(57)【要約】  プロジェクタ用のリフレクタが、光学面を画定する金属リフレクタ（３３）を含む。吸収面（３０）が光学面上に設けられる。ゲルマニウム層（３１）が吸収面上に設けられる。バンドパス反射面（３２）がさらに吸収面上に設けられる。
2008515147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学面を画定する金属リフレクタ（３３）と、
前記光学面上に設けられる吸収面（３０）と、
前記吸収面上に設けられるゲルマニウム層（３１）と、
前記ゲルマニウム層上に設けられるバンドパス反射面（３２）とを備えることを特徴とするリフレクタ。
【請求項２】
前記バンドパス反射面（３２）は可視光線内の光を反射し、前記吸収面（３０）は前記可視光線外のエネルギーを吸収することを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ。
【請求項３】
前記金属リフレクタは、前記ゲルマニウム層の熱膨張の係数（ＣＴＥ）に十分に近いＣＴＥを有することを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ。
【請求項４】
前記金属リフレクタは、前記吸収層の熱膨張の係数（ＣＴＥ）とほぼ同じＣＴＥを有することを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ。
【請求項５】
前記ゲルマニウム層（３１）は約５〜約１０ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ。
【請求項６】
前記リフレクタは、一体ロッド（２２）であることを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ。
【請求項７】
前記金属リフレクタ（３３）は一組の冷却フィン（１２）を含むことを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ。
【請求項８】
前記吸収面（３０）はクロムブラック又はゲルマニウムブラックであることを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ。
【請求項９】
一体ヒートシンク（１２）を有する光学リフレクタ（３３）を製造する方法であって、
光学面を形成するために、前記光学リフレクタ（３３）に一領域を画定するステップと、
前記面を、第１の光範囲に対して吸収性のある材料（３０）で覆うステップと、
前記材料をゲルマニウム層（３１）で覆うステップと、
前記面の前記ゲルマニウムの上を、少なくとも１つの異なる光範囲に対して反射性のあるバンドパス層（３２）で覆うステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記ゲルマニウム層（３１）の厚さは約５〜約１０ミクロンであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記光学リフレクタ（３３）を窒素で照射するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、現在は放棄されている２００４年６月１４日に出願された１０／８６７，９５６号の一部継続出願であった、参照により本明細書に組み込まれる２００４年９月２９日に出願された第１０／９５５，８３４号の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００２】
典型的な投影システムは、明るい白色光のアークランプ光源と、白色光を赤、緑、青のスペクトル成分に分光する方法と、及びスペクトル成分をそれぞれ二次元結像してカラー画像を生成する空間光変調器（ＳＬＭ、光弁とも呼ばれる）とを含む。ＳＬＭは、コンピュータ、又はＴＶチューナ、ＶＣＲ、ＨＤＴＶ放送、又はＤＶＤプレーヤ等の別の映像源によって生成されるアナログ又はデジタル映像信号に応答して、空間及び時間変調を行う。ＳＬＭは通常、赤、緑、及び青の色プレーンに一連の画像を生成するが、シアン、イエロー、マゼンタ、及び任意の白プレーンなどの他の色分解法が存在する。色プレーンは光学的に組み替えられ、スクリーン上に投影することができるか、又は閲覧者が１つの画像のみを知覚するような割合でスクリーン上に時間的に連続して点滅されてもよい。
【０００３】
たいていのデジタルプロジェクタは、プロジェクタが投影スクリーン上にのせるスクリーン光束強度の数を基に競い合っている。プロジェクタ市場における競合は凄まじいが、コスト検討及び寸法制約により、より効率的な光源の開発が制限されている。
【０００４】
従来の大部分の小型プロジェクタシステムは、バルブからスクリーンへの全体の光学系効率が１２〜２０％である。すなわち、実際には、バルブによって生成される光の最大１２〜２０％までしか投影光学から出射せず、スクリーンまでたどりつかない。このような非効率な設計により、薄暗い表示となるだけでなく、電力が不必要に浪費される。浪費電力の大部分は、可視スペクトル外の電磁エネルギーの形態であり、これは望ましくなく、プロジェクタ内の他の部品への損傷を制限するように排除されるべきである。効率を高めるいくつかの手法が試みられているが成功はほとんどしていない。
【０００５】
