JP6896183B2

JP6896183B2 - 投光用の照明システム

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Inventors: シボキン，ヴィクター
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Description

本発明による実施形態の1つ以上の態様は、照明源に関し、より詳細には、デジタルマイクロミラーデバイスへ光を送達するための光学システムに関する。

デジタルマイクロミラーデバイス（DMD）は、個々に電子的にアドレス指定することができる微小なマイクロミラーのアレイで構成されるマイクロ電気機械デバイスである。デジタルマイクロミラーデバイスは、投射システム（例えば、画像又はビデオを投影するため）において使用することができる。投射システムの照明システムは、光源と、光送達システムとを含んで良い。光源は、その出力平面において矩形の光源領域を有する光パイプであり、照射が実質的に一定である光パイプを含む。光送達システムは、光をデジタルマイクロミラーデバイスに伝搬しデジタルマイクロミラーデバイスの表面を実質的に均一に照明できる。矩形の光源領域のアスペクト比は、デジタルマイクロミラーデバイスのアスペクト比と同一にすることができる。

マイクロミラーが作動される方法のために、デジタルマイクロミラーデバイスは、光源からの主光線に対してある角度で設置されてもよく、さらに、プリズムの第１の表面に設置されてもよい。プリズム内では、光源からデジタルマイクロミラーデバイスへと進む光は、プリズムの第２の表面から、全反射され、デジタルマイクロミラーデバイスへ向けられる。

デジタルマイクロミラーデバイスと主光線との間の角度の効果、及びプリズムのウェッジは、システムに、光学システムの性能の劣化をもたらす可能性のある非対称性を導入する。性能劣化は、例えば、（i）矩形ではない歪んだ照明パッチ、及び（ii）照明パッチのエッジにおける鮮鋭度の損失をもたらす可能性のある不完全な焦点を生成する。そのような欠陥は、光学的効率の損失をもたらすことがある。例えば、いくつかの関連技術のシステムでは、光送達システムは、ただデジタルマイクロミラーデバイスの製造及びアセンブリの公差により必要とされるよりもかなり大きくデジタルマイクロミラーデバイスを過剰に満たす過大なサイズの照明パッチを生成するように設計することができる。それにより、照明パッチの不完全な矩形性又はそのエッジでのぼけにもかかわらず、デジタルマイクロミラーデバイスに亘る照明の均一性が許容され、上記不完全性によって影響される領域は、デジタルマイクロミラーデバイスのエッジから外れる。

従って、デジタルマイクロミラーデバイスの照明システムで使用するための改良された光送達システムが必要とされている。

本開示の実施形態の態様は、光源からデジタルマイクロミラーデバイスへと光を送達するためのシステムに向けられる。システムは、１つ以上のレンズグループを含む。第１のレンズグループ内の少なくとも１つのレンズが、その光軸がシステムの主光線に同心しないように、横方向に変位される。

本発明の一実施形態によれば、光源の出力平面の光源領域から光を受け取り、空間変調した光を生成するための、主光線を有する光学システム（Fig.1）が提供される。前記光学システムは、第１の複数のレンズを含む第１のレンズグループ（グループ１）と；１つ以上のレンズを含む第２のレンズグループ（グループ２）と；を含み、前記第１のレンズグループの第１のレンズ(112)が：回転対称の前面と；回転対称の後面と；有効焦点距離と；前記回転対称の前面及び前記回転対称の後面によって定義される光軸と；を有し、前記前面と前記後面との間の前記光軸の部分の中間点が、前記第１のレンズの有効焦点距離の少なくとも５％だけ前記主光線からオフセットされている。

一実施形態では、前記第１のレンズグループは：第１のレンズサブグループ（グループ１a）と；第２のレンズサブグループ（グループ１ｂ）と；を含み、前記第１のレンズサブグループは、前記第１のレンズ(112)及び第２のレンズ(111)を含み、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズは、2mm未満だけ軸方向に離間されており、前記第２のレンズサブグループ(113, 114, 115)は、第３のレンズ及び第４のレンズを含み、前記第３のレンズ及び前記第４のレンズは2mm未満だけ軸方向に分離されている。

