均一な光供給源を提供するシステムおよび方法
均一な光供給源を提供するシステムである。このシステムは、光源からの光を受ける入力表面、および光を発する出力表面を有するライト・パイプを備える。このシステムはまた、光を受けるようにライト・パイプの出力表面に隣接して位置決めされた入口表面、および光を発する出口表面を有する光学要素を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年５月２１日に提出され、その内容を本明細書に参照として援用する、前の米国仮特許出願第６０／４７２４９９号の優先権の利益に基づき、これを請求するものである。
【０００２】
本発明は概して、プロジェクション・ディスプレイ装置の照明システムおよび方法に関し、より詳細には、均一な光供給源を提供するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
プロジェクション・ディスプレイ装置はしばしば、光学要素と、光学要素を照らす均一な光供給源を備えている。しかし、多くの光源は、プロジェクション・ディスプレイ装置を照らすのには空間的に十分均一ではない。このような非均一光源によって生成される光の均一性を改善するのにライト・パイプが普通は使用され、それによってプロジェクション・ディスプレイ装置内に照明光学素子用の均一な光源が作り出される。ライト・パイプは一般に、（１）管が高反射内壁を有する（例えば、その内壁に高反射コーティングを有する）中空トンネルとして、または（２）中実ガラス棒が光学的に透明な媒体を有する中実部材としての２つの普通の形態の１つで構成されている。形態（２）では、ライト・パイプは中実部材内に光を入れるように、全反射（ＴＩＲ）によるものである。ライト・パイプはまた、（３）クラッド・ライト・パイプであってもよい。クラッド・ライト・パイプは、（端部を除いて）ライト・パイプを囲む材料（例えば、ガラスまたはプラスチック）の薄いコーティングまたは層を有するライト・パイプである。そのコーティングまたは層は、ライト・パイプと比べて、低い屈折率を有する。
【０００４】
ライト・パイプは、非均一光を与える光源からの光を受けるように構成された入力端部（または入力面）と、発光するように構成された出力端部（または出力面）とを有することができる。入力および出力端部は、ライト・パイプの伝導効率を良くするように反射防止コーティングを有することができる。光が入力端部から出力端部まで通過するので、ライト・パイプは光を多数の反射を通して干渉または混合することを可能にするように構成することができる。その結果、ライト・パイプの出力端部から出る光は実質的に、ライト・パイプの入力端部に入る光よりも空間的に均一とすることができる。したがって、ライト・パイプは光源によって供給される光の均一性を実質的によくすることができ、その結果、高い均一性を有する光源になる。プロジェクション・ディスプレイ装置では、ライト・パイプの出力端部は普通はマイクロディスプレイ装置にイメージ化される。マイクロディスプレイ装置はその後、視聴者が観る画面上にプロジェクション・レンズによって再びイメージ化される。
【０００５】
中実なライト・パイプを使用するいくつかの欠点は、出力面は構造的欠陥（例えば、かき傷、縁部チップ、または穴）、コーティング欠陥（例えば、変色）、または表面汚染物質（例えば、塵、油、汚れ、指紋など）を得る可能性があり、それらの全ては画面上に示される画像を変える可能性があることである。すなわち、縁部チップは、光の漏れ、「カラスの足跡」加工物、画像加工物および結合の問題を引き起こす可能性がある。また、塵は暗い領域が画面上に現れる可能性がある。例えば、塵はライト・パイプの入力および出力面の温度が高いことにより、出力面の上に集まるおよび／またはこれに融合することがある。塵は、ライト・パイプの出力面上に暗い領域を作り出し、最終的に暗い領域が画面上に現れ、それによって視聴者が観る画像の品質に悪影響を与える可能性がある。従来、ライト・パイプの入力および出力面に塵のない環境を作り出すことによって、暗い領域は最小限に抑えられてきた。しかし、この解決法は普通は不都合であり、ライト・パイプ、光学要素、およびプロジェクション・ディスプレイ装置全体周辺の装置にかなりの費用および複雑さを加える可能性がある。
【０００６】
従来のライト・パイプ解決法を使用する別の欠点は、デジタル・マイクロミラー装置（ＤＭＤ）などのマイクロディスプレイ装置（例えば、デジタル光処理（ＤＬＰ）プロジェクタに見られるようなＴｅｘａｓ ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓからのＤＭＤ）を使用した場合に、照明が間接的に行われるということである。このようなシステムでは、ＤＭＤ平面は入射照明光および照明システムの光学軸に対して傾斜している。効果的には、これはライト・パイプの出力面の画像がＤＭＤ平面に対して傾斜しており、２つの平面は共通の焦点の単一の線だけを共有しているということである。理想的な状況では、２つの平面は一致する。このような傾斜した照明システムおよび非一致焦点による望ましくない影響としては、ライトボックスに対する不鮮明な縁部、悪化した照明均一性、および効率損失が挙げられる。
【０００７】
したがって、均一な光供給源を提供するシステムおよび方法の必要性があることを理解すべきである。本発明は、この必要性およびその他のことを実現する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、中実なライト・パイプの端部における塵およびコーティング欠陥の問題をなくすシステムおよび方法を提供することである。また、本発明の目的は傾斜またはオフ−アクシス（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）・ディスプレイ装置を効率的に照明する、または傾斜した角度でディスプレイ装置を効率的に照明するシステムおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の照明システムは、マイクロディスプレイへの光源からの光学要素を含むことができる。光学要素はこれに限らないが、マイクロディスプレイ、リレー光学素子、フィルタ、プリズム、ミラー、リターダ、および分極構成要素を含むことができる。
【００１０】
本発明の一実施形態は、均一な光供給源を提供するシステムである。システムは、光源から光を受ける入力表面、および光を発する出力表面を有するライト・パイプを備える。システムはまた、光を受けるライト・パイプの出力表面に隣接して位置決めされた入口表面、および光を発する出口表面を有する光学要素を備える。ライト・パイプの出口表面は、マイクロディスプレイ装置の上にイメージ化される。
【００１１】
本発明の一実施形態は、第１の平面を画定し、光を受けるように構成された入力表面、および光を伝搬するように構成された出力表面を有するライト・パイプを備える照明システムである。照明システムはまた、ライト・パイプの出力表面に連結された入口表面、および第１の平面に実質的に平行な第２の平面を画定する出口表面を有する光学要素を備える。
【００１２】
本発明の一実施形態は、光ビームを作る光源と、光源からの光ビームを受ける入力平面を画定する入力表面、および出力平面を画定する出力表面を有するライト・パイプとを備える光学システムである。光学システムはまた、ライト・パイプの出力表面に接触する入口表面、および出力平面が出口平面に対して傾斜する、出口平面を画定する出口表面を有する光学装置を備える。したがって、出力平面は出口平面と交差する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の正確な性質と、その目的および利点は、添付の図面と合わせて以下の明細書を考慮して、すぐに明らかになるだろう。同様の参照番号は、図面全体を通して同様の部品を示す。
【００１４】
次に、本発明の好ましい実施形態に言及する。その例は、添付の図面に示されている。本発明は好ましい実施形態と合わせて説明するが、これらの実施形態は本発明の範囲を限定することを意図したものではないことを理解するものとする。これに対して、本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定された本発明の精神および範囲内に含まれ得る、代替形態、変更形態、および同等物を含むことを意図している。以下の詳細な説明では、本発明の徹底的な理解を与えるため、いくつかの特定の詳細が記載されている。しかし、本発明をこれらの特定の詳細なしで実施できることは、当業者は理解するだろう。他の例では、本発明の重要な態様を不必要に曖昧にしないように、よく知られているシステム、構成部品、方法、および手順は詳細には説明しない。分かるように、本発明の様々な実施形態を本明細書で説明し、図に示す。
【００１５】
図１Ａは、ライト・パイプ１０５、およびライト・パイプ１０５に取り付けられた、またはそれに隣接して位置決めされた板１１０を備える照明システム１００の側面図である。ライト・パイプ１０５は、光源からの光を受ける入力表面１１５と、発光する出力表面１２０とを有する。入力表面１１５は入力平面を画定する。光は、入力表面１１５でライト・パイプ１０５に入り、多数の内部反射によりライト・パイプ１０５の内側で混合し、出力表面１２０でライト・パイプ１０５から出る。ライト・パイプ１０５は、ＴＩＲを示すことができ、屈折率を有するガラス、プラスチック、または他の光学材料などの中実な光透過材料で作製することができる。ライト・パイプ１０５は、多角形（例えば、４辺多角形）、台形、平行四辺形、六角形、四角形、矩形、円筒形、楕円形、円形、または光を透過することが可能なあらゆる他の形状に形成することもできる。
【００１６】
