(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード（ＬＥＤ）光源、光収集ユニット、および光投影ユニットを含むディスプレイシステムであって、前記光収集ユニットは、少なくとも、第１光学素子、第２光学素子、開口を含む細長い光ガイドを含み、
前記収集ユニットは、
前記第１および第２光学素子と前記光ガイドとは、共通の軸に沿って並べられ、
前記第１光学素子は、前記光源によって前記第２光学素子に放射される光の多くを収集するために前記光源に関して配置され、
前記第２光学素子は、前記第１光学素子から前記開口へ光の少なくとも一部を収集し、
前記第１光学素子は、前記軸に沿って前記光源から距離Ｌ１の間隔で配置され、
前記開口は、前記軸に沿って前記第２光学素子から距離Ｌ２の間隔で配置され、
前記第１光学素子は、コリメートレンズを含み、前記第２光学素子は、非球面レンズを含み、前記開口の面積は、前記光源から前記第１光学素子および前記第２光学素子を介して放射される光全体の少なくとも１５％が、前記軸に対して１５度以内の入射角で前記開口に供給されるように決定される、前記ディスプレイシステム。
【請求項２】
前記入射角は、前記軸に関して１０度以内である、請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項３】
ＬＥＤ光源から放射される光を集め、前記集められた光を光トンネルの入口に供給する光学モジュールであって、前記ＬＥＤおよび前記入口は、共通の中心軸に沿って並べられ、前記共通の中心軸上で距離ＬＴの間隔で配置され、
前記光学モジュールは、
前記モジュールの中心軸の周りで前記光源に結合される第１光学素子と、
前記中心軸の周りで第１光学素子と前記入口との間に配置され、前記光源から少なくとも７．４ｍｍの距離Ｌ１の間隔で配置される第２光学素子と
を含み、
前記第２光学素子は、少なくとも８ｍｍの厚さｔ１、直径ｄ１、少なくとも１３ｍｍの有効焦点距離ＥＦＬ１、および少なくとも０．５ｍｍのＦ値（ｆｏｃａｌ  ｎｕｍｂｅｒ）ｆ１であり、
前記モジュールの前記集められた光を光トンネルの入口に供給する率Ｅは、少なくとも１５％であり、
前記集められた光のうち、前記光トンネルの入口への入射角が少なくとも１０度以内の光を、前記光トンネルの入口に供給する、前記光学モジュール。
【請求項４】
前記光源は、少なくとも３つのＬＥＤ光源を含む、請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項５】
前記少なくとも３つのＬＥＤ光源は、少なくとも１つの赤色ＬＥＤ光源、少なくとも１つの青色ＬＥＤ光源、および少なくとも１つの緑色ＬＥＤ光源を含む、請求項４に記載のディスプレイシステム。
【請求項６】
少なくとも１つの前記光源は、白色光源を含み、前記システムは、前記光源から前記白色光を受け、色付きの光をアレイに供給するよう前記共通の軸に沿って並べられた回転カラー要素（rotating color element）をさらに含む、請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項７】
前記入射角以内で前記光収集ユニットにおいて収集される前記光の少なくとも一部は、前記ＬＥＤによって放射される光全体の少なくとも１０％である、請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項８】
前記入射角以内で前記光収集ユニットにおいて収集される前記光の少なくとも一部は、前記ＬＥＤによって放射される光全体の少なくとも１５％である、請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項９】
前記入射角以内で前記光収集ユニットにおいて収集される前記光の少なくとも一部は、前記ＬＥＤによって放射される光全体の少なくとも２０％である、請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項１０】
光が光軸に関して所与の角度以内で入射する場合に限って前記光を使用できる、請求項１に記載のディスプレイシステムの下流部分に光を供給する方法であって、
ａ）特性放射パターンに従って放射される光を供給するステップと、
ｂ）前記放射パターンで前記放射された光の一部を集めるステップと、
ｃ）前記放射された光の一部を集めるステップと協力して前記光軸に関して前記角度以内で前記下流部分に入るように前記集められた光の焦点を合わせるステップと、