一実施形態では、前記第１のレンズグループは、有効焦点距離を有し、当該光学システムは、前記第１のレンズグループと前記第２のレンズグループとの間に、前記第１のレンズグループの有効焦点距離の少なくとも1.4倍のギャップを含む。

一実施形態では、前記光源領域の中間点から発生する光線が、前記ギャップ内において、
平行である、或いは半角が10度未満の集束円錐である。

一実施形態では、前記第２のレンズサブグループは、前記第３のレンズ及び前記第４のレンズを含む複数のレンズを有し、前記第２のレンズサブグループの前記複数のレンズ(113, 114, 115)の各レンズは、回転対称の前面と；回転対称の後面と；前記回転対称の前面及び前記回転対称の後面により定義される光軸と；を有し、前記第２のレンズサブグループの光軸の各々は、主光線に対して少なくとも２度だけ傾斜している。

一実施形態では、前記第２のレンズサブグループの前記レンズの前記光軸は、0.2度以内で互いに整合されている。

一実施形態では、前記第２のレンズサブグループの前記複数のレンズの、前記前面と前記後面との間の、前記光軸の前記部分の中間点は、前記主光線から大きくとも１mmだけオフセットされている。

一実施形態では、前記第２のレンズサブグループの前記複数のレンズ(113, 114, 115)の各光学軸の各々は、前記主光線に対して少なくとも２度だけ傾斜されている。

一実施形態では、光学システムは、さらにプリズムを含み、前記プリズムは：第１の平坦表面と；第２の平坦表面と；第３の平坦表面と；を有し、前記プリズムは、第１の屈折率を有する透明材料で構成され、前記主光線が、前記第１の平坦表面を通してプリズムに入射し、前記プリズムの内部から前記第２の平坦表面の内部法線ベクトルに対して第１の角度で前記第２の平坦表面に当たり、前記第１の角度は、前記第１の屈折率の逆数の逆正弦関数よりも大きい。

一実施形態では、光学システムは、前記プリズムの前記第３の平坦表面に、かつそれに平行なデジタルマイクロミラーデバイスをさらに備え、前記主光線が、前記第２の平坦表面から反射され、前記第３の平坦表面を通って前記プリズムを出射し、前記デジタルマイクロミラーデバイスから反射され、前記第３の平坦表面を通して前記プリズムに再進入し、前記第２の平坦表面を通って前記プリズムを出射する。

一実施形態では、前記光源領域の中間点から発生する光線が、前記ギャップ内において、平行である、或いは半角が10度未満の集束円錐である。

一実施形態では、前記第２のレンズサブグループの前記第３のレンズ及び前記第４のレンズの各光学軸の各々は、前記主光線に対して少なくとも２度だけ傾斜されている。

なお、特徴、態様、実施形態について、添付図面とともに以下に説明する。

本発明の一実施形態による、空間変調された光を生成するためのシステムの側面図である。本発明の一実施形態による、空間変調された光を生成するためのシステムの側面図である。図１乃至２Ｂの実施形態のためのシミュレートされた歪みグリッドである。図１乃至２Ｂの実施形態のためのシミュレートされたスポットサイズダイアグラムである。本発明の一実施形態による参照設計の説明図である。参照設計のためのシミュレートされた歪みグリッドである。参照設計のためのシミュレートされたスポットサイズダイアグラムである。図１乃至２Ｂ及び図５は、これらの図面のうちの1つ又は複数に示されている光パイプ105及び第２のプリズム140を除いて、縮尺通りに描かれている。

添付の図面に関連して以下に述べる詳細な説明は、本発明に従って提供される光投射のための照明システムの例示的な実施形態の説明を意図したものであり、本発明が構築又は利用され得る唯一の形態を表すことを意図したものではない。説明は、例示された実施形態に関連して、本発明の特徴を示す。しかしながら、本発明の精神及び範囲内に包含されることも意図される異なる実施形態によって、同一又は同等の機能及び構造が達成され得ることが理解されるべきである。本明細書の他の箇所で示されているように、同様の参照符号は、同様の要素又は特徴を示すことを意図している。

