JP6215513B2 - 複数のコヒーレント光源からの光を合成する装置 - Google Patents

Description

本出願は、２０１０年９月２１日に出願された米国特許出願第１２／８６６，９２３号の優先権を主張するものであり、参照により本明細書に援用される。

本明細書は、全体として照明システムに関し、具体的には、複数のコヒーレント光源からの光を合成する装置に関する。

レーザのようなコヒーレント光源は、投写型ディスプレイへの魅力的な光源であるが、スペックル（ｓｐｅｃｋｌｅ）の問題に悩まされている。複数のコヒーレント光源の合成は、通常高い強度を要求する投写型ディスプレイへの光としても魅力的である。

本明細書では、複数のコヒーレント光源からのコヒーレント光を合成する装置を提供する。この装置は、複数の光ガイドを含む。前記複数の光ガイドそれぞれは、入口面及び出口面と、前記入口面における第１のミラーであって、前記複数のコヒーレント光源のうちの１つからの光が入るアパーチャを含む、第１のミラーと、前記出口面における第２のミラーであって、部分反射し、前記光の第１の部分を透過可能であり、前記第１のミラーへ戻る前記光の第２の部分を反射可能である、第２のミラーと、を含む。この装置は、前記複数の光ガイドから出る放出光を合成する第２のステージ光ガイドであって、前記第２のステージ光ガイドは、第２のステージ入口面及び第２のステージ出口面であって、前記第２のステージ入口面は、前記複数の光ガイドの各出口面からの前記放出光を受け入れる、第２のステージ入口面及び第２のステージ出口面と、前記光を前記第２のミラーへ戻るように反射する、前記第２のステージ出口面における第３のミラーであって、前記第２のステージ光ガイドから前記光が出る出口アパーチャを含む、第３のミラーと、を含む第２のステージ光ガイドと、をさらに含む。

前記出口アパーチャの形状は、プロジェクタの光変調器の形状と一致しうる。

前記出口アパーチャのエタンデュは、プロジェクタの光変調器のエタンデュと一致しうる。

前記複数の光ガイドそれぞれは、全体として、共通の縦軸に沿って互いに位置合わせされうる。

前記複数の光ガイドは、規則的な配列構造で配置されうる。

前記第２のステージ入口面の領域は、全体として、前記複数の光ガイドの前記出口面の集合的な領域と一致しうる。

前記第２のステージ入口面は、前記複数の光ガイドの前記出口面それぞれと光学的に結合されうる。

各複数の光ガイドのそれぞれの長さは、各複数のコヒーレント光源の１つのコヒーレント長の少なくとも半分の長さでありうる。

前記第２のステージ光ガイドの長さは、前記複数の光ガイドの長さ以下でありうる。

前記複数の光ガイド及び前記第２のステージ光ガイドそれぞれは、少なくとも１つの中空でない光パイプ及び中空の光トンネルを含みうる。

前記複数の光ガイド及び前記第２のステージ光ガイドの少なくとも一部は、内側反射壁を含みうる。

実施形態は、以下の図面を参照しながら説明される。
図１は、制限されない実施に係る、複数のコヒーレント光源からの光を合成する装置の側面を示す図である。 図２は、制限されない実施に係る、図１の装置の第１のステージからの光ガイドを示す図である。 図３は、制限されない実施に係る、図１の装置の第２のステージからの光ガイドを示す図である。 図４は、制限されない実施に係る、図３の光ガイドの端面を示す図である。 図５は、制限されない実施に係る、プロジェクタの機能ブロック図である。

図１は、複数のコヒーレント光源１０５（以下、全体としては複数の光源１０５といい、一般的には光源１０５という）からの光１０３を合成する装置１００を示す図である。例えば、複数の光源１０５は、レーザを含みうる。さらに、各光源１０５は、任意の適切な色の光を放出しうる。ある実施形態では、光源１０５は、合成されると、白色が生成されるような複数の色を含む。装置１００は、通常、第１のステージ１０７と、第２のステージ１０９と、を含む。第１のステージ１０７は、複数の光ガイド１１１（以下、全体としては複数の光ガイド１１１といい、一般的には光ガイド１１１という）を含み、ある実施では、通常、複数の光ガイド１１１と複数の光源１０５とは、１対１の関係でありうる。しかし、他の実施では、光ガイドの数は、光源１０５の数以上又は光源１０５の数以下でありうる。

