(57)【要約】  様々な色の多重ＬＥＤからの光スペクトルを最小限の素子によって合成および偏光させる一方で、合成および偏光に対する損失を実質的に低減させることができる照明システムが開示される。開示のシステムおよび方法は、遅延積層フィルタを備える偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用い、１つのステップにおいて混合光ビームに対して色を合成して偏光を変換する。そして、究極的にはいくつかの有色光ビームの偏光を配向させる。【選択図】図３
2008506155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１色および第２色を各々含む第１入力光源および第２入力光源のための照明システムであって、
前記第１入力光源を第１入力部にておよび前記第２入力光源を第２入力部にて受け入れ、前記２つの入力光源を第１混合光および第２混合光に分離し、前記第１混合光を第１出力部にておよび前記第２混合光を第２出力部にて出力するように操作可能な偏光ビームスプリッタと、
前記第１出力部および前記第２出力部に各々隣接して、前記２つの混合光の偏光状態を変換するように操作可能な第１光学フィルタおよび第２光学フィルタと、
を含む照明システム。
【請求項２】
前記第１混合光および前記第２混合光は各々第１色および第２色を含む、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３】
前記第１光源の光路に沿ったコリメート素子および前記第２光源の光路に沿ったコリメート素子をさらに含み、
前記コリメート素子は、前記第１入力光源および前記第２入力光源を実質的に均質化するように操作可能である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項４】
前記コリメート素子は、反射型または屈折型光学素子である、請求項３に記載の照明システム。
【請求項５】
前記第１入力光源および前記第２入力光源の各々は、光の実質的な方形出力を与えるように操作可能である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項６】
前記第１光学フィルタおよび前記第２光学フィルタは、偏光色選択フィルタまたは遅延積層フィルタである、請求項１に記載の照明システム。
【請求項７】
前記偏光ビームスプリッタに隣接して、前記第１混合光および前記第２混合光を互いに実質的に配向させるように操作可能な光反射素子をさらに含む、請求項１に記載の照明システム。
【請求項８】
前記光反射素子は鏡である、請求項７に記載の照明システム。
【請求項９】
前記偏光ビームスプリッタおよび前記光反射素子に隣接する光学レンズをさらに含み、
前記光学レンズは、前記２つの実質的に配向した混合光を投影するように操作可能である、請求項７に記載の照明システム。
【請求項１０】
第１色および第２色を各々含む第１入力光源および第２入力光源のための照明システムであって、
前記第１入力光源を第１入力部にて受け入れるように操作可能な第１偏光ビームスプリッタ、および前記第２入力光源を第２入力部にて受け入れるように操作可能な第２偏光ビームスプリッタと、
前記第１出力部および前記第２出力部に各々隣接する第１光学フィルタおよび第２光学フィルタとを含み、
前記２つの偏光ビームスプリッタは、前記２つの入力光源を第１混合光および第２混合光に分離し、前記第１混合光を第１出力部にて、および前記第２混合光を第２出力部にて出力するように操作可能であり、
前記第１光学フィルタおよび前記第２光学フィルタは、前記２つの混合光の偏光状態を変換するように操作可能である、照明システム。
【請求項１１】
前記第１混合光および前記第２混合光は各々第１色および第２色を含む、請求項１０に記載の照明システム。
【請求項１２】
前記第１偏光ビームスプリッタは、前記第１混合光を第１出力部にて出力するように操作可能であり、前記第２偏光ビームスプリッタは、前記第２混合光を第２出力部にて出力するように操作可能である、請求項１０に記載の照明システム。
【請求項１３】
前記第１光源の光路に沿ったコリメート素子、および前記第２光源の光路に沿ったコリメート素子をさらに含み、前記コリメート素子は、前記第１入力光源および前記第２入力光源を実質的に均質化するように操作可能である、請求項１０に記載の照明システム。
【請求項１４】
前記コリメート素子は、反射型または屈折型光学素子である、請求項１３に記載の照明システム。
【請求項１５】
前記第１入力光源および前記第２入力光源の各々は、光の実質的な方形出力を与えるように操作可能である、請求項１０に記載の照明システム。
【請求項１６】
前記第１光学フィルタおよび前記第２光学フィルタは、偏光色選択フィルタまたは遅延積層フィルタである、請求項１０に記載の照明システム。
【請求項１７】
前記第１偏光ビームスプリッタおよび前記第２偏光ビームスプリッタに各々隣接する第１光学素子および第２光学素子をさらに含み、前記第１光学素子および前記第２光学素子は、前記第１混合光および前記第２混合光を実質的に分離または合成し、それに応じて偏光を制御するように操作可能である、請求項１０に記載の照明システム。
【請求項１８】
前記第１光学素子および前記第２光学素子は、１／４波長板、１／２波長板、反射鏡、２色ビーム合成器、偏光ビームスプリッタおよび色選択フィルタからなる群から選択される、請求項１７に記載の照明システム。
【請求項１９】
前記２つの偏光ビームスプリッタに隣接する光学レンズをさらに含み、前記光学レンズは、前記第１混合光および第２混合光を投影するように操作可能である、請求項１０に記載の照明システム。
【請求項２０】
前記光学レンズは、コリメートレンズ、フライアイレンズ、投影レンズおよび合成レンズからなる群から選択される、請求項１９に記載の照明システム。
