(57)【要約】本発明は、投射ディスプレイ装置に対する照明系（１０，５０）に係る。当該照明系は、少なくとも１つの入口開口（１６，６４）を有するインテグレータ装置（１４，５８）、光源（２４，５４）、及び、光源から少なくとも１つの入口開口に向かって光を配向する手段（２６，５６，６１）を有する。照明系は、少なくとも１つの入口開口に対して直接隣接して配置される逆反射体（３４，６５）によって特徴付けられる。本発明によって与えられる１つの有利点は、光源からのルーメン出力を使用する効果が増大される、ことである。本発明はまた、かかる照明系を有する投射ディスプレイ装置に係る。
2008517342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投射ディスプレイ装置に対する照明系であって：
少なくとも１つの入口開口を有するインテグレータ装置と、
光源と、
前記光源から前記少なくとも１つの入口開口に向かって光を配向する手段と、
を有し、
前記少なくとも１つの入口開口に対して直接隣接して配置される逆反射体、によって特徴付けられる、
照明系。
【請求項２】
前記逆反射体は、前記逆反射体によって逆反射される光の変位が前記光源の寸法のオーダにあるか、それより小さいよう、配置される、
請求項１記載の照明系。
【請求項３】
前記インテグレータ装置は、前記少なくとも１つの入口開口を備えられるロッドインテグレータを有し、
前記配向手段は、光を前記ロッドインテグレータへとカップリングするよう、前記光源から前記少なくとも１つの入口開口に向かって配向する反射体を有する、
請求項１又は２記載の照明系。
【請求項４】
前記逆反射体は、前記少なくとも１つの入口開口を実質的に取り囲む、
請求項３記載の照明系。
【請求項５】
光の一部分を選択するよう、並びに、前記部分を前記ロッドインテグレータへと反射し戻すよう、前記少なくとも１つの入口開口に対して前記ロッドインテグレータの対向端部において与えられる手段を更に有する、
請求項３又は４記載の照明系。
【請求項６】
前記選択手段は、カラーフィルタアレイを有する、
請求項５記載の照明系。
【請求項７】
前記選択手段は、反射偏光器を有する、
請求項５又は６記載の照明系。
【請求項８】
前記インテグレータ装置は、前記少なくとも１つの入口開口を構成する少なくとも１つのスリットを有するマスクを有し、
前記配向手段は、反射体と第１のインテグレータレンズアレイを有し、前記光源から前記少なくとも１つのスリットに向かって光を配向する、
請求項１又は２記載の照明系。
【請求項９】
前記逆反射体は、各スリットの夫々の側部上に配置される、
請求項８記載の照明系。
【請求項１０】
投射ディスプレイ装置であって：
請求項１乃至９のうちいずれか一項記載の照明系と、
前記照明系から出力される光を変調する少なくとも１つのモジュレータパネルと、
前記少なくとも１つのモジュレータパネルから投射スクリーン上へと、光を投射する手段と、
を有する、
投射ディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの入口開口を有するインテグレータ装置、光源、及び光源から少なくとも１つの入口開口に向かって光を配向する手段を有する、照明系に係る。本発明はまた、かかる照明系を有する投射ディスプレイ装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
ＬＣＯＳ又は透過型ＬＣＤモジュレータパネルに基づく投射ディスプレイは、光効率に関する問題に直面する。これは、照明工程中に光が照明経路に沿って損失されるためである。光が損失される１つの状況は、投射ディスプレイ装置の光生成系（ｌｉｇｈｔ  ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）において、光源からの光がインテグレータ装置の開口上へと集束される際である。
【０００３】
