(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光出力の輝度を増大するために光をリサイクルする装置であって、
入力端と出力端とを有したリサイクル用ライトパイプを備え、
前記リサイクル用ライトパイプの前記入力端は、光源からの入力光を受けるための入力口と、反射性入力面とを備え、
前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端は、前記リサイクル用ライトパイプから光を出力するための出力口と、前記出力端に向けられた光の一部分を前記リサイクル用ライトパイプの前記入力端へ反射する反射性出力面とを備え、
前記入力口は前記反射性出力面で反射された光の一部分をリサイクルのために前記光源へ伝達し、前記反射性入力面は光の残り部分を前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端へ反射し、これにより、光のリサイクルを介して、前記出力口から出た光の輝度が増大する、装置であり、
少なくとも２つの光源と、少なくとも２つのリサイクル用ライトパイプと、前記少なくとも２つのリサイクル用ライトパイプの出力を結合して１本の出力ビームを生成する６側面型のビーム結合器とをさらに備え、
前記ビーム結合器の６側面の各々は、前記ビーム結合器が導波管として機能できるよう、内部全反射を促進するように研磨されており、
前記ビーム結合器が、半反射面を提供するように被覆された対角面を備える装置。
【請求項２】
光出力の輝度を増大するために光をリサイクルする装置であって、
入力端と出力端とを有したリサイクル用ライトパイプを備え、
前記リサイクル用ライトパイプの前記入力端は、光源からの入力光を受けるための入力口と、反射性入力面とを備え、
前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端は、前記リサイクル用ライトパイプから光を出力するための出力口と、前記出力端に向けられた光の一部分を前記リサイクル用ライトパイプの前記入力端へ反射する反射性出力面とを備え、
前記入力口は前記反射性出力面で反射された光の一部分をリサイクルのために前記光源へ伝達し、前記反射性入力面は光の残り部分を前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端へ反射し、これにより、光のリサイクルを介して、前記出力口から出た光の輝度が増大する、装置であり、
少なくとも４つの光源と、少なくとも４つのリサイクル用ライトパイプと、少なくとも２つの６側面型ビーム結合器とをさらに備え、
第１ビーム結合器の半反射面を提供するように被覆された対角面は光をリサイクルするように方向付けられ、第２ビーム結合器の半反射面を提供するように被覆された対角面は装置からの光を出力するように方向付けられており、前記第１、第２ビーム結合器の前記対角面の方向付けは互いに異なっている、装置。
【請求項３】
光出力の輝度を増大するために光をリサイクルする装置であって、
入力端と出力端とを有したリサイクル用ライトパイプを備え、
前記リサイクル用ライトパイプの前記入力端は、光源からの入力光を受けるための入力口と、反射性入力面とを備え、
前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端は、前記リサイクル用ライトパイプから光を出力するための出力口と、前記出力端に向けられた光の一部分を前記リサイクル用ライトパイプの前記入力端へ反射する反射性出力面とを備え、
前記入力口は前記反射性出力面で反射された光の一部分をリサイクルのために前記光源へ伝達し、前記反射性入力面は光の残り部分を前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端へ反射し、これにより、光のリサイクルを介して、前記出力口から出た光の輝度が増大する、装置であり、
前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端に反射偏光子をさらに備え、
前記リサイクル用ライトパイプは、屈折率の合致する接着剤（index matching glue）、エポキシ、流体を充填した共通面を持った第１、第２テーパ型ライトパイプを備え、
前記第１テーパ型ライトパイプに入る入力光は前記第２テーパ型ライトパイプ内に結合し、
前記反射偏光子は未使用の偏光された光を反射し前記光源に戻してリサイクルすることにより、前記光出力の輝度を増大させる、装置。
【請求項４】
光出力の輝度を増大するために光をリサイクルする装置であって、
入力端と出力端とを有したリサイクル用ライトパイプを備え、
前記リサイクル用ライトパイプの前記入力端は、光源からの入力光を受けるための入力口と、反射性入力面とを備え、
前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端は、前記リサイクル用ライトパイプから光を出力するための出力口と、前記出力端に向けられた光の一部分を前記リサイクル用ライトパイプの前記入力端へ反射する反射性出力面とを備え、
前記入力口は前記反射性出力面で反射された光の一部分をリサイクルのために前記光源へ伝達し、前記反射性入力面は光の残り部分を前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端へ反射し、これにより、光のリサイクルを介して、前記出力口から出た光の輝度が増大する、装置であり、
少なくとも２つの光源と、各々のリサイクル用ライトパイプの前記出力端における反射偏光子とをさらに備え、
前記各々のリサイクル用ライトパイプは、屈折率の合致する接着剤（index matching glue）、エポキシ、流体を充填した共通面を持つ第１、第２テーパ型ライトパイプを備え、
前記第１テーパ型ライトパイプに入る入力光は前記第２テーパ型ライトパイプ内に結合し、
前記各々のリサイクル用ライトパイプの前記反射偏光子は未使用の偏光された光を反射し対応する光源に戻してリサイクルすることにより、前記光出力の輝度を増大させる、装置。
【請求項５】
光出力の輝度を増大するために光をリサイクルする装置であって、
入力端と出力端とを有したリサイクル用ライトパイプを備え、
前記リサイクル用ライトパイプの前記入力端は、光源からの入力光を受けるための入力口と、反射性入力面とを備え、
前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端は、前記リサイクル用ライトパイプから光を出力するための出力口と、前記出力端に向けられた光の一部分を前記リサイクル用ライトパイプの前記入力端へ反射する反射性出力面とを備え、
前記入力口は前記反射性出力面で反射された光の一部分をリサイクルのために前記光源へ伝達し、前記反射性入力面は光の残り部分を前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端へ反射し、これにより、光のリサイクルを介して、前記出力口から出た光の輝度が増大する、装置であり、
各々がＬＥＤである少なくとも２つの光源と、
導波管として機能できるよう、反射面を提供し、内部全反射（ＴＩＲ）を促進するために全ての側面を反射可能に研磨した６側面型ビームスプリッタ／結合器（ＢＳＣ）システムとをさらに備え、
前記ＢＳＣシステムは、各ＬＥＤからの光の第１部分を前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端へ出力として反射し、前記各ＬＥＤからの光の第２部分をリサイクルのために別のＬＥＤへ反射し、さらに、前記各ＬＥＤからの光のこれら以外の部分を前記ＢＳＣシステムの反射表面に向けて方向付ける、装置。
【請求項６】
