発明と同等のものは請求項によって保護される。どのような場合においても、請求項の範囲は明細書に鑑みてそれ自体で解釈されるべきであり、本明細書に記載されたタイトルによって限定されるべきではない。

Claims (13)

1. プロジェクションシステム用の装置であって、
   第１の光源からの光を受光する第１のライトパイプと、
   第２の光源からの光を受光する第２のライトパイプと、
   第１および第２の入力ポートならびに第１および第２の出力ポートを有する偏光ビームスプリッタと、
   前記第１の出力ポートに光学的に結合されている偏光回転子と、
   前記偏光回転子に光学的に結合され、前記偏光回転子からの光を方向付ける反射素子と、
   前記第２の出力ポートおよび前記反射素子に光学的に結合されている第１の端部を有する第３のライトパイプと
   を備え、
   前記第１および第２のライトパイプはそれぞれ、前記第１および第２の入力ポートに光学的に結合され、
   前記第３のライトパイプは第２の端部に光を透過させ、
   前記第２の端部から延伸している光路に配置されるリターダスタックフィルタ
   をさらに備え、
   前記リターダスタックフィルタは、第１の軸に沿って加法色スペクトルを偏光して、第２の軸に沿って対応する補色スペクトルを偏光する装置。
2. 前記第１および第２のライトパイプのうち少なくとも一方は、第１のテーパー状ステージおよび第２のテーパー状ステージを有する請求項１に記載の装置。
3. 前記第１および第２のテーパー状ステージの断面積は、断面平面に対して垂直な軸に沿って減少していき、前記第１のテーパー状ステージの断面積の単位長さ当たりの減少率は、前記第２のテーパー状ステージの断面積の単位長さ当たりの減少率よりも高い請求項２に記載の装置。
4. 前記偏光回転子は、偏光状態を直交する偏光状態に回転させる請求項１から３の何れか１項に記載の装置。
5. 前記偏光回転子は、半波長板である請求項１から４の何れか１項に記載の装置。
6. 前記反射素子は、プリズムおよびミラーのうちいずれかである請求項１から５の何れか１項に記載の装置。
7. 変調パネルと、
   前記変調パネルに向けて光を方向付けるテレセントリック光学リレーと
   をさらに備える請求項１から６の何れか１項に記載の装置。
8. 前記反射素子は、光路上の光を、前記第２の出力ポートから出射する光に対して平行になるように方向付ける請求項１から７の何れか１項に記載の装置。
9. 前記第１の光源から発光され前記第３のライトパイプから出射する光の偏光状態は、前記第２の光源から発光され前記第３のライトパイプから出射する光に対して直交している請求項１から８のいずれか1項に記載の装置。
10. 前記第１および第２の光源は発光ダイオードを有する請求項１から９の何れか１項に記載の装置。
11. 前記第１の光源は、加法色スペクトルを出力し、前記第２の光源は、前記加法色スペクトルに対して補色となるスペクトルを出力する請求項１から１０の何れか１項に記載の装置。
12. 前記第１および第２のライトパイプはテーパー状である請求項１から１１の何れか１項に記載の装置。
13. テーパー状の前記第１および第２のライトパイプの断面積は、前記第１の光源側および前記第２の光源側の端部の方が小さい請求項１２に記載の装置。

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