(57)【要約】  光エンジンは、非コリメート光を放射する光源前面を有する。集光レンズは、非コリメート光を集光し、不完全にコリメートされた光を供給する。コリメートレンズは、不完全にコリメートされた光を受け、コリメート画像を供給する。非直交偏光フィルタは、コリメート画像を受け、コリメート画像の偏光部分を偏光した光エンジン画像の直接成分として通過させる。非直交偏光フィルタは、再利用画像を反射させて前面へ戻す。偏光フィルタの非直交形状は、光源前面上の光のパターンに基づいて選択される。
2009545855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光した光エンジン画像を供給する光エンジンであって、
前面を有する光源と、
前記前面からの非コリメート光を集光し、前記前面からの不完全にコリメートされた光を供給する集光レンズと、
前記不完全にコリメートされた光を受け、前記前面の実質的にコリメートされた画像を供給するコリメートレンズと、
前記前面の前記コリメート画像を受ける偏光フィルタであって、前記コリメート画像の偏光部分を前記偏光した光エンジン画像の直接成分として通過させ、再利用画像を反射させて前記前面へ戻し、前記前面は前記再利用画像を前記偏光した光エンジン画像の再利用成分として供給するようにした偏光フィルタと、を備え、
前記偏光フィルタは、前記偏光した光エンジン画像の輝度均一性を向上させるように前記直接成分に対する前記再利用成分の部分を変位させる非直交形状を有する光エンジン。
【請求項２】
前記偏光フィルタの非直交形状は、傾斜した偏光フィルタ形状及び湾曲した偏光フィルタ形状からなる群から選択される、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項３】
前記フィルタ形状は、前記コリメートレンズに面する湾曲凸状面を有する、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項４】
第１の領域が、発光ダイオードアレイを含む、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項５】
前記発光ダイオードアレイは、白色光を発する、請求項４に記載の光エンジン。
【請求項６】
前記発光ダイオードアレイは、赤色、緑色及び青色の光を順次に放射する、請求項４に記載の光エンジン。
【請求項７】
前記集光レンズ及び光源は、カプセル化された発光ダイオードボールレンズ内に一体化されている、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項８】
前記コリメートレンズは、少なくとも１枚のフレネルレンズを含む、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項９】
前記コリメートレンズは、少なくとも１枚の凸レンズを含む、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項１０】
前記第１の領域は、発光ダイオードの中心に対して中心外れの光学輝度パターンを発する発光ダイオードを含み、前記非直交偏光フィルタは前記偏光した光エンジン画像の中心合わせを改善している、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項１１】
前記第１及び第２の領域の少なくとも一方が、蛍光体を備える、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項１２】
前記第２の領域が、反射面を含む、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項１３】
前記光エンジン画像は、前記コリメート画像と実質的に同じサイズを有する、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項１４】
前記光エンジン画像は、コリメート画像を含む、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項１５】
前記光源と前記偏光フィルタとの間に配置された４分の１波長板を更に備える、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項１６】
前記偏光した光エンジン画像は、前記前面の画像を含み、前記画像の第２の領域が再利用光によって補填される、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項１７】
前記光エンジンは、ライトトンネルを含まない、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項１８】
前記再利用画像は、前記前面に対してオートコリメート画像を含む、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項１９】
