(57)【要約】  コンデンサレンズと投射レンズとの間の指定された関係を有するプロジェクションシステムが開示される。ここでは、投射物体平面と通常一致するイメージャーゲートがコンデンサレンズの後側焦点面とコンデンサレンズの像平面との間にあり、且つ後側焦点面から離隔されているコンデンサレンズは、拡張光源をコンデンサレンズの像平面上に結像する、好ましくは十分な像面湾曲を持って光源の湾曲像を生成する。画素化パネル又はグラフィック画像を規定するフィルムが、イメージャーゲートにおいて配置される。コンデンサレンズの倍率は、光源の像が画素化パネルと本質的に同一サイズであるように選択される。イメージャーゲートをコンデンサレンズの像平面から離れて位置決めすることは、光源の領域全体にわたり輝度が任意に不均一であるぼけをもたらし、その外側形状がイメージャーゲートの形状と整合する比較的均一な照明パターンを提供する。
2009522599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサレンズの物体平面、コンデンサレンズの像平面、およびコンデンサレンズの後側焦点面を有するコンデンサレンズと、
前記コンデンサレンズの後側焦点面と前記コンデンサレンズの像平面との間に配置され、且つ前記コンデンサレンズの後側焦点面から離隔したイメージャーゲートと、
前記コンデンサレンズの物体平面付近に配置される光源とを備え、
前記コンデンサレンズは、前記光源の湾曲像を形成するようにしたプロジェクションシステム。
【請求項２】
前記イメージャーゲートが、前記コンデンサレンズの後側焦点面よりも前記コンデンサレンズの像平面により接近している、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
投射物体平面と投射像平面とを有する投射レンズをさらに含み、
前記イメージャーゲートが、前記の投射物体平面に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記イメージャーゲートが、前記コンデンサレンズの後側焦点面から離れて、且つ前記コンデンサレンズの後側焦点面と前記湾曲像との間に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記湾曲像が、前記コンデンサレンズへ向けて内側に湾曲している、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記イメージャーゲートが、前記コンデンサレンズの後側焦点面よりも前記湾曲像により接近している、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記コンデンサレンズが、ゼロでない量の球面収差を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記光源が、拡張された外側形状を有し、且つ前記外側形状を通じて光を不均一に放出する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記光源が、前記外側形状によって境界が定められた明確な発光領域および非発光領域を有し、前記発光領域が少なくとも１つのＬＥＤチップを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記明確な発光領域が、ＬＥＤチップのアレイに対応し、且つ前記外側形状が実質的に矩形である、請求項９に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記外側形状が、矩形である、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記イメージャーゲートに配置された画素化パネルをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記画素化パネルが、反射型である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記画素化パネルが、液晶オンシリコン（ＬＯＣＳ）パネルを備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
光ビームを変調する方法であって、
拡張光源を用意する工程と、
後側焦点面を有するコンデンサレンズを用いて、前記光源からの光を前記コンデンサレンズの像平面上にビーム状に集束する工程と、
前記コンデンサレンズの像平面と前記コンデンサレンズの後側焦点面との間に配置されたイメージャーゲートで前記ビームを空間的に変調することにより、画像を形成する工程とを含む方法。
【請求項１６】
前記コンデンサレンズが、光軸を規定し、前記光源からの光を集束して、前記光軸において前記像平面と一致する前記光源の湾曲像を形成するようにした請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記拡張光源が、光源外側形状を有し、且つ前記イメージャーゲートが、前記光源外側形状と合同であるイメージャー形状を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記光源外側形状及び前記イメージャー形状が、異なるアスペクト比を有する矩形であり、且つ前記コンデンサレンズが少なくとも１つのアナモルフィック要素を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記形成工程が、前記イメージャーゲートにおいて、前記ビームの個々の部分の偏光を調節可能に制御することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
