(57)【要約】  本発明は、入口面と出口面と光源（３０１）を配することができる開口とを持つ光ガイド（３０２）を有する照明システム（３００）、および斯かる照明システム（３００）を有する表示システムに関する。本発明の概念は、光ガイド（３０２）に入射する光ビームの角度をシステム（３００）の光軸（３０４）に対して増加させて、光ガイド（３０２）の出口面において均一な照明を作り出すように、種々の素子（３０６,３０７）が光ガイド（３０２）に配されるという点にある。請求項の照明システム（３００）は、与えられた光ガイド（３０２）の長さを短くし、均一な照明と高い光学効率を備えながらも照明システム（３００）を小さくし、明るくし、さらにコンパクトにするので、本発明は有利である。
2007519178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口面と出口面と光源を配することができる開口とを持つ光ガイドを有する照明システムであって、
前記照明システムが、
前記光ガイドの入口面の近傍に配される光反射構造であって、前記光源を取り付けることができる開口が設けられる光反射構造、および
前記光ガイドの出口面の近傍に配される第１の光屈折構造、
を有し、
前記第１の光屈折構造において、前記照明システムの光軸に対し第１の角度インターバルの光ビームの少なくとも一部は屈折して前記光ガイドの出口面を照らし、前記光軸に対し第２の角度インターバルの光ビームの少なくとも一部は反射して前記光ガイドでリサイクルされる、照明システム。
【請求項２】
前記光反射構造と前記第１の光屈折構造との間に配される光拡散エレメントであって、光拡散エレメントに入射する光ビームの前記光軸に対する角度を変更する光拡散エレメント、を更に有する、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３】
前記光ガイドの出口面の近傍に配される反射偏光子であって、第１の偏光モードの光ビームを透過し、第２の偏光モードの光ビームを反射する反射偏光子、を更に有する、請求項１又は２に記載の照明システム。
【請求項４】
前記光ガイド内に配される偏光変換エレメントであって、前記偏光変換エレメントに入射する光ビームの偏光モードを変える偏光変換エレメント、を更に有する、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項５】
前記光ガイドの入口面の近傍に配される第２の光屈折構造であって、前記第２の光屈折構造で屈折する光ビームの前記光軸に対する角度を増加する第２の光屈折構造を更に有する、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項６】
前記光ガイドは複数の開口を有し、光源が前記各開口に配され、前記光源のスペクトル特性に適合するダイクロイック・コーティングが前記各開口に配される、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項７】
前記光源はＬＥＤである、請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項８】
前記光源はレーザである、請求項１〜７のうちのいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項９】
前記光源はガス放電ランプである、請求項１〜８のうちのいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちのいずれか一項に記載の照明システムを有する表示システム。
【請求項１１】
請求項１〜９のうちのいずれか一項に記載の照明システムを有する投射表示システム。
【請求項１２】
請求項１〜９のうちのいずれか一項に記載の照明システムを有する直視型ＬＣＤシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入口面と出口面と光源を配することができる開口とを持つ光ガイドを有する照明システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ（発光ダイオード）を有する光源は、ますます大きな光出力を生成するように設計されている。ＬＥＤ光源は、低電力携帯アプリケーション（セルラーフォンのマイクロビーマなど）から数百ルーメン〜数千ルーメンが必要なアプリケーションの範囲にわたって、投射システムに使用されることが予想される。ＬＥＤ光源の不利な点は、非常に高い屈折率を有する半導体材料中に光が発生することであり、これによって、ＬＥＤからの光はあらゆる方向に放出されることになる。
