(57)【要約】  光を均質化するための光学素子および同素子を組み込む光学系が開示される。光学素子は、入力端面および出力端面を有する光学ロッドを備える。光学素子の入力端面は、光学素子の出力端面に平行ではない。【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を均質化するための光学素子であって、前記素子は光入力端面および光出力端面を有する光学ロッドを備え、前記入力端面は前記出力端面に平行でないことを特徴とする光を均質化するための光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子を備えることを特徴とする照明系。
【請求項３】
前記光学素子の少なくとも一部は、中空であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記光学素子の少なくとも一部は、中実であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項５】
前記光学ロッドは、先細りであることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記光学素子は、前記入力端面に対して垂直である光軸を中心とすることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項７】
前記入力端面は、矩形であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項８】
前記出力端面は、矩形であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項９】
前記入力端面は、正方形であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記出力端面は、正方形であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記出力端面は、台形であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項１２】
光源から光を受光するための入力端面と、
前記入力端面によって受光された前記光を均質化し透過するための本体と、
前記均質化された光を送出するための出力端面と、
を備え、
前記入力端面は、前記入力端面の１回以上の並進移動によって、前記出力端面と重なるように成すことができないことを特徴とする光学素子。
【請求項１３】
前記光学素子は、前記入力端面に対して垂直である光軸を中心とすることを特徴とする請求項１２に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記本体は、ロッドであることを特徴とする請求項１２に記載の光学素子。
【請求項１５】
前記ロッドの少なくとも一部は、中実であることを特徴とする請求項１４に記載の光学素子。
【請求項１６】
前記ロッドの少なくとも一部は、中空であることを特徴とする請求項１４に記載の光学素子。
【請求項１７】
前記本体は、流体を含むことを特徴とする請求項１２に記載の光学素子。
【請求項１８】
光源と、
素子の入力端面から、前記光源からの光を受光するための光学素子であって、前記受光した光を均質化し、前記光学素子の出力端面から前記均質化された光を透過し、前記入力端面が前記出力端面に平行ではない光学素子と、
前記光学素子の前記出力端面から透過される前記光を受光するように配置される能動領域を有する光弁と、
前記光学素子の前記出力端面から透過される前記光を前記光弁の前記能動領域に送出するための中継光学素子であって、前記光学素子の前記出力端面を前記光弁の前記能動領域に結像する前記中継光学素子と、
を備えることを特徴とする光学系。
【請求項１９】
前記光弁は、液晶ディスプレイであることを特徴とする請求項１８に記載の光学系。
【請求項２０】
前記光弁は、ディジタルマイクロミラーデバイスであることを特徴とする請求項１８に記載の光学系。
【請求項２１】
前記光弁は、格子光弁であることを特徴とする請求項１８に記載の光学系。
【請求項２２】
前記光学系は、光軸を中心とすることを特徴とする請求項１８に記載の光学系。
【請求項２３】
前記光弁は、前記光軸に対して垂直でないことを特徴とする請求項２２に記載の光学系。
【請求項２４】
前記光学素子の前記入力端面は、前記光軸に対して垂直であることを特徴とする請求項２２に記載の光学系。
【請求項２５】
前記光学素子の前記出力端面は、前記光軸に対して垂直でないことを特徴とする請求項２２に記載の光学系。
【請求項２６】
請求項１８に記載の光学系を備えることを特徴とする投影系。
【請求項２７】
テレセントリックであることを特徴とする請求項１８に記載の光学系。
【請求項２８】
光を均質化するために、光軸を中心とし、入力端面および出力端面を有する光学素子と、
前記光軸に対する垂線とゼロでない角度を成す光弁の能動領域と、
前記光学素子の前記出力端面を前記光弁の前記能動領域に結像する中継光学素子と、
を備えることを特徴とする光学系。 
【請求項２９】