板１１０は、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０から光を受ける入口表面１２５、および発光する出口表面１３０を有する。ライト・パイプ１０５の出力表面１２０は、マイクロディスプレイ装置の上にイメージ化される。板１１０の入口表面１２５は、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０に隣接して位置決めされており、好ましくはこれに光学接触している。出口表面１３０は、ライト・パイプ１０５を通って進む光によって画定された光学軸に実質的に垂直である出口平面を画定する。出力表面１２０は出力平面を画定する。いくつかの実施形態では、出力平面は入力平面および／または出口平面に対して傾斜していてもよいし、またはこれと平行であってもよい。いくつかの実施形態では、入力平面は出力平面および／または出口平面に対して傾斜していてもよいし、またはこれと平行であってもよい。
【００１７】
板１１０は、ＴＩＲを示すことが可能であり、屈折率を有するガラス、プラスチック、または他の光学材料などの中実な光透過材料で作製することができる。板１１０はライト・パイプ１０５と同じ材料でできていることが好ましい。一実施形態では、板１１０の屈折率は、ライト・パイプ１０５の屈折率と実質的に同じである。２つの要素の屈折率が実質的に同じであることにより、ライト・パイプ１０５と板１１０の間のインターフェイスでのフレネル反射損失が最小限に抑えられる。板１１０は、多角形（例えば、４辺多角形）、台形、平行四辺形、六角形、四角形、矩形、円筒形、楕円形、円形、または光を透過することが可能なあらゆる他の形状に形成することもできる。
【００１８】
出力表面１２０は、熱的に頑丈な光透過接着剤１３５を使用して、入口表面１２５に結合することができる。一実施形態では、結合は「光学接触」によって形成することができる。一実施形態では、Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ州、ＴｏｒｒｉｎｇｔｏｎのＤＹＭＡＸ社が製造する光透過接着剤１３５を使用して、入口表面１２５を出力表面１２０に接着または取り付けることができる。光透過接着剤１３５は、紫外線（ＵＶ）硬化光学セメントまたは熱光学セメントなどの透明な光学セメントであってもよい。普通は、光透過接着剤１３５は、出力表面１２０と入口表面１２５の間に塗布され、光または画像を遮断、破壊、または実質的に変更することなく、光または画像を光透過接着剤１３５を（すなわち、ライト・パイプ１０５から板１１０まで）通過させることが可能である薄い透明なコーティングである。光透過接着剤１３５は、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０に現れるあらゆるかき傷、縁部チップ、または穴内に充填することができる。
【００１９】
板１１０は有利には、構造的欠陥および被覆欠陥がライト・パイプ１０５の出力表面１２０上に現れないようにすることによって、視聴者が観る画像の品質を改善する。例えば、板１１０は実質的に、塵がライト・パイプ１０５の出力表面１２０上に集まらないようにする。したがって、塵はマイクロディスプレイ装置または画面の結合平面ではない、板１１０の出口表面１３０上に集まるだけである。出力表面１２０上に現れる光または画像は、マイクロディスプレイ装置または画面の上でイメージ化される。板１１０は最小厚さ（例えば、約１．０ｍｍの最小厚さ）を有するので、板１１０の出口表面１３０上に現れるあらゆる構造的欠陥および被覆欠陥は、視聴者にはほとんど見分けがつかないように、焦点外から外れている。
【００２０】
加えて、反射防止コーティングは、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０から板１１０の出口表面１３０に移動されることができ、それによって最終画像上に見える不完全な加工物の一部または全てを取り除くこともできる。したがって、板１１０により１つまたは複数の反射防止コーティング（例えば、出力表面１２０上のもの、および入口表面１２５上のもの）をなくすことが可能になる。板１１０は、ライト・パイプ１０５を正確に位置決めするように照明システム１００の機械部（図示せず）に取り付けることが可能であり、それによってライト・パイプ１０５の出力表面１２０を離れる光または画像が、マイクロディスプレイ装置または画面の上に適切にイメージ化される。これにより、ライト・パイプ１０５のＴＩＲに影響を与える、またはこれを破壊する可能性のある、機械部をライト・パイプ１０５に連結する必要がなくなる。
【００２１】
図１Ｂは、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０、および板１１０の出口表面１３０を示す、図１Ａの照明システム１００の端面図である。図１Ｂに示すように、出力表面１２０は矩形の形状であり、出口表面１３０は楕円形の形状である。出力表面１２０はライト・パイプ１０５と同じまたは異なる形状に形成することができ、出口表面１３０は板１１０と同じまたは異なる形状に形成することができる。例えば、ライト・パイプ１０５は四角形の形状に形成することができ、出力表面１２０は矩形の形状に形成することができる。また、ライト・パイプ１０５の形状は板１１０の形状と同じであってもよい。一実施形態では、出力表面１２０の表面積は、出口表面１３０の表面積より小さい。一実施形態では、出力表面１２０の周囲長さは出口表面１３０の周囲長さより短い。
【００２２】
図２Ａは、ライト・パイプ２０５、およびライト・パイプ２０５に取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされたプリズム２１０を備える照明システム２００の側面図である。プリズム２１０の特徴、特性、および機能のいくつかは、板１１０と同じまたは同様である。光を、機械的または幾何的システムの制約によって曲げる必要があり、空気中に置かれた高反射鏡などの他の方法を使用して曲げることができない、ｆ／１以下のｆ数で光ビームを急速に収束または分岐する曲げを可能にする状況で、プリズム２１０を使用することができる。したがって、プリズム２１０により光を曲げることが可能になり、さらに本発明の利点が維持される。光がプリズム２１０に入ると、出口表面２３０に向かってかつそれを通して表面２４０から反射される。表面２４０は、加えられる高反射コーティングを有することができ、またはいくつかの場合では、反射がＴＩＲによって達成される。図２Ｂは、ライト・パイプ２０５の出力表面２２０、およびプリズム２１０の表面２４０を示す、図２Ａの照明システム２００の端面図である。
【００２３】
図３Ａは、ライト・パイプ３０５、およびライト・パイプ３０５に取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされたレンズ３１０を備える照明システム３００の側面図である。レンズ３１０の特徴、特性、および機能のいくつかは、板１１０と同じまたは同様である。レンズ３１０の１つの利点は、板１１０およびリレー・レンズの光学要素の機能を組み合わせて単一の構成部品にすることである。これにより、照明システム３００内の１つまたは複数の反射防止コーティングの必要がなくなり、それによってシステム効率がよくなり、費用が少なくなる。図３Ｂは、ライト・パイプ３０５の出力表面３２０、およびレンズ３１０の出口表面３３０を示す、図３Ａの照明システム３００の端面図である。
【００２４】
図４Ａは、ライト・パイプ４０５、およびライト・パイプ４０５に取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされた楔４１０を備える照明システム４００の側面図である。例示的実施形態として図４Ａに示すように、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０は、ライト・パイプ４０５を通って進む光によって画定された光学軸に対して切られ、角度付けされ、または傾斜している。傾斜した出力表面４２０は、傾斜したまたは傾斜して照らされた画像平面の上での最適なイメージ化用の傾斜した対象平面として働くこともできる。楔４１０の入口表面４２５は、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０と実質的に同じ角度で切られ、角度付けされ、または傾斜している。すなわち、楔４１０は、楔４１０の入口表面４２５がライト・パイプ４０５の出力表面４２０と同じ角度で傾斜するように設計されている。角度は、約０度から約９０度のまでであってもよく、好ましくはＴｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｍｕｓｔａｎｇ ＨＤ−２ ＤＬＰマイクロディスプレイでは、約３度から約８度である。出力表面４２０が傾斜しない場合、入口表面４２５は同様にかつ実質的には傾斜しない。ライト・パイプ４０５は楔４１０に結合されることができる。
【００２５】
楔４１０の出口表面４３０は傾斜していなくてもよく、ライト・パイプ４０５を通って進む光の光学軸に実質的に垂直なままであってもよい。すなわち、入力表面４１５は第１の平面を画定し、出口表面４３０が第２の平面を画定し、第１の平面は第２の平面に実質的に平行である。出口表面４３０は反射防止コーティングまたは材料で覆うこともできる。楔４１０の特徴、特性、および機能のいくつかは、板１１０と同様である。ライト・パイプ４０５の出力表面４２０は、マイクロディスプレイの上でイメージ化される。傾斜した出力表面４２０により、画面をマイクロディスプレイの平面に一致させることが可能である。楔４１０の１つの利点は、照明システム４００内でシャインプルーク（Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ）補正を行うことである。図４Ｂは、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０、および楔４１０の出口表面４３０を示す、図４Ａの照明システムの端面図である。図４Ｂに示すように、出力表面４２０は多角形形状をしており、それによって有利には、マイクロディスプレイ平面での最適な照明が可能になる。