既存のアークランプ光源に伴ういくつかの問題がある。最も一般的に使用されるランプ光源は水銀蒸気アークランプである。このランプは、所定のワット数の大部分の光を生成し、点光源が小さい。しかしながら、水銀アークランプは、他の技術に比して寿命が短く、また、赤色スペクトル内でスペクトル的に不十分である光を生成すると共に紫外線（ＵＶ）スペクトル内でエネルギーを発生する。さらに、水銀は危険物であるため、多くの国はその使用を制限しているか又は完全に禁止している。他のバルブ技術を水銀蒸気アークランプの代わりに用いることができるが、エテンデューの小さな、したがって小型の高輝度プロジェクタの生成を可能にする小さなスポットサイズ及び効率性を有するものはない。エテンデューはシステム処理量を測定する方法である。光源によって一度生成されたエタンデューは増加の一途をたどるであろう。全く無損失の光学系では、エタンデューは常に一定に抑えられる。光学系のエタンデューは、エタンデューの最も少ない要素によって制限される。光源系は限界エタンデューよりも少ないエタンデュー、すなわち最大のシステム効率を有さねばならない。アークランプバルブを非アークランプに単に代えることでは、満足のゆく競合的な解決策は与えられないであろう。その理由は、非アークランプに点光源性がないことにより、それらの利用可能なエタンデューが制限され、通常は排除される必要のある可視光外の発光をもたらす傾向が高いからである。水銀バルブの代わりを可能にするには、プロジェクタ内の光路ではエタンデューの効率が高くなければならず、また、不要なエネルギーが取り除かれねばならない。したがって、他のバルブ技術を水銀蒸気アークランプに匹敵させる解決策も必要とされている。
【発明の開示】
【０００６】
要するに、アークランプバルブ、特に水銀蒸気タイプのものに伴う効率性及び他の問題を解消する必要性がある。
【０００７】
本発明は、添付の図面を参照しながらよりいっそう理解される。図面の要素は必ずしも互いに相対して一定の縮尺率とはなっていない。そうではなく、代わりに本発明を明確に示すことに重点が置かれている。さらに、いくつかの図全体を通して、同じ参照符号は対応する同様の部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下は、本発明を実施する目下最もよく知られている実施形態の詳細な説明である。本説明は、限定する意味にとられるべきではなく、本発明の基本原理を示すために行われるにすぎない。簡潔のため、本発明に関連しない投影システム部品の詳細な説明は省いていることに留意されたい。また、本発明は、目下開発中であるか又は今後開発されるものを含めた、広範の表示技術及び提示システムに適用可能である。例えば、種々の例示的な投影システムがデジタルマイクロミラー型プロジェクタを参照しながら以下に説明されるが、磁気粘性、回折性、透過性等、他のタイプの空間光変調器（ＳＬＭ）も本発明に等しく適用可能である。
【０００９】
本発明の実施形態の光学デバイスは、広範の光学デバイス技術に適用可能であり、様々な光学材料から作製されることができる。以下の説明では、反射性に関する実施形態において実施される本発明の光学デバイスのいくつかの実施形態を説明するが、その理由は、現在利用可能な光学デバイスの大部分が反射光学系において作製され、本発明の最も一般的に見られる用途は反射光学系を含むであろうためである。それにもかかわらず、本発明の一部によっては、屈折性において、回折性において、及び反射性と上記技術との組み合わせにおいて用いられることも有利であろう。したがって、本発明は、反射光学系において作製されるそれらのデバイスに限定することを意図せず、列挙されないものも含めた、利用可能な光学方法の１つ又は複数及び当業者に利用可能な技術において単独で又は組み合わせて作製されるデバイスを含む。
【００１０】
図面は一定の縮尺率とはなっていないことに留意されたい。さらに、光学要素の各種部品は一定の縮尺率で描かれていない。本発明のより明確な図示と理解を与えるために、特定の寸法が他の寸法に対して誇張されている。
【００１１】
さらに、本明細書に示す実施形態のいくつかは各種領域が長さ及び幅を有する二次元図で示されているが、これらの領域は実際には三次元構造であるデバイスの断面部分しか示されていないことが明らかに理解されるはずである。したがって、これらの領域は、実際のデバイスとして作製される場合、長さ、幅、及び深さを含む３つの寸法を有することになる。しかしながら、三次元構造によっては、図示の二次元構造の横軸の回転のものもあれば、横軸の長方形の形（例えば深さ又は幅寸法で横断面図を直線に延びる）等、存在する同様な長手方向断面部分を有するものもあり、本発明の範囲及び精神内にある。
【００１２】
さらに、種々の実施形態は長手方向軸に沿った断面で示されているが、実施形態の種々の断面は横軸の横断形状を有してもよい。図示の本発明の実施形態は、考えられ得る様々な可能な横軸の断面の可能な組み合わせを含み、なおも本発明の範囲及び精神内にあることを意図する。
【００１３】
さらに、本発明はプロジェクタデバイスを対象とする実施形態によって例示されているが、これらの例示が本発明の範囲又は適用可能性を限定することは意図しない。本発明のプロジェクタデバイスを例示の物理的構造に限定することも意図しない。これらの構造は目下好適な代替的な実施形態への本発明の有用性及び適用を示すために挙げられている。
【００１４】
