(57)【要約】  多くの投射システムにおいて、高圧水銀アークランプが、照射源として一般に使用される。この種のランプは、出力またはスペクトルの面で不十分な可能性があるため、このランプからの光と、第２の光生成器からの光とを合成することが要求される。第２の光生成器は、別種類の水銀ランプ、または、１つまたは複数の発光ダイオード等からなる固体源で実現できる。本発明では、２つの光生成器からの光を合成する多様な方法を記載する。第２の光源は、水銀ライトにより生成される赤色光を補う多数の赤色ＬＥＤの配列で実現できる。トンネルインテグレータは、合成された光線を均質化するため、および２つの光生成器からの光線間の角距離を低減するために、使用することができる。
2007516473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光を生成する第１の光生成器、および前記第１の光の少なくとも一部を集光するとともに前記集光した第１の光を第１の方向に向けるように配置された第１の反射体、
第２の光を生成する第２の光生成器、および前記第２の光の少なくとも一部を集光するとともに前記集光した第２の光を第２の方向に向けるように配置された第２の反射体、および
前記第１の光と前記第２の光とを合成して合成光線を生成する光合成器を備える光源と、
前記合成光線の少なくとも一部により照射され、前記合成光線の少なくとも一部に画像を付加して画像光線を形成する少なくとも１つの画像表示ユニットと、を備えるプロジェクタシステム。
【請求項２】
前記画像光線を投射する投射レンズユニットをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
少なくとも１つの偏光ビームスプリッタをさらに備え、前記合成光線が前記偏光ビームスプリッタを介して前記少なくとも１つの画像表示ユニットに入射し、前記少なくとも１つの画像表示ユニットが反射型画像表示ユニットであるとともに反射画像光線を生成し、前記反射画像光線が前記偏光ビームスプリッタにより前記合成光線から分離される請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記光源と前記少なくとも１つの画像表示ユニットとの間に、前記合成光線を均質化するための光ホモジナイザユニットをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ホモジナイザユニットがトンネルインテグレータである請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記トンネルインテグレータが前記光合成器を備え、前記第１および第２の光生成器が前記第１および第２の光をそれぞれ前記トンネルインテグレータ内に向けるとともに、前記合成光線が前記トンネルインテグレータから出射する請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記ホモジナイザユニットの出力の画像を前記少なくとも１つの画像表示ユニットに中継するための画像中継システムをさらに備える請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記トンネルインテグレータが入口開口と出口開口とを有し、前記入口開口が前記出口開口の寸法とは異なる寸法を有する請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記トンネルインテグレータが台形トンネルインテグレータである請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の光が第１の角度分布を有して前記ホモジナイザユニットに入り、前記第２の光が前記第１の角度分布とは実質的に重複しない第２の角度分布を有して前記ホモジナイザユニットに入る請求項４に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１の光が第１の開口部で前記ホモジナイザユニットの入口開口に入り、前記第２の光が前記第１の開口部とは異なる第２の開口部で前記入口開口に入る請求項４に記載のシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの画像表示ユニットが少なくとも２つの画像表示ユニットを備え、前記合成光線を少なくとも２つの異なる色帯域の光線に分離して前記少なくとも２つの画像表示ユニットをそれぞれ異なる色帯域の光で照射するように配置された色分離器をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記色分離器が前記少なくとも２つの画像表示ユニットから前記異なる色帯域の画像光を受け取るとともに、前記異なる色帯域の画像光を前記投射レンズユニットにより投射される前記画像光線に合成する請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの画像表示ユニットにより生成された画像を制御するように前記少なくとも１つの画像表示ユニットに結合するコントローラをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
第１の光を生成する第１の光生成器、および前記第１の光の少なくとも一部を集光するとともに前記集光した第１の光を第１の方向に向けるように配置された第１の反射体と、
第２の光を生成する第２の光生成器、および前記第２の光の少なくとも一部を集光するとともに前記集光した第２の光を第２の方向に向けるように配置された第２の反射体と、
前記第１の光と前記第２の光とを合成して合成光線を生成する光合成器と、を備える投射システム用光源ユニット。
【請求項１６】
前記第２の光生成器が少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える請求項１５に記載のユニット。
【請求項１７】
前記第２の反射体が回転軸を中心とする回転面に適合する反射面を備え、前記少なくとも１つのＬＥＤユニットが前記回転軸に非平行なＬＥＤ軸を有する請求項１６に記載のユニット。
【請求項１８】
前記第１の光生成器が高圧水銀ランプを備える請求項１５に記載のユニット。