前記リサイクル用ライトパイプが、中空の直線型ライトパイプ、中空のテーパ型ライトパイプ、中実の直線型ライトパイプ、または中実のテーパ型ライトパイプのいずれか１つである、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記入力口の形状が矩形または円形であり、前記出力口の形状がアスペクト比が６：９または４：３の矩形または円形である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記リサイクル用ライトパイプの前記反射性入力面と前記反射性出力面の少なくとも１つが波長板を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記光源は、ライトパイプに結合したデュアル放物面状リフレクタ（ＤＰＲ）ランプ、白色ＬＥＤ、カラーＬＥＤ、ライトパイプからの出力、ＬＥＤまたはレーザで励起した蛍燐光体からの出力、またはＬＥＤまたはレーザでポンピングしたアップコンバート材料（up-converting materials）からの出力のいずれか１つである、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ビーム結合器の前記対角面が、前記半反射面を提供するために空間的に反射性の部分を備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
各リサイクル用ライトパイプと前記ビーム結合器との間に空隙または屈折率の低い接着剤（low index glue）をさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記ビーム結合器が、１本の偏光出力ビームを提供するために反射偏光子を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも２つの光源の各々は、ライトパイプの入力端に結合したデュアル放物面状リフレクタ（ＤＰＲ）ランプであり、前記ライトパイプの出力端は前記リサイクル用ライトパイプの前記入力口に結合している、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記ビーム結合器が、光を反射する反射性の出力面と、光を出力するための出力口とを備えている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記光源を少なくとも３つ、前記リサイクル用ライトパイプを少なくとも３つ備える装置であって、前記ビーム結合器は前記リサイクル用ライトパイプの出力を結合して、前記１本の出力ビームを提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
光源としてデュアル放物面状リフレクタ（ＤＰＲ）ランプを備え、前記反射偏光子は未使用の偏光された光を反射し前記ＤＰＲランプに戻してリサイクルすることにより、前記光出力の輝度を増大させる、請求項３に記載の装置。
【請求項１７】
前記光源は前記リサイクル用ライトパイプの入力口に結合した白色ＬＥＤであり、投影エンジン、表示パネル、投影レンズ、リレーレンズ、カラーホイールをさらに備え、
前記投影エンジンは、導波管として機能する光学コンポーネントであり、
前記リサイクル用ライトパイプの出力は、前記リレーレンズ、前記表示パネル、前記カラーホイールを介して前記投影エンジン内に結合し、これにより、前記投影レンズによってスクリーン上に投影するための連続したカラー画像が提供される、請求項１，２，４、又は５に記載の装置を組み込んだＬＥＤプロジェクタ。
【請求項１８】
前記表示パネルがデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、またはシリコン基板上に液晶を形成した反射型の液晶表示（ＬＣＯＳ）パネルである、請求項１７に記載のＬＥＤプロジェクタ。
【請求項１９】
前記ＬＥＤにより放出された光の一部分を反射し前記ＬＥＤに戻すことで光をリサイクルするリサイクルリフレクタをさらに備え、
前記リサイクルリフレクタは光を出力するための出力口を備えている、請求項１７に記載のＬＥＤプロジェクタ。
【請求項２０】
前記ＬＥＤは複数の単色ＬＥＤまたはマルチカラーＬＥＤを備え、
前記リサイクルリフレクタは１つのＬＥＤからの光を別のＬＥＤ上に反射することで、リサイクルの効率を高める、請求項１９に記載のＬＥＤプロジェクタ。
【請求項２１】
前記リサイクルリフレクタの前記出力口から出た光を、前記リサイクル用ライトパイプ内で合わせるための集光レンズをさらに備える、請求項１９に記載のＬＥＤプロジェクタ。
【請求項２２】
前記光源はＲＧＢ  ＬＥＤであり、また、投影エンジンと、表示パネルと、投影レンズと、リレーレンズと、レンズレットアレイと、前記ＲＧＢ  ＬＥＤから放出された光の一部分を反射しＲＧＢ  ＬＥＤに戻して光をリサイクルするためのリサイクルリフレクタとをさらに備え、
前記投影エンジンは、導波管として機能する光学コンポーネントであり、
前記リサイクルリフレクタは、前記レンズレットアレイに結合された光を出力するための出力口を備え、
３色の光を時間多重化して、前記投影レンズがスクリーン上に投影するカラー画像を提供するために、前記リサイクル用ライトパイプの出力は、前記リレーレンズと、前記表示パネルと、前記レンズレットアレイとを介して前記投影エンジン内に結合される、請求項１，２，４、又は５に記載の装置を組み込んだＬＥＤプロジェクタ。
【請求項２３】
前記リサイクルリフレクタは出力面を具備した中実の光学コンポーネントであり、
前記リサイクルリフレクタの前記出力面の一部分は、反射面を提供するために反射性被覆材で被覆されており、前記リサイクルリフレクタの前記出力面の残り部分は、前記出力口を提供するために透過性である、請求項１９に記載のＬＥＤプロジェクタ。
【請求項２４】
前記光源は複数のＬＥＤと、レンズシステムと、各ＬＥＤからの光の一部分を反射し前記複数のＬＥＤに戻し、前記光の残り部分を出力するために前記レンズシステムに結合されるリサイクルリフレクタとを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記レンズシステムが、所定の角度で拡散するように光を出力するように構成されている、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記光源が、前記リサイクルリフレクタからの光の残り部分を受光するよう位置決めされた、または、前記レンズシステムから出力された光を受光するように位置決めされた拡散板を備える、請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記ＢＳＣシステムが、一部が反射性である対角線上の境界面を備えている、請求項５に記載の装置。
【請求項２８】
偏光した光出力を提供するために、前記リサイクル用ライトパイプの前記出力端に反射偏光子をさらに備える、請求項５に記載の装置。
【請求項２９】
複数のＢＳＣシステムと、複数のＬＥＤと、ＴＩＲを促進するように全ての面を反射可能に研磨した三角プリズムとをさらに備える、請求項５に記載の装置。
【請求項３０】
前記光源としての入力光を提供するＬＥＤと、投影エンジンと、投影レンズと、表示パネルと、レンズレットアレイと、カラーホイールと、リレーレンズと、さらに、前記入力光の一部分を前記レンズレットアレイへ出力し、前記入力光の残り部分を反射し前記ＬＥＤに戻してリサイクルするためのリサイクルリフレクタとを備えるＬＥＤプロジェクタであって、
前記投影エンジンは、導波管として機能する光学コンポーネントであり、
前記レンズレットアレイを介した前記リサイクル用ライトパイプの出力としての光を、前記カラーホイール、前記リレーレンズ、前記表示パネルを介して、前記投影エンジンで適切なタイミングで結合させ、これにより、前記投影レンズがスクリーン上に投影する連続したカラー画像が提供される、請求項１，２，４、又は５に記載の装置を組み込んだＬＥＤプロジェクタ。
【請求項３１】
前記レンズレットアレイが円形または矩形アレイに配列されている、請求項３０に記載のＬＥＤプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つ以上の光源からの光を出力部と効率的に結合させることでスクリーンでの高い輝度を提供し、詳しくは、１つ以上の光源を具備したライトパイプを使用してリサイクルを行うことで輝度を増大させる、さらに、これをプロジェクタに組み込むためのシステムおよび方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