【０００３】
近年、ロッド型光ガイドを有する光学システムでの光再利用方法に関する開発が盛んである。将来的な光ガイドシステムは非常にコンパクトな照明システムになり、したがって、超小型投射システムに適するであろう。ロッド型光ガイドの物理的な長さおよび重さは、光ガイドでの光ビームの最大角度分布によって決まる。ロッド型光ガイドの長さは、光ガイドの出口面で均一な照明を得るのに十分な回数だけ光ガイド内の光ビームがそのガイドの内面で反射するように、十分に長いことが必要とされる。ロッド型光ガイドに入射する光ビームであって、そのガイドの光軸に対して小さい角度だけ傾く光ビームは、光ガイドの終端面を均一に照射できるように長い距離を進むことが必要である、即ち、均一に照明できるように光ガイドは十分に長くなければならない。
【０００４】
ＵＳ特許番号６,５４７,４００号は光源装置を開示しており、この光源装置は、光を反射可能な内壁が備えられる光ガイドブロックであって、光ガイドを形成する中空部品の形状の光ガイドブロックと、光ガイドブロックの一端面に対向して位置する点光源アレイであって、光ガイドに光を放射可能な点光源アレイと、を有している。この特許では、複数のＬＥＤを有する光源アレイの中心の近くの領域から放出される光は、光ガイドの内側反射面で反射することなく、光ガイドの出口面を通じて送り出される。
【０００５】
ＵＳ特許番号６,５４７,４００号の問題は、光ガイドの出口面において均一な照明を可能とするために、光ガイドが十分に長くなければならないことである。この事実により、光ガイドは大きくて扱いにくくなり、このことは、より小さく、より軽く、よりコンパクトなプロジェクタの趨勢に基本的に合わない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上記の問題を解決し、小さく、軽く、コンパクトな照明システムであって、均一に照明し光学効率が高い照明システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、入口面と出口面と光源を配することができる開口とを持つ光ガイドを有する請求項１の照明システムによって達成される。好ましい実施例は、従属項によって規定されている。
【０００８】
本発明の一態様によれば、光反射構造は光ガイドの入口面の近傍に配され、この光反射構造は、上記光源を取り付けることができる開口が設けられる。さらに、第１の光屈折構造は、上記光ガイドの出口面の近傍に配される。第１の光屈折構造において、上記照明システムの光軸に対し第１の角度インターバルの光ビームの少なくとも一部は屈折して上記光ガイドの出口面を照らし、上記光軸に対し第２の角度インターバルの光ビームの少なくとも一部は反射して上記光ガイドでリサイクルされる。
【０００９】
本発明の概念は、光ガイドに入射する光ビームの角度を照明システムの光軸に対して増加させて、光ガイドの出口面において均一な照明を作り出すように、種々の素子が光ガイドに配されるという点にある。光反射構造は上記光ガイドの入口面の近傍に配され、この光反射構造は、例えばＬＥＤ、レーザ、又はガス放電ランプの形態の光源を取り付けることができる開口が設けられる。第１の光屈折構造は上記光ガイドの出口面の近傍に配され、第１の光屈折構造において、光軸に対し第１の角度インターバルの光ビームの少なくとも一部は屈折して上記光ガイドの出口面を照らす。第１の角度インターバルは、第１の屈折構造を透過するために光軸に対して光ビームが持たなければならない最小角度から９０°までの角度インターバルとして定義され、この９０°は、もちろん、光ビームが光軸と同軸の構造に入射するのに持つことができる最大角度である。更に、上記第１の光屈折構造において、光軸に対し第２の角度インターバルの光ビームの少なくとも一部は反射して上記光ガイドでリサイクルされる。第２の角度インターバルは、０°から、光ビームが第１の屈折構造で反射できるために光軸に対して持つことのできる最大角度までの角度インターバルとして定義される。