【請求項１９】
前記第２の光生成器が高圧水銀ランプを備える請求項１８に記載のユニット。
【請求項２０】
前記光合成器が第１および第２のプリズムから形成されるプリズム対を備え、前記第１の光が前記第１のプリズム内で実質的に全内部反射されるとともに前記第２の光が前記第１および第２のプリズムを実質的に透過して合成光線を形成する請求項１５に記載のユニット。
【請求項２１】
前記第１と第２のプリズム間に配置された屈折率整合層をさらに備え、前記第１および第２のプリズムを実質的に透過した前記第２の光が前記屈折率整合層を通過する請求項２０に記載のユニット。
【請求項２２】
前記屈折率整合層が接着剤層である請求項２１に記載のユニット。
【請求項２３】
前記第１の光が前記第１のプリズム内で実質的に前記屈折率整合層のない表面領域で全内部反射する請求項２１に記載のユニット。
【請求項２４】
インテグレータをさらに備え、前記合成光線が前記インテグレータの入口開口で前記インテグレータに入る請求項２０に記載のユニット。
【請求項２５】
前記インテグレータがトンネルインテグレータである請求項２４に記載のユニット。
【請求項２６】
前記トンネルインテグレータが先細インテグレータである請求項２５に記載のユニット。
【請求項２７】
前記光合成器が合成反射体とインテグレータとを備え、前記インテグレータが入口開口を有し、前記合成反射体が前記インテグレータの前記入口開口付近に配置され、前記第１および第２の光の一方が前記入口開口に伝播する前に前記合成反射体で反射し、前記第１および第２の光の他方が前記合成反射体で反射することなく前記入口開口に伝播する請求項１５に記載のユニット。
【請求項２８】
第１の円錐角を有する第１の光線を生成する光生成器ユニットであって、該第１の光線の光は比較的広いスペクトルを有する、第１の光生成器ユニットと、
前記第１の光線から離間した第２の光線を生成する光生成器ユニットであって、該第２の光線の光は前記第１の円錐角と実質的に同等の第２の円錐角を有し、比較的狭いスペクトルを有する、第２の光生成器ユニットと、
前記第１の光線および前記第２の光線の両方を受光するとともに合成出力光線を生成するように配置された光インテグレータと、を備える投射システム用光源ユニット。
【請求項２９】
前記第１の光生成器ユニットが水銀放電ランプを備える請求項２８に記載のユニット。
【請求項３０】
前記第２の光生成器ユニットが少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）ユニットを備える請求項２８に記載のユニット。
【請求項３１】
前記少なくとも１つのＬＥＤユニットからの光が反射体によって前記第２の光線として反射され、前記反射体が前記少なくとも１つのＬＥＤユニットのＬＥＤ軸に非平行な回転軸を中心とする回転面に適合する少なくとも１つの反射面を有する請求項３０に記載のユニット。
【請求項３２】
前記光インテグレータの入口開口付近に配置される第１の反射面をさらに備え、前記第１の光線および前記第２の光線の一方が前記第１の反射面における反射により前記入口開口に向けられる請求項２８に記載のユニット。
【請求項３３】
前記第１の光線が第１の角度分布を有して前記光インテグレータに入り、前記第２の光線が前記第１の角度分布とは実質的に重複しない第２の角度分布を有して前記光インテグレータユニットに入る請求項２８に記載のユニット。
【請求項３４】
前記第１の光線が第１の開口部で前記光インテグレータの入口開口に入り、前記第２の光線が前記第１の開口部とは異なる第２の開口部で前記入口開口に入る請求項２８に記載のユニット。
【請求項３５】
第１および第２のプリズムを備えるプリズム対をさらに備え、前記第１のプリズムが前記反射面を備える全内部反射面を有し、前記第１および第２の光線の他方の光が前記第１および第２のプリズムの両方を透過する請求項３２に記載のユニット。
【請求項３６】
前記第１および第２の光線の他方の光が前記反射面を通過することなく前記入口開口に入る請求項３２に記載のユニット。
【請求項３７】
前記反射面が第１の鏡を備える請求項３６に記載のユニット。
【請求項３８】
前記入口開口付近に配置された第２の反射面をさらに備え、前記第１および第２の光線の他方ならびに第３の光線のうちの一方の光が前記第２の反射面で前記入口開口へと反射される請求項３６に記載のユニット。
【請求項３９】
前記インテグレータがトンネルインテグレータである請求項２８に記載のユニット。
【請求項４０】
前記トンネルインテグレータが先細トンネルインテグレータである請求項３９に記載のユニット。
【請求項４１】
前記合成出力光線を受光するとともに画像光線を生成するように配置されたイメージャユニット、および前記画像光線を投射するように配置された投射レンズユニットをさらに備える請求項２８に記載のユニット。
【請求項４２】
前記イメージャユニットが少なくとも１つの反射型画像表示ユニットと少なくとも１つの個別の偏光ビームスプリッタとを含み、前記合成出力光線の少なくとも一部が前記少なくとも１つの個別の偏光ビームスプリッタを介して前記少なくとも１つの反射型画像表示ユニットへ通過し、前記少なくとも１つの反射型画像表示ユニットからの画像光が前記少なくとも１つの各偏光ビームスプリッタによって前記合成出力光線の前記少なくとも一部から分離される請求項４１に記載のユニット。
【請求項４３】
前記少なくとも１つの反射型画像表示ユニットが第１、第２および第３の反射型画像表示ユニットを備えるとともに、前記イメージャユニットが前記合成出力光線を、それぞれ前記第１、第２および第３の反射画像表示ユニットに向けられる第１、第２および第３の色帯域に分離するように配置された色分離ユニットを含む請求項４２に記載のユニット。
【請求項４４】
前記画像ユニット内の少なくとも１つの画像表示装置に結合され、前記少なくとも１つの画像表示装置によって生成される画像を制御するコントローラをさらに備える請求項４１に記載のユニット。
【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２つ以上の光源を用いたプロジェクタシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
