(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さ方向に延びるビーム整列チャンバであって、
前方縁部と、２つの側方縁部とを有する基部と、
該基部に接続され且つ該基部の長さに沿って延びる第一及び第二の対向する側壁と、
出力開口を有する前記基部の前記前方縁部に配置される前方壁と、
前記第一又は第二の側壁を通じて光ビームを方向付けるよう配置される複数アレイの光源と、
前記基部上に取り付けられる複数の反射器とを含み、
各反射器は、独立した偏揺れ調節装置及び縦揺れ調節装置を有し、各反射器は、対応する光源のアレイと対にされ、前記基部取付け反射器は、前記光ビームを当該ビーム整列チャンバの長さに沿って前記出力開口を通じて方向付けるよう配置され、整列された二次元アレイの平行な光ビームを形成する、
ビーム整列チャンバ。
【請求項２】
各光源と前記出力開口との間の光学距離は、前記光ビームの各々のために実質的に等しい、請求項１に記載のビーム整列チャンバ。
【請求項３】
当該ビーム整列チャンバに進入する各光ビームは、少なくとも１つの軸に対する拡散のために矯正されず、前記反射器は、１つの軸に対するビーム拡散を矯正する円筒形反射器である、請求項１に記載のビーム整列チャンバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、デジタルイメージ（画像）を投射するための装置に関し、より具体的には、照明源としての固体レーザを整列（位置合わせ）するための装置及び方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来的なフィルムプロジェクタを置換するのに適していると考えられるために、デジタル投射システム、具体的には、多色シネマ投射システムは、画質及び性能についての厳しい要求を満足しなければならない。とりわけ、これは高解像度、広色域、高輝度、及び、１０００：１を超えるフレームシーケンシャルコントラスト比を意味する。
【０００３】
多色デジタルシネマプロジェクタのための最も有望な解決策は、画像形成装置として、２つの基本的な種類の空間光変調器（ＳＬＭ）のうちの１つを利用する。第１の種類の空間光変調器は、テキサス州ダラスのＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．によって開発されたデジタルライトプロセッサ（ＤＬＰ）及びデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である。ＤＬＰデバイスは多数の特許、例えば、米国特許第４，４４１，７９１号、米国特許第５，５３５，０４７号、米国特許第５，６００，３８３号（全てＨｏｒｎｂｅｃｋ）、及び、米国特許第５，７１９，６９５号（Ｈｅｉｍｂｕｃｋ）に記載されている。ＤＬＰを利用する投射装置のための光学設計は、米国特許第５，９１４，８１８号（Ｔｅｊａｄａ  ｅｔ  ａｌ．）、米国特許第５，９３０，０５０号（Ｄｅｗａｌｄ）、米国特許第６，００８，９５１号（Ａｎｄｅｒｓｏｎ）、及び、米国特許第６，０８９，７１７号（Ｉｗａｉ）に開示されている。ＤＬＰはデジタル投射システムにおいて成功裏に利用されている。
【０００４】
図１は、ＤＬＰ空間変調器を使用する投射装置１０の簡略化されたブロック図を示している。光源１２が多色光を、例えば、フィリップスプリズムのような、プリズム組立体１４内に提供する。プリズム組立体１４は、多色光を赤色、緑色、及び、青色の成分帯域に分割し、各帯域を対応する空間光変調器２０ｒ、２０ｇ、又は、２０ｂに方向付ける。次に、プリズム組立体１４は、各ＳＬＭ２０ｒ、２０ｇ、及び、２０ｂからの変調光を再結合し、ディスプレイスクリーン又は他の適切な表面上へ投射するために、この光を投射レンズ３０に提供する。
【０００５】
ＤＬＰに基づくプロジェクタ（投射器）は、デスクトップから大型シネマまでの殆どの投射用途のために必要な光スループット、コントラスト比、及び、色域をもたらす能力を実証するが、２１４８×１０８０画素のみをもたらす現在のデバイスでは、固有の解像度の限界がある。加えて、高い部品コスト及びシステムコストが高品質デジタルシネマ投射のためのＤＬＰ設計の適合性を制約する。その上、フィリップス又は他の適切なプリズム、並びに、輝度のために必要とされる長い作動距離を伴うファスト投射レンズのコスト、大きさ、及び、複雑性は固有の制約であり、これらのデバイスの受容性及び使用性に対する負の影響を伴う。
【０００６】
デジタル投射のために使用される第２の種類の空間光変調器は、ＬＣＤ（液晶デバイス）である。ＬＣＤは、各対応する画素のための入射光の偏光状態を選択的に変調することによって、イメージを画素のアレイ（配列）として形成する。ＬＣＤは、高品質デジタルシネマ投射システムのための光変調器として多くの利点を有するように思われる。これらの利点は、比較的大きな装置サイズ、好適なデバイスの歩留まり、及び、より高い解像度のデバイス、例えば、ＳＯＮＹ及びＪＶＣによる４０９６×２１６０解像度デバイスを製造する能力を含む。ＬＣＤ空間光変調器を利用する電子投射装置の実例の中には、米国特許第５，８０８，７９５号（Ｓｈｉｍｏｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．）、米国特許第５，７９８，８１９号（Ｈａｔｔｏｒｉ  ｅｔ  ａｌ．）、米国特許第５，９１８，９６１号（Ｕｅｄａ）、米国特許第６，０１０，１２１号（Ｍａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．）、及び、米国特許第６，０６２，６９４号（Ｏｉｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．）に開示されるものがある。ＬＣＯＳ（シリコン基板上の液晶）デバイスは、ラージスケールイメージ投射のために特に有望であると考えられている。しかしながら、ＬＣＤ部品は、特に色及びコントラストに関して、デジタルシネマの高品質要求を維持するのに困難を有する。何故ならば、高輝度投射の高い熱応力は原料偏光品質に影響を及ぼすからである。
【０００７】