投射レンズを用いて前記画像をスクリーン上に投射する工程を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクションシステム用の照明を目的とする。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクションシステムでは、光を浪費しないで矩形画素化パネルにほぼ均一な照明を提供することが望ましい。矩形部分が略円形の均一なビームの中心から使用される、ケーラー照明では、かなりな量の光が浪費される。アッベ照明では、光源に存在するいかなる不均一性も画像中に存在する。拡散器、レンズアレイ、又はトンネル形状の光導波路等の、追加のホモジェナイザー構成要素が光路に導入される場合、それらはサイズ、複雑さ、費用、及び／又はプロジェクターの効率に悪影響を及ぼすことになる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本出願は、とりわけ、コンデンサレンズ及びイメージャーゲートを備えるプロジェクションシステムを開示している。コンデンサレンズは、コンデンサレンズの物体平面、コンデンサレンズの像平面、およびコンデンサレンズの後側焦点面を有する。イメージャーゲートは、好ましくはコンデンサレンズの後側焦点面とコンデンサレンズの像平面との間に、且つコンデンサレンズの後側焦点面から離隔されて配置される。このシステムはまた、典型的にはコンデンサレンズの物体平面付近に配置される光源を備え、及びイメージャーゲートにおける光分布が、画像の中心領域において優先的にぼやかすか又は均一にすることができ、且つ画像の外周領域において余りぼやかさなくできるようにコンデンサレンズは光源の湾曲像を形成することが好ましい。これは、拡張外側形状の範囲内に互いに接近して配置された２つ以上のＬＥＤチップのグループのように、光源が拡張外側形状を有し、且つ外側形状を通じて光を不均一に放出する場合に特に有利になりうる。
【０００４】
また、光ビームを変調する方法が開示される。これらの方法の幾つかは、コンデンサレンズを使用してビームをコンデンサレンズの像平面上に集束する工程、およびコンデンサレンズの像平面とコンデンサレンズの後側焦点面との間に配置されるイメージャーゲートにおいてビームを空間的に変調することにより画像を形成する工程を含む。この形成工程は、イメージャーゲートにおいてビームの個々の部分の偏光を調節可能に制御することを含むことができる。
【０００５】
また、コンデンサレンズ及び投射レンズを備えるプロジェクションシステムが開示されている。このコンデンサレンズは、コンデンサレンズの像平面及びコンデンサレンズの後側焦点面を有する。このプロジェクションレンズは、コンデンサレンズの後側焦点面及びコンデンサレンズの像平面との間にあり、コンデンサレンズの後側焦点面から離隔したプロジェクション物体面を有する。
【０００６】
また光源、コンデンサレンズ、および反射型液晶パネルを備えるプロジェクションシステムが開示されている。コンデンサレンズの物体平面、コンデンサレンズの像平面、及びコンデンサレンズの後側焦点面を有する、コンデンサレンズは、光源がコンデンサレンズの物体平面に配置される場合、コンデンサレンズの像平面において光源の画像を形成する。この反射型液晶パネルは、コンデンサレンズの後側焦点面とコンデンサレンズの像平面との間に及び後側焦点面から離隔されて配置され、好ましくはコンデンサレンズの後側焦点面よりもコンデンサレンズの像平面により接近している。この光源は、数多くのいろいろな発光ダイオードを包含できる。このコンデンサレンズは、少なくとも１枚の無収差レンズ、少なくとも１枚のフレネルレンズ、及び少なくとも１枚のリレーレンズを包含でき、このリレーレンズは、もし所望されるならば、偏光ビームスプリッターの面上に形成されうる。
【０００７】
本出願のこれら及び他の態様は、以下の「発明を実施するための最良の形態」から明らかになるであろう。しかし、決して、上記要約は、請求された主題に関する限定として解釈されるべきでなく、主題は、手続処理の間補正することができるような、添付した特許請求の範囲によってのみ規定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
プロジェクションシステムは、テレビジョンシステム、会議室、及び劇場用にますます普及しつつあり、それらを小型化および低廉化する努力が続けられている。
【０００９】
１つのタイプのプロジェクションシステムでは、光源からの光が、コンデンサレンズにより集束され、且つ液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）パネルのような、画素化パネル上に導かれる。画素化パネルから反射される光は、次いで投射レンズにより遠位スクリーン上に結像される。この方式のプロジェクションシステムでは、画素化パネルは、スクリーン上で視認可能な画像と比較して一般的に小さく、また可能な限り少ない体積及び最も少ない数の構成要素で光源、コンデンサレンズ、画素化パネル、及び介在光学部品（投射レンズを除く）の位置を定めることが望ましいと一般的に考えられている。
【００１０】
コンデンサレンズと投射レンズとの関係は、プロジェクションシステムの性能に影響を及ぼす。図１及び２は、それぞれケーラー照明及びアッベ照明として一般に知られている、２つのこのような関係をを示している。これらの２つの関係は、プロジェクションシステムに使用される場合に、欠点を持っており、これらは以下に詳述される。図１及び２は、透過において描画されていることが特筆される；当業者は透過、反射、又はこれら２つの組み合せに使用するためのこれらのシステムにおける要素のどれにでも容易に適応できる。
【００１１】
図１及び２は、幾つかの要素を共通して持っている。ケーラー照明とアッベ照明とを区別する前にこれらを一般的な用語で記載することが有益である。両図において、コンデンサレンズ１１及び投射レンズ１７がある。閲覧者をアシストするために、コンデンサレンズに関連した要素（１１〜１６に番号を付けた）が図１及び２の下部にラベル表示されている。対照的に、投射レンズに関連した要素（１７〜１９の要素）がこれらの図の上部にラベル表示されている。以下に詳細に論述されるように、プロジェクションシステムの最適な光学的性能は、コンデンサレンズ要素（１１〜１６）を基準とした投射要素（１７〜１９）の適切な位置決めにより達成できる。
【００１２】