スクリーン上に画像を投射するために使用される投射システムは、画像表示ユニットの効率的な照射を実現するためにいくつかの異なる構成要素を用いる。投射システムは、通例ランプを用いて照射光を生成するが、ランプからの光を画像表示ユニットに効率的に伝播するように、いくつかの光学要素がランプと画像表示ユニットとの間に配置される。画像表示ユニットは入射光線に画像を付加するための種々の手段を用いることができる。例えば、画像表示ユニットは、写真スライドと同様な吸収手段、液晶ディスプレイと同様な偏光手段を用いることができ、または個々にアドレス可能な傾斜可変のミラーからなるマイクロメカニカルアレイと同様な光の屈折手段を用いることができる。いくつかの画像表示ユニットは、光線を原色の光線に分割し、分割した原色光線に分離画像を付加し、この後で、最終的な画像を生成するために原色画像を再合成することで、付加する画像用に様々に着色するための色成分を必要とする。
【０００３】
画像輝度は、投射システムを特徴付ける重要なパラメータである。画像輝度は、いくつかの要因、例えばランプの輝度、ランプからの光の集光効率、光線の均質化効率、画像表示ユニットへの光の中継効率、および光線への画像付加効率に影響されることがある。画像を可能な限り明るく形成することが望ましい場合が多い。しかし投射システムのエテンデュー（ｅｔｅｎｄｕｅ）が画像内の光量を制限する場合、輝度を増加する解決法は、より高出力なランプを使用することである。エテンデューは、画像素子の面積と、光学システムのｆ値で決定される立体角との積である。より高出力なランプは、高価であるとともに寿命が短いことが多い。また、より高出力なランプは大きな円弧（ａｒｃ）を有する傾向にあり、これが形状的集光効率を低減させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上に鑑みると、投射システムを照射するときに使用する光源は、長い寿命と高集光効率を維持しつつ、光源の輝度を増す必要がある。
【０００５】
さらに、投射システムを照射するために、高圧水銀アークランプが、適度に長い寿命と高い形状的集光効率を可能にする短い円弧長とを有するため、通例高圧水銀アークランプが用いられる。一方、高圧水銀アークランプは、青色と緑色強度に優れたスペクトルを有するが、赤色強度が比較的低い光を生成する。したがって、画像光として要求される色温度を達成するために、青色および緑色光の大部分は使用されない。これがシステム全体の効率を低下させている。ランプから放射されるが、画像用光線として使用されない青色光および緑色光の量を節減する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上に鑑みて、本発明の具体的な一実施形態は、光源と、少なくとも１つの画像表示ユニットとを備えるプロジェクタシステムを対象とする。光源は、第１の光を生成する第１の光生成器を備える。第１の反射体が、第１の光の少なくとも一部を集光するとともに集光した第１の光を第１の方向に向けるように配置される。第２の光生成器が、第２の光を生成する。第２の反射体が、第２の光の少なくとも一部を集光するとともに集光した第２の光を第２の方向に向けるように配置される。光合成器が、第１の光と第２の光とを合成して合成光線を生成する。少なくとも１つの画像表示ユニットは、光源からの合成光線の少なくとも一部により照射される。少なくとも１つの画像表示ユニットは、合成光線の少なくとも一部に画像を付加して画像光線を形成する。
【０００７】
本発明の他の実施形態は、投射システム用光源ユニットを対象とする。このユニットは、第１の光を生成する第１の光生成器を備える。第１の反射体が、第１の光の少なくとも一部を集光するとともに集光した第１の光を第１の方向に向けるように配置される。第２の光生成器が、第２の光を生成する。第２の反射体が、第２の光の少なくとも一部を集光するとともに集光した第２の光を第２の方向に向けるように配置される。光合成器が、第１の光と第２の光とを合成して合成光線を生成する。
【０００８】
本発明の他の実施形態は、投射システム用光源ユニットを対象とする。光源ユニットは、第１の円錐角を有する第１の光線を生成する第１の光生成器ユニットを含む。第１の光線の光が比較的広いスペクトルを有する。第２の光生成器ユニットが、第１の光線から離間した第２の光線を生成する。第２の光線は、第１の円錐角と実質的に同等の第２の円錐角を有する。第２の光線の光が比較的狭いスペクトルを有する。光インテグレータが、第１および第２の光線の両方を受光するとともに合成出力光線を生成するように配置される。
【０００９】
本発明の上記の概要は、本発明の各々に図示した実施形態またはすべての実施を説明しようとするものではない。図および以下の詳細な説明が、これらの実施形態を一層具体的に例示する。
【００１０】
添付の図面と共に、以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで本発明がより完全に理解されよう。
【００１１】
本発明は様々な変更例および代替形状が可能であるが、この具体例は一例として既に図面に示しているが、詳細について、これから説明することになる。しかし説明することは、本発明を特定の実施形態に限定しようとするものではないことは理解されよう。逆に、特許請求の範囲によって規定されるような本発明の要旨および範囲内にあるすべての変更例、同等物および代替物を網羅しようとするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は光学システムに適用可能であり、特に投射システムに、とりわけ液晶画像表示ユニットを用いる投射システムに適用可能である。
【００１３】
投射システム１００の概略図を、図１に示す。一般に光源１０４からの光１０２は、画像表示装置１０６に向けられる。画像表示装置１０６からの画像光１０８は、この後、投射レンズシステム１１０を介して伝播されスクリーン上に投射される。投射システムは、例えば背面投射テレビジョンとして一般に見られるような背面投射システム、または例えば前面投射テレビジョンおよび表示システムとして見られるような前面投射システムとして実現される。
【００１４】
