(57)【要約】【課題】本発明は、光積分柱及び投影装置を提供する。【解決手段】かかる光積分柱は、相対する入光端及び出光端を有する。出光端の出光断面の法線ベクトルが光積分柱の出光方向に平行でない。かかる投影装置は、該光積分柱を有する。【選択図】図2
2020197710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光積分柱であって
相対する入光端及び出光端を有し、
前記出光端の出光断面の法線ベクトルが前記光積分柱の出光方向に平行でない、光積分柱。
【請求項２】
請求項1に記載の光積分柱であって、
前記光積分柱は、前記入光端と前記出光端との間に位置する第一面、第二面、第三面及び第四面をさらに有し、
前記第一面は、前記第二面に相対し、前記第三面は、前記第四面に相対し、前記第三面及び前記第四面は、前記第一面と前記第二面との間に接続される、光積分柱。
【請求項３】
請求項2に記載の光積分柱であって、
前記第一面及び前記第二面の形状が矩形であり、前記第一面の長さが前記第二面の長さよりも小さく、前記第一面の長さと前記第二面の長さとの差が0.1mm〜3mmの間にある、光積分柱。
【請求項４】
請求項2に記載の光積分柱であって、
前記第三面及び前記第四面の形状が台形であり、前記第三面は、前記入光端において第三側辺をさらに有し、前記第四面は、前記入光端において第四側辺をさらに有し、前記第三側辺及び前記第四側辺は、前記出光方向に垂直である、光積分柱。
【請求項５】
請求項1に記載の光積分柱であって、
前記光積分柱は、中空柱体であり、前記出光端は、開口である、光積分柱。
【請求項６】
請求項1に記載の光積分柱であって、
前記光積分柱は、ソリッド柱体であり、前記出光端は、出光面である、光積分柱。
【請求項７】
照明システム、導光素子、ライトバルブ及び投影レンズを含む投影装置であって、
前記照明システムは、光源及び光積分柱を含み、前記光源は、前記光積分柱を通過する照明光束を提供し、前記光積分柱は、相対する入光端及び出光端を有し、前記出光端の出光断面の法線ベクトルが前記光積分柱の出光方向に平行でなく、
前記導光素子は、前記照明光束の伝播経路に配置され、前記光積分柱からの前記照明光束を受け、
前記ライトバルブは、前記照明光束の伝播経路に配置され、前記導光素子からの前記照明光束を受け、前記照明光束を映像光束に変換し、
前記投影レンズは、前記映像光束の伝播経路に配置され、前記映像光束を前記投影装置から投射する、投影装置。
【請求項８】
請求項7に記載の投影装置であって、
前記光積分柱は、前記入光端と前記出光端との間に位置する第一面、第二面、第三面及び第四面をさらに有し、前記第一面は、前記第二面に相対し、前記第三面は、前記第四面に相対し、前記第三面及び前記第四面は、前記第一面と前記第二面との間に接続される、投影装置。
【請求項９】
請求項8に記載の投影装置であって、
前記光積分柱の前記第一面及び前記第二面の形状が矩形であり、前記第一面の長さが前記第二面の長さよりも小さく、前記第一面の長さと前記第二面の長さとの差が0.1mm〜3mmの間にある、投影装置。
【請求項１０】
請求項8に記載の投影装置であって、
前記光積分柱の前記第三面及び前記第四面の形状が台形であり、前記第三面は、前記入光端において第三側辺をさらに有し、前記第四面は、前記入光端において第四側辺をさらに有し、前記第三側辺及び前記第四側辺は、前記出光方向に垂直である、投影装置。
【請求項１１】
請求項7に記載の投影装置であって、
前記光積分柱は、中空柱体であり、前記出光端は、開口である、投影装置。
【請求項１２】
請求項7に記載の投影装置であって、
前記光積分柱は、ソリッド柱体であり、前記出光端は、出光面である、投影装置。
【請求項１３】
請求項7に記載の投影装置であって、