要素１１はコンデンサレンズである。説明を容易にするために、それは単純な、単一要素レンズとして描画されているが、閲覧者はそれが１つ以上の屈折性、反射性、及び／又は回折性の要素の組み合せとなりうることを理解するであろう。例えば、コンデンサレンズ１１は、複合レンズがいかなる球面収差も透過されたビームに付与しないことを意味する、無収差状態にある複合レンズを備えることもある。コンデンサレンズ１１はまた、フレネルレンズのような、１つ以上の微細複製構造要素を備えてもよい。フレネルレンズは、それらの相当品であるバルク光学部品よりも一般的により薄く且つより軽く、またこれらが望ましいこともある。コンデンサレンズはまた、直交横軸に沿って異なる量の倍率をコンデンサレンズに備えさせるために１つ以上のリレーレンズ、及び１つ以上のアナモルフィック要素（円筒表面のような）を包含してもよい。
【００１３】
概して少ない量の波面収差を有する投射レンズ１７とは違って、コンデンサレンズ１１は所望により球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、ディストーション（ゆがみ）、及び／又は色収差のような、かなりな量の波面収差を有することが特筆される。一般に、コンデンサレンズ１１における波面誤差は、プロジェクションシステムの総合性能の低下無しで存在することがある。
【００１４】
コンデンサレンズ１１は、単一レンズ又は屈折性、反射性、及び／又は回折性の要素のより複雑な組み合せを問わず、それと関連した３つの軸位置を有し、すべてが図１及び２において点線垂直線によって示されている。コンデンサレンズの物体平面１２及びコンデンサレンズの像平面１４があり、コンデンサレンズの物体平面１２に置かれる物体が、コンデンサレンズの像平面１４に近軸像平面を形成するように位置している。コンデンサレンズ１１において、実際のコンデンサレンズ画像を歪曲することによってそれが真の平面であることを必要としない、随意の波面収差があることが特筆される。しかしながら、これはコンデンサレンズの像平面１４の位置に影響を及ぼさない、その位置は近軸の数量である。また、コンデンサレンズの後側焦点面１３もある。３つの軸位置に付随した平面が、その性質においてすべて近軸的であり、したがって精密な平面であるが、現実の光学系では（及び特に、本明細書に開示されているもののような広角システムにおいて）非近軸の光が重要な役割を果たすことがあり、また実像、実物体、及び実焦点表面が、光軸から横断方向に離れた位置において近軸の平面表面からかなりずれている一方、光軸上のそれらの各近軸の平面表面と一致していることを閲覧者は理解するだろう。
【００１５】
光源１５は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ＬＥＤのアレイ、アークランプ、ハロゲンランプ、蛍光ランプ、レーザーダイオードの１つ以上の出力面などのような、任意の好適な光源であっても、若しくは含んでもよい。点光源が使用されてもよいが、光源１５は好ましくは有限の空間的な範囲を有する。この有限範囲は、図１及び２に模式的に示される。そこでは、光源の中心から出射する光線は実線で描画され、及び光源１５の縁部から出射する光線は点線で示される。実線及び点線の光線は、同一の方位及び円錐角で出射するとして描画されている；これは多数の光源の良い近似であり、そこでは光源の出射特性が一般に光源の空間的な位置とは無関係である。
【００１６】
まとめると、要素１１〜１６はコンデンサレンズサブシステムと関連している。
【００１７】
要素１７〜１９は、投射サブシステムを形成する。イメージャーゲート１８は、画素化パネル又は１枚のフィルムのような、結像用構造体を収納する。投射レンズ１７は、イメージャーゲート１８に保持される構造体の像をスクリーン１９上に形成する。
【００１８】
イメージャーゲート１８は、歴史的な理由でそのように名付けられている；オープンリール式（巻き返し型）映写機（プロジェクター）では、対応する構造体はフィルムゲートとして知られた。このフィルムゲートは、プロジェクターを介してフィルムがリールに巻かれたときにフィルムを保持し、フィルムの軸位置が投射レンズの物体面にあることを確実にしたが、一般にはそれ自身はスクリーン上には結像しなかった。似たように、イメージャーゲート１８は、観察者によって視認されるべきグラフィックイメージを収容する画素化パネル又は１枚のフィルムのような、対象とする物体を所定位置に保持するフレーム、基板、若しくは他の構造体である。イメージャーゲートは、任意の好適な形状及びサイズを有してよい。ＬＣＯＳパネルの場合では、イメージャーゲートの空間的な広がりはＬＣＯＳパネル上の画素化領域の空間的な広がりと同一であり、通常では光軸を中心とし且つ１６：９又は４：３のアスペクト比を有する実質矩形領域であるが、他のアスペクト比を有する矩形及び他の非円形形状もまた使用されてよい。
【００１９】
コンデンサレンズが、拡張光源１５をコンデンサレンズの像平面上に結像し、且つグラフィック画像を規定する画素化パネル又はフィルムがイメージャーゲートに配置されることが特筆される。コンデンサレンズの倍率は、光源の像が画素化パネルと本質的に同一サイズであるように選択される。これは、２つの垂直横断方向の各々において行われている。従って、コンデンサレンズがこのような横断方向に沿って同一倍率を有する場合、光源は好ましくは４：３又は１６：９のアスペクト比を有する矩形のような、イメージャーゲートの形状と合同である形状を有する。しかしながら、コンデンサレンズが、垂直横断方向に沿って異なる倍率を有して（例えば、円筒型反射又は屈折表面に原因して）アナモルフィックである場合には、光源形状は、垂直横断方向に沿った相対的倍率の関数として、イメージャーゲートのそれとは異なるアスペクト比を持つことができる。コンデンサレンズ又は光学系の中の他の場所において１つ以上のアナモルフィック要素を持つことは、光源のサイズ及び形状を画素化パネルのそれに整合させるのに有用となりうる。
【００２０】
