(57)【要約】【課題】  物体に向けられる光ビームの輝度および色彩（色差）の空間的均一性を高めることができる発光装置のための光学システムを提供する。【解決手段】  光学システムは、光インテグレータ１１’およびコリメータ１２を備える。光インテグレータ１１’は、互いに対向する第一および第二の端部１１３、１１４をもつ光学体１１を備える。第二の端部１１４は、第二の端部１１４に光点５０を形成するように、第一の端部１１３に対して断面が縮小する。コリメータ１２は光学体１１の第二端部１１４に隣接して配置され、光路４に沿った光点５０からコリメータ１２までの距離は実質的にコリメータ１２の焦点距離と等しい。【選択図】        図１
2006085150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路を規定し、光源からの入射光の受光時に、空間的に均一な光ビームを生成する光学システムであって、
互いに対向する第一および第二の端部を備える光学体を含み、前記第二の端部は、前記光学体が前記第一の端部に入射する入射光の受光時に、前記第二の端部に光点を形成するように前記第一の端部に対して断面が縮小する、前記入射光が通過する通路のための第一の光インテグレータと、
前記光路に沿った前記光点から第一のコリメータまでの距離が、前記第一のコリメータの焦点距離と実質上等しくなるように、前記光学体の前記第二の端部に隣接して配置された前記第一のコリメータとを備え、
前記第一のコリメータは、前記光学体の前記第二の端部における前記光点から入ってくる光ビームの平行光線の出力を可能にしている
ことを特徴とする光学システム。
【請求項２】
前記光学体は中空である
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。
【請求項３】
前記光学体の前記第二の端部の断面における直径は、０．１ｍｍから１０ｍｍの間の値である
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。
【請求項４】
前記光学システムは、さらに、前記光学体の前記第二の端部からの均一な光ビームの出力効率を上げるために、前記光学体の前記第二の端部上に塗布された光学多層膜を備える
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。
【請求項５】
前記光学体は、前記第一の端部から前記第二の端部に向けて次第に先細りになるテーパ状である
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。
【請求項６】
前記光学体は、円錐台の形状を有する
ことを特徴とする請求項５記載の光学システム。
【請求項７】
前記光学体は、光反射膜で形成された外周表面を有する
ことを特徴とする請求項６記載の光学システム。
【請求項８】
前記光学体は、反射金属層で形成された外周表面を有する
ことを特徴とする請求項６記載の光学システム。
【請求項９】
前記光学システムは、さらに、前記光源からの前記入射光の受光時に、前記光学体の前記第一の端部に入射光を集束するように、前記光学体の前記第一の端部に隣接して配置された、第一の集光レンズを備える
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。
【請求項１０】
前記光学システムは、さらに、複数の第二の光インテグレータからなる配列を備え、
各前記第二の光インテグレータは、テーパ状の光学体を含み、前記光源からの入射光を受光し、前記入射光に対応する処理された光ビームを前記第一の光インテグレータの前記光学体における前記第一の端部に出力するために、前記第一の光インテグレータの前記光学体における前記第一の端部に隣接して配置される
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。
【請求項１１】
前記光学システムは、さらに、複数の第二のコリメータを備え、
前記複数の第二のコリメータの各々は、前記第一の光インテグレータの前記光学体における前記第一の端部と、対応する一つの前記第二の光インテグレータの間に配置されている
ことを特徴とする請求項１０記載の光学システム。
【請求項１２】
前記光学体は、直線部分とテーパ状の部分とを含み、
前記テーパ状の部分は、前記直線部分と交互に配置されており、前記光学体の前記第一の端部から前記第二の端部の方向に次第に先細りになるテーパ状である
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。
【請求項１３】
前記光学体は、第一および第二のテーパ状の部分並びに前記第一および第二のテーパ状の部分に接続され配置された中間テーパ部分を含み、
前記第一のテーパ状の部分は、前記光学体の前記第一の端部を規定する端部を含み、
前記第二のテーパ状の部分は、前記光学体の前記第二の端部を規定する端部を含み、
前記第一および第二のテーパ状の部分は、前記光学体の前記第一の端部から前記第二の端部の方向に次第に先細りになるテーパ状であり、