前記集光レンズ、前記コリメートレンズ、前記偏光フィルタ、及び前記偏光した光エンジン画像は、共通の光学軸に沿って整列している、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項２０】
前記偏光フィルタは、多層光学偏光フィルムを含む、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項２１】
前記光源及び前記集光レンズは、発光ダイオード・コンパウンド封止剤搭載レンズの一部である、請求項１に記載の光エンジン。
【請求項２２】
偏光した光エンジン画像を供給する光エンジンであって、
非コリメート光を発する光源と、
前記非コリメート光を集光し、前記前面の不完全にコリメートされた光を供給する集光レンズと、
前記不完全にコリメートされた光を受け、前記前面のコリメート画像を供給するコリメートレンズと、
前記前面の前記コリメート画像を受ける非直交偏光フィルタであって、前記コリメート画像の偏光部分を前記偏光した光エンジン画像の直接成分として通過させ、再利用画像を反射して前記前面へ戻し、前記前面は前記再利用画像を前記偏光した光エンジン出力の再利用成分として供給する非直交偏光フィルタと、
前記偏光フィルタと光源との間にある４分の１波長板と、を備える光エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００６年７月３１日に出願され、その内容が参照によりその全体において本明細書に組み込まれている米国仮特許出願整理番号第６０／８２０，８９４号の効果に基づいて請求するものであり、更に２００６年７月３１日に出願され、その内容が参照によりその全体において本明細書に組み込まれている米国仮特許出願第６０／８２０，８８７号の効果に基づいて請求するものである。
【０００２】
（発明の分野）
光学投影器は、人々の集まりで視聴するために画像を面の上に投影するために用いられる。
【背景技術】
【０００３】
光学投影器は、レンズ、フィルタ、偏光子、光源、画像形成装置などからなる光学投影器サブシステムを含む。光学効率を改善したいという要望があるが、既存の光エンジンは光学効率を改善するための試みを制限している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
効率の改善をもたらす方法及び光学投影サブシステムが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
光エンジンが開示されている。光エンジンは、偏光した光エンジン画像を供給する。
光エンジンは、前面を有する光源を備える。前記前面は、非コリメート光を発する第１の領域と、光を再利用する第２の領域とを含む。光エンジンは、集光レンズを備える。前記集光レンズは、非コリメート光を集光し、前面から不完全にコリメートされた光を供給する。光エンジンは、コリメートレンズを備える。前記コリメートレンズは、不完全にコリメートされた光を受け、前面のコリメート画像を供給する。
【０００６】
光エンジンは、偏光フィルタを備える。前記偏光フィルタは、前面のコリメート画像を受ける。前記偏光フィルタは、光エンジンの光学軸に対して非直交に位置合わせされている。前記偏光フィルタは、偏光した光エンジン画像の直接成分としてコリメート画像の偏光部分を通過させる。前記偏光フィルタは、再利用画像を反射して前面へ戻す。前記前面は、再利用画像を偏光した光エンジン出力の再利用成分として供給する。
【０００７】
一態様によれば、非直交偏光フィルタは、偏光した光エンジン画像の輝度均一性を向上するために直接成分に対して再利用成分の部分をずらせる曲率を有する湾曲したフィルタ形状を含む。別の態様によれば、第１の領域は、発光ダイオード中心に対して中心外れの光学輝度パターンを放射する発光ダイオードを含み、非直交偏光フィルタを傾斜させて前面への再利用画像の方向を改善する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】湾曲した偏光フィルタを含む光エンジン。
【図１Ｂ】傾斜した偏光フィルタを含む光エンジン。
【図１Ｃ】光エンジンに用いるための発光ダイオード（ＬＥＤ）。
【図１Ｄ】光再利用を含む図１Ｃからの発光パターン。
【図２Ａ】湾曲した偏光フィルタを備える光エンジンを含む投影器。
【図２Ｂ】傾斜し、湾曲した偏光フィルタを含む光エンジンの部分。
【図２Ｃ】傾斜した偏光フィルタを含む光エンジンの部分。
【図４】再利用によって得られた光を測定するシステム。
【図５】図４におけるシステムを用いた結果を表に示す。
【図６Ａ】投影器に適用した場合の光エンジン。
【図６Ｂ】投影器に適用した場合の光エンジン。
【図８】光エンジン。
【図９】偏光状態の表を示す。
【図１０】再利用によって得られた光を測定するシステム。
【図１１】図１０におけるシステムを用いた結果の表を示す。
【図１２】再利用によって得られた光を測定するために用いられるシステム。
【図１３】図１２におけるシステムを用いた結果の表を示す。