光源はあらゆるタイプの照明および投影用途に使用される。多くの用途では、小さな有効放出範囲で高レベルの輝度の照明システムを必要とする。従来、この高レベルの輝度は光源をさらに追加することで達成可能である。しかしながら、これは複数の光源を一体化するための空間が限られている場合には技術的に不可能であるとともに、複数の光源を一体化し使用することに高いコストがかかる場合には経済的に実行不可能である。したがって、本発明は、光源の数を増やすことなく、光源の輝度を増大させるという要望に基づくものである。
【０００３】
例えば、マイクロディスプレイ式のテレビ（ＭＤＴＶ）には、大きな画面サイズで低コストを実現できる可能性がある。従来のＭＤＴＶは、通常、アークランプで照明される。この光源は最も低いコストで最も輝度が高いが、白色光を３色に分割する必要性と寿命が短いという点において望ましくない。ＬＥＤ技術における進歩に伴い、ＬＥＤの寿命の長さと、瞬時ＯＮ等のその他の利点を得るためにＭＤＴＶにおける光源としてのＬＥＤを利用することを考慮する必要がある。しかしながら、現時点においては、ＬＥＤは、複数の小型のイメージングパネルまたは複数のより大きなスクリーンを含む低コスト用用途としてその輝度が不十分である。例えば、Ｚｉｍｍｅｒｍａｎらの特許文献１を参照すると、光源の輝度を増大させるためにＬＥＤリサイクルスキームが利用されている。しかし、Ｚｉｍｍｅｒｍａｎらは、単一の光出口を備える光反射キャビティ内に複数のＬＥＤを取り囲むことを記載している。また、Ｚｉｍｍｅｒｍａｎらの特許文献２は、ガスが充填された中空内部を取り囲む蛍燐光体被覆材を備えるガラスエンベロープを有する蛍光管を記載している。この蛍燐光体被覆材によって作り出された光の一部分が当該蛍燐光体被覆材へとリサイクルされる。本発明は、特に、１つ以上の光源を具備したライトパイプを使用してリサイクルを行い輝度を増大させ、これをプロジェクタに組み込むことにより、１つ以上の光源からの光を出力部と効率的に結合させることで、スクリーンに高い輝度を提供するという要望に基づくものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許６，８６９，２０６号
【特許文献２】米国特許６，１４４，５３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、ＬＥＤは、一般照明、建築照明等の多くの照明用途、さらに、より最近のプロジェクションテレビに使用可能な光源の一種である。ＬＥＤは輝度が低いため、ほとんどのディスプレイやプロジェクタシステムはエテンデューに限界があり、一般に、これによって、スクリーンにおける最大出力が制限されてしまう。例えばプロジェクタに使用される場合、プロジェクタスクリーン上に必要な高光出力を提供するために、ＬＥＤは、小さな有効発光面積にて、高輝度レベルで光を放出しなければならない。具体的には、プロジェクタにおいて有用であるために、ＬＥＤは、ルーメン測定において、小さな発光面積内で小さな立体角にて強力で明るい光を提供しなければならない。
【０００６】
発光ダイオード（ＬＥＤ）の開発は驚異的な進歩を遂げたが、現在利用可能なＬＥＤの出力輝度はほとんどの投影用途にとって依然として不十分である。原色のＬＥＤと、輝度を増大させるための出力光のリサイクルとを組み合わせる様々な方法が提案されてきた。しかしながら、こうした方法のほとんどは高価な構成要素を利用するものであり、および／または、大型でかさばるデバイスとなってしまうため、その用途は大幅に制限される。そのため、本発明は、上記の問題を解決する１つ以上の光源（ＬＥＤ、アークランプ、ＵＨＰランプ、マイクロ波ランプ等を含むが、これらに限定されるものではない）を具備したライトパイプを使用してリサイクルを行うことで輝度を増大させるシステムと方法、さらにこれを組み込んだプロジェクタを提供するという要望に基づくものである。本発明のプロジェクタは、さらに複数の色を多重化することにより、カラー画素表示（colored pixel displays）と時系列表示（time sequential displays）の両方を提供することができる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、１つ以上の光源を具備したライトパイプを使用して輝度を増大させるためのリサイクルシステムと方法を提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、前述のリサイクルシステムを組み込んだプロジェクタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の例示的な一実施形態によれば、リサイクルシステムと方法は、少なくとも１つの光源を具備した少なくとも１つのリサイクル用ライトパイプを使用することで光出力の輝度を増大させる。リサイクル用ライトパイプの出力端は、光の第１部分を光源に反射させ、光の第２部分をリサイクル用ライトパイプの入力端へ反射し、光の残り部分を出力として伝達する。リサイクルシステムは、輝度を増大させたカラー投影画像を提供するためにプロジェクタ内に組み込まれる。光源は白色ＬＥＤ、カラーＬＥＤ、デュアル放物面状リフレクタ（ＤＰＲ）ランプであってよい。
【００１０】
本発明のその他の様々な目的、利点、特徴は以下の詳細な説明から容易に明白となり、その新規の特徴は添付の特許請求の範囲において具体的に指摘されるであろう。
【００１１】
以下の詳細な説明は、具体例として提供されるものであって本発明をそれらのみに限定することを意図するものではない。詳細な説明は、種々の形状を備えた同様の構成要素または特徴が同様の参照番号によって表されている添付の図面を参照することによって最もよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の例示的な一実施形態によるライトパイプ１０００を備えたリサイクルシステムの斜視図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の例示的な一実施形態によるリサイクルシステムの断面図である。
【図３】６側面型ビーム結合器と少なくとも２つのライトパイプを備えた本発明の例示的な一実施形態によるリサイクルシステムの断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の例示的な一実施形態による、半反射性の被覆材または空間的に反射性の部分で被覆した６側面型ビーム結合器の対角面の斜視図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、図１のライトパイプを少なくとも２つ組み込んだ図３のリサイクルシステムの断面図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態による、図１のライトパイプを少なくとも２つ組み込んだ図３のリサイクルシステムの断面図である。
【図７】本発明の例示的な一実施形態による、光学コンポーネントを直線状に配置した、図６のリサイクルシステムの断面図である。
【図８】本発明の例示的な一実施形態による、図１の少なくとも３つのライトパイプを備えた、図６、図７のリサイクルシステムの断面図である。
【図９】本発明の例示的な一実施形態による、図１の少なくとも４つのライトパイプと、少なくとも２つの６側面ビーム結合器とを備えたリサイクルシステムの斜視図である。
【図１０】本発明の例示的な一実施形態による、ビーム結合器、２つのライトパイプ、２つのＤＰＲベースの光源を備えたリサイクルシステムの断面図である。
【図１１】本発明の例示的な一実施形態によるビーム結合器の斜視図である。
【図１２】本発明の例示的な一実施形態による反射偏光子を備えた図１のリサイクルシステムの断面図である。