本発明の実施形態は、電磁エネルギーを生成するようになっている光源と、光キャビティを画定する光源を保持する取付治具とを連結する任意の光学アセンブリを有し得る。バンドパスフィルタが光キャビティに配置されて、或る範囲の光周波数を反射し、さらに、光周波数の範囲外の電磁エネルギーを吸収する。光学アセンブリに一体となった熱除去装置が、吸収された電磁エネルギーを消散する。
【００１５】
より具体的には、種々の実施形態は、光源からの熱除去を含むバンドパス反射型アセンブリを対象とする。各種光源としては、水銀アークバルブ光源、キセノンアークバルブ光源、及びハロゲン光源が挙げられるがこれらに限定されない。これらの実施形態は、１つのバンド幅領域（可視光等）で非常に効率的に反射すると共に、このバンド幅領域外の波長を吸収する熱除去面に、光学コーティングを行うためのものである。例えば一実施形態では、プロジェクタ用のリフレクタアセンブリは、電磁（ＥＭ）室を画定する熱伝導アセンブリを含む。光源によってＥＭ室内に生成される紫外線（ＵＶ）エネルギー及び赤外線（ＩＲ）エネルギーを吸収するために、薄い吸収層がＥＭ室に設けられる。この薄い吸収層はまた、分離層のための接着剤層として用いられる。ゲルマニウム分離層が吸収層上に設けられる。ゲルマニウムはＩＲエネルギーの吸収も部分的に行う。ゲルマニウムは、平滑な光学面を呈するように手磨きされるか又は仕上げられてもよい。薄膜スタックフィルタをゲルマニウム分離層に設けて、第１の周波数バンドを反射させる（好ましくは可視光スペクトルで）ようにすることができると共に、ＵＶ及びＩＲ等の１つ又は複数の他の周波数帯域を分離層及び吸収層に通過させるようにすることができる。ゲルマニウム分離層は、反射フィルタを吸収層から分離するために設けられ、鏡面性の高い表面を提供することによって吸収層にわたってフィルタをコーティングしやすくさせる。分離層にゲルマニウムを用いる場合は、このような分離及び吸収層にわたるフィルタのコーティングのしやすさを、その光学特性及び結晶特性によりゲルマニウムに組み込むことができる。ゲルマニウムはまた、フリットガラス、又は分離層に用いることができるであろう他の誘電体物質よりも良好な温度係数の一致をもたらす。さらに、分離層の表面の平滑化は、研磨等、いくつかの方法によって達成することができる。熱伝導アセンブリは、吸収層及び分離層においてＵＶ及びＩＲエネルギーによって生成された熱を周囲環境に伝導する。任意に、ファン又は他の熱除去装置を用いて、リフレクタアセンブリから熱をさらに消散する。
【００１６】
分離層に用いられるゲルマニウム層は、薄膜誘電性層又は他の金属膜反射層のスタックのための基板とすることを可能にするのに必要な所望の適した光学特性、機械特性、及び熱特性を提供する。光学特性は適した複素屈折率及び光学平滑性を含む。機械特性は格子定数の一致性、膜応力、膜付着性を含む。ゲルマニウムの格子定数が、アルミニウム等の場合の金属リフレクタに近似していることにより、２つの金属のインターフェースに応力がほとんどないため、結合力が高まる。半導体ゲルマニウムの熱特性は、フリットガラス又はたいていの他の誘電体等の絶縁体のそれよりもはるかに優れている。分離層及び吸収機能部としてゲルマニウムを用いることにより、コーティング構造及びその結果としてのプロセスステップが単純となる。このような単純化は、熱サイクル及び熱伝導の双方に利点を与える。金属リフレクタへのＧｅ基板の付着を高めるために、いくつかの接着剤層が金属リフレクタ上に堆積されてもよい。また、接着剤層はさらなる吸収能力も与えることができ、したがって吸収層となる。このような吸収層の使用により、金属リフレクタ上に堆積されるゲルマニウムの厚さを最小限にすることが可能となり、不要なＵＶ及びＩＲ放射の熱結合が高まる。
【００１７】
プロジェクタ用のリフレクタの一実施形態では、金属アセンブリを用いて、光源から光を集光する又は集束するように形状面を画定する。アルミニウム、銅、金、ニッケル、チタン、クロム、又は合金等の金属、及びそれらの組成物を形状面に用いることができる。当然のことながら、他の金属も可能である。かかる形状面は楕円状又は放射線状の面を含むが、他の双曲線状、湾曲状、凹状、凸状、平坦、又は傾斜状の面を用いることができる。ゲルマニウムのＵＶ及びＩＲ吸収性フィルタ層が形状面上に設けられる。所望であれば、さらなる吸収層及び／又は接着剤層を金属アセンブリとゲルマニウム層との間に加えて、所望の周波数の吸収を高めると共に熱伝導金属アセンブリに熱をさらに伝導することができる。ゲルマニウム層は分離層として機能するが、任意に、さらなる分離層がゲルマニウム層上に設けられる。分離層はＵＶ及びＩＲエネルギーに対して十分に透過性があると共にゲルマニウム層と合わせると十分な厚さがあるため、組み合わされると光源の可干渉距離よりも長いが、吸収すべき最も長い周波数の波長の２倍未満となる。反射コーティングスタックが分離層上に設けられて、可視光を反射すると共にＵＶ及びＩＲの透過を可能にする。任意に、反射コーティングスタックは、コーティング層の１つとしてＴｉＯxを用いることによってＵＶ吸収を可能にするように設計することができる。さらに、コーティングスタックは、適したコーティング設計によりＩＲを吸収するように設計することができる。
【００１８】
例えば、水銀アークランプは１ミクロンの約半分の可干渉距離を有してもよい。１ミクロンよりも大きい厚さを有する分離層は、反射層と吸収層との間に十分な光の非干渉をもたらす。約５μｍ〜約１０μｍの分離層は、反射スタックと吸収層との間に遠ＩＲ放射の十分な分離をもたらす。