を含む、前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を発光ユニットからイメージ投影装置に向ける照明ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
空間光変調（ＳＬＭ）ディスプレイシステムは、時々イメージャとも称される空間光変調器の個々の要素によって反射されるか透過される光を使用してディスプレイイメージを生成するディスプレイシステムである。空間光変調器の１つのタイプが、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）である。Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．社が商標ＤＬＰ（登録商標）（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）の下で市販するものなどのＤＭＤを組み込んだＳＬＭディスプレイシステムが既知である。
【０００３】
図１に、従来のＳＬＭ投影ディスプレイシステム１０を示す。システム１０は、光源１１を含む。光源１１は、通常、白色光を発するアーク灯を含む。光源１１からの白色光は、光源１１から照明サブシステム２１を画定する（defining）光学経路に沿ってＤＭＤ  １９に進む。照明サブシステム２１の光学経路は、縦軸２に沿って延びる。
【０００４】
第１コンデンサーレンズ１３が、白色光の焦点をカラーホイール１５に合わせる。モーター１６は、カラーホイール１５の諸部分（たとえば、部分３、４、および５）が第１コンデンサーレンズ１３によって与えられる白色光を通すようにカラーホイール１５を回転する。第２コンデンサーレンズ１７は、カラーホイール１５によってフィルタリングされた光を受け取る。第２コンデンサーレンズ１７は、フィルタリングされた光の焦点をＤＭＤ  １９に合わせる。
【０００５】
図１では、ＤＭＤ  １９は、ＤＭＤチップを組み込んだイメージャを含む。ＤＭＤチップ１９は、個々のミラー素子のアレイを含む。それと共に、ＤＭＤ  １９のミラー素子は、ビデオ信号（たとえば、ビデオソース３５によって供給される）に従って、第２コンデンサーレンズ１７からの光を変調して、イメージを形成する。イメージャ１９は、変調された光を映写レンズ部分２９に送る。映写レンズ部分２９は、イメージをスクリーン３１に表示するために、変調された光の焦点を合わせる。
【０００６】
ディスプレイシステム１０用の従来の光源１１は、たとえば、メタルハライドランプおよび超高圧水銀ランプを含む。しかし、これらのランプは、欠点を有する。これらのランプの寿命は、比較的短く、通常は数千時間である。その結果、ランプを頻繁に交換しなければならない。
【０００７】
発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光デバイスは、投写型ディスプレイでの使用について従来のランプに勝る利益を提供する。ＬＥＤは、他の光源と比較して、比較的より長い寿命を有する。この利益にもかかわらず、ＬＥＤは、ＳＬＭディスプレイの光源として広く使用されてはいない。これは、ＬＥＤの放射特性に関連する欠点に起因する。１つの欠点は、プロジェクションテレビジョン応用に関する適当なイメージの明るさを達成するのがむずかしいことである。ＬＥＤは、メタルハライドランプまたは高圧水銀ランプより少ない光を発する。明るさは、投写型ディスプレイの重要な特性である。
【０００８】
ディスプレイ応用例でＬＥＤが提示するもう１つの問題は、その放射パターンである。ＬＥＤは、発散的に光を放射する。したがって、ＬＥＤソースから放射される光のかなりの部分が、ディスプレイスクリーン３１に到達しない。この放射特性で、従来のＬＥＤ光源は比較的効率が悪くなる。
【０００９】
複数のＬＥＤを含むアレイが、イメージ投影装置でイメージを照明するのに使用可能な光の量を増やすために提案されてきた。アレイの発光面積は、アレイを構成するＬＥＤの個数に比例して増えるが、使用されるＬＥＤの個数にかかわりなく、アレイの効率は、ほとんどの投射応用には低すぎるままである。ＬＥＤサイトソースから光を集める効率的なシステムおよび方法が必要とされている。
【発明の概要】
【００１０】
照明モジュールが、光が光軸に関して所与の角度以内で入射する場合に限ってその光を使用できるディスプレイシステムの下流部分に光を供給する。光源は、特性放射パターン（characteristic radiation pattern）に従って放射される光を供給する。少なくとも１つのレンズを含むレンズ配置が、光のうちでこの放射パターンを通って放射される部分を集め、光軸に関してその角度以内で下流部分に入るように、集められた光の焦点を合わせる。放射された光のうちで集められる部分、およびその角度以内で下流部分に入る集められた光は、協力して、光源の放射された光のうちの下流部分によって使用可能なパーセンテージを最大化する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の実施形態を、添付図面を参照して下でより詳細に説明するが、添付図面では、同等の符号が、複数の図面を通じて同一のまたは対応する部分を指す。