【図１４】光エンジンに用いるための発光ダイオード（ＬＥＤ）。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
下記の実施形態では、光エンジンは非コリメート光を発する光源前面を有する。集光レンズは、非コリメート光を集光し、不完全にコリメートされた光を供給する。コリメートレンズは、不完全にコリメートされた光を受け、実質的にコリメートされたビームを供給する。非直交偏光フィルタは、コリメート画像を受け、コリメート画像の偏光部分を偏光した光エンジン画像の直接成分として送る。前記偏光フィルタは、再利用画像を反射して前面へ戻す。前記前面は、光エンジン画像の再利用光成分を供給する。前記前面は、反射によって又は蛍光によって、若しくは両方によって再利用光を供給することができる。光エンジンの効率は、光再利用によって増加する。非直交偏光フィルタは、直接成分に対する再利用成分の位置を変位させて非直交反射面を有するので、その結果、光エンジン画像の均一性の改善をもたらす。位置のずれは、光源の前面からの発光の非均一性、又は光のコリメーションの不完全さを補償する。
【００１０】
偏光再利用は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような、非偏光光源からの偏光した光を必要とする用途に極めて有用である。これらの用途としては、透過型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又は反射型液晶オン・シリコン（ＬＣＯＳ）マイクロディスプレイ又は他のタイプのディジタル撮像装置を用いる投影システムが挙げられる。
【００１１】
ＬＥＤ光源内に一体化された反射型偏光子の使用は、ＷＯ２００４／０６８６０２（オウダーキルク（Ouderkirk）ら）に既述されている。偏光再利用を誘起するためにコリメート光に非直交反射型偏光子の使用が本出願に開示されている。現行の発明では、ＬＥＤからの光が偏光フィルムのより大きな面積にわたって通過し、分布され、偏光フィルム上の強度を低減し、スペクトルの青色部分におけるＬＥＤ光によるフィルム寿命に対する影響を減らす。これは以前のシステムよりも好都合である。また、光の大部分又はすべてが垂直又は近垂直入射束で偏光子に当たるので、その結果、再利用においてより高い集光効率をもたらす。
【００１２】
再利用反射型偏光子は、図１Ａ、１Ｂに示すようにコリメート素子の後に光学軸に沿って非直交に設置される。この場所において、拒絶された即ち「ブロックされた」偏光状態は反射されて発光経路に沿ってＬＥＤダイまで戻され、これは蛍光体でコーティングされる場合もあればされない場合もある。この光は次いで反射されるか又は再吸収される。吸収された光のいくらかは、蛍光体を刺激して再発光させる。
【００１３】
蛍光体でコーティングされたＬＥＤダイは、ＰＬＥＤと表示される。ＰＬＥＤの例は、青色波長を赤色と緑色との両波長に変換する蛍光体を照らす青色ＬＥＤである。青色励起光の一部は蛍光体に吸収されず、残存青色励起光は蛍光体により放出される赤色及び緑色光と組み合わされる。ＰＬＥＤの別の例は、紫外線を吸収し、赤色、緑色、及び青色光へ変換する蛍光体を照射する紫外線ＬＥＤである。組成が典型的には無機で且つ励起波長が３００〜４５０ナノメートルの範囲にあり、更に発光波長が可視波長の範囲にある蛍光体材料が、当該技術分野において周知である。例えば、英国、エセックス（Essex）のフォスファー・テクノロジー社（Phosphor Technology Ltd.）から提供される蛍光体の製品系列を参照。蛍光体としては、セリウムでドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｃｅ：ＹＡＧ）のような希土類元素でドープされたガーネット類、希土類元素でドープされたケイ酸塩類、チオガレート類、及び他のセラミックス類が挙げられる。本明細書において用いられている用語「蛍光体」はまた、蛍光染料び色素を含む、量子ドット及び有機蛍光物質を含む。本明細書において用いられる用語「蛍光体」はまた、ＷＯ０２／０２９７９０２及び米国特許第２００２／０１３９９８４号に記載されているようなＩＩＩ−Ｖ族再発光半導体構造、又は米国特許第２００６／０１２４９１８号に記載されているようなＩＩ−ＶＩ族再発光半導体構造を含むことができる。本明細書において用いられる用語「蛍光体」はまた、米国特許第６，３３７，５３６号及び欧州特許第１３６３３３５Ａ２号に記載されているようなドープされた半導体層を含むことができる。
【００１４】
再利用反射型偏光子の例は、米国特許第５，８８２，７７４号（ジョンザ（Jonza）ら）に記載されている多層光学偏光フィルムであり、そこではフィルムを構成する交互層が実質的にマッチされたフィルムに垂直な方向に沿った屈折率を有するので、即ち、層間のΔｎｚが約ゼロであるので、フィルム内のＰ偏光した光についての任意の所与の境界面の反射率は入射角の関数として実質的に一定である。このような反射型偏光フィルムは、ここでは「ＡＰＦ」フィルムと呼ばれる。