【００２６】
光損失を少なくするように、入力表面４１５を反射防止コーティングで被覆することができる。したがって、光はＴＩＲによってライト・パイプ４０５を下って進むように制限され、このようなＴＩＲにより、混合または均質化される、あるいは入力表面４１５でライト・パイプ４０５に入る光よりも実質的により空間的に均一になる。したがって、その切られた出力表面４２０でライト・パイプ４０５を離れる光は発光がより均一である。出力表面４２０は多角形形状をしている。一実施形態では、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０は被覆されていなくてもよい。一実施形態では、ライト・パイプ４０５の断面は、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０の画像をマイクロディスプレイ装置の側面と平行にするように、ある角度で傾斜した１つまたは複数の辺を有する多角形の形状に構成されている。傾斜した出力表面４２０は有利には、ＴＩＲプリズムを使用しても、使用しなくても、ＤＬＰプロジェクタで見られるものなどの、傾斜画像平面の上で画像をイメージ化するための最適かつ改善された条件を提供する。
【００２７】
図５Ａは、ライト・パイプ５０５、およびライト・パイプ５０５に取り付けられ、またはこれに隣接して位置決めされた楔形レンズ５１０を備える照明システム５００の側面図である。一実施形態では、光学パワーを有する要素（例えば、プリズム２１０、レンズ３１０、または楔形レンズ５１０）を、光学パワーがない要素（例えば、板１１０）を使用する代替形態として、ライト・パイプ５０５の出力表面５２０に隣接して、またはこれに接触するように位置決めすることができる。パワーのある要素を出力表面５２０に隣接して、またはこれに接触するように位置決めすることにより、ライト・パイプ５０５は有利には、板１１０、レンズ３１０、および楔４１０の利点を組み合わせて単一の構成部品とし、照明光学リレーを単純化および／または短縮することが可能になり、また画像品質を良くすることができる。当業者は、板１１０、プリズム２１０、レンズ３１０、楔４１０、および楔形レンズ５１０の１つまたは複数を組み合わせることができる。図５Ｂは、ライト・パイプ５０５の出力表面５２０、および楔形レンズ５１０の出口表面５３０を示す、図５Ａの照明システム５００の端面図である。
【００２８】
図６は、この開示で説明するような、本発明のライト・パイプおよび光学要素の何れかで使用できる、例示的な照明システム６００を示す。照明システム６００は、光源６０５からプロジェクション画面６４０への要素を備えることができる。要素としてはこれに限らないが、光源６０５、ライト・パイプ４０５、楔４１０、リレー・レンズ６１０、６２０、光学止め６１５、プリズム６２５（例えば、ＴＩＲプリズム）、マイクロディスプレイ平面を画定するマイクロディスプレイ６３０（例えば、ＤＭＤ）、プロジェクションレンズ６３５、およびプロジェクション画面６４０を挙げることができる。光学リレー、フィルタ、ミラー、リターダ、および分極構成要素などの他の要素も、照明システム６００内で使用できる。
【００２９】
図７Ａは、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０の断面図である。図示するように、出力表面１２０は矩形の形状をしている。図７Ｂは、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０が矩形の形状をしている場合のマイクロディスプレイ平面７００での照明領域７１０の形状と、マイクロディスプレイ６３０の動的領域７０５とを示す。マイクロディスプレイ６３０の動的領域７０５は全体的に矩形の形状をしている。出力表面１２０が矩形である場合、マイクロディスプレイ平面７００上に現れる画像７１０は不規則な形状をしており、画像７１０の外部は焦点外である。マイクロディスプレイ６３０の斜め照明によって、不規則な形状および焦点の問題が起こる。したがって、画像の動的（すなわち、焦点）部７０５の光度が、画像７１０の外部で損失した光により小さくなる。
【００３０】
図８Ａは、ライト・パイプ５０５の出力表面５２０の断面図である。図示するように、出力表面５２０は角度付けされており、矩形の形状をしている。図８Ｂは、ライト・パイプ５０５の出力表面５２０が角度付けされ、矩形の形状をしている場合の、マイクロディスプレイ平面８００での照明領域８１０の形状と、マイクロディスプレイ６３０の動的領域８０５とを示す。マイクロディスプレイ６３０の動的領域８０５は全体的に矩形の形状をしている。出力表面５２０が角度付けされている場合、マイクロディスプレイ平面８００上に現れる画像８１０は不規則な形状をしているが、実質的には焦点内にある。角度付けされた出力表面５２０は有利には、マイクロディスプレイ平面８００上に画像８１０のオーバーフィル（ｏｖｅｒｆｉｌｌ）をあまり提供しない。したがって、焦点部から外れていることによりあまり光が失われず、それによって画像がより大きなコントラストを有することになる。
【００３１】
図９Ａは、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０の断面図である。図示するように、出力表面４２０は角度付けされており、多角形の形状をしている。図９Ｂは、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０が角度付けされ、多角形の形状をしている場合の、マイクロディスプレイ平面９００での照明領域９１０の形状と、マイクロディスプレイ６３０の動的領域９０５とを示す。マイクロディスプレイ６３０の動的領域９０５は全体的に矩形の形状をしている。出力表面４２０が角度付けされ、多角形の断面をしている場合、マイクロディスプレイ平面９００上に現れる画像９１０は矩形の形状をしており、画像は実質的に焦点内にある。角度付けされた多角形の出力表面４２０は、有利にはマイクロディスプレイ平面９００上に矩形に形成された画像を提供し、画像のオーバーフィルはあまり提供しない。したがって、角度付けされた多角形の出力表面４２０のおかげで、焦点部外であることによる光があまり失われず、それによって潜在的により均一で、より効率的で、より高いコントラストの照明システムが得られる。
【００３２】
本発明のいくつかの利点としては、（１）イメージャを斜めに照明した場合のイメージ化性能の度合がより高いこと、（２）照明リレーにおける傾斜および偏心光学要素が少なくなり、設計が単純化し、費用が少なくなること、（３）塵加工物抑制、（４）反射防止コーティング表面の数が少なくなったこと、（４）板がライト・パイプを取り付けるのに適した表面であること、（５）イメージャに中継されたコーティング欠陥加工物がなくなったこと、（６）ライト・パイプから出る光がテレセントリックなままであること、（７）ＴＩＲプリズムを備えているのと、備えていない両方のＤＬＰプロジェクション・システムの適用性、および（８）ＤＬＰプロジェクション・システムのルーメン出力が大きいことが挙げられる。したがって、本発明により使用者は、傾斜したまたは斜めに照らされた画像をより効率的に照明し、同時に従来のライト・パイプによって作られた照明加工物を最小限に抑えることが可能になる。本発明は、コンピュータ・プレゼンテーションで使用される前面プロジェクション・システムにおける応用例と、ＴＩＲプリズムを備えているのと、備えていない両方のＤＬＰプロジェクタを含む新しい背面プロジェクション・モニタおよびテレビ製品で使用される応用例を有する。また、デジタル映画で使用されるような、高輝度プロジェクション・システムに対する応用例を有する。したがって、本発明は利用可能なプロジェクション・システムの品質を良くする。加えて、本発明は前面および背面プロジェクション応用例用のＤＬＰおよび他の斜めに照らされたマイクロディスプレイにテレセントリックで均一な光供給源を提供する。本発明はまた、照明光学素子を軸上にあるままにすることを可能にすることによって、照明リレー・オプトメカニカル設計を単純化する。傾斜または軸外照明要素の数を最小限に抑えながら、傾斜画像で使用するのに最適であるライト・パイプ設計は、よりルーメン効率が良いだけでなく、照明光学素子の費用を少なくする。他の利点は当業者には自明であろう。
【００３３】
本発明の例示的実施形態をよく示し、説明したが、上記パラグラフに記載したものに加えて、多くの他の変更、組み合わせ、省略、変形、および置換を、必ずしも本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者は行うことができる。したがって、本発明は好ましい実施形態によって制限されるものではなく、添付の特許請求の範囲の言及によって規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプ、およびライト・パイプに取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされた平面を備える照明システムの側面図である。 図１Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面、および平面の出口表面を示す、図１Ａの照明システムの端面図である。