この状況の一例は、光源からの光が光再利用系（ｌｉｇｈｔ  ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）のロッドインテグレータへと入る際である。かかる光再利用系は、ＷＯ０２／０９６１２３（特許文献１）等において開示される。該特許文献１中の該系は、色及び偏光再利用に基づく。効果的な再利用に対して光が結合されるところのロッドインテグレータの開口は、可能な限り小さくなければならず、ロッドインテグレータ内での複数回の前方及び後方反射中に損失されるのは極少量の光であるようにする。しかしながら、小さい開口を使用する際、環状の開口上に集束される光の有限スポット寸法により、光源から来る全ての光がロッドインテグレータへと結合され得るわけではない。故に、光の一部は損失され、特に導光手段の寸法がスポット寸法に相当するようになる小さなモジュレータパネルに対しては、ルーメン出力の使用の効率性は低い。
【０００４】
インテグレータ装置の開口上へと光が集束する工程において光が損失される状況の他の例は、光が偏光変換システム（ＰＣＳ）へと結合される際である。ＰＣＳは、投射ディスプレイ装置において偏光光を生成するよう利用される。ＰＣＳにおいて、光源からの光は、ＰＣＳを覆うマスクにおける複数のスリット上に集束される。しかしながら、光の一部は、スリット上に十分集束され得ず、従って損失される。故に、ルーメン出力の使用の効率性は、低い。ＰＣＳの一例は、ＵＳ６５３５３３４（特許文献２）中に記載される。
【特許文献１】ＷＯ０２／０９６１２３
【特許文献２】ＵＳ６５３５３３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、使用可能な光を有効に利用する改善された照明系を与える、ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下の説明から明らかとなる上述の及び他の目的は、冒頭に記載された種類であり、更には、少なくとも１つの入口開口に対して直接隣接して配置される逆反射体を有する、照明系を用いて達成される。
【０００７】
本発明は、インテグレータ装置の少なくとも１つの入口開口に対して直接隣接する逆反射体を有することによって、光源からの全ての迷光、即ち入口開口上へ完全に集束されなかった光は、逆反射体によって光源に対して戻るよう再度配向され得る。該光は再び、配向手段によって入口開口に向かって方向付けられ得る。故に、逆反射体を用いて、光源からの光は、再利用され得る。逆反射体が無い場合、迷光の大半は、光源に再度入らず、入口開口に向かって方向付けられる他の機会を有さずに損失される。
【０００８】
その結果として、本発明によって与えられる１つの有利点は、光源からのルーメン出力の使用の効率性が増大される、ことである。光源からの光出力は、迷光を光源に戻すよう逆反射する効果により、小さな入口開口に対して倍にされるよう見込まれる。
【０００９】
望ましくは、逆反射体は、逆反射体によって逆反射される光の変位が光源の寸法のオーダであるよう、あるいはそれより小さいよう配置される。該オーダは、例えばＵＨＰランプのアークの寸法のオーダ、即ちかかる光源が使用される場合は数ミリメートルである。該変位がより大きい場合、逆反射される光は、戻る際に光源を見失い、入口開口上へと再度集束されない。変位は、逆反射体の逆反射構造の寸法を適合させることによって達成され得る。光の変位は、逆反射構造の寸法のオーダにある。
【００１０】
逆反射構造は、例えば、反射体の前方に配置される小型レンズのアレイ又はプリズム状のアレイであり得る。あるいは、逆反射体は、通常の反射体における圧痕によって実現され得る。
【００１１】
本発明の一実施例では、インテグレータ装置は、前出の少なくとも１つの入口開口を備えられるロッドインテグレータを有し、配向手段は、前出のロッドインテグレータへと光を結合するよう、光源から少なくとも１つの入口開口に向かって光を配向する反射体を有する。望ましくは、逆反射体は、少なくとも１つの入口開口を実質的に取り囲み、迷光の大部分は光源に戻るよう再度反射され得る。また望ましくは、ロッドインテグレータは、光再利用に対して活用される。照明系は更に、光の一部分を選択するよう、また、再利用するためにそれをロッドインテグレータへと反射し戻すよう、少なくとも１つの入口開口に対してロッドインテグレータの対向する端部において備えられる、手段を更に有する。反射されない光の部分は、該選択手段を介して透過される。かかる再利用システムにおいて、光がロッドインテグレータへと結合する他の機会を得るために光源に迷光を戻して再配向するよう逆反射体を活用する際、先行技術と比較して、約２０％の光出力におけるゲインが見込まれる。