【請求項２１】
第１色および第２色を各々含む第１入力光源および第２入力光源を照明システムにて分離するための方法であって、
第１偏光ビームスプリッタおよび第２偏光ビームスプリッタを与えることと、
前記第１偏光ビームスプリッタにより前記第１入力光源を第１入力部にて受け入れることと、
前記第２偏光ビームスプリッタにより前記第２入力光源を第２入力部にて受け入れることと、
前記第１偏光ビームスプリッタおよび前記第２偏光ビームスプリッタにより前記第１入力光源および前記第２入力光源を第１混合光および第２混合光に分離することと、
前記第１偏光ビームスプリッタにより前記第１混合光を第１出力部にて出力することと、
前記第２偏光ビームスプリッタにより前記第２混合光を第２出力部にて出力することと、
前記第１出力部および前記第２出力部に各々隣接する第１光学フィルタおよび第２光学フィルタを与えることと、
前記第１光学フィルタおよび前記第２光学フィルタの各々により前記第１混合光および前記第２混合光の偏光状態を変換することと、
を含む方法。
【請求項２２】
前記第１光源の光路に沿ったコリメート素子、および前記第２光源の光路に沿ったコリメート素子により、前記第１入力光源および前記第２入力光源を実質的に均質化することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１偏光ビームスプリッタおよび前記第２偏光ビームスプリッタに各々隣接する第１光学素子および第２光学素子により、前記第１混合光および前記第２混合光を実質的に分離または合成することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１偏光ビームスプリッタおよび前記第２偏光ビームスプリッタに隣接する光学レンズにより、前記第１混合光および前記第２混合光を投影することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
第１色、第２色および第３色を各々含む第１入力光源、第２入力光源および第３入力光源を受け入れるためのＸキューブ構造であって、
前記第１入力光源を第１入力部にて、前記第２入力光源を第２入力部にて、および前記第３入力光源を第３入力部にて受け入れて、前記３つの入力光源を混合光に合成して、前記混合光を出力部にて出力するように操作可能な２色スプリッタと、
前記混合光の偏光状態を変換するように操作可能な、前記出力部に隣接する光学フィルタと、
を含むＸキューブ構造。
【請求項２６】
前記混合光は、第１色、第２色および第３色を含む、請求項２５に記載のＸキューブ構造。
【請求項２７】
前記光学フィルタは、偏光色選択フィルタまたは遅延積層フィルタである、請求項２５に記載のＸキューブ構造。
【請求項２８】
前記混合光の偏光状態を変換するように操作可能な、前記光学フィルタに隣接する偏光素子をさらに含む、請求項２５に記載のＸキューブ構造。
【請求項２９】
前記偏光素子は、ｓ偏光子またはｐ偏光子である、請求項２８に記載のＸキューブ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２００４年７月６日出願の「照明システム」という名称の米国仮出願シリアル番号６０／５８６，０８９の利益を主張する。その出願は、本願とともに公共譲渡され、あらゆる目的に対しその全内容に関して本明細書に参考として組み込まれる。
【０００２】
（技術分野）
開示の実施例は一般に、レーザ光源または発光ダイオード（ＬＥＤ）のような、異なる有色光源を組み込んだ照明システムに関する。本願に全体的に開示されるのは、マイクロディスプレイ光変調器からの偏光敏感性画像投影に関する。具体的なシステムには、ヘッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、リアプロジェクションディスプレイおよびフロントプロジェクションディスプレイが含まれる。
【背景技術】
【０００３】
ＬＥＤは、その比較的低い消費電力および長い寿命ゆえに、望ましい光源である。レーザ光源は、その長い寿命、高輝度および優れたコリメート性ゆえに、望ましい場合がある。ＬＥＤおよびレーザの光源は、狭帯域光源である。すなわち有色光を与える。これらの光源は非偏光を与えるが、偏光が望まれる用途が多い。例えば、ＬＣＤは偏光で動作するので、これらの光源の一つをＬＣＤに基づくディスプレイの照明に用いる場合、これらの光源からの光を偏光に変換する必要がある。非偏光の光源から偏光を生成するための一つのアプローチは偏光フィルタを用いることであるが、このアプローチでは同時に光エネルギーの約５０％がフィルタリングされて取り除かれる。さらに、「白色」光源が望まれることが多いにもかかわらず、ＬＥＤは、例えば赤、緑、青および黄のような特定の色を生成する。
【発明の開示】
【０００４】
本願に開示されているのは、様々な色の多重ＬＥＤからの光スペクトルを最小限の素子によって合成および偏光させる一方で、合成および偏光の際の損失を実質的に低減させる技術である。開示の技術は、遅延積層フィルタを備える偏光ビームスプリッタ（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  ｂｅａｍ  ｓｐｌｉｔｔｅｒ（ＰＢＳ））を用い、１つのステップにおいて混合成分光ビームに対して色を合成して偏光を変換する。そして、究極的にはいくつかの有色光ビームの偏光を配向させる。
【０００５】