【図１】ＤＭＤおよび従来の光源を使用する従来のＳＬＭディスプレイシステムを示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態による対応する照明ユニット内で展開される赤、緑、および青のＬＥＤ光源を含むＳＬＭディスプレイシステムを示すブロック図である。
【図３】本発明の代替実施形態による白色光を供給するＬＥＤ光源および白色光をフィルタリングするカラーホイールを含むＳＬＭディスプレイシステム用の照明ユニットを示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態によるＳＬＭディスプレイシステム用の照明ユニットを示すより詳細なブロック図である。
【図５】本発明の代替実施形態による照明ユニットを示すブロック図である。
【図６】本発明の代替実施形態による照明ユニットを示すブロック図である。
【図７】本発明の代替実施形態による照明ユニットを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面に示された実施形態を説明する際に、説明を明瞭にするために特定の用語を使用する。しかし、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定されることを意図されておらず、各特定の要素が、同様の目的を達成するために同様の方法で動作するすべての技術的同等物を含むことを理解されたい。さらに、当業者に周知である実施例の特徴および手順は、説明を簡単にするために省略される。
【００１３】
（図２）
図２は、ＳＬＭディスプレイシステム１００を構成する光学コンポーネントのブロック図である。システム１００は、複数光源手法に頼る。この手法では、色（赤、緑、および青）ごとに１つの光源がある。複数光源手法は、それぞれの光源を用いて複数のイメージを生成する。これらのイメージが組み合わされて、カラー付きディスプレイがもたらされる。
【００１４】
ディスプレイシステム１００は、照明光学部分１４４を含む。照明光学部分１４４は、赤、緑、および青のＬＥＤ光源に対応する３つのそれぞれの照明ユニット１１１、１１２、１１３を含む。照明ユニット１１１、１１２、および１１３のそれぞれは、対応するＬＥＤ光源（図３に最もよく図示されている）を含む。
【００１５】
図２に示された実施形態によれば、照明ユニット１１２、Ｘキューブ１２０、および光ガイド１９２が、縦軸１１７に沿って配置されて、照明ユニット１１１、１１２、および１１３のそれぞれからの光を用いてＤＭＤ  １９４を照明する。光は、矢印１３３によって示される概略の方向で光ガイド１９２を通って進む。本発明の一実施形態では、照明光学部分１４４を構成する光学素子が、縦軸１１７に沿って対称に配置される。
【００１６】
従来の光学Ｘキューブビームコンバイナ１２０は、照明モジュール１１１から赤成分光、照明モジュール１１２から緑成分光、照明モジュール１１３から青成分光を受け取り、組み合わせる。さまざまな実施形態では、照明モジュール１１１、１１２、１１３は、設計において同一または類似である（色を除いて）。下で説明する図５〜７に、いくつかの照明モジュールの実施形態を示す。
【００１７】
Ｘキューブ１２０は、従来の構成のものである。一般に、Ｘキューブは、交差した干渉フィルタを使用して、１つの波長を反射すると同時に他の波長を通過させる。緑色光は、赤および青のフィルタを通過する。赤色光は、赤のフィルタに反射し、青のフィルタを通過する。青色光は、青のフィルタに反射し、赤のフィルタを通過する。そのような設計により、３つの色を組み合わせる。Ｘキューブデバイスは、多数の会社によって製造され、多数の高温ポリＬＣＤプロジェクタで使用されている。したがって、その動作を、本明細書でさらに詳細に説明する必要はない。
【００１８】
図２に示されているように、Ｘキューブ１２０は、赤成分光、緑成分光、および青成分光を組み合わせる。次に、Ｘキューブ１２０は、組み合わされた光を光ガイド１９２の開口８００に供給する。光ガイド１９２は、光をＤＭＤ  １９４に運ぶ。ディスプレイシステム１００は、さらに、ＤＭＤ  １９４からディスプレイスクリーン１９６に延びる投影光学部分２２０を含む。投影光学部分２２０は、ＤＭＤ  １９４から投影面１９６にイメージを投影する。
