(57)【要約】【課題】平面物体を照明するために、光放射ビームを折り曲げられた経路に沿って供給する反射照明システムを提供する。【解決手段】このシステムは、放射源と、放物面すなわち皿形の反射体からなる２つの対向する放物面皿形アレイとを含む。第１アレイに入射する光源から受け取った発散光を、分離した複数のサブ・ビームを含むより太いコリメートされたビームとして反射する。第１アレイの反射体またはファセットはそれぞれ、これらのサブ・ビームの１つを第２アレイ上のファセットに送る。第２アレイは、受け取った光を実質的に均一な強度で矩形ターゲット位置に反射する。【選択図】図２
2005182013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を混合し、混合した光をターゲット位置に供給する光学照明システムであって、
ある曲率半径を有し、光源から光を受け取るように配設された第１反射凹レンズを備え、第１反射凹レンズが、その上に入射する放射源から受け取った光を合焦またはコリメートする働きをするように、第１反射凹レンズが、皿状の構成で配設されたより小型の反射凹レンズの２次元アレイから形成され、より小型の反射凹レンズの２次元アレイが、その上に入射する放射源から受け取った光からサブ・ビームをターゲット位置に向かって送るように配置され、より小型の各凹レンズの凹面度が、第１反射レンズの凹面度よりも実質的に大きく、そのため、より小型の各レンズの曲率半径が、第１反射レンズの曲率半径よりも小さい、光学照明システム。
【請求項２】
第１反射凹レンズに光を供給する多波長光源をさらに備え、２次元レンズ・アレイが、その上に入射する光を、より小型の反射凹レンズの数に比例する複数のサブ・ビームに分割する、請求項１に記載の光学照明システム。
【請求項３】
サブ・ビームを受け取り、サブ・ビームが重なり合ってターゲット位置で単一のビームを形成するようにサブ・ビームをターゲットに向かって反射する反射手段をさらに備える、請求項２に記載の光学照明システム。
【請求項４】
光源から第１反射凹レンズを介して光を受け取るように配設された第２反射凹レンズをさらに備え、第２反射凹レンズが、その上に入射する第１反射凹レンズから受け取った光を、実質的に均一にターゲット位置に送る働きをするように、皿状の構成で配設されたより小型の反射凹レンズの２次元アレイから形成される、請求項２に記載の光学照明システム。
【請求項５】
より小型の各凹レンズの凹面度が、第２反射凹レンズの凹面度よりも実質的に大きく、そのため、より小型の各凹レンズの曲率半径が、第２反射凹レンズの曲率半径よりも小さい、請求項４に記載の光を混合する光学照明システム。
【請求項６】
入射光を偏光に変換する偏光ダイバーシティ手段をさらに備える、請求項５に記載の光学照明システム。
【請求項７】
第１アレイが、ｎ個の曲面反射体を有し、反射手段が、少なくともｎ個の反射ファセットを有する放物面反射体であり、ｎ個の曲面反射体がそれぞれ、その上に入射する実質的に大部分の光を、ｎ個の反射ファセットのそれぞれ異なる１つのファセットに送るように構成され、ｎ＞１５である、請求項３に記載の光学照明システム。
【請求項８】
第１アレイが、反射手段によって形成された放物面反射体と異なる基礎半径を有する放物面反射体を形成する、請求項７に記載の光学照明システム。
【請求項９】
光を混合し、混合した光をターゲット位置に供給する折曲げ型光学照明システムであって、
混合される光を提供するランプと、
入射する発散光を受け取り、受け取った光を、複数の収束サブ・ビームとして反射し合焦させる曲面反射ファセットの第１皿形アレイと、
曲面反射ファセットの第１アレイと光学的に結合し、収束サブ・ビームを受け取るように配設された曲面反射ファセットの第２皿形アレイであって、第２皿形アレイに入射する複数の収束ビームをそれぞれ反射して、ターゲット位置において同じ矩形ターゲット領域の少なくとも一部を実質的に覆うように、受け取った光を反射する第２皿形アレイとを備える、光学照明システム。
【請求項１０】
第２皿形アレイの反射ファセットおよび第１皿形アレイの曲面反射体の中心がそれぞれ、放物面に沿って配設される、請求項９に記載の光を混合する光学照明システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面物体を照明するために、光放射ビームを折り曲げられた経路に沿って供給する反射型照明システムに関する。このシステムは、放射源および反射体アレイを含む。本発明は、このような照明システムを備える像投射装置にも関する。この照明システムは、少なくとも１つの像ディスプレイ・パネルを照明し、それによって像が生成される。