さらに開示されるのは、偏光敏感性ビームスプリッタ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｂｅａｍ  ｓｐｌｉｔｔｅｒ（ＰＢＳ））を、偏光色選択フィルタまたは遅延積層フィルタとともに組み合わせて用い、別々の異なる有色光源からなる集積照明システムにおいて色を合成して偏光変換する作業を行う方法および装置である。概念上、本方法は、単一のＰＢＳによって、２つ以上の異なる有色光源から出た有色ビームを物理的に分離して直交偏光状態にする。異なる色の直交偏光ビームはその後、遅延積層フィルタによって処理されて、光学的に合成された均質の偏光ビームを形成する。色の合成と偏光との相補的作用によって、コンパクトかつ効率的なシステムが実現する。効率的な光学システムは、最終的な照明ビームにおいて低損失かつ最小限の光の広がりを示す。具体的な実施例には、実際のシステムに必要なコリメート光学系も含まれる。
【０００６】
本アプローチは、２色フィルタのみを用いるシステムよりも有利である。というのは、２色フィルタシステムにおいては、偏光にかかわらず色が分離される必要があり、偏光のフィルタリングまたは偏光の変換のいずれかが別々に要求されるからである。２色アプローチでは、色および偏光成分を分離および再合成して単一の合成ビームに戻すことが一般的にはできない。全ての２色アプローチにおいては、配向され、かつ、ともに偏光された光の大きなビームが、２つのステップを用いて形成されるのが典型的である。大きなビームは、システム設計の観点上、もちろん望ましいものではない。
【０００７】
さらに、本明細書に記載の構造は、変調光ビームを様々な程度で空間的に有するように設計される。この詳細な説明の多くでは、例示的な非偏光有色光源としてＬＥＤが使用されるが、適用される技術は、任意の多重有色光源の合成および／または偏光のために用いてもよい。本願に記載の照明システムの可能な用途には、ヘッドアップディスプレイまたはその他の投影システムおよび直視型ＬＣＤ用光照明が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、単一ＰＢＳ素子１００として具体化された偏光分離ユニット１００を示す。また、第１光源１１０および第２光源１２０も示されている。ＰＢＳ１００は、第１光源１１０からの線１１２で表される光と、第２光源１２０からの線１２２で表される光とを受け入れる。本実施例において、第１光源１１０からの光１１２は緑色であり、第２光源１２０からの光１２２は赤色である。しかし、これらの色は例としてのみ用いられるものであって、限定を意図するものではない。すなわち、光源１１０、１２０は、任意の色の光を発光するように選択することができる。ＰＢＳ１００は、各ビーム１１２、１２２を独立に分離して直交偏光状態にするように作用する。ＰＢＳ１００においては、入射面に対して実質的に直交する電場を有する光の成分（慣用的にｓ偏光と称する）は表面１３０によって反射される一方で、入射面内の電場を有する光の成分（ｐ偏光）は表面１３０を透過する。異なる有色光源１１０、１２０からの光ビーム１１２、１２２は各々、隣接ポート１０２、１０４から受け入れられて、混合した色および偏光を備えて隣接ポート１０６、１０８から出る。図示のように、ｓ偏光緑色光１１４およびｐ偏光赤色光１２４がポート１０６から出る一方で、ｐ偏光緑色光１１６およびｓ偏光赤色光１２６はポート１０８から出る。すなわち、図示のシステムは、単一ビームスプリッタ素子１００によって、色を合成して偏光を分離するという２つの作業を行う。
【０００９】
図２は、２つの色選択フィルタ１４０、１５０が図１のシステムに組み込まれた構造を示す。新規な構造は、類似する偏光の２つの混合ビーム（１１８と１２４、１１６と１２８）を生成するように作用する。色選択フィルタ１４０、１５０は、ＣｏｌｏｒＬｉｎｋ（商標）によって製造されるＣｏｌｏｒＳｅｌｅｃｔ（商標）フィルタのような市販のフィルタであってよい。これは、入射光の波長に応じて選択的に偏光を回転させる（またはさせない）ように作用する。かかるフィルタは、１９９７年５月８日出願の「第１軸に沿った第１色スペクトルと第２軸に沿った第２色スペクトルとを偏光するための遅延積層（Ｒｅｔａｒｄｅｒ  ｓｔａｃｋｓ  ｆｏｒ  ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  ａ  ｆｉｒｓｔ  ｃｏｌｏｒ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ  ａｌｏｎｇ  ａ  ｆｉｒｓｔ  ａｘｉｓ  ａｎｄ  ａ  ｓｅｃｏｎｄ  ｃｏｌｏｒ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ  ａｌｏｎｇ  ａ  ｓｅｃｏｎｄ  ａｘｉｓ）」という名称の、公共所有になった米国特許第５,９５３,０８３号明細書に記載されている。これは、あらゆる目的に対しその全内容に関して本明細書に参考として組み込まれる。図示のように、フィルタ１４０は緑／赤フィルタであり、これは、ｐ偏光赤色光１２４を実質的にその偏光に影響を与えることなく透過させ、ｓ偏光緑色光１１４を実質的にｐ偏光緑色光１１８に変換する。同様に、フィルタ１５０は赤／緑フィルタであり、ｐ偏光緑色光１１６を実質的にその偏光に影響を与えることなく透過させ、ｓ偏光赤色光１２６を実質的にｐ偏光赤色光１２８に変換する。フィルター１４０、１５０からのビーム（１１８と１２４、１１６と１２８）を再合成することは、以下の実施例に記載される従来的なパッシブ光学処理によって行われる。グラフ要素１４１、１５１は各々、フィルタ１４０、１５０の偏光応答関数を示す。すなわち、グラフ１４１、１５１は、波長に対するフィルタ１４０、１５０各々の偏光回転を示す。グラフ１４１は、緑色偏光が９０度回転する一方で、その他の波長は実質的に非回転のフィルタを透過することを示す。グラフ１５１は、赤色偏光が９０度回転する一方で、その他の波長は実質的に非回転のフィルタを透過することを示す。
【００１０】