前記光学素子の前記入力端面は、前記光軸に対して垂直であることを特徴とする請求項２８に記載の光学系。
【請求項３０】
前記光学素子の前記出力端面は、前記光軸に対して垂直でないことを特徴とする請求項２８に記載の光学系。
【請求項３１】
前記光学素子の前記入力端面は、前記光学素子の前記出力端面に平行ではないことを特徴とする請求項２８に記載の光学系。
【請求項３２】
前記光弁は、液晶ディスプレイであることを特徴とする請求項２８に記載の光学系。
【請求項３３】
前記光弁は、ディジタルマイクロミラーデバイスであることを特徴とする請求項２８に記載の光学系。
【請求項３４】
テレセントリックであることを特徴とする請求項２８に記載の光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、照明デバイスに関する。本発明は、均一な照明を生成するための照明デバイスに特に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
投影系は一般に、光源、画像を生成するための能動光弁と、光弁を照らすための照明系と、画像を投影して表示するための光学素子と、を備える。
【０００３】
表示画像の輝度、解像度およびコントラストを増大するために、光弁を均一に十分な光効率で照らすことが多くの場合に望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、本発明は、照明系に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態において、光を均質化するための光学素子は、入力端面および出力端面を有する光学ロッドを備え、入力端面は出力端面に平行ではない。
【０００６】
本発明の別の実施形態において、光学素子は、光源から光を受光するための入力端面を備える。光学素子は、入力端面によって受光された光を均質化し、透過するための本体をさらに備える。光学素子は、均質化した光を送出するための出力端面をさらに備える。入力端面は、入力端面の１回以上の並進移動によって、出力端面に重なるようにすることはできない。
【０００７】
本発明の別の実施形態において、光学系は、光源を備える。光学系は、素子の入力端面から、光源からの光を受光する光学素子をさらに備える。光学素子は、受光した光を均質化し、光学素子の出力端面から均質化した光を透過する。光学素子の入力端面は、光学素子の出力端面に平行ではない。光学系は、能動領域を有する光弁をさらに備える。能動領域は、光学素子の出力端面から透過された光を受光するように配置される。光学系は、光弁の能動領域に透過光を送出するための中継光学素子をさらに備える。中継光学素子は、光学素子の出力端面を光弁の能動領域に結像する。
【０００８】
本発明の別の実施形態において、光学系は、光軸を中心とした光学素子を備える。光学素子は、光を均質化する。光学素子は、入力端面および出力端面を有する。光学系は、光弁の能動領域をさらに備える。能動領域は、光軸に対する垂線とゼロでない角度を成す。光学系は、光学素子の出力端面を光弁の能動領域に結像する中継光学素子をさらに備える。能動領域は、中継光学素子によって結像された出力端面の画像平面にある。
【０００９】
本発明は、添付図面と共に、本発明の種々の実施形態に関する以下の詳細な説明を考慮すれば、さらに完全に理解され、認識されると考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は一般に、投影ディスプレイに関する。本発明は、反射型イメージャを備えた投影ディスプレイに特に適用可能であり、ディジタルマイクロミラーイメージャ（ＤＭＤ）を有する投影ディスプレイにさらに一層適用可能である。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による光学系３００の概略側面図を示す。光学系３００は、画像源に均一かつ効率的な照明を提供する光学照明系である。光学系３００は、光源３４０と、光集束素子３５０と、光均質化光学素子３０３と、中継光学素子３６０と、能動領域３８０を有する光弁３７０と、を備える。
【００１２】
光学素子３０３は、光源３４０からから受光された光を均質化する光均質化素子であり、均質化によって、光学素子３０３を出射する光は光学素子３０３に入射する光より一様な強度分布を有することになっている。光学素子３０３は、光軸３０１を中心とし、入力端面３２０、出力端面３３０および光学ロッド３１０を備える。周知の光均質化装置の例は、米国特許第５，６２５，７３８号明細書、第６，３３２，６８８号明細書および米国特許出願公開第２００２／０１１４１６７号明細書、同第２００２／０１１４５７３号明細書および同第２００２／０１１８９４６号明細書において見られる。本発明の一実施形態によれば、入力端面３２０は、出力端面３３０に平行ではない。このことは、入力端面３２０の平面が出力端面３３０の平面と交差することを意味する。言い換えれば、入力端面３２０の平面と出力端面３３０の平面との間の角度の大きさは、０より大きい。入力端面３２０は、光軸３０１に対して垂直である。すなわち、入力端面３２０の平面は、光軸３０１と９０°の角度を成す。出力端面３３０は、光軸３０１に対して垂直である平面と角度αを成す。すなわち、出力端面３３０の平面は、光軸３０１に対して垂直である平面と角度αを成す。光弁３７０の能動領域３８０は、光軸に対して垂直である平面と角度δを成し、角度δの大きさは０より大きい。角度δは、角度αに等しくてもよく、または等しくなくてもよい。