図１の実施形態において、画像表示装置１０６は、光１０２を３つの異なる原色１１４ａ、１１４ｂおよび１１４ｃに分離する色分離／合成器１１２を備え、例えば赤色、緑色および青色の光線に分離し、分離した各光線を関連する反射画像表示ユニット１１６ａ、１１６ｂおよび１１６ｃに向ける。色分離／合成器１１２は、図示のようなクロスプリズムで実現でき、またはフィリップス（Ｐｈｉｌｉｐｓ）プリズム等などのプリズムの他の構成物を含むこともできる。図示しないが、他の実施形態では色分離／合成器は２色分離器および／または色プリズムを備えることができる。この手法は、投射システム１００が各原色で画像を形成することを可能にし、すなわち色分離／合成器による原色画像の合成が、スクリーンに投射されるフルカラー画像を形成することができる。
【００１５】
いくつかの他の実施形態では、原色画像は同時には形成されないが順次形成することができる。このようなシステムにおいて通例色分離／合成器はない。しかし画像表示装置に入射する前に光はカラーフィルタを通過するため、常に一原色の光のみが画像表示装置に入射される。画像表示装置は、現在入射する光の色に適切な画像を与えるように同期制御される。異なる原色の画像が、順次形成されてスクリーンに投射される。色変化の順序が十分に速い場合、視認者の目は、異なる原色の画像を一体化させてフルカラー画像として知覚する。
【００１６】
異なるタイプの画像表示装置を使用することもできる。画像表示装置の単純な一タイプは写真スライドである。このタイプは色分離を必要としない。他のタイプの画像表示装置は、光に付加された画像を積極的に変化させることができる。このような画像表示装置の例には、反射型液晶（ＬＣｏＳ）ユニットを含む液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）ユニット、およびマイクロメカニカル・ディスプレイがある。マイクロメカニカル・ディスプレイの一例は、テキサス州プラノのテキサス・インスツルメンツ社より提供されるＤＬＰ（登録商標）製品群の、個々にアドレス可能な傾斜可変のミラーアレイである。
【００１７】
画像表示装置１０６は、画像光が装置を透過する透過型でも可能である。画像表示装置１０６は、代わりに図示するような画像光が装置によって反射される反射型でも可能である。画像表示装置１０６は、装置で反射されるとともに装置を透過する両方の光を用いる半透過型でも可能である。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１８は、入射光に画像を付加する偏光変調を用いる画像表示装置からの反射画像光から、入射光を分離するために度々使用される。
【００１８】
光源１０４からの光１０２は、光線の強度プロファイルを均一にする１つまたは複数のホモジナイザ１２０を通すことができる。一般的に用いられるホモジナイザ装置の１つのタイプはトンネルインテグレータである。トンネルインテグレータは、一般に管または棒であり、この断面は矩形であることが多いが、これに限定されない。光は、入口開口から入り、壁で何回か反射された後出口開口を通って出る。複数回の反射の効果は、入口開口における強度プロファイルに比べて出口開口における光の強度プロファイルを均一にすることである。光は、全内部反射または前表面反射の使用により、トンネルインテグレータ内で反射することができる。中空トンネルインテグレータは入射光を屈折しないため、内部反射トンネルインテグレータより、一層短距離で光を均質化することが可能となる。
【００１９】
ランプなどの光源からの光は、通例偏光されない。しかし、いくつかのタイプの画像表示装置、例えばＬＣＤタイプ表示装置は偏光された入射光を利用する。光を偏光させる１つの方法は、単に光を前置の偏光器および／または偏光ビームスプリッタ１１８に通過させることである。しかし、これは光の５０％の損失を生じる場合があり非効率的である。偏光変換器１２２は、入射光を変換して、画像表示装置への入射に望ましい偏光状態の光線の一部分を増加するのに用いることができる。
【００２０】
投射システム１００は、装置を介して光を中継するいくつかのレンズを含むことができる。例えばホモジナイザ１２０の出力開口の画像を画像表示装置１１６ａ〜１１６ｃの表面上に中継するために、多数のリレーレンズ１２４を含むことは一般的である。このことは投射システムの効率を高める。画像表示装置１１６ａ〜１１６ｃは、コントローラ１３０、例えばマイクロプロセッサに接続することができ、このコントローラは、画像表示装置１１６ａ〜１１６ｃによって光に付加される画像を制御する。
【００２１】
高出力ランプを用いると、投射画像を、より明るくすることができる。しかし高出力ランプは寿命が短いという難点がある。加えて高出力ランプは通例大きな円弧（ａｒｃ）を有するため、形状的集光効率、すなわち、上記大きな円弧の光が画像表示装置を通過する際の効率が、低減する可能性がある。画像の輝度を増す別の異なる手法の１つは、２つの光源からの光を合成することである。このことは、低出力のランプを用いることを可能にし、ランプの寿命または形状的集光効率を低減させることなく、輝度を増すことを可能にする。
【００２２】
２つの異なる光生成器からの光を合成する光源２００の具体的な一実施形態が、図２に概略的に図示される。この実施形態では光源２００は、プリズム対２０４を用いて２つのアークランプ２０２ａと２０２ｂとからの光を合成する。各アークランプ２０２ａと２０２ｂとからの光は、それぞれの反射体２０６ａと２０６ｂとによって集光されてプリズム対２０４に向けられる。反射体２０６ａと２０６ｂとは楕円反射体にすることができる。プリズム対２０４は、対角線に沿って間隙２１２により離間された２つのプリズム２０８と２１０とを備える。間隙２１２は空隙でも可能である。一方のアークランプ２０２ａは、プリズム２１０の側面に配置されるとともに、軸２１４として示されるランプ２０２ａからの中心光線は軸２１６に対して角度θ１をなす。他方のアークランプ２０２ｂは、プリズム２０８の側面に配置されるとともに、軸２１８として示されるランプ２０２ｂからの中心光線は軸２２０に対して角度θ２をなす。
【００２３】