照明効率の継続的な問題は、エタンデュ、又は、同様に、ラグランジュ不変性に関する。光学技術において周知であるように、エタンデュは光学系によって処理可能な光の量に関する。潜在的には、エタンデュが大きければ大きいほど、イメージはより明るい。数値的には、エタンデュは２つの特性、即ち、イメージ面積及び開口数の積に比例する。光源１２と、光学素子１８と、空間光変調器２０とを有する図２に示される簡略化された光学系に関して、エタンデュは光源Ａ１とその出光角Θ１の面積の因数であり、変調器Ａ２及びその受光角Θ２の面積に等しい。輝度増大のためには、光源１２の領域から可能な限りより多くの光を提供するのが望ましい。一般原理として、光源でのエタンデュが変調器でのエタンデュと最も近接して整合するとき、光学設計は有利にされる。
【０００８】
開口数を増大することは、例えば、光学系がより多くの光を捕捉するよう、エタンデュを増大する。同様に、光がより大きな領域に亘って由来するよう、ソース画像サイズを増大することは、エタンデュを増大する。照明側で増大するエタンデュを利用するために、エタンデュは照明源のエタンデュ以上でなければならない。しかしながら、典型的には、イメージが大きければ大きいほど、光学素子及び支持部品はより高価であり且つかなり大きい。これはシリコン基板及び潜在欠陥が大きさと共に増大するＬＣＯＳ及びＤＬＰ部品のようなデバイスに特に当て嵌まる。一般論として、エタンデュの増大は、より複雑で高価な光学設計をもたらす。例えば、米国特許第５，９０７，４３７号（Ｓｐｒｏｔｂｅｒｙ  ｅｔ  ａｔ．）に略述されるようなアプローチを使用するならば、光学系内のレンズ部品は、大きなエタンデュのために設計されなければならない。光学系を通じて集束されなければならない光のためのソースイメージ面積は、赤色、緑色、及び、青色の光路内の空間光変調器の面積の組み合わせの合計である。特筆すべきことに、これは最終的に形成される多色イメージの面積の３倍である。即ち、米国特許第５，９０７，４３７号に開示される構造のために、光学部品はかなり大きなイメージ面積、従って、高いエタンデュを取り扱う。何故ならば、赤色、緑色、及び、青色の経路は別々であり、光学的に集束されなければならないからである。その上、米国特許第５，９０７，４３７号に開示されるような構造は、最終的に形成される多色イメージの面積の３倍の光を取り扱うが、この構造は輝度増大の如何なる利益をももたらさない。何故ならば、各色経路は全光レベルの３分の１を収容するに過ぎないからである。
【０００９】
光源のエタンデュが空間光変調器のエタンデュに良好に整合されるとき、効率が向上する。不十分に整合されるエタンデュは、光学系が光供給不足であり、空間光変調器に十分な光を提供し得ないこと、又は、非効率的であり、変調のために生成される光の実質的な部分を事実上捨てていることのいずれかを意味する。
【００１０】
受容可能なシステムコストでデジタルシネマ用途のための十分な輝度を提供するという目標は、これまでのところ、ＬＣＤシステム及びＤＬＰシステムの両方の設計者にとって捉えどころがないことが証明されている。ＬＣＤに基づくシステムは偏光要件によって妥協され、偏光修復技法が使用される場合でさえ、効率を減少し且つエタンデュを増大している。偏光を必要としないＤＬＰデバイス設計は幾分より効率的であることが証明されているが、高価で短寿命のランプ及び高価な光学エンジンを依然として必要とし、その結果、それらは高価過ぎて従来的なシネマ映写機と競争し得ない。
【００１１】
従来的な高級なフィルムに基づく投射システムと競争し、電子又はデジタルシネマと呼ばれるものを提供するために、デジタルプロジェクタは早期の機器に匹敵するシネマ輝度レベルを達成し得なければならない。何らかの尺度の考えとして、典型的な劇場は、対角４０フィートのオーダのサイズのスクリーンの上に投射される１０，０００ルーメンのオーダを必要とする。スクリーンの範囲は、５，０００ルーメン〜４０，０００ルーメン以上のどこかを必要とする。この厳しい輝度要件に加えて、これらのプロジェクタは高解像度（２０４８×１０８０画素）も供給し、約２０００：１のコントラスト及び広い色域ももたらさなければならない。
【００１２】
一部のデジタルシネマプロジェクタ設計は、このレベルを達成する能力があることが証明されている。しかしながら、高い機器コスト及び稼働コストが障害となっている。これらの要件を満足する投射装置は、典型的には、それぞれ＄５０，０００を超える費用であり、５００〜２０００時間の間の間隔での交換を必要とする高ワット数キセノンアークランプを利用し、典型的な交換コストは、しばしば＄１，０００を超える。キセノンランプの大きなエタンデュは、コスト及び複雑性に対する相当な影響力を有する。何故ならば、キセノンランプは、これらの源から光を収集し且つ投射するために、比較的速い光学素子を必要とするからである。
【００１３】
ＤＬＰ及びＬＣＯＳのＬＣＤ空間光変調器（ＳＬＭ）の両方に共通する１つの欠点は、固体光源、特にレーザ源を使用する能力の制約である。それらは相対スペクトル純度及び潜在的高輝度レベルに関して他の種類の光源に対して利点を有するが、固体光源は、これらの利点を効果的に使用するために、異なるアプローチを必要とする。早期のデジタルプロジェクタ設計と共に使用される色源からの光を調整し、方向変更し、且つ、結合するための従来的な方法及び装置は、レーザアレイ光源がどれぐらい良く使用されるかを制約し得る。
【００１４】
固体レーザは、エタンデュ、耐用寿命、並びに、全体的なスペクトル及び輝度安定性の向上を約束するが、十分なレベルでデジタルシネマの要件に適合するために必要とされるコスト内で可視光を最近まで供給し得なかった。より最近の開発では、ＶＣＳＥＬレーザアレイが商品化され、潜在的な光源として何らかの見込みを示した。しかしながら、各色のために必要な輝度をもたらすためには、９個もの数の個別のアレイからの結合光が必要とされる。
【００１５】
レーザアレイを使用する投射装置の実施例は以下を含む。Ｋａｐｐｅｌ  ｅｔ  ａｌ．に発効した「Ｌａｓｅｒ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ  Ｉｍａｇｅ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｕｓｉｎｇ  Ｓａｍｅ」という名称の米国特許第５，７０４，７００号は、投射照明用のマイクロレーザアレイの使用を記載している。
【００１６】
Ｋｒｕｓｃｈｗｉｔｚ  ｅｔ  ａｌ．に発効した同一譲受人による「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌａｓｅｒ  Ａｒｒａｙ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇ  ａｎ  Ａｒｅａ  Ｌｉｇｈｔ  Ｖａｌｖｅ」という名称の米国特許第６，９５０，４５４号は、空間光変調器にレーザ照明をもたらす有機レーザの使用を記載している。