【００１３】
光集束素子３５０は、光源３４０からの光を集光し、集光された光を光学素子３０３の入力端面３２０に透過する。光学素子３０３は、その入力端面３２０から、光源からの光を受光する。光学ロッド３１０は、受光した光を均質化し、出力端面３３０から均質化された光を透過する。中継光学素子３６０は、光学素子３０３によって均質化され透過された光を光弁３７０の能動領域３８０に送出する。本発明の一実施形態によれば、中継光学素子３６０は、光学素子３０３の出力端面３３０を光弁３７０の能動領域３８０に結像する。さらに、出力端面３３０は物体平面３３５を画定し、能動領域３８０は画像平面３８５を画定する。本発明の一実施形態によれば、画像平面３８５は、中継光学素子３６０によって結像された物体平面３３５の画像である。
【００１４】
出力端面３３０から能動領域３８０上の選択された点への追跡光線の結果が、図５Ａに示される。このとき、以下の具体的な仮定および値が用いられた。光学素子３０３は、矩形の断面を有する中実ロッドであった。出力端面３２０は、幅８ｍｍ、高さ４．５ｍｍの矩形であった。能動領域３８０は、幅１７．５１ｍｍ、高さ９．８５ｍｍの矩形であった。中継光学素子３６０は、有効焦点距離５１．３７ｍｍであり、倍率２．３１のレンズ系であった。さらに、αは６．８°であり、δは２６°であった。図５における領域７０１は、光弁３７０の能動領域３８０に対応する。図５Ａにおける個別の点が小さいことは、能動領域３８０が中継光学素子３６０によって結像される出力端面３３０の画像平面にあることを示す。図５Ａにおける点が小さいことは、能動領域３８０の均一かつ効率的な照明をさらに示す。
【００１５】
比較のため、図５Ｂは、光学素子３０３が米国特許第５，６２５，７３８号明細書に記載されているような周知の矩形プリズム光均質化装置に置き換えられた場合の照明系の類似の光線追跡の結果を示す。図５Ｂにおける比較的大きな点は、光弁の能動領域が中継光学素子３６０によって結像される周知の矩形プリズム光均質化装置の出力端面の画像平面にないことを示す。対照的に、図５Ａおよび図５Ｂにおける対応するスポットの比較（スポット７３０および７２０など）は、本発明の光均質化素子では、出力端面３３０および能動領域３８０が物体‐画像関係を形成し、能動領域３８０が中継光学素子３６０によって結像されるような出力端面３３０の画像平面にあることを意味している。図５Ａにおける小さなスポットサイズの画像点は、均一な照明を表す。したがって、本発明の利点は、均一な照明である。能動領域が光軸に対する垂線とゼロでない角度を成し、すなわち能動領域が光軸に対して垂直でない場合には、均一な照明は、出力端面を有する光均質化光学素子を用いて達成され、出力端面は中継光学素子によって光弁の能動領域に結像される。
【００１６】
一般に、出力端面３３０は、能動領域３８０の形状とは異なる形状を有してもよい。たとえば、出力端面３３０は台形であり、能動領域３８０は正方形であってもよい。一部の用途では、出力端面３３０および能動領域３８０は、同一の形状、たとえば、矩形または正方形などを有してもよい。
【００１７】
光弁３７０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、テキサス・インスツルメント（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）から市販されているディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などの調光ミラーディスプレイ、たとえば、米国特許第５，８４１，５７９号明細書に記載されているような格子光弁（ＧＬＶ）などの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）であってもよい。一般に、光弁３７０は、画像を形成することができる任意の調光デバイスであってもよい。
【００１８】
光学系３００は、テレセントリックであってもよい。すなわち、光学系３００の入射瞳および射出瞳の一方または両方を無限遠または無限遠付近に位置することができることを意味する。
【００１９】
光学系３００は、図３に示されていない別の素子をさらに備えてもよい。たとえば、光学系３００は、アパーチャ、プリズム、ミラーまたは照明系において用いるのに適していると考えられる任意の他の素子または構成部材を備えてもよい。
【００２０】
図３の配置図は、折り畳まれていない光学系、すなわち光軸３０１が直線であり、光軸３０１に沿って任意の点で折り畳まれていない光学系を示す。空間を節約するために、光学系３００は、光軸３０１に沿って１つ以上の点で折り畳まれてもよい。
【００２１】
