(57)【要約】  光学システム及び該光学システムを組み込んだ投射システムを開示する。光学システムは光を放射可能な光源を備える。放射光は、１つ以上の実質的にコリメートされた別個の光ビームを含む。光学システムは、放射光を受光して透過するためのレンズレットアレイを更に含む。放射光中の各別個の光ビームが、レンズレットアレイ内の複数のレンズレットの少なくとも一部をカバーする、レンズレットアレイにおける強度半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する。光学システムは、光学素子の入射面からの透過光を受光する光学素子を更に有する。光学素子は、受光した光を均質化し、均質化された光を光学素子の出射面から出射する。
2009518812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の実質的にコリメートされた別個の光ビームを含む光を放射可能な光源と、
前記放射光を受光し透過させるレンズレットアレイであって、前記放射光中の各別個の光ビームが、前記レンズレットアレイ内の複数のレンズレットの少なくとも一部をカバーする、前記レンズレットアレイにおける強度半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するようにしたレンズレットアレイと、
入射面からの前記透過光を受光し、前記受光光を均質化し、前記均質化された光を出射面から出射する光学素子と、を備える光学システム。
【請求項２】
前記光源が、レーザ光源を含む請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
実質的にコリメートされた別個の光線のそれぞれの拡がり半角が、２°よりも小さい請求項１に記載の光学システム。
【請求項４】
実質的にコリメートされた別個の光線のそれぞれの拡がり半角が、１°よりも小さい請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
前記光源が、１列以上の別個の光源を含む請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
前記光源が、２次元アレイの別個の光源を含む請求項１に記載の光学システム。
【請求項７】
前記光源が、３次元アレイの別個の光源を含む請求項１に記載の光学システム。
【請求項８】
前記別個の光線のそれぞれの前記レンズレットアレイにおけるＦＷＨＭが、４個のレンズレットの少なくとも一部をカバーする請求項１に記載の光学システム。
【請求項９】
前記別個の光線のそれぞれの前記レンズレットアレイにおけるＦＷＨＭが、７個のレンズレットの少なくとも一部をカバーする請求項１に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記別個の光線のそれぞれの前記レンズレットアレイにおけるＦＷＨＭが、９個のレンズレットの少なくとも一部をカバーする請求項１に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記レンズレットアレイ内のレンズレットの少なくとも幾つかの焦点が、同一平面上に存在しない請求項１に記載の光学システム。
【請求項１２】
前記レンズレットアレイ内の少なくとも２個のレンズレットが、異なる光学パワーを有する請求項１に記載の光学システム。
【請求項１３】
光学システムは光軸を有し、前記レンズレットアレイを前記光軸に対して垂直方向に、前記レンズレットアレイ内のレンズレットの外径の１／２だけ変位させた場合、前記均質化された光の均一性の変化が５％未満である請求項１に記載の光学システム。
【請求項１４】
各レンズレットが、六角形である請求項１に記載の光学システム。
【請求項１５】
各レンズレットが、正方形である請求項１に記載の光学システム。
【請求項１６】
各レンズレットが、長方形である請求項１に記載の光学システム。
【請求項１７】
前記レンズレットアレイ内の前記レンズレットが、密に配列されている請求項１に記載の光学システム。
【請求項１８】
前記レンズレットアレイが、前記光学素子の一体部分である請求項１に記載の光学システム。
【請求項１９】
前記光学素子が、前記受光光を全反射によって均質化する請求項１に記載の光学システム。
【請求項２０】
前記光学素子が、テーパー状に形成されている請求項１に記載の光学システム。
【請求項２１】
前記光学素子の前記入射面及び出射面の少なくとも一方が、長方形である請求項１に記載の光学システム。
【請求項２２】
前記光学素子の前記入射面及び出射面の少なくとも一方が、正方形である請求項１に記載の光学システム。
【請求項２３】
前記光学素子の前記入射面及び出射面の少なくとも一方が、台形である請求項１に記載の光学システム。
【請求項２４】
請求項１に記載の光学システムを有する投射システム。
【請求項２５】
実質的にコリメートされた光ビームを放射可能な１つ以上の光源と、
実質的にコリメートされた各光ビームを受光し拡大するためのレンズレットアレイと、
前記レンズレットアレイによって拡大された光を均質化するための光学ホモジナイザとを備え、
レンズレットの外径に対する、放射され、実質的にコリメートされた各光ビームの前記レンズレットアレイにおける強度半値全幅（ＦＷＨＭ）の比が、少なくとも１．０５である光学システム。
【請求項２６】
前記比が、少なくとも１．１０である請求項２５に記載の光学システム。
【請求項２７】
前記比が、少なくとも１．１５である請求項２５に記載の光学システム。