【図１３】本発明の例示的な一実施形態による反射偏光子を備えた図７のリサイクルシステムの断面図である。
【図１４】本発明の別の例示的な一実施形態によるテーパ型偏光ライトパイプシステムとＤＰＲランプを備えたリサイクルシステムの断面図である。
【図１５】（ａ）は本発明の例示的な一実施形態による図１４のテーパ型偏光ライトパイプシステムの断面図であり、（ｂ）は本発明の例示的な一実施形態による図１５（ａ）のテーパ型ライトパイプシステムの反射口の斜視図である。
【図１６】本発明の例示的な一実施形態による、図１４の少なくとも２つのテーパ型偏光ライトパイプシステムと、ビーム結合器とを備えたリサイクルシステムの断面図である。
【図１７】本発明の例示的な一実施形態によるリサイクルシステムを組み込んだＬＥＤプロジェクタの断面図である。
【図１８】本発明の例示的な一実施形態によるリサイクルシステムを組み込んだＬＥＤプロジェクタの断面図である。
【図１９】本発明の例示的な一実施形態による、２つのＬＥＤを利用した図１８のＬＥＤプロジェクタの断面図である。
【図２０】本発明の例示的な一実施形態による、ヒートシンク基板上に取り付けた２つ、および４つのＬＥＤの斜視図である。
【図２１】本発明の例示的な一実施形態による、中実の光学コンポーネントとしてのリサイクルリフレクタの断面図である。
【図２２】本発明の例示的な一実施形態による、レンズレットアレイを備えた光プロジェクタの断面図である。
【図２３】本発明の例示的な一実施形態による、レンズレットアレイを備えた光プロジェクタの断面図である。
【図２４】本発明の例示的な一実施形態による、レンズレットアレイを備えた光プロジェクタの断面図である。
【図２５】本発明の例示的な一実施形態による、ビームスプリッタ／結合（ＢＳＣ）システムを備えたリサイクルシステムの断面図である。
【図２６】本発明の例示的な一実施形態による、ビームスプリッタ／結合（ＢＳＣ）システムを備えたリサイクルシステムの断面図である。
【図２７】本発明の例示的な一実施形態による、ビームスプリッタ／結合（ＢＳＣ）システムを備えたリサイクルシステムの断面図である。
【図２８】（ａ）〜（ｆ）は本発明の例示的な一実施形態による多様な構成のＬＥＤまたはＬＥＤチップを示す図である。
【図２９】本発明の例示的な一実施形態によるＲＧＢシーケンシャルプロジェクタの断面図である。
【図３０】本発明の例示的な一実施形態による光源の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の例示的な実施形態を、図面を参照しながら説明する。これらの実施形態は本発明の原理を例証するものであり、本発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。
【００１４】
１つ以上の光源からの光を出力と効率的に結合させることにより、スクリーンにおいて高輝度が得られる。標準的な照明システムでは光源の輝度を増大させることはできないが、本発明では、光源のリサイクルおよび結合を利用することで、スクリーンにおけるより高い出力強度を提供する。本発明は、１つ以上の光源からの出力をリサイクルおよび結合することで、この１つ以上の光源からの出力を増大させる。本発明の様々な構成および実施形態に適用できる光源には、アークランプ、ＵＨＰランプ、ＬＥＤ、マイクロ波ランプ等がある。
【００１５】
次に図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態である、ライトパイプ１１００を備えたリサイクルシステム１０００が示されている。ライトパイプ１１００は中実でも中空でもよい。ライトパイプ１１００は直線型でもテーパ型でもよい。ライトパイプ１１００の入力端１２００は、反射性入力面または反射性入力部１２１０と、入力口または透過部１２２０とを備える。反射性入力面１２１０は、光を反射するために反射性である入力端１２００の一部または一部分からなり、入力口１２２０は、入力光をライトパイプ１１００内へ透過させるために透明である入力端１２００の残り部または残り部分からなる。本発明の一態様によれば、入力口１２２０は矩形、円形、またはあらゆる適切な形状であってよく、反射性入力面１２１０は偏光した光学系をサポートするための波長板（図示なし）を場合により備えていてよい。
【００１６】
ライトパイプ１１００の出力端１３００は反射性出力面または反射性出力部１３１０と、出力口または透過性出力部１３２０を備えている。反射性出力面１３１０は、光を反射させるために反射性である出力端１３００の一部または一部分からなり、出力口１３２０は、ライトパイプ１１００からの光を透過または出力させるために透明である出力端１３００の残り部または残り部分からなる。本発明の一態様によれば、出力口１３２０は矩形、円形、またはあらゆる適切な形状であってよく、反射性出力面１３１０は偏光した光学系をサポートするための波長板（図示なし）を場合により備えていてよい。
【００１７】
本発明の例示的な一実施形態によれば、出力口１３２０は、照明または投影システムに要求される形状およびサイズと一致する形状であってよい。例えば、出力口１３２０は、アスペクト比が６：９または４：３の円形または矩形であってよい。入力口１２２０からライトパイプ１１００に入った入力光は、ライトパイプ１１００の出力端１３００へ伝達され、一部分が出力口１３２０を介してライトパイプ１１００から出力される。すなわち、光の一部が入力端１２００に反射され、一部が出力口１３２０を介してライトパイプ１１００から出力される。ライトパイプ１１００は、入力口１２２０からの光の一部を反射して出力口１３２０へ送る。入力口１２２０にて使用できる光源はＬＥＤ、ライトパイプからの出力、ＬＥＤまたはレーザで励起した蛍燐光体からの出力、あるいは、ＬＥＤまたはレーザでポンピングしたアップコンバート材料（up-converting materials）からの出力であってよい。光源もアークランプ、マイクロ波ランプ、反射体付きランプであってよい。
【００１８】
図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態によるリサイクルシステム１０００の様々な例を示す。図２（ａ）は、ＬＥＤ１４００を具備したテーパ型ライトパイプ１１００を備えるリサイクルシステム１０００の断面図を示す。テーパ型ライトパイプ１１００に入力される光はＬＥＤ１４００からのものである。テーパ型ライトパイプ１１００の出力端１３００は、光の一部分を伝達させるための出力口１３２０と、光の残り部分をリサイクルするための反射性出力面１３１０とを備える。ＬＥＤ１４００からの出力光はテーパ型ライトパイプ１１００に結合され、この光の一部はＬＥＤ１４００に反射される。光出力がテーパ型ライトパイプ１１００内へ戻る際に、光の一部がＬＥＤ１４００によって反射される（またはリサイクルされる）。
【００１９】
図２（ｂ）は、本発明の一実施形態による、テーパ型ライトパイプ１１００の入力端１２００がＬＥＤ１４００よりも大きいリサイクルシステム１０００の別例である。テーパ型ライトパイプ１１００に入力する光はＬＥＤ１４００からのものである。テーパ型ライトパイプ１１００の出力端１３００は、光の一部分を伝達させるための出力口１３２０と、光の残り部分をリサイクルするための反射性出力面１３１０とを備える。図１にあるように、入力端１２００の余剰範囲または反射性入力面１２１０は、光の一部分をリサイクルするために反射性を持つ。
【００２０】
図２（ｃ）は、本発明の一実施形態によるリサイクルシステム１０００の一例を示しており、この場合、ライトパイプ１１００への入力光は、例えばデュアル放物面状リフレクタシステム、楕円形システムなどの光源から結合した入力ライトパイプ１５００（ライトパイプ１１００と同様に直線型、テーパ型、中空、中実であってよい）から出たものである。図には示していないが、本リサイクルシステム１０００は、ＬＥＤ、マイクロ波ランプ、短波長ＬＥＤまたはレーザで励起した蛍燐光体、あるいは、長波長ＬＥＤまたはレーザでポンピングしたアップコンバート材料（up-converting materials）等を含むが、これらに限定されない他の光源を利用できる。