光ガイド１１１の制限されない実施が図２に示される。光ガイド１１１は、長さＬ１の筐体２０４により隔てられる入口面２０１と、出口面２０３と、を含む。長さＬ１は、任意の適切な長さでありうる。いくつかの制限されない実施では、長さＬ１は、各光源１０５から放出される光のコヒーレント長の約半分である。さらなる実施形態では、長さＬ１は、各光源１０５から放出される光のコヒーレント長の少なくとも半分である。

光ガイド１１１は、入口面２０１における第１のミラー２０５をさらに含み、第１のミラー２０５は、図１に示すように、光源１０５それぞれからの光が入るアパーチャ２０７を含む。光ガイド１１１は、出口面２０３における第２のミラー２０９をさらに含み、第２のミラー２０９は、光の第１の部分の入射が第２のミラー２０９で透過され、光の第２の部分が第１のミラー２０５へ向かって戻るように部分反射する。通常、アパーチャ２０７は、第１のミラー２０５と比べて小さく、第１のミラー２０５へ向かって戻る光は、アパーチャ２０７から出ない。光源１０５それぞれは、アパーチャ２０７に焦点合わせされていることがわかる。さらに、アパーチャ２０７を通じて筐体２０４へ入る光は、散乱されうることがわかる。

さらに、第２のミラー２０９は、部分反射するが、その反射率は高く、透過された光の第１の部分は、第１のミラー２０５へ向かって戻る第２の部分と比べて小さいことがわかる。例えば、いくつかの実施では、光の９９％までが反射されて第１のミラー２０５へ向かって戻り、光の１％までが第２のミラー２０９により透過される。ここで、第１のミラー２０５と第２のミラー２０９との間で光が反射すると、各反射において、光のわずかな部分は、第２のミラー２０９から出口端２０３を通じて出て行く。出て行く各部分が、出て行く他の部分と位相が一致しないと、光ガイド１１１を出る光は、その後、コヒーレンスが減少する。さらに、実施では、長さＬ１は、コヒーレンス長の少なくとも半分であり、コヒーレンスの減少は、第１のミラー２０５と第２のミラー２０９との間で光が反射するときのコヒーレンスの損失により増大される。光が光ガイド１１１へ入るときのアパーチャ２０７での光の散乱は、さらなるコヒーレンスの減少に寄与する。

いくつかの実施では、光ガイド１１１は、中空でない光パイプ及び／又は中空の光トンネルを含みうる。さらに、光ガイド１１１は、任意の適切な付加要素をさらに含みうる。例えば、光ガイド１１１は、アパーチャ２０７において、散乱を向上させるためのレンズ、筐体２０４における反射壁、第１のミラー２０５及び／又は第２のミラー２０９上のコーティング等を含みうる。

ここで図１に戻り、いずれかの第１のステージ１０７は、任意の適切な手法で配置される、任意の適切な数の光ガイドを含みうる。特に制限されない実施では、複数の光ガイドは、通常、共通の縦軸に沿って互いに位置合せされる。さらなる制限されない実施形態では、複数の光ガイド１１１は、矩形状のアレイで配置される。さらなる制限されない実施形態では、複数の光ガイド１１１は、アレイの共通の縦軸に沿って、互いに隣接して積層される。特に制限されない実施では、第１のステージ１０７は、３×３アレイで配置される９個の光ガイドを含み、９個の光の任意の適切な合成の光源１０５からの光１０３を受け入れ、各光ガイド１１１は、長さＬ１と同様の長さである。しかし、他の実施では、各光ガイド１１１の長さは、同一であってもよく、又は異なっていてもよい。

第２のステージ１０９は、複数の光ガイド１１１から出た光を合成する光ガイド１１３を含む。光ガイド１１３の制限されない実施が図３に示される。光ガイド１１３は、長さＬ２の筐体３０４により隔てられた、入口面３０１と、出口面３０３と、を含む。長さＬ２は、任意の適切な長さでありうる。いくつかの制限されない実施では、長さＬ２は、光源１０５から放出される光のコヒーレンス長の約半分である。さらなる制限されない実施では、長さＬ２は、光源１０５から放出される光のコヒーレンス長の少なくとも半分である。しかし、さらなる実施形態では、長さＬ２は、光源１０５から放出される光のコヒーレンス長の半分以下であってもよく、及び／又は長さＬ１以下であってもよい。