【００１５】
測定は、図４に示すように配置された光学システムを用いて行われた。図４は、光エンジン４００及び偏光した光エンジン画像４０４を受ける検出システム４０２を含む。検出システム４０２は、カリフォルニア州、アービン（Irvine）のニューポート・コーポレーション社（Newport Corporation）から入手可能なもののような、偏光子４０６及び光学検出器４０８を備える。光エンジン４００では、反射型偏光フィルム４１０は平坦な反射面を確実にするようにピンと引っ張られた。ＬＥＤダイの発光表面上に蛍光体コーティングを有する、白色１ワットＬＥＤ４１２（米国、カリフォルニア州９５１３１、サンホセ（San Jose）、３７０ウエスト・トリンブルロード（West Trimble Road）フィリップス・ルミレッド・ライティング・カンパニー社（Philips Lumileds Lighting Company）から入手可能）が、駆動電流０．２Ａにおいて使用された。光出力は、反射型偏光フィルム４１０がある場合とない場合で測定された。反射偏光フィルム４１０は、出力を最大化するように偏光子４０６と整列された。コーティングされていないＡＰＦフィルム及び両表面上に反射防止層（標準フッ化マグネシウム反射防止層が当業者に既知の方法でＡＰＦフィルム上に真空蒸着された）でコーティングされたＡＰＦフィルムについて結果を図５に示す。再利用にＡＰＦフィルムを用いて、７．８％〜１５％の範囲で光出力の増加が測定された。
【００１６】
図６Ａ及び６Ｂは、投影器用途に使用できる光エンジンを示し、これらのシステムは両方とも本明細書で議論される偏光再利用に適合している。いずれの場合も、反射型偏光フィルム６０２、６０４は好ましくは（光がコリメートされる）光エンジンの瞳面６１４、６１６において又はその付近に位置決めされる。各光エンジンは、ＬＥＤ発光体６０６、６０８を利用し、発光体からの光を高屈折率ボール集光レンズ６１０、６１２で集光し、液晶オン・シリコン（ＬＣＯＳ）装置のようなディジタル撮像装置が配置される、目標領域６１８、６２０を満たす比較的均一なスポットに形成する。一態様によれば、２００５年１２月３０日に出願された米国特許出願第１１／３２２，８０１号「コンパウンド封止剤搭載レンズを備えたＬＥＤ」に記載されるような、集光レン６１０、６１２を使用できる。これらのレンズは、短焦点距離、小さいｆ−ナンバー（広角）集光能力を発揮する。図６及び図７に示す投影システムはまた、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６２２、６２４を含み、このビームスプリッタの光路を簡単にするために図６及び図７に「展開して」示す。ＰＢＳ６２２、６２４の入射面６２６、６２８及び出射面６３０、６３２は、照明システムに光パワーをもたらすために図示のように湾曲させることができる。図６のシステムは、フレネルレンズ６３４及びボールレンズ６１０とＰＢＳ６２２との間の平凸レンズＬ２を用いる。前記フレネルレンズ６３４は、コリメート画像を供給するためにコリメートレンズとして機能する。図７のシステムは、両凸レンズを用いる。両凸レンズは非球面でもよいし、２つの成形半割れ品６３６Ａ，６３６Ｂで作製されてもよい。半割れレンズ６３６Ａは、コリメート画像を供給するためにコリメートレンズとして機能する。
【００１７】
図６Ｂにおける両凸レンズ６３６Ａ、６３６Ｂの湾曲表面間の光線は、実質的にコリメートされている。コリメーションの状態は、光学焦点合わせ及び偏光再利用の機構を６３６Ａ、６３６Ｂ及び６０４を含む１つの要素の中に含めるために反射型偏光フィルム６０４（ＡＰＦなど）を両凸レンズ６３６Ａ、６３６Ｂの中央に「サンイッチ状にはさむ」ために有利に用いられている。この反射型偏光フィルム６０４は、傾斜させるか又は湾曲させることができる。
【００１８】
図６Ａ及び６Ｂに示される偏光再利用システムはまた、米国仮特許出願第６０／８２０，８８７号に開示されている中空集光レンズを備える。中空集光レンズでは、ＬＥＤ発光体（ＬＥＤ発光体６０６のような）は、半球又は超半球及び正のメニスカスであり、ＬＥＤ発光体によって発せられた実質的に完全な半球の光を捕らえるレンズ（レンズ６１０のような）内の中空空洞（中空空洞６３８のような）内の空中にある。
【００１９】
ＬＥＤダイの最上部上でボールレンズ６１０（又は他の集光レンズ)を使用することによって、ダイから離れて反射される角度の高い光線のより大きな割合が再利用可能になる。ＬＥＤダイへ結合された先細トンネル又は複合放物面集光器（ＣＰＣ）のような、高屈折率ボールレンズを使用しない他の再利用の仕組みは、典型的にはこれらの角度の高い光線を失う。先細トンネルでは全反射（ＴＩＲ）要求を満たさないこのような光線はトンネルの側面から外へ通り抜けて、失われる。
【００２０】