図３は、２つの異なる有色ＬＥＤ光源２１０、２２０またはその他の有色光源を含む偏光変換および色合成のシステムの第１実施例を示す。それぞれの出力２１２、２２２は、単一ＰＢＳ１００によって色が合成され、かつ、偏光が分離される。ＰＢＳ１００の２つの出力部１０６、１０８における偏光色選択フィルタ（ＣＳＦ）１４０、１５０は、出力部１０６、１０８の各々において単一偏光状態の光ビームを生成する。反射鏡素子２３０は、平行に伝播するビーム２２４、２２６を生成する。これらはレンズ２４０によって合成されて単一の照明経路２２８を形成する。有色光源２１０、２２０からの光出力２１２、２２２は、コリメート素子（反射型、屈折型またはその他のコリメート素子）２５０、２６０によって均質化される。好ましい実施例においては、光出力２１２、２２２は、ＰＢＳ１００の２つのポート１０２、１０４に入射する際に、所定の発散を伴う光の方形出力を生成する。ＰＢＳ１００はその後、２成分の偏光状態を分離し、上述の混合偏光の２つのビーム（１１４と１２４、１１６と１２６）をもたらす。遅延積層フィルタ１４０、１５０はその後、前述の一般的な偏光応答原理に基づいて、異なる有色ビームの偏光を配向させ、両出力ポート１０６、１０８において混合有色光ビーム２２４、２２６を単一偏光状態にする。
【００１１】
光学的コリメート２５０、２６０および設計により出力ビーム２１２、２２２の分離を低減することによって、本照明システムの利点の一つが実現される。こうすることにより、光源の光の広がりが低減され、一定の輝度要求（理想的には２．０倍）に近づくことが可能な照明システムが与えられる。この偏光変換および色合成システムのアプローチはまた、以下の図面および実施例に示されるように、さらに多くの有色ＬＥＤを含むように拡張することもできる。
【００１２】
図４Ａ−図４Ｂは、各々３色および４色のＬＥＤを用いる２つの実施例を示す。図４Ａに示す実施例は、青色光を発光するための付加的なＬＥＤ２７０を含む。ＬＥＤ２７０からの光は、２色鏡２９０またはその他の光学素子を用いてＬＥＤ２２０からの光と合成される。本実施例において、フィルタ１４０、１５０は、偏光色選択フィルタ１４０が緑／マゼンタフィルタであり偏光色選択フィルタ１５０がマゼンタ／緑フィルタである点を除いて、上述の通りである。フィルタ１４０、１５０は、３色である点を除いては、前述と同じ一般的な偏光応答原理に基づいて動作する。図４Ｂに示す実施例は、黄色光を発光するための付加的なＬＥＤ３００をさらに含む。ＬＥＤ３００からの光は、２色鏡３２０を用いてＬＥＤ２７０からの光と合成される一方で、ＬＥＤ２１０およびＬＥＤ２２０からの光は２色鏡２９０によって合成される。本実施例において、フィルタ１４０、１５０は、偏光色選択フィルタ１４０が青黄／緑赤フィルタであり偏光色選択フィルタ１５０が緑赤／青黄フィルタである点を除いて、上述の通りである。フィルタ１４０、１５０は、４色である点を除いては、前述と同じ一般的な偏光応答原理に基づいて動作する。図４Ａ−図４Ｂに示すシステムは、図３に示す基本的な偏光変換および色合成システムの拡張を表す。これは、実質的に偏光から独立した２色合成素子（例えば２色鏡２９０、３２０）を用いて、ＰＢＳ１００に入射する前に、異なる有色ＬＥＤからの光を合成する。
【００１３】
図５は、２重ＰＢＳ素子１０１、１０３として具体化された別の偏光分離ユニット１００'を含む実施例を示す。本実施例において、フィルタ１４０、１５０は、偏光色選択フィルタ１４０が緑赤／青黄フィルタであり偏光色選択フィルタ１５０が青黄／緑赤フィルタである点を除いて、上述の通りである。フィルタ１４０、１５０は、前述と同じ一般的な偏光応答原理に基づいて動作する。さらに、鏡３３０、３４０が用いられて、２つのＰＢＳ素子１０１、１０３の入力面１０５、１０７とそれらの最終出力面１０９、１１１との間の光路が、全ての異なる有色および偏光の光に対して同等になる。また、第１の１／４波長板３５０が鏡３３０とＰＢＳ１０１との間に設けられ、第２の１／４波長板３６０が鏡３４０とＰＢＳ１０３との間に設けられ、および１／２波長板３７０が２つのＰＢＳ１０１、１０３の間に設けられる。このようにして、出力レンズ素子２４０は、各光源に対して同等の光学面を結像させるので、より均一かつ効率的なビームの合成が潜在的に可能になる。
【００１４】
図６は、赤色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤのアレイ６１０によって前述の概念のいくつかを実施する照明構造６００の３次元図を示す。ＬＥＤ光源６１０は複数のサブビームレット状の光を発光し、様々な光学素子６２０、６３０、６４０がこれらのサブビームレットに対して作用した後、究極的には合成レンズ６５０によってこれらを合成する。この例では、アレイ６１０は、２０個のＬＥＤ―１０個の緑色および１０個の赤色―を有する。ＬＥＤの各々は、それ自身のレンズを有し、図示のフライアイレンズアレイ６２０、６３０と一緒に用いられて光源６１０を均質化する。ＬＥＤレンズは、標準的なＬＥＤレンズの設計であってよく、設計要求に応じて所定の焦点効果を得るためにカスタマイズされてもよい。これらのＬＥＤレンズは、直線ＰＢＳアレイ６４０に隣接かつ配向されて、各ＬＥＤからのサブビームレットをｐ偏光成分およびｓ偏光成分に分離する。ＬＥＤ６１０のアレイを用いることの利点は、さもなければ高輝度環境でのＬＥＤ動作に伴うであろう熱問題を軽減するのに役立つということである。２０個のＬＥＤが図示されているが、放熱の観点からは４０個の方がより有効であろう。しかし、設計への配慮に応じて１２個もしくは１６個またはその他の所定サイズのアレイ６１０が用いられてもよい。
【００１５】
