JP2005502913A - 投射システム用の効率的なアークランプ照明装置 - Google Patents

Abstract

投射システム用のアークランプ照明装置は、アークの像を横方向へ広げるための一つ以上の偏光変換プリズムを含む。一対又は三重の投射レンズを、元々のアークの像をさらに横方向へ広げるための別々の偏光変換プリズムへ別々の経路に沿ってアークの像を方向付けるために、ミラー及び視野レンズと共に使用することができる。二経路の実施形態の小型な配置を、一対のアークの像の大きさに作られた入力口、共通の経路に沿ってアークの像を方向付けるための一対のＴＩＲプリズム、及び偏光変換システムへアークの像を導くための長方形のライトガイドを含む複合のライトガイドの使用によって、可能とすることができる。

Description

【０００１】
この発明は、アークランプ照明装置に関する。
【０００２】
単一のパネルをスクロールするカラー投射表示システムは、個々の画素又はピクセルのラスターを有する液晶表示（ＬＣＤ）パネルのような単一の光変調器のパネルによって特徴付けられ、そのパネルは、水平に延長された赤、緑、及び青の照明バー又はストリップによって照明される。ストリップは、そのときの入射のストライプの色に対応する表示情報でピクセルの行をアドレス指定すると同時に、パネルを横切って垂直に連続的にスクロールされる。例えば、１９９４年３月２５日にＰ．Ｊａｎｓｓｅｎへ発行された米国特許第５，４１０，３７０号の“Ｓｉｎｇｌｅ ｐａｎｅｌ ｃｏｌｏｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｖｉｄｅｏ ｄｉｓｐｌａｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ”及び１９９５年５月１６日にＰ．Ｊａｎｓｓｅｎ等へ発行された米国特許第５，４１６，５１４号の“Ｓｉｎｇｌｅ ｐａｎｅｌ ｃｏｌｏｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｖｉｄｅｏ ｄｉｓｐｌａｙ ｈａｖｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ ｆｏｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｒｅａｄｉｎｇ／ｗｒｉｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｖａｌｖｅ”を参照すること。
【０００３】
三つのパネルの液晶表示（ＬＣＤ）投射器で通常使用される照明装置は、投射システムに必要とされる強度の水準を提供するために、高い強度のアークランプを利用する。このような照明装置は、ライトバルブ上で、よって、またスクリーン上でアークランプからの光を均質にするための小レンズアレイを利用する。米国特許第５，９８６，８０９号は、源のビームを、収束する位置で収束する複数の中間のビームに分離し、中間のビームを集光させ、中間のビームの各々をＳ偏光したビーム及びＰ偏光したビームに空間的に分離し、そして偏光したビームを重ね合わせることによって、照明の均一性を改善する照明装置を記載している。
【０００４】
このような照明装置は、確かに均一な照明を達成するが、角度空間を最良の可能な方法で利用しない。少ない角度の範囲を有する、スクロールするカラーシステムについては、これは、理論的に可能であるよりも低い輝度をもたらす。
【０００５】
本発明の目的は、より高い輝度を提供する、開始の段落で述べたタイプのアークランプ照明装置を提供することである。
【０００６】
この目的を達成するために、本発明と一致するアークランプ照明装置は、請求項１に記載される。
【０００７】
投射システム用のアークランプ照明装置は、一つ以上の一次及び二次のアークの像を生成する、アークの像を横方向に広げるための一つ以上の偏光変換システムを含む。単一のパネルをスクロールするカラー投射システムについては、スクロールするストライプの幾何学的配置に近い、延長されたアークの像を形成するために、間に差し挟むことを可能にするために、一次及び二次の像に間隔を空ける。
【０００８】