入口面３０１は、通常、各複数の光ガイド１１１の各出口面２０３から放出される光を受光可能である。例えば、入口面３０１の範囲及び形状は、通常、複数の光ガイド１１１の出口面２０３の集合的な範囲と一致する。ここで、光ガイド１１１がアレイで配置された場合、その後、入口面３０１の範囲は、通常、出口面２０３を含むアレイの範囲と同様になる。さらに、入口面３０１は、例えば、任意の適切な光学に関するエポキシを用いるように、複数の光ガイド１１１の各出口面２０３に光学的に結合されうる。

光ガイド１１１からの光ガイド１１３へ入る光が、筐体３０４を通じて伝わると、この光は合成される。ここで、複数の光ガイド１１１からの光は、光ガイド１１３を介して合成される。

光ガイド１１３は、出口面３０３における第３のミラー３０９をさらに含む。第３のミラー３０９は、通常、光ガイド２０４の第２のミラー２０９へ向かって戻る光を反射可能である。さらに、第３のミラー３０９は、光が光ガイド１１３を出うるような、出口アパーチャ３１１をさらに含むことがわかる。アパーチャ３１１は、通常、光を通過する光学アパーチャを含むことがわかる。さらに、出口アパーチャ３１１の形状は、プロジェクタの光変調器の形状の少なくとも１つと一致し、プロジェクタの光変調器のエタンデュと一致することがわかる。例えば、図４は、光ガイド１１３の端面を示す図であり、端面３０３と、第３のミラー３０９と、出口アパーチャ３１１と、を示す。図４からは、これらの制限されない実施において、出口アパーチャ３１１は、プロジェクタの光変調器のアスペクト比と一致するアスペクト比（例えば、４：３、１６：９等）を有する矩形状である。ここで、第３のミラー３０９は、光ガイド１１３を出たときの光をマスクすることが可能である。

エタンデュについては、図１に注目し、４つの例の光線１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ及び１２０ｄ（全体としては複数の光線１２０であり、一般的には光線１２０）が、光ガイド１１３を通じて伝わることが示される。光線１２０ａは、第３のミラー３０９により反射される位置で伝わるが、光線１２０ｂ、１２０ｃ及び１２０ｄは、アパーチャ３１１を通じて通過可能な位置で伝わることがわかる。ここで、アパーチャ３１１の外側の位置での光線は、光ガイド１１３を出る光のエタンデュをプロジェクタの光変調器に一致させる第３のミラー３０９により反射される。これらの光線は、出口であるアパーチャ３１１に適する状態となるまで、第２のミラー２０９からさらに反射するように、光ガイド１１３へ戻り反射され、それによって、装置１００の光効率が増大する。

いくつかの実施では、光ガイド１１３は、中空でない光パイプ及び／又は中空の光トンネルを含みうる。さらに、光ガイド１１３は、任意の適切な付加要素をさらに含みうる。例えば、光ガイド１１３は、反射率及び／又は光の透過率を増大させる、筐体３０４における反射壁と、入口面３０１、出口面３０３、第３のミラー３０９等のコーティングと、を含みうる。

さらに、アパーチャ３０３は、その光の透過を増大させる任意のコーティングを含みうる。例えば、光ガイド１１３が中空でない光パイプを含む場合、端面３０３は、透過率を増大させるコーティングを有するアパーチャ３１１の領域においてコーティングされうる。実際、光ガイド１１３が中空トンネルを含む場合、端面３０３は、中空の光トンネルから入るダスト等を防ぐために中空でない光学部品をさらに含み、これらの実施では、中空でない光学部品は、アパーチャ３１１の領域においてコーティングされうる。

さらに、出口面３０１は、第２のミラー２０９と同様のミラーを含みうること、第２のミラー２０９及び出口面３０１におけるミラーそれぞれの反射率及び透過率の推定が装置１００を設計する際に考慮されることがわかる。言い換えれば、出口面２０３において、９９％の反射率及び１％の透過率が所望される場合、両方のミラーの反射率及び透過率が考慮される。