【００２１】
次に図３に、本発明の例示的な一実施形態によるリサイクルシステム２０００を示す。リサイクルシステム２０００は６側面型ビーム／光結合器２１００と、少なくとも２つのライトパイプ（ＬＰ１、ＬＰ２の符号で示す）とを備える。ＬＰ１、ＬＰ２は、図１のリサイクルシステム１０００のライトパイプ１１００と実質的に同様である。リサイクルシステム２０００は複数の光源を結合することができる。図３では、リサイクルシステム２０００の出力は、２つの光源を結合させたものである。各々の光源２２００はＬＥＤ１４００（ＬＥＤ１、ＬＥＤ２の符号で示す）と、ライトパイプＬＰ１またはＬＰ２とを備える。ＬＥＤ１（１４００）からの光がＬＰ１（１１００）に結合され、さらに光結合器２１００内に入る。光結合器２１００の６側面は全て、透過と内部全反射（ＴＩＲ）の両方に使用できるように研磨されている。光結合器２１００の三角形面２４００も、光結合器２１００が導波管として機能し、ライトパイプＬＰ１、ＬＰ２（１１００）からの光を誘導できるように研磨されている。本発明の例示的な一実施形態によれば、ビーム結合器２１００の対角面２１１０は、半反射／透過面を提供するために被覆されている。対角面２１１０は図４（ａ）のような半反射性被覆材で被覆するか、あるいは、図４（ｂ）、（ｃ）に示すような空間的に反射性の部分を備えて被覆することができる。反射と透過の割合は、各用途の最大出力について最適化できる。本発明の一態様によれば、６側面／面／表面の全てが研磨されたビーム結合器２１００はバルク型光学系としてよりもむしろ導波管として機能する。ＬＰ１（１１００）の出力部の寸法は、ビーム結合器２１００の表面寸法と一致する。ＬＰ１（１１００）からの光の一部または一部分はＬＰ２（１１００）へ反射され、ＬＥＤ２（１４００）によってリサイクルされる。ＬＰ２（１１００）からの光の一部または一部分はＬＰ１（１１００）へ反射され、ＬＥＤ１（１４００）によってリサイクルされる。ＬＰ１、ＬＰ２（１１００）からの光の一部または一部分は、出力光としてリサイクルシステム２０００の出力口２１３０から放出され、光の残り部分は、端部リフレクタ２１２０によって反射されリサイクルシステム２０００に戻される。リサイクルシステム２０００は、光出力の一部分を反射しリサイクルシステム２０００に戻すことでこの光出力の一部分をリサイクルする反射面または反射口２１４０を場合により備えることができる。本発明の例示的な一実施形態によれば、ＴＩＲをさらに促進するために、リサイクルシステム２０００は、ＬＰ１（１１００）とビーム結合器２１００、ＬＰ２（１１００）とビーム結合器２１００というように、１つ以上の光学コンポーネントどうしの間に、場合により空隙または屈折率の低い接着剤（low index glue）２３００を備えている。
【００２２】
次に図５、図６には、本発明の例示的な一実施形態による、図１のライトパイプ１１００を組み込んだ図３のリサイクルシステム２０００を示している。ここでは、図１のリサイクルシステム１０００と、図３、図５、図６のリサイクルシステム２０００と共通の光学コンポーネントについての繰り返しの記述を省く。図５において、各ＬＥＤ１４００（ＬＥＤ１、ＬＥＤ２）は、ライトパイプ１１００（ＬＰ１、ＬＰ２）の入力端１２００の一部または一部分に結合されるか、または被覆している。入力端１２００の残り部または残り部分は反射性被覆材で被覆され、反射性入力面１２１０を提供している。図５のリサイクルシステム２０００の出力は２つのＬＥＤ入力を結合させたものである。図６では、図５のＬＥＤ１４００（ＬＥＤ１、ＬＥＤ２）の代わりに他の光源を使用している。この光源には、リフレクタまたはレンズ等で焦点を合わせた、ライトパイプ、照明ランプ（アークランプ、マイクロ波ランプ等）からの出力が含まれるが、これらに限定されるものではない。あるいは、本発明の例示的な一実施形態によれば、図６のリサイクルシステムの光学コンポーネントは、図７に示すように直線状に配置することができる。本発明の例示的な一実施形態によれば、ＴＩＲをさらに促進するために、図５〜図７のリサイクルシステム２０００は、ＬＰ１（１１００）とビーム結合器２１００、ＬＰ２（１１００）とビーム結合器２１００というように、１つ以上の光学コンポーネントどうしの間に空隙または屈折率の低い接着剤（low index glue）２３００を備えている。
【００２３】
本発明の例示的な一実施形態によれば、図８に示すように、図６または図７のリサイクルシステム２０００は、少なくとも３つの図１のライトパイプを備えてもよい。つまり、図６または図７のリサイクルシステム２０００の端部リフレクタ２１２０の代わりに、図８ではライトパイプ１１００を使用している。図８のリサイクルシステム２０００の出力は３つの光源を結合させたものである。入力口１２２０において使用できる光源は、ＬＥＤ、ライトパイプからの出力、ＬＥＤまたはレーザで励起した蛍燐光体からの出力、あるいは、ＬＥＤまたはレーザ等でポンピングしたアップコンバート材料（up-converting materials）からの出力であってよい。本発明の例示的な一実施形態では、ＴＩＲをさらに促進するために、図８のリサイクルシステム２０００は、１つ以上の光学コンポーネントどうしの間に、空隙または屈折率の低い接着剤（low index glue）２３００を場合により備えている。
【００２４】
本発明の例示的な一実施形態によれば、図９は、少なくとも４つのライトパイプ１１００と、少なくとも２つのビーム結合器２１００とを備えたリサイクルシステム３０００を示す。リサイクルシステム３０００は、少なくとも４組の光源からの出力を結合して１つの出力を得る。図９は２つのビーム結合器２１００を備えたリサイクルシステム３０００を示しているが、図９のリサイクルシステム２０００は２つ以上のビーム結合器２１００を備えてもよいことが理解される。本発明の一態様によれば、２つのビーム結合器２１００の対角面２１１０の方向はそれぞれ異なっている。ビーム結合器（１）の対角面２１１０の方向は光をリサイクルするように方向付けされ、ビーム結合器（２）の対角面２１１０の方向は光を出力するように方向付けされている。ビーム結合器２１００の三角形面２４００は、ビーム結合器２１００を導波管として機能させて、４つのライトパイプ１１００（ＬＰ１、ＬＰ２、ＬＰ３、ＬＰ４）からの光を誘導できるように研磨されている。本発明の例示的な一実施形態では、ＴＩＲをさらに促進するために、図９のリサイクルシステム３０００は、ＬＰ１（１１００）とビーム結合器（１）、ＬＰ２（１１００）とビーム結合器（１）というような、１つ以上の光学コンポーネントどうしの間に空隙または屈折率の低い接着剤（low index glue）２３００を備えている。
【００２５】
次に図１０を参照して、本発明の例示的な一実施形態によるビーム結合器２１００、２つのライトパイプ１１００、２つの光源４２００を備えたリサイクルシステム４０００を示す。光源４２００はデュアル放物面状リフレクタ（ＤＰＲ）ランプである。第１光源ＤＰＲランプ１４２００は第１テーパ型ライトパイプＴＬＰ１（１１００）と結合しており、次にこれがライトパイプＬＰ１（１１００）の入力口１２２０と結合する。第２光源ＤＰＲランプ２４２００は第２テーパ型ライトパイプＴＬＰ２（１１００）と結合しており、次にこれがライトパイプＬＰ２（１１００）の入力口１２２０と結合する。リサイクルシステム４０００のライトパイプ１１００（ＬＰ１、ＬＰ２）とビーム結合器２１００の動作は、図６〜７のリサイクルシステム２０００のライトパイプ１１００（ＬＰ１、ＬＰ２）とビーム結合器２１００のものと同様である。リサイクルシステム４０００は、ビーム結合器２１００を用いて、第２組の光源４２００の出力を第１組の光源４２００と結合させ、１つの出力を得る。本発明の例示的な一実施形態によれば、ＴＩＲをさらに促進するために、図１０のリサイクルシステム４０００は、例えばＬＰ１（１１００）とビーム結合器２１００、ＴＬＰ２（１１００）とＬＰ２（２１００）というような、１つ以上の光学コンポーネントどうしの間に空隙または屈折率の低い接着剤（low index glue）２３００を備えている。