【背景技術】
【０００２】
投射型ディスプレイで使用する従来技術による多くの照明システムの目標は、一般に光源のビーム方向に直交する平面ターゲット位置で、かつこのターゲット位置全体にわたって実質的に均一な強度をもたらす均一な光源を提供することである。ほとんどの例では、このターゲット位置の形状は矩形である。
【０００３】
この問題は、様々な特許により、ライト・パイプまたは自由空間内で光を混合して、その後、この混合した光を所望のターゲット上で一様に、このターゲット全体にわたって均質に広げるように試みることによって対処されてきた。例えば、参照により本明細書に組み込む１９９２年３月２４日発行のｖａｎ  ｄｅｎ  Ｂｒａｎｄｔ他の米国特許第５，０９８，１８４号は、光源から送られ放物面反射体で捕捉された光が再分配され、その結果、この再分配された光が、ターゲット領域全体にわたってより均質な強度分布でターゲットに到達するシステムを開示している。ｖａｎ  ｄｅｎ  Ｂｒａｎｄｔらがその明細書で記載しているように、「放物面反射体はそれだけで、放射源からの放射の大部分を捕捉するという利点を有する。しかし、この反射体によって形成される放射ビームの照明強度分布は不均質である。放物面の焦点の外に放射源を配置することによってより均質な分布が得られるのは事実であるが、こうすると、ビームの開口角が大きくなり、その結果、この投射レンズ・システムの開口数を大きくしなければならない。照明強度分布は、放物面反射体を伴う照明システム内でレンズ・プレートを使用することによってより均質にし得る。」従来技術の図１に、ｖａｎ  ｄｅｎ  Ｂｒａｎｄｔらの特許に示されているシステムを示す。このシステムでは、２つのレンズ・アレイを直列に配置して、第１アレイが、入射する発散ビームを複数のサブ・ビームに分離し、レンズと直列に配置された第２アレイが、第１アレイから受け取った光を混合し、その後、ターゲット面上に合焦させる。このシステムは適切に機能するようにみえるが、構成要素の数がより少なく、製造コストがより安く、はるかにコンパクトな構造が必要とされている。
【０００４】
参照により本明細書に組み込む１９９９年６月１日発行のＷａｔａｎａｂｅの米国特許第５，９０９，３１６号は、多くの点でｖａｎ  ｄｅｎ  Ｂｒａｎｄｔのシステムに類似しているが、Ｗａｔａｎａｂｅは、小レンズ・アレイを備えた透過曲面レンズ素子を使用して、入射光を混合し、また均質にする。好都合には、この曲面レンズ・アレイは、受け取った単一の光ビームを収束させ、複数の収束ビームに分離する。これは、ある面ではｖａｎ  ｄｅｎ  Ｂｒａｎｄｔのシステムに比べて進歩している。そうではあるが、透過構成で配置されたＷａｔａｎａｂｅのシステムは、複雑であり、複数のレンズを必要とする。
【特許文献１】米国特許第５，０９８，１８４号
【特許文献２】米国特許第５，９０９，３１６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、光源からの光を捕捉し、この捕捉した光を反射して、結像システムにおいてさらなる処理を行うための複数のサブ・ビームにする素子を提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、混合すべき光ビームを折り曲げる少なくとも１つのミラー・アレイを有するコンパクトな折曲げ型光拡散器を提供し、それによって入射光を混合して、所望のターゲット表面全体にわたって強度をより均一にすることである。
【０００７】
また、本発明の目的は、受け取った光を均質にし、矩形結像面全体にわたってこの均質化された光をより均一に結像する極めて安価でコンパクトな光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様によれば、光を混合し、混合した光をターゲット位置に供給する光学照明システムが提供される。このシステムは、
光源と、