【請求項２８】
前記レンズレットアレイ内の前記レンズレットが、密に配列されている請求項２５に記載の光学システム。
【請求項２９】
前記１つ以上の光源の少なくとも１つが、レーザ光源である請求項２５に記載の光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は全体的には照射システムに関し、特に１つ以上のコリメート光源を用いた照射システムに適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
照射システムには通常、光源、及び光源から所望の目標に光を伝播するための照射光学系が含まれる。照射システムは、投射型ディスプレイや液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のバックライトなどの様々な用途に使用されている。照射システムに用いられる光源としては例えば、水銀灯などのアーク灯、白熱灯、蛍光灯、発光ダイオード、レーザなどが挙げられる。
【０００３】
投射システムには通常、画像を生成するための能動型ライトバルブ、ライトバルブを照射するための照射システム、及び通常、投射スクリーン上に画像を投射、表示するための光学系が含まれる。投射システムにおける照射システムでは、通常、アーク灯などの１つ以上の白色光源が用いられている。こうした照射システムの照射光学系では、白色光を赤、緑及び青といった異なる色に分離するための手段が用いられている場合もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ライトバルブは均一に照射されることが望ましい場合が多い。そのため照射システムでは光源から放射される光を均質化するためのホモジナイザが通常用いられている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、全体的には照射システムに関する。本発明は、更に投射システムで用いられる照射システムに関する。
【０００６】
本発明の一実施形態では、光学システムは光を放射可能な光源を有する。放射光は、１つ以上の実質的にコリメートされた別個の光線を含む。光学システムは、更に放射光を受光して伝播するためのレンズレットアレイを含む。放射光中の各別個の光ビームは、レンズレットアレイ内の複数のレンズレットの少なくとも一部分をカバーする、レンズレットアレイにおける強度半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する。光学システムは、更に光学素子を含む。光学素子は、光学素子の入射面から透過光を受光する。光学素子は、更に受光光を均質化し、均質化された光を光学素子の出射面から出射する。
【０００７】
本発明の別の実施形態では、光学システムは１つ以上の光源を有する。各光源は、実質的にコリメートされた別個の光ビームを放射可能である。光学システムは、更にレンズレットアレイを含む。レンズレットアレイは、１つ以上の光源から放射される光を受光して拡大する。光学システムは、更に光学ホモジナイザを含む。ホモジナイザは、レンズレットアレイによって拡大された光を均質化する。レンズレットの外径に対する、放射され、コリメートされた各光ビームのレンズレットアレイにおける強度半値全幅（ＦＷＨＭ）の比は、少なくとも１．０５である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、全体的には照射システムに関する。本発明は、照射システム及びライトバルブを有する投射システムにも適用することが可能であり、ライトバルブを高強度の光で均一に照射することが望ましい場合に適用される。本発明は、レーザ光源などのコリメートされた光源を放射可能な光源を１つ以上有する照射ならびに投射システムに特に適用可能である。
【０００９】
本明細書において複数の図面で用いられる同じ参照符号は、同一又は同様の性質及び機能を有する同一又は同様の要素を指す。
【００１０】
レーザ光源は、照射及び投射システムにおいて従来から用いられてきた。例えば、米国特許出願公開公報第２００５／００５７７２７号は、コリメートされた可視レーザ光源によって画像形成用液晶ライトバルブを走査することによってライトバルブを照射するレーザ投射システムを開示している。近年では、小型で高出力の半導体レーザが開示されている。例えば、米国特許第６，２４３，４０７号には、数十ワットの出力を発生させることが可能な垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が開示されている。投射システムにおいて高出力レーザ光源を用いることにより投射画像の輝度及びコントラストを向上させることが可能である。
【００１１】
本発明は、１つ以上のコリメートされた光源を有する照射及び投射システムを開示する。こうした光源としては、例えば、レーザ光源を使用することができる。米国特許第５，９２３，４７５号に開示されるような、レーザ光源を用いた公知の照射システムには、１つ以上のレンズレットアレイがしばしば組み込まれており、照射システム内の各レンズレットアレイにおいて各レーザ光源が専用レンズレットを有する。こうした照射システムでは、各レーザ光源と対応するレンズレットとの正確なアラインメントが必要とされる。これは小さな位置ずれであっても照射の均一性や光の角度分布に大きく影響するためである。本発明の利点の１つは、コリメートされた光源によって均一な照射が可能となることにより、個々のコリメートされた光源と照射システム内の他の構成要素とを正確にアラインメントする必要がほとんどあるいはまったくない点である。この利点によって、例えば、照射または投射システムにおいてより寸法精度の低い、したがってより安価な構成要素を使用することが可能となる。この利点によれば更に、照射または投射システムにおいて光源などの光学要素を正確に位置決めする必要がなくなるかもしくは低減する。