前記光源は、ガス放電灯、レーザー光源又は発光ダイオード光源を含む、投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影装置に関し、特に、光積分柱を含む投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の投影装置では、光源とライトバルブとの間に通常光積分柱が配置され、これにより、光源からの照明光束を均一化する。それは、光積分柱の総長又は光積分柱の出口端の面積を調整することで、照明光束のライトバルブへの照射の均一性を達成する。伝統のライトバルブでは、BTP（Binary  Tilt  Pixel）の技術を用いてライトバルブの回転角度を制御し、収光（集光）角度が24度である。これに対して、新型の投影装置では、TRP（Tilt  and  roll  pixel）の技術を用いてライトバルブの回転角度を制御し、TRP技術は、ライトバルブの収光角度を34度にすることができ、伝統のBTP技術に比べ、より大きい回転角度を有し、同様の照明光束の条件下で収光効率を大幅に向上させることができる。
【０００３】
しかし、ライトバルブの収光角度の増加により、照明光束のライトバルブへの照射のときの入射角度が大きくなり、即ち、ライトバルブの各領域（例えば、中間領域及び辺縁（エッジ）領域）から焦点面までの光路差が大きくなる。例えば、今現在の照明システムの設計では、中心焦点のみが正確な位置（中間領域）に焦点合わせすることができ、ライトバルブの辺縁領域に照射される照明光束が焦点面から離れる、焦点が合わなくなる光束であるため、照明光束は、ライトバルブの各領域に集中することができない。これにより、ライトバルブに照射される照明光束の光点の辺縁がぼやけるようになり、光点の輝度の均一性が下がることがある。また、光路差を有する照明光束がライトバルブにより映像光束に変調され、そして、映像光束が投影レンズによりスクリーンに投射されて映像画面を形成するときに、映像画面の辺縁に映像がぼやけている焦点ずれの現象が生じ、又は、映像画面の辺縁の輝度が減少することがある。従来のやり方では、光積分柱の出口端の面積を増加させ、光点の均一な領域がライトバルブのワーキング領域よりも大きくなるように確保することで、光点辺縁の焦点ずれ領域がライトバルブのワーキング領域の外にあるようにさせるので、照明光束の大部分をライトバルブの非ワーキング領域に照射し、余計な光損失が生じてしまい、或いは、光学素子を増やして焦点合わせの不平衡を改善することにより、コストの増加、投影機の照明システムの大型化などの欠点を引き起こすことがある。
【０００４】
なお、この「背景技術」の部分は、本発明の内容への理解を助けるためだけのものであるため、この「背景技術」の部分に開示されている内容は、当業者に知られていない技術を含む可能性がある。よって、この「背景技術」の部分に開示されている内容は、該内容、又は、本発明の１つ又は複数の実施例が解決しようとする課題が本発明の出願前に既に当業者に周知されていることを意味しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の１つの目的は、光利用率を向上させることができる光積分柱を提供することにある。
【０００６】
本発明のもう１つの目的は、光利用率を向上させることができる投影装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的及び利点は、本発明に開示される技術的特徴からさらに理解することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の１つ又は一部又は全部の目的或いは他の目的を達成するために、本発明による光積分柱は、相対する入光端及び出光端を有し、出光端の出光断面の法線ベクトルが光積分柱の出光方向に平行でない。
【０００９】
上述の１つ又は一部又は全部の目的或いは他の目的を達成するために、本発明による投影装置は、照明システム、レンズ、ライトバルブ及び投影レンズを含む。照明システムは、光源及び上述の光積分柱を含み、光源は、光積分柱を通過する照明光束を提供する。レンズは、照明光束の伝播経路に配置され、光積分柱の照明光束を受ける。ライトバルブは、照明光束の伝播経路に配置され、該レンズからの照明光束を受け、該照明光束を映像光束に変換する。投影レンズは、映像光束の伝播経路に配置され、映像光束を投影装置から投射する。
【００１０】