光源から光を受け取るように配設された第１反射凹レンズであって、その上に入射する放射源から受け取った発散光を合焦またはコリメートする働きをするように、皿状（dish-like）の構成で配設されたより小型の反射凹レンズからなる２次元アレイから形成された第１反射凹レンズとを備え、より小型の反射凹レンズの２次元アレイは、その上に入射する放射源から受け取った光からサブ・ビームを提供するように配置され、第１反射凹レンズは、この入射ビームをターゲット位置に向かって送る助けとなり、より小型の各レンズの凹面度は、第１反射レンズの凹面度よりも実質的に大きい、すなわち、曲率半径が小さい。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、光を混合し、混合した光をターゲット位置に供給する光学照明システムが提供される。このシステムは、
光源と、
光源から光ビームの形態で入射光を受け取り、この受け取った光を複数の合焦サブ・ビームとして反射し合焦させる反射素子からなる第１フライアイ（fly's eye）・アレイと、
これらの合焦ビームを受け取り、これらのビームがターゲット位置で重なり合うように合焦ビームをターゲット位置に向かって結像させる反射手段とを備える。
【００１０】
本発明の別の態様では、光を混合し、混合した光をターゲット位置に供給する光学照明システムが提供される。このシステムは、
光源と、
入射光を受け取り、この受け取った光を複数の合焦サブ・ビームとして反射し合焦させる曲面反射体からなる第１アレイと、
曲面反射体の第１アレイと光学的に結合された反射手段とを備え、
第１アレイおよび反射手段の一方が光源から光を受け取り、この光を反射手段および第１アレイの他方に供給して、それをターゲット位置に供給する。
【００１１】
次に、図面に従って本発明の実施形態の例を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
ここで従来技術の図１を参照すると、ディスプレイ・パネル１の方向および後方（図１では左向き）に光を放出するランプ２０を備える照明システムが示されている。後方に放出された光を受け取り、このランプの像を形成する球面反射体２１が、ランプの後側に配置されている。図１では、反射体２１によって形成されたランプ像は、このランプと同じ空間を占める。このランプは、それ自体の光に対して透明であると仮定する。この仮定は、実際には当てはまらないことが多い。この場合には、ランプ像がランプの脇に位置するようにする。コンデンサ・レンズ・システム２２が、ランプおよびその像から放出された光を受け取り、この光を平行ビームに収束させる。すなわち、コンデンサ・レンズ・システム２２は、このランプを無限遠に結像する。この平行ビームは、第１レンズ・プレート２５に入射する。このプレートの放射源に対向する面には、レンズ２６のマトリックスが設けられ、他方の面２７は好ましくは平坦である。これらのレンズ２６はそれぞれ、第２レンズ・プレート２８の関連するレンズ２９上に放射源２０を結像する。このプレートの放射源に対向する面３０は平坦であり、放射源から遠い面は、レンズ２９のマトリックスを支持する。プレート２８のレンズの行および列の数は、プレート２５のレンズの数に対応する。異なるレンズ２９上に、対応するレンズ２６によって放射源を結像するたびごとに、プレート２５に入射するビームの異なる部分が用いられる。各レンズ２９は、対応するレンズ２６上に形成された放射スポットがディスプレイ・パネル１上に結像されるようにする。すべての２次像がディスプレイ・パネルの面で互いに重ね合わされるようにするレンズ３１を、第２レンズ・プレートの後に配置する。こうすると、この面の照明強度分布に所望の均一性が与えられ、均一性の度合いは、プレート２５および２８のレンズの数によって決まる。
【００１３】
次に図２を参照すると、本発明の実施形態によるコンパクトな照明システムの３次元的な図が示されている。このシステムは、図１に示す従来技術のシステムよりも素子の数が少なく、光源を均質化して、それを正方形または長方形のターゲット上に実質的に均一な強度で入射させるという本質的に同じ機能を実施する。本発明を理解するのに好都合かつ簡単にするために、図２に、照明が点光源から生成される例を示す。以下に示す後続の図に、多波長に拡張された光源をより正確に表現したものを示す。ターゲットは、撮像装置またはマイクロ・ディスプレイ１１９、ひいては投射型ディスプレイ応用例の観察スクリーンとし得る。光源１１０から、皿形または凹面の小型反射素子１１４からなる第１反射フライアイ・アレイ１１２にビームが供給される。