投射レンズ１７はまた、単純な、単一要素レンズとして描かれているが、１つ以上の屈折性、反射性、及び／又は回折性の要素の組み合せであってもよい。最も一般的には、投射レンズ１７は複数の屈折性要素を有し、且つ概して波面収差に対して良好に補正されている。コンデンサレンズ１１に似て、投射レンズ１７は関連した投射物体平面及び投射像平面を有する。使用中に、イメージャーゲート１８は投射物体平面に配置され、且つスクリーン１９は投射像平面に配置される。投射レンズ１７の倍率は通常かなり大きいので、スクリーン上の画像の焦点を合わせることは、投射レンズ１７を軸方向に平行移動させ、且つイメージャーゲート１８を固定したままにすることによって達成されうる。もう一つの選択肢として、イメージャーゲート１８が平行移動できるか、或いは投射レンズ１７とイメージャーゲート１８の両方が互いに対して平行移動できる。投射レンズ１７はまた、随意のズーム能力を有してよい、これは概して所定の方法でレンズ要素の１つ以上をそれ以外を基準として軸方向に平行移動することによって実施される；これにより、焦点の有意な変化なしに倍率を変化させることが可能になる。一般に、投射レンズ１７の波面収差は、プロジェクターの全体的な焦点範囲及びズーム範囲にわたりうまく制御されるので、イメージャーゲート１８に保持される物体はスクリーン１９上に正確に再生される。
【００２１】
スクリーン１９はまた、例えば、映画館又は会議室のような、有形のスクリーンであってよい、及びプロジェクターに装着されていても或いは装着されていなくてもよい。もう一つの選択肢として、スクリーンは、空間内の定められた位置に虚像が形成される、ヘッドセット・ディスプレイのような、仮想スクリーンであってもよい。
【００２２】
まとめると、要素１７〜１９は投射サブシステムを形成する。
【００２３】
コンデンサレンズと投射サブシステムとの関係は、イメージャーゲート１８における照明の性能を決定する。より具体的には、コンデンサレンズを基準とした投射サブシステムの軸位置は照明性能を決定するのに役立つ。浪費する光の量を出来るだけ少なく抑えつつ、イメージャーゲート１８の全広がりにわたり照明を可能な限り均一にすることが通常望ましい。これらの２つの拘束条件は、図１及び２に示される２つの照明スキームに関して記載されるように、同時に満足させることが難しいことが多い。
【００２４】
図１は、ケーラー照明を使用する光学系１０を示す。ケーラー照明では、イメージャーゲート１８はコンデンサレンズの後側焦点面１３に定置される。所望により、光源１６の像は投射レンズ（図示せず）の入射瞳と一致させられる。
【００２５】
ケーラー照明の１つの望ましい特徴は、イメージャーゲート１８が本質的に均一な照明を受けることにある。フィルムゲート１８の各点が、光源１５上の本質的にあらゆる場所から光を受ける。これは、図１に示すように、光線から模式的に見ることができる、そこではイメージャーゲート１８の上部、中央、および下部が、すべて光源１５の中心部（実線）及び縁部（点線）から光を受ける。
【００２６】
ケーラー照明の１つの望ましくない特徴は、コンデンサレンズの後側焦点面１３における照明の形状が概して円形であることである。（これは、光源の各部から放出される光の円錐が本質的に円形状に対称であり、且つコンデン１１の実際の構造又は光源１５それ自身の形状とほとんど関係がないことから起こる。）画素化パネル、若しくはイメージャーゲート１８に配置される他の物体は、モニターやテレビジョン用のような、概して４：３又は１６：９のアスペクト比を有する非円形で、通常矩形である。均一照明の円形領域内に配置される中央矩形部分を規定し、且つその矩形部分を矩形イメージャーゲート１８に使用する場合、イメージャーゲートが一杯になり、且つかなりの量の光出力を浪費する、これは一部のシステムでは４０％以上になりうる。
【００２７】
図２は、アッベ照明を使用する光学系２０を示す、これはまたクリティカル照明（臨界照明）としても知られている。アッベ照明では、イメージャーゲート１８は光源１６それ自身の像に定置される。
【００２８】
アッベ照明の１つの望ましい特徴は、通常では矩形のイメージャーゲート１８が適切な形状にされた光源１５を選択することによりかなりの量の光を浪費せずに照明することができることである。例えば、イメージャーゲート１８が、特別なアスペクト比を持った矩形である場合には、同一のアスペクト比を持った矩形光源１５は、コンデンサレンズ１１の倍率が適切に選択されることを条件として、イメージャーゲート１８を一杯にしないで照明するのに使用できる。光源１６の外側形状は、イメージャーゲート１８のそれに整合するように作られてもよい、これは浪費される光出力の量を低減させる。
【００２９】
アッベ照明の１つの望ましくない特徴は、光源１５の外側形状内のどんな不均一性もスクリーン１９上の像へ直接送られることである。イメージャーゲート１８における空間的な照明パターンは、画素化パネル上に直接重ね合わせられ、これはその結果としてスクリーン１９上に正確に結像される。光源１５の一部が、他よりもより明るい場合には、イメージャーゲート１８の一部が他よりもより多くの照明を受ける、及び同様にスクリーン１９上の像の一部が他よりもより明るく見える。例えば、光源１５がＬＥＤチップ又はＬＥＤアレイである場合には、適切な外側形状を有する概して明るい放出場が、不透明なボンディングパッド、配線場所、隣接するチップ間の間隙及び／又は他のチップ機構に対応する特定の（及び概して不可避の）暗い領域を有し、次いでこの暗い領域がスクリーン１９上の投射像においてはっきりと視認できる。
【００３０】
拡散体、レンズアレイ、トンネル形状の光導波路などのような、追加のホモジェナイザーの構成要素が、イメージャーゲートにおける均一性を改良するためにイメージャーゲート１８の前の光路内に導入できるが、このような構成要素は、それらがプロジェクターサイズ、複雑さ、費用、又は効率にマイナスの影響を及ぼす程度に不利となりうる。
【００３１】
それ故に、本明細書ではコンデンサレンズサブシステムと投射サブシステムとの関係が満足される、プロジェクションシステムについて記載する。このプロジェクションシステムは、（大き過ぎる円形ビームで矩形イメージャーゲートを照明するときに起こるような）かなりな量の出力を浪費せずに、また光源とイメージャーゲートとの間の光路において追加のホモジェナイザーの構成要素を必要とせずに、ビームの実質的な均質化（即ち、イメージャーゲートの選定された非円形の外側形状を通じて照明の均一性を向上させるために光源の明るい及び暗い領域を混合すること）を可能にする。
【００３２】
図３は、かなりな量の光出力を浪費せずに照明ビームを均質化し、且つ図１及び２に示すシステム以上の光学部品を含まない光学系３０を示す。ここでは、イメージャーゲート１８は光源の像１６から離れてコンデンサレンズの後側焦点面１３へ向けて軸方向に移動される。