【００１２】
本発明の別の利点は、照射システムの出力の角強度分布、すなわち出力の遠視野強度分布が照射システムの個々のコリメートされた光源と他の構成要素との正確なアラインメントによって影響されにくい点である。この利点により、レンズや開口絞りといった小型の構成要素の使用が可能となることから、コストならびに照射システムの全体の設置面積を小さくすることが可能となる。
【００１３】
本発明は更に、例えば照射または投射システムにおいてレーザ光源などのコヒーレントな光源が１つ以上用いられている場合に発生するスペックル（スペックルノイズ）を低減または防止するための手段を開示する。スペックルは通常干渉パターンであり、コヒーレントな画像形成における特徴の１つである。スペックルは、画像品質を劣化させることから照射または投射システムにおいてはスペックルを低減させることがしばしば望ましい。
【００１４】
図１ａは、本発明の一実施形態に基づく照射システム１００の概略側面図である。照射システム１００は、光軸１９０にセンターをとってあり、光源アセンブリ１１０と、レンズ１２０と、光学ホモジナイザ１３０と、光学伝播システム１４０と、光変調器１５０とを含んでいる。光源アセンブリ１１０は、それぞれが実質的にコリメートされた光ビーム、例えば、コリメート光ビーム１１１Ａ及び１１１Ｂを放射する、光源１１０Ａ及び１１０Ｂのような１つ以上の光源を有する。放射され、実質的にコリメートされた各光ビームは、拡がり半角を有する。例えば、コリメート光ビーム１１１Ａは、拡がり半角αを有し、コリメート光ビーム１１１Ｂは、拡がり半角βを有する。各光ビームは、異なる方向に沿って異なる拡がり半角を有し得る。例えば、光ビーム１１１Ａは、Ｚ軸に沿って伝播し、Ｘ−Ｚ平面内で拡がり半角αを有しているが、例えば、Ｙ−Ｚ平面内では異なる拡がり半角を有し得る。本発明の一実施形態では、放射され、コリメートされた各光ビームの最大の拡がり半角は、２°よりも小さく、好ましくは１．５°よりも小さく、より好ましくは１．０°よりも小さい。特定の用途においては、放射され、コリメートされた各光ビームの最大の拡がり半角は、０．７５°よりも小さく、好ましくは０．５°よりも小さい。
【００１５】
光源アセンブリ１１０は、単一の光源を有していてもよい。用途によっては、光源アセンブリ１１０は、例えば、１つ以上の列または特定用途において望ましい任意のパターンに配列された複数の別個の光源を有してもよい。光源アセンブリ１１０は、同一平面内に配された複数の別個の光源を有してもよい。用途によっては、光源アセンブリ１１０は、例えば球形、楕円形、放物線形、双曲線形、平面または他の任意の適当な表面上に配された別個の光源からなる立体的なアレイを有してもよい。
【００１６】
光源１１０Ａは、レーザ光源などの実質的にコリメートされた光を放射可能な光源であれば特に限定されない。
【００１７】
放射され、実質的にコリメートされた各光ビームは、伝播方向に対して垂直な方向において強度プロファイルを有する。例えば、コリメート光ビーム１１１Ａは、Ｚ軸方向に伝播し、Ｘ−Ｙ平面内に２次元強度プロファイルを有する。この強度特性は、Ｘ−Ｙ平面内の異なる方向で異なり得る。例えば、コリメート光ビーム１１１Ａは、Ｘ−Ｙ平面内のＸ方向に沿って、Ｙ方向の強度特性とは異なる強度プロファイル１１２を有し得る。強度プロファイル１１２は、ピーク強度１１３及び強度半値全幅（ＦＷＨＭ）１１４を有する。
【００１８】
レンズ１２０は、第１の表面１２１と、第２の表面１２２と、呼び厚さｔとを有する。ただし、ｔは、例えば、表面１２１と１２２の間の平均距離である。第１の表面１２１は、レンズレット１２３Ａのような複数のレンズレットを含むレンズレットアレイ１２３を有する。複数のレンズレットは、すべてが正レンズレットであるか、すべてが負レンズレットであるか、あるいは正レンズレットと負レンズレットとの組み合わせである。本発明の一実施形態によれば、レンズレットアレイにおける放射され、コリメートされた各光ビームの強度半値全幅ＦＷＨＭは、複数のレンズレットの少なくとも一部分をカバーする。例えば、コリメート光ビーム１１１Ａの強度半値全幅ＦＷＨＭ１１４は、５個のレンズレットの少なくとも一部分をカバーしている。レンズレットアレイ１２３の各レンズレットは、各レンズレットによって包含され得る最大の円の直径に等しい内径を有する。同様に、レンズレットアレイ１２３の各レンズレットは、各レンズレットを包含し得る最小の円の直径に等しい外径を有する。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、レンズレットアレイ内の任意のレンズレットの外径に対する、放射され、コリメートされた光ビームのレンズレットアレイ１２３における強度半値全幅ＦＷＨＭの比は、好ましくは０．９４以上、より好ましくは０．９７以上、更に好ましくは１．０以上である。特定の用途においてはレンズレットアレイ内の任意のレンズレットの外径に対する、放射され、コリメートされた光ビームのレンズレットアレイ１２３における強度半値幅ＦＷＨＭの比は、好ましくは１．０５以上、より好ましくは１．１０以上、更に好ましくは１．１５以上である。
【００２０】