またトンネルインテグレータなどのインテグレータ２２２は軸２２０上にある。第１のアークランプ２０２ａからの光は、プリズム２１０内で実質的に全体として内部反射される。一方、第２のアークランプ２０２ｂからの光は、プリズム２０８および２１０を実質的に透過する。インテグレータ２２２の入口開口２２４は、アークランプ２０２ａおよび２０２ｂの両方からの光を受光する。
【００２４】
ここで、プリズム対２０４の動作を、より詳細に説明する。説明の際、アークランプ２０２ａおよび２０２ｂの各々からの光線を示す図３を参照とする。光は、全体として円錐形状の楕円反射体２０６ａおよび２０６ｂからプリズム対２０４に向けられる。破線で示すランプ２０２ａからの光２２４ａは、プリズム２１０の表面２２６に入射する。光２２４ａの大部分は、プリズム２１０内で全内部反射の角度以上の角度で表面２２６に入射して、光２２７としてインテグレータ２２２に向かって反射される。光２２４ａの一部は、全内部反射の角度未満の角度で表面２２６に入射できるとともに、表面２２６と間隙２１２とを透過して、光２２８としてプリズム２０８内へ入る。この光２２８はインテグレータ２２２によって集光されない。
【００２５】
ランプ２０２ｂからの実線で示す光２２４ｂは、プリズム２０８の表面２３０に入射する。光２２４ｂの大部分は、プリズム２０８内で全内部反射の角度未満の角度で表面２３０に入射し、表面２３０およびプリズム２１０を透過して、光２３１としてインテグレータ２２２に向けられる。光２２４ｂの一部は、全内部反射の角度以上の角度で表面２３０に入射できるとともに、光２３２として表面２３０で反射されて、インテグレータ２２２に伝播されない。光２３２はインテグレータ２２２によって集光されない。
【００２６】
このように、２つの光生成器２０２ａと２０２ｂとからの光で、２つの反射体２０６ａと２０６ｂとにより集光されてプリズム対２０４に向けられた光を、プリズム対２０４は、合成するとともに合成した光をインテグレータ２２２に向けるのに有効である。光２２７および２３１は、厳密にインテグレータの入口開口２２４で合焦させるまたは最高強度で到着させる必要はないが、このような条件で輝度を増すことができることは理解できよう。反射体２０６ａおよび２０６ｂは、アークランプ２０２ａおよび２０２ｂから放射される光の分散を減少させるので、かなり多くの量の光がインテグレータ２２２に入る。したがって、光２２４ａおよび２２４ｂは、インテグレータ内に入り、一定エリアに広がることができる。また図２に図示した実施形態を光生成器としてアークランプを用いて説明したが、他の光生成器、例えば別のタイプのランプを使用できることは理解できよう。
【００２７】
プリズム対２０４は、本質的にインテグレータ内で異なる角度光分布を有する光線２２７および２３１の角度合成を実現する。このことを、図４Ａ〜４Ｃを参照して説明する。図４Ａ〜図４Ｃは、角度光分布を表わす非近接場内の計算スポット・ダイアグラム光分布を示す。図４Ａは、単一の光生成器と単一の反射体とからの光に対するスポット・ダイアグラムの計算図を表わす。図４Ｂは、プリズム対２０４で合成された後の２つの光生成器２０２ａおよび２０２ｂからの光に対するスポット・ダイアグラムの計算図を表わす。図示のように、２つの異なる光生成器からの光は異なる方向に伝播し、２つの間にほとんど重複がない。計算で得られた２つの光線間の角距離は２３°である。
【００２８】
光用先細トンネルインテグレータは、２つの光線間の角距離を低減するのに使用できる。光用先細トンネルインテグレータ４００の例が、図５に概略的に図示されている。入口開口５０２はｘおよびｙの寸法を有し、出口開口５０４はｘおよびｙ’の寸法を有し、ここでｙ’≠ｙである。図示の実施形態において、トンネルインテグレータ５００の側面は直線状であり、トンネルの対向する両側の２辺は、軸５０６に対して角度θで位置する。側壁５０８および５１０が軸に対して平行でないということが、トンネルインテグレータ５００内を通過する光線の角度サイズを低減させる。図４Ｃは、トンネルインテグレータ５００内伝播後の２つの光生成器２０２ａおよび２０２ｂからの光のスポット・ダイアグラムの計算図を表わす。２つの光線の角距離は、図４Ｂより大幅に小さく、１２°であると計算される。図４Ｂおよび図４Ｃで行われた計算において、トンネルインテグレータは長さ４０ｍｍであり、４．５ｍｍ×４．５ｍｍの入口窓と４．５ｍｍ×７．８ｍｍの出口窓とを有すると仮定した。この場合、軸５０６に対する先細側の角度θは±２．３６°であった。
【００２９】
角距離の低減は、トンネルインテグレータの角度とトンネル内の反射数とに依存する。トンネルインテグレータに関連する光学的損失が反射数と共に増加するため、反射数と角距離が減少する量とは特定の照射システムの設計基準として存在する。先細トンネルインテグレータは米国特許第５，６２５，７３８号明細書に、より詳細に記載されており、本明細書に引用して援用する。
【００３０】
トンネルインテグレータ５００は中空のインテグレータにすることもでき、または中実のインテグレータにすることもできる。さらにまた入口開口５０２は正方形である必要はなく、出口開口は矩形である必要はなく、他の形状をとることができる。多くの投射システムにおいて、出口開口は画像表示装置に映し出されるため、出口開口５０４のアスペクト比は画像表示装置のアスペクト比と同一であることが一般的であり、このようにしないと、投射システムの全体形状集光効率は低減する可能性がある。
【００３１】
ここで図６を参照して説明するように、プリズム２０８および２１０を透過する光の反射損失を低減するために、プリズム対２０４を修正することができる。屈折率整合材料６１２を、光２２４ｂがプリズム２０８および２１０から通過する空隙２１２の部分に配置することができる。この場合、屈折率整合は、上記整合材料６１２の屈折率とプリズム２０８、２１０の屈折率との間の差が、プリズム２０８、２１０の屈折率と空気の屈折率との間の差よりも、小さいということを意味する。この結果、プリズム２０８と空隙２１２との間の界面における反射損失を低減することができる。整合材料６１２の屈折率が、プリズム２０８、２１０と同一の場合には、プリズム２０８からプリズム２１０に通過する光２２４ｂの反射損失はなくなる。整合材料６１２は、プリズム２０８および２１０を接着させるための光学的に透明な接着剤で実現できる。
【００３２】