【００３３】
光源の像１６（又はコンデンサレンズの像平面１４）に接近して、だが分離されて、イメージャーゲート１８を配置することによって、２つの影響が発生する：（１）イメージャーゲート１８における照明の領域が光源の像１６とおおよそ同一サイズであり、且つ同一外側形状を有する、及び（２）コンデンサレンズの像平面１４においてはっきりと再生される、光源１２に存在する明るい及び暗い領域が、イメージャーゲート１８において一緒にぼけてくる。これらの影響の両方が以下に詳細に説明される。
【００３４】
まず第一に、照明される領域のサイズを定量化するために、近軸近似に基づいて、様々な軸位置におけるビームサイズの幾つかの推定値を導き出す。２Ｈｓｏｕｒｃｅの全空間的な広がり（矩形領域の長さ又は幅のような、特定の寸法に沿って）を有する光源１５、及びＭによって示されるコンデンサレンズ１１の倍率については、光源の像１６の空間的な広がりは２ＭＨｓｏｕｒｃｅである。光源１５が、対称円錐内へ放出すると想定すると、（ここに円錐は２ＮＡｓｏｕｒｃｅの全角度を有する近軸角度として表され、ここにＮＡは開口数を示す）、次いでコンデンサレンズの後に、（収束）円錐が２ＮＡｉｎｃｉｄｅｎｔ＝２ＮＡｓｏｕｒｃｅ／Ｍの全角度を有する（ここに「ｉｎｃｉｄｅｎｔ」の下付きはイメージャーゲート１８上の円錐入射を示す）。Ｘがコンデンサレンズの後側焦点面１３とコンデンサレンズの像平面１４との間の軸方向距離を示すものとすると、コンデンサレンズの後側焦点面１３における各照明ビームの空間的な広がりが（２ＮＡｉｎｃｉｄｅｎｔ）Ｘ＝（２ＮＡｓｏｕｒｃｅ／Ｍ）Ｘであることが特筆される。
【００３５】
イメージャーゲート１８における照明サイズが適切であることを確実なものにするための大まかなガイドとして、好ましくはコンデンサレンズの後側焦点面１３におけるビームの空間的な広がりを強制的に光源１６の像と同一のサイズにさせることが行われる。ここでは、両方のサイズをイメージャーゲートのサイズとおおよそ等しくすべきである。図式化すると、図３に関して、これは要素１３と１４との間の最下方の点線光線が、たとえ図３では左から右へ僅かに下がっているように描画されているとはいえ、本質的に水平であることを確実なものにする。結果として、光源１５から出射するすべての光線は、この最下方の点線光線と対応する最上方点線光線（図示せず）との間に位置するように拘束されであろう。それらの両方ともが、本質的に光軸と平行になるであろう。これの数学的処理が次のパラグラフに示される。
【００３６】
光源の像１６のフルサイズは２ＭＨｓｏｕｒｃｅである。コンデンサレンズの後側焦点面１３におけるビームのフルサイズは、（２ＮＡｓｏｕｒｃｅ／Ｍ）Ｘである。これらの数量は互いに等しいと設定され、またそれらが両方とも２Ｈｉｍａｇｅｒ ｇａｔｅ：によって示される、イメージャーゲートのフルサイズにおおよそ等しくてもよいことに注目する。
【００３７】
２ＭＨｓｏｕｒｃｅ＝（２ＮＡｓｏｕｒｃｅ／Ｍ）Ｘ          （１）
【００３８】
イメージャーゲート１８のサイズ、２Ｈｉｍａｇｅｒ ｇａｔｅが、画素化パネル（矩形ＬＣＯＳパネルのような）のサイズによって最もふさわしく決定され、ＬＥＤチップのような光源から出射するビーム発散２ＮＡｓｏｕｒｃｅが、光源の製造業者によって最もふさわしく決定され、またＸは特別な寸法又は特別な最小寸法を有するエンベロープ容積のような、設計要件によって拘束されることができるので、コンデンサレンズの倍率Ｍ及び光源２Ｈｓｏｕｒｃｅ：のサイズについて解が求まる。
【００３９】
Ｍ＝ＮＡｓｏｕｒｃｅＸ／Ｈｉｍａｇｅｒ ｇａｔｅ            （２）
【００４０】
Ｈｓｏｕｒｃｅ＝Ｈｉｍａｇｅｒ ｇａｔｅ／Ｍ                （３）
【００４１】
前項の数学的解析は単に例示的であり、且つ、いかなる光学系の確定的な要件ではなく、推定のための大雑把な手引きとして意図されていることが特筆される。光学系３０は、たとえ上記の式又は条件が満足されなくても適切に機能することができる。引用されるどんな空間的な広がりも、最短寸法、最長寸法、対角線寸法、若しくは任意の他の好適な寸法を含む、任意の特別な横方向寸法に沿って測定されてよい。加えて、上記の解析は光源１５及びイメージャーゲート１８が矩形というよりもむしろ円形であると想定している；現実には、矩形光源については、ビームプロファイルはコンデンサレンズの後側焦点面１３における円形から、コンデンサレンズの像平面１４における矩形まで変貌する。
【００４２】
光源からの放出が非対称であるならば、ケーラー照明エリアもまた典型的には非対称であることが特筆される。場合によっては、ケーラー照明の長軸または短軸を矩形画素化パネルの長辺及び短辺の寸法と合わせるのが望ましいことがある。所望により、ビームのアスペクト比を変化させ、好ましくは照明エリアサイズ及び形状を画素化パネルのそれに整合させ、よって画素化パネルがオーバーフィルにもアンダーフィルにもされないことを確実にするために追加のアナモルフィック光学素子が使用されてもよい。代表的なアナモルフィック要素としては、１枚以上のシリンドリカルレンズが挙げられる。これは直交寸法ではないが、１つの特定の寸法に沿ったビームコリメーションに影響を及ぼす。シリンドリカルレンズは、対で使用されてもよいし、若しくは単独で使用されてもよい。更なる例は、直交する次元に沿ってではなく、一次元に沿ってビームを圧縮又は拡大できる、アナモルフィックプリズムである。アナモルフィックプリズムは、単独で使用されてもよいし、若しくは対で使用されてもよい。これらの随意のアナモルフィック光学素子のどれでもが、光源と画素化パネルとの間の光路内のどこにでも配置されてもよい。更に、この随意のアナモルフィック要素は、シリンドリカルのレンズ又はプリズムのような、別個の光学部品であってもよい、若しくは光路に沿って１つ以上の既存の構成要素に組み込まれてもよい。
【００４３】