【００１９】
光学リフレクタとしてヒートシンクを用いる１つの方法は、ヒートシンク内にキャビティを画定して光キャビティを形成することである。次いで、このキャビティは少なくとも１つの光範囲に対して吸収性のある材料で堆積されるか、コーティングされるか、又は形成される。次いで、吸収材料は、少なくとも１つのゲルマニウム層を含む分離層でコーティングされ、任意に研磨される。次いで、異なる光範囲に対して反射性のある材料の薄膜層のスタックが、分離層に堆積されるか、コーティングされるか、又は形成される。
【００２０】
光学プロジェクタ用のフィルター処理された光源を作成する別の方法は、赤外線（ＩＲ）から紫外線（ＵＶ）に及ぶ広帯域光源を作成することである。広帯域光源からのＩＲ及びＵＶ光を一組の薄膜誘電体コーティングでフィルター処理して、白色光出力及び熱放射出力の双方を生成する。熱放射出力が、薄膜誘電体コーティングが設けられる光学デバイスを形成するゲルマニウム層を介して、ヒートシンクに伝達されるため、当該デバイスは比較的「冷」白色の光出力を投影することができる。
【００２１】
プロジェクタ用のリフレクタアセンブリを概ね説明してきたが、本発明は、一体ロッド又は他の鏡面化した面等の任意のリフレクタデバイスと共に用いることができる。このリフレクタは吸収及び／又は接着剤コーティングを有する金属リフレクタを含むであろう。ゲルマニウム層が吸収及び／又は接着剤コーティング上に設けられる。周波数選択光学リフレクタがゲルマニウム層上に設けられることで、ＵＶ及びＩＲの少なくとも一方がゲルマニウム層及び吸収層を通過することができる。したがって、リフレクタは、吸収面が光学面上に設けられていると共にゲルマニウム層が吸収面上に設けられている、光学面を画定する金属リフレクタを有する。吸収面は可視波長外の光を吸収しなければならない。それは可視領域内の光を反射又は吸収し得る。ゲルマニウム層は分離層及びＩＲの部分吸収層として作用する。可視光に対して反射性があると共に非可視光に対して透過性がある層が、ゲルマニウム層上に設けられる。ゲルマニウム層は、光学面を形成するのに十分に平滑に仕上げ処理され、その複素屈折率は、高反射率可視バンドパスコーティングの設計及び実施を複雑にしない。概して、金属リフレクタは、ゲルマニウム層の熱膨張の係数（ＣＴＥ）及び吸収層のＣＴＥとほぼ同様、すなわちそれに十分に近いＣＴＥを有するため、広い動作温度範囲が可能となる。吸収面は、ＴｉxＯy等の特定の波長領域のそれらの吸収性に対して選択される、吸収層に１つ又は複数の金属−誘電体コーティング又は半金属−誘電体コーティングを含むように作製されることができる。
【００２２】
例えば、金属又は半金属誘電体位相整合層を用いることによる金属リフレクタ上の反射防止（ＡＲ）コーティングは、広帯域ブラック層を作成するようにＭｇＦ2及び薄膜クロムを含む。或いは、金属リフレクタ面（一般にＡｌＯx又はＡｌxＯy）の熱酸化又は化学処理等によって、吸収面を、金属リフレクタアセンブリから形成するか又は作成することができる。さらに、吸収面は微結晶性物質（一般に、酸化イットリウム、Ｙ2Ｏ3又はＹxＯy等）を含み得る。吸収面は、アルミニウム面上に直接堆積されるクロムブラック又はゲルマニウムブラックから成ってもよい。ゲルマニウムブラックはゲルマニウム面を化学的にエッチングすることによって形成されてもよい。
【００２３】
一実施形態では、金属リフレクタはアルミニウムであり、吸収層は窒化アルミニウムである。この実施形態は、アルミニウム基板を窒素で照射して、非常に安定したブラック層（アルミニウムブラックとも呼ばれる）である窒化アルミニウムを形成することで行われる。この実施形態により、ゲルマニウム層を吸収層に直接堆積してから高反射率コーティングを堆積することが可能となる。
【００２４】
ゲルマニウム層は概して、反射面を吸収面から分離するように１ミクロンよりも大きい厚さを有する。この厚さは概して、光源のコヒーレンスよりも大きい。ゲルマニウム層は、熱伝導を最大限にすると共に吸収面と高反射率コーティングとの間で光を十分に分離するように、約５ｕｍ〜約１０ｕｍ未満であることが好ましい。概して、ゲルマニウム面は反射面に対して平滑な光学面を形成するように研磨される。反射面は堆積した金属膜であってもよく、又は、ゲルマニウム層上に１つ又は複数の薄膜誘電体層を用いて作成されることができる。いくつかの実施形態では、反射面の例としてほんのいくつか例を挙げると、ＳｉＯ2及び酸化タンタル（例えばＴａ2Ｏ5又はＴａＯｘ）、酸化チタン（例えばＴｉＯ2又はＴｉxＯｙ）、酸化ニオビウム（例えばＮｂＯx）、酸化ジルコン（例えばＺｒＯx）、及び酸化ハフニウム（例えばＨｆＯx）、又はそれらの組み合わせが挙げられ得る。
【００２５】
金属リフレクタは、金属リフレクタに接続される一組の冷却フィン又はヒートパイプを有することで、熱除去を可能にする。当業者にはいくつかの他の熱除去の選択肢が既知である。光キャビティは任意に、周囲空気に対してシールされるか又は開口を有することで、所望の熱及び光学設計に応じて追加の熱流を可能にする。
【００２６】
本発明の特定の実施形態を成すと共に用いる方法のより詳細な説明が以下に行われるが、本発明を限定する意味はなく例示にすぎず、これは本明細書に続く特許請求の範囲内に規定される。
【００２７】