一つの実施形態において、アークランプ照明装置は、第一及び第二の経路に沿ってアークの像を投射するための一対の投射レンズを有する。各々の経路について、照明装置は、偏光変換システム、投射されたアークの像を偏光変換システムの中に方向付けるための視野レンズ、及び投射されたアークの像を視野レンズへ方向付けるための平面ミラーを含む。
【０００９】
投射レンズは、横方向の平面においていずれかの経路に沿ってアークの像を投射してもよく、その場合には平面ミラーは、投射された像を視野レンズへ反射するために、横方向の平面に対して垂直である。
【００１０】
代わりに、投射レンズは、横方向の平面の上下の経路に沿ってアークの像を投射し、平面ミラーは、それぞれ、投射された像を視野レンズへ反射するために、横方向の平面に平行であり、横方向の平面の上下にある。
【００１１】
別の実施形態において、アークランプ照明装置は、三つの異なる経路、中央の経路及び二つの外側の経路に沿ってアークの像を投射するための三つの投射レンズを有する。各々の経路について、照明装置は、偏光変換システム及び投射されたアークの像を偏光変換システムの中へ方向付けるための小さいミラーを含む。二つの外側の経路について、大きいミラーは、投射されたアークの像を小さいミラーへ方向付けるために提供される。
【００１２】
回転器デバイスが、典型的には、四分の一波長板であると同時に、偏光変換システムは、典型的には、偏光変換プリズムとして具体化される。
【００１３】
先行技術と比較して、この照明装置は、単一のパネルをスクロールするカラーシステムのような、少ない角度の範囲を有するシステムに関する輝度を最大にすると同時に、より長いアークランプの使用を可能とし、照明の均一性を提供する。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、より高い輝度を提供する、開始の段落で述べたタイプのアークランプ照明装置を含む、投射システムを提供することである。
【００１５】
この目的を達成するために、本発明と一致する投射システムは、請求項９に記載される。
【００１６】
本発明のこれらの及び他の態様は、以後に記載した実施形態から明らかであると共に、それら実施形態を参照して説明されることになる。
【００１７】
図は、概略であり、一定の割合で作成するように描かれておらず、一般的に、同様の符号は、同様の部品を参照する。
【００１８】
今、投射システムについての先行技術のアークランプ照明装置の、それぞれ、軸方向及び横方向の図、図１Ａ及び図１Ｂを参照して、アークランプ１０の延長されたアーク１２の像を、集光レンズ１４によって像平面Ｉへ投射する。アーク１２の方向付けは、それぞれ、軸方向及び横方向の平面によって定義され、それら平面の各々は、集光レンズ１４の光軸Ｏを通過する。アークランプは、アーク１２が、軸方向の平面に横断すると共に横方向の平面内にあるように、位置決めされる。図１Ａの軸方向の図において、断面Ａ−Ａ’に沿って見た、アークの像１６は、垂直に向けられた像平面上に現れ、図１Ｂの横方向の図において、断面Ｂ−Ｂ’に沿って見た、アークの像１８は、水平に向けられる。本発明と一致して、照明のストライプの形状に近い像を、偏光変換光学部品を使用して、アークの像１８から築くことができる。
【００１９】
図１Ｃ、また横方向の図は、像平面Ｉにおいて偏光変換デバイス２０を光学経路中へ挿入することのアークの像における効果を示す。アークの像１８は、ＰＣＤ２０によって一次（Ｐ）及び二次（Ｓ）のアークの像３２及び３４へ効果的に分割される。ＰＣＤ２０は、各々がそれぞれ一対のプリズム（２３、２５）及び（２６、２８）によって境界付けられた内部の方向性を持つ偏光子（２７、３０）を含む、二つの複合プリズム２２及び２４で構成された既知のタイプのものである。動作中に、集光レンズ１４からの偏光してない光は、プリズム２６に入る。光の一部分は、偏光子３０によってＰ偏光した光に変換される。このＰの光は、光の残りが、二次のアークの像３４を形成するために偏光子３０によってＳ偏光した光に変換され、それぞれ偏光子３０及び２７によって反射され、プリズム２５を通過すると同時に、一次のアークの像３２を形成するためにプリズム２８を通過する。一次の像の経路中に挿入された二分の一波長板３１は、その光をＰからＳへ変換する。
【００２０】