上記に引用される第２の影響は、光源１２に存在する明るい及び暗い領域がイメージャーゲート１８において一緒にぼけてくることである。このぼけ効果は、ピントはずれに見られるぼけとよく似ている。これを、予想されるピントはずれ効果とともに、光源の像からの「後方への伝播（propagating backwards）」と考えてもよい。この場合に、イメージャーゲート１８は、光源の像１６から軸方向に分離され、光源１５に存在する明るい及び暗い領域を適切に混合するのに十分大きい分離である。実像は、システムにおいて実際に形成される必要がないことが特筆される；画素化パネルが光源と光源の像との間に配置されてよいので、光軸に沿って伝播する光は実像を形成する前に画素化パネルと相互作用する。光源のこの像１６は虚像と見なしてもよい。
【００４４】
図３では、コンデンサレンズ１１は本質的にフラットフィールド、又は本質的にゼロの像面湾曲を有する。換言すれば、平面物体の像はまた平面的である。したがって、光源１６の像は本質的にフラットであり、且つイメージャーゲート１８に対する「伝播する過去」における焦点外れ効果は、イメージャーゲートのエリアにわたり実質均一であり、照明パターンの中心部及び縁部において等しく影響を及ぼす。
【００４５】
場合によっては、照明パターン幾つかの部分を他の部分よりも多くぼけさせることが望ましいことがある。例えば、照明パターンの縁部が依然としてある程度の鮮明度を有するように、照明領域の中心においてたくさんのぼけ及び縁部においてより少ないぼけを欲することがある。これは光学系４０において可能である。コンデンサレンズ４１は、かなりの量の像面湾曲を有し、フィールドの縁部がコンデンサレンズ４１に向けて内側に曲げられる。もう一つの選択肢として、このフィールドの縁部が、コンデンサレンズ４１から離れて曲がってもよい。コンデンサレンズ４１はまた、コンデンサレンズの物体平面４２、コンデンサレンズの後側焦点面４３、およびコンデンサレンズの像平面４４を有する。コンデンサレンズの物体平面４２に定置される光源４５は、今や湾曲像４６を形成し、その中心がコンデンサレンズの像平面４４において光軸に交差する。
【００４６】
イメージャーゲート１８は、光源４６の像から軸方向に分離される。イメージャーゲート１８の中心において、縁部におけるよりも光源の像４６から離れてより多くの軸方向の平行移動があり、縁部におけるよりも中心部においてより多くの焦点偏差誘起ぼけを招く。
【００４７】
光学系４０における様々な結像された観察面において照明ビームを想定することによって高い像面湾曲の影響が理解されるであろう。
【００４８】
コンデンサレンズの像平面４４において、照明ビームは、はっきりと結像されたビームの中央部分及び像面湾曲によってぼけた縁部を有する、光源４５に似ている。この平面において、ビームの中央部分は、どんなぼけも無しで光源の明るい及び暗い領域を示す。
【００４９】
コンデンサレンズ４１に向けて軸方向に僅かに移動する時、はっきりと結像したビームの中央から離れて特別なリングが存在し、この特別なリングの内部及び外部の両方にぼけが増加することが分かる。このリングは、観察面が光源４６の湾曲像に交差する点の軌跡に対応する。このリングに沿って、光源の明るい及び暗い領域が、どんなぼけも無しではっきりと結像される。
【００５０】
コンデンサレンズ４１に向けて軸方向にさらに移動すると、このはっきりと結像されたリングが光学軸から離れて外側へ移動して、このはっきりと結像したリングの内部及び外部の両方にぼけが増加することが分かる。
【００５１】
観察面をちょうど光源の湾曲像４６の最外側部分に交差するまでコンデンサレンズ４１に向けて軸方向に移動し続けるならば、照明パターンの最外側縁部が光源４５の明るい及び暗い細部を示し、照明パターンの内部にぼけが増えることが分かる。多くの場合に照明パターンに対してシャープな縁部を有することが望ましいとはいえ、照明パターンの縁部においてはっきりと結像した光源の明るい及び暗い領域を有するのが望ましくないことが多い。しかしながら、像面湾曲の量及びシステム要件に依存して、このような照明パターンは幾つかの実施形態において許容可能でありうる。
【００５２】
最後に、観察面を、光源の像４６の湾曲縁部を越えて、コンデンサレンズ４１に向けて更に遠くに軸方向に移動させた場合、明るいパッチと暗いパッチとの間のコントラストを低減するのに十分であるが、照明パターンの縁部又は外周部が依然として比較的うまく輪郭が定められているほど十分に小さい、照明パターンに対して僅かにぼけた縁部が見られる。この縁部は、作動中にイメージャーゲート１８の縁部と重ね合わせられてよい。照明パターンの内部においては、ぼけの影響が縁部におけるより一層大であり、またイメージャーゲート１８における照明パターンが対応する焦点外れの影響によってかなりうまく均質化される。
【００５３】
図１〜４では、コンデンサレンズ１１及び４１は容易に検出可能な球面収差を持たないとして描画されている。所望により、コンデンサレンズはかなりの量の球面収差を持たせてもよい、これは像面湾曲のそれと類似の方法で望ましいぼけ効果を増すことができる。好ましくは、コンデンサレンズ４１は多量の負の球面収差（照明ビームの縁部における光線は、ビームの中心付近の光線よりもむしろコンデンサレンズから遠くへ離れて光軸を横断することを意味する）を有してもよい。もう一つの選択肢として、コンデンサレンズ４１は多量の正の球面収差を有しても良く、若しくは無しを含む、任意の好適な量の球面収差を有してよい。
【００５４】
図５は、光学系５０の例示的な一実施形態を示す。そこには画素化パネルが図４でのそれと同様に配置されているが、反射に使用されている。図５の実施形態は、単に一例であるに過ぎず、且ついずれにしても制約的であることを意図していない。光路内の各構成要素について以下に一層詳細に説明する。
【００５５】