図１は、紫外線（ＵＶ）１１０の波長から可視１１２の波長、さらには近赤外線（ＩＲ）１１４の波長にかけての、また、遠ＩＲ１１５に及ぶ、水銀アークランプ光源１１６、キセノンランプ光源１１８、及びタングステンランプ光源１２０の相対分光輝度の例示的なグラフ１００である。ＵＶは一般的に、４００ナノメートル（ｎｍ）未満の波長を有する電磁エネルギーと考えられる。可視光は一般的に、４００ｎｍ〜７００ｎｍのバンド幅の電磁エネルギーを有すると考えられる。ＩＲ電磁エネルギーは一般的に、７００ｎｍよりも大きい波長を有するものと考えられる。水銀アークランプ光源１１６の場合に見られるように、エネルギーの大部分は紫外線波長領域及び可視光線領域に集中する。キセノンランプ光源１１８は４つの領域全てにわたって（ピークがいくつかあるものの）より均一な分散を有する。タングステン光源は一般的に、黒体放射を特徴とし、ＵＶ１１０の領域から可視１１２の領域を介してＩＲ１１４の領域まで増加し、遠ＩＲ１１５の領域において漸減する相対放射を有する。全ての光源が可視１１２の領域外のエネルギーを生成し、これは、従来の投影システムでは除去して他の光学部材又はユーザに害を及ぼさないようにする必要がある。たいていのシステムは、使用される複数のファン及び特別な光学系を必要とする光源の下流に、可視光を透過しＵＶ及びＩＲを反射するダイクロイック誘電体フィルタを用いる。最も多くの場合、ＵＶ及びＩＲの除去は、最終的にプロジェクタの各種部品によって吸収が制御されなくなるほど効率が非常に悪い。しかしながら、本発明の実施形態は、光源又は他の反射アセンブリの金属面に特別なコーティングを用いることによって、吸収すべき不所望の波長及び散逸されるエネルギーの取り込みを可能にする。
【００２８】
図２は、本発明の一実施形態の反射／吸収面についての例示的なバンドパス関数２１０のグラフ２００である。反射層は、可視１１２の領域の光を反射するが、ＵＶ領域１１０及びＩＲ１１４の領域の他のエネルギーを吸収層に透過させると共に熱に変換（フォトンをフォノンに変換）させる。次いでこの熱は、リフレクタ内のヒートシンク又はヒートパイプシステム等の一体熱除去装置によって散逸されることができる。
【００２９】
図３は、本発明の少なくとも１つの態様を取り込んだ例示的な一投影デバイスに見られる、展開された光学表示システム３００の概略図である。光学表示システムは、光源１０と、カラーホイール１６と、空間ホモジナイザ２０と、空間光変調器（ＳＬＭ）４０と、結像光学系５０とを備える。光源１０は、楕円リフレクタ１３及びバルブ７０を有する。バルブ７０は一般的に、広帯域光の楕円の第１の焦点（物点）に小さな火球１７を生成する水銀アークランプであり、これは、一体ロッド２２に示すように第２の焦点に結像（集束）され空間ホモジナイザ２０の入口２４に像点１４を形成する。図示の光源１０は水銀バルブのそれであるが、他の光タイプを用いることができ、例えば、当業者は閉鎖環境のキセノンバルブシステムを代わりに用いることができ、なおも本発明の精神及び範囲に見合うことができる。一般に、本発明は、空間ホモジナイザ２０を含めた、反射面を有する多くの光学デバイス内に組み込まれることができる。
【００３０】
光源１０は、反射層３２を用いて像点１４に収束する一組の集束光光線１５、及び像点１４に収束しない迷光光線１１の双方を生成する。光源１０は、可視反射層３２及び分離層３１により透過されてゲルマニウム（Ｇｅ）の吸収層３０内に吸収されるＵＶ及びＩＲ波長の電磁エネルギーを有する。光源１０は、吸収層３０、分離層３１、及び反射層３２の特別なコーティングが塗布されている楕円リフレクタ１３を画定する金属リフレクタ３３を有する。金属リフレクタ３３は、吸収層３０によって吸収されるエネルギーを除去するヒートシンク１２等の一体熱除去装置を有する。
【００３１】
カラーホイール１６はカラーホイール軸１８を中心に回転して、１つ又は複数の色区分（いくつか例を挙げると、赤緑青、赤緑青白、又は赤緑青赤緑青等）を与え、光源１０からの可視光スペクトル（白色光）を一時的な一連の色に変換するようにする。しかしながら、水銀ランプは通常、生成される赤色スペクトルの量が足りないため、オフホワイト光を生じ、これはカラーホイール又は他の機構によって修正されねばならない。カラーホイール１６は、一連の色を作成することができる複数の色域生成器５６（図４を参照）のうち１つである。空間ホモジナイザ２０を用いて、出口２６の横軸の横断形状から発せられた光線に均一な強度を生成する。
【００３２】
像点１４の集束光が、楕円ミラーの光学設計に基づいて第１の角度１９（通常、円錐半角と呼ばれる）で入口２４にて空間ホモジナイザ２０に入る。典型的には、空間ホモジナイザ２０として用いられる従来の一体ロッド２２は（図示の長手方向断面とは対照的に）長方形の横軸の横断形状を有することで、光を矩形像に変換して、対応して比例した長方形状ＳＬＭ４０に集束させる。たいていの一体ロッド２２は、中空の矩形ボックスとして構成され、内側が高反射率塗膜でコーティングされることで、入射光をその表面から反射させる。任意に、ゲルマニウム層を含む、金属リフレクタ３３の表面にコーティングされているのと同様の膜で、一体ロッドをコーティングすることによって、さらなるＵＶ及びＩＲフィルタリングを行うことができる。この反射により光が空間的に均質化されることで、横軸の横断面の出口開口にわたって均一に分散し、一体ロッド２２の出口２６を出る光線の断面に均一な強度を生成する。