【００１７】
Ｍｏｏｒａｄｉａｎ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ，  Ｓｙｓｔｅｍ，  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の米国特許出願公開第２００６／００２３１７３号は、照明のための拡張キャビティ面発光半導体レーザのアレイの使用を記載している。Ｇｌｅｎｎに発効した「Ｄｉｓｐｌａｙｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅｓ」という名称の米国特許第７，０５２，１４５号は、プロジェクタ照明のためにマイクロレーザのアレイを利用する異なるディスプレイの実施態様を記載している。
【００１８】
Ｌａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．に発効した「Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ  Ａｒｒａｙ  Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ  Ｗｉｔｈ  Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ  Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ」という名称の米国特許第６，２４０，１１６号は、高い冷却効率を備える従来的なレーザーバー及びエッジ発光ダイオードの実装を議論し、平行化ビーム間の間隔を排除又は低減することによって二次元アレイの拡散サイズ製品（エタンデュ）を低減するよう反射器と組み合わされたレンズを使用することを記載している。
【００１９】
これらの種類の解決策の各々に困難性がある。Ｋａｐｐｅｌの第７００号特許は、画像投射における光源としての使用のためにコヒーレント（干渉性）レーザのモノリシックアレイを使用し、それによって、レーザの数がプロジェクタのルーメン出力の出力要件と整合するよう選択されることを教示する。しかしながら、高ルーメンプロジェクタにおいて、このアプローチは数多くの困難を提示する。装置の数が増大すると、製造歩留まりは下がり、より大規模なアレイを用いるならば、熱の問題が有意であり得る。コヒーレンス（干渉性）は、モノリシック設計に関する問題も生み出し得る。レーザ源のコヒーレンスは、典型的には、光学干渉及びスペックルのようなアーチファクトを引き起こす。従って、コヒーレンス、即ち、空間干渉性及び時間干渉性が弱いか或いは打破されたレーザレイを使用することが好ましい。色域の改良の観点からは、スペクトル干渉性が望ましく、干渉及びスペックルへの感度を除去するためには、スペクトルの少量の広がりも望ましく、単一スペクトル源の色シフトの効果も減じる。この色シフトは、例えば、別個の赤色、緑色、及び、青色のレーザ源を有する三色投射システムにおいて起こり得る。単色アレイ内の全てのレーザが結合され且つ狭い波長を有し、色シフトが動作波長において発生するならば、プロジェクタ全体の白色点及び色は仕様の外に落ち得る。他方、アレイが波長内の小さな変動で平均化されるならば、出力全体における単色シフトへの感度は大きく減少される。Ｋａｐｐｅｌによって議論されるように、このコヒーレンスを打破するためにシステムに部品を追加し得るが、コスト及び単純性の観点からは、実質的にインコヒーレント（非干渉性）レーザ源を形成するよう、異なる製造ロットからの僅かに異なる装置を利用することが好ましい。加えて、源で空間干渉性及び時間干渉性を減少させることが好ましい。何故ならば、源を超えてこのインコヒーレンスを減少する殆どの手段は、拡散器のような構成部品を利用し、それは源の有効限度（エタンデュ）を増大し、追加的な光損失を招き、システムの費用を増大させるからである。レーザの小さなエタンデュを維持することは、光学縦列(optical  train)の単純化を可能にし、それは極めて望ましい。
【００２０】
投射用途のために特に関心のあるレーザアレイは、様々な種類のＶＣＳＥＬ(Vertical  Cavity  Surface-Emitting  Laser)アレイであり、Ｎｏｖａｌｕｘ，Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，  ＣＡからのＶＥＣＳＥＬ(Vertical  Extended  Cavity  Surface-Emitting  Laser)デバイス及びＮＥＣＳＥＬ(Novalux  Extended  Cavity  Surface-Emitting  Laser)デバイスを含む。しかしながら、これらのデバイスを使用する従来的な解決策は、数多くの問題を起こす傾向がある。１つの制約はデバイスの歩留まりに関する。主として、重要な構成部品に関する熱及び実装の問題の故に、商品化されるＶＥＣＳＥＬアレイの長さは拡張されるが、高さに制約がある。典型的には、ＶＥＣＳＥＬアレイは、２列の発光部品のみを有する。２列よりも多くの列の仕様は、歩留まりの困難性を劇的に増大する。この実用的な制約は、例えば、米国特許第７，０５２，１４５号に記載されるような投射装置にＶＥＣＳＥＬ照明システムを提供することを困難にする。米国特許出願公開第２００６／００２３１７３号において提案される投射解決策を使用するときには、輝度が制約される。Ｋｒｕｓｃｈｗｉｔｚ  ｅｔ  ａｌの米国特許第６，９５０，４５４号は及び他の特許文献は、有機ＶＣＳＥＬを使用するレーザアレイの使用を記載するが、これらの有機レーザの商品化は成功していない。これらの問題に加えて、従来的なＶＥＣＳＥＬ設計は、電力接続及びヒートシンクの困難性を起こし易い。これらのレーザは高出力である。例えば、単一列のレーザデバイス、倍加されてＮｏｖａｌｕｘからの２列デバイスになる周波数は、３Ｗを超える使用可能な光を生成する。よって、未使用電流からの有意な電流要求及び熱負荷があり得る。耐用寿命及びビーム品質は安定的な温度維持に大きく依存する。
【００２１】