光源５１はＬＥＤアレイである、これは好ましくは４：３又は１６：９のような、画素化パネルのそれに整合するアスペクト比を有する概して矩形の外側形状を有する。もう一つの選択肢として、このＬＥＤアレイは画素化パネルのそれとは異なるアスペクト比を有することができ、またアナモルフィック光学部品（前述した）を照明ビームを形成するために使用し、画素化パネルのサイズに整合させることができる。このＬＥＤアレイは、ワイヤ又は電気結線、若しくはチップと他の支持体要素との間の間隙のような、非発光構造体に対応する暗い領域とともに、発光の明るい領域を有してもよい典型的なＬＥＤアレイは、約２０ルーメンの光束を発光してもよいが、任意の好適な値が使用されてもよい。このようなアレイは、約１ワットの電力を消費してもよい、これは匹敵するアークランプに要求される電力よりも遥かに小さい。一部のＬＥＤアレイによってはかなり狭い波長レンジで発光することが特筆される。例えば、ＬＥＤアレイはスペクトルの青色領域で発光できるので、人間の眼で見たとき、その全波長レンジは本質的に青色であるように見える。もう一つの選択肢として、ＬＥＤアレイは赤色で、緑色で、若しくはスペクトル中のその他の好適な部分で発光してよい。幾つかの実施形態では、白色発光ＬＥＤ（燐光体、又は異なる色を発光する複数のチップを収容する）が使用されてもよい。
【００５６】
光源５１からの光は、多要素コンデンサレンズにより集束される。そのコンデンサレンズは、図５ではまとめて要素５３〜６７である。これらの一つひとつについて以下に説明する。このコンデンサレンズは単に代表的であり、また１つ以上の屈折性、反射性、及び／又は回折性の要素を有する、任意の好適なコンデンサレンズが使用されてもよい。
【００５７】
光源からの光は、コンパウンド・エンキャプシュラント・レンズ（compound encapsulant lens）に入射する。このレンズは図のように、内側レンズ５３及び外側レンズ５５を互いに密着させて二重レンズにすることができる。光源がワイヤボンド（複数）に接続されたＬＥＤチップアレイである場合、内側レンズ５３は好ましくはＬＥＤチップアレイ及びワイヤボンド（複数）を実質的に平凸空間内に包含する。ここで空間の体積及びしたがってレンズの体積を最小に抑えるように凸面の曲率半径及び軸位置は選定される。このようなレンズ５３は、液体又はゲル、若しくは硬化ポリマー材料から成ってよく、また約１．５の屈折率を有してよい。外側レンズ５５は、好ましくは比較的高い屈折率の材料、例えば、屈折率が約２以上であるガラスより成る。レンズ５５はまた、好ましくはメニスカス形状を有する。その外側表面は、光源の横方向最端縁部における縁部又は横方向縁部と光軸との間の中間部分のような、少なくとも光源の指定部分に対して、実質的に無収差となるように、即ち、球面収差又はコマ収差がほとんどないくらい又はゼロに、設計することができる。レンズ５５の内側表面は、内側レンズ５３の外側表面とはめ合う。エンキャプシュラント・レンズについては、２００６年１２月３０日出願の「コンパウンド・エンキャプシュラント・レンズを備えるＬＥＤ」と題する（代理人整理番号第６１６７７ＵＳ００２号）、共通に譲渡された米国特許出願第１１／３２２８０１号により詳細に記載されている。
【００５８】
エンキャプシュラント・レンズに続くのは、一対のフレネルレンズ５７である。第１のフレネルレンズは、ビームを実質的にコリメート（視準）させるように選定されてよい。第２のフレネルレンズの入射面は、その上に１つの偏光を透過し及び他の偏光を反射させる反射型偏光子のような、偏光性のフィルム又は要素を有してもよい。代表的な反射型偏光子としては、米国特許第５，８８２，７７４号（ジョンザ（Jonza）ら）に論述される共押出多層フィルム及びコレステリック反射型偏光子が挙げられる。共押出多層偏光フィルムの代表的な製造方法は、米国特許第６，９１６，４４０号（ジャクソン（Jackson）ら）、同第６，９３９，４９９号（メリル（Merrill）ら）、同第６，９４９，２１２号（メリル（Merrill）ら）、及び同第６，９３６，２０９号（ジャクソン（Jackson）ら）に開示されている。更に代表的な反射型偏光子としては、ミネソタ州、セントポールのスリーエム・カンパニー（3M Company）から入手可能であるビキュイティ（Vikuiti）（商標）デュアル輝度向上フィルム（ＤＢＥＦ）が挙げられる。偏光子を第２のフレネルレンズに組み込むか、ないしは別の方法で偏光子をフレネルレンズ間に又は光源に接近した別の位置に実装することは、システム内の下流で偏光光ビームを光学要素に提供し、これは以下に詳細に説明するように有用となりうる。この第２のフレネルレンズは、ビームを収束させる。コンパウンド・エンキャプシュラント・レンズの倍率が、十分に高いならば、第２のフレネルレンズは省くことができる。代表的なフレネルレンズ対は２００５年１２月３０日に出願された「フレネルレンズ組合せ」（代理人整理番号第６１１１８ＵＳ００２号）と題する共通に譲渡された米国特許出願第１１／３２２９８１号に記載されている。
【００５９】
ビームが次いで、時にはＸ−キューブカラーコンバイナーとも呼ばれるビーム・スプリッティング・カラーコンバイナー５９に入射する。ここで、特定の寸法における両方の斜辺は、１つの波長バンドを反射することができ、且つもう１つの波長バンドを透過できる感色性コーティングを有する。このコーティングは通常ではｓ偏光光に対して最適化される。（このカラーコンバイナーは、図５に模式的に示され、したがって、斜辺は示されない）。説明を簡単にするために１つのみのカラーチャネルしか図５に示されていないが、フルカラー・プロジェクションシステムにあっては、光学系５０は、光源５１が所与のチャネルに対してそれぞれ赤色、緑色、又は青色光を発光することを除いてカラーチャネル毎に要素５１、５３、５５、５７を複製する、２つの追加のカラーチャネルを有することを、閲覧者は理解するであろう。その結果得られる３つのカラーチャネルは、各アームがそれ自身の光源及びレンズ構成要素を有する、赤色アーム、緑色アーム、及び青色アームを形成し、カラーコンバイナー５９の異なる側面へ結合する。カラーコンバイナーからの出力は、重ね合わされた３つのすべてのアームからの光を有し、且つすべての３つの波長帯域は、同一光路（カラーコンバイナーの下流）に沿って画素化パネルを照明する。カラーコンバイナー５９は緑色波長を透過する一方、青色及び赤色を反射するのが好ましいけれども、他の好適な構成が使用されてもよい。
【００６０】