前記中間テーパ状の部分は、前記光学体の前記第一の端部から前記第二の端部の方向とは逆方向に次第に先細りになるテーパ状である
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。
【請求項１４】
前記光学体の第一および第二の端部の各々は、湾曲した端面を有する
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。
【請求項１５】
光源光ビームを生成する光源と、
互いに対向する第一および第二の端部を備える光学体を含み、前記第二の端部は、前記光学体が前記第一の端部に入射する入射光の受光時に、前記第二の端部に光点を形成するように前記第一の端部に対して断面が縮小する、前記入射光が通過する通路のための第一の光インテグレータを備える、光路を規定する光学システムと、
前記光路に沿った前記光点からのコリメータまでの距離が、前記コリメータの焦点距離と実質上等しくなるように、前記光学体の前記第二の端部に隣接して配置された前記コリメータを備え、
前記コリメータは、前記光学体の前記第二の端部における前記光点から入ってくる光ビームの平行光線の出力が可能である
ことを特徴とする発光装置である。
【請求項１６】
前記光学体は中空である
ことを特徴とする請求項１５記載の発光装置。
【請求項１７】
前記光学体の前記第二の端部の断面における直径は、０．１ｍｍから１０ｍｍの間の値である
ことを特徴とする請求項１５記載の発光装置。
【請求項１８】
前記光学体は、前記第一の端部から前記第二の端部に向けて次第に先細りになるテーパ状であることを特徴とする請求項１５記載の発光装置。
【請求項１９】
前記光学体は、円錐台の形状を有する
ことを特徴とする請求項１８記載の発光装置。
【請求項２０】
前記光学体は、光反射膜で形成されている外周表面を有する
ことを特徴とする請求項１９記載の発光装置。
【請求項２１】
前記光学体は、反射金属層で形成されている外周表面を有する
ことを特徴とする請求項１９記載の発光装置。
【請求項２２】
前記発光装置は、前記複数の光源からなる配列を備える
ことを特徴とする請求項１５記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学システムに関し、特にプロジェクタやディスプレイに有用な発光装置のための光学システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のプロジェクタ装置は、光源及び物体に光ビームを収束するための光学レンズセットを備える。従来のプロジェクタ装置で用いられる光源がメタルハライドランプまたは高圧水銀ランプである場合、電力の増加によって耐用年数は減少する。一方、前記ランプよりも耐用年数の長い、発光ダイオード（ＬＥＤｓ）が光源として用いられた場合、結果として生じる物体に投射された光ビームの空間的均一性は、輝度、色彩、レンズセットの相対位置等のＬＥＤｓの光学特性の違いにより劣る。
【０００３】
特許文献１は、画像プロジェクタ装置における照射機を開示している。照射機は光ビームを生成するための光源、光源から光ビームを受光する複数の第一の次第に先細りになるテーパ状光パイプからなる配列、第一のテーパ状光パイプから均一な光ビームを受光する第二のテーパ状光パイプ、および光バルブを備える。第二のテーパ状光パイプは、光バルブの表面部に対応する断面をもった光射出端末を備える。第二のテーパ状光パイプの光射出端末は大きすぎるため、光源からの光ビームを受光時に光点を生成することができない。よって、照射機を通して均一な光ビームを形成するための改良には制限がある。
【０００４】
特許文献２は、照準光ビームを生成するための光学システムを開示している。光学システムは、光ビームを生成するための照準光源、光ビームを受光するための集光レンズ、集光レンズからの光ビームを受光するための空間的光インテグレータ、それを通して空間的光インテグレータからの光ビームが向けられる絞り、および絞りを通過した光ビームを受光し、照準光ビームを出力するコリメータを備える。光学システムの目的は照準光ビームを生成することであるので、光学システムで用いられる光インテグレータは、直線の狭い光の通路をもつ反射型矩形光パイプもしくは中空反射型矩形光パイプの形態である必要がある。光学システムで用いられる絞りは、ピンホールもしくはフィールドストップの形態である必要がある。光ビームは、絞りによって光点に収束することができるが、光ビームの多くの部分は絞りによってブロックされ、絞りを通過することができない。よって、物体に向けられた光ビームの輝度の減少を引き起こす。
【特許文献１】米国特許第6318863号明細書
【特許文献２】米国特許第6396647号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