図７は、図６の構造６００の背景にある所定の物理学を示す。ここで、ｓ偏光成分６６０は、まず水平方向（ｙ軸６０２）に沿ってＰＢＳ面６４２によって反射され、次に平行方向（ｘ軸６０２）に沿って反射されて、直線ＰＢＳアレイ６４０の隣接コラムに沿うｐ偏光成分６６２に隣接する経路をたどる。さらに、遅延積層フィルタ６７０には交互のコラム縞が設けられ、反射（ｓ偏光）ビーム６６０の偏光は、直線ＰＢＳアレイ６４０を介して透過（ｐ偏光）ビーム６６２に配向される。遅延積層６７０は、光の一つのスペクトルの偏光を回転させる一方で、その他のスペクトルには実質的に影響を与えない。積層６７０はまた、どのスペクトルが回転しているのか、およびどのスペクトルがそのままなのかを決定するように交互にしてもよい。
【００１６】
光ビーム６８０は、（ａ）ｐ偏光赤色光６６２ａに影響を与えないまま第１コラムの遅延積層６７０を透過させることによって、（ｂ）第１コラム６６０ａから反射されたｓ偏光赤色光を第２コラムの遅延積層６７０を介して回転させる一方で、ｐ偏光緑色光６６２ｂに影響を与えないままにすることによって、（ｃ）第２コラム６６０ｂから反射されたｓ偏光緑色光を第３コラムの遅延積層６７０を介して回転させる一方で、ｐ偏光赤色光６６２ｃに影響を与えないままにすることによって、（ｄ）第３コラム６６０ｃから反射されたｓ偏光赤色光を第４コラムの遅延積層６７０を介して回転させる一方で、ｐ偏光緑色光６６２ｄに影響を与えないままにすることによって、および（ｅ）第４コラム６６０ｄから反射されたｓ偏光緑色光を第５コラムの遅延積層６７０を介して回転させることによって、ともにｐ偏光にされる。同様にして、光ビーム６８０はまた、ともにｓ偏光にされてもよい。
【００１７】
２セットのフライアイレンズ６２０、６３０がアレイ状に配列され、各ＬＥＤ光源に対応するレンズによって光入力が均質化される。各レンズは、隣接する赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤとから光を受け取る。このため、第５コラムのレンズ６２０、６３０が、第４コラムのＬＥＤからの反射ｓ偏光緑色光６６０ｄを受け取るように設けられる。同様に、第１コラムのレンズ６２０、６３０は、赤色ＬＥＤの左側に隣接した緑色コラムのＬＥＤが存在しないので、ｐ偏光赤色光６６２ａのみを受け取る。
【００１８】
好ましい実施例では、光が重なり合わずにＰＢＳ６４０およびフィルタ素子６７０を透過するように各ＬＥＤ６１０におけるレンズがそのカプセル封入プラスチックで製造され、最終的には、照明光源から感知可能な距離において光の方形出力が与えられる。同時に、別のセットのＬＥＤ６１０も同様に動作し、それが生成する光の方形出力は上述のものの頂部に存在するので、そのレンズのカバーがわずかな角度ずれる必要がある。残念ながら、単一表面でこれほどの大きな光学パワー、すなわち光を曲げること、が要求される場合には、結像の品質は劣化する。このため、本願は、付加的なレンズおよび／またはその他の光学素子を備える（または備えない）様々な構成を用いて本システムおよび構造を設計する多数の方法を記載する。
【００１９】
図６に示されたものを含む記載の実施例のいくつかは、１対のレンズアレイ６２０、６３０および合成レンズ６５０を用いた。第１レンズアレイ６２０以降の各素子は、光をＬＥＤレンズよりも大きく絞り込むように作用するので、（元のＬＥＤレンズのコリメートに応じて）ほぼその焦点距離において局所的な光の点が得られる。点のアレイが、レンズ６２０、６３０のアレイによって生成される。第２アレイ６３０の各素子は、各点に配置されて、無限遠において第１アレイ６２０の各素子を結像するのが好ましい。第１のレンズアレイ６２０が矩形素子で構成されると、無限遠での画像は矩形になり、照明映像パネルとしては都合がよい。結果的な無限大矩形の複数の画像は、類似のレンズアレイの光学素子を分離することにより無限遠でずれるが、画像サイズと比較すれば無視できる。合成レンズ６５０はその後、これらの重畳画像を、その焦点距離に比例するサイズでその焦点面にマッピングさせる。そのずれも同様に縮小されるので、全ての矩形画像の重畳が維持される。最終的なレンズの焦点距離における画像を合成して感知可能なサイズおよび距離にするためには、単一のレンズが好ましい。
【００２０】
上述のアプローチおよび以下に記載のアプローチに対しては、様々な素子を再構成して異なる設計目標を達成することも可能である。例えば、第１のフライアイレンズ６２０を、ＬＥＤアレイ６１０とＰＢＳアレイ６４０との間に配置してもよく、これは、所定の２次効果に対処するためには有利な構成である。
【００２１】
その他の実施例において、フライアイレンズ６２０、６３０のアレイまたは単一の合成レンズ６５０は不要であってよい。すなわち、ＬＥＤ光源上のＬＥＤレンズが、無限遠において光を結像するための唯一の光学素子であってよい。以下に記載のさらなる実施例は、光をより少ない素子によって均質化するためのその他のアプローチを示す。
【００２２】
図８は、第１セットのフライアイレンズ６２０を備えない、図６の照明構造６００を示す。本システムは集積ＬＥＤレンズに依存しており、ＰＢＳアレイ６４０および遅延積層６７０を通り抜けた後の単一セットのフライアイレンズ６３０に結像させる。
【００２３】
図９は、いずれのフライアイレンズ６２０、６３０もなく、単一の合成レンズ６５０が遅延積層フィルタ６７０の直後に配置された、図６の照明構造６００を示す。これらの構造からの結果的な画像は、図６の構造ほど均質ではないが、部品点数が削減されてコスト節約になる。光源から偏心して配置された１つ以上のレンズを用いるような所定の結像技術もまた、部品点数削減に役立つ。そして、残りの素子は少なくとも、ＰＢＳおよび遅延積層を備える多色・単色非偏光の光源である。目標は、光を偏光、均質化すること、および、いずれの光源も「投げ捨て」ないことである。
【００２４】