【図２】図２Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプ、およびライト・パイプに取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされたプリズムを備える照明システムの側面図である。 図２Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面、およびプリズムの表面を示す、図２Ａの照明システムの端面図である。
【図３】図３Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプ、およびライト・パイプに取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされたレンズを備える照明システムの側面図である。 図３Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面、およびレンズの出口表面を示す、図３Ａの照明システムの端面図である。
【図４】図４Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプ、およびライト・パイプに取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされた楔を備える照明システムの側面図である。 図４Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面、および楔の出口表面を示す、図４Ａの照明システムの端面図である。
【図５】図５Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプ、およびライト・パイプに取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされた楔形レンズを備える照明システムの側面図である。 図５Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面、および楔形レンズの出口表面を示す、図５Ａの照明システムの端面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態による、ライト・パイプおよび光学要素のどれと共にでも使用され得る例示的な照明システムを示す図である。
【図７】図７Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面の断面図である。 図７Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面が矩形の形状をしている場合の、マイクロディスプレイ平面の照明領域の形状と、マイクロディスプレイの動的領域を示す図である。
【図８】図８Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの角度付けされた出力表面の断面図である。 図８Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面が角度付けされ、矩形の形状を有する場合の、マイクロディスプレイ平面の照明領域の形状と、マイクロディスプレイの動的領域を示す図である。
【図９】図９Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの角度付けされた多角形出力表面の断面図である。 図９Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面が角度付けされ、多角形形状を有する場合の、マイクロディスプレイ平面の照明領域の形状と、マイクロディスプレイの動的領域を示す図である。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年５月２１日に提出され、その内容を本明細書に参照として援用する、前の米国仮特許出願第６０／４７２４９９号の優先権の利益に基づき、これを請求するものである。
【０００２】
本発明は概して、プロジェクション・ディスプレイ装置の照明システムおよび方法に関し、より詳細には、均一な光供給源を提供するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
プロジェクション・ディスプレイ装置はしばしば、光学要素と、光学要素を照らす均一な光供給源を備えている。しかし、多くの光源は、プロジェクション・ディスプレイ装置を照らすのには空間的に十分均一ではない。このような非均一光源によって生成される光の均一性を改善するのにライト・パイプが普通は使用され、それによってプロジェクション・ディスプレイ装置内に照明光学素子用の均一な光源が作り出される。ライト・パイプは一般に、（１）管が高反射内壁を有する（例えば、その内壁に高反射コーティングを有する）中空トンネルとして、または（２）中実ガラス棒が光学的に透明な媒体を有する中実部材としての２つの普通の形態の１つで構成されている。形態（２）では、ライト・パイプは中実部材内に光を入れるように、全反射（ＴＩＲ）によるものである。ライト・パイプはまた、（３）クラッド・ライト・パイプであってもよい。クラッド・ライト・パイプは、（端部を除いて）ライト・パイプを囲む材料（例えば、ガラスまたはプラスチック）の薄いコーティングまたは層を有するライト・パイプである。そのコーティングまたは層は、ライト・パイプと比べて、低い屈折率を有する。
【０００４】
ライト・パイプは、非均一光を与える光源からの光を受けるように構成された入力端部（または入力面）と、発光するように構成された出力端部（または出力面）とを有することができる。入力および出力端部は、ライト・パイプの伝導効率を良くするように反射防止コーティングを有することができる。光が入力端部から出力端部まで通過するので、ライト・パイプは光を多数の反射を通して干渉または混合することを可能にするように構成することができる。その結果、ライト・パイプの出力端部から出る光は実質的に、ライト・パイプの入力端部に入る光よりも空間的に均一とすることができる。したがって、ライト・パイプは光源によって供給される光の均一性を実質的によくすることができ、その結果、高い均一性を有する光源になる。プロジェクション・ディスプレイ装置では、ライト・パイプの出力端部は普通はマイクロディスプレイ装置にイメージ化される。マイクロディスプレイ装置はその後、視聴者が観る画面上にプロジェクション・レンズによって再びイメージ化される。
【０００５】
中実なライト・パイプを使用するいくつかの欠点は、出力面は構造的欠陥（例えば、かき傷、縁部チップ、または穴）、コーティング欠陥（例えば、変色）、または表面汚染物質（例えば、塵、油、汚れ、指紋など）を得る可能性があり、それらの全ては画面上に示される画像を変える可能性があることである。すなわち、縁部チップは、光の漏れ、「カラスの足跡」加工物、画像加工物および結合の問題を引き起こす可能性がある。また、塵は暗い領域が画面上に現れる可能性がある。例えば、塵はライト・パイプの入力および出力面の温度が高いことにより、出力面の上に集まるおよび／またはこれに融合することがある。塵は、ライト・パイプの出力面上に暗い領域を作り出し、最終的に暗い領域が画面上に現れ、それによって視聴者が観る画像の品質に悪影響を与える可能性がある。従来、ライト・パイプの入力および出力面に塵のない環境を作り出すことによって、暗い領域は最小限に抑えられてきた。しかし、この解決法は普通は不都合であり、ライト・パイプ、光学要素、およびプロジェクション・ディスプレイ装置全体周辺の装置にかなりの費用および複雑さを加える可能性がある。
【０００６】
従来のライト・パイプ解決法を使用する別の欠点は、デジタル・マイクロミラー装置（ＤＭＤ）などのマイクロディスプレイ装置（例えば、デジタル光処理（ＤＬＰ）プロジェクタに見られるようなＴｅｘａｓ ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓからのＤＭＤ）を使用した場合に、照明が間接的に行われるということである。このようなシステムでは、ＤＭＤ平面は入射照明光および照明システムの光学軸に対して傾斜している。効果的には、これはライト・パイプの出力面の画像がＤＭＤ平面に対して傾斜しており、２つの平面は共通の焦点の単一の線だけを共有しているということである。理想的な状況では、２つの平面は一致する。このような傾斜した照明システムおよび非一致焦点による望ましくない影響としては、ライトボックスに対する不鮮明な縁部、悪化した照明均一性、および効率損失が挙げられる。
【０００７】
したがって、均一な光供給源を提供するシステムおよび方法の必要性があることを理解すべきである。本発明は、この必要性およびその他のことを実現する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、中実なライト・パイプの端部における塵およびコーティング欠陥の問題をなくすシステムおよび方法を提供することである。また、本発明の目的は傾斜またはオフ−アクシス（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）・ディスプレイ装置を効率的に照明する、または傾斜した角度でディスプレイ装置を効率的に照明するシステムおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の照明システムは、マイクロディスプレイへの光源からの光学要素を含むことができる。光学要素はこれに限らないが、マイクロディスプレイ、リレー光学素子、フィルタ、プリズム、ミラー、リターダ、および分極構成要素を含むことができる。
【００１０】
本発明の一実施形態は、均一な光供給源を提供するシステムである。システムは、光源から光を受ける入力表面、および光を発する出力表面を有するライト・パイプを備える。システムはまた、光を受けるライト・パイプの出力表面に隣接して位置決めされた入口表面、および光を発する出口表面を有する光学要素を備える。ライト・パイプの出口表面は、マイクロディスプレイ装置の上にイメージ化される。