一般に、従来の矩形の一体ロッド２２の場合では、光は第１の角度１９で出口２６から出る。次いで、一体ロッドを出る光線は、集光レンズ２８又は他の光学系によって一組の均一な光線４２に結像し、ＳＬＭ４０の能動素子が占める領域を満たす。この結像は、一体ロッド２２の高さ及び幅がＳＬＭ４０の寸法に比例していることで行われる。次いで、ＳＬＭ４０を出る反射光４４は、反射光４４が投影光学系４８の結像光学開口４９に実質的に補足されるように、任意に結像光学系５０に結合する。偏向光４６は結像光学系開口４９から逸れるように導かれるため、投影されない。ＳＬＭ４０は反射するように説明されているが、図示されるこの光学経路は理解しやすくするため展開されている。実際の設計では光を合成角でＳＬＭ４０に反射させることが必要とされる。代替的に、ＳＬＭ４０はＬＣＤパネル等の場合では透過性とすることができ、このことは当業者には既知である。
【００３３】
金属リフレクタ３３を製造する実施形態のいくつかの方法がある。１つの方法は、シリンダに楕円の中空粗形を形成し、次いで、単一尖端式ダイヤモンド旋削（ＳＰＤＴ）を行い、シリンダ内をこの中空にすることである。別の手法は、光軸に沿って１シームで電鋳される２つの部品を作成することである。代替的に、この２つの部品を（長手方向の）光軸に対して垂直（横断方向）に１シームで２つの部品として電鋳することができる。さらに、各種キャスト法が当業者に既知であり、光学面の品質のために用いられる。製造ステップに関するさらなる情報は図８に詳述される。
【００３４】
従来の楕円リフレクタはガラス等の中実の光学材料から作製されるが、水銀アークランプからの熱は適正に制御されなければ楕円面を変形させ、したがって効率を低下させる可能性がある。ヒートシンク１２等の一体熱除去装置を有する金属リフレクタ３３を用いることにより、リフレクタが、摂氏１００度の遷移等の広範の動作温度にわたって楕円面を維持することが可能となる。しかしながら、いくつかの用途では、リフレクタ材料の選択は、低い強度輝度の用途等では、ランプのエネルギーによって影響を及ぼされない可能性がある。しかしながら、本明細書中に記載されるコーティングはなおも、楕円面又は他の平坦面若しくは湾曲面（放物線状、双曲的、双曲線状等）に塗布され、なおもフィルタリング機能を果たすことができる。
【００３５】
図４は、本発明を組み込んだ光学結像システムの一実施形態のさらに概略的なブロック図４００である。光学システム内の光路が鎖線で示されている。他の信号は実線で示されている。光発生器２３が光源１０と、好ましくは可視光のバンドパスフィルター処理された光２５を生成するための吸収層３０、分離層３１、及び反射層３２を有する金属リフレクタ３３とを有し、それを、（色を作成する）色域作成器５６に透過させる。光源１０は、好ましくは、いくつか例を挙げると楕円状、放物線状、複合放物線状等の平坦面又は湾曲面を用いて光を集光する結像面を有する。色を作成する色域作成器５６は任意に、投影光が人間の眼に入らないうちは光発生器の種々の地点又は光路のどこへでも組み込むことができる。例えば色域発生器５６は、光源１０に一体化されることができるか、或いは、光源１０又は空間ホモジナイザ２０の後に配置されてもよい。色域発生器５６を回折光デバイス等の場合での空間光変調器４０に組み込むことも可能である。
【００３６】
光発生器２３からのフィルター処理された光２５は、空間光変調器４０に光学的に結合される。映像又は画像ソースデータ入力５２からアナログ又はデジタル入力を受信するコントローラ５４がＳＬＭ４０を制御する。次いで、ＳＬＭ４０からの光は、結像光学系５０に光学的に結合されて対象物６０上に投影又は結像する。かかる対象物６０は、フロント又はリアプロジェクションスクリーン、壁、半透明スクリーン、又はアクティブスクリーン等の他の表示デバイスを含む。アクティブスクリーンにより、この上に投影される画像の光増幅又はコントラストの向上が可能となる。さらに、色域作成器５６を空間光変調器４０、結像光学系５０の後に組み込むことができるか、又は、アクティブスクリーン等の場合では対象物６０内に組み込むことさえできる。
【００３７】
図５Ａ及び図５Ｂはそれぞれ、フィルター処理された光を生成する、可能なリフレクタアセンブリ３３のうちの１つにすぎない例示的な一実施形態の斜視図及び後面図である。図５Ａは、バルブ開口５４０及び一部が楕円状のリフレクタキャビティ５５０を有する楕円光源５００である。一部が楕円状のリフレクタ５１３の形状は、火球１７（図２）の場所等の、楕円の第１の焦点からの光が反射面５１０から反射し、楕円の第２の焦点で像点１４を形成するようになっている。楕円は、ミラーを製造する際に必要とされる高い光学的精度を犠牲にして、ミラーの遠位端５６０のより近くに像点を形成するようにリフレクタ本体５２０内に形成されることができる。像点１４が楕円ミラーの遠位端５６０からさらに遠くに位置付ける場合には精度はあまり必要とされないが、光路の長さがより長くなる。像点１４を楕円ミラーの出口からさらに遠くに位置付ける別の利点は、像点１４を形成する際の収束の円錐半角が、像点１４が出口開口のより近くに形成される場合よりも小さいことである。このことは、像点の歪みを小さくするだけでなく、空間ホモジナイザ２０への像点１４の結合にも役立つ。反射面５１０は、吸収層３０の被膜、分離層３１として用いられるゲルマニウムの被膜、及び反射層３２の被膜で、楕円リフレクタキャビティ５５０の表面を覆うことによって形成される。