投射システムへのレーザ源の結合は、従来的なアプローチを使用して十分に取り組まれていない他の困難を提示する。例えば、Ｎｏｖａｌｕｘ  ＮＥＣＳＥＬレーザを使用するならば、殆どの劇場の１０，０００ルーメン要求に接近するために、約９個の２列×２４レーザアレイが各色のために必要とされる。十分な熱消散をもたらすために、並びに、稼働電力及び制御信号のために、並びに、保守及び交換を単純化するモジュラ設計を可能にするために、これらの源を別々に取り付けることが望ましい。しかしながら、同時に、平行光をもたらす単一ビームを形成するために、多数の源からのレーザビームを結合することが必要である。個々のビームをオーバーレイする解決策は、ビーム結合塗膜の非効率性の故に、生成される光の一部を損失する。結合プロセスに導入される如何なる角成分もエタンデュを増大し、概ね望ましくない。ビーム間に最少間隔を備える多ビームを方向変更することが望ましいが、従来的なビーム結合技法を使用しては容易に達成されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
よって、固体アレイ光源の利点を利用し且つＤＬＰ及びＬＣＯＳ変調器を備える固体照明部品の有効な使用を可能にする照明解決策の必要があることが分かる。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、
長さ方向に延びるビーム整列チャンバであって、
前方縁部と、２つの側方縁部とを有する基部と、
基部に接続され且つ基部の長さに沿って延びる第一及び第二の対向する側壁と、
出力開口を有する基部の前方縁部に配置される前方壁と、
第一又は第二の側壁を通じて光ビームを方向付けるよう配置される複数アレイの光源と、
基部上に取り付けられる複数の反射器とを含み、
各反射器は、独立した偏揺れ調節装置及び縦揺れ調節装置を有し、各反射器は、対応する光源のアレイと対にされ、基部取付け反射器は、光ビームをビーム整列チャンバの長さに沿って出力開口を通じて方向付けるよう配置されることで、整列された二次元アレイの平行な光ビームを形成するビーム整列チャンバを提供することによって、
投射ディスプレイのための輝度の改良の必要に取り組む。
【００２４】
本発明の特徴は、複数アレイの光源から二次元アレイの平行な出力ビームを提供するレーザビーム整列のための装置及び方法を提供することである。
【００２５】
本発明の利点は、多数のレーザ光アレイのコンパクトな実装のための装置を提供し、アレイを出力光路に沿って平行に整列することである。
【００２６】
本発明のこれらの及び他の特徴及び利点は、本発明の例示的な実施態様を示し且つ記載する図面と共に考慮されるとき、以下の詳細な記載の判読後、当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】異なる色の光路のための結合プリズムを使用する従来的な投射装置を示すブロック図である。
【図２】光学システムのためのエタンデュを示す概略図である。
【図３Ａ】画像投射のための多数の色チャンネル及び多数の組の投射光学素子を有する投射装置の一般的な配置を示すブロック図である。
【図３Ｂ】画像投射のために単一の組の投射光学素子を使用するよう組み合わされた多数の色チャンネルを有する投射装置の一般的な配置を示すブロック図である。
【図４】反射表面を使用する固定レーザアレイを用いるビーム整列を示す概略図である。
【図５Ａ】多数の固体レーザ光アレイからの照明を結合するための光方向変更プリズムの使用を示す側面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの光方向変更プリズムを示す斜視図である。
【図６】２つの異なる側からの光を受け入れる光方向変更プリズムを示す側面図である。
【図７】１つの実施態様における多数の固体レーザアレイからの光を結合するためのビーム整列チャンバを示す斜視図である。
【図８】頂部カバーが取り外された状態のビーム整列チャンバを示す斜視図であり、両側にあるレーザアレイ源を示している。
【図９】ビーム整列チャンバを示す斜視図であり、基部及びカバー上に取り付けられた反射器の相対的な位置を示している。
【図１０】一方の側及び頂部カバーが見えない状態のビーム整列チャンバを示す斜視図であり、１つの種類の独立して調節可能なミラー取付け部を示している。
【図１１】ビーム整列チャンバの側壁を示す平面図である。
【図１２】多数の整列されたレーザアレイからの出力ビームの部分を示す平面図である。
【図１３】頂部取付け反射器の１つ及び基部取付け反射器の１つのための代表的な光路を示す上面図である。
【図１４】ビーム整列チャンバの一部のための均一化された光学路長を示す上面図である。
【図１５】出力ビームを調整するための光学素子を単純化するために均一化された光学路長をどのように使用し得るかを示す斜視図である。
【図１６】１つの実施態様における独立して調節可能な縦揺れ及び偏揺れを備える運動力学ミラー取付部を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本記載は、特に、本発明に従った装置の一部を形成する或いは本発明に従った装置とより直接的に協働する素子に向けられている。具体的に示されず或いは記載されない素子は、当業者に周知な様々な形態を取り得ることが理解されるべきである。
【００２９】
ここに示され且つ記載される図面は本発明に従った動作の原理を例示するよう提供されており、実際の大きさ又は縮尺を示すことは意図されていない。本発明のレーザアレイのための構成部品の相対的な寸法の故に、基本的な構成、形状、及び、動作原理を強調するために、何らかの誇張が必要とされる。
【００３０】
本発明の実施態様は、電子画像プロジェクタにおける各色チャンネルのための光の強さの改良の必要に取り組む。本発明をより良く理解するために、本発明の装置及び方法が動作し得る全体的な脈絡を記載するのが有益である。図３Ａ及び３Ｂの概略図は、図１の投射装置１０のための２つの基本的な構成を示している。本発明の実施態様をこれらの基本的な構成のいずれかのための照明システムの一部として適切に利用し得る。
【００３１】