開示された光エンジンはまた、光順次投影器において使用でき、そこでは、照射は個別の原色の時系列の形になっており、その時間平均が一般の視聴者には白色に見える。この順次構成では、逆反射されたＰ状態を回転させるために４分の１波長板（ＱＷＰ）の使用が好ましい。図８の８００に示すように、ＬＥＤ発光体８０２は集光レンズ８０４へ光を供給する。前記集光レンズ８０４は、非コリメート光をコリメートレンズ８０６へ供給する。４分の１波長板８０８は、集光レンズ８０６と偏光フィルタ８１０との間に配置される。この偏光再利用は、図９に示すように４つのステップで行われる。図９は、ジョーンズの行列表現（Jones Matrix formalism）を用いて偏光状態変換を要約している。偏光フィルム８１０によって反射されたＰ状態が、ＱＷＰ８０８を通過し、ＬＥＤ発光体ダイ８０２からの反射し、更にＱＷＰ８０８をもう１回通過した後に、回転されるというのがこの仕組みである。再利用効率に有利なのは、ＬＥＤ発光体ダイ境界面において入射角が高い場合の強いフレネル反射である。これらの高い入射角光線は、しばしばＴＩＲ傾斜トンネルのような、標準非写像集光器の設計において廃棄される。
【００２１】
高い屈折率を有するボールレンズのような、集光レンズを用いるＬＥＤ照明システムの再利用効率は、図１０中の１０００に示されるように測定される。図１０において、光源１００２が光を集光レンズ１００４に連結する。前記集光レンズ１００４は光をコリメートレンズ１００６へ連結する。コリメートレンズ１００６は、光を４分の１波長板１００８を通って再利用偏光フィルタ１０１０へ連結する。図１０における配置は、偏光再利用を試験する（図４と同様）。偏光フィルムは、好ましくは両面に反射防止コーティングを有するＡＰＦフィルムを含む。試験は、ＬＥＤダイの発光面に蛍光体コーティングを有する白色ＬＥＤ（米国、カリフォルニア州、サンホセ（San jose）、３７０ウエスト・トリンブルロード（West Trimble Road）のフィリップス・ルミレッド・ライティング・カンパニー（Philips Lumileds Lighting Company）から入手可能）を用いて行われ、更に試験はＬＥＤダイ１００２の発光面に蛍光体コーティングを有しない白色ＬＥＤ（同じく、米国、カリフォルニア州、サンホセ、３７０ウエスト・トリンブルロードのフィリップス・ルミレッド・ライティング・カンパニー（Philips Lumileds Lighting Company）から入手可能な、タイプ「ルクセオンＩＩＩ」（”Luxeon III”））緑色ＬＥＤを用いて行われた。偏光した光は、偏光子（分析器）１０１２及び標準光学検出器１０１４を通して配光された。結果を図１１の表に示す。光出力は、所定位置にある偏光フィルム１０１０及び４分の１波長板１００８を用いて測定され、次いで４分の１波長板１００８及び偏光フィルム１０１０を取り外して繰り返し測定された。
【００２２】
更に試験が、再利用のある場合及びない場合に投影器を用いて行われた。図１２の１２００に示す投影器設計が用いられ、照明サブシステム１２０２が実線内に示され、投影サブシステム１２０４が（一部重なっている）点線内に示されている。光エンジン１２０６は、光源１２０８、集光レンズ１２１０、コリメートレンズ１２１２、偏光フィルタ１２１４、４分の１波長板１２１５を備える。前記投影サブシステム１２０４は、偏光ビームスプリッタ１２１６と、投影レンズ組立体１２１８とを備える。前記偏光フィルタ１２１４（現在の試験設定では傾斜又は湾曲していなかった）及び４分の１波長フィルム１２１５は円柱レンズ１２２０に固定された。ＬＣＯＳ画像形成装置１２２２は、１２００における投影器に含まれた。ルクセオン（Luxeon）ＩＩＩ緑色ＬＥＤを備えるこの投影器システムにおける再利用効率は、図１３の表に示す通りである。
【００２３】
場合によっては、湾曲又は傾斜した偏光フィルタのような、非直交偏光フィルタは、光源前面上の光のパターンに対して、望ましいこともある。ＬＥＤ発光体は、図１Ｃ又は図１４に示すように、基材上に互いに隣り合わせに設置された複数のＬＥＤダイを備えることができる。このダイは、形状を四角形としてよく、例えば、３個、４個、又はそれ以上のこのようなダイがＬＥＤ発光体の全体発光表面を形成するように配置されてよい。再利用技術の目的のために、ＬＥＤダイ矩形（図１Ｃの矩形１５８、１６０、１６２、１６４のような）の１つ以上を高度反射型金属又は他の適したミラーのような、ミラー表面によって置き換えることができる。例えば、３つのＬＥＤダイ矩形１５８、１６０、１６４（図１Ｃ）が発光体を構成し、中心矩形１６２（図１Ｃ）をこのような反射型ミラーによって置き換えることができる。そして、反射型フィルムが非直交になるように、反射型偏光ィルム（図１Ａのフィルム１３０又は図１Ｂのフィルム１３１のような)をわずかに傾斜させるか又は位置をずらすことによって、反射された偏光状態を逆に向けて中央矩形の反射された表面に当てることができる。この光は結局、反対の偏光状態にすることができるので、この光は反射型偏光子によって透過できる。偏光変換は、反射型偏光フィルムに付いている４分の１波長板を備える、又は反射型ミラー表面として２分の１波長ミラーが設置されたような様々な方法によって行うことができる。