【００３８】
図５Ｂは、図５Ａの近位端５７０の後面図であり、空気流をファン又は送風機等の空気移動装置からそれらを横切って流し周囲空気へ熱を除去させるように、放射状に分散した冷却フィン５３０を示す。冷却フィン５３０に形成されて冷却フィン５３０の上を通る際に空気流の乱流を最大限にする特徴部５８０を有するタービュランスが示されている。リフレクタ本体から伝導される熱量を最大限にすることにより、キャビティ５５０内での熱の蓄積が減り、それによって、ランプアセンブリの寿命が増すと共にリフレクタの形状が維持されて空間ホモジナイザ２０に光が効率的に結合される。開口５４０は、固定又は交換可能なバルブアセンブリを配置することを可能にする。
【００３９】
図６は、代替的な光源６００の断面図である。この図では、放物線状の光源が、キャビティ６５０内の放物線５１３の焦点に火球１７を形成している、開口５４０内のバルブ６２５を有する。放物線の焦点を出る可視光は、反射面３２に反射し、実質的にコリメートな（平行な）光路を形成し、次いで、集光レンズ５７５によって像点５１４に結像される。ＵＶ及びＩＲ放射は可視反射層３２を通ってゲルマニウムの分離層３１を介して吸収層３０によって吸収される。吸収されたエネルギーは吸収層によって熱に変化され、反射体６４０に散逸され、最終的に一体冷却フィン５３０によって散逸される。この手法は、光路の長さの設計（したがって半角）にさらに柔軟性を与えることを可能にするが、その理由は集光レンズ５７５の光学系が像点５１４を形成し、そのため、リフレクタを許容差を小さくして製造することができるからである。この手法は概して楕円ミラー法よりも効率が悪く、また、追加的な要素を付加するため、光源の重量、長さ、及びコストを増大させる。しかしながら、反射面３２を出るフィルタリングされた光は実質的に可視スペクトル内にしかないため、光路の残り部分のＵＶ及び／又はＩＲフィルタリングを必要としないことから、より安価なコストの集光レンズ５７５を用いることができる。
【００４０】
フィルター処理された光を生成するのに熱除去を用いるバンドパスリフレクタの一利点は、複数の異なる火球のサイズで動作するように設計されることができることであり、したがって撮像光源のアラインメントの許容差をより大きくすることができ、異なる光源の相互運用性を可能にする。従来のプロジェクタ設計は一般に、特定の像点に結像される十分に画定された火球を有する単一光源に限られていた。しかしながら、本発明を用いる投影システム又は他の結像システムにより、従来の水銀アークランプ以外の種々のタイプの光源を可能にすることができる。水銀は毒物であると知られており、一般的に、その使用は減らすか、又はなくすことが望ましい。例えば、キセノン等の光源は動作寿命がより長く、水銀バルブよりも白いが、所定のワット数に対して同じくらいの光出力を有さず、概して点光源ほど小さくならないであろう。さらに、除去されねばプロジェクタ内の他の光学要素を劣化させるであろうＩＲ領域の光が多い。フィルタコーティングを金属リフレクタに熱除去を用いて取り込むと共に、空間ホモジナイザ２０の入口開口の前の像点にキセノン火球を結像することによって、キセノン光源の効率が向上し、したがって、水銀を含まない光源による解決策が可能となる。よって、いずれの実施形態のバルブ７０は、ほんのいくつか挙げれば、キセノン系、ナトリウム系、ハロゲン系の光等の非水銀光源に取り替えられることができる。実際、非点光源である複数の種々の光源を、選択された用途、空間光変調器、及び色域作成器に応じて使用することができる。
【００４１】
図７は、本発明の少なくとも一実施形態を組み込んだ投影システム７００の一実施形態のブロック図である。投影システム７００は、ランプアセンブリ７４０と、ファンアセンブリ７２０と、投影アセンブリ７１０と、制御アセンブリ７３０とを有する。制御アセンブリ７３０を用いて、投影アセンブリの相を調整し、ランプアセンブリ７４０への電力を制御し、また、ファンアセンブリ７２０を動作させるようにすることができる。ランプアセンブリ７４０は、そのリフレクタ面に塗布される複数の光学コーティングを有する一体リフレクタ、及びヒートシンクを有する。これらのコーティングは、可視スペクトルのフィルタリングされた光を生成するバンドパスフィルタを形成するように、吸収層３０、ゲルマニウム分離層３１、及び反射層３２を有する。ランプアセンブリ７４０のランプから発せられる不所望なエネルギーが、反射層３２、分離層３１（存在する場合）を介して、吸収層３０に透過される。吸収層３０及び分離層３１によって生成される熱は、一体ヒートシンクに熱的に結合される。制御器アセンブリ７３０は、不所望な熱を周囲雰囲気へ除去するためにヒートシンクに空気流を送る必要がある場合に、ファンアセンブリ７２０を作動させる。ランプアセンブリ７４０からのフィルター処理された光は、投影アセンブリ７１０に光学的に結合される。投影アセンブリ７１０は、制御アセンブリ７３０によって制御される１つ又は複数の空間光変調器を組み込んで、可視画像又は映像を生成することができる。或いは、投影アセンブリは、画像を生成すると共に、又加えて、通信機能に制御されることができる。
【００４２】