プリズム２１０と整合材料６１２との間の屈折率差が十分に大きくないとき、光２２４ａを高効率で反射させるために、プリズム２１０が光２２４ａを全内部反射する領域において、プリズム２０８と２１０との間の間隙２１２における高屈折率差を維持することが重要である。
【００３３】
図２を参照して説明した手法では、角距離を設けることにより２つの光生成器からの光を合成する。ここで、異なる光生成器からの光を合成する他の手法を、図７Ａを参照して説明する。図７Ａでは、異なる光生成器からの光は空間的に離間している。破線で示される第１の光生成器からの光７０２は、トンネルインテグレータなどのインテグレータ７０８の入口開口７０６に光７０２を反射させる回転反射体７０４に入射する。実線で示される光７１０は、回転反射体７０４により反射されずに、入口開口７０６に直接入射する。回転反射体７０４は、光７１０が開口７０６に直接入射することができるように、入口開口７０６の一部分のみを覆って延びている。光７０２は実質的に入口開口の一部分に入射するが、光７１０は実質的に入口開口７０６の別の部分に入射する。
【００３４】
回転反射体７０４は、図示のような前面反射体、背面反射体、全内部反射体等を含める任意の適当なタイプの反射体が使用できる。入口開口７０６に向かうように、光７０２を約９０°屈曲させるために、回転反射体７０４を約４５°の角度で配置することができるが、これは必須条件ではない。
【００３５】
必要に応じて、他の光生成器からの光７２６（点線で示す）を反射させるために、図７Ｂに概略的に図示するように、別の回転反射体７２４を入口開口７０６の前に配置することができる。この場合、光７０２、光７１０および光７２６は、各々入口開口７０６の実質的に異なる部分から入射する。
【００３６】
このように、図７に図示した異なる光源からの光を合成する手法は、異なる光線に対して入口開口の異なる部分を利用することを対象とするが、光線の角度光分布は重複または同一にすることも可能である。図２および３に図示した異なる光源からの光を合成する手法において、２つの光源からの光線は、インテグレータの入口開口部で重複するが、重複しない角度分布を有している。２つ以上の光線を合成するために他の手法、例えばインテグレータへの入口開口における光線の部分的空間での重複、および２つの光線の角度分布における部分的重複とを可能にするような方法で、２つの離間光線からの光を合成する手法を用い得ることは理解できよう。
【００３７】
異なる光生成器からの光を合成する手法は、アークランプ、フィラメントランプ、他のタイプのランプおよび固体光生成器を含む異なるタイプの光生成器からの光を合成することができる。しかし、光生成器の種類は、上記に限定されない。これらの手法は、光をまず反射させ集光し、インテグレータに向ける光生成器からの光を合成するのに特に有用である。１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）から放射された光を反射集光および方向付ける手法は、米国特許出願第１０／７０１，２０１号明細書に、より詳細に記載されており、本明細書に引用して援用する。
【００３８】
異なる光生成器からの光を合成する光源の具体的な用途の１つは、１つの特定なスペクトルを有する光を、他のスペクトルを有する光に追加することである。投射システムは、高圧水銀ランプを光源として用いることが多い。これらのランプのいくつかの例には、ニューヨーク州ニューヨークのフィリップス・エレクトロニクス（Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，ＮＹ）から入手可能なＵＨＰ（登録商標）系のランプ、およびマサチューセッツ州ダンバースのオスラム・シルバニア（Ｏｓｒａｍ  Ｓｙｌｖａｎｉａ，Ｄａｎｖｅｒｓｅ，ＭＡ）から入手可能なＶＩＰ（登録商標）系のランプがある。これらのランプは、通例短いアークサイズを有し、高形状集光効率および長い寿命を可能にする。高圧水銀（ＨＰＭ）ランプのスペクトルを、図８に曲線８０２として示す。スペクトルは出力の大部分が、スペクトルの青色領域、特に約４００ｎｍと４６０ｎｍとの間、スペクトルの緑／黄色領域、約５４０ｎｍと５８０ｎｍとの間にあることを示す。スペクトルの赤色領域、例えば約６００ｎｍ以上の出力パワーの合計量は比較的小さい。
【００３９】
投射システムにより投射される画像において、要求される色バランスを維持することは重要である。要求される色バランスの維持は、３つのパネル投射システムにおいて通常以下のステップを含む。第１に、ランプからの光を、適合規格により決定される色座標を有する原色に分離する。投射画像に対する１つの一般的な規格は、全米映画テレビジョン技術者協会（Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｐｉｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ：ＳＭＰＴＥ）により設定されたＲＰ１４５−１９９９規格である。これは要求レベルの色純度を提供するとともに、投射システムで２色フィルタを用いて達成することができる。赤色および緑色チャネルの正しい純度を得るために、黄色光の一部を除去する必要がある。第２に、分離した着色光線をそれぞれの画像表示装置で調整した後、この光を再合成して投射する。この段階で、投射画像内で要求の色温度を達成するために、青色、緑色および赤色光線の出力量を調整する。色温度に加えて、他の有用な色の基準は、白色点の色座標、すなわち３つの光線、赤色、緑色および青色の混合である。
【００４０】
個々のチャネルおよびスクリーン上で色を混合するときの種々のシナリオのために、典型的な高圧水銀ランプに関する色座標の例を表Ｉに提示する。表Ｉのデータを考慮する際に、いくつかの仮定がある。
ｉ）投射システムにおいて、フレネル損失または偏光損失がない。
ｉｉ）個々のチャネルにおいて、レンズの口径食またはアポディゼーション（ａｐｏｄｉｚａｔｉｏｎ）がない。および
ｉｉｉ）緑色チャネルは一定偏光の光を用い、赤色および青色チャネルは別の偏光を用いる。