これらの反射素子は、矩形反射凹レンズまたは矩形反射ファセットの形態をとり、それらの中心が３次元曲面または放物面に従うように配置される。矩形ファセット１１４はそれぞれ、楕円表面特性を有し、間にスペースを設けずに互いに隣接すなわち連続している。ファセット・アレイ１１２は、光源から発散光を受け取り、この受け取ったビームを複数のサブ・ビームとして反射するように働く。これらのサブ・ビームは全体として、実質的にコリメートされたより太いビームを形成し、このより太いビーム内のサブ・ビームの数は、皿状反射ファセット１１４の数に相当する。ファセット１１４の複合アレイによって形成された放物面皿の全体としての湾曲は、光源から受け取った発散ビームを実質的にコリメートするように働く。この構造１１２は事実上、図１の従来技術に示す別個のフィッシュアイ・アレイの機能およびコリメート・レンズの機能を行う。ファセット１１４によって形成された各サブ・ビームは、全体として反射手段を形成する異なる矩形反射素子またはファセット１１６に到達する。この反射手段は、反射素子１１６からなる第２アレイ１１８の形態をとり、反射素子１１６は、ターゲット位置の撮像装置またはマイクロ・ディスプレイ１１９の実質的にほとんどの部分に対して光を反射し、かつこの部分を覆うように寸法設定され整形される。矩形ファセットまたは素子１１６からなる第２反射体アレイは、アレイ１１２からサブ・ビームを受け取るようにアレイ１１２に対向している。
【００１４】
矩形反射素子１１６はそれぞれ凹面であり、素子またはファセット１１４に類似しているが、第２アレイ１１８の曲率半径および個々のファセット１１６の曲率半径は、矩形像面上に光を正しく結像させるために、第１アレイ１１２およびそのファセット１１４の曲率半径と異なることがある。シミュレーション・ソフトウエア・プログラムを使用して、これらのアレイのサイズおよび形状を最適化することができる。この実施形態では、光の混合すなわち第２アレイ１１８に入射する分離したビームの混合は、これらのビームがディスプレイ・パネル１１９に送られるときに、完全に互いに重なり合うようにアレイ１１８とディスプレイ・パネルの間で行われることが実質的かつ理想的である。図２に示す構造に加えて、必要に応じて、カラー・ホイールその他のフィルタリング手段を光源と第１アレイ１１２の間の経路中に配設して、光がターゲット位置に到達する前にこの光をあらかじめフィルタリング処理することによって、必要とされる光の色または波長を提供し得る。カラー・ホイールの好ましい位置は、図４において反射体４００と第１アレイ４１２の間でビームが実質的に合焦された状態で示されているところである。
【００１５】
図３は、本発明による反射光ホモジナイザを３次元的に表現したものである。ただし、図の第１アレイ１１２は、個々の矩形反射体の曲率半径と、複数の素子１１４全体によって画定されるより大型の放物面の曲率半径との差異を示していないことに留意されたい。ただし、第２アレイ１１８は、中心がそれぞれ放物面１２１に沿って配設された個々のファセット１１６を示すようにより明確に示されている。この放物面は、実際の構造とすることもできるし、テンプレートまたは構造体において、それに沿ってファセットの中心が固定された位置に存在するテンプレートまたは構造体とすることもできる。第１アレイのファセットも同様に構成される。従来技術の実施形態と異なり、複数の透過レンズの代わりに反射素子またはファセットを使用すると、一般に透過レンズによって導入される色分散が少なくなるか、あるいはなくなる。この実施形態で必要とされる構成要素の数が、図１に示す上記の従来技術の装置に比べて大幅に減少することもわかる。これにより、製造コストも下がり、組立も簡単になる。
【００１６】
図４ａに、本発明による結像システムの３次元的な図を示す。放物面反射体４００を有する光源により、その中のランプからの光が、放物面反射体４００と反射ファセットの第１アレイ４１２の間の位置で合焦する。反射体４００によりビームが合焦し、このビームはその後、この光がすべて捕捉される距離のところに配置された第１アレイ４１２に向かって伝播するにつれて大きく発散する。複合ファセット・アレイ４１２の全体的な湾曲により、この発散光が実質的にコリメートされ、個々のファセットの形状およびサイズによって決まる特性を有するより細いサブ・ビームで構成されるコリメート・ビームとして反射される。第１アレイから第２アレイに送られるより太いビームは実質的にコリメートされているが、個々のサブ・ビームは、第２アレイ４１８上で収束する。反射曲面ファセットとして実施される反射レンズの第２アレイ４１８は、受け取った光を、同じ矩形ターゲット面４２２上に反射して、ターゲット面全体にわたって実質的に等しい強度が得られるように設計される。