【００１１】
本発明の一実施形態は、第１の平面を画定し、光を受けるように構成された入力表面、および光を伝搬するように構成された出力表面を有するライト・パイプを備える照明システムである。照明システムはまた、ライト・パイプの出力表面に連結された入口表面、および第１の平面に実質的に平行な第２の平面を画定する出口表面を有する光学要素を備える。
【００１２】
本発明の一実施形態は、光ビームを作る光源と、光源からの光ビームを受ける入力平面を画定する入力表面、および出力平面を画定する出力表面を有するライト・パイプとを備える光学システムである。光学システムはまた、ライト・パイプの出力表面に接触する入口表面、および出力平面が出口平面に対して傾斜する、出口平面を画定する出口表面を有する光学装置を備える。したがって、出力平面は出口平面と交差する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の正確な性質と、その目的および利点は、添付の図面と合わせて以下の明細書を考慮して、すぐに明らかになるだろう。同様の参照番号は、図面全体を通して同様の部品を示す。
【００１４】
次に、本発明の好ましい実施形態に言及する。その例は、添付の図面に示されている。本発明は好ましい実施形態と合わせて説明するが、これらの実施形態は本発明の範囲を限定することを意図したものではないことを理解するものとする。これに対して、本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定された本発明の精神および範囲内に含まれ得る、代替形態、変更形態、および同等物を含むことを意図している。以下の詳細な説明では、本発明の徹底的な理解を与えるため、いくつかの特定の詳細が記載されている。しかし、本発明をこれらの特定の詳細なしで実施できることは、当業者は理解するだろう。他の例では、本発明の重要な態様を不必要に曖昧にしないように、よく知られているシステム、構成部品、方法、および手順は詳細には説明しない。分かるように、本発明の様々な実施形態を本明細書で説明し、図に示す。
【００１５】
図１Ａは、ライト・パイプ１０５、およびライト・パイプ１０５に取り付けられた、またはそれに隣接して位置決めされた板１１０を備える照明システム１００の側面図である。ライト・パイプ１０５は、光源からの光を受ける入力表面１１５と、発光する出力表面１２０とを有する。入力表面１１５は入力平面を画定する。光は、入力表面１１５でライト・パイプ１０５に入り、多数の内部反射によりライト・パイプ１０５の内側で混合し、出力表面１２０でライト・パイプ１０５から出る。ライト・パイプ１０５は、ＴＩＲを示すことができ、屈折率を有するガラス、プラスチック、または他の光学材料などの中実な光透過材料で作製することができる。ライト・パイプ１０５は、多角形（例えば、４辺多角形）、台形、平行四辺形、六角形、四角形、矩形、円筒形、楕円形、円形、または光を透過することが可能なあらゆる他の形状に形成することもできる。
【００１６】
板１１０は、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０から光を受ける入口表面１２５、および発光する出口表面１３０を有する。ライト・パイプ１０５の出力表面１２０は、マイクロディスプレイ装置の上にイメージ化される。板１１０の入口表面１２５は、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０に隣接して位置決めされており、好ましくはこれに光学接触している。出口表面１３０は、ライト・パイプ１０５を通って進む光によって画定された光学軸に実質的に垂直である出口平面を画定する。出力表面１２０は出力平面を画定する。いくつかの実施形態では、出力平面は入力平面および／または出口平面に対して傾斜していてもよいし、またはこれと平行であってもよい。いくつかの実施形態では、入力平面は出力平面および／または出口平面に対して傾斜していてもよいし、またはこれと平行であってもよい。
【００１７】
板１１０は、ＴＩＲを示すことが可能であり、屈折率を有するガラス、プラスチック、または他の光学材料などの中実な光透過材料で作製することができる。板１１０はライト・パイプ１０５と同じ材料でできていることが好ましい。一実施形態では、板１１０の屈折率は、ライト・パイプ１０５の屈折率と実質的に同じである。２つの要素の屈折率が実質的に同じであることにより、ライト・パイプ１０５と板１１０の間のインターフェイスでのフレネル反射損失が最小限に抑えられる。板１１０は、多角形（例えば、４辺多角形）、台形、平行四辺形、六角形、四角形、矩形、円筒形、楕円形、円形、または光を透過することが可能なあらゆる他の形状に形成することもできる。
【００１８】
出力表面１２０は、熱的に頑丈な光透過接着剤１３５を使用して、入口表面１２５に結合することができる。一実施形態では、結合は「光学接触」によって形成することができる。一実施形態では、Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ州、ＴｏｒｒｉｎｇｔｏｎのＤＹＭＡＸ社が製造する光透過接着剤１３５を使用して、入口表面１２５を出力表面１２０に接着または取り付けることができる。光透過接着剤１３５は、紫外線（ＵＶ）硬化光学セメントまたは熱光学セメントなどの透明な光学セメントであってもよい。普通は、光透過接着剤１３５は、出力表面１２０と入口表面１２５の間に塗布され、光または画像を遮断、破壊、または実質的に変更することなく、光または画像を光透過接着剤１３５を（すなわち、ライト・パイプ１０５から板１１０まで）通過させることが可能である薄い透明なコーティングである。光透過接着剤１３５は、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０に現れるあらゆるかき傷、縁部チップ、または穴内に充填することができる。
【００１９】
板１１０は有利には、構造的欠陥および被覆欠陥がライト・パイプ１０５の出力表面１２０上に現れないようにすることによって、視聴者が観る画像の品質を改善する。例えば、板１１０は実質的に、塵がライト・パイプ１０５の出力表面１２０上に集まらないようにする。したがって、塵はマイクロディスプレイ装置または画面の結合平面ではない、板１１０の出口表面１３０上に集まるだけである。出力表面１２０上に現れる光または画像は、マイクロディスプレイ装置または画面の上でイメージ化される。板１１０は最小厚さ（例えば、約１．０ｍｍの最小厚さ）を有するので、板１１０の出口表面１３０上に現れるあらゆる構造的欠陥および被覆欠陥は、視聴者にはほとんど見分けがつかないように、焦点外から外れている。
【００２０】
加えて、反射防止コーティングは、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０から板１１０の出口表面１３０に移動されることができ、それによって最終画像上に見える不完全な加工物の一部または全てを取り除くこともできる。したがって、板１１０により１つまたは複数の反射防止コーティング（例えば、出力表面１２０上のもの、および入口表面１２５上のもの）をなくすことが可能になる。板１１０は、ライト・パイプ１０５を正確に位置決めするように照明システム１００の機械部（図示せず）に取り付けることが可能であり、それによってライト・パイプ１０５の出力表面１２０を離れる光または画像が、マイクロディスプレイ装置または画面の上に適切にイメージ化される。これにより、ライト・パイプ１０５のＴＩＲに影響を与える、またはこれを破壊する可能性のある、機械部をライト・パイプ１０５に連結する必要がなくなる。
【００２１】
図１Ｂは、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０、および板１１０の出口表面１３０を示す、図１Ａの照明システム１００の端面図である。図１Ｂに示すように、出力表面１２０は矩形の形状であり、出口表面１３０は楕円形の形状である。出力表面１２０はライト・パイプ１０５と同じまたは異なる形状に形成することができ、出口表面１３０は板１１０と同じまたは異なる形状に形成することができる。例えば、ライト・パイプ１０５は四角形の形状に形成することができ、出力表面１２０は矩形の形状に形成することができる。また、ライト・パイプ１０５の形状は板１１０の形状と同じであってもよい。一実施形態では、出力表面１２０の表面積は、出口表面１３０の表面積より小さい。一実施形態では、出力表面１２０の周囲長さは出口表面１３０の周囲長さより短い。
【００２２】
図２Ａは、ライト・パイプ２０５、およびライト・パイプ２０５に取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされたプリズム２１０を備える照明システム２００の側面図である。プリズム２１０の特徴、特性、および機能のいくつかは、板１１０と同じまたは同様である。光を、機械的または幾何的システムの制約によって曲げる必要があり、空気中に置かれた高反射鏡などの他の方法を使用して曲げることができない、ｆ／１以下のｆ数で光ビームを急速に収束または分岐する曲げを可能にする状況で、プリズム２１０を使用することができる。したがって、プリズム２１０により光を曲げることが可能になり、さらに本発明の利点が維持される。光がプリズム２１０に入ると、出口表面２３０に向かってかつそれを通して表面２４０から反射される。表面２４０は、加えられる高反射コーティングを有することができ、またはいくつかの場合では、反射がＴＩＲによって達成される。図２Ｂは、ライト・パイプ２０５の出力表面２２０、およびプリズム２１０の表面２４０を示す、図２Ａの照明システム２００の端面図である。
【００２３】