よって、本発明の主な目的は、上記先行技術の問題点を克服し、物体に向けられる光ビームの輝度および色彩（色差）の空間的均一性を高めることができる発光装置のための光学システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明が提供する光学システムは、光路を規定し、光源からの入射光の受光時に、空間的に均一な光ビームを生成する光学システムであって、互いに対向する第一および第二の端部を備える光学体を含み、前記第二の端部は、前記光学体が前記第一の端部に入射する入射光を受光時に、前記第二の端部に光点を形成するように前記第一の端部に対して断面が縮小する、前記入射光が通過する通路のための第一の光インテグレータと、前記光路に沿った前記光点から第一のコリメータまでの距離が、前記第一のコリメータの焦点距離と実質上等しくなるように、前記光学体の前記第二の端部に隣接して配置された前記第一のコリメータとを備える。
【０００７】
このような構成にすることで、照射機を通して均一な光ビームを形成するための改良が容易になり、物体に向けられた光ビームの輝度の減少を抑えることができる。
【０００８】
好ましくは、前記光学体は中空であり、第二の端部の断面における直径は、０．１ｍｍから１０ｍｍの間の値である。
【０００９】
これにより、光学体から出力される光ビームの空間的均一性が向上する。
【００１０】
さらに好ましくは、前記光学体の第二の端部には、光学多層膜が塗布されている。
【００１１】
これにより、記光学体の前記第二の端部からの均一な光ビームの出力効率を上げることができる。
【００１２】
さらに好ましくは、前記第一の端部から前記第二の端部に向けて次第に先細りになるテーパ状をしている。
【００１３】
これにより、光学体の第一の端部入射した入射光を受光する時に、第二の端部において光点が形成される。
【００１４】
さらに好ましくは、前記光学体は、円錐台の形状を有する。これにより、光伝播の完全な混合を可能となる。
【００１５】
さらに好ましくは、前記光学体は、光反射膜または反射金属層で形成された外周表面を有する。これにより、光学体に入射する光ビームがいかなる入射角であっても、光学体内部における全体での反射が可能となる。
【００１６】
さらに好ましくは、前記光学システムは、前記光学体の前記第一の端部に隣接して配置された、第一の集光レンズを備える。これにより、前記光源からの前記入射光の受光時に、前記光学体の前記第一の端部に入射光を集束することができる。
【００１７】
なお、本発明における光学体の形状や物質を変えることにより、容易に改良することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、光源からの入射光の受光時に、空間的に均一な光ビームを生成する光学システムを提供する。前記光学システムは、光路を規定し、互いに対向する第一と第二の端部を備える光学体を含み、前記第二の端部は、前記光学体が前記第一の端部に入射する入射光の受光時に、前記第二の端部に光点を形成するように前記第一の端部に対して断面が縮小する、前記入射光が通過する通路のための光インテグレータと、前記光路に沿った前記光点からコリメータまでの距離が、前記第一のコリメータの焦点距離と実質上等しくなるように、前記光学体の前記第二の端部に隣接して配置された前記第一のコリメータとを備え、前記第一のコリメータは、前記光学体の前記第二の端部における前記光点から入ってくる光ビームの平行光線の出力が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、実施の形態に従い本発明の詳細が説明されるが、以下の開示を通して同様の部位は同一の参照番号で示される。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態１における発光装置を示す図である。発光装置は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤｓ）２１、２２、２３からなる光源２、および光源２のＬＥＤｓ２１、２２、２３からの入射光を受光時に空間的に均一な光ビーム、つまり光源光ビームを生成するための光路４に沿った光源２と並んで配置された光学システムを備える。
【００２１】
光学システムは、入射光の通路のための第一の光インテグレータ１１’と第一コリメータ１２とを備える。第一の光インテグレータ１１’は、互いに対向する第一および第二の端部１１３、１１４を含む光学体１１を備え、第二の端部１１４は、第一の端部１１３に対して、光学体１１が第一の端部１１３へ入射した入射光を受光時に第二の端部において光点５０を形成するように、断面が縮小する。第一のコリメータ１２は、光学体１１の第二の端部１１４に隣接して配置され、光路４に沿った光点５０から第一のコリメータ１２までの距離は、実質上第一のコリメータ１２の焦点距離（ｆ）と等しい。よって、第一のコリメータ１２は光学体１１の光点５０からの並行光線を出力することができる。
【００２２】
本実施の形態において、光学体１１の第二の端部１１４の（円形の）断面の直径は、最小の光点５０の値となるような、０．１ｍｍから１０ｍｍの間の値であることが好ましい。これによって、光学体１１から出力される光ビームの空間的均一性が向上する。一方、光学体１１の第二の端部１１４の断面形状は、三角形、四角形、矩形、および多角形であってもよい。
【００２３】