【００１７】
一般に、各アレイ内のファセットの数は１０〜１５０個であるが、好ましい実施形態の例では、６×８個の素子のアレイを使用した。各ファセットの寸法は１２．６７ｍｍ×８ｍｍであり、寸法比は１．５８であった。撮像装置の集光領域すなわち画素の寸法は、１７．７３および１１．２であり、寸法比は１．５８であった。撮像装置の画素に対するファセットの比は１．４であった。
【００１８】
図５は、３×５個の素子のアレイ４１２の各反射体アレイ素子の強度の寄与をターゲット面全体にマッピングしたものに対応する図である。図５は、３×５アレイの素子に見えるが、このフォーマットは、像面すなわちターゲット面全体の１５個の例の解析結果を示すために用いたに過ぎず、図５の各例すなわち矩形は、第１アレイ４１２内の異なる単一の反射アレイ素子からの寄与を示している。例として、図５の左上隅の素子は、アレイ１１２内の単一の反射体からの、像面全体にわたっての寄与を示す。図５で、この最も左の素子の右側に位置する次の隣接する素子は、図４ａに示す３×５アレイ４１２の素子の異なる反射体からの、像面全体にわたっての寄与を示す。したがって、ある時点で像面上に存在する光をすべて、すなわち、アレイ４１２のすべてのファセットの像面上への寄与を考慮に入れるために、図５の１５個すべての表示に示した分布を、互いに積み重ねるように合成しなければならない。好都合には、図５に示す対象性により、１５個すべての表示を積み重ねると、像面全体にわたって実質的に均質な強度が得られる。図５の４隅の表示に示す４つの例を互いに重ねてマッピングすると、像面が実質的に均質に照明される。図５をより詳細に理解するために、１５個すべての矩形からの強度の寄与を、１５個の矩形のうち１つの同じ矩形上に加えてマッピングすべきである。
【００１９】
図６は、ターゲット面における照明の均一性を、ターゲット面全体にわたって選択した位置に対して示す図である。図から指摘し得るように、１．５８の比を有する１２．６７ｍｍ×８ｍｍの反射体ファセットを、１．５８の比を有する１７．７３および１１．２の撮像装置の集光領域すなわち画素とともに使用すると、均一性が９６％ＡＮＳＩ基準を上回り、コーナでは１０６％という優れた値で照明されることが示されている。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態では、図４ａに示すように、光源および２つの互いに対向する適切に寸法設定され離間して配置された放物面反射体アレイにより、好都合で安価な折曲げ構造が得られ、それによって、上記の従来技術に示す複雑なレンズ配置が不要になる。
【００２１】
皿状の構成に配置された皿形反射ファセットまたは素子を有する反射体アレイ１１２は新規なものであり、光を混合する他の構成に有用であるとも考えられる。
【００２２】
例えば、完全折曲げ型の構成が必要とされない例では、すなわち、第１アレイからの光を集光し反射する第２反射アレイを備える必要がない例では、第１アレイ１１２により、依然としてある種の利点が得られる。このように、好ましさはやや劣るが、第１アレイ１１２と、小レンズ（lenslet）・アレイ、または従来技術で示したＷａｔａｎａｂｅの透過素子、あるいは図８に示すｖａｎ  ｄｅｎ  Ｂｒａｎｄｔのレンズおよび透過アレイとを組み合わせたハイブリッド装置が考えられる。要件によっては、こうすると、従来技術に比べて利点が得られる。図８では、反射体の平面アレイ８２およびレンズ８４が、第１アレイ１１２から受け取ったビームを方向づけるように働く。
【００２３】
好ましさが劣る実施形態でさえ、平面ミラーからなる２つの反射アレイをレンズとともに使用することができ、それによって、従来技術で教示されるものよりも短い折曲げ型の装置が提供される。図７に、その実施形態を示す。この実施形態では、入力ビームがレンズ７００によって実質的にコリメートされる。平面ミラー・アレイ７４２が、このコリメートされた光を受け取り、この光を、第２ミラー・アレイ７４４に反射する。第２レンズ７４６が、第２ミラー・アレイ７４４から受け取った光を合焦させ、より均質に混合された光をターゲット位置７４８に送る。この実施形態によりコンパクトな折曲げ型光拡散器が提供されるが、これは、別個のレンズを必要としない図２に示すものよりも複雑であり、製造コストがかかる。