【００２６】
本発明の例示的な一実施形態によれば、図１１に示すように、本リサイクルシステム（２０００、３０００、４０００）のビーム結合器２１００の出力面または出力表面２５００は、透過性の開口部または出力口２１３０を備えた反射性の出力面２５００である。本発明の一態様によれば、出力口２１３０の形状、サイズ、場所は、各用途の必要性に合うように構成することができる。
【００２７】
次に図１２を参照すると、本発明の例示的な一実施形態によれば、図１のリサイクルシステム１０００は、偏光した出力を提供するためにライトパイプ１１１０の出力口１３２０と結合した反射偏光子１６００をさらに備える。本発明の一態様によれば、ライトパイプ１１００の反射性入力面１２１０は、波長板１２３０を場合により備えることで効率を高めることができる。
【００２８】
本発明の例示的な一実施形態によれば、図１３に示すように、図７のリサイクルシステム２０００は、偏光した出力を提供するためにビーム結合器２１００の出力口２１３０と結合した反射偏光子１６００をさらに備える。本発明の一態様によれば、ライトパイプ１１００の反射性入力面１２１０は波長板１２３０を場合により備えることで、効率を高めることができる。図１３のリサイクルシステム２０００のビーム結合器２１００は、２つの別個の光源を結合して、１つの偏光した光の出力を生み出すことができる。
【００２９】
次に図１４、図１５（ａ）、（ｂ）を参照すると、本発明の例示的な一実施形態によるリサイクルシステム５０００を示す。リサイクルシステム５０００は、ＤＰＲランプまたはシステム４２００を用いるように構成されたリサイクル工程を備えたテーパ型偏光ライトパイプシステム５１００を備える。テーパ型偏光ライトパイプ５１００は、透明で好ましくは屈折率の一致した（index matching）接着剤、エポキシ、または流体５５００を充填した共通面を持った、２つのテーパ型ライトパイプ１１００（ＴＬＰ１、ＴＬＰ２）を備えている。テーパ型ライトパイプ１１００（ＴＬＰ１）に入る入力光は、テーパ型ライトパイプ１１００（ＴＬＰ２）内に結合し、偏光した出力としてＴＬＰ２から出力される。出力光の一部または一部分は場合により設けられる反射口５３００により反射される。出力反射口の一例を図１５（ｂ）に示すが、透過性開口部５３１０の形状とサイズは用途に応じて変えることができる。未使用の偏光は反射偏光子５４００によって反射され、ＤＰＲランプ４２００に戻される。テーパ型偏光ライトパイプシステム５１００のＴＬＰ２１１００は、光の一部分を反射して反射偏光子５４００へ戻すための波長板５２１０を場合により設けた反射面５２００を備えている。
【００３０】
本発明の例示的な一実施形態によれば、図１６のリサイクルシステム６０００はビーム結合器２１００と、少なくとも２つの、光源として機能する図１５のテーパ型偏光ライトパイプシステム５１００とを備えている。図１６の２つのテーパ型偏光ライトパイプシステム５１００の出力はビーム結合器２１００に結合されるため、この図１６のテーパ型偏光ライトパイプシステム５１００には反射偏光子５４００と場合により設けられる反射口５３００は必要ない。図１６のビーム結合器２１００の出力端は反射偏光子６１００と場合により設けられる反射口６２００を備えており、これらは反射偏光子５４００と、透過性開口部５３１０を備え、場合により設けられる反射口５３００と同様のものである。図１６には示していないが、図１６のテーパ型偏光ライトパイプシステム５１００は、それぞれ、図１４に示すようにＤＰＲランプ４２００と結合させることができる。リサイクルシステム６０００のビーム結合器２１００は、少なくとも２つの光源５１００を結合して１本の偏光出力ビームを得ることができる。リサイクルシステム６０００は、図９のリサイクルシステム３００と同様に、１つ以上のビーム結合器２１００を使用して、２つ以上の光源５１００を結合することが可能である。
【００３１】
ＬＥＤ投影システムは、ＬＥＤの出力が増大するに従い急速に進歩している。一般的なＬＥＤ投影システムは、赤、緑、青の３色ＬＥＤを使用する。時系列的に多重化してカラー出力画像を生成するため、各ＬＥＤからの出力は１つの出力に結合される。３色ＬＥＤは異なる材料からなり、異なる温度依存性を持つ。スクリーン上で均一な色を維持するためにフィードバック制御が必要であるが、これにより、典型的なＬＥＤ投影システムが高価および複雑になる。白色ＬＥＤを使用した従来の照明は、白色ＬＥＤが十分な赤色成分を含んでいないために色が劣等であると考えられてきた。
【００３２】
本発明は、これらの制限を、従来の照明および投影システムに白色ＬＥＤを使用することで克服する。本発明の例示的な一実施形態によれば、赤色を強調した、リサイクルされた白色ＬＥＤプロジェクタが得られる。次に図１７を参照すると、本発明の例示的な一実施形態によるリサイクルシステムを組み込んだプロジェクタ７０００を示す。プロジェクタ７０００はイメージャパネル７３００、投影エンジン７１００、投影レンズ７２００、リレーレンズ７４００を備える。プロジェクタ７０００はＬＥＤ１４００によって放出された光を利用するが、この放出された光の一部分がＬＥＤ１４００に戻されてリサイクルされ、リサイクルシステム１０００を用いて輝度を増大させる。図１７はリサイクルシステム１０００を組み込んだプロジェクタ７０００を示すが、プロジェクタ７０００はここで述べたあらゆるリサイクルシステムを組み込むことができることが理解される。テーパ型ライトパイプ１１００の出力は、リレーレンズ７４００とカラーホイール７５００を介して投影エンジン７１００内に結合され、シーケンシャルカラーシステムが形成される。
【００３３】
ＬＥＤ１４００は白色の蛍燐光体ＬＥＤ１４００、ＬＥＤまたはレーザで、好ましくは青色か紫外線（ＵＶ）のものでポンピングした白色の蛍燐光体であってよい。ＬＥＤ１４００は白色ＬＥＤに限定されるものではなく、本発明はカラーＬＥＤを利用して、ここで述べたように色強調機能の付いたＬＥＤプロジェクタを提供できることが理解される。ＬＥＤ１４００はヒートシンク基板１４１０上に取り付けることが好適である。ＬＥＤ１４００の出力はライトパイプ１１００内に結合されるが、このライトパイプは、出力が特定の用途に合うよう、中空または中実、あるいは、テーパ型または直線型であってよい。ライトパイプ１１１０は、最大結合効率を得られるよう、ＬＥＤ１４００の出力部に配置、配列されている。ライトパイプ１１００の出力端１３００の表面の一部分は、反射性被覆材１３１０によって、あるいはミラーまたはリフレクタ１３１０を使用して被覆されているので、ライトパイプ１１００の出力の１パーセントのみがカラーホイール７５００を介して投影エンジン７１００と結合する。次に、リレーレンズ７４００と投影エンジン７１００とを使用して、ライトパイプ１１１０の出力部が撮像パネルまたはイメージャパネル７３００上に投影される。次に、撮像パネル４３００における最終的な画像が、投影レンズ７２００を介してスクリーン（図示なし）上に投影される。
【００３４】
本発明の例示的な一実施形態によれば、ライトパイプ１１１０の出力部を、選択された波長のみを反射し、光の残りの全ての波長を透過させる出力被覆材で被覆することで、所望の色を強調することが可能である。例えば、ライトパイプ１１００の出力端１３００を、青色光を反射し、残りの全ての色の光を透過させるように被覆することができる。つまり、リサイクルシステム１０００は青色光のリサイクルを促進することで、投影エンジン７１００に透過する他の色を強調する。
【００３５】
本発明の例示的な一実施形態によれば、カラーホイール７５００は、３色システムの赤、青、緑、あるいは赤、緑、青、無色のように異なる色のフィルタを備えた２つ以上のセグメントを備えている。そのため、カラープロジェクタ７０００は、各色を連続表示してカラー画像を生成するシーケンシャルカラーシステムを利用する。
【００３６】