図１０は、４色光源を備える照明構造７００の３次元図を示す。２セットのＬＥＤアレイ７１０、７２０には、２つの異なる色を交互のコラムに有する各セットが設けられている。光ビームは、偏光に応じて分離され、ＰＢＳアレイ７３０、７４０と、遅延積層フィルタ７５０、７６０の交互のコラムとを通り抜けることによって均質的に偏光される。２色ビーム合成器７７０が、発せられた青／緑の光を反射するため、および、発せられた赤／黄の光を透過させるために設けられる。遅延積層フィルタ７５０、７６０の交互のコラムは、これら上述の光ビームを均質的に偏光する。本実施例において、２色フィルタ７７０設計の可能な利点ゆえに、赤色および黄色ＬＥＤ７１０がともにグループ化され、かつ、緑色および青色ＬＥＤ７２０がともにグループ化される。これにより、２色波長分割における単一の遷移が得られる。非隣接波長がこの図示のようにともにグループ化されているわけでなければ、交互の遷移が必要になる。その他の実施例においても、非隣接スペクトルのＬＥＤの色がともに対にされる。例えば、緑と赤、および、青と黄である。いずれの場合にも、前述のように、構造７００の出力部に単一コリメートレンズ７８０が設けられる。
【００２５】
図１１は、直交する光ビームを同じ方向に沿うように向け直すために、２色フィルタ７７０の代わりにＰＢＳ７９０およびシート状遅延積層フィルタ７５５を備える、図１０の構造７００を示す。本実施例において、交互の遅延積層コラム７５０は、赤色および緑色のＬＥＤアレイ７１０とともに用いられ、これらの色を含む光ビームからｐ偏光を与えるように設計される。他方、遅延積層コラム７６０は、黄色および青色のＬＥＤアレイ７２０とともに用いられ、これらの色を含む光ビームからｓ偏光を与えるように設計される。こうすることによって、直交光ビームは両方とも、共通の経路に沿ってシート状遅延積層フィルタ７５５へ向けられ、その後、青色および黄色の光かまたは赤色および緑色の光かのいずれかの偏光が回転され、コリメートレンズ７８０における光は共通の偏光を有する。本実施例は、複雑な２色フィルタ７７０を用いる必要なしに、赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤとを同一のアレイ７１０にグループ化し、黄色ＬＥＤと青色ＬＥＤとを別のアレイ７２０にグループ化する。
【００２６】
図１２は、直交する光ビームを同じ方向に沿うように向け直すために、２色フィルタ７７０の代わりにＰＢＳ７９０、シート状遅延積層フィルタ７５５および１セットのフライアイレンズアレイ７８５を備える図１０の構造を示す。図示のように、フライアイレンズアレイ７８５は、シート状遅延積層フィルタ７５５とコリメートレンズ７８０との間に挿入される。付加的なフライアイレンズアレイ７８５は、コリメートレンズ７８０に対して別個の画素の各々を結像することによって、画像輝度をより均質にする。
【００２７】
図１３は、コリメートレンズ８８０前の出力部において偏光を与える、別の照明構造８００の３次元図を示す。２色鏡８３０はビーム合成器として作用し、赤／緑アレイ８１０からの画像を、青／黄アレイ８２０からの画像と合成する。出力部においては、ＰＢＳアレイを用いる代わりに、より安価な単一のＰＢＳシート８４０が用いられる。ＰＢＳシート８４０は、比較的安価なだけでなく、これを用いることで、光源アレイ８１０、８２０の素子によって生成されるサブビームレットにＰＢＳアレイを配向させる必要性がなくなる。
【００２８】
図１４は、光源９１０のアレイからの２色に対する、別の色偏光および合成のアプローチの３次元図を示す。上述の実施例にもかかわらず、光源９１０として特定の２色が示されている一方で、本アプローチはその他の色の光ビームレットを偏光および合成するために用いることや、２色よりも多くの色のために用いることもできる。本実施例において、アレイ内の青色および黄色の光源９１０のコラムは、光をｓ偏光（反射）成分とｐ偏光（透過）成分とに分離するＰＢＳ板９２０に向けて発光される。ＰＢＳ板９２０の裏には、ＰＢＳ板９２０を通り抜けたｐ偏光を反射する鏡９３０が存在する。ｐ偏光はまた、反射された方向に透過するからである。したがって、ＰＢＳフィルム９２０は、まずいずれかの色のｓ偏光を反射し、その裏の鏡９３０が、ｐ偏光である残りを反射する。ただし、鏡９３０がＰＢＳ板９２０に対してわずかに異なる角度で図示されているように、ｓ偏光ビームとｐ偏光ビームとはわずかに異なる角度をなす。
【００２９】
一般に、かつ、上記図面を特に参照することなしに、集積ＬＥＤレンズに（またはその他のタイプの光源とともに）大量の光学パワーが与えられると、各レンズからの光は、図１１−１４に示されるような出力部のコリメートレンズ７８０、８８０、９８０近辺において各ＬＥＤから点に分解可能となる。特に図１４において、ＬＥＤアレイ９１０はその集積レンズを備えて、一連の黄色点および一連の青色点（図示せず）を生成する。ＰＢＳ板９２０は光アレイに挿入されて、出力部のコリメートレンズ９８０付近に一方の偏光の点アレイを生成する。鏡９３０が付加されて他方の偏光の別の点アレイを生成し、鏡９３０とＰＢＳ板９２０との差分傾斜によって他方の（ｐ）偏光の点が平行移動される。この平行移動は、ｐ偏光の黄色をｓ偏光の青色に配向させ、ｓ偏光の黄色をｐ偏光の青色に配向させるように設定可能である。そして前述のように、この場合、交互の青／黄および黄／青フィルタコラムの遅延積層フィルタアレイ９５０を、重畳光ビームの偏光を再配向するために用いてもよい。このアプローチによって、対のレンズアレイを用いて均質化を行う別の方法が効率的に与えられる。
【００３０】
図１５は、図１４に示されているが、４色光源アプローチをカバーするような２つのアプローチを効率的に組み合わせたアプローチを表す。ここでは、黄色および青色の光が、２つの光ビームがそれぞれ自身の遅延積層フィルタ９５０およびフライアイレンズ９９０のセットを用いて既に均質化された後に、２色素子９７０を介して緑色および赤色の光と合成される。
【００３１】