ＰＣＤ２０は、平面の偏光子２７及び３０が、横方向の平面に垂直であるように、向けられ、それによって延長されたアークの像は、その縦方向の軸に沿って横方向に分割されて、元々のアークの像の長さよりも大きい距離についてアークの軸に沿って延長される、延長された照明ビームに帰着する。一次及び二次のアークの像を完全に分離するために、図１Ｃにおける偏光子２７及び３０に間隔を空ける。代わりに、一次及び二次のアークの像を、結果として生じる照明ビームの照明の均一性を高めるために、部分的に重ね合わせてもよい。これを、互いにより近く偏光子２７及び３０に間隔を空けることによってか、又は、一次及び二次のアークの像の光線を部分的に収束するための一つ以上の補助レンズ素子の使用によってか、いずれかで成し遂げることができる。当然、その結果は、入力像が、プリズムの境界によって形成された開口にもはや適合しなと共にいくらかの光が失われることになるであろう。
【００２１】
図２、本発明の二つのレンズのアークランプ照明装置の横方向の図は、アークの像からストライプを築く本発明の原理のさらなる拡張を説明する。集光レンズ３６及び３８は、アークの像の経路を、中央の軸Ｃから離れて横方向に方向付けられた二つの経路に分割する。この配置は、像平面における四つのアークの像（５６、５８、６０、６２）の合計を形成するために、一対のＰＣＤ４４及び５０の使用を可能とする。この実施形態における集光レンズ３６及び３８の相対的に大きい大きさ及び像平面への近い近接によれば、平面ミラー３９及び４１は、中央の軸Ｃへ向かってそれぞれ視野レンズ４０及び４２へ、よってＰＣＤ４４及び５０へ発散する像の経路を反射し返すために、用いられる。
【００２２】
ＰＣＤ４４及び５０は、図１Ｃに示すＰＣＤ２０と異なる。二つの複合のプリズムの代わりに、ＰＣＤ４４及び５０は、複合のプリズム（４６、５２）及び内部全反射（ＴＩＲ）面（４８、５４）を備えた別のプリズム（４７、５３）で構成される。複合のプリズム４６及び５２からの光は、像平面Ｉで光の出力を均質化する、ＴＩＲ面４８及び５４によって横方向に制限される。二分の一波長板５５及び５７は、図１Ｃにおける二分の一波長板３１の場合におけるように、既存のＰ成分を９０度回転させ、それらをＳ成分に変換する。本発明における使用に適切な、このようなＰＣＤの一つの模範的な実施形態は、米国特許第５，８９６，８０９号に記載されている。
【００２３】
照明装置について想像される特定の適用に依存して、集光レンズが、像の経路を直接視野レンズへ、又はミラー及び／又は視野レンズを不必要にして直接ＰＣＤへさえ、向ける他の光学部品の設計は、可能である。このような設計は、もちろん、本発明の広い範囲内における許容可能な変形である。
【００２４】
図２の二つの経路の実施形態の変形を、集光レンズ６４及び６５を、中央の軸Ｃから軸方向及び横方向の両方に片寄らせる、図３Ａ及び３Ｂにおいて説明する。平面ミラー６６及び６７は、軸方向の平面に横断して、横方向の平面に平行に、位置決めされて、中央の軸Ｃへ向かって及び視野レンズ６８及び７０へ集光レンズ６４及び６５から軸方向に発散する光線を反射し返し、次には、図２に示すＰＣＤ４４及び５０並びに二分の一波長板５５及び５７に構造及び動作において類似である、ＰＣＤ７２及び７３の中へ、よって二分の一波長板７４及び７５へ光線を方向付ける。
【００２５】
断面図Ｂ−Ｂ’及びＣ−Ｃ’は、それぞれ、ＰＣＤによって分割する前後における光の分布の投射された図を示す。断面Ｂ−Ｂ’における延長されたアークの像８３及び８４を、長方形の光のガイドを生成させるプリズムのＴＩＲ面の積分する性質のおかげで、断面Ｃ−Ｃ’における長方形の形状をした像８５−８８へ変換してきた。ミラー、アーク上へ後方に再帰反射する光は、図に示されてない。
【００２６】
図４は、集光レンズ、中央のレンズ８２、及び横方向に片寄った側部のレンズ８４及び８６が、アークランプの光を三つの光学経路、中央の軸Ｃに沿った中央の経路及び中央の経路から軸方向に発散する側部の経路、に分割する、本発明の別の実施形態を説明する。大きい平面ミラーは、それらの一つ８８を示すが、前述の様式でアークの像を分割する、ＰＣＤ９２のアレイの中へこれらの多数の経路からの光線を方向付けるためにちょうど十分に間隔を空けられたミラー８９から９１へ、中央の軸に向かって即部の経路の光線を反射し返す。断面図Ａ−Ａ’に示すように、アレイ９２は、前述のＰＣＤ４４及び５０に構成及び動作において類似する、三つのＰＣＤ９３、９４、及び９６で構成される。