【００２４】
もちろん、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、他の多くの実施形態を想起し得る。例えば、図９に、光源９０が、アレイ９４に面する２つのアレイ９２の一方の後に配設される本発明の実施形態を示す。この実施形態は、図２の実施形態に機能的にほぼ等価である。
【００２５】
図１０に、入射光が同じ偏光状態に変換されるようにするユニットを示す。好ましくは、このユニットは、光源と反射体の第１アレイ１１２の間の入力段階で使用する。波長板または回転子の形態のリターダ（retarder）２０２を備えた偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）２００により、この機能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】米国特許第５，０９８，１８４号に示され記載されている従来技術による透過型光拡散器を示す図である。
【図２】本発明の実施形態による２アレイ型照明システムを示す図である。
【図３】アレイの一方がより詳細に示された、図２に示すシステムを示す図であり、皿形ファセットの中心が放物面上に存在するように示す。
【図４ａ】図２および図３に示すシステムを３次元的に示す図である。
【図４ｂ】本発明によるシステムを３次元的に示す別の図である。
【図５】照明システムのミラー・アレイの１５個のファセットのそれぞれの上の光に対応する１５個の別個の像として強度パターンを示す図である。
【図６】像面における照明の均一性を示す図である。
【図７】好ましさは劣るが、レンズとともに平面ミラー・アレイを使用する折曲げ型照明システムの実施形態を示す図である。
【図８】好ましさは劣るが、本発明による曲面アレイと組み合わせて、平面ミラー・アレイおよびレンズを使用する折曲げ型照明システムのハイブリッド型実施形態を示す図である。
【図９】光源が第２アレイの後にあり、第２アレイが光源からの光を通過させる開口を有する、図２のものに類似の本発明の実施形態を示す図である。
【図１０】単一の偏光をもたらす偏光ダイバーシティ・ユニットを示す図である。
【図１】
2005182013.tif 000003
【図２】
2005182013.tif 000004
【図３】
2005182013.tif 000005
【図４ａ】
2005182013.tif 000006
【図４ｂ】
2005182013.tif 000007
【図５】
2005182013.tif 000008
【図６】
2005182013.tif 000009
【図７】
2005182013.tif 000010
【図８】
2005182013.tif 000011
【図９】
2005182013.tif 000012
【図１０】
2005182013.tif 000013
【外国語明細書】
2005182013.tif 000014
2005182013.tif 000015
2005182013.tif 000016
2005182013.tif 000017
2005182013.tif 000018
2005182013.tif 000019
2005182013.tif 000020
2005182013.tif 000021
2005182013.tif 000022
2005182013.tif 000023
2005182013.tif 000024
2005182013.tif 000025
2005182013.tif 000026
2005182013.tif 000027
2005182013.tif 000028
2005182013.tif 000029
2005182013.tif 000030
2005182013.tif 000031
2005182013.tif 000032
2005182013.tif 000033
2005182013.tif 000034
2005182013.tif 000035
2005182013.tif 000036
2005182013.tif 000037