本発明の別の実施形態によれば、レンズレットアレイ内の全レンズレットのうちの最大の有限外径に対する、放射され、コリメートされた全光ビームのうちのレンズレットアレイ１２３における最小の強度半値幅ＦＷＨＭの比は、好ましくは０．９４以上、より好ましくは０．９７以上、更に好ましくは１．０以上である。用途によっては、レンズレットアレイ内の全レンズレットの内の最大の有限外径に対する、放射され、コリメートされた全光ビームのうちのレンズレットアレイ１２３における最小の強度半値幅ＦＷＨＭの比は、好ましくは１．０５以上、より好ましくは１．１０以上、更に好ましくは１．１５以上である。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、任意の放射され、コリメートされた光ビームは、少なくともレンズレット４個の一部を、好ましくは少なくともレンズレット７個の一部を、より好ましくは少なくともレンズレット９個の一部をカバーする。本発明の別の実施形態によれば、放射され、コリメートされた各光ビームは、少なくともレンズレット４個の一部を、好ましくは少なくともレンズレット７個の一部を、より好ましくは少なくともレンズレット９個の一部をカバーする。放射され、コリメートされた各光ビームが、レンズレットアレイ１２３内の複数のレンズレットの少なくとも一部をカバーするような例示的照射システム１００は、放射され、コリメートされた個々の光ビームと、レンズレットアレイ１２３内の各レンズレットとの正確なアラインメントによって影響されにくい均一な照射と遠視野強度分布を与えるものである。
【００２２】
説明を簡潔、容易にする目的で、図１ａでは、レンズレットアレイ１２３が入射するコリメートされた各光ビームを１個の焦点に集光する状態を示している。一般的には、入射するコリメート光ビームは、その入射コリメート光ビームによって照射される複数のレンズレットに対応した複数の焦点に集光される。各入射コリメート光ビームが、複数のレンズレットを照射する照射システム１００の利点の１つは、各入射光が複数の焦点が集光されることによって、照射システムにおけるスペックルが低減する点である。
【００２３】
レンズレットアレイ１２３の各レンズレットは、１つ以上の焦点を有する。各レンズレットの各焦点は、同一平面上にあってもなくてもよい。例えば、図１ｂは、焦点Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３及びＦ４をそれぞれ有するレンズレットアレイ１２３の４個の例示的な正レンズレットを示したものであるが、この場合、４つの焦点は同一平面上にない。図１ｃは、入射した、実質的にコリメートされた光ビーム１１１Ｃが、図１ｂに示した４個のレンズレットによって拡大される様子を示したものである。コリメート光ビーム１１１Ｃは、４本の細かな光ビームに効果的に分割されて焦点Ｆ１〜Ｆ４に集光されている。集められた光ビームは、Ｚ軸に沿って伝播するにしたがって拡大する。図１ｄは、仮想焦点Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７及びＦ８をそれぞれ有するレンズレットアレイ１２３の４個の例示的な負レンズレットを示したものであるが、この場合、４つの仮想焦点は同一平面上にない。この場合、入射する実質的にコリメートされた光ビーム１１１Ｄは、４本の細かな光ビームに効果的に分割され、各光ビームは対応するレンズレットによって屈折させられて拡大する。複数のレンズレットの焦点が、同一平面上にないような照射システムの利点の１つはスペックルが低減することである。
【００２４】
本発明の一実施形態では、レンズレットの焦点距離に対するレンズレットの外径の比は、レンズレットアレイ１２３のすべてのレンズレットについて同じ値である。ただし、各レンズレットは異なる焦点距離及び／または外径を有し得る。本発明の別の実施形態によれば、レンズレットアレイ１２３の各レンズレットはほぼ同じ外径を有するが、レンズレットの少なくとも一部は異なる焦点距離を有する。
【００２５】
レンズレットアレイ１２３内の異なるレンズレットは、異なる光学パワーを有していてよく、ここで光学パワーは正または負の値であり得る。レンズレットアレイ１２３は、直線状または２次元的に配されたレンズレットのアレイである。本発明の好ましい一実施形態ではレンズレット１２３の各レンズレットは、例えば光変調器１５０に伝送される光の均一性を高めるために互いに近接して配されるが、各レンズレットは互いに近接配置されてもよいし、されなくてもよい。
【００２６】
レンズレットアレイ１２３内の各レンズレットは、正方形、六角形、長方形、または特定の用途に適した他の任意の形状を有し得る。更に、レンズレットアレイ１２３内の異なるレンズレットは、異なる形状、異なる内径、及び／または異なる外径を有していてよい。レンズレットアレイ１２３内の各レンズレットは、球面レンズ、円柱レンズ、非球面レンズ、または特定の用途に適した他の任意の種類のレンズを使用することが可能である。
【００２７】
本発明の一実施形態では、レンズ１２０は、各入射コリメート光ビームを拡大することが可能である。図１ａに示した例示的実施例では、レンズレットアレイ１２３内の各レンズレットは、平凸レンズである。この場合、レンズ１２０は、例えば、図１ｃに示されるように、各入射コリメート光ビームを集束し、次いで集束された各光ビームを拡大する。レンズレットアレイ１２３内の一部またはすべてのレンズレットが、平凸レンズであってもよく、その場合各入射コリメート光ビームは、第１の表面１２１を透過した後に拡大される。一般的に、レンズレットアレイ１２３内のレンズレットは、両凹レンズレット、両凸レンズレット、凹凸レンズレット、または凸凹レンズレット、または特定の用途に適した他の任意の種類のレンズレットなどの特定用途において望ましい任意のレンズレットであり得る。