第１の角度インターバルに関連するＬＥＤの光ビーム、即ち、光軸に対して比較的「大きい」角度の光ビームは、第１の屈折構造を透過し、光ガイドの出口面を照明する。第２の角度インターバルに関連するＬＥＤの光ビーム、即ち、光軸に対して比較的「小さい」角度の光ビームは、第１の屈折構造で反射し、続いて光ガイドでリサイクルされる。第１の屈折構造で反射する光ビームは、光ガイドの入口面において光反射構造に入射し、したがって、この光反射構造およびＬＥＤ自体の表面で反射する。これらの光ビームは、最終的には第１の角度インターバルに到達し、したがって、第１の屈折構造を透過する。
【００１０】
請求項の照明システムは、与えられた光ガイドの長さを短くし、均一な照明と高い光学効率を備えながらも照明システムを小さくし、明るくし、さらにコンパクトにするので、本発明は有利である。第１の屈折構造は、例えばプリズム構造を有するフィルムであり、光ガイドの長さを劇的に短くできる利点を有する。これは、光ガイドの出口面において均一な照明を得るために、第１の角度インターバルの光ビームが光ガイドの中で十分な回数往復するように進まなければならない距離が、かなり短くなるという事実による。光ガイドの寸法の縮小は、マイクロプロジェクタ、携帯電話アプリケーション、および、できるだけ小さい部品を必要とする他のアプリケーションにとって、かなり重要である。更に、光反射構造、例えばミラーは、先ずプリズムで反射した光ビームが次にこのミラーで反射し、最終的に第１の角度インターバルに到達し、したがってプリズムを透過するようにする。
【００１１】
本発明による一実施例によれば、光拡散エレメントが、上記光反射構造と上記第１の光屈折構造との間に配され、この光拡散エレメントに入射する光ビームの上記光軸に対する角度を変更する。この実施例は、システムの光軸に対する光ビームの角度が増加するという利点を有する。第２の角度インターバルの光ビームは、数回の往復で第１の角度インターバルに到達する。これは、光ガイドの出口面において均一な照明を得るために、第２の角度インターバルに関連する光ビームが光ガイドの中で十分な回数往復するように進まなければならない距離が、短くなるという事実の結果である。結局、光ガイド自体の寸法を小さくすることができる。
【００１２】
本発明の別の実施例によれば、反射偏光子が上記光ガイドの出口面の近傍に配され、第１の偏光モードの光ビームを透過し、第２の偏光モードの光ビームを反射する。
【００１３】
本発明の更に別の実施例によれば、偏光変換エレメントが上記光ガイド内の例えば入口面のミラーに配され、上記偏光変換エレメントに入射する光ビームの偏光モードを変える。これは、偏光変換エレメントが、反射偏光子で反射した光ビームの偏光モード（即ち第２の偏光モードの光ビーム）を、これらの光ビームが第１の偏光モードになるように変えるという利点を有する。この効果は、光ビームが第１の偏光モードを有し、反射偏光子を透過することである。
【００１４】
本発明の他の実施例によれば、第２の光屈折構造は、例えばプリズム構造を有するフィルムであり、上記光ガイドの入口面の近傍に配され、上記第２の光屈折構造で屈折する光ビームの上記光軸に対する角度を増加させる。これは、第２の角度インターバルの入射光ビームが第２の光屈折構造で屈折し、この屈折した光ビームが第１の角度インターバルであるので、第２の光屈折構造を通過する第２の角度インターバルの光ビームが光ガイド内で早期の段階で第１の角度インターバルに到達するという利点を有する。したがって、光ガイドの寸法は小さくなる。
【００１５】
本発明による更に他の実施例によれば、上記光ガイドは複数の開口が設けられ、光源が上記各開口に配され、上記光源のスペクトル特性に適合するダイクロイック・コーティングが上記各開口に配される。この実施例は、各ダイクロイック・コーティングに適合するスペクトル特性を有する光ビームが、入口面のミラー、即ち光反射構造を通過し、他のスペクトル特性を有する光ビームが反射するという利点を有する。これによって、複数の異なる色のＬＥＤが照明システムに結合されることが可能となり、例えば、１つは赤のＬＥＤ、１つは緑のＬＥＤ、および１つは青のＬＥＤとすることができる。
【００１６】