【００２７】
図３Ｂにおけるように、図４における断面図Ｂ−Ｂ’及びＣ−Ｃ’は、ＰＣＤによって分割する前後におけるアークの像の投射された図を示す。ちょうど図３の実施形態におけるように、アークの像１１２から１１４は、アークの像１１８から１２３に分割することに先立ち、プリズムの境界によって長方形の形状に制限される。
【００２８】
３つのミラーを、各々の軸外のビームを共通の軸へ戻すために、軸の方向において互いからわずかに片寄らせる。
【００２９】
図５は、一対のアークの像の形成についての小型な配置を説明し、その像を、既述した様式で偏光変換システムを使用して、次に分割してもよい。レンズ１２５及び１２７は、アーク１２の別々の像１３７及び１３９を形成し、折りたたみミラー１２９及び１３１は、これらの像を、複合のライトガイド１４１の対向する入力口１３３及び１３５の中に方向付ける。図のＢ−Ｂ’に説明するように、入力口１３３及び１３５の入力の開口の寸法をアークの像の大きさに調和させる。二つの口１３３及び１３５からの光ビームは、ＴＩＲプリズム１４３及び１４５によって平行な経路の中に折り曲げられ、単一の長方形のライトガイド１４７によって偏光変換システム（示してない）へさらに伝えられる。
【００３０】
図６は、本発明のアークランプ照明装置を組み込む投射システムのブロック図である。照明装置６００は、電気的な信号の入力源６２０からの表示情報と一致して光を変調する、光変調器パネル６１０へ照明を提供する。投射レンズ６３０は、示してない表示面へ、変調された光を投射する。本発明の照明装置が、任意の投射表示システムにおいて有用であると同時に、それは、単一のパネルをスクロールするカラー投射システムのような、ストライプの形状をした照明を要求する投射システムにおいて特に有用である。このようなシステムは、例えば、１９９４年３月２５日にＰ．Ｊａｎｓｓｅｎへ発行された米国特許第５，４１０，３７０号の“Ｓｉｎｇｌｅ ｐａｎｅｌ ｃｏｌｏｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｖｉｄｅｏ ｄｉｓｐｌａｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ”及び１９９５年５月１６日にＰ．Ｊａｎｓｓｅｎ等へ発行された米国特許第５，４１６，５１４号の“Ｓｉｎｇｌｅ ｐａｎｅｌ ｃｏｌｏｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｖｉｄｅｏ ｄｉｓｐｌａｙ ｈａｖｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ ｆｏｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｒｅａｄｉｎｇ／ｗｒｉｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｖａｌｖｅ”に記載されており、それらの開示は、ここでは、この記載の中に参照によって組み込まれる。
【００３１】
本発明を、必然的に、限定された数の実施形態に関して記載してきた。この記載から、他の実施形態及び実施形態の変形は、当業者に明らかになると思われ、本発明及び添付した請求項の範囲内で十分に包含されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】アークの像の投射された図を示す、投射システムについての先行技術のアークランプ照明装置の軸方向の図である。
【図１Ｂ】アークの像の投射された図を示す、投射システムについての先行技術のアークランプ照明装置の横方向の図である。
【図１Ｃ】一次及び二次のアークの像の投射された図を示す、本発明のアークランプ照明装置の横方向の図である。
【図２】二つの一次の及び二つの二次のアークの像の投射された図を示す、本発明の二つのレンズのアークランプ照明装置の横方向の図である。
【図３Ａ】本発明の別の二つのレンズのアークランプ照明装置の軸方向の図である。