【００２８】
図１ａに示した例示的照射システムでは、レンズレットアレイ１２３内の各レンズレットは、基材１７４の表面１７３上に形成されている。照射システムによっては、レンズレットアレイ１２３内の各レンズレットを基材１７４の表面１７３上に直接成形することなどによってレンズレットと基材１７４による一体的なシステムを構成することが可能である。
【００２９】
図１ａの光学素子１３０は、レンズ１２０を透過した光を均質化することを主たる目的として構成されている。ここで均質化とは、光学素子１３０を出射する光が光学素子１３０に入射する光よりもより均一な空間的強度分布を有することを意味する。公知の光ホモジナイザの例は、米国特許第５，６２５，７３８号及び同第６，３３２，６８８号、ならびに米国特許出願公開公報第２００２／０１１４１６７号、同第２００２／０１１４５７３号及び同第２００２／０１１８９４６号に述べられている。
【００３０】
光学素子１３０は、入射面１３１と、長さｄを有する光学ロッド１３２と、出射面１３３とを有する。光学素子１３０は、レンズ１２０を透過した光を入射面１３１から受光し、受光光が光学ロッドの長さ方向に伝播する際にこれを均質化し、均質化された光を光学素子の出射面１３３から出射する。
【００３１】
入射面１３１、出射面１３３及び光学ロッド１３２の断面は、長方形、台形、正方形、楕円形または特定の用途において望ましい他の任意の形状を有し得る。入射面１３１、出射面１３３及び光学ロッド１３２の断面は、異なる形状を有してもよい。例えば、入射面１３１が円形であり、出射面１３３が正方形であってもよい。光学ロッド１３２の断面は、光学ロッドに沿って異なる点で異なっていてもよい。例えば、光学ロッド１３２は、光軸１９０に沿って長さ方向にテーパー状にしていてもよい。光学ロッドは、光軸に沿って内側または外側にテーパー状にしていてよい。光学ロッド１３２の断面の各辺は、直線でも曲線でもよい。テーパー形状を有する光学ロッドの一例が、米国特許第６，３３２，６８８号に述べられている。
【００３２】
ホモジナイザ１３０は、多面体（例えば６面体）などの任意の立体的形状を有し得る。ホモジナイザ１３０の全体または一部が、中実または中空であってもよい。ホモジナイザ１３０は、反射、全反射、屈折、散乱、または回折またはそれらの任意の組み合わせなどの任意の適した光学的方法、あるいは受光した光を均質化するのに適した他の任意の方法により受光した光を均質化することが可能である。
【００３３】
図１ａは、直線状の光軸１９０と直線状の光学素子１３０を示したものである。一般に、光軸１９０は特定の用途に合わせて光軸に沿った１つ以上の点で折曲されていてもよい。その場合、光学素子１３０が光学ロッド１３２の長さｄに沿って１つ以上の点で折曲されていてもよい。
【００３４】
本発明の一実施形態では、放射され、コリメートされた光ビームのレンズ１２０による拡大と、光学素子１３０の均質化機能により、充分に空間的に均一な光が光学素子１３０の出射面１３３に伝播される。
【００３５】
本発明の一実施形態では、Ｘ−Ｙ平面内の特定の方向にレンズ１２０を、レンズレットの外径の１／２以下の距離だけ変位させる場合の、出射面１３３における光の空間的均一度（近視野強度分布と呼ばれる場合もある）の変化は、３０％未満、好ましくは２０％未満、より好ましくは１５％未満である。用途によっては、こうした変位による出射面１３３における光の空間的均一度の変化は、１０％未満、好ましくは５％未満、より好ましくは１％未満、更に好ましくは０．５％未満である。
【００３６】
本発明の別の実施形態では、Ｘ−Ｙ平面内の特定の方向にレンズ１２０を、レンズレットアレイ１２３のレンズレットの内の最大外径の１／２以下の距離だけ変位させる場合の、出射面１３３における光の空間的均一度の変化は、３０％未満、好ましくは２０％未満、より好ましくは１５％未満である。特定の用途では、こうした変位による出射面１３３における光の空間的均一度の変化は、１０％未満、好ましくは５％未満、より好ましくは１％未満、更に好ましくは０．５％未満である。
【００３７】
図１ａでは、レンズ１２０と光学ホモジナイザ１３０は、距離「ｌ」だけ離間している。一般に距離「ｌ」は特定の用途において所望の結果を与える距離であれば特に限定されない。例えば、距離「ｌ」として出射面１３３における均一度を向上させるうえで充分に大きな距離をとることができる。特定の用途においては、距離「ｌ」を十分小さくとることにより光学ホモジナイザ１３０に受光、集光される光量を増大させることが可能である。他の特定の用途においては、機械的安定性を向上させたり、レンズ１２０と光学ホモジナイザ１３０とのアラインメントを維持する必要性を低減する目的で距離「ｌ」を０とすることも可能である。距離「ｌ」は、基材１７４を省略してレンズレットアレイ１２３を光学ホモジナイザ１３０の入射面１３１上に直接形成することなどによって０とすることができる。
【００３８】
本発明の一実施形態によれば、レンズ１２０は接着層によって光学素子１３０に光学的に結合される（図１ａには示されていない）。本明細書で使用する時、用語接着剤とは、隣接する２層を表面付着手段によって共に接合することが可能な物質を指す。接着層は、接着母材中に微粒子を分散させることなどによって光拡散性にすることが可能である。その場合、粒子の屈折率は接着母材の屈折率と異なるものとする。同様に、レンズ１２０は、レンズの厚さ「ｔ」に沿って光拡散性にすることが可能である。