【００２４】
図１Ａは、光エンジン１００を示す。光エンジン１００は、偏光した光エンジン画像１０２を供給する。この画像１０２は、好ましくはコリメートされている。偏光した光画像１０２は、例えば、偏光した光を選択的に反射する画素を有するＬＣＯＳ画像装置を利用する投影器において偏光照射をもたらすために使用することができる。
【００２５】
光エンジン１００は、光源１０４を備える。光源１０４は、非コリメート光１０８、１１０を発する第１の領域及び光を再利用する第２の領域を含む前面１０６を有する。前面１０６については、図１Ｃに示す例によって以下に更に詳細に説明する。一態様によれば、第１の領域は発光ダイオードアレイを含む。別の態様によれば、発光ダイオードアレイは白光を発する。別の態様によれば、発光ダイオードアレイは順次的に又は同時にのいずれかで赤色、緑色及び青色光を放射する。
【００２６】
一態様によれば、第１の領域、第２の領域又は両領域は光再利用のために蛍光体を備えることができる。別の態様によれば、第１の領域、第２の領域又は両領域は光の再利用のために反射面を有することができる。
【００２７】
光エンジン１００は、集光レンズ１１６を備える。集光レンズ１１６は、非コリメート光１０８、１１０を集光し、前面１０６の不完全なコリメート光１１８、１２０を供給する。一態様によれば、集光レンズ１１６がメニスカスレンズを備える。別の態様によれば、集光レンズ１１６は、高屈折率過半球ボールレンズを備える。
【００２８】
光エンジン１００は、コリメートレンズ１２２を備える。コリメートレンズ１２２は、不完全なコリメート光１１８、１２０を受け、前面１０６のコリメート画像１２４、１２６を供給する。一態様によれば、コリメートレンズ１２２は少なくとも１枚のフレネルレンズを備える。別の態様によれば、コリメートレンズ１２２は少なくとも１枚の平凸又は両凸又はメニスカスレンズを備える。一態様によれば、光エンジン画像１０２は、コリメート画像１２４、１２６と実質的に同じサイズを有する。別の態様によれば、光エンジン画像１０２は、コリメート画像を含む。
【００２９】
光エンジン１００は、偏光フィルタ１３０を備える。偏光フィルタ１３０は、前面１０６のコリメート画像１２４、１２６を受ける。偏光フィルタ１３０は、偏光した光エンジン画像１０２の直接成分としてコリメート画像１２４、１２６の偏光部分１３２、１３４を通過させる。偏光フィルタ１３０は、偏光再利用画像１４０、１４２を反射させて前面１０６へ戻す。前面１０６は、再利用画像１４０、１４２を偏光した光エンジン出力１０２の再利用成分として戻す。前面１０６は、前面１０６上で蛍光体の反射、励起、又は両方によって再利用画像１４０、１４２を戻すことができる。一態様によれば、偏光フィルタ１３０は多層光学偏光フィルムを含む。偏光、再利用画像１４０、１４２はオートコリメート画像として前面１０６を照射する。前面１０６において、前面１０６の発光された画像は再利用画像１４０、１４２とともにオートコリメートされる（整列される）。再利用画像１４０、１４２は、前面１０６の発光された画像のミラー画像である。
【００３０】
偏光フィルタ１３０は、偏光した光エンジン画像１０２の輝度均一性を改善するために直接成分に対して再利用成分の部分を横方向に変位させる曲率を有する湾曲したフィルタ形状を有する。偏光フィルタ１３０は、光エンジン１００における光伝播の方向に対して直交していない。一態様によれば、前記曲率は集光レンズ及びコリメートレンズにおける収差を補正するために調節される。別の態様によれば、前記湾曲したフィルタ形状はコリメートレンズ１２２に面する凸面１３６を含む。別の態様によれば、第１の領域は光学軸１４４に対して中心外れの光学輝度パターンを発する発光ダイオードを含み、偏光フィルタ１３０は再利用画像１４０、１４２の前面１０６上での中心合わせを改善するために傾けられる。一態様によれば、集光レンズ１１６、コリメートレンズ１２２、偏光フィルタ１３０、及び偏光した光エンジン画像１０２が共通の光学軸１４４に沿って整列される。別の態様によれば、４分の１波長板（図１Ａには示されていない）が光源１０４と偏光フィルタ１３０との間に光学軸１４４に沿って配置された。前記４分の１波長板が、再利用光の偏光を回転させることによって再利用後にその再利用光が偏光フィルタ１３０をより容易に通過するようになっている。偏光フィルタの曲率は、発光ダイオードの輝度のパターンによって軸上又は軸外れにすることができる。
【００３１】
一態様によれば、偏光した光エンジン画像１０２は、前面１０６の画像を含み、ここでは画像１０２の第２の領域が再利用光によって補填されている。別の態様によれば、光エンジン１００はライトトンネルを含まない。再利用のためのライトトンネルは、それらの出力においてソース画像を供給せず、開示された撮像再利用システムに比べて効率が落ちる。ライトトンネルの例は、米国特許公開第２００６／０２６２５１４に述べられている。別の態様によれば、再利用画像１４０、１４２は前面１０６に対してオートコリメート画像を含む。別の態様によれば、光源１０４及び集光レンズ１１６は発光ダイオード・コンパウンド封止剤搭載レンズの部分である。