図３Ａは、ライト・パイプ３０５、およびライト・パイプ３０５に取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされたレンズ３１０を備える照明システム３００の側面図である。レンズ３１０の特徴、特性、および機能のいくつかは、板１１０と同じまたは同様である。レンズ３１０の１つの利点は、板１１０およびリレー・レンズの光学要素の機能を組み合わせて単一の構成部品にすることである。これにより、照明システム３００内の１つまたは複数の反射防止コーティングの必要がなくなり、それによってシステム効率がよくなり、費用が少なくなる。図３Ｂは、ライト・パイプ３０５の出力表面３２０、およびレンズ３１０の出口表面３３０を示す、図３Ａの照明システム３００の端面図である。
【００２４】
図４Ａは、ライト・パイプ４０５、およびライト・パイプ４０５に取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされた楔４１０を備える照明システム４００の側面図である。例示的実施形態として図４Ａに示すように、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０は、ライト・パイプ４０５を通って進む光によって画定された光学軸に対して切られ、角度付けされ、または傾斜している。傾斜した出力表面４２０は、傾斜したまたは傾斜して照らされた画像平面の上での最適なイメージ化用の傾斜した対象平面として働くこともできる。楔４１０の入口表面４２５は、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０と実質的に同じ角度で切られ、角度付けされ、または傾斜している。すなわち、楔４１０は、楔４１０の入口表面４２５がライト・パイプ４０５の出力表面４２０と同じ角度で傾斜するように設計されている。角度は、約０度から約９０度のまでであってもよく、好ましくはＴｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｍｕｓｔａｎｇ ＨＤ−２ ＤＬＰマイクロディスプレイでは、約３度から約８度である。出力表面４２０が傾斜しない場合、入口表面４２５は同様にかつ実質的には傾斜しない。ライト・パイプ４０５は楔４１０に結合されることができる。
【００２５】
楔４１０の出口表面４３０は傾斜していなくてもよく、ライト・パイプ４０５を通って進む光の光学軸に実質的に垂直なままであってもよい。すなわち、入力表面４１５は第１の平面を画定し、出口表面４３０が第２の平面を画定し、第１の平面は第２の平面に実質的に平行である。出口表面４３０は反射防止コーティングまたは材料で覆うこともできる。楔４１０の特徴、特性、および機能のいくつかは、板１１０と同様である。ライト・パイプ４０５の出力表面４２０は、マイクロディスプレイの上でイメージ化される。傾斜した出力表面４２０により、画面をマイクロディスプレイの平面に一致させることが可能である。楔４１０の１つの利点は、照明システム４００内でシャインプルーク（Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ）補正を行うことである。図４Ｂは、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０、および楔４１０の出口表面４３０を示す、図４Ａの照明システムの端面図である。図４Ｂに示すように、出力表面４２０は多角形形状をしており、それによって有利には、マイクロディスプレイ平面での最適な照明が可能になる。
【００２６】
光損失を少なくするように、入力表面４１５を反射防止コーティングで被覆することができる。したがって、光はＴＩＲによってライト・パイプ４０５を下って進むように制限され、このようなＴＩＲにより、混合または均質化される、あるいは入力表面４１５でライト・パイプ４０５に入る光よりも実質的により空間的に均一になる。したがって、その切られた出力表面４２０でライト・パイプ４０５を離れる光は発光がより均一である。出力表面４２０は多角形形状をしている。一実施形態では、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０は被覆されていなくてもよい。一実施形態では、ライト・パイプ４０５の断面は、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０の画像をマイクロディスプレイ装置の側面と平行にするように、ある角度で傾斜した１つまたは複数の辺を有する多角形の形状に構成されている。傾斜した出力表面４２０は有利には、ＴＩＲプリズムを使用しても、使用しなくても、ＤＬＰプロジェクタで見られるものなどの、傾斜画像平面の上で画像をイメージ化するための最適かつ改善された条件を提供する。
【００２７】
図５Ａは、ライト・パイプ５０５、およびライト・パイプ５０５に取り付けられ、またはこれに隣接して位置決めされた楔形レンズ５１０を備える照明システム５００の側面図である。一実施形態では、光学パワーを有する要素（例えば、プリズム２１０、レンズ３１０、または楔形レンズ５１０）を、光学パワーがない要素（例えば、板１１０）を使用する代替形態として、ライト・パイプ５０５の出力表面５２０に隣接して、またはこれに接触するように位置決めすることができる。パワーのある要素を出力表面５２０に隣接して、またはこれに接触するように位置決めすることにより、ライト・パイプ５０５は有利には、板１１０、レンズ３１０、および楔４１０の利点を組み合わせて単一の構成部品とし、照明光学リレーを単純化および／または短縮することが可能になり、また画像品質を良くすることができる。当業者は、板１１０、プリズム２１０、レンズ３１０、楔４１０、および楔形レンズ５１０の１つまたは複数を組み合わせることができる。図５Ｂは、ライト・パイプ５０５の出力表面５２０、および楔形レンズ５１０の出口表面５３０を示す、図５Ａの照明システム５００の端面図である。
【００２８】
図６は、この開示で説明するような、本発明のライト・パイプおよび光学要素の何れかで使用できる、例示的な照明システム６００を示す。照明システム６００は、光源６０５からプロジェクション画面６４０への要素を備えることができる。要素としてはこれに限らないが、光源６０５、ライト・パイプ４０５、楔４１０、リレー・レンズ６１０、６２０、光学止め６１５、プリズム６２５（例えば、ＴＩＲプリズム）、マイクロディスプレイ平面を画定するマイクロディスプレイ６３０（例えば、ＤＭＤ）、プロジェクションレンズ６３５、およびプロジェクション画面６４０を挙げることができる。光学リレー、フィルタ、ミラー、リターダ、および分極構成要素などの他の要素も、照明システム６００内で使用できる。
【００２９】
図７Ａは、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０の断面図である。図示するように、出力表面１２０は矩形の形状をしている。図７Ｂは、ライト・パイプ１０５の出力表面１２０が矩形の形状をしている場合のマイクロディスプレイ平面７００での照明領域７１０の形状と、マイクロディスプレイ６３０の動的領域７０５とを示す。マイクロディスプレイ６３０の動的領域７０５は全体的に矩形の形状をしている。出力表面１２０が矩形である場合、マイクロディスプレイ平面７００上に現れる画像７１０は不規則な形状をしており、画像７１０の外部は焦点外である。マイクロディスプレイ６３０の斜め照明によって、不規則な形状および焦点の問題が起こる。したがって、画像の動的（すなわち、焦点）部７０５の光度が、画像７１０の外部で損失した光により小さくなる。
【００３０】
図８Ａは、ライト・パイプ５０５の出力表面５２０の断面図である。図示するように、出力表面５２０は角度付けされており、矩形の形状をしている。図８Ｂは、ライト・パイプ５０５の出力表面５２０が角度付けされ、矩形の形状をしている場合の、マイクロディスプレイ平面８００での照明領域８１０の形状と、マイクロディスプレイ６３０の動的領域８０５とを示す。マイクロディスプレイ６３０の動的領域８０５は全体的に矩形の形状をしている。出力表面５２０が角度付けされている場合、マイクロディスプレイ平面８００上に現れる画像８１０は不規則な形状をしているが、実質的には焦点内にある。角度付けされた出力表面５２０は有利には、マイクロディスプレイ平面８００上に画像８１０のオーバーフィル（ｏｖｅｒｆｉｌｌ）をあまり提供しない。したがって、焦点部から外れていることによりあまり光が失われず、それによって画像がより大きなコントラストを有することになる。
【００３１】
図９Ａは、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０の断面図である。図示するように、出力表面４２０は角度付けされており、多角形の形状をしている。図９Ｂは、ライト・パイプ４０５の出力表面４２０が角度付けされ、多角形の形状をしている場合の、マイクロディスプレイ平面９００での照明領域９１０の形状と、マイクロディスプレイ６３０の動的領域９０５とを示す。マイクロディスプレイ６３０の動的領域９０５は全体的に矩形の形状をしている。出力表面４２０が角度付けされ、多角形の断面をしている場合、マイクロディスプレイ平面９００上に現れる画像９１０は矩形の形状をしており、画像は実質的に焦点内にある。角度付けされた多角形の出力表面４２０は、有利にはマイクロディスプレイ平面９００上に矩形に形成された画像を提供し、画像のオーバーフィルはあまり提供しない。したがって、角度付けされた多角形の出力表面４２０のおかげで、焦点部外であることによる光があまり失われず、それによって潜在的により均一で、より効率的で、より高いコントラストの照明システムが得られる。
【００３２】