本発明の光積分柱は、出光端の出光断面の法線ベクトルが光積分柱の出光方向に平行でないようにさせることで、照明光束がライトバルブに進入する焦点面を調整することができ、これにより、焦点面がライトバルブの各領域にさらに近づくようにさせ、光点辺縁の焦点ずれ現象の発生を避けることができ、そのうち、光積分柱の出光方向は、光積分柱の光軸方向又は主光線の進行方向であっても良い。光積分柱の出光端を拡大する従来の方式、即ち、光線がライトバルブに入射する照射面積を増大することで、焦点ずれ現象による損失を改善することに比べ、本発明による光積分柱は、照明光束がライトバルブに入射する照射面積を大きくする必要がなく、照明光束を、より一層焦点合わせするようにライトバルブに照射することができ、また、余計な光損失が生じることもないので、光利用率を向上させることができる。また、本発明による投影装置は、上述の光積分柱を使用するから、同様に光利用率を向上させることができる。
【００１１】
本発明の上述の特徴及び利点をより明らかにするために、以下、実施例を挙げて、添付した図面を参照することにより、詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例における投影装置を示す図である。
【図２】本発明の一実施例における光積分柱の立体透視図である。
【図３】図2に示す光積分柱のXZ平面における平面図である。
【図４】本発明の一実施例における照明光束の光束経路を示す図である。
【図５Ａ】従来の光積分柱を使用するときのライトバルブ上の光点を示す図である。
【図５Ｂ】本実施例の光積分柱を使用するときのライトバルブ上の光点を示す図である。
【図５Ｃ】従来の光積分柱及び本実施例の光積分柱を用いるときのライトバルブ上の光点辺縁のエネルギー分布の比較図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の上述及び他の技術的内容、特徴、機能及び効果は、添付した図面に基づく以下の好ましい実施例における詳細な説明により明確になる。なお、以下の実施例に言及される方向についての用語、例えば、上、下、左、右、前、後などは、添付した図面の方向に過ぎない。よって、使用される方向の用語は、本発明を説明するためだけのものであり、本発明を限定するためのものではない。
【００１４】
図1は、本発明の一実施例における投影装置を示す図である。図1を参照する。本実施例の投影装置10は、照明システム20、光機システム30及び投影レンズ40を含む。照明システム20は、光源21及び光積分柱100を含む。光源21は、例えば、ガス放電灯、レーザー光源又は発光ダイオード（Light  emitting  diode，LED）光源であり、集光される照明光束L1を提供し、照明光束L1を光積分柱100に集めるために用いられ、そして、光積分柱100により照明光束L1を均一化した後、照明光束L1を光機システム30に照射する。光機システム30は、照明光束L1の伝播経路に配置され、均一化後の照明光束L1を映像光束L2に変換する。投影レンズ40は、映像光束L2の伝播経路に配置され、映像光束L2をスクリーン（図示せず）に投射して映像画面を形成する。
【００１５】
光機システム30は、例えば、ライトバルブ31及び導光素子32を含み、ライトバルブ31は、照明光束L1を映像光束L2に変換する。ライトバルブ31は、例えば、反射型ライトバルブであり、反射型ライトバルブは、例えば、デジタルマイクロミラー素子（digital  micro-mirror  device，DMD）又はLCOSパネル（liquid-crystal-on-silicon  panel，LCOS  panel）であるが、これに限られない。導光素子32は、例えば、全反射プリズム又は反射ミラーであり、照明光束L1をライトバルブ31へ反射し、また、ライトバルブ31からの映像光束L2を投影レンズ40へ伝播させるために用いられるが、これに限定されない。
【００１６】
投影レンズ40は、例えば、屈折力を有する１つ又は複数の光学レンズの組み合わせを含み、例えば、両凹レンズ、両凸レンズ、凹凸レンズ、凸凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズなどの非平面レンズの各種の組み合わせを含む。一実施例では、投影レンズ40は、平面光学レンズを含んでも良い。なお、本発明は、投影レンズ40の形態及びその種類について限定しない。