この最後の仮定は、青色および緑色チャネルのスペクトルの部分的重複を可能にし、全体効率が増加する。表Ｉの第１行は、ＳＭＰＴＥ  ＲＰ１４５−１９９９規格に関連する理想色座標（０．３１３、０．３２９）を表わす。第２行は、フィリップス社製のＵＨＰ−１００ＨＰＭランプにより放射された光の色座標の実際の値（０．３００、０．３０４）を示す。第３行は、ＵＨＰ−１００ランプにより生成された光を３原色に分離したときの色帯域、青色、緑色および赤色の各々の色座標を示す。第４行に示すように、３色の帯域の各々に対して均一重み係数を仮定する場合は、スクリーン上の白色光は第５行に示すような色座標（０．２６、０．３０）を有する。この白色光は、第１行のＳＭＰＴＥ規格の白色とは異なる座標を示す。またこのスクリーン上の白色光は、光を各々の色帯域に分離する処理の際に、一部の光が捨てられるため、ランプから放射されたものとは色が異なる。第６行に示される重み付け値は、基準規格のものと同様に、第７行に示すような色座標を有するスクリーン上の白色光になる値である。このように、ＳＭＰＴＥ規格に適合する白色光を生成するためには、赤色光はすべて使用する一方で、緑色光の４６．１％および青色光の３６．５％のみを使用する。
【００４１】
【表１】
2007516473.tif 000003
【００４２】
したがって要求される色温度を達成するために、高圧水銀ランプから放射される光のかなりの部分は捨てられる。この理由は、高圧水銀ランプが緑色光および青色光に対して、赤色光の生成が比較的少ないからである。このため高圧水銀ランプからの光をいくつかの他の光源からの赤色光で補うことが要求される。高圧水銀ランプからの出力に赤色光を効率良く追加することが、投射画像の赤色光量を効果的に増加させ、要求される白色座標を達成するために捨てる必要がある青色光量および緑色光量を節減させる。この結果、全体システムの効率が増す。
【００４３】
１つ以上のＬＥＤからの赤色光を放電ランプからの光と合成することで、上記で説明した異なる光生成器からの光を合成する異なる手法を、使用することができる。図８に、赤色ＬＥＤの光の正規化スペクトルの例を、約６５０ｎｍを中心に正規化した曲線８０４として示す。
【００４４】
放電ランプ９０２ａとＬＥＤをベースとした光源９０２ｂとからなる合成光を使用する光源９００の一例を、図９に概略的に図示する。光源９００は、間に空隙９１２を有するプリズム９０８と９１０とから形成されるプリズム対９０４を使用する。このプリズム対９０４を使用することで、放電ランプ９０２ａの光とＬＥＤをベースとした光源９０２ｂの光とを、図２に図示したと同様な方法で合成する。
【００４５】
放電ランプ９０２ａからの光９１６を集光し、光９１６（実線で示す）をインテグレータ９２２、例えばトンネルインテグレータの入口開口９２４に向けるために、反射体９０６を放電ランプ９０２ａと共に設ける。光９１６は、２つのプリズム９０６および９０８を透過する。ＬＥＤをベースとする光源９０２ｂは、１つ以上のＬＥＤユニット９１８を用いる。各々のＬＥＤユニットは、ＬＥＤエミッタとレンズからなり、このレンズは通例半球レンズである。レンズは、一般にＬＥＤに付随するドーム形のカプセル材料からなる。ＬＥＤエミッタから放射された光は、回転軸を中心とする回転面に適合する反射面を有する各々の反射体９２０により、反射し集光される。この内容は、米国特許出願第１０／７０１，２１０号明細書に、より詳細に説明されており、本明細書に引用して援用する。
【００４６】
ＬＥＤをベースとする光源９０２ｂは、各々が反射体９２０を有する１つ以上のＬＥＤユニット９１８を含むことができる。反射体９２０は、各々が反射体本体９２１の一部を形成することができる。反射体本体９２１は、別々の反射体９２０を含む一体化した物体として形成することができる。
【００４７】
図９の実施形態は、４つのＬＥＤユニット９１８を備える光源９０２ｂを示す。しかし、特に米国特許出願第１０／７０１，２１０号明細書に含まれる開示内容を考慮すると、異なる数のＬＥＤユニットを使用する可能性があることは理解できよう。例えば光源９０２ｂは６個、８個または１６個のＬＥＤユニットを含むことができる。しかし、これらの実施例での使用は、光源９０２ｂで使用できるＬＥＤユニットの数を制限を意図するものではないこと、および実施例が単に図示の目的だけであることに留意すべきである。
【００４８】
ＬＥＤをベースとする光源９０２ｂからの光９２６（破線で示す）は、反射体９２０によりプリズム対９０４に向けられる。プリズム対９０４への伝播方向は、光９２６がプリズム９０８と空隙９１２との間の界面において実質的に全内部反射され、インテグレータ入口開口９２４に向けられる。このように、１つ以上のＬＥＤからの光を、効率的に集光するとともにアークランプからの光と合成することができる。
【００４９】
図１０に概略的に図示した光源１０００に対する他の手法は、図７Ａを参照して説明した実施形態といくつかの点で類似である。なお、図７Ａの実施形態では、光線のうちの１つの光がＬＥＤをベースとする光源で生成される。光源１０００はアークランプ１００２ａを備え、このアークランプからの光１００４は、反射体１０１０により集光されてインテグレータ１００８の入口開口１００６に向けられる。反射体１０１０は回転楕円体、または非回転楕円体のいずれでも実現できる。
【００５０】
ＬＥＤをベースとする光源１００２ｂは、１つ以上のＬＥＤユニット１０１２を備える。このＬＥＤユニット１０１２からの光は、１つ以上の反射体１０１４によって光が集光されかつ配向されて、光１０１６として回転反射体１０１８に向けられる。この回転反射体１０１８は、光１０１６をインテグレータ１００８の入口開口１００６へ方向転換させる。このように、ランプ１００２ａからの光１００４とＬＥＤユニット１０１２からの光１０１６とが、入口開口１００６の実質的に異なる部分を照射する。
【００５１】
図９および１０に示した光源の異なる配列が、ＬＥＤユニットからの光とアークランプからの光とを合成するのに使用できることは理解できよう。例えばアークランプ９０２ａを、この光がプリズム対９０４内で反射されるように配置する一方で、ＬＥＤによる光源９０２ｂを、この光がプリズム対９０４を透過するように配置することができる。加えて、アークランプ１００２ａを、この光が回転反射体１０１８によってインテグレータ１００８に向けて方向転換されるように配置する一方、ＬＥＤによる光源１００２ｂを、この光が透過してインテグレータ１００８に直接入射するように配置することもできる。