本発明の例示的な一実施形態によれば、ＬＥＤ１４００は直流駆動型である。あるいは、ＬＥＤ１４００は、カラーホイール７５００と同期させた変電流で駆動することができる。例えば、ＬＥＤ１４００は、カラーホイール７５００のどの色セグメントがライトパイプ１１００の前にあるかを示す関数として、異なる電流値を持つことができる。特定の実施形態では、ライトパイプの前に赤色セグメントがある場合にはより高い電流が付加されて、赤色の欠損を高電流によって克服している。
【００３７】
本発明の例示的な一実施形態によれば、イメージャパネル７３００は、例えばＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓまたは他のメーカーによって製造されるようなデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）であってよい。本発明の例示的な一実施形態によれば、イメージャパネル７３００はシリコン基板上に液晶を形成した反射型の液晶表示（ＬＣＯＳ）パネルであってよい。図１７のリサイクルシステム１０００は場合により設けられる反射偏光子５４００を備えることができ、この偏光子は、望ましくない光の偏光を反射させてリサイクルのためにライトパイプ１１００に戻すことができるように、ライトパイプ１１００の出力端１３００に配置されている。
【００３８】
本発明の例示的な一実施形態によれば、ＬＥＤ１４００の白色蛍燐光体は、ＬＥＤ１４００が放出した青色光によって駆動することができる。リサイクルシステム１０００でリサイクルを行う工程では、リサイクルされた青色光がＬＥＤ１４００の蛍燐光体に再吸収された後、緑色と赤色の光として再出射することができる。その結果、リサイクルされた光は低い青色出力と、高い赤色及び緑色出力とを持つようになる。
【００３９】
本発明の例示的な一実施形態によれば、より高い出力パワーを必要とする用途では、プロジェクタ７０００は複数のＬＥＤ１４００を利用して１つまたは複数の蛍燐光体セグメントを駆動することで、放出された光をリサイクルシステム１０００のライトパイプ１１００内へ結合できるようにしている。複数のＬＥＤ１４００からの出力も、それぞれ導波管として機能するプリズム、ライトパイプ、その他同等の光学コンポーネントを使って結合することで、スクリーン（図示なし）でのより高い出力が得られることが理解される。例えば、プリズムは、その各側面を反射可能に研磨してＴＩＲを促進した場合には、導波管として機能することができる。
【００４０】
白色蛍燐光体ＬＥＤからの光を使用することの利点は次のとおりである。
１．白色蛍燐光体ＬＥＤはより短い波長とより大きなバンドギャップを持つため、より高い接合温度で動作でき、ヒートシンクの必要条件を緩和する。
２．単色ＬＥＤを使用できるため、マルチカラーＬＥＤを多重化する必要がなくなる。
３．カラーホイールは開発された優れたコンポーネントであり、その寿命は非常に長い。
４．標準的な投影エンジン構成を使用することが可能であり、また、こうした標準的な投影エンジンの大量生産の経験を持つメーカーは沢山ある。
５．多くのメーカーが白色蛍燐光体ＬＥＤを製造している。
６．より小型の白色蛍燐光体ＬＥＤを複数使用することで、広い放出範囲が得られる。この放出範囲には、リサイクル効率を低下させ得るＬＥＤどうしの間の空継ぎ目がない。
【００４１】
次に図１８を参照すると、本発明の例示的な一実施形態によれば、光をリサイクルするためのリサイクルリフレクタ８１００をさらに備えたＬＥＤプロジェクタ８０００を示す。リサイクルリフレクタ８１００は、ＬＥＤ出力の一部分を反射しＬＥＤ１４００に戻して光をリサイクルする。ＬＥＤ１４００は白色またはカラーＬＥＤであってよい。好適には、リサイクルリフレクタ８１００は球状、環状、楕円形のリフレクタであり、ＬＥＤの像をＬＥＤ自身に戻すものである。リサイクルリフレクタ８１００の開口部は出力口１３２０として使用される。本発明の一態様によれば、開口部のサイズを変更することで、異なるリサイクル量を達成できる。光出力は、集光レンズ７６００、または、２つ以上のレンズ７６００を具備したレンズシステムを用いて結合された後、ライトパイプ１１００内に集束される。この光をライトパイプ１１００が均質化して、ライトパイプ１１００の出力部におい均一な光強度プロフィールを生成する。ＬＥＤプロジェクタ８０００の残りの光学コンポーネントは、図１７のＬＥＤプロジェクタ７０００のものと同様である。カラーホイール７５００は、ライトパイプ１１００の入力端または出力端のいずれかに配置することが可能である。
【００４２】
本発明の例示的な一実施形態によれば、図１９は２つ以上のＬＥＤ１４００を利用したＬＥＤプロジェクタ８０００を示す。リサイクルリフレクタ８１００は、１つのＬＥＤを別のＬＥＤ上に撮像して、ＬＥＤプロジェクタ８０００のリサイクル効率を高める。図２０は、ＬＥＤプロジェクタ８０００と併用できるヒートシンク基板１４１０上に取り付けた２または４つのＬＥＤ１４００を示す。４つのＬＥＤを取り付けたケースでは、リサイクルリフレクタ８１００が第１ＬＥＤを、第１ＬＥＤに対して斜めに位置決めされた第２ＬＥＤの上に撮像し、例えば、ＬＥＤ  ＡがＬＥＤ  Ａ´の上に、ＬＥＤ  Ｂ´がＬＥＤ  Ｂ上に撮像する。集光レンズ７６００はＬＥＤ１４００の光出力を結合させる。
【００４３】
本発明の例示的な一実施形態によれば、リサイクルリフレクタ８１００は、図２１に示すような中実の光学コンポーネントであってよく、例えば、最大出力効率が得られるように曲率を最適化した半反射性半透過性表面を有するガラス片であってよい。ＬＥＤ１４００の出力部に配置した中実ガラス８１００は、光を最大限にリサイクルできるように配列されている。中実ガラス８１００の出力面の一部分は、反射面８１１０となるように反射性被覆材で被覆され、残り部分は出力口８１２０として機能するように透過性となっている。出力口８１２０は、反射面８１２０と同一の連続面から形成することができ、また最適な結合が得られるように異なる曲率を有するように構成することができる。
【００４４】
次に図２２〜図２４を参照すると、本発明の例示的な一実施形態によれば、製造コストを低減するためにライトパイプ１１１０を省いた構成のＬＥＤプロジェクタ８０００を示す。ここでは、図１８のＬＥＤプロジェクタ８０００の集光レンズ７６００の代わりに、レンズレットアレイ８２００を使用している。レンズレットアレイ８２００は図７のように円形や、図８のように矩形であってよく、また、２つ以上のレンズまたはレンズレット（lenslet）からなる。レンズレットは標準的な列に配列、あるいは無作為に配列することができ、また、最大の効率と均一性を得るために特定のパターンに構成することができる。各レンズレットは（図２２に示すように）平面Ａ上にＬＥＤを撮像する。平面Ａ上のこの地点は、ライトパイプ１１００の出力端または出力面１３００と実質的に同位置にあることが理解される。平面Ａ上のこの地点は各レンズレットが形成した画像で構成されているため、全体の強度プロフィールを均一にすることが可能である。次に、この出力が、撮像パネル７３００、投影エンジン７１００、投影レンズ７２００を介して投影スクリーン（図示なし）に結合される。本発明の一態様によれば、レンズレットアレイ８２００は、四角形のＬＥＤ１４００を様々な投影アスペクト比形式に合った矩形の出力に変換することができる。一般に、出力パターンは必要なあらゆるサイズ、形状、強度プロフィールであってよい。
【００４５】
本発明の例示的な一実施形態によれば、ＴＩＲを促進するために全ての表面／面が反射可能に研磨されたビームスプリッタ／結合（ＢＳＣ）システム９１００と、２つのＬＥＤ１４００とを備えたリサイクルシステム９０００が図２５に示されている。本発明の一態様によれば、ＢＳＣ９１００は、半反射性の境界面９１２０で接触する２つの三角プリズム（ＴＩＲを促進するために全ての面／表面が反射可能に研磨されている）を備えている。半反射性の境界面９１２０は、半反射性被覆材で被覆することで、または反射性被覆材で部分的に被覆した表面を使用することで作成できる。反射率は被覆面範囲の大きさによって制御できることが理解される。例えば、半反射性の境界面９１２０は、反射片（reflective stripes）９１２５（図示あり）または反射ドット（reflective dots）（図示なし）を備えていてよい。