【００１２】
選択手段は、例えば、カラーホイール等のカラーフィルタアレイ、又は反射偏光器であり得る。前者の場合、特定のフィルタは、１つの色を透過し、残る色を反射、即ち「色再利用」する。後者の場合、所定の偏光を有する光は透過され、他の偏光を有する光はロッドインテグレータへと反射し戻される、即ち「偏光再利用」である。反射偏光器は、望ましくは、四分の一波長板を有し、「誤った」偏光を有する光が、所望される所定の偏光を得得るようにする。カラーフィルタアレイ及び反射偏光器はまた、照明系の効率性を増大するよう、組み合わせて活用され得る。
【００１３】
本発明の他の実施例では、インテグレータ装置は、少なくとも１つの入口開口を構成する少なくとも１つのスリットを有するマスクを有し、配向手段は、少なくとも１つのスリットに向かって光源から光を配向する第１のインテグレータレンズアレイ、及び反射体を有する。逆反射体は続いて、各スリットの夫々の側部上へと配置され得る。望ましくは、本発明の本実施例に従ったインテグレータ装置は、偏光変換システム（ＰＣＳ）の一部を構成する。
【００１４】
本発明の他の実施例によれば、投射ディスプレイ装置は、上述の記載に従った照明系を有して与えられる。該投射ディスプレイ装置は、照明系から出力される光を変調する少なくとも１つのモジュレータパネル、及び投射スクリーン上へと少なくとも１つのモジュレータパネルから光を投射する手段を、更に有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のこれらの及び他の態様は、現時点で望ましい実施例を図示する添付の図面を参照し、以下においてより詳細に説明される。
【００１６】
図１ａ−１ｂは、前出の特許文献１中に記載される系に類似する、照明系１０を示す。照明系１０は、光源２４、少なくとも１つの入口開口１６を有するロッドインテグレータ１４、カラーホイール１８、並びに、四分の一波長板２０及び反射偏光器２２を、このオーダにおいて有する。
【００１７】
ＵＨＰランプ等である光源２４は、反射体２６を有して配置される。望ましくは、反射体２６は、楕円形の反射体である。光源２４は、１つの集束点において位置付けられ、ロッドインテグレータ１４の入口開口１６は、他の集束点において位置付けられる。
【００１８】
ロッドインテグレータ１４は、ベア磨きガラス又はＰＭＭＡロッドであり得る。インテグレータ内の光は、全内部反射によってガラス−空気界面において（即ちロッドの内壁において）反射され得る。
【００１９】
カラーホイール１８は、入口開口１６に対してロッドインテグレータ１４の対向する端部において配置され、例えば赤色、緑色、及び青色に対応する複数のカラーフィルタ３０を有する。例えば、赤色フィルタは、赤色光を透過し、残る色、即ち緑色及び青色を反射する。
【００２０】
反射偏光器２２は、特定の所定の偏光を有する光を透過するよう、他の「誤った」偏光を有する光を反射するよう、適合される。
【００２１】
本発明によれば、ロッドインテグレータ１４の外側入口表面３２は、入口開口１６を取り囲む逆反射体３４を備えられる。図１ｂ中に見られ得る通り、逆反射体３４は、外側表面３２を部分的に覆う。しかしながら、その代わりに逆反射体３４は、外側表面３２全体（入口開口１６は除く）を覆い得る。逆反射体３４は、入射の方向において入来する光を反射するよう適合される。逆反射体３４は、例えば逆反射表面又はコーティングを有し得、当業者は理解する通り、多種の方途において構成され得る。
【００２２】
照明系１０の稼動時、光源２４からの光３６は、入口開口１６上へと集束され、且つロッドインテグレータ１４へと結合される一方、光３８は、上述された通り、光源２４の不完全な集束により入口開口上へと落ちない。
【００２３】
大半の迷光３８、即ち入口開口上へと落ちない光は、入口開口を取り囲む逆反射体３４によって受けられる。入射の方向において入来する光を反射するという逆反射体の特徴により、迷光は、光源２４及び反射体２６へと戻るよう再度方向付けられる。光源２４に戻るよう再度方向付けられる光は、再度入口開口上へと集束され、ロッドインテグレータへと結合する他の機会を有する。