【００３９】
本発明の一実施形態では、レンズ１２０は光学素子１３０の一部分として形成される。これは、レンズ１２０と光学素子１３０が一体構造を形成するということである。例えば、レンズレットアレイ１２３が光学ホモジナイザの入射面１３１の一体部分であることができる。
【００４０】
光学伝達システム１４０は、光学ホモジナイザ１３０が放射した光を入射面１４１から受光し、受光光を出射面１４２へと伝播し、伝播された光を出射面から光変調器１５０へと供給する。本発明の一実施形態では、出射面１３３と光変調器１５０とが共役ペアを形成する。これは例えば、光変調器１５０が出射面１３３の結像面内に位置するということである。
【００４１】
光学伝達システム１４０は、所定の開口領域１４４を有する開口絞り１４３を備える。本発明の一実施形態では、出射面１３３と開口絞り１４４とがフーリエ変換ペアを形成する。これは一般に、点１３４のような出射面１３３の各点が開口領域１４４のほぼ全体を照射するということである。更に光線１３５のような、出射面１３３から出射し、同じ方向に伝播するすべての光線は、開口領域１４４内の点１４５のような、ほぼ対応する点に収束する。
【００４２】
光学伝達システム１４０は、レンズ、マイクロレンズアレイ、光学フィルター、カラーホイール、ミラー、または光学伝播システム１４０において使用することによって光学素子１３０から光変調器１５０の活性領域１５１に光を伝達することが可能な他の任意の光学要素などの、屈折性、反射性、回折性、ホログラフィー性といった性質を有する１つ以上の光学要素を含むことができる。
【００４３】
光変調器１５０は、画像を表示することが可能な活性領域１５１を有する。本発明の一実施形態では、開口絞り１４３と活性領域１５２とはフーリエ変換対を形成する。
【００４４】
光変調器１５０は、画像を表示することが可能な任意の光変調器を使用することができる。光変調器１５０は、ピクセル化させることができる。例えば、光変調器１５０は、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）などのマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）とすることができる。ＤＭＤは通常、傾斜可能なマイクロミラーの配列を有している。各ミラーの傾斜は、電気信号などによって独立に制御することが可能である。各ミラー（画素）は傾斜することによって高速かつ正確な光スイッチとして動作する。その結果、ＤＭＤは入射光をデジタル的に変調することによって、例えば入射光が照射された場合に画像が表示されるような空間的光変調器として動作することが可能となる。ＤＭＤの一例として、テキサス・インスツルメンツ社（テキサス州、ダラス）の販売するＤｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（商標）（ＤＬＰ（商標））が挙げられる。
【００４５】
光変調器１５０の更なる例としては、例えば米国特許第５，８４１，５７９号に述べられるグレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）や、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）が挙げられる。ＬＣＤ型の変調器１５０としては、例えば、高温ポリシリコン（ＨＴＰＳ）ＬＣＤやＬＣｏＳ（liquid crystal on silicon）ディスプレイなどの光透過型または反射型のものがある。
【００４６】
一般的に光変調器１５０として、画像を形成し、電子的にスイッチング可能な任意の素子を使用することができる。用途によっては、光変調器１５０は、特定の用途に応じて時間の関数として例えば、リフレッシュ、変更、ないしは別の方法でアップデートが可能な静止画像を表示してもよい。
【００４７】
光学ホモジナイザ１３０を透過した光は、出射面１３３における空間的光強度分布である所定の近視野分布を有する。光学素子１３０を透過した光は更に、所定の遠視野すなわち角強度分布を有する。理論的には、遠視野分布は、出射面１３３から無限遠に置かれた平面における透過光の空間的強度分布に等しい。実用上は、遠視野分布は出射面１３３から長い距離、例えば、数メートルの位置に置かれた平面における透過光の空間的強度分布を考慮することによって求めることができる。
【００４８】
本発明の一実施形態では、Ｘ−Ｙ平面内の特定の方向にレンズ１２０を、レンズレットアレイ１２３のレンズレットの内の任意のレンズレット外径の１／２以下の距離だけ変位させる場合の、ホモジナイザ１３０が透過する光の角強度分布の変化は、４０％未満、好ましくは２０％未満、より好ましくは１０％未満、より好ましくは５．０％、更に好ましくは１．０％未満である。
【００４９】
本発明の別の実施形態では、Ｘ−Ｙ平面内の特定の方向にレンズ１２０を、レンズレットアレイ１２３のレンズレットの内の最大のレンズレット外径の１／２以下の距離だけ変位させる場合の、ホモジナイザ１３０が透過する光の角強度分布の変化は、４０％未満、好ましくは２０％未満、より好ましくは１０％未満、より好ましくは５．０％、更に好ましくは１．０％未満である。
【００５０】
本発明の利点ならびに実施形態を以下の実施例によって更に説明する。実施例において述べる特定の材料、屈折率などの光学的パラメータ及び寸法、ならびに他の条件及び細部は本発明を不要に限定するものと解釈するべきではない。
【００５１】