先ず、図３Ａを参照すると、本発明の多数の実施態様において使用される投射装置１０のための基本的な配置が示されている。３つの光変調チャンネル４０ｒ、４０ｇ、及び、４０ｂが示されており、各光変調チャンネルは照明システム４２からの主たる赤色、緑色、又は、青色（ＲＧＢ）の１つを変調する。各光変調チャンネル４０ｒ、４０ｇ、及び、４０ｂ内で、選択的なレンズ５０が選択的な偏光維持光ガイド５２内に光を方向付け得る。光ガイド５２、又は、その他の方法でレンズ５０から光を受光する出力部で、レンズ５４が、例えば、フライアイ積分器(fly’s  eye  integrator)又は積分バー(integrating  bar)のような、積分器５１を通じて光を方向付ける。光は投射装置１０用のシステムを形成するイメージの一部である空間光変調器６０に進む。空間光変調器６０は、典型的には、ＤＬＰのような微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス又は他の種類の反射式ＭＥＭＳ部品であり、反射又は屈折によって光を変調する如何なる種類のＭＥＭ変調器部品をも含む。これらのデバイスを「偏光状態中性」と考え得る。何故ならば、それらは画素（ピクセル）の偏光状態を変調することによって各画素で光を変調しないからである。如何なる画素のための入射光の偏光状態への如何なる変更も偶発的である。その画素のためにＭＥＭＳ表面から反射されるときのその入射角の関数。如何なる望ましくない偏光効果をも最小限化するために、ＭＥＭＳ空間光変調器への光の入射角を調節し得る。次に、その多くの可能な実施態様の故に図３Ａ中に破線で概ね示される投射光学素子７０は、変調光をディスプレイ表面８０に方向付ける。
【００３２】
次に、図３Ｂを参照すると、投射用に各光変調チャンネル４０ｒ，４０ｇ，４０ｂからの変調光を共通の出力軸Ａ上に結合するために、色結合器７６が使用されている。色結合器７６は、Ｘキューブ又は電子イメージング分野の当業者に良く知られた他の結合デバイスのような、プリズム又は二色表面の組立体であり得る。
【００３３】
これらの基本的なイメージング構成のいずれかを使用するとき、照明システム４２の機能は同じである。即ち、２つ又はそれよりも多くのレーザアレイからの光を結合し、共通の照明経路に沿って個々の光ビームを整列することである。図４は、整列された平行化ビームを備えるより大きなアレイを形成するために多数の光源アレイ４４及び４４’を組み合わせるための１つのアプローチを示している。追加的な光源アレイ４４’の光学軸を固体光源アレイ４４と一致して配置するために、１つ又はそれよりも多くの散在したミラー４６を使用し得る。しかしながら、熱及び間隔要件がどれぐらい多くの光源アレイ４４をこのような方法で積み重ね得るかを制約し得ることを理解し得よう。加えて、この解決策を用いるならば、ビーム源間の間隔も制約される。
【００３４】
図５Ａ及び５Ｂの側面図及び斜視図は、光方向変更プリズム４８を使用するビーム結合のアプローチの改良を示している。ここでは、照明システム４２は、図４のアレイ配置よりも一層小さい地域内に集中された、４つの固体光源アレイ４４からのレーザ光を結合する。光方向変更プリズム４８は、レーザ２６から成る光源アレイ４４から発光方向Ｄ１に発光される光を受光する入射面３２を有する。光は出力面３４を通じて出力方向Ｄ２に方向変更され、出力方向Ｄ２は、発光方向Ｄ１に対して実質的に直交する。光方向変更プリズム４８は、光方向変更小面３８を有する方向変更表面３６を有する。光方向変更小面３８は、発光方向Ｄ１に対して斜角にあり、レーザ２６から発光される光に全反射（ＴＩＲ）をもたらす。図５Ａ及び５Ｂに示されるようにジグザグにされるとき、これらの機能はこの照明のために光路を狭めるのに役立ち、より狭い光ビームをもたらす。図５Ｂが示すように、光源アレイ４４の各々は、長さ方向Ｌに延びる多数のレーザ２６を有する。光方向変更小面３８及び方向変更表面３６上の他の小面も長さ方向Ｌに延びる。
【００３５】
図６の側断面図は、光源アレイを使用するための図５Ａ及び５Ｂに示される実施態様よりも一層コンパクトな照明構成をもたらす、照明システム４２内の光変更プリズム４８の他の実施態様を示している。この実施態様において、光方向変更プリズム４８は、対向する発光方向Ｄ１及びＤ１’を備える、互いに面し合う、光源アレイ４４からの光を受光する２つの方向変更表面３６を有する。各方向変更表面３６は、２つの種類の小面、即ち、光方向変更小面３８と、対応する光源アレイ４４からの入射光に対して垂直な入射小面２８とを有する。
【００３６】
光方向変更プリズム４８を使用する全体的なアプローチは、平行化された光線の光ビームを形成するための従来的な方法に対する改良をもたらすが、幾つかの制約を有する。１つの問題は、整列の困難性に関する。この光結合の幾何学的構成を用いるとき、光源アレイ４４の各々は、光ビームを正しい方向に正しく照準するために、極めて精密に整列されなければならない。これは各レーザ源がプリズムに精密に位置合わせされ或いは注文整列されるべきことを要求し、レーザ取付け機構に相当な要求を置く。高出力レーザは有意な熱を生成するので、この熱を除去する必要は取付け及び整列を更に複雑化する。この構成はある程度の拡張性（スケーラビリティ）を許容するが、これは光源アレイ４４をどれぐらい互いに近接して配置し得るかによって制限される。加えて、光方向変更プリズム４８を取り付けるのは困難であり得るし、動作条件下のプリズム材料の温度を変更することは望ましくない複屈曲及び他の問題を引き起こし得る。レーザ光を適切に遮断する必要は複雑性を更に増大する。
【００３７】
本発明は、各色チャンネルのためにビーム整列チャンバを提供することによって、各波長の複数のレーザからの平行化された光を結合する光源の改良の必要に取り組む。図３Ａ及び３Ｂに関して、本発明のビーム整列チャンバは、各対応する光変調チャンネル４０ｒ，４０ｇ，４０ｂ内の照明システム４２の一部である。
【００３８】
図７の斜視図は、複数の光ビームから形成される複合光ビームを生成するために、レーザアレイ源のような幾つかの固体光源アレイの出力ビームを結合し且つインターリーブするビーム整列チャンバ１００を示しており、複合光ビームは、この実施態様では、平行化されて示され、ビーム整列チャンバ１００の長さ方向に延びる照明軸Ａ１と全て平行である。図８、９、１０、及び、１１は、１つの実施態様におけるビーム整列チャンバ１００構造の様々な詳細を示している。
【００３９】
図７乃至１１の異なる図を参照すると、ビーム整列チャンバ１００は、前方縁部１１２及び後方縁部１１４と第一側方縁部１１６及び第二側方縁部１１８とを備える基部１１０を有する。第一側方縁部１１６及び第二側方縁部１１８に沿ってそれぞれ対向し且つビーム整列の長さに沿って延びる第一側壁１２０及び第二側壁１２２と、前方壁１３２とがある。アレイ光源１４０からの光ビームがビーム整列チャンバ１００に進入するよう、側壁１２０及び１２２内に側部開口１２４が設けられている。ビーム整列チャンバ１００から出る光は、前方壁１３２内の出力開口１２８を通過する。出力開口１２８を通じてビーム整列チャンバ１００から出光するよう、対応するアレイ光源１４０からの光ビームを方向付け、整列された二次元アレイの平行光ビームを形成するために、複数の反射器１３０が側壁１２０及び１２２に対して斜角に配置される。反射器１３０が基部１１０に取り付けられ、選択的に、カバー１２６に取り付けられる。各反射器１３０は、縦揺れ(pitch)及び偏揺れ(yaw)のために、その独自の独立した調節装置(adjustment)を有し、各アレイ光源１４０からの光ビームの精密な整列を可能にする。図７は、この目的のためにカバー１２６内に設けられる複数の調節可能なアクセス孔１５４を示している。代替的に、１つ又はそれよりも多くの調節アクセス孔１５４を基部１１０に沿って設け得る。図７の実施態様において、頂部取付け反射器及び基部取付け反射器の両方のための全ての偏揺れ調節装置及び縦揺れ調節装置にカバー１２６からアクセス可能である。