【００２４】
故に、入口開口上へと集束されない光源からの光は、逆反射体を用いて再利用され得、図２ａ−２ｂ中に示される通り、ルーメン出力の使用の効率性を高める。図２ａは、開口半径の関数として、円形の入口開口上へと落ちるＵＨＰランプによって生成される光のパーセンテージを示すグラフである。全ての迷光が入口表面によって吸収される状況は、曲線４０によって示される。光出力は、増大する開口半径と共に増大するが、完全な光点が入口開口上で一致する際、半径のより大きな値の半径に対して飽和する、ことが観察される。約４０％の残る光の損失は、楕円形の反射体における吸収、又は誤った方向におけるランプの部分による散乱等によるものである。迷光が従来の反射鏡によって光源及び反射体に反射し戻される際、入口開口上へと落ちる光の全体量は、曲線４２によって示される通り、数パーセント増大する。光出力において大幅により大きなゲインは、曲線４４によって示される通り、光源に対して逆反射される際に見受けられる。入口開口半径の関数として、光源に戻るよう迷光を逆反射することによる光源からの光出力における相対ゲインは（迷光が吸収される場合と比較して）、曲線４６によって図２ｂ中に示される。曲線４８は、標準的な反射体が使用される際の状況を示す。図２ｂから、光源が特定の寸法であることを前提として、光出力は小さな入口開口に対して二倍にされ、光源に対する逆反射迷光の影響は大きなターゲットに対して低減する、ことが留意されるべきである。
【００２５】
図１ａ−１ｂに戻ると、ロッドインテグレータ１４へと結合される光は、カラーホイール１８、四分の一波長板２０、及び反射偏光器２２に向かって案内される。カラーホイール１８においては、各カラーフィルタが特定の色を透過し、残る光はロッドインテグレータへと反射し戻される。また、「誤った」偏光を有する光は、反射偏光器２２によってロッドインテグレータ１４へと反射し戻される。ロッドインテグレータ１４へと反射し戻された光は、続いて、反射性内側表面２８によってカラーホイール１８及び反射偏光器２２に向かって反射し戻され、カラーホイール１８及び反射偏光器２２を通過する更なる機会を光に与える。この色及び偏光に基づく再利用は、先行技術より既知である。
【００２６】
故に、照明系１０は、光源及びロッドインテグレータの両方において、光の再利用を与える。更に、色再利用及び偏光再利用の態様が異なる照明系において別個に使用され得る、ことは留意されるべきである。
【００２７】
図３は、本発明の他の実施例に従った照明系５０を概略的に示す。照明系５０は、光源５４、反射体５６、及びインテグレータ装置５８を有する。インテグレータ装置５８は、偏光変換システム（ＰＣＳ）６０の一部を形成し、第１及び第２のインテグレータレンズアレイ６１及び６３、並びに複数のスリット６４を有するマスク６２を有する。該スリットは、入口開口を構成する。スリット６４は、ＰＣＳによって偏光されるべき光を受けるよう適合される。
【００２８】
本発明によれば、マスク６２は、図３中に示される通り、各スリット６４の夫々の側部上で逆反射体６６によって更に覆われる。
【００２９】
ＰＣＳの動作が当業者にとっては周知であるため、本発明に従った逆反射体６６を有する稼動のみが、以下において説明される。
【００３０】
照明系５０の稼働時には、光源５４からの光６８は、反射体５６及び第１のインテグレータレンズアレイ６１を用いてスリット６４上に集束される一方、光７０は、不完全であるため（ｄｕｅ  ｔｏ  ｉｍｐｅｒｆｅｃｔ）スリット６４上へと落ちない。
【００３１】
大半の迷光６８、即ちスリット６４上へと落ちない光は、スリット６４に対して直接隣接して配置される逆反射体６６によって受けられる。入射の方向において入来する光を反射するという逆反射体の特徴により、迷光は、光源５４及び反射体５６に反射し戻される。光源５４に再度反射し戻される光は、スリット６４上へと再度集束され、マスク６２のスリット６４を通過する更なる機会を有する。
【００３２】
故に、スリット５４上へと集束されない光源５４からの光は、逆反射体６６を用いて再利用され得、ルーメン出力の使用の効率性を増大させる。
【００３３】