【００４６】
ＬＥＤ１４００からの出力はＢＳＣ９１００内に結合する。ＬＥＤ１４００からの光は、一部分がライトパイプ１１００の出力端１３００へ出力として反射され、一部分が別のＬＥＤ１４００へ送られ、残り部分がＢＳＣ９１００の反射表面に向けて送られる。ＢＳＣ９１００は、ＴＩＲを促進するためにその６側面全てが研磨、好適には反射可能に研磨されているため、導波管として機能することが理解される。一般に、ＬＥＤ１４００から放出され、ライトパイプ１１００の出力端へ出力として送られなかった光はリサイクルされ、最終的に出力としてライトパイプ１００から出力される。特定の用途によっては、ＢＳＣ９１００からの出力をそのままの状態で使用するか、あるいはさらに、直線型、テーパ型、中空、中実であってよい出力ライトパイプの出力部（図示なし）を介して結合させることができる。ライトパイプ１１００と出力ライトパイプ（図示なし）は、標準的なライトパイプまたは半反射性出力面１６１０を具備したリサイクルライトパイプであってよく、さらに、ＬＣＯＳ、ＬＣＤ、またはその他の偏光依存型システムに偏光した出力を提供できるように、出力端１３００に反射偏光子１６００を備えることができる。
【００４７】
リサイクルシステム９０００は、ＢＳＣ９１００と、２つのＬＥＤ１４００と、ライトパイプ１１００とを備えた１つの導波管システムを含むが、リサイクルシステム９０００は導波管のネットワークを含むように拡張することができる。本発明の例示的な実施形態によれば、図２６は２つのＬＥＤを具備したリサイクルシステム９０００を示し、このリサイクルシステムにおいて、ＬＥＤは、導波管（ライトパイプ１１００、全ての側部を研磨、好適にはＴＩＲを促進するために反射可能に研磨した三角プリズム９２００、反射表面９１１０を具備したＢＳＣ９１００）と同平面上に配置されている。図２７は、３つのＬＥＤを具備したリサイクルシステム９０００を示し、このシステムは、３つのＬＥＤ１４００、２つのライトパイプ１１００、反射表面９１１０を具備した２つのＢＳＣ９１００、１つの三角プリズム９２００を備えている。リサイクルシステム９０００は１つ、２つ、または３つのＬＥＤに限定されず、導波管のネットワーク（ライトパイプ１１００、三角プリズム９２００、ＢＳＣ９１００）を使用して、複数のＬＥＤをまとめてリサイクルすることができると理解される。
【００４８】
本発明の例示的な一実施形態によれば、図２８（ａ）〜（ｆ）は多様な形状のＬＥＤまたはＬＥＤチップ１４００を示している。符号「Ｃ」を付けたＬＥＤまたはＬＥＤチップ１４００は、ＬＥＤチップ１４００がカラーチップであることを示し、その色は、白色、赤色、緑色、青色、またはその他あらゆる色のＬＥＤチップであってよい。リサイクルリフレクタ８１００の撮像性質により、対になったＬＥＤの各々が互いの上に撮像されてリサイクルされるが、同色のＬＥＤで１対であることが好適である。例えば図２８（ｃ）では、撮像対Ｃ１、Ｃ１´は同色であり、撮像対Ｃ２、Ｃ２´は同色である。図２８（ｅ）は、図２８（ｃ）の赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）ＬＥＤバージョンを示し、この場合の撮像対は（Ｒ、Ｒ´）、（Ｂ、Ｂ´）、（Ｇ、Ｇ´）である。図２８（ｄ）、図２８（ｆ）は、ＬＥＤチップ配列の別の組み合わせを示す。これ以外のＬＥＤチップの組み合わせおよび構造が可能であり、それらは本発明に包括されると考えられることが理解される。特定のＬＥＤチップ配列は、本リサイクルシステムの用途によって異なる点に注意されたい。
【００４９】
次に図２９を参照すると、本発明の例示的な一実施形態によるＲＧＢシーケンシャルプロジェクションシステムまたはＲＧＢシーケンシャルプロジェクタ９５００を示す。ＲＧＢシーケンシャルプロジェクタ９５００は、投影エンジン７１００、撮像パネル７３００、投影レンズ７２００、リレーレンズ７４００、ライトパイプ１１００、リサイクルリフレクタ８１００、ＲＧＢ  ＬＥＤ１４００、レンズレットアレイ８２００を備えている。ＲＧＢシーケンシャルプロジェクタ９５００は、３種類の色を時間多重化し、画素強度制御に撮像パネル７３００を使用して、スクリーン（図示なし）上にカラー画像を生成することができる。ＲＧＢ  ＬＥＤ１４００の出力はリサイクルリフレクタ８１００によってリサイクルされ、ここで記述したレンズ、レンズレットアレイおよび／またはレンズアレイ８２００を用いて結合される。ＲＧＢ  ＬＥＤ１４００は時間多重化することができるのでカラーホイール７５００は不要であり、したがって図２９には示されていないことが理解される。
【００５０】
本発明の例示的な一実施形態によれば、図３０に示すように、光源９６００は、ヒートシンク基板１４１０上に取り付けたＬＥＤ１４００と、リサイクルリフレクタ８１００と、さらに、汎用照明に使用することが可能な、あるいはここで記述した様々なプロジェクタ内に組み込むことが可能な任意のレンズシステム９６５０とを備える。ＬＥＤ１４００は単色またはマルチカラーのＬＥＤ１４００であってよい。レンズシステム９６５０は、光出力を所定の角度で拡散させるように構成することができる。本発明の一態様によれば、レンズシステム９６５０を、例えばプロジェクタ９５００のライトパイプ１１００のように、光出力が対象物内に集束するように構成できる。
【００５１】
本発明の例示的な一実施形態によれば、光源９６００は、レンズシステム９６５０よりも前または後に挿入され、光出力プロフィールのさらなる調整を可能にするため場合により設けられる拡散板９６１０を備えることができる。拡散板９６５０はすりガラス、ホログラフィック拡散板、レンズアレイであってよい。本発明の例示的な一実施形態によれば、リサイクルリフレクタ８１００、レンズシステム９６５０、場合により設けられる拡散板９６１０は、プラスチックまたはガラスに成形して単体化でき、これにより組み立てが容易になり、製造コストを低減できる。
【００５２】
本発明の例示的な一実施形態によれば、レンズシステム９６５０は光を平行化するように構成できるため、光源９６００は、放物面リフレクタを備えた標準的なランプの代わりとなることができる。本発明の一態様によれば、レンズシステム９６５０は光を収束するように構成できるため、光源９６００は、楕円リフレクタを備えた標準的なランプの代わりとなることができる。本発明の一態様によれば、レンズシステム９６５０は光を拡散させるように構成することができるため、光源９６００は、汎用スポットライト用の標準的なランプの代わりとなることができる。レンズシステム９６５０は場合により設けられる拡散板９６１０をさらに備えることができ、これにより、光出力プロフィールをさらに調整することが可能となり、最適な結果が得られるようになることが理解される。
【００５３】
以上本発明について説明したが、当業者は本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り多様に改変することが可能であると理解するであろう。こうした任意の全ての改変も特許請求の範囲内に含まれるものと意図されている。
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図２（ｃ）】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図４（ｃ）】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５（ａ）】
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【図１５（ｂ）】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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