本発明のいくつかの利点としては、（１）イメージャを斜めに照明した場合のイメージ化性能の度合がより高いこと、（２）照明リレーにおける傾斜および偏心光学要素が少なくなり、設計が単純化し、費用が少なくなること、（３）塵加工物抑制、（４）反射防止コーティング表面の数が少なくなったこと、（４）板がライト・パイプを取り付けるのに適した表面であること、（５）イメージャに中継されたコーティング欠陥加工物がなくなったこと、（６）ライト・パイプから出る光がテレセントリックなままであること、（７）ＴＩＲプリズムを備えているのと、備えていない両方のＤＬＰプロジェクション・システムの適用性、および（８）ＤＬＰプロジェクション・システムのルーメン出力が大きいことが挙げられる。したがって、本発明により使用者は、傾斜したまたは斜めに照らされた画像をより効率的に照明し、同時に従来のライト・パイプによって作られた照明加工物を最小限に抑えることが可能になる。本発明は、コンピュータ・プレゼンテーションで使用される前面プロジェクション・システムにおける応用例と、ＴＩＲプリズムを備えているのと、備えていない両方のＤＬＰプロジェクタを含む新しい背面プロジェクション・モニタおよびテレビ製品で使用される応用例を有する。また、デジタル映画で使用されるような、高輝度プロジェクション・システムに対する応用例を有する。したがって、本発明は利用可能なプロジェクション・システムの品質を良くする。加えて、本発明は前面および背面プロジェクション応用例用のＤＬＰおよび他の斜めに照らされたマイクロディスプレイにテレセントリックで均一な光供給源を提供する。本発明はまた、照明光学素子を軸上にあるままにすることを可能にすることによって、照明リレー・オプトメカニカル設計を単純化する。傾斜または軸外照明要素の数を最小限に抑えながら、傾斜画像で使用するのに最適であるライト・パイプ設計は、よりルーメン効率が良いだけでなく、照明光学素子の費用を少なくする。他の利点は当業者には自明であろう。
【００３３】
本発明の例示的実施形態をよく示し、説明したが、上記パラグラフに記載したものに加えて、多くの他の変更、組み合わせ、省略、変形、および置換を、必ずしも本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者は行うことができる。したがって、本発明は好ましい実施形態によって制限されるものではなく、添付の特許請求の範囲の言及によって規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプ、およびライト・パイプに取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされた平面を備える照明システムの側面図である。 図１Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面、および平面の出口表面を示す、図１Ａの照明システムの端面図である。
【図２】図２Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプ、およびライト・パイプに取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされたプリズムを備える照明システムの側面図である。 図２Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面、およびプリズムの表面を示す、図２Ａの照明システムの端面図である。
【図３】図３Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプ、およびライト・パイプに取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされたレンズを備える照明システムの側面図である。 図３Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面、およびレンズの出口表面を示す、図３Ａの照明システムの端面図である。
【図４】図４Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプ、およびライト・パイプに取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされた楔を備える照明システムの側面図である。 図４Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面、および楔の出口表面を示す、図４Ａの照明システムの端面図である。
【図５】図５Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプ、およびライト・パイプに取り付けられた、またはこれに隣接して位置決めされた楔形レンズを備える照明システムの側面図である。 図５Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面、および楔形レンズの出口表面を示す、図５Ａの照明システムの端面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態による、ライト・パイプおよび光学要素のどれと共にでも使用され得る例示的な照明システムを示す図である。
【図７】図７Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面の断面図である。 図７Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面が矩形の形状をしている場合の、マイクロディスプレイ平面の照明領域の形状と、マイクロディスプレイの動的領域を示す図である。
【図８】図８Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの角度付けされた出力表面の断面図である。 図８Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面が角度付けされ、矩形の形状を有する場合の、マイクロディスプレイ平面の照明領域の形状と、マイクロディスプレイの動的領域を示す図である。
【図９】図９Ａは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの角度付けされた多角形出力表面の断面図である。 図９Ｂは、本発明の実施形態による、ライト・パイプの出力表面が角度付けされ、多角形形状を有する場合の、マイクロディスプレイ平面の照明領域の形状と、マイクロディスプレイの動的領域を示す図である。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を受ける入力表面、および前記光を発する出力表面を有するライト・パイプと、
前記光を受けるために前記ライト・パイプの前記出力表面に隣接して位置決めされた入口表面、および前記光を発する出口表面を有する光学要素とを備える、均一な光供給源を提供するシステム。
【請求項２】
前記ライト・パイプは第１の屈折率を有し、前記光学要素は前記第１の屈折率と実質的に同じ第２の屈折率を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ライト・パイプの前記出力表面は、前記光学要素の前記入口表面と接触している、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記出口表面は、前記ライト・パイプを通して進む前記光によって画定された光学軸に実質的に垂直である平面を画定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記光学要素は、板、プリズム、レンズ、楔、および楔形レンズからなる群から選択された、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記出口表面はダイクロイック・フィルタ・コーティングを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記出口表面は分極化材料を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記光学要素の前記出口表面は、反射防止コーティングを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記出力表面は第１の表面積を有し、前記出口表面は前記第１の表面積より大きい第２の表面積を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記出力表面は第１の周囲長さを有し、前記出口表面は前記第１の周囲長さより大きな第２の周囲長さを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
第１の平面を画定し、光を受けるように構成された入力表面、および前記光を伝搬するように構成された出力表面を有するライト・パイプと、
前記ライト・パイプの前記出力表面に連結された入口表面、および前記第１の平面に実質的に平行な第２の平面を画定する出口表面を有する光学要素とを備える照明システム。
【請求項１２】
前記光学要素は、板、プリズム、レンズ、楔、および楔形レンズからなる群から選択された、請求項１１に記載の照明システム。
【請求項１３】
前記ライト・パイプの前記出力表面は、前記ライト・パイプによって画定された軸に対して第１の角度をした平面を画定する、請求項１１に記載の照明システム。
【請求項１４】
前記入口表面は、前記第１の角度と実質的に同じである第２の角度をした平面を画定する、請求項１３に記載の照明システム。
【請求項１５】
前記ライト・パイプの前記出力表面は、前記ライト・パイプを通って進む前記光によって画定された軸に対して第１の角度をした平面を画定する、請求項１１に記載の照明システム。
【請求項１６】