（実施例１）
図１ａの照射システム１００と同様の照射システムを、レンズ１２０に入射する実質的にコリメートされた光について数値的に分析した。実施例の中で用いるシステムの変量およびパラメータの詳細を図２〜４を参照しながら説明する。この分析では、コリメートされた単一の円形入射光線１１１Ａを使用した。表面１３１におけるＸ−Ｙ平面内のＸ方向及びＹ方向の両方に沿った光線の強度半値全幅ＦＷＨＭは０．２ｍｍであった。α光線は、０．３４４°に等しい拡がり半角を有していた。光線の波長は０．５３２ミクロンであった。
【００５２】
この分析において用いたレンズレット１２３は、互いに近接して配された同じ正方形レンズレットの２次元アレイ（配列）であり、光学素子１３０の入射面１３１上に直接形成される。各レンズレットは、図３のレンズレット３０１に示されるように曲率半径が０．３ｍｍである凸面の第１の表面を有し、レンズレットの厚さＰは０．０４ｍｍである。入射面１３１はＹ軸方向の辺の長さが６．８ｍｍ、Ｘ軸方向の辺の長さが４．０ｍｍの長方形である。光学ロッド１３２は４０ｍｍの長さを有するものを用いた。
【００５３】
この分析では２種類の変量を用いた。第１の変量は、各正方形レンズレットの各辺の長さとしての「ｑ」であり、この値は図２及び４に示されるように各正方形レンズレットの内径でもある。第２の変量は、図４に示されるように、レンズレットアレイ１２３における入射コリメートビーム１１１Ａの中心４０１と、指定されたレンズレット１２３Ｂの中心４０２との間の距離として定義される位置ずれの大きさ「ｈ」であった。ｈとして３つの異なる値を用いた。第１の値はｈ＝０である。これは中心４０１が中心４０２に位置することを意味する。第２の値は、ｈ＝ｑ／４である。これは中心４０１がＹ軸に沿って横方向にレンズレット１２３Ｂの辺の１／４に等しい距離だけ変位していることを意味する。第３の値は、ｈ＝ｑ／２である。これは中心４０１がＹ軸に沿って横方向にレンズレット１２３Ｂの辺の１／２に等しい距離だけ変位していることを意味する。
【００５４】
変量の各セットについての分析の結果となる値が、光学ホモジナイザ１３０により透過された光の遠視野分布を包含する最小の半円錐角、Ｄであった。図１ａを参照すると、Ｄは、光学ホモジナイザ１３０から出射するほぼすべての光を透過することが可能な開口絞り１４３の開口領域１４４の最小の直径に相当する。これは、例えば、Ｄの値が大きいほど大きな開口領域１４４を必要とするということであり、一般的に照射システムの他の要素も同様に大きいことが求められる。
【００５５】
表１は実施例において考慮した変量の異なるセットについてＤの値を示したものである。
【００５６】
【表１】
2009518812.tif 000003
【００５７】
表１において、ＯＤは図２及び４に示されるようにレンズレット１２３Ｂの外径であり、ＳはＦＷＨＭのＯＤに対する比である。表１から分かるように、ＯＤ＝０．２８３ｍｍでは、レンズレットの辺の長さの半分に等しい位置ずれ（ｈ＝０．１ｍｍ）によってＤの値は７．５°から１２．５°へと、約６７％の増加を示した。同様に、ＯＤ＝０．２１２ｍｍでは、レンズレットの辺の長さの半分に等しい位置ずれ（ｈ＝０．０７５ｍｍ）によってＤの値は７．０°から１０．０°へと、約４３％の増加を示した。一方、ＯＤ＝０．１８８ｍｍでは、レンズレットの辺の長さの半分に等しい位置ずれ（ｈ＝０．０６７ｍｍ）によるＤの値の増加は８．０°から８．５°へと、わずか約６％であった。ＯＤ＝０．１７７ｍｍでは、ｑ／４またはｑ／２の位置ずれによってＤの値は変化しなかった。したがって１．０６よりも大きなＳの値に対しては、入射コリメート光ビームと、対応するレンズレットとの位置ずれによる遠視野分布の変化は１０％未満である。それ故に、本発明の利点の１つは、十分に大きなＳの値に対しては、遠視野分布が十分に小さく、かつ入射コリメート光ビームとレンズレットアレイのレンズレットとの位置ずれの影響を受けにくい点にある。
【００５８】
図５ａ〜ｄは実施例で用いた変量の４つの異なるセットについて角強度分布を示したものである。詳細には、図５ａは、Ｓ＝０．７０７であり位置ずれが０である場合の角強度分布５１０を示し、図５ｂは、Ｓの値は同じであるが位置ずれが０．１ｍｍである場合の角強度分布５２０を示したものである。同様に、図５ｃは、Ｓ＝１．１３１であり位置ずれが０である場合の角強度分布５３０を示し、図５ｄは、Ｓの値は同じであるが位置ずれが０．０６２ｍｍである場合の角強度分布５４０を示したものである。角度θ及びφを定義する１つの方法は、図５ａに示されるように、光学ホモジナイザ１３０の出射面１３３の任意の点５０１について定義する方法であるφ点５０１から出射面１３３を出射する光線５０２は遠視野分布５０４内の点５０３に到達する。角度θは光線５０２がＺ軸となす角度である。角度φはＸ−Ｙ平面への光線５０２の投射像（直線５０５）がＸ軸となす角度である。ここでＤは、光学ホモジナイザ１３０が透過する光の遠視野分布を包含する最小の角度θである。
【００５９】
図５ａ及び５ｂは、０．１ｍｍの位置ずれによって角強度分布のサイズが大幅に増大することを示している。そのため図１ａの照射システム１００において、例えば照射システム１００の製造、組立て、または使用時に生ずる位置ずれを調整するために大きな開口領域１４４が必要となる。
【００６０】