【００５２】
図１１は、高圧水銀アークランプにより生成された光のスペクトル（曲線１１０２）と、多数の赤色ＬＥＤから生成された光により増強された水銀ランプにより生成された光の合成スペクトルとの比較を表わす。曲線１１０４は、水銀ランプが４個のＬＥＤにより増強されたときの計算スペクトルであり、一方、曲線１１０６および１１０８は、水銀ランプがそれぞれ８個および１６個のＬＥＤにより増強された時のスペクトルを示す。図示のように、ＬＥＤの使用は、スペクトルの赤色領域の光量を大幅に増加させる。この結果、要求される色バランスを達成するために、捨てなければならない緑色および青色光を節減し、水銀ランプから放射される光の利用は、一層効率的になる。この結果を表ＩＩにさらに示し、ＬＥＤの各アセンブリの全集光効率を列挙するとともに、水銀ランプ（１００％）のみと比較した増強光源の光束効率も列挙する。ＬＥＤのアセンブリの集光効率は、単一のＬＥＤにより放射される全光に対して正規化している。このように、水銀ランプが４個のＬＥＤによって増強されるとき、ＳＭＰＴＥ  ＲＰ１４５−１９９９規格に適合する白色光の合計輝度は、水銀ランプのみを用いたときより１４％高くなる。
【００５３】
【表２】
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【００５４】
表ＩＩに示す値は、以下の仮定を用いて計算している。各ＬＥＤは、２．８ｍｍの半径を有するＰＭＭＡ半球レンズ内に封入する５００μｍ×５００μｍの平面発光領域からなる。各ＬＥＤは、均等拡散エミッタであると仮定する。ＬＥＤからの光は、±２２°の集光立体角度内で、６．４ｍｍ×１２．８ｍｍの矩形目標領域内に合成させる。光束効率は、ＬＥＤの数に対して直線的に増加しないということが表ＩＩから分かる。これは当然のことで、少なくとも一部は、集光面積は限定される立体角度を有すること、および各ＬＥＤがサイズが限定される付随する反射体を有するという事実による。この結果、ＬＥＤの数が増すにつれて、より多くのＬＥＤを目標領域を限定する±２２°の円錐にしぼることで、同一の光ゲインを達成することが、より一層困難になる。
【００５５】
本発明は上述した特定の実施例に限定されることなく、添付の特許請求の範囲に正しく記載されたように本発明のすべての態様を網羅するものと考えるべきものである。本明細書を検討すれば本発明を適用可能な様々な変更例、同等物および多数の構造は本発明が対象とする技術の当業者には容易に明らかになろう。特許請求の範囲はこのような変更例および装置を網羅しようとするものである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】投射システムの一実施形態を概略的に示す図である。
【図２】本発明の原理による光源の一実施形態を概略的に示す図である。
【図３】図２に示す本発明の原理による光線合成プリズム対の一実施形態を概略的に示す図である。
【図４Ａ】本発明の原理による投射システムの一実施形態におけるトンネルインテグレータ前後の光線の計算スポット・ダイアグラムを概略的に示す図である。
【図４Ｂ】本発明の原理による投射システムの一実施形態におけるトンネルインテグレータ前後の光線の計算スポット・ダイアグラムを概略的に示す図である。
【図４Ｃ】本発明の原理による投射システムの一実施形態におけるトンネルインテグレータ前後の光線の計算スポット・ダイアグラムを概略的に示す図である。
【図５】本発明の原理による台形トンネルインテグレータの一実施形態を概略的に示す図である。
【図６】本発明の原理による光線合成プリズム対の他の実施形態を概略的に示す図である。
【図７Ａ】本発明の原理において、トンネルインテグレータ内の２つの異なる光生成器からの光を合成する合成器の一実施形態を概略的に示す図である。
【図７Ｂ】本発明の原理において、トンネルインテグレータ内の２つの異なる光生成器からの光を合成する合成器の一実施形態を概略的に示す図である。
【図８】高圧水銀ランプおよび赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）の正規化出力光スペクトルを示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態において、プリズム対を用いてランプおよびＬＥＤ源からの光を合成する投射システム用の光源を概略的に示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態において、鏡とトンネルインテグレータとを用いてランプからおよびＬＥＤ源からの光を合成する投射システム用の光源を概略的に示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態において、高圧水銀ランプと異なる数のＬＥＤを有するＬＥＤ源とにより生成される照射光線の合成スペクトルを表わす図である。
【図１】
2007516473.tif 000005
【図２】
2007516473.tif 000006
【図３】
2007516473.tif 000007
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2007516473.tif 000009
【図４Ｃ】
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【図５】
2007516473.tif 000011
【図６】
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【図７Ａ】
2007516473.tif 000013
【図７Ｂ】
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【図８】
2007516473.tif 000015
【図９】
2007516473.tif 000016
【図１０】
2007516473.tif 000017
【図１１】
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【国際調査報告】
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