図１６−図１７に記載のさらなる実施例は、組み合わせ光源のサイズを、その組み合わせ光源の出力を用いる光学素子に整合させることに関する。この原理は、システムの「エタンデュ（ｅｔｅｎｄｕｅ）」を最適化する際に業界で時々記載されるものである。「エタンデュ」とは、例えば、ｔｈｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｄｉｒｅｃｔｏｒｙ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．ｃｏｍ／ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ／ｌｏｏｋｕｐ／ＸＱ／ＡＳＰ／ｕｒｌ．ｌｏｏｋｕｐ／ｅｎｔｒｙｎｕｍ．１７３５／ｐｕ／ｌｅｔｔｅｒ．ｅ／ＱＸ／ｌｏｏｋｕｐ．ｈｔｍにおいて入手可能）にて、「光ビームの（その伝播方向に垂直な）面積と、そのビームが含む立体角との積；単位放射輝度すなわち輝度当たりのフラックス。代替用語：幾何学的範囲、スループット。」として定義される業界用語である。
【００３２】
効率の観点上、好ましい実施例においては、対象光学システムが扱えるよりも大きな面積の組み合わせ光源を有することは避けるべきである。また、別の実施例は、典型的には可能な限り大きな光学パワーを備える対象光学システムの光路を、その組み合わせ光源によって完全に埋めようとするものである。
【００３３】
図１６は、４色合成して単一のアレイ１０１０にして、直線ＰＢＳアレイを用いて隣接するコラムを合成するアプローチを示す。しかし、このアプローチでは、赤／緑および青／黄の光の交互の列が存在することになるのでエタンデュが２倍になる。すなわち、その面積は、全ての色がシステム１０００において合成されて同じ領域内の同じ光学素子を最終的に透過するものと仮定した場合の面積の２倍になる。合成レンズ１０９０が光を単一ビームに合成するという点では、一見するとエタンデュが保持されるように見えるが、直線ＰＢＳアレイによって重畳されない様々な色が異なる角度を有するため、エタンデュは、このアプローチでは保持されない。光学ビームのサイズは、物理的なサイズとその収束／発散角度との積だからである。
【００３４】
図１７では、２色フィルタ１１８０および鏡１１７０を用いて２つの別々の色の対―黄／赤および青／緑―を有する別々のグループの列を垂直に合成した後、その光にシステム１１００の出力部の合成レンズ１１９０を通過させることによって、図１６とは対照的に、エタンデュが保持される。
【００３５】
上記システムは光投影の面から記載されているが、光の偏光または均質化が有用な投影以外の用途に適用することも可能である。例えば、上記システムおよび構造を用いた所定設計の均質化システムを、光のほとんどが入力側偏光子を通って所定の透過―偏光―を受ける場合に、より効率的な光を与えるようにする方法で、ＬＣＤフラットパネルディスプレイ用の偏光エッジ照明（ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｅｄｇｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）を与えるために用いてもよい。
【００３６】
図１８−図２０は、Ｘキューブ構造内のＬＥＤまたはその他の単色入力光源を用いる方法を示す。典型的には、Ｘキューブは、「Ｘ」形状の構成の２色スプリッタであり、投影システムにおいて頻繁に用いられる素子である。２色フィルタはその性質ゆえに、一般には望ましくない偏光に基づく性能も有するが、ＰＢＳにおいてはｐ偏光がより効率的に透過され、ｓ偏光がより効率的に反射される。図示のＸキューブ構成を最も効率的に用いる方法は、システムに入射する緑色光をｐ偏光にして、赤色および青色光をｓ偏光することである。
【００３７】
図１８−図１９は、Ｘキューブアプローチに固有の非効率性を示す。ここでも、単色光源は非偏光の光源である。図１８は、ｓ偏光子１２１０を出力部に備える従来技術構成１２００を示す。ここで、３つの入射光ビーム１２２０のｐ偏光は破棄される。この例において、システム１２００の緑色光の処理が相対的に非効率になり、緑色光が２つの２色フィルタ１２０５を透過することによって有効なｓ偏光緑色光が低減されるので、緑色光１２０２は、単一の２色素子界面のみを透過する赤色光１２０４および青色光１２０６に対して相対的に低減される。対照的に、図１９は、ｐ偏光子１２１０を出力部に備える従来技術の構成１２００を示す。ここで、３つの入射光ビーム１２２０のｓ偏光は破棄される。この例において、システム１２００の赤色光１２０４および青色光１２０６の処理が相対的に非効率になるので、赤色光１２０４および青色光１２０６は、２つの２色フィルタ１２０５を介して１回反射されることによってそれらのｐ偏光成分のいくつかが失われる可能性があるが、ｐ偏光緑色光１２０２は、２つの２色フィルタ１２０５を相対的に無影響のまま透過する。
【００３８】
図２０は、図１８−図１９に記載のアプローチを、選択された波長の偏光を回転して、ｓ偏光子１３１０を透過する光の輝度を最大限にすることによって改良する。類似のアプローチがｐ偏光子出力部１３１０に引き継がれてもよく、この場合、遅延積層フィルタ１３３０は、３色全てから概ねｐ偏光された光が得られるように調整される。
【００３９】
当業者にはわかることだが、本発明は、その要旨すなわち本質的特徴から逸脱しないその他の所定の形態で具体化することができる。例えば、フライアイレンズに付加して、または、そのレンズの代わりのいくつかの実施例で、光パイプを用いてサブビームレットを均質化してもよい。記載の実施例とともに、その他の偏光回復技術を用いてもよい。したがって、本開示の実施例は、全ての点で説明のためのものであって限定するものではないとみなされる。本発明の範囲は、前述の記載ではなく添付の請求項によって示され、その均等物の意味および範囲内にある全ての変更は、それに含まれることになる。