【００４０】
図７乃至１１に示されるビーム整列チャンバ１００実施態様は、モジュラ構造及び角形円筒形状を有し、基部１１０の側方縁部１１６及び１１８は、第一側壁１２０及び第二側壁１２２と交差する。この構成はそのコンパクト性及び取付けの相対的な容易性の利点を有する。しかしながら、他の側壁１２０及び１２２の配置も可能である。本発明の代替的な実施態様において、基部１１０は、例えば、三角形のような何らかの他の形状であり、前方縁部並びに第一側方縁部及び第二側方縁部のみを有する。他の実施態様において、基部１１０はより大きなシャーシ構造の一部であり、側壁１２０及び１２２を越えて延びる。代替的に、シャーシの何らかの他の部分又は他の構造によってカバー１２６の機能をもたらし得る。
【００４１】
図８の斜視図は、各側壁１２０及び１２２に沿って６個ずつ１２個のアレイ源１４０で占められたビーム整列チャンバ１００を示している。１２個のアレイ源１４０は、基部１１０及びカバー１２６の両方に取り付けられた１２個の反射器１３０と対にされている。次に、アレイ源１４０の各々からの整列された出力ビームは、出力ビームアレイ１５０をもたらし、出力ビームアレイ１５０は、断面で考えられるとき、光ビームの整列された二次元アレイを形成し、その場合には、各アレイ源１４０の寄与は、ビームの特定部分に亘って中心化される。本発明の実施態様において、出力開口１２８から出力光ビームアレイ１５０として発光される出力光は、照明ビームをもたらすのに有利なパターンを有し、使用される空間光変調器（例えば、図３Ａ及び３Ｂ中の空間光変調器６０）のアスペクト比のために適合された寸法を備える。
【００４２】
図９の斜視図は、図８の占有されたビーム整列チャンバ１００のためのカバー取付け反射器１３０及び基部取付け反射器１３０の位置を示している。図１０の斜視図は、引き続きより詳細に記載されるミラー取付け部２００を使用する実施態様を示している。
【００４３】
図１２の平面図は、図８のビーム整列チャンバ内の各固体光アレイ源１４０からの整列された光ビームがどのようにして出力光ビームアレイ１５０を矩形のアスペクト比を有する平行な光ビームの整列された二次元アレイとして形成するかを示している。図７乃至１１に示されるビーム整列チャンバ１００の実施態様のために、基部取付け反射器１３０と対にされたアレイ光源１４０は、その６個の複合部分、即ち、整列されたアレイビーム１４２，１４２ｂ，１４２ｃ，１４２ｄ，１４２ｅ，１４２ｆを備える、出力光ビームアレイ１５０の下方部分を形成する。同様に、カバー取付け反射器１３０と対にされたアレイ光源１４０は、整列されたアレイビーム１４４ａ，１４４ｂ，１４４ｃ，１４４ｄ，１４４ｅ，１４４ｆを備える、出力ビームアレイ１５０の上方部分を形成する。出力照明を成形するこの同じ関係は図７及び８中に示されている。（図７中に出力光ビームアレイ１５０として示される出力は、基部取付け反射器１３０から提供される出力の一部を示しているに過ぎない。６個のアレイ源１４０のうちの３個のみが図７中の位置に示されていることに留意のこと。）整列されたアレイビーム１４２ａ−１４２ｅ及び１４４ａ−１４４ｅの各々は、対応するアレイ光源１４０からの個々の光ビーム１４８のアレイを含む。
【００４４】
図１３は、ビーム整列チャンバ１００の上面図であり、１つの実施態様における出力光ビームアレイ１５０を形成するための各アレイ源１４０とその対応する反射器１３０との対形成（ペアリング）を示している。アレイ光源１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄ，１４１ｅ，１４１ｆはカバー１２６に取り付けられ、対応する整列された図１２のアレイビーム１４４ａ，１４４ｂ，１４４ｃ，１４４ｄ，１４４ｅ，１４４ｆをそれぞれ形成する。同様に、アレイ光源１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４０ｅ，１４０ｆは基部１１０に取り付けられ、対応する整列された図１２のアレイビーム１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃ，１４２ｄ，１４２ｅ，１４２ｆをそれぞれ形成する。頂部取付けアレイ源１４１ｃ及び基部取付けアレイ源１４０ｄのためのビーム経路は図１３中にトレースされている（引かれている）。アレイ源１４０ｄは基部取付け反射器１３０ｄと対にされる。同様に、アレイ源１４１ｃはカバー取付け反射器１３１ｃと対にされる。
【００４５】
アレイ光源１４０内のレーザ光源を平行化し得るが、有意なビーム拡散(beam  divergence)を有する幾つかの種類のレーザがある。典型的には、レーザ源でのビーム拡散は、直交方向において異なる角度にある。ビーム拡散は、レーザエミッタ自体の出力部に或いは出力部付近に取り付けられる円筒形レンズ素子又は小型レンズ又は他の光学素子を使用して、少なくとも１つの直交方向において頻繁に矯正（補正）される。二重円筒形レンズ、即ち、直角曲率をそれぞれ有する直列の２つのレンズを用いて両方のビーム拡散方向を矯正し得るが、これらのレンズは高価であり、正しく整列するのが困難である。従って、図１２中のレーザエミッタ１４８の線（ライン）に関して、レーザアレイでのビーム拡散を両方の軸に対して矯正し得ないが、レーザアレイでのビーム拡散は、典型的には、ｘ軸の方向においてだけ矯正される。図１２に示されるｙ軸に沿う直交方向におけるビーム拡散も矯正が必要である。
【００４６】
ｙ軸ビーム拡散を矯正するための従来的な解決策は、各アレイの出力部に平行化円筒形レンズを設けることである。しかしながら、この解決策はコストがかかり、例えば、図７乃至１１に示されるビーム整列チャンバ１００用の部品点数に１２個の追加的なレンズを加える。選択的に、反射器１３０は、平面的であるよりもむしろ、ビーム拡散を矯正するよう形成された円筒形の形状であり得る。しかしながら、これらの円筒形ミラーの各々は、図８乃至１１に描写された一般的な平面ミラーよりも実質的により高価である。その上、縦揺れ及び偏揺れ用の調節装置は、表面曲率によって更に複雑化される。