【００１７】
投影装置10は、さらに、複数のレンズ又は他の光学素子、例えば、レンズ50、60を含んでも良い。レンズ50は、光源21と光積分柱100との間に配置される。レンズ60は、光積分柱100と導光素子32との間に設けられ、光積分柱100からの照明光束L1をライトバルブ31に焦点合わせする。以下、投影装置10の光積分柱100の詳細な構造及び実施例についてさらに説明する。
【００１８】
図2は、本発明の一実施例における光積分柱の立体透視図であり、点線で透視した部分を示し、また、点線矢印で透視部分の素子を示す。図3は、図2に示す光積分柱100のXZ平面における平面図である。図2及び図3を参照する。本実施例における光積分柱100は、相対する入光端110及び出光端120を有し、照明光束L1は、光積分柱100の入光端110に入射した後に、出光端120を経由して光積分柱100から離れる。出光端120の出光断面121の法線ベクトルNが光積分柱100の出光方向Aに平行でなく、そのうち、光積分柱100の出光方向Aは、光積分柱100の光軸方向又は主光線の進行方向である。出光断面121とは、照明光束L1が出光端120から光積分柱100を離れるときに通過する平面である。光積分柱100は、例えば、透光性を有するソリッド柱体又は中空柱体であり、その材質（材料）は、ガラス、合成樹脂（ゴムなど）又は反射ミラーであっても良い。光積分柱100がソリッド柱体であるときに、出光端120の出光断面121は、例えば、出光面であり、光積分柱100が中空柱体であるときに、出光端120の出光断面121は、例えば、開口である。出光方向Aは、照明光束L1が出光端120から光機システム30へ伝播する方向であり、且つ光積分柱100の光軸に平行である。
【００１９】
光積分柱100は、例えば、方形柱体であるが、本発明は、光積分柱100の柱体形状について限定せず、それは、多角形柱体であっても良く、入光端が広く、且つ出光端が狭いものであっても良く、又は、入光端が狭く、且つ出光端が広い、異なる柱体形状（図示せず）であっても良く。図3を参照する。本実施例では、光積分柱100は、例えば、入光端110と出光端120との間に位置する第一面130、第二面140、第三面150及び第四面160をさらに有し、そのうち、第一面130は、第二面140に相対し、第三面150は、第四面160に相対し、第三面150及び第四面160は、第一面130と第二面140との間に接続される。
【００２０】
具体的に言えば、第一面130及び第二面140の形状が例えば矩形であり、第一面130の長さH1が第二面140の長さH2よりも小さく、そのうち、長さH1、H2の延伸方向が例えば出光方向Aに平行である。一実施例では、第一面130の長さH1と第二面140の長さH2の長さとの差が0.1mm〜3mmの間にあり、好ましくは、0.2mm〜2mmの間にある。
【００２１】
また、第三面150及第四面160の形状が例えば台形であり、第三面150は、入光端110に第三側辺151を有し、第四面160は、入光端110に第四側辺161を有し、第三側辺151及び第四側辺161は、出光方向Aに垂直である。
【００２２】
本実施例における光積分柱100は、第一面130の長さH1と第二面140の長さH2の長さとの差を調整することで、出光端120の出光断面121の法線ベクトルNが光積分柱100の出光方向Aに平行でないようにさせるので、照明光束L1がライトバルブ31の各領域に照射されるときの焦点合わせ位置を補足することができ、これにより、光路差による光点辺縁の焦点ずれ現象を減少されることができる。例えば、図4を参照する。図4は、照明光束の光束経路を示す図（導光素子32の反射部分の機能のみが示される）である。図4に示すように、光積分柱100からの照明光束がレンズ60により焦点合わせされ、また、導光素子32によりライトバルブ31へ反射され、これにより、照明光束L1は、できるだけ、ライトバルブ31の各領域に焦点合わせすることで（照明光束L1の焦点合わせ平面がほぼライトバルブ31にある）、光点辺縁領域の焦点ずれが発生しないようにさせることができる。本実施例における光積分柱100は、光積分柱の出光端を拡大する従来の方式、即ち、光束がライトバルブに入射する照射面積を減少させることで、焦点ずれ現象による損失を改善することに比べ、余計な光損失が生じないので、光利用率を向上させることができる。