【００１９】
本発明のある種の実施形態では、負レンズ１２１、１２２、１２３が、照明モジュール１１１、１１２、１１３と光キューブ１２０との間に挿入される。たとえば、いくつかの実施形態では、照明モジュールと光トンネル１９２との間の光路は、非常に短く、光キューブの余地がない。そのような実施形態では、負レンズ１２１、１２２、１２３が、効果的に光路を延ばす。この方法で、照明モジュールの設計の利益を犠牲にすることなく、光キューブ１２０を収容することができる。３つより多数または少数の照明モジュール１１１、１１２、１１３を含む本発明の代替実施形態によるディスプレイシステムが、想定されている。
【００２０】
図２に示された本発明の実施形態では、照明ユニット１１１〜１１３のそれぞれが、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。本発明のいくつかの実施形態では、各照明ユニットは、３原色のそれぞれの１つを発する複数のＬＥＤを含む。図２に示された例示的実施形態では、第１光源１１１は、青色光を発するＬＥＤアレイを含み、第２光源１１２は、緑色光を発するＬＥＤアレイを含み、第３光源１１３は、赤色光を発するＬＥＤアレイを含む。しかし、他の色および色の配合を使用することができる。照明ユニット１１１〜１１３を構成するＬＥＤからの光は、照明光学部分１４４を通ってＤＭＤ  １９４に向けられる。
【００２１】
図２では、照明光学部分１４４は、光トンネル（光パイプとも呼ばれる）１９２とも称する光ガイド１９２を含む。光ガイド１９２は、Ｘキューブ１２０によって供給される光のうち少なくとも一部を受け取る開口８００を含む。Ｘキューブ１２０によって供給される、入射角Ａ（図４に最もよく示されている）以内で開口８００に入射する光は、開口８００を通って入り、光ガイド１９２を通って進む。光ガイド１９２は、ＤＭＤを構成するイメージャアセンブリ１９４を駆動する。
【００２２】
本発明の一実施形態では、映写レンズ部分２２０は、アセンブリ１９４内に収容される。映写レンズ部分２２０は、光をスクリーンなどのディスプレイ１９６に投影する。多くの実施形態で、光トンネル１８０、投影光学部分２２０、イメージャアセンブリ１９４、およびディスプレイスクリーン１９６は、従来のものである。したがって、これを本明細書でさらには説明しない。
【００２３】
イメージャアセンブリ１９４は、ＤＭＤを含む。ＤＭＤは、小さいミラー素子のアレイを含む。一緒に、これらの素子は、ビデオ信号に従ってＤＭＤ  １４４によって受け取られる光を変調する。ＤＭＤ  １９４は、そのミラー素子のそれぞれが２つの異なって傾いた状態のうちの１つすなわち、オン状態またはオフ状態のいずれかになるように構成される。ＤＭＤ  １９４は、オン状態であるミラー素子だけが投影光学部分２２０を構成する光学素子に向かって照明光を反射するように構成される。したがって、照明光のうちでオン状態であるミラー素子によって反射された部分は、投影光学部分２２０を通過し、最終的に投影面１９６上にディスプレイイメージを形成する。
【００２４】
（図３）
図２に示された複数光源手法は、ある種の応用例では不利益を有する。３つの別々の照明モジュールを使用することが、ディスプレイシステムのサイズおよび複雑さを大幅に増やす。ＤＭＤ（商標）タイプディスプレイシステムの代替実施形態を、図３に示す。ディスプレイシステム３００は、本発明の実施形態に従って１つの照明モジュール３１０を含む。照明モジュール３１０は、１つのＬＥＤ光源を含む。単一の照明モジュール３１０を使用することにより、複数照明モジュールシステムと比較してより小さいサイズという利益を有する。単一の光源を使用することによって、ディスプレイのサイズおよび光学エンジンの複雑さが減る。
【００２５】
ディスプレイシステム３００は、照明光学部分３４４、ＤＭＤ  ３９４、および投影光学部分３２０を含む。図３では、光は、照明光学部分３４４内で、概して矢印１３３によって示される経路に沿って進む。照明光学部分３４４は、単一の照明ユニット３１０を含む。照明ユニット３１０は、図４〜７に示された本発明の実施形態に従って構成される。照明ユニット３１０は、ＬＥＤ光源からの光を光ガイド３９２に供給する。本発明の一実施形態で、光ガイド３９２は、従来のインテグレータロッド（integrator rod）を含む。ＤＭＤ  ３９４は、光ガイド３９２の出口８５０から出る光を受け取る。