【図３Ｂ】本発明の別の二つのレンズのアークランプ照明装置の横方向の図であり、異なる平面における光の分布の投射された図を示す。
【図４】異なる平面における光の分布の投射された図を示す、本発明の三つのレンズのアークランプ照明装置の軸方向の図である。
【図５】本発明の二つのレンズのアークランプ照明装置についての複合のライトガイドを含む小型な光収集配置の軸方向の図である。
【図６】本発明のアークランプ照明装置を組み込む投射システムのブロック図である。

Claims (9)

1. 横方向の平面に存在する軸を有する延長されたアークを囲むエンベロープを有するアークランプ、
   前記アークの像を投射する少なくとも一つの投射レンズ、
   前記横方向の平面において前記軸に沿って前記投射されたアークの像を一次及び二次のアークの像に分割する少なくとも一つの偏光変換システム、並びに
   前記一次又は二次のアークの像のいずれかの偏光の方向を、他のアークの像の偏光の方向に対応するように、変換する回転器デバイス
   を有する投射システム用のアークランプ照明装置。
2. 第一及び第二の経路に沿って前記アークの像を投射する第一及び第二の投射レンズ、
   各々の経路について、
   偏光変換システム、
   前記投射されたアークの像を前記偏光変換システムに方向付ける視野レンズ、並びに
   前記投射されたアークの像を前記視野レンズへ方向付ける平面ミラー
   を有する請求項１記載のアークランプ照明装置。
3. 前記第一及び第二の投射レンズは、前記横方向の平面において第一及び第二の経路に沿って前記アークの像を投射し、
   前記第一及び第二の経路についての前記平面ミラーは、それぞれ前記第一及び第二の投射レンズから前記投射された像を反射させるように、前記横方向の平面に垂直である請求項２記載のアークランプ照明装置。
4. 前記第一及び第二の投射レンズは、前記横方向の平面の上下において第一及び第二の経路に沿って前記アークの像を投射し、
   前記第一及び第二の経路についての前記平面ミラーは、それぞれ前記第一及び第二の投射レンズから前記投射された像を反射させるように、それぞれ、前記横方向の平面に平行であると共に前記横方向の平面の上下にある請求項２記載のアークランプ照明装置。
5. 第一、第二、及び第三の経路に沿って前記アークの像を投射する第一、第二、及び第三の投射レンズ、
   各々の経路について、
   偏光変換システム、
   前記投射されたアークの像を前記偏光変換システムに方向付ける小さいミラー、
   前記第一及び第三の経路について、
   前記投射されたアークの像を前記小さいミラーに方向付ける大きいミラー
   を有する請求項１記載のアークランプ照明装置。
6. 前記偏光変換システムは、偏光変換プリズムである請求項１記載のアークランプ照明装置。
7. 前記回転器デバイスは、二分の一波長板である請求項１記載のアークランプ照明装置。
8. 発散する第一及び第二の経路に沿って前記アークの像を投射する第一及び第二の投射レンズ、
   収束する経路に沿って前記投射されたアークの像を方向付ける第一及び第二のミラー、
   前記収束するアークの像を遮断するように位置決めされた複合のライトガイドを有し、
   前記複合のライトガイドは、前記アークの像を入力する一対の対向する入力口、共通の経路に沿って前記アークの像を方向付ける一対のＴＩＲプリズム、及び前記アークの像を前記偏光変換システムに導く長方形のライトガイドを有する請求項１記載のアークランプ照明装置。
9. 電気信号と一致して光の像を変調する光変調器パネル、
   前記変調された像を表示画面へ投射するレンズ、及び
   前記光変調器パネルを照明するアークランプ照明装置
   を有し、
   前記照明装置は、
   横方向の平面に存在する軸を有する延長されたアークを囲むエンベロープを有するアークランプ、
   前記アークの像を投射する少なくとも一つの投射レンズ、
   前記横方向の平面において前記軸に沿って前記投射されたアークの像を一次及び二次のアークの像に分割する少なくとも一つの偏光変換システム、
   前記一次又は二次のアークの像のいずれかの偏光の方向を、他のアークの像の偏光の方向に対応するように、変換する回転器デバイス
   を有する投射システム。