光学体１１は、第一の端部１１３から第二の端部１１４にかけて次第に先細りになるテーパ状であり、その形状は、光路４に沿って光学体１１において光伝播の完全な混合を可能にする円錐台であることが好ましい。光学体１１を通過後の光の混合は、光学体１１の第一および第二の端部１１３、１１４における光路４に対して、各ＬＥＤ２１（２２、２３）からの光源光ビームの光線１’、１”（２’、２”、３’、３”）の位置における変化から分かる。
【００２４】
光学体１１は、光学体１１の第一の端部１１３から第二の端部１１４を、光学体１１の第一の端部１１３から第二の端部１１４の方向への光ビーム伝播の間の光学体１１における全反射を可能にするように、光学体１１の第一の端部１１３から第二の端部１１４を収束する外周表面１１２を備える。
【００２５】
光学体１１は、固形体もしくは中空体であってもよい。光学体１１が中空体である場合、光学体１１の外周表面１１２は、光学体１１に入射する光ビームのいかなる入射角においても光学体１１における全反射を可能にするように、光学反射多層膜のような反射金属層１１２０または反射膜で形成されていることが好ましい。光学体１１が固形体である場合、それはポリカーボネイトやアクリル製物質のような高屈折率物質からなることが好ましい。
【００２６】
また、光学体１１における全反射の最大数は、以下の式を満たすことで得ることができる。
【数１】
2006085150.tif 000003
【００２７】
ここで、θ0（図３参照）は光学体１１に最初に入射した光ビームの最初の入射角を示し、φは光学体１１によって決められた頂角を示し、ｎ1はポリカーボネイトのような光学体１１の屈折角を示し、ｎ2は空気のような光学体１１の周囲の屈折率を示し、ｎmaxは全反射の最大数を示す。なお、中空体において、光学体１１における全反射の最大数ｎmaxは以下の式によって表すことができる。
ｎmax＝θ0／φ
【００２８】
数１は、以下の式によって導出される。
【００２９】
図２を参照し、θnは光学体１１におけるｎ回の反射後の光ビームの入射角を示し、θn+1はθnの後の次の入射角を示す。θnとθn+1との関係は、次のように表される。
【数２】
2006085150.tif 000004
【００３０】
従って、光学体１１におけるｎ回の全反射後の入射角θnは数２から導出することができ、以下の式によって表すことができる。
【数３】
2006085150.tif 000005
【００３１】
全反射は以下のように定義される臨界角θcより大きい入射角θnを必要とするので、
【数４】
2006085150.tif 000006
θnとθcとの関係は、以下の式によって表すことができる。
【数５】
2006085150.tif 000007
【００３２】
従って、全反射の最大数、つまり数１は、数５から導出することができる。なお、数１を満たすことによって、光学体１１における光ビームの逆反射を最小にすることができる。
【００３３】
数１より、全反射の数は、最初の入射角θ0の増加に従って増加し得る。それは、集光レンズ１３を用いて入射角θinを小さくすること（図３参照）によって達成することができる。θ0とθinとの関係は、以下の式によって表すことができる。
【数６】
2006085150.tif 000008
従って、集光レンズ１３を用いることにより、全反射の数が増加し得る。
【００３４】
図２は本発明における発光装置の実施の形態２におけるインテグレータを説明する図である。本実施の形態における光インテグレータは、光学体１１の第二の端部１１４からの均一な光ビームの出力効率を上げるために光学体１１の第二の端部１１４上に塗布された既知の光学多層膜１１５を含む点において、前記実施の形態における光インテグレータと異なる。
【００３５】
図３は本発明における発光装置の実施の形態３を説明する図である。本実施の形態における発光装置は、光源２から入射光を受光する時に、光学体１１の第一の端部１１３に入射光を収束するように光学体１１の第一の端部１１３と隣接して配置された第一の集光レンズ１３を備える点において、実施の形態１と異なる。
【００３６】
図４は、本発明における発光装置の実施の形態４を説明する図である。本実施の形態の発光装置は、光源２が複数のＬＥＤｓの配列を備える点、また光学体１１の第一および第二の端部１１３、１１４が各々湾曲した端面をもっている点において、実施の形態３と異なる。
【００３７】
図５は、本発明における発光装置の実施の形態５における光インテグレータを説明する図である。本実施の形態における光インテグレータは、光学体１１が直線部分１１６および、直線部分１１６と交互に配置され、光学体１１の第一の端部１１３から第二の端部１１４の方向に次第に先細りになるテーパ状の部分１１７を備える点において、実施の形態１と異なる。
【００３８】
図６は、本発明における発光装置の実施の形態６における光インテグレータを説明する図である。本実施の形態における光インテグレータは、光学体１１が第一、第二のテーパ状の部分１１７、１１９、および第一と第二のテーパ状の部分１１７、１１９を連結し、間に配置される中間テーパ状の部分１１８を備える点において、実施の形態１と異なる。第一のテーパ状の部分１１７は光学部１１の第一の端部１１３を定義する端部を備えている。第二のテーパ状の部１１９は、光学体１１の第二の端部１１４を定義する端部を備えている。第一と第二のテーパ状の部分１１７、１１９は、光学体１１の第一の端部１１３から第二の端部１１４の方向にテーパ状である。中間テーパ状の部分１１８は、光学体１１の第一の端部１１３から第二の端部１１４の方向とは逆方向にテーパ状である。