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態によれば、照明光学部分３４４は、さらに、カラーホイール３１２を含む。カラーホイール３１２は、光が照明ユニット３１０からＤＭＤ  ３９４に進むときの光の経路に挿入される。照明モジュール３１０のＬＥＤ光源は、各色（赤、緑、および青）のイメージを作るために白色光を生成する。色は、カラーホイール３１２を回転することによって、時間内に順番に作られる。ＬＥＤ光源からの白色光は、カラーホイール３１２が回転するときカラーホイール３１２によってフィルタリングされる。所望の色が、対応するイメージを照明する。異なって色付けされたイメージが、非常に速く生成されるので、目は、これらのイメージを、ディスプレイスクリーン３９６上で見たとき正しい色付きフレームに統合する。
【００２７】
照明ユニット３１０および照明光学部分３４４を構成する光学コンポーネントは、縦軸３１７に沿って配置される。投影光学部分３２０は、ＤＭＤ  ３９４からディスプレイスクリーン３９６に光を運ぶ。照明光学部分３４４は、照明ユニット３１０を構成する光源からの光を平滑化する機能を実行する。照明光学部分３４４、および特に光ガイド３９２は、軸方向光線（たとえば、軸３１７に沿った光線）と軸外れ光線との明るさの差の影響を最小にする。これにより、ＤＭＤ  ３９４の素子に入射する光の明るさ分布均一性を改善することができる。
【００２８】
（図４）
図４は、本発明の実施形態に従って構成された図３に示されたディスプレイシステム３００の照明ユニット３１０のブロック図である。照明ユニット３１０は、ＬＥＤ光源２００、第１レンズ２０１、および少なくとも第２レンズ２０２を含む。任意選択で、第３レンズ２０３が、本発明のいくつかの実施形態で照明ユニット３１０を構成する。本発明の一例示的実施形態によれば、ＬＥＤ  ２００は、市販の高出力ＬＥＤ、たとえばＬＵＸＥＯＮ（商標）高出力＋ＬＥＤを含む（Ｌｕｘｅｏｎ  ＬＥＤは、米国カリフォルニア州サンノゼのＬｕｍｉｌｅｄｓ  Ｌｉｇｈｔｉｎｇ社から市販されている）。
【００２９】
さまざまな実施形態で、光源２００は、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、白色ＬＥＤ、および他の色のＬＥＤからなる群から選択される。光源２００は、特性ＬＥＤ放射パターンに従って光を発する。ＬＥＤ  ２００によって放射された光は、順番にレンズ２０１、２０２、および（任意選択で）２０３を通って進む。レンズ２０１、２０２、および２０３は、本発明の一実施形態で光源２００を含む共通の光軸３０１に沿って並べられる。
【００３０】
光源の放射パターンは、すべての光エネルギーを、インターセプトされイメージ投影に使用されるように向けることが理想的である。しかし、実際には、通常のＬＥＤの放射パターンは、ある量の光を浪費する。光ガイド３９２に達する光の一部は、光ガイド３９２に入るには大きすぎる角度で開口８００に向けられることになる。本発明の実施形態による照明ユニット３１０は、光源２００からの光が光ガイド３９２の入射角内に含まれるように、その光を向けることによって、浪費される光を最小にする。本発明は、軸３０１に関して定義される入射角、たとえば角度Ａの範囲で光ガイド３９２に達する光線のパーセンテージを高めることによって、効率を高める。
【００３１】
図４のレンズは、簡略化したブロック図で楕円として描かれている。本発明の実施形態によるさまざまなタイプのレンズ、位置、および方位が、図４〜７に示されている。いくつかの実施形態で、第１レンズ２０１は、コリメータ、たとえば部品番号ＦＬＰ−ＨＮＢ３−ＬＬ０１−０（米国マサチューセッツ州レディングのＦｒａｅｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社）である。さまざまな実施形態で、レンズ２０２、２０３は、非球面コンデンサーレンズ、平凸レンズ、および他のレンズタイプのさまざまな組合せとして実施される。
【００３２】
図４に示され、下で説明される構成は、本発明の原理に従って距離およびレンズ仕様によって定義される。本発明の実施形態による照明ユニット３１０の光学コンポーネントの構成を、表１に示す。
【００３３】
【表１】
0005537950.tif 000002
【００３４】
光源２００と光ガイド３９２の開口８００との間の総光路長ＬTOTALは、次式によって与えられる。
ＬTOTAL＝Ｌ１＋ＴＨＩＣＫＮＥＳＳ（２０２）＋ＳＥＰ＋ＴＨＩＣＫＮＥＳＳ（２０３）＋Ｌ２
ここで、ＴＨＩＣＫＮＥＳＳ（ｎ）は、指定されたレンズの中心厚すなわち、レンズを通る光がたどる光軸３０１に沿った距離を表す。レンズ２０３が省略される実施形態では、ＳＥＰおよびＴＨＩＣＫＮＥＳＳ（２０３）は０である。