【００４７】
この問題に対する従来的なアプローチのコスト及び複雑性と対照的に、本発明の実施態様は、各レーザ源のための光学路距離を等しくすることによって、ビーム拡散の矯正をもたらし、よって、出力光ビームアレイ内で単一の円筒形レンズのみを使用することを可能にする。何故ならば、各光ビームの拡散特性は一定だからである。図１４及び１５を参照すると、等しい光学路距離及び単一の矯正円筒形レンズ１５２を備えるビーム整列チャンバ１００の上面図及び斜視図がそれぞれ示されている。図１４及び１５に示される実施態様において、ビーム経路は交互配置され、例えば、図１３に示される配置とは異なるジグザグの反射器のアレイ配置を使用して互いに通過している。図１４は、アレイ源の一部のための均等化された光学路距離を示している。図１５は、一組のアレイ光源１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄ，１４１ｅ，１４１ｆの各々のためのエミッタの直線アレイの方向におけるビーム拡散を示している。これらの光エミッタが等しい光学路距離を有するとき、各源から円筒形レンズ１５２に入射する光の角度は実質的に同じである。その場合には、円筒形レンズ１５２は、拡散軸に沿って平行化をもたらし得る。このようにして、各個別のアレイ光源のために、別個の平行化光学素子は必要とされない。
【００４８】
円筒形レンズ１５２は、代表的な構造であるに過ぎない。一般的には、整列される光ビームの経路内に１つよりも多くの光学素子があってもよく、出力光に平行化をもたらす。例えば、２つの直交する軸の各々における拡散を矯正するために、交差した円筒形レンズを使用し得る。代替的な実施態様では、出力開口１２８から出力される光が円筒形レンズ１５２又は図１５に示されるような他の平行化光学素子を必要とせずに平行化されるよう、別個の平行化レンズ（図示せず）が各アレイ源１４０の経路内に設けられる。
【００４９】
ビーム整列チャンバ１００は多数の反射器１３０を使用し、各々の反射器の縦揺れ及び偏揺れを別個に調節し得る。図１６を参照すると、この調節能力を備える基部取付けミラー取付け部２００が示されている。反射素子２０２が、基部部材２１０への調節可能な結合を備える支持フレーム２０４を有する。縦揺れ調節装置は、図１６に示される軸割当(axes  assignment)を使用して、ｘ軸についてある。偏揺れ調節装置はｙ軸についてある。ビーム整列チャンバ１００内での使用のために、多数の異なるミラー取付けの実施態様が可能であることを理解し得よう。
【００５０】
図３Ａ及び３Ｂ中の投射装置１０を参照して以前に記載された基本的な構成を有する装置のような投射装置の照明システム部品として本発明のビーム整列チャンバ１００を使用し得る。変調のために照明のより均一なビームをもたらすよう、積分バー又は他のデバイスを使用して均一化することのように、ビーム整列チャンバ１００からの光出力を更に調整し得る。図７に示される基部取付け実施態様におけるように、反射器１３０を単一の平面に沿って取り付け得るし、或いは、図８に示されるカバー取付け及び基部取付け実施態様におけるように、反射器１３０を２つの平面内に取り付け得る。高い効率のために、反射器１３０は二色表面であり得る。
【００５１】
本発明のビーム整列チャンバ１００を使用することは、多数のレーザアレイからの出力光を共にグループ化するためのコンパクトな実装配置を可能にし、角分(angular  content)を導入せず、それによって、投射装置用の照明システムのエタンデュを効果的に増大する。ビーム整列チャンバ１００は極めてモジュラ式であり、光学路内の多数の構成部品を再整列する必要なしに、個々のレーザアレイが交換されることを可能にする。ビーム整列のための調節は、レーザ装置自体の再位置決め又は他の方法での調節装置によるよりもむしろ、反射器で行われる。
【００５２】
アレイ光源１４０をモジュラ式に実装し得るし、例えば、図７に示されるように、側壁１２０及び１２２内の開口１２４に対して直接的に適合し得る。この構成は迷光を減少するのに役立ち得るし、レーザ光からの遮断が照明システムの設計にとって重要な場合に特に価値を有し得る。
【００５３】
本発明はその特定の好適実施態様を具体的に参照して詳細に記載されたが、本発明の精神及び範囲内で様々な変更及び修正を行い得ることが理解されよう。例えば、レーザアレイが詳細な実施態様において記載されたが、他の固体発光部品を代替として使用し得る。各光学路に支持レンズ及び他の光学部品も加え得る。各色チャンネル内の光の強さを感知するために、投射器内の１つ又はそれよりも多くの位置に様々な種類のセンサを配置し得る。よって、提供されるものは、固体照明源を整列するための装置及び方法である。
【符号の説明】
【００５４】
１０      投射装置  (projector  apparatus)
１２      光源  (light  source)
１４      プリズム組立体  (prism  assembly)
１８      光学素子  (optics)
２０      空間光変調器  (spatial  light  modulator)
２０ｒ    空間光変調器  (spatial  light  modulator)
２０ｇ    空間光変調器  (spatial  light  modulator)
２０ｂ    空間光変調器  (spatial  light  modulator)
２６      レーザ  (laser)
２８      入射小面  (incidence  facet)
３０      投射レンズ  (projection  lens)
３２      入射面    (incident  face)
３４      出力面  (output  face)
３６      方向変更表面  (redirection  surface)
３８      光方向変更小面  (light-redirecting  facet)
４０ｒ    光変調チャンネル  (light  modulation  channel)
４０ｇ    光変調チャンネル  (light  modulation  channel)
４０ｂ    光変調チャンネル  (light  modulation  channel)
４２      照明システム  (illumination  system)