カラーコンバイナーに続いて偏光ビームスプリッター６１があり、これはその斜辺（図示せず）に沿って広帯域の偏光感受性コーティング又は要素を有する。この斜辺は１つの偏光状態を透過する一方、直交の偏光状態を反射する。偏光ビームスプリッター６１は、平坦な外側面を有することができるか又は、図示のように、その外側面に一体型焦点合わせ要素を備えることができる。図５では、負レンズが入射面６３上に形成され、且つビームスプリッターの出射面６５上に正レンズが形成される。これらの一体型レンズは、必要であれば、球面でも若しくは非球面でもよく、またそれらは別途に製造されたレンズで置き換えられ、次いでビームスプリッターの平坦な外側面に取り付けられてもよい。レンズ６３、６５は、リレー・レンズであると見なされる。代表的な偏光ビームスプリッターは、２００５年７月２９日出願の「偏光ビームスプリッターの製造方法（Method For Making Polarizing Beam Splitters）」（代理人整理番号第６１０１４ＵＳ００２）と題された同一出願人による米国公開特許出願第１１／１９２，６８１号に開示されている。一体型レンズはまたカラーコンバイナー５９上で使用できることが特筆される。
【００６１】
赤色、緑色、又は青色チャネルからの偏光光は、ビームスプリッター６１の斜辺を通過して画素化パネル６９に入射する。すると直ぐに、直交偏光状態でパネルから反射される光が斜辺を離れて反射し、且つ偏光ビームスプリッター６１の側面（図５における底面のような）を出射して、投射レンズを通って透過され、且つスクリーン上に投射される。
【００６２】
要素６７は、画素化パネル６９用のカバープレートである。これは好ましくはＬＣＯＳパネルである。画素化パネル６９の活性領域は、典型的には矩形であり、イメージャーゲート（個別には図示せず）と一致する。ＬＣＯＳパネルは、反射で作動し、またピクセル（画素）ごとの方式で、駆動電気信号に応じて反射ビームの偏光平面を回転させる。特定のピクセルが低い輝度を有する場合には、偏光の平面は少しの量だけ回転される。ピクセルが高い輝度を有する場合には、偏光の平面は９０度近く回転される。ＬＣＯＳは、すべての３つの波長を同時に作動させてよい、又は特定のフレーム（フィールド順次式又は色順次方式）ごとに複数の色を１回循環させてよい。例えば、（１／６０）秒のフルサイクルタイムを有する、６０Ｈｚのリフレッシュレートにあっては、１つの可能なサイクリングスキームは、赤色ＬＥＤ（緑色及び青色ＬＥＤを消灯させつつ）だけを（１／１８０）秒間通電させ、次いで緑色ＬＥＤだけを（１／１８０）秒間通電させ、次いで青色ＬＥＤだけを（１／１８０）秒間通電させる。これは単に例に過ぎない、及び他のサイクリング方式が所望に応じて使用されてもよい。
【００６３】
図５の実施形態では、光源５１と画素化パネル６９との間のすべての要素がコンデンサレンズと見なしてよい。これらの要素の集合は、コンデンサレンズの物体平面（光源５１と一致する）、コンデンサレンズの像平面（図５には示されていないが、通常パネル６９の右側に配置される）及びコンデンサレンズの後側焦点面（これもまた図５に示されていないが、通常パネル６９の左側に配置される）を規定する。前述したように、画素化パネル６９は、好ましくは、コンデンサレンズの後側焦点面とコンデンサレンズの像平面との間に配置される。
【００６４】
平面の場所に関しては、図１〜４には扱われていないで図５に示される特殊なケースがある。ＬＣＯＳパネルは、概して垂直入射付近である、限られたレンジの入射角に対して最も効率的に作動する。その結果、パネル６９に入射する光は、入射角のレンジが光源５１の有限な空間的な広がりからおおかた生じるように、好ましくは名目上コリメート（視準）されるべきである。コンデンサレンズが光源５１とパネル６９との間のすべての要素を含み、且つこのコンデンサレンズの出力が本質的にコリメート（視準）されると考えるならば、光源（及びしたがってコンデンサレンズの物体平面）は本質的にコンデンサレンズの前面焦点面に配置され、またコンデンサレンズの像平面が本質的に無限遠方に位置づけられる。このケースについては、パネル６９がコンデンサレンズの後側焦点面（パネル６９の左へ）と遠方のコンデンサレンズの像平面（パネル６９の右へ）との間に配置されるように、コンデンサレンズの像平面が図５の右側遠方に位置づけられると想定する。
【００６５】
もう一つの特殊ケースでは、コンデンサレンズは集束光（図１〜４のような）又はコリメート（視準）された光（図５のような）ではなく、むしろ発散光が画素化パネルに当たるように設計される。このケースにあっては、コンデンサレンズの像平面はコンデンサレンズの後側焦点面の左に（図１〜５の左から右への慣例を用いて）配置されてよく、またイメージャーゲートはこれらの２つの平面間で、且つコンデンサレンズの後側焦点面よりもコンデンサレンズの像平面により接近して配置される。
【００６６】
図６は、図の左手側に幾つかの可能な光源配置を示している。各々は、ワイヤボンド、ＬＥＤチップ間の間隙、又は他の構造体により生じる暗い領域を有した発光領域を示している。図の右側の矩形領域は、前述の光学系によって達成されるイメージャーゲートにおける均一な照明を表している。
【００６７】
本明細書に述べる本発明及びその用途の記載は、例証となるものであり、本発明の適用範囲を制限することを意図するものではない。本明細書に開示される実施形態の変形及び修正は可能であり、実施形態の種々の要素の実際的な代替物及び等価物は当業者がこの特許文献を検討すれば直ぐに当業者に理解されるであろう。本明細書に開示される実施形態のこれら及びその他の変形、ならびに実施形態の修正は、本発明の適用範囲及び精神を逸脱せずになされてよい。
【００６８】
図中、類似の参照数字は類似の要素を指定する。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】ケーラー照明システムの概略図。
【図２】アッベ照明システムの概略図。
【図３】本質的に像面湾曲のない照明システムの概略図。
【図４】かなりな量の像面湾曲を有する照明システムの概略図。
【図５】照明システムの一実施形態の平面図。
【図６】不均一拡張光源の均一照射ビームへの変換を示す概略図。
【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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【国際調査報告】
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