バンドパスコーティングを有する一体リフレクタ及びヒートシンクは、複数の種々の方法によって作成されることができる。例えば、図８は、単独で、又は他の光学要素と組み合わせて一体リフレクタを作成することが可能な製造ステップ８００の複数の種々の組み合わせを示すフローチャートである。６０６１、７０００、又は１０００シリーズ等のアルミニウム合金を粗加工して（ブロック８１０）、所望の形状に近づけ、次いで、任意に熱処理し（ブロック８１６）、且つ／又は、任意にＭＩＬ  Ｈ  ６０８８等の既知の基準まで応力緩和する（ブロック８１８）。他の形成ステップは、アルミニウム材料を射出成形する（ステップ８１４）か、又はキャスト成形してキャスト材料を形成する（ステップ８１２）ことであり得る。次いで、成形品が十分に正確でない場合は成形部又はキャスト部をさらに粗加工することができる。任意に、アルミニウム面を硬化するためにそれをニッケルめっきするか判定し（ブロック８２０）、その場合、アルミニウムをニッケルでめっきする（ブロック８２０）。いずれにしても、アルミニウム合金部は、その後、任意に、光学的仕上げのために単一尖端式ダイヤモンド旋削（ＳＰＤＴ）される（ブロック８２４）。
【００４３】
光学面が生成されると、吸収層が光学面に塗布される（ステップ８２６）。可能な方法のいくつかは、ブラック材料を堆積すること（ステップ８２８）、アルミニウムを窒素で照射すること（ステップ８３０）、及び誘電体位相整合層等の反射防止コーティングを堆積すること（ステップ８３２）を含む。ブラック材料は、アルミニウムリフレクタに直接堆積されるクロムブラック又はゲルマニウムブラックとすることができる。誘電体位相整合層は、クロムの薄層を有するアルミニウム面上のＭｇＦ2のコーティングとすることができ、これにより広帯域ブラック層を形成する。アルミニウムが窒素で照射される場合、窒化アルミニウムはアルミニウムに包埋されて、高反射率コーティングで直接コーティングされることができる（ステップ８３８）アルミニウムブラック面を形成する。
【００４４】
反射層及び吸収層間の相互作用を防止するために、又は、十分に特徴付けられた研磨光学面を形成するために、吸収層に分離層を堆積するか又は他の方法で塗布することができる。分離層は、ＩＲ放射に対して部分的に吸収性がある結晶ゲルマニウムから形成されて、吸収層に熱的に結合されると共に部分的に光学的に結合されることが可能となる。１つの例示的な材料は、光学的鏡面を生成するために、微粉砕されるか又は研磨され得る（ステップ８４０）ゲルマニウム層を堆積する（ステップ８３６）ことである。分離層が堆積された後、１つ又は複数の層から成る高反射率コーティングがその上に塗布される（ステップ８３８）。可視光の１つの例示的なバンドパス反射面は、ＳｉＯ2の複数層、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化ニオビウム（ＮｂＯx）、酸化ジルコン（ＺｒＯx）、及び酸化ハフニウム（ＨｆＯx）、又は酸化チタン（ＴｉＯ2）の１つ又は複数の層が塗布される（ステップ８４２）ことである。
【００４５】
本発明を上記の好適な且つ代替的な実施形態を参照しながら具体的に示し説明してきたが、当業者は、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、本発明に多くの変更を行うことができることを理解するであろう。本発明の説明は、本明細書に記載される要素の全ての新規的且つ非自明的な組み合わせを含むものと理解されるべきであり、特許請求の範囲は、これらの要素のあらゆる新規的且つ非自明的な組み合わせに対して、本願又は後願において示され得る。上記の実施形態は例示的なものであり、本願又は後の出願の特許請求の範囲に記載され得る全ての可能な組み合わせに必要不可欠な特徴部も要素も何一つない。特許請求の範囲がその均等物の「１つの」又は「第１の」の要素に言及する場合、かかる特許請求の範囲は、１つ又は複数のそのような要素の包含を含み、２つ以上のそのような要素を要求も排除もしないものと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】紫外線の波長から近赤外線の波長にかけての、水銀アークランプ光源、キセノンランプ光源、及びタングステンランプ光源の相対分光光輝の例示的なグラフである。
【図２】本発明の一実施形態の反射面についての例示的なバンドパス関数のグラフである。
【図３】本発明の少なくとも１つの実施形態を用いた例示的な表示装置の概略図である。
【図４】本発明の一実施形態を含む投影システムの例示的なブロック図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態を含み得る光源の例示的な一実施形態の斜視図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態を含み得る光源の例示的な一実施形態の後面図である。
【図６】本発明の少なくとも１つの実施形態を含む例示的な代替の光源の断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の例示的なブロック図である。
【図８】本発明の実施形態を構成するのに利用可能な例示的な製造ステップを示すブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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