図２は、図１の光学素子３０３の１つの特定の実施形態としての光学素子２００の３次元概略図を示す。光学素子２００は、光学素子２００の入力端面２２０を通って光学素子に入射する光を均質化する。光学素子２００は、光学ロッド２１０および出力端面２３０をさらに備える。光学素子２００に入射する光は、たとえば、光学ロッドの側部２１１からの反射または内部全反射によって、光学ロッドに沿って伝搬するときに、均質化される。側部２１１は、光学ロッドと空気などの光学ロッドを包囲しているものとの間の境界面を形成することができる。側部２１１は、平坦であってもよい。側部２１１は、たとえば、光学ロッドに沿って伝搬するときに光を集束するように湾曲してもよい。一例として、および一般性を失うことなく、光学素子２００は、ｙ軸に沿って延在する光軸２０１を中心とする。中実の光学ロッド２１０の屈折率は、光軸２０１に沿って変化してもよい。たとえば、光学ロッド２１０は、光学ロッドに沿って伝搬するときに、たとえば光を曲げたり集束したりするように、光軸２０１に沿って勾配のある屈折率を有してもよい。入力端面２２０は矩形であり、光軸２０１に対して垂直である。出力端面２３０もまた矩形であり、ｘｚ平面と角度βを成し、角度βは０より大きい。光学ロッド２１０は、矩形の断面を有する。
【００２２】
本発明の一実施形態によれば、入力端面２２０は、出力端面２３０に平行ではない。本発明のこの特定の実施形態において、入力端面２２０によって画定される入力平面は、出力端面２３０によって画定される出力平面と交差し、角度βを成す。入力端面２２０の１回または複数回の並進移動により、入力端面２２０が出力端面２３０と重なるか、または一致する結果を生じ得ないことは十分に認識されよう。
【００２３】
入力端面２２０、出力端面２３０および光学ロッド２１０の断面は、台形、正方形または用途に応じて望ましいと考えられる任意の他の形状などの矩形以外の形状を備えることができることは、さらに認識されよう。さらに、入力端面２２０、出力端面２３０および光学ロッド２１０の断面は、異なる形状を有することができる。たとえば、入力端面２２０は矩形であり、出力端面２３０および光学ロッド２１０の断面は正方形であってもよい。光学ロッド２１０の断面は、光学ロッドに沿って異なる位置で異なっていてもよい。たとえば、光学ロッド２１０は、光軸２０１に沿ってその主要な長さに沿って先細りになっていてもよい。光学ロッド２１０の断面の側部は、直線であってもよく、湾曲していてもよい。先細りの光学ロッドの例は、米国特許第６，３３２，６８８号明細書に記載されている。
【００２４】
光学素子２００の一部または全体は、中実であってもよく、または中空であってもよい。中空の光均質化装置の例が、図３を参照して示されている。
【００２５】
図３は、本発明の一実施形態による光均質化光学素子６００の３次元概略図を示す。光学素子６００は、図１の光学素子３０３のように機能することができる。光学素子６００は、入力端面６２０、出力端面６３０および光学ロッド６１０を備える。出力端面６３０は、入力端面６２０に平行ではない。具体的には、出力端面６３０は、入力端面６２０と角度ωを成し、角度ωの大きさは０より大きい。光学ロッド６１０は、コア６１７およびクラッディング６５０を備える。クラッディング６５０は、内面６１５および外面６１６を備える。
【００２６】
コア６１７は空気であってもよく、その場合には光学素子６００は中空である。そのような場合には、内面６１５は、たとえば、金属コーティング、多層上昇コーティングまたは多層誘電コーティングを備えた金属コーティング、などの反射層を備えることによって、反射性が非常に高くてもよい。多層誘電コーティングは、たとえば、米国特許第５，８８２，７７４号明細書に記載される多層光学フィルム（ＭＯＦ）などの有機層を備えることができる。ＭＯＦは、たとえば、スペクトルの可視領域で光を反射し、スペクトルの赤外領域で光を透過することによって、フィルタおよび反射体として機能することができる。金属コーティングにおいて用いることができる金属の例としては、銀、アルミニウムおよび金が挙げられる。非常に高い反射性の内面６１６から複数回反射することによって、光を均質化することができる。クラッディング６５０全体は、金属から構成されてもよい。
【００２７】
コア６１７は、中実材料を含んでもよい。中実材料は、ガラスまたは有機材料から構成されてもよい。具体的なガラス材料としては、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、ホウ酸塩ガラス、ケイ酸ガラス、酸化ガラスおよびシリカガラスまたはコア材料として用いるのに適していると考えられる任意の他のガラス材料が挙げられる。具体的な有機材料としては、ポリカーボネート、アクリル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスルホンなどが挙げられる。コア６１７が中実材料を含む場合には、光学ロッドに沿って伝搬する光の内部全反射をはじめとする反射を促進するために、クラッディング６５０はコア材料の屈折率より低い屈折率を有することが好ましい。
【００２８】