図１は、一実施形態における空間的に変調された光を生成するためのシステムを示す。光源が、出力平面106の矩形光源領域にわたって実質的に一定の照射を有する光を生成する。光送達システム120は、デジタルマイクロミラーデバイス110に光を送達する。デジタルマイクロミラーデバイスの各マイクロミラーから反射された光は、マイクロミラーがオン状態にあるかオフ状態にあるかに応じて、空間的に変調された光を生成するためにシステムの出力に送られるか、又は散逸される（例えば、ビームダンプに吸収される）かのいずれかである。マイクロミラーに印加された駆動電圧信号のパルス幅変調は、視聴者の目の応答能力を超える周波数で使用され、視聴者に中間程度の輝度の主観的印象を与える。

各ミラー又はピクセルは、「オン」状態及び「オフ」状態と称される２つの状態のうちの１つの状態にあるように制御可能である。DMDが通電されない場合には、マイクロミラーの表面がデジタルマイクロミラーデバイスの平面に整合する第３の「中立」状態もまた存在する（それにより、もしピクセルのすべてが中立位置にある場合には、ミラーのアレイを含むデジタルマイクロミラーデバイスの合成表面は、実質的に平面である）。オン状態では、マイクロミラーは、中立位置から角度A（例えば、角度Aは12度）だけ回転され、オフ状態では、マイクロミラーは、中立位置から角度Aだけ反対方向に回転される。それにより、オン状態からオフ状態に移行する際に、ミラーは、角度2Aだけ回転する。デジタルマイクロミラーデバイス表面へと向けられ、オン状態にあるピクセルにより反射された光は、投射レンズの瞳孔に入り、スクリーンに到達する。オフ状態のピクセルにより反射された光は、吸収ビームダンプへと向けられる。投射光学系の開口数（NA）はピクセル傾斜角によってNA=sin（A）として定義され、A = 12度の場合、対応するF数はf/ =0.5/NA = 2.41である。画像コントラストを改善するために、照明光学系は、わずかに高いF値、例えばf/ =2.45を有するように設計できる。

高い光束効率のために、デジタルマイクロミラーデバイスは、投射光学系の開口数と等しい開口数を有する光によって一様に照明されてもよい。実際には、光束効率を犠牲にして画像コントラストを改善するために、照明光学系は投射光学系の開口数よりもわずかに小さい開口数を有することができる。また、高いスクリーン画像の均一性（80〜85%を超える）を達成するために、照明光がテレセントリック（telecentric）となるようにシステムを構成することができる。本明細書で使用される「テレセントリック性（Telecentricity）」とは、異なるマイクロミラーに当たる集束光円錐のそれぞれの主光線が互いに平行である程度を指す。

いくつかの実施形態では、光源は、その放射照度が実質的に一定である矩形領域にわたって出力平面を有する。すなわち、光源は、その矩形領域内で実質的に空間的に均一な照射を生成する。光源は、本明細書で「ランプ」と称する不均一光源を含んでもよく、実質的に均一ではない照明を生成することができる。例えば、ランプはアークランプであってもよいし、1つ以上の発光ダイオードからなっていてもよい。この場合、光源は、さらに、一体ロッド（integrator rod）とも称され得る光パイプのような一体装置（integrating device）を含むことができる。光パイプは、矩形の断面を有する要素であってもよく、中実、又は内部表面に高反射性コーティングを有する中空であってもよい。光パイプの端部は、異なるサイズを有してもよく、出力端部は、デジタルマイクロミラーデバイスのアクティブ領域と同じアスペクト比を有してもよく、それにより、光パイプの出力端部は、リレーレンズ（relay lens）、又は「光送達システム（light delivery system）」を使用して、デジタルマイクロミラーデバイス上に都合よく再画像化され得る。

図１は、一実施形態において、1024×768個のアクティブマイクロミラー（すなわち、「拡張グラフィックアレイ（Extended Graphics Array, XGA）」デバイス）、13.68ミクロンミラー（ピクセル）サイズ、及び12度のマイクロミラー傾斜角Aを有する、0.7インチデジタルマイクロミラーデバイス110のための照明システムの１つの図（任意に本明細書では側面図と称さする）を示す。デジタルマイクロミラーデバイスは、例えば、テキサス・インスツルメンツ（www.ti.com）から入手可能なDLP7000タイプ-Aデジタルマイクロミラーデバイスであってもよい。図１の実施形態では、光パイプ105の出力