ここで、図５に注目すると、図５は、光源１０５と、装置１００と、光変調器５０１と、レンズ５０３と、を含み、スクリーン５０５上へプロジェクタ５００からの画像を投影するプロジェクタ５００の機能ブロック図を示す。コヒーレント光は、光源１０５から放出され、そのコヒーレンスが減少及び／又は制限されて、装置１００を通じて伝わり、コヒーレント光のエタンデュ及び／又は形状は、光変調器５０１のエタンデュ及び／又は形状と一致する。光変調器５０１は、通常、任意の適切な光変調器を含むが、ＤＭＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｌｔｉ−ｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）、ＬＣＯＳ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）デバイス等に限定されない。光変調器５０１は、光を、その後レンズ５０３を用いてスクリーン５０５上に投影される画像に変調する。プロジェクタ５００は、光を光変調器５０１及びレンズ５０３へ伝達し、光変調器５０１に電力供給し、かつ駆動する等の任意の適切な構成要素をさらに含む。

ここで、装置１００は、プロジェクタで使用するための複数のコヒーレント光源からの光を合成すると共に、スペックルを防ぐための光のコヒーレント性を低減し、光変調器の互換性のために光を成形して、プロジェクタ内の光の損失を防ぎ、かつ光効率を増大させる、簡便かつコスト効率の良い方法を提供する。

当業者は、より多くの代替的な実施及び実施可能な実施形態が存在すること、並びに上記の実施及び実施例は、一又はそれ以上の実施形態の例示にすぎないことを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、係属中の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (10)

1. 複数のコヒーレント光源からのコヒーレント光を合成する装置であって、
   第１のステージに含まれる複数の光ガイドであって、各前記複数の光ガイドのそれぞれの長さは、前記複数のコヒーレント光源のそれぞれ１つのコヒーレント長の少なくとも半分の長さであり、前記複数の光ガイドのそれぞれは、
   入口面及び出口面と、
   前記入口面における第１のミラーであって、前記複数のコヒーレント光源のうちの１つからの光が入るアパーチャを含む、第１のミラーと、
   前記出口面における第２のミラーであって、部分反射し、前記光の第１の部分を透過可能であり、前記第１のミラーへ戻る前記光の第２の部分を反射可能である、第２のミラーと、を含む複数の光ガイドと、
   前記複数の光ガイドから出る放出光を合成する第２のステージ光ガイドであって、前記第２のステージ光ガイドは、
   第２のステージ入口面及び第２のステージ出口面であって、前記第２のステージ入口面は、前記複数の光ガイドの各出口面からの前記放出光を受け入れる、第２のステージ入口面及び第２のステージ出口面と、
   前記光を前記第２のミラーへ戻るように反射する、前記第２のステージ出口面における第３のミラーであって、前記第２のステージ光ガイドから前記光が出る出口アパーチャを含む、第３のミラーと、を含む第２のステージ光ガイドと、
   を含む装置。
2. 前記出口アパーチャの形状は、プロジェクタの光変調器の形状と一致する、請求項１に記載の装置。
3. 前記出口アパーチャのエタンデュは、プロジェクタの光変調器のエタンデュと一致する、請求項１に記載の装置。
4. 前記複数の光ガイドそれぞれは、全体として、共通の縦軸に沿って互いに位置合わせされる、請求項１に記載の装置。
5. 前記複数の光ガイドは、規則的な配列構造で配置される、請求項１に記載の装置。
6. 前記第２のステージ入口面の領域は、全体として、前記複数の光ガイドの前記出口面の集合的な領域と一致する、請求項１に記載の装置。
7. 前記第２のステージ入口面は、前記複数の光ガイドの前記出口面それぞれと光学的に結合される、請求項１に記載の装置。
8. 前記第２のステージ光ガイドの長さは、前記複数の光ガイドの長さ以下である、請求項１に記載の装置。
9. 前記複数の光ガイドのそれぞれと、前記第２のステージ光ガイドと、は、中実の光パイプと、中空の光トンネルと、の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記複数の光ガイド及び前記第２のステージ光ガイドの少なくとも一部は、内側反射壁を含む、請求項１に記載の装置。

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