コア６１７は、流体を備えてもよい。具体的な流体としては、エチレングリコール、エチレングリコールとグリセロールとの混合物、エチレングリコールと水との混合物、メチル側鎖、フェニル側鎖および親水性側鎖を有するシロキサンポリマー、メチル側鎖およびフェニル側鎖を有するシロキサンポリマーとメチル側鎖および親水性側鎖を有するシロキサンポリマーとの混合物をはじめとする液体が挙げられる。流体コア材料は、光源３４０または集束素子３５０を放熱するのを支援することができる。
【００２９】
コア６１７は、光を散乱することができる。たとえば、コア６１７は、ホスト材料に分散される粒子を備えてもよい。このとき、粒子の屈折率はホスト材料の屈折率とは異なり、その場合には粒子は光を散乱することができ、それによって光を均質化するのを支援する。
【００３０】
図４は、本発明の一実施形態による光学素子１００の概略側面図を示す。光学素子１００は、光源１４０から受光された光を均質化する。光学素子１００は、光軸１０１を中心とする。図４に示されているように、光軸１０１は、直線であってもよく、曲線であってもよく、１つ以上の直線線分および曲線線分の組み合わせであってもよい。一般に、光軸１０１は、用途において望ましいと考えられる任意の形状を備えることができる。光学素子１００は、入力端面１２０、本体１１０および出力端面１３０を備える。光学素子１００は、入力端面１２０を通って光源１４０からの光を受光する。本体１１０に入射する光は、たとえば本体に沿って伝搬するときに、さらに均一になる。本体１１０はロッドであってもよく、ロッドの少なくとも一部は中実であっても中空であってもよい。均質化された光は、出力端面１３０を通って本体１１０から出射する。均質化によって、光学素子１００を出射する光は光学素子に入射する光より均一であるようになっている。
【００３１】
本発明の一実施形態によれば、入力端面１２０は、出力端面１３０に平行ではない。たとえば、入力端面１２０は、たとえば、ｘ軸、ｙ軸またはｚ軸またはそれらの組み合わせに沿った入力端面１２０の１回以上の並進移動によって、出力端面１３０と重なるか、または一致するように成すことはできない。入力端面１２０の１回以上の回転または傾斜と組み合わせた入力端面１２０の並進移動により、入力端面を出力端面に重ねる結果を生じる可能性はある。入力端面１２０および出力端面１３０の一方または両方は、平坦であってもよく、または平坦でなくてもよい。入力端面１２０、出力端面１３０および本体１１０の断面のうち１つ以上は、規則的な周囲または不規則な周囲を有する任意の形状であってもよい。たとえば、入力端面１２０、出力端面１３０および本体１１０の断面のうち１つ以上の周囲は、円形であってもよく、楕円形であってもよく、四辺形、斜方形、平行四辺形、台形、矩形、正方形または三角形などの多角形であってもよい。
【００３２】
入力端面１２０は入力平面１２１を画定することができ、出力端面１３０は出力平面１３１を画定することができる。本発明の一実施形態によれば、入力平面１２１および出力平面１３１は平行ではない。すなわち、平面１２１および１３１は、たとえば、一方または両方が十分に延長されると、交差することを意味する。本発明の一実施形態によれば、入力平面１２１は、入力端面１２１の１回以上の並進移動によって、出力平面１３１と重なるか、または一致するように成すことはできない。「入力平面１２１の並進移動」なる語によって、ｘ軸、ｙ軸またはｚ軸に沿った移動の組み合わせとして表現することができる入力平面１２１の移動を表す。入力端面１２０は、光軸１０１に対して垂直であってもよい。
【００３３】
光学素子１００は、任意の３次元形状、たとえば六面体などの多面体を有することができる。光学素子１００は、中実であってもよく、または中空であってもよい。光学素子１００は、反射、内部全反射、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切な光学的な方法によって、入力光を均質化してもよい。
【００３４】
光学素子１００の光学透過率は、少なくとも５０％であることが好ましく、少なくとも７０％であればさらに好ましく、少なくとも８０％であればさらに一層好ましい。尚、光学透過率は、入力端面１２０に入射する総光強度に対する出力面１３０から出射する総光強度の比である。
【００３５】
上述の特許、特許出願および他の出版物のすべては、完全に再現されるかのごとく本願明細書に参照によって援用されるものとする。本発明の種々の態様の説明を容易にするために、本発明の特定の実施例について上記に詳細に説明したが、実施例の仕様に本発明を限定するわけではないことを理解すべきである。さらに正確に言えば、添付請求項によって定義されるように、本発明の精神および範囲に包含されるすべての変形物、実施形態および代替物を網羅するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態による光学系の概略側面図を示す。
【図２】本発明の別の実施形態による光学素子の３次元概略図を示す。
【図３】本発明の別の実施形態による光学素子の３次元概略図を示す。
【図４】本発明の別の実施形態による光学素子の３次元概略図を示す。
【図５】異なる照明系の照明強度の選択された点を示す。
【国際調査報告】
2007516474.tif 000002
2007516474.tif 000003
2007516474.tif 000004