前記入口表面は、前記第１の角度と実質的に同じである第２の角度をした平面を画定する、請求項１５に記載の照明システム。
【請求項１７】
前記光学要素の前記入口表面は、光透過接着剤を使用して、前記ライト・パイプの前記出力表面に連結される、請求項１１に記載の照明システム。
【請求項１８】
前記光学要素は光学パワーを有する、請求項１１に記載の照明システム。
【請求項１９】
光ビームを作る光源と、
前記光源からの前記光ビームを受ける入力平面を画定する入力表面、および出力平面を画定する出力表面を有するライト・パイプと、
前記ライト・パイプの前記出力表面に接触する入口表面、および前記出力平面が出口平面に対して傾斜している前記出口平面を画定する出口表面を有する光学装置とを備える光学システム。
【請求項２０】
さらに、前記出力平面に結合したディスプレイ平面を画定するマイクロディスプレイ装置を備える、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２１】
さらに、前記光学装置と前記マイクロディスプレイ装置の間に光学的に位置決めされた光学リレーを備える、請求項２０に記載の光学システム。
【請求項２２】
前記出力表面は多角形の形状をしており、それによって前記マイクロディスプレイ装置上に現れる前記出力表面の画像は実質的に矩形の形状をしている、請求項２０に記載の光学システム。
【請求項２３】
前記光学装置は、板、プリズム、レンズ、楔、および楔形レンズからなる群から選択された、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２４】
さらに、前記マイクロディスプレイ装置に隣接して位置決めされたプリズムを備える、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２５】
前記プリズムは全反射プリズムである、請求項２３に記載の光学システム。
【請求項２６】
前記入力平面は前記出口平面に実質的に平行である、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項１】
光源からの光を受ける入力表面、および前記光を発する出力表面を有するライト・パイプと、
前記光を受けるために前記ライト・パイプの前記出力表面に隣接して位置決めされた入口表面、および前記光を発する出口表面を有する光学要素とを備える、均一な光供給源を提供するシステム。
【請求項２】
前記ライト・パイプは第１の屈折率を有し、前記光学要素は前記第１の屈折率と実質的に同じ第２の屈折率を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ライト・パイプの前記出力表面は、前記光学要素の前記入口表面と接触している、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記出口表面は、前記ライト・パイプを通して進む前記光によって画定された光学軸に実質的に垂直である平面を画定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記光学要素は、板、プリズム、レンズ、楔、および楔形レンズからなる群から選択された、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記出口表面はダイクロイック・フィルタ・コーティングを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記出口表面は分極化材料を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記光学要素の前記出口表面は、反射防止コーティングを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記出力表面は第１の表面積を有し、前記出口表面は前記第１の表面積より大きい第２の表面積を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記出力表面は第１の周囲長さを有し、前記出口表面は前記第１の周囲長さより大きな第２の周囲長さを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
第１の平面を画定し、光を受けるように構成された入力表面、および前記光を伝搬するように構成された出力表面を有するライト・パイプと、
前記ライト・パイプの前記出力表面に連結された入口表面、および前記第１の平面に実質的に平行な第２の平面を画定する出口表面を有する光学要素とを備える照明システム。
【請求項１２】
前記光学要素は、板、プリズム、レンズ、楔、および楔形レンズからなる群から選択された、請求項１１に記載の照明システム。
【請求項１３】
前記ライト・パイプの前記出力表面は、前記ライト・パイプによって画定された軸に対して第１の角度をした平面を画定する、請求項１１に記載の照明システム。
【請求項１４】
前記入口表面は、前記第１の角度と実質的に同じである第２の角度をした平面を画定する、請求項１３に記載の照明システム。
【請求項１５】
前記ライト・パイプの前記出力表面は、前記ライト・パイプを通って進む前記光によって画定された軸に対して第１の角度をした平面を画定する、請求項１１に記載の照明システム。
【請求項１６】
前記入口表面は、前記第１の角度と実質的に同じである第２の角度をした平面を画定する、請求項１５に記載の照明システム。
【請求項１７】
前記光学要素の前記入口表面は、光透過接着剤を使用して、前記ライト・パイプの前記出力表面に連結される、請求項１１に記載の照明システム。
【請求項１８】
前記光学要素は光学パワーを有する、請求項１１に記載の照明システム。
【請求項１９】
光ビームを作る光源と、
前記光源からの前記光ビームを受ける入力平面を画定する入力表面、および出力平面を画定する出力表面を有するライト・パイプと、
前記ライト・パイプの前記出力表面に接触する入口表面、および前記出力平面が出口平面に対して傾斜している前記出口平面を画定する出口表面を有する光学装置とを備える光学システム。
【請求項２０】
さらに、前記出力平面に結合したディスプレイ平面を画定するマイクロディスプレイ装置を備える、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２１】
さらに、前記光学装置と前記マイクロディスプレイ装置の間に光学的に位置決めされた光学リレーを備える、請求項２０に記載の光学システム。
【請求項２２】
前記出力表面は多角形の形状をしており、それによって前記マイクロディスプレイ装置上に現れる前記出力表面の画像は実質的に矩形の形状をしている、請求項２０に記載の光学システム。
【請求項２３】
前記光学装置は、板、プリズム、レンズ、楔、および楔形レンズからなる群から選択された、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２４】
さらに、前記マイクロディスプレイ装置に隣接して位置決めされたプリズムを備える、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２５】
前記プリズムは全反射プリズムである、請求項２３に記載の光学システム。
【請求項２６】
前記入力平面は前記出口平面に実質的に平行である、請求項１９に記載の光学システム。
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【公表番号】特表２００７−５０２４５３（Ｐ２００７−５０２４５３Ａ）
【公表日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３３２００（Ｐ２００６−５３３２００）
【出願日】平成１６年５月１９日（２００４．５．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１５６０８
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０６９８０
【国際公開日】平成１６年１２月９日（２００４．１２．９）
【出願人】（５０２１５１８２０）ジェイディーエス ユニフェイズ コーポレーション (90)
【氏名又は名称原語表記】ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】１７６８ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｐａｒｋｗａｙ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡ，９５１３１
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年５月１９日（２００４．５．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１５６０８
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０６９８０
【国際公開日】平成１６年１２月９日（２００４．１２．９）
【出願人】（５０２１５１８２０）ジェイディーエス ユニフェイズ コーポレーション (90)
【氏名又は名称原語表記】ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】１７６８ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｐａｒｋｗａｙ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡ，９５１３１
【Ｆターム（参考）】
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