【００３２】
図１Ｂは、光エンジン１０３を示す。光エンジン１０３は、光エンジン１００(図１Ａ）と類似である。図１Ａに用いられている参照番号と同じである図１Ｂに用いられている参照番号は、同一又は類似の特徴を同定する。光エンジン１００は、凸レンズを備えるコリメートレンズ１２２を含むが、光エンジン１０３は１枚以上のフレネルレンズ（コリメートレンズ１２３の構成要素として）を備えるコリメートレンズ１２３を含む。光エンジン１０３は、中心光学軸１４４に対して平坦且つ傾いている偏光フィルタ１３１を含む。偏光フィルタ１３１は、中心光学軸に直交していない。光エンジン１０３は、４分の１波長板１５１を備える。他の面においては、光エンジン１００、１０３は類似である。図１Ａに示される特徴は、図１Ｂに用いるために適応され得、またその逆も同様である。
【００３３】
図１Ｃは、図１Ａ、１Ｂ中の光源１０４のような代表的な光源としての役割を果たす発光ダイオード１５０を示す。発光ダイオード１５０は、ボンドワイヤ１５２、１５４を経由して電源に接続される。発光ダイオード１５０は、発光領域１５８、１６０、１６２、１６４、１６６を含む。領域１６８、１７０、１７２、１７４、１７６、１７８のような、発光ダイオード１５０の領域は、導体を備え、電力によって光を発生しない非発光領域を含む。しかしながら、この非発光領域は、光を蛍光体の反射、励起、又は両方により供給できる。発光ダイオード１５０の画像は、このようにして光を発する領域及び光を発しない領域のパタ−ンである。投影に用いるために、図１Ｄに示すような輝度が比較的均一な画像が望まれる。図１Ａ、１Ｂに関連して前述したように、湾曲した偏光フィルタ１３０又は傾斜した偏光フィルタ１３１は光エンジン内に含まれる。前記湾曲した、非直交偏光フィルタ１３０は、反射された光を再利用のためにＬＥＤ領域に再結像する光を供給する。非直交偏光フィルタ１３０（又は１３１）は、再利用光を反射させ、光が発生した光源部分とは異なる光源前面１０６の部分へ戻す。前記非直交偏光フィルタは、再利用画像をわずかに変位させて光源前面１０６のより暗い領域を満たす。この結果得られらた偏光した光エンジン画像は、非直交再利用偏光フィルタ１３０又は１３１の故により均一である。傾斜した偏光フィルタ１３１は、発光ダイオード１５０上での再利用画像１４０、１４２の中心合わせを改善する。湾曲した偏光フィルタ１３０はまた、傾斜させることができる。傾斜し、湾曲した光再利用偏光フィルタから延びるこの画像は、図１Ｄの１８０に示される均一な、中心合わせの画像である。
【００３４】
図１４は、代替実施形態として、光源としての役割を果たす発光ダイオード１４００を示す。発光ダイオード１４００は、領域１４０２、１４０４、及び１４０６において異なる波長の光を発する領域を含み、これらの領域は、例えば、赤色、緑色、及び青色の光をそれぞれ放射することができる。領域１４０８は、更に緑色光、即ち光の４番目の色を放射することができる。領域１４０８は、別にミラーを備えることができる。これらは、別個の領域において異なる波長を発する光源の多くの可能な構成の例である。発光ダイオード１４００は、異なる領域において、例えば、青色及び黄色光を発光することができ、赤色、黄色、緑色、シアン、青色、マゼンタ、及び白色領域の組合せを含んでよく、各色の発光領域の数は等しくても、等しくなくてもよい。各領域の面積は等しくてもよく、又は隣接領域と異なってもよく、若しくは異なるサイズの領域の組合せであってもよい。
【００３５】
前記異なるカラー発光領域は、別個の発光ダイオードで構成されてもよく、又は透明なパターンで覆われたその発光ダイオードの少なくとも１つの発光表面及び波長変換領域を有する単一の発光ダイオードから構成されてもよい。例えば、青色光を放射する単一発光ダイオードの発光表面の部分は、青色光を赤色又は緑色光へ、若しくはそれらの組合せで変換する波長変換層によって覆われていてもよい。発光ダイオード１４００は、別個の及び多波長単一発光ダイオードの組合せから構成されていてもよい。発光ダイオード１４００は、少なくとも２つの発光領域、好ましくは少なくとも３つの発光領域を有してよい。本発明の他の実施形態では、発光ダイオード１４００は数十、数百、又は数千の発光領域を有してよい。
【００３６】
波長変換に適した材料としては、例えば、Ｃｅ：ＹＡＧ、硫化物、チオガレート、ケイ酸塩、量子ドット、蛍光染料のよな有機蛍光物質及び顔料、及びＩＩＩ−Ｖ族及びＩＩ−ＶＩ族材料のような半導体、ドープされた半導体、並びにそれらの組合せを含む蛍光体がが挙げられる。
【００３７】
反射型偏光子と発光ダイオード１４００からの光を集光するために使用される照明光学機器との組合せによって再利用される光は、優先的に再利用されて発生領域へ戻ってよく、又は異なる領域へ再利用されてもよい。前記異なる領域は、再利用光から同じ色の光を発しても発しなくてもよい。好ましくは、前記発光ダイオードは再利用光のために低い吸収率を有する。