【００３９】
図７は、本発明における発光装置の実施の形態７を説明する図である。本実施の形態における発光装置は、複数の第二の光インテグレータ３１’から成る配列を含む点において、実施の形態１と異なる。複数の第二の光インテグレータ３１’の各々は、テーパ状の光学体３１を備え、各第二の光インテグレータ３１’は光源２からの入射光を受光し、入射光に対応する処理された光ビームを第一の光インテグレータ１１’の光学体１１における第一の端部１１３に出力するために、第一の光インテグレータ１１’の光学体１１における第一の端部１１３に隣接して配置されている。本実施の形態において、光源２は、複数のＬＥＤｓから成る配列を備える。第二の光インテグレータ３１’は、一部品に一体化して形成される。第二の光インテグレータ３１’が備えるテーパ状の光学体３１は第一の光インテグレータ１１’の光学体１１と同様の構成である。
【００４０】
図８は、本発明における発光装置の実施の形態８を説明する図である。本実施の形態における発光装置は、複数の第二の光インテグレータ３１’と複数の第二のコリメータ１２’とを備えている点において、実施の形態１と異なる。また、本実施の形態の発光装置は、複数の集光レンズ１３と複数の光源２とを備える。第二の光インテグレータ３１’の各々は、第一の光インテグレータ１１’の光学体１１と同様の構成をもつテーパ状の光学体３１を備える。第二のコリメータ１２’の各々は、第一の光インテグレータ１１’の光学体１１の第一の端部１１３と第二の光インテグレータ３１’の各テーパ状の光学体３１との間に配置される。各集光レンズ１３は、第二の光インテグレータ３１’のテーパ状の光学体３１と光源２との間に配置される。
【００４１】
図９は、本発明における発光装置の実施の形態９を説明する図である。本発明の発光装置は、複数の集光レンズ１３を備える点において、実施の形態３と異なる。光源２は、複数の高圧水銀ランプを備える。各集光レンズ１３は、高圧水銀ランプによって生成された光ビームを受光する。
【００４２】
本発明の実施の形態における光学システムの第一の光インテグレータ１１’の光学体１１によって、前記先行技術にかかる問題点を解消することができる。
【００４３】
本発明は実用的および最良の形態を考慮して記載されているが、本発明は本開示の実施の形態に限定されるものではなく、あらゆる変更や同等の仕組みを含むような広義の解釈の範囲における様々な仕組みを含むものとする。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、プロジェクタやディスプレイ等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る発光装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る発光装置の光インテグレータを説明する断面構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る発光装置の光学システムおよび光源の配列を説明する構成図である。
【図４】本発明の実施の形態４に係る発光装置の光学システムおよび光源の配列を説明する構成図である。
【図５】本発明の実施の形態５に係る発光装置の光インテグレータを説明する構成図である。
【図６】本発明の実施の形態６に係る発光装置の光インテグレータを説明する構成図である。
【図７】本発明の実施の形態７に係る発光装置の光学システムおよび光源の配列を説明する構成図である。
【図８】本発明の実施の形態８に係る発光装置の光学システムおよび光源の配列を説明する構成図である。
【図９】本発明の実施の形態９に係る発光装置の光学システムおよび光源の配列を説明する構成図である。
【符号の説明】
【００４６】
２  光源
１’，１”，２’，２”，３’，３”  光源からの光ビームの光線
４  光路
１１，３１，３１１  光学体
１１’，３１’  光インテグレータ
１２，１２’  コリメータ
１３  集光レンズ
２１，２２，２３  発光ダイオード（ＬＥＤｓ）
５０  光点
１１２  光学体の外周表面
１１３，３１３  光学体の第一の端部
１１４，３１４  光学体の第二の端部
１１５  光学多層膜
１１２０  反射金属層
１１６  光学体の直線部分
１１７，１１８，１１９  光学体のテーパ部分
【図１】
2006085150.tif 000009
【図２】
2006085150.tif 000010
【図３】
2006085150.tif 000011
【図４】
2006085150.tif 000012
【図５】
2006085150.tif 000013
【図６】
2006085150.tif 000014
【図７】
2006085150.tif 000015
【図８】
2006085150.tif 000016
【図９】
2006085150.tif 000017