【００３５】
一実施形態で、光源２００は、部品番号ＬＸＨＬ−ＰＷ０３すなわち３ワットＬＵＸＥＯＮＴ（商標）ＳＴＡＲ（米国カリフォルニア州サンノゼのＬｕｍｉｌｅｄｓ社の登録商標）である。レンズ２０１は、コリメータ部品番号ＦＬＰ−ＨＮＢ３−ＬＬ０１−０（米国マサチューセッツ州レディングのＦｒａｅｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社）として実施される。レンズ２０２および２０３のさまざまな選択、位置、および方位を、次の点を考慮して下で述べる。
【００３６】
簡潔に言うと、システム３００の照明光学部分の効率を最大にすることが望まれる。効率は、本明細書では、光源２００から放射される光のうちで、軸３０１に関して入射角Ａ以内で光ガイド３９２の開口８００に達する部分と定義される。
【００３７】
入射角Ａは、照明光学部分を構成する特定の光学コンポーネントに従って、および、ある程度、システム３００の投影光学部分に従って定義される。この角度Ａ以内で開口８００に達する光を、「有用な」光と称する。有用な光を、イメージャ３９４の照明に使用することができる。この要件を満足するより大量の光により、システム３００に、より良い性能を与える。図５〜７によって包含される照明モジュール実施形態は、少なくとも部分的に、構成パラメータＬ１、ＳＥＰ、およびＬ２によって定義される。性能は、レンズ２０２および２０３の選択または設計にも関係する。
【００３８】
発光面積とＬＥＤによって放射される光の立体角との積が、「エタンデュ」と呼ばれる保存される値（conserved value）である。エタンデュは保存されるので、発光面積とＬＥＤによって放射される光の立体角との積は、イメージ形成デバイスの面積とイメージ形成デバイスの入射の立体角との積と等しくならなければならない。イメージ形成デバイスのエタンデュは、幾何学的に決定される。
【００３９】
ここで、光源２００の発光の立体角は、ＬＥＤの発光の立体角である。イメージ形成デバイス３９４の面積は、特定のデバイスが選択されると、固定される。一部の光は、光を映写レンズによって効果的に投影できる立体角の範囲の外に出て、光の損失が発生する。この損失は、システム３００の光効率を下げる。その結果、イメージ形成デバイス３９２の輝度は、時々、より多数のＬＥＤが設けられるにもかかわらず、制限される。
【００４０】
本発明は、光ガイド３９２に入る光の量を最適化する、より効率的なシステムを提供する。より高い効率は、より多くの光を意味し、全体としてプロジェクタ（または他のデバイス）へのよりよい出力照明を可能にする。しかし、光ガイド３９２に入る光の量を最大化することは、光が光ガイド３９２に入る入射角Ａを最適化する望みと衝突する。入射角Ａの最適化は、光軸３０１にほぼ平行な光でない光は投影光学系によって使用可能ではないので、重要である。使用不能な光は、浪費される光エネルギーを表す。通常のシステムは、光軸３０１に平行な軸から１０〜１５度以内の光を使用することができる。
【００４１】
説明を簡単にするために、次の議論では、「在庫」（市販）レンズが使用される実施形態の性能について説明する。もちろん、レンズが特別に設計される本発明の実施形態が、想定されている。本発明は、市販レンズが選択される実施形態に限定されてはならない。
【００４２】
（図５）
図５では、レンズ５０２、５０３の非平面（凸）面５０２ｃ、５０３ｃが相互に対向している。レンズ５０２の平坦面５０２ｐは、レンズ５０１に面する。レンズ５０３の平坦面５０３ｐは、光ガイド５９２に面する。代替実施形態によれば、所与のレンズ５０２、５０３の平坦面は、図５に示されたものと反対の方向を指す（後続の表３の議論を参照されたい）。
【００４３】
さらに、他の実施形態では、レンズ５０３が、完全に除外される。たとえば、図６および７に、第１レンズ（図６の６０２および図７の７０２）に第２レンズが続かない実施形態を示す。
【００４４】
レンズ５０２は、多くの光を集める。レンズ５０３は、そのまま入射するより小さい入射角Ａで光ガイド５９２に入るように光を収束させる。したがって、レンズ５０２、５０３は、システム５００の効率を高めるために光を集め、収束させるというそれぞれの機能を実行する。
【００４５】
図６および７の実施形態は、両方の機能を実行するのに単一のレンズを使用する。これらの機能を実行するために、１つまたは複数のレンズが、表１、２、および３に示された寸法に従って構成される。また、レンズの相対位置および相対方位は、本発明による構成によって最適化される。
【００４６】