【００３８】
図２Ａは、投影器２０３の一部である光エンジン２００を示す。光エンジン２００は、偏光した光エンジン画像２０２を供給する。画像２０２は、コリメートされる。偏光した光画像２０２は、投影器２０３において偏光照射を供給し、これは偏光した光を選択的に反射する画素を有するＬＣＯＳ画像装置２０１を利用する。
【００３９】
光エンジン２００は、光源２０４を備える。例えば、図１Ｃに示すように、光源１５０は非コリメート光（光２０８のような）を放射する領域１５８、１６０、１６２、１６４、１６６及び光を再利用する非発光領域１６８、１７０、１７６、１７８を含む前面（図２Ａの光エンジン２００における前面２０６に匹敵する）を有する。前記発光領域１５８、１６０、１６２、１６４、１６６はまた、光を再利用することができる。一態様によれば、領域１５８、１６０、１６２、１６４、１６６は発光ダイオードアレイを含む。別の態様によれば、発光ダイオードアレイは白色光を発する。別の態様によれば、発光ダイオードアレイは赤色、緑色及び青色光を順次的に放射する。
【００４０】
一態様によれば、前記発光領域、非発光領域又は両領域は、光再利用のために蛍光体を備えることができる。別の態様によれば、発光領域、非発光領域又は両領域は、反射面を含むことができる。
【００４１】
光エンジン２００は、集光レンズ２１６を備える。集光レンズ２１６は、非コリメート光２０８を集光し、前面２０６の不完全なコリメート光２１８を供給する。一態様によれば、集光レンズ２１６はボールレンズを備える。別の態様によれば、集光レンズ２１６は高屈折率過半球ボールレンズを備える。
【００４２】
光エンジン２００は、コリメートレンズ２２２を備える。コリメートレンズ２２２は、不完全なコリメート光２１８を受け、前面２０６のコリメート画像２２４を供給する。一態様によれば、コリメートレンズ２２２は少なくとも１枚のフレネルレンズを備える。別の態様によれば、コリメートレンズ２２２は少なくとも１枚の凸レンズを備える。一態様によれば、光エンジン画像２０２はコリメート画像２２４と実質的に同じサイズを有する。別の態様によれば、光エンジン画像２０２はコリメート画像を含む。
【００４３】
光エンジン２００は、偏光フィルタ２３０を備えている。偏光フィルタは、前面２０６のコリメート画像２２４を受ける。偏光フィルタ２３０は、コリメート画像２２４の偏光部分２３２を偏光した光エンジン画像２０２の直接成分として通過させる。偏光フィルタ２３０は、再利用画像２４０を反射して前面２０６へ戻す。前面２０６は、再利用画像２４０を偏光した光エンジン出力２０２の再利用成分として供給する。前面２０６は、反射、蛍光体励起、又は両方によって再利用画像を供給することができる。一態様によれば、偏光フィルタ２３０は多層光学偏光フィルムを含む。
【００４４】
偏光フィルタ２３０は、偏光した光エンジン画像２０２の輝度均一性を改善しているために、直接成分に対する再利用成分の部分を横方向に変位させる曲率を有する湾曲したフィルタ形状を有する。一態様によれば、前記曲率は集光レンズ及びコリメートレンズにおける収差を補正するように調節される。別の態様によれば、前記湾曲したフィルタ形状はコリメートレンズ２２２に面する凸面２３６を含む。偏光フィルタの曲率は、発光ダイオードの輝度のパターンに応じて軸上又は軸外れとすることができる。図２Ｂに示される別の態様によれば、偏光フィルタ２５２は湾曲させ、傾斜させることができる。別の態様によれば、第１の領域は発光ダイオード中心（図１Ｃ参照）に対して中心外れの光学輝度パターンを放射する発光ダイオードを含み、再利用画像２４０の前面２０６上での中心合わせを改善するために、偏光フィルタ２５６は図２Ｃに示すように傾斜されている。
【００４５】
一態様によれば、偏光した光エンジン画像２００は、前面２０６の画像を含み、そこでは画像２０２の第２の領域は再利用光によって補填されている。別の態様によれば、光エンジン２００はライトトンネルを含まない。別の態様によれば、再利用画像２４０は前面２０６に対してオートコリメート画像を含む。別の態様によれば、光源２０４及び集光レンズ２１６は発光ダイオード・コンパウンド封止剤搭載レンズの部分になっている。
【００４６】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱しない形態及び詳細の変更を行えることが、当業者であれば理解できるであろう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【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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【国際調査報告】
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