これに対し、図５ｃ及びｄは、０．０６２ｍｍの位置ずれであっても角強度分布のサイズに影響しないという本発明の利点の１つを示している。したがって本発明によれば、照射システム１００における異なる要素の製造、組立てにおいて許容される公差が大きくなる。本発明によれば更に、熱膨張及び収縮による異なるシステム要素間の位置ずれによってシステム全体の性能が影響されないことからシステムの動作可能な温度幅がより大きくなる。更に本発明によれば、開口１４３の開口領域１４４がより小さい、より小型の光学要素を使用することによってよりｆ値の大きな照射または投射システムの使用が可能となることから、照射または投射システムのコスト及び全体の設置面積が低減される。ｆ値のより大きなシステムの使用によって更に光学収差が低減することなどにより、光学性能が向上する。これにより、照射システム１００またはこうした照射システムを用いた投射システムにおいて使用する光学要素の数を減らし、かつ／または、余り複雑でない光学要素の使用が可能となることからコストが低減する。
【００６１】
表１の結果の一部を図６に示す。詳細には、プロット６００は、レンズレット１２３Ｂの辺の１／２に等しい位置ずれ（図４を参照）に対するＤの変化率（％）をＳの関数として示したものである。プロット６００によれば、Ｄの変化率（％）は、Ｓが約１よりも大きい場合には約２５％よりも小さい。
【００６２】
図７は、本発明の一実施形態に基づく投射システム７００の概略側面図を示す。投射システム７００は、照射システム７１０と、投射光学系７２０と、投射スクリーン７３０とを備える。照射システム７１０は、図１ａの照射システム１００のような、本発明の実施形態に基づく照射システムである。図１ａには、単一の照射システムを示したが、投射システム７００は一般に複数、例えば３個の照射システムを含んでいてよい。
【００６３】
投射光学系７２０は、照射システム７１０によって生成する画像を投射スクリーン７３０上に投射するためのものである。投射光学系７２０には通常複数のレンズが含まれる。公知の投射光学系の例としては、米国特許第６，４１７，９７１号、同第６，３０１，０５７号、ならびに同第５，９６９，８７６号に述べられるものがある。
【００６４】
投射システム７００としては、背面投射型システムを使用することが可能であり、その場合、投射スクリーン７３０は背面投射型スクリーンであることが好ましい。投射システム７００としては、正面投射型システムを使用することも可能であり、その場合、投射スクリーン７３０は正面投射型スクリーンであることが好ましい。
【００６５】
図の投射システム７００は、直線状の光軸７９０を中心軸としている。一般に光軸７９０は、例えば投射システムの全体の設置面積を小さくする目的で１つ以上の点において折曲されてもよい。
【００６６】
上記に引用したすべての特許、特許出願及び他の公開を、それらがあたかも完全に再現されたものとして本明細書に援用するものである。本発明の異なる態様の説明を容易ならしめるべく本発明の具体的実施例を上記に詳述したが、本発明はそれら実施例の細部に限定することを意図しない点は理解されねばならない。むしろ、添付の特許請求の範囲によって定義される発明の趣旨ならびに範囲に包含されるすべての変形、実施形態及び代替を網羅しようと意図するものである。
【００６７】
添付の図面と関連して以下に述べる本発明の異なる実施形態の詳細な説明を考慮することで、本発明のより完全な理解、認識が可能となろう。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１ａ】本発明の一実施形態に基づく照射システムの概略側面図。
【図１ｂ】図１に示したレンズレットアレイの例示的一部分の概略側面図。
【図１ｃ】図１ｂのレンズレットによってコリメート光が拡大される様子を示す。
【図１ｄ】図１に示したレンズレットアレイの別の例示的一部分の概略側面図。
【図２】実施例１において分析した照射システムの一部の概略立体図。
【図３】実施例１において分析した照射システムの一部の概略側面図。
【図４】実施例１において分析したレンズレットアレイの一部の概略正面図。
【図５ａ】実施例１で用いた変量の４つのセットについて角強度分布を示したものである。
【図５ｂ】実施例１で用いた変量の４つのセットについて角強度分布を示したものである。
【図５ｃ】実施例１で用いた変量の４つのセットについて角強度分布を示したものである。
【図５ｄ】実施例１で用いた変量の４つのセットについて角強度分布を示したものである。
【図６】実施例１で述べた結果の一部をプロット。
【図７】本発明の一実施形態に基づく投射システムの概略側面図。
【図１ａ】
2009518812.tif 000004
【図１ｂ】
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【図１ｃ】
2009518812.tif 000006
【図１ｄ】
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【図２】
2009518812.tif 000008
【図３】
2009518812.tif 000009
【図４】
2009518812.tif 000010
【図５ａ】
2009518812.tif 000011
【図５ｂ】
2009518812.tif 000012
【図５ｃ】
2009518812.tif 000013
【図５ｄ】
2009518812.tif 000014
【図６】
2009518812.tif 000015
【図７】
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【国際調査報告】
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