図４を参照すると、光ガイド３９２の開口８００は、本発明のコンポーネントを配置する際に考慮される断面積を定義する。異なるサイズの断面積について、本発明は、最適のレンズ構成を提供する。次の議論で、８ｍｍ×４．５ｍｍの光ガイド３９２に関連する構成パラメータを提示する。そのような光ガイドは、ＴＩ（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ社）のＨＤ−２  ＤＬＰイメージャと共に使用される光ガイドに特有である。
【００４７】
本発明の上記の実施形態で、レンズ２０２は、ｆ／１より速い非球面レンズを含む。レンズ２０３は、レンズ２０２より長い焦点距離のレンズを含む。
【００４８】
一般に、レンズ２０１、２０２、および２０３の相対配置は、本発明の実施形態による次の原理によって支配される。Ｌ１は、レンズ２０２がレンズ２０３より長い焦点距離を有する場合にＬ２より大きい。Ｌ２は、レンズ２０３がレンズ２０２より長い焦点距離を有する場合にＬ１より大きい。ＳＥＰは、光ガイド３９２の断面積に従って選択される。
【００４９】
表２に、本発明の原理によるレンズ２０２、２０３の特定の実施形態のレンズ部品番号の例を示す。部品番号は、Ｅｄｍｕｎｄ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ社（米国ニュージャージ州バリントン）のものである。各レンズは、下で表３を論ずるのをより簡単にするために、Ａ、Ｂ、Ｃ、またはＤと省略される。
【００５０】
【表２】
0005537950.tif 000003
【００５１】
表３に、表２からのＥｄｍｕｎｄ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ社の部品（レンズ２０２、２０３を実施する）のさまざまな組合せと一緒に、上で述べたＦｒａｅｎ社のコリメータ（レンズ２０１を実施する）を使用した結果を示す。これらの結果は、効率に関して表されている。ここで、効率は、光のうちで、光ガイド３９２の受ける開口８００に入る光軸に関して１０〜１５度の角度以内で下流部分２２０に入るパーセンテージと定義される。
【００５２】
表３に表された実施形態で、レンズ２０２の平坦面は、上流に面する、すなわち、レンズ２０１に向かって面し、レンズ２０３の平坦面は、下流に面する、すなわち、光トンネル３９２に向かって面する。この方位に対する例外は、表３では記号「］」を用いて注記される。「］」は、レンズ２０２の平坦面が下流に面することを示す。レンズ２０３が完全に省略される実施形態は、「レンズ２０３」列の「なし」によって注記される。
【００５３】
【表３】
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【００５４】
図５に、表３の＃１〜＃１６に従って構成された本発明の実施形態を示す。図６に、表３の＃１７、＃１８、＃２１、および＃２３に従って構成された本発明の実施形態を示す。図７に、表３の＃１９、＃２０、＃２２、および＃２４に従って構成された本発明の実施形態を示す。＃６（Ｂ−Ａ）に従って構成された本発明のいくつかの実施形態では、追加のレンズが、光ガイド３９２の開口８００の前に設けられる。
【００５５】
本発明のいくつかの実施形態は、組み合わせる光学系（combining optics）（たとえば、Ｘキューブ１２０）を含む。そのような実施形態は、構成＃４（Ｄ−Ｄ）に従って、および代替案では構成＃１６（Ｄ−Ｃ）に従って構成される。本発明の単一レンズ実施形態は、＃１８（Ｂ）および＃１９（Ｂ］）に従って構成される。本発明の一実施形態は、ｆ／２．８システムを含む。そのような実施形態は、表３の＃１２（Ｃ−Ｂ）に従って構成される。
【００５６】
いくつかの実施形態で、レンズ（２０２）は、光ガイド３９２の光軸に関して１０度の角度以内で光ガイド３９２の開口８００に放射されたＬＥＤ  ５００の光のうち少なくとも２７％を提供する（構成＃１８）。
【００５７】
いくつかの実施形態で、レンズ（２０２）は、光ガイド３９２の光軸に関して１０度の角度以内で放射された光のうち少なくとも２７％、光軸に関して１５度の角度以内で放射された光のうち３１％を供給する（構成＃１８）。
【００５８】
いくつかの実施形態で、レンズ（２０２）は、光軸３０１に関して１５度の角度以内で放射された光のうち少なくとも３４％を下流部分（３２０）に供給する（構成＃１９）。
【００５９】
いくつかの実施形態で、レンズ（２０２）は、光軸に関して１０度の角度以内で放射された光のうち少なくとも２４％、光軸３０１に関して１５度の角度以内で放射された光のうち３４％を供給する（構成＃１９）。
【００６０】