４４      光源アレイ  (light  source  array)
４４’    光源アレイ  (light  source  array)
４４ａ    光源アレイ  (light  source  array)
４４ｂ    光源アレイ  (light  source  array)
４６      ミラー  (mirror)
４８      光方向変更プリズム  (light  redirecting  prism)
５０      レンズ  (lens)
５１      積分器  (integrator)
５２      光ガイド  (light  guide)
５４      レンズ  (lens)
６０      空間光変調器  (spatial  light  modulator)
７０      投射光学素子  (projection  optics)
７６      色結合器  (color  combiner)
８０      ディスプレイ表面  (display  surface)
８４      二色表面  (dichroic  surface)
１００    ビーム整列チャンバ  (beam  alignment  chamber)
１１０    基部  (base)
１１２    前方縁部  (front  edge)
１１４    後方縁部  (back  edge)
１１６    第一側方縁部  (first  side  edge)
１１８    第二側方縁部  (second  side  edge)
１２０    第一側壁  (first  side  wall)
１２２    第二側壁  (second  side  wall)
１２４    側部開口  (side  opening)
１２６    カバー  (cover)
１２８    出力開口  (output  opening)
１３０    反射器  (reflector)
１３０ｄ  基部取付け反射器  (base-mounted  reflector)
１３０ｃ  カバー取付け反射器  (cover-mounted  reflector)
１３２    前方壁  (front  wall)
１４０    アレイ光源  (array  light  source)
１４０ａ  アレイ光源  (array  light  source)
１４０ｂ  アレイ光源  (array  light  source)
１４０ｃ  アレイ光源  (array  light  source)
１４０ｄ  アレイ光源  (array  light  source)
１４０ｅ  アレイ光源  (array  light  source)
１４０ｆ  アレイ光源  (array  light  source)
１４１ａ  アレイ光源  (array  light  source)
１４１ｂ  アレイ光源  (array  light  source)
１４１ｃ  アレイ光源  (array  light  source)
１４１ｄ  アレイ光源  (array  light  source)
１４１ｅ  アレイ光源  (array  light  source)
１４１ｆ  アレイ光源  (array  light  source)
１４２ａ  整列アレイビーム  (aligned  array  beam)
１４２ｂ  整列アレイビーム  (aligned  array  beam)
１４２ｃ  整列アレイビーム  (aligned  array  beam)
１４２ｄ  整列アレイビーム  (aligned  array  beam)
１４２ｅ  整列アレイビーム  (aligned  array  beam)
１４２ｆ  整列アレイビーム  (aligned  array  beam)
１４４ａ  整列アレイビーム  (aligned  array  beam)
１４４ｂ  整列アレイビーム  (aligned  array  beam)
１４４ｃ  整列アレイビーム  (aligned  array  beam)
１４４ｄ  整列アレイビーム  (aligned  array  beam)
１４４ｅ  整列アレイビーム  (aligned  array  beam)
１４４ｆ  整列アレイビーム  (aligned  array  beam)
１４８    光ビーム  (light  beam)
１５０    出力光ビームアレイ  (output  light  beam  array)
１５２    円筒形レンズ  (cylindrical  lens)
１５４    調節アクセス孔  (adjustment  access  hole)
２００    ミラー取付け部  (mirror  mount)
２０２    反射素子  (reflective  element)
２０４    フレーム  (frame)
２１０    基部部材  (base  member)
Ａ        軸  (axis)
Ａ１      軸  (axis)
Ｄ１      発光方向  (emission  direction)
Ｄ１’    発光方向  (emission  direction)
Ｄ２      出力方向  (output  direction)
ｘ        軸  (axis)
ｙ        軸  (axis)
【図１】
0005518183.tif 000002
【図２】
0005518183.tif 000003
【図３Ａ】
0005518183.tif 000004
【図３Ｂ】
0005518183.tif 000005
【図４】
0005518183.tif 000006
【図５Ａ】
0005518183.tif 000007
【図５Ｂ】
0005518183.tif 000008
【図６】
0005518183.tif 000009
【図７】
0005518183.tif 000010
【図８】
0005518183.tif 000011
【図９】
0005518183.tif 000012
【図１０】
0005518183.tif 000013
【図１１】
0005518183.tif 000014
【図１２】
0005518183.tif 000015
【図１３】
0005518183.tif 000016
【図１４】
0005518183.tif 000017
【図１５】
0005518183.tif 000018
【図１６】
0005518183.tif 000019