図４は、本発明に従った照明系１０を有する投射ディスプレイ装置８０の概略図である。図４中、照明系１０は、光源２４及び反射体２６、逆反射体３４を備えられるロッドインテグレータ３４、カラーホイール２８、及び四分の一波長板３０、及び偏光板３２を有する。しかしながら、照明系は、上述されたいかなる種類でもあり得る。
【００３４】
本発明の照明系１０に加えて、投射ディスプレイ装置８０は、伝達レンズを有するリレーシステム８２、偏光ビームスプリッタ８４、反射モジュレータパネル８６（ＬＣＯＳ又はＤＭＤ等）、及び投射レンズ８８を有する。
【００３５】
投射ディスプレイ装置８０の稼働時には、照明系１０によって出力される光は、リレーシステム８２によって、偏光ビームスプリッタ８４に対して伝達され、次にパネル８６上へと光をうつす（ｉｍａｇｅｓ  ｔｈｅ  ｌｉｇｈｔ）。パネル８６によって反射される光は、続いて、投射される画像を形成するよう投射スクリーン９０上へと投射レンズ８８によって集束される。
【００３６】
図１ａ−１ｂ中の照明系１０に対する（逆反射体を用いる）光源における色再利用、偏光再利用、及び光再利用の組み合わされた効率性は、開口比率ｒを関数として（即ち、ロッドインテグレータの断面積に対する入口開口の面積の比率）、図５中に示される。ロッドインテグレータの入口開口の寸法は、上述された通り、ロッドインテグレータの寸法及び再利用効率性に依存する。図５は、直径１インチの１６：９モジュレータパネルに基づかれ、迷光が吸収され、従来の反射鏡によって反射され、また逆反射体によって反射される状況は、夫々曲線９２，９４及び９６によって示される。明らかに、特定の開口比率ｒに対する最適値がある。また、総光出力は、従来の反射体又は吸収体の代わりに逆反射体を使用する際、２０％より多く増大する、ことが留意されるべきである。更には、最適な効率性は、迷光がランプに対して逆反射される際、より小さいｒに対して増大及び移行する。また、光出力における源は、より小さなモジュレータパネル寸法に対して増大する。
【００３７】
更には、モジュレータパネル寸法の関数として、光源及び反射体に戻るよう迷光を逆反射することによる光出力における相対ゲインは（迷光が吸収される場合と比較して）、曲線９８によって図６中に示される。曲線９９は、標準的な反射体が使用される際の状況を示す。反射のない場合と比較して、逆反射体は、光出力を１インチ対角線より大きなパネル寸法に対して１０−２０％向上し、より小さなパネル寸法に対しては数１０％向上する。
【００３８】
本発明は、上述された実施例に制限されない。当業者は、添付の請求項における本発明の範囲から逸脱することなく変形及び修正がなされ得る、ことを認識する。例えば、投射ディスプレイ装置は、複数のモジュレータパネルを有し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１ａ】本発明の一実施例に従った照明系の概略的側面図である。
【図１ｂ】図１ａ中の照明系の概略的斜視図である。
【図２ａ】図１ａ−図１ｂの光源に対する光出力における変化を図示するグラフである。
【図２ｂ】図１ａ−図１ｂの光源に対する光出力における変化を図示するグラフである。
【図３】本発明の他の実施例に従った照明系の概略的側面図である。
【図４】本発明に従った照明系を有する投射ディスプレイ装置の概略的断面図である。
【図５】本発明の一実施例に従った照明系に対する光出力効率性を図示するグラフである。
【図６】異なるモジュレータパネルの寸法に対する光出力におけるゲインを図示するグラフである。
【図１ａ】
2008517342.tif 000003
【図１ｂ】
2008517342.tif 000004
【図２ａ】
2008517342.tif 000005
【図２ｂ】
2008517342.tif 000006
【図３】
2008517342.tif 000007
【図４】
2008517342.tif 000008
【図５】
2008517342.tif 000009
【図６】
2008517342.tif 000010
【国際調査報告】
2008517342.tif 000011
2008517342.tif 000012
2008517342.tif 000013