本発明の他の特徴、および利点は、特許請求の範囲および以下の記載を考慮することによって明らかになる。当業者は、本発明の異なる特徴を組み合わせて以下に記載される実施例とは異なる実施例を作り出すことができることが分かる。当業者にとって、多くの異なる変形例、修正例、及び組合せが明らかになる。代替実施例は、例えば、レーザ光源又はガス放電ランプを使用することができる。
【００１７】
本発明の好ましい実施例は、添付図面を参照して更に詳細に記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、ロッド型光ガイドを有する先行技術の光学システムを示す。光ガイド１０２の入口面にＬＥＤ１０１が配されている。ＬＥＤ１０１はあらゆる方向に光を放出するが、光ビームは、起こり得る２つの異なる角度インターバル１０３，１０５のうちの１つを有するようにモデル化できる。第１の角度インターバル１０３の光ビームは、光軸１０４に対して「大きい」角度を有し、第２の角度インターバル１０５の光ビームは、光軸１０４に対して「小さい」角度を有する。第２の角度インターバル１０５に関する光ビームは、次にプロジェクションレンズ（図示せず）の瞳孔を通過し、第１の角度インターバル１０３の光ビームは、プロジェクションレンズの瞳孔においてブロックされる。ロッド型光ガイド１０２の物理的な長さは、主に、第２の角度インターバル１０５の光ビームによって、定められる。この長さは、光ガイド１０２の中の第２の角度インターバル１０５の光ビームがガイド１０２の内面で十分な回数だけ反射して光ガイドの出口面１０４において均一の照明が得られるように、十分に長いことが必要である。
【００１９】
図２は、本発明で使用されるプリズム構造２０５での光ビームの屈折の原理図を示す。プリズム構造２０５は、第１の角度インターバル内の光ビーム２０２がプリズム構造２０５で屈折し、結果として生じる光ビーム２０４が後で光学システム内のプロジェクションレンズ（図示せず）を通過する点でこの光ビーム２０４がこの光学システムに適合するように、構成される。第２の角度インターバル内の光ビーム２０１は、プリズム構造２０５で反射し、光ビーム２０３になる。
【００２０】
図３は、本発明の一実施例による照明システム３００を示す。ＬＥＤ３０１は、光ガイド３０２の入口面において、ミラー３０７の形態の光反射構造の開口に取り付けられる。光ガイド３０２の出口面に、第１の屈折構造、ここではプリズム構造３０６（図２を基準にして記載されている）を有するフィルムが、配されている。第１の角度インターバル３０３に関連する光ビーム、即ち、光軸３０４に対して大きい角度を有する光ビームは、プリズム構造３０６で屈折し、光ガイド３０２の出口面を照明する。第２の角度インターバル３０５に関連する光ビーム、即ち、光軸３０４に対して小さい角度を有する光ビームは、プリズム構造３０６で反射し、光ガイド３０２の入口面のミラー３０７の方向に送られる。プリズム構造３０６で反射した光ビームはミラー３０７に入射し、したがって、ミラー３０７およびＬＥＤ３０１自体の表面で反射する。これらの光ビームは、結局、第１の角度インターバル３０３に達し、したがってプリズム構造３０６を透過する。
【００２１】
図４は、本発明の一実施例による、図３による照明システムに光拡散素子４０８が更に配されたものを示す。光拡散素子４０８はプリズム構造４０６に配されているが、実質的には、光ガイド４０２内の、プリズム構造４０６とミラー４０７との間のどこにでも配して、拡散素子４０８に入射する光ビームの光軸４０４に対する角度を変えることができる。光拡散素子４０８を使用することによって、照明システム４００の光軸４０４に対する光ビームの角度が増加するという効果がある。第２の角度インターバル４０５の光ビームは数回の往復で第１の角度インターバル４０３に達し、これによって、結果として、光ガイド４０２の長さが削減される。
【００２２】