いくつかの実施形態で、レンズ（２０２）は、非球面コンデンサーレンズを含む（表２のレンズ「Ｂ」、構成＃１８または＃１９）。いくつかの実施形態で、レンズ構成は、第１焦点距離を有し、放射パターンを通って放射される光の一部を集め、集められた光を第２レンズ（２０３）に向かって透過させるように構成された第１レンズ（２０２）と、少なくとも第１焦点距離と同程度に長い第２焦点距離を有し、光軸（２１０）に関して角度（２１５）以内で下流部分（２２０）に入るように、その集められた光の焦点を合わせるように構成された第２レンズ（２０３）とを含む（図４、複数レンズ）。
【００６１】
いくつかの実施形態で、第１レンズ（２０２）および第２レンズ（２０３）は、合計で、光軸に関して１５度の角度以内で放射された光のうち少なくとも４０％を下流部分（２２０）に供給する（構成＃６）。
【００６２】
いくつかの実施形態で、第１レンズ（２０２）および第２レンズ（２０３）は、合計で、光軸に関して１０度の角度以内で放射された光のうち少なくとも３０％、光軸に関して１５度の角度以内で放射された光のうち４０％を下流部分（２２０）に供給する（構成＃６）。
【００６３】
いくつかの実施形態で、第１レンズ（２０２）および第２レンズ（２０３）は、合計で、光軸に関して１０度の角度以内で放射された光のうち少なくとも３３％を下流部分（２２０）に供給する（構成＃１２）。
【００６４】
いくつかの実施形態で、第１レンズ（２０２）および第２レンズ（２０３）は、合計で、光軸に関して１０度の角度以内で放射された光のうち少なくとも３３％、光軸に関して１５度の角度以内で放射された光のうち３６％を下流部分（２２０）に供給する（構成＃１２）。
【００６５】
いくつかの実施形態で、ディスプレイシステムは、下流部分（２２０）の前の光を組み合わせる要素（１２０）と、合計で、光軸３０１に関して１０度の角度以内の放射された光のうち少なくとも２０％、光軸に関して１５度の角度以内の放射された光のうち２８％を下流部分に供給する第１レンズ（２０２）および第２レンズ（２０３）とを含む（構成＃４、＃１６）。
【００６６】
いくつかの実施形態で、第１レンズ（２０２）は、平坦面で光を受け、その光を凸面から送るように構成された平凸レンズを含む。いくつかの実施形態で、第２レンズ（２０３）は、凸面で光を受け、その光を平坦面から送るように構成された平凸レンズを含む。いくつかの実施形態で、第１レンズおよび第２レンズのうちの少なくとも１つは、非球面レンズである。いくつかの実施形態で、第１レンズおよび第２レンズのうちの少なくとも１つは、球面レンズである。
【００６７】
本開示は、さらに、少なくとも１つのレンズを用いる方法のサポートを提供する。この方法は、ディスプレイシステム投影光学部分（３２０）に光を供給する。この方法の実施形態は、（ａ）特性放射パターンに従って放射される光を供給するステップ（２００）と、（ｂ）放射された光（２００から）のうちでディスプレイシステムの下流部分（２２０）によって使用可能なパーセンテージを最大にするステップとを含む。最大にするステップは、協働して、（ｂ１）放射パターンで放射された光の一部を集めるステップと、（ｂ２）光軸、たとえば軸３０１に関して入射角Ａ以内で光ガイド（３９２）に入るように集められた光の焦点を合わせる（図５、６のレンズ２０２または図４のレンズ２０２＋２０３）ステップとを含む。
【００６８】
いくつかの実施形態で、集めるステップおよび焦点を合わせるステップは、単一のレンズ（２０２）（図６および７）を使用して、放射された光の一部を集めること、および、その集められた光の焦点を合わせることを含む。
【００６９】
いくつかの実施形態で、集めるステップは、第１焦点距離を有する第１レンズ（２０２）を用いて放射された光の一部を集めることを含み、焦点を合わせるステップは、少なくとも第１焦点距離と同程度に長い第２焦点距離を有する第２レンズ（２０３）を用いて集められた光の焦点を合わせることを含む（図４）。
【００７０】
前述の実施形態は、単に例であり、本発明を限定するものと解釈してはならない。実施形態の説明は、例示的であることを意図しており、特許請求の範囲を限定することを意図していない。多数の代替形態、改良形態、および変形形態が、上記の教示に鑑みて当業者に明白であろう。もちろん、実施例を、本発明の範囲内にとどまりながら変更することができる。したがって、添付の特許請求の範囲およびその同等物の範囲内で、本発明を、本明細書で具体的に説明されたものと異なる形で実施できることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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