【００２３】
図5Aは、従来の光積分柱を用いるときのライトバルブ上の光点のエネルギー分布図である。図5Bは、本実施例の光積分柱を用いるときのライトバルブ上の光点のエネルギー分布図である。図5Cは、図5A及び図5Bの光点辺縁領域のエネルギー分布の比較図である。先ず図5Aを参照する。照明光束L1のライトバルブ31における入射角が増加するときに、従来の光積分柱を使用する場合、光点の辺縁に焦点ずれ現象が生じやすく、即ち、光点の辺縁（上側及び下側の点線楕円のところ）がぼやけている（辺縁のところにおけるエネルギー発散）。次に図5Bを参照する。本実施例の光積分柱100を使用した後に、照明光束L1がライトバルブ31に照射される焦点面を調整することで、分かるように、上側及び下側の点線楕円のところの光点が比較的クリアになり、且つシャップ化しており（辺縁のところにおけるエネルギー集まり）、これにより、焦点ずれ現象を改善することができ、また、光積分柱の出光端の拡大による余計な光損失もない。そして、図5Cに示すように、従来の光積分柱のライトバルブ上の光点辺縁領域のエネルギー分布（例えば、図5Aの切断線AA）と、本実施例の光積分柱のライトバルブ上の光点辺縁領域のエネルギー分布（如図5Bの切断線BB）との比較によれば、従来の光積分柱に比べ、本実施例における光積分柱の光点辺縁領域のエネルギー分布が縮小される（集まる）ため、照明光束の使用効率を向上させることができる。
【００２４】
図1中の映像光束L2を投影装置10から投射するときの輝度を基準とし、本実施例における光積分柱100は、照明光束L1がより一層、ライトバルブ31に焦点合わせすることができるので、従来の光積分柱に比べ、光利用率を少なくとも4%向上させることができる。
【００２５】
以上のことから、本発明の実施例における光積分柱は、出光端の出光断面の法線ベクトルが光積分柱の出光方向に平行でないようにさせることで、照明光束がライトバルブに進入する焦点面を調整することができ、これにより、焦点ずれ現象の発生を避けることができる。大光積分柱の出光端の拡大により焦点ずれ現象を改善する従来の方式に比べ、本発明による光積分柱は、余計な光損失を生じることがないので、光利用率を向上させることができる。また、本発明による投影装置は、上述の光積分柱を採用するため、同様に光利用率を向上させることができる。
【００２６】
本発明は、前述した好適な実施例に基づいて以上のように開示されたが、前述した好適な実施例は、本発明を限定するためのものでなく、当業者は、本発明の技術思想と範囲を離脱しない限り、本発明に対して些細な変更と潤色を行うことができるので、本発明の保護範囲は、添付した特許請求の範囲に定まったものを基準とする。また、本発明の何れの実施例又は特許請求の範囲は、本発明に開示された全ての目的又は利点又は特徴を達成する必要がない。また、要約の一部と発明の名称は、文献の検索を助けるためのみのものであり、本発明の技術的範囲を限定するものでない。また、本明細書又は特許請求の範囲に言及されている「第一」、「第二」などの用語は、要素（element）に名前を付け、又は、他の実施例又は範囲を区別するためのものみであり、要素の数上での上限又は下限を限定するためのものでない。
【符号の説明】
【００２７】
10：投影装置
20：照明システム
21：光源
30：光機システム
31：ライトバルブ
32：導光素子
40：投影レンズ
50、60：レンズ
100：光積分柱
110：入光端
120：出光端
121：出光断面
130：第一面
140：第二面
150：第三面
151：第三側辺
160：第四面
161：第四側辺
A：出光方向A
AA、BB：切断線
H1、H2：長さ
L1：照明光束
L2：映像光束
N：法線ベクトル。
【図１】
2020197710.tif 000003
【図２】
2020197710.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
2020197710.tif 000009