図５は、本発明の一実施例による、図４による照明システムに反射偏光子５０９と偏光変換素子５１０とが更に配されたものを示す。反射偏光子５０９は、光ガイド５０２の端面に配され、第１の偏光モードの光ビームを透過し、第２の偏光モードの光ビームを反射する。偏光変換素子５１０はミラー５０７に配され、偏光変換素子５１０に入射する光ビームの偏光モードを変更する。図５の実施例の効果は、光ビームがいつかは反射偏光子５０９を透過するように、偏光変換素子５１０が反射偏光子５０９で反射する光ビームの偏光モードを変更する点である。偏光変換素子５１０は、好ましくはいわゆるλ／４フィルムであるが、プリズム構造５０６および光拡散素子５０８で使用される強複屈折プラスチック材料（strong birefringent plastic material）などの偏光解消材料（depolarizing material）からなるものも可能である。
【００２３】
図６は、本発明の一実施例による、図５による照明システムに第２の光屈折構造６１１が更に配されたものを示す。第２の光屈折構造は第２のプリズム構造６１１であるが、ミラー６０７の開口に配されている。第２のプリズム構造６１１で屈折する光ビームの角度は、照明システム６００の光軸６０４に対して増加する。光ガイド６０２に入射する全ての光ビームのうちの一部の光ビーム６１２は、普通には第２の角度インターバル６０５に含まれていたであろうが、第２のプリズム構造６１１により、これらの光ビームは早期に第１の角度インターバル６０３に到達する。したがって、光ガイド６０２のサイズが縮小される。
【００２４】
図７は、図５による照明システムを示すが、このシステム７００は複数の開口が設けられており、本発明の一実施例によれば各開口に光源７０１’、７０１”、７０１'''が配されている。更に、光源７０１’、７０１”、７０１'''のスペクトル特性に適合するダイクロイック・コーティング７１３’、７１３”、７１３'''が各開口に配されている。この実施例は、ダイクロイック・コーティング７１３’、７１３”、７１３'''に適合するスペクトル特性を有する光ビームが入口面ミラー７０７を通過し、他のスペクトル特性を有する光ビームは反射するという利点を有する。これにより、例えばＬＥＤ、レーザ、およびガス放電ランプを有する異なる色の複数の光源７０１’、７０１”、７０１'''を照明システム７００に結合することが可能となり、例えば、１つは赤のＬＥＤ、１つは緑のＬＥＤ、および１つは青のＬＥＤとすることができる。
【００２５】
本発明による照明システムは、例えば直視型ＬＣＤシステムなどの、導波管が適用される他のタイプの表示システムにも使用することができ、光を導波管を介してもっと最適な且つ効率的なやり方でＬＣＤパネルの後ろに導くことがきるという利点を有する。本発明を使用することができる他の表示システムには、電気機械可動部によって光が導波管から離れて外部に結合される直視型表示システムが含まれる。
【００２６】
本発明は、本発明の特定の例示の実施例を基準にして記載されているが、当業者にとって多くの異なる変形例、修正例などは明らかであろう。したがって、記載された実施例は本発明の範囲を限定するものではなく、添付された特許請求の範囲によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ロッド型光ガイドを有する先行技術の光学システムを示す。
【図２】本発明で使用されるプリズム構造において光ビームがどのようにして屈折するのかを示す原理図である。
【図３】本発明による一実施例での光リサイクルを提供するための、図２に示す屈折構造および反射構造が配された照明システムを示す。
【図４】本発明の一実施例による、図３による照明システムに光拡散素子が更に配されたものを示す。
【図５】本発明の一実施例による、図４による照明システムに反射偏光子と偏光変換素子とが更に配されたものを示す。
【図６】本発明の一実施例による、図５による照明システムに光ガイドの入口面において第２の光屈折構造が更に配されたものを示す。
【図７】図５による照明システムを示すが、複数の開口が配されており、本発明の一実施例において、各開口に光源が配されている。
【図１】
2007519178.tif 000003
【図２】
2007519178.tif 000004
【図３】
2007519178.tif 000005
【図４】
2007519178.tif 000006
【図５】
2007519178.tif 000007
【図６】
2007519178.tif 000008
【図７】
2007519178.tif 000009
【国際調査報告】
2007519178.tif 000010
2007519178.tif 000011