【００４０】
また、本明細書の項目の見出しは、米国特許法施行規則第１．７７条（３７ＣＦＲ１．７７）の推奨に整合させるため、または構成上の手がかりとして与えられる。これらの見出しは、本開示から発行される任意の請求項に規定される単数または複数の発明を限定したり、特徴付けたりするものではない。具体的には、かつ、例えば、見出しが「技術分野」を言及していても、請求項は、いわゆる技術分野を記載するために本見出しのもとで選択された文言によって限定されるべきではない。さらに、「背景」の技術の記載は、技術が、本開示の単数または複数の任意の発明に対する従来技術であることを認めるものとして解釈されるべきではない。「発明の開示」も、本明細書に見られる請求項に規定された単数または複数の発明の特徴としてみなされるべきではない。さらに、本開示における、単数形の「発明」へのいずれの言及も、本開示には一つの新規な点しか請求されていないと主張するために用いられるべきではない。多数の発明は、本開示に伴われる多数の請求項の限定によって規定され、したがって、請求項は、それによって保護される単数または複数の発明およびその均等物を規定する。全ての例において、特許請求の範囲は、本明細書に鑑みてその利点について考慮されるものであり、本明細書に規定される見出しによって制限されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】２つの異なる有色光源からの直交偏光を、２つの物理的に分離された混合の色および偏光の偏光出力ビームにするための単一ＰＢＳの使用を示すブロック図である。
【図２】図示された波長のフィルタスペクトルに係る２つの出力ビームの偏光状態を統一するために図１の単一ＰＢＳの２つの出力部に取り付けられた２つの偏光色選択フィルタを備える光学システムのブロック図である。
【図３】照明システムにおいて色を合成して偏光を変換するために、２つの異なる有色ＬＥＤと１つのＰＢＳを用いる第１実施例を示す。
【図４Ａ】図４Ａ−図４Ｂはそれぞれ、３色および４色照明システムの実施例を示す。
【図４Ｂ】図４Ａ−図４Ｂはそれぞれ、３色および４色照明システムの実施例を示す。
【図５】２重ＰＢＳ素子を備える４色照明システムの実施例を示す。
【図６】ＬＥＤ、ＰＢＳ、フィルタおよびレンズのアレイを備える２色照明構造を示す。
【図７】図６の構造の背景にある所定の偏光物理学を示す。
【図８】１セットのみのフライアイレンズを備える図６の構造を示す。
【図９】フライアイレンズを備えない図６の構造を示す。
【図１０】ＬＥＤ、ＰＢＳ、フィルタ、２色鏡および単一コリメートレンズのアレイを備える４色照明構造を示す。
【図１１】色選択フィルタを組み込んだ図１０の構造を示す。
【図１２】色選択フィルタおよび１セットのフライアイレンズを組み込んだ図１０の構造を示す。
【図１３】異なるアレイ配向を組み込んだ図１０の構造を示す。
【図１４】ＬＥＤ、フィルタ、レンズ、ＰＢＳ板、鏡および単一コリメートレンズのアレイを備える２色照明構造を示す。
【図１５】ＬＥＤ、フィルタ、レンズ、２つのＰＢＳ板、２つの鏡、２色素子および単一コリメートレンズのアレイを備える４色照明構造を示す。
【図１６】ＬＥＤ、ＰＢＳ、フィルタおよびレンズのアレイを備える４色照明構造を示す。
【図１７】鏡および２色フィルタを組み込んだ図１６の構造を示す。
【図１８】ｓ偏光子を備える従来技術のＸキューブ構造を示す。
【図１９】ｐ偏光子を備える従来技術のＸキューブ構造を示す。
【図２０】色選択フィルタおよびｓ偏光子を備えるＸキューブ構造の実施例を示す。
【図１】
2008506155.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008506155.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
2008506155.tif 000015
【図１３】
2008506155.tif 000016
【図１４】
2008506155.tif 000017
【図１５】
2008506155.tif 000018
【図１６】
2008506155.tif 000019
【図１７】
2008506155.tif 000020
【図１８】
2008506155.tif 000021
【図１９】
2008506155.tif 000022
【図２０】
2008506155.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成19年3月29日(2007.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
ＬＥＤは、その比較的低い消費電力および長い寿命ゆえに、望ましい光源である。レーザ光源は、その長い寿命、高輝度および優れたコリメート性ゆえに、望ましい場合がある。ＬＥＤおよびレーザの光源は、狭帯域光源である。すなわち有色光を与える。これらの光源は非偏光を与えるが、偏光が望まれる用途が多い。例えば、ＬＣＤは偏光で動作するので、これらの光源の一つをＬＣＤに基づくディスプレイの照明に用いる場合、これらの光源からの光を偏光に変換する必要がある。非偏光の光源から偏光を生成するための一つのアプローチは偏光フィルタを用いることであるが、このアプローチでは同時に光エネルギーの約５０％がフィルタリングされて取り除かれる。さらに、「白色」光源が望まれることが多いにもかかわらず、ＬＥＤは、例えば赤、緑、青および黄のような特定の色を生成する。
なお、本出願に対応する外国の特許出願においては下記の文献が発見または提出されている。
【特許文献１】米国特許第５９５３０８３号明細書
【特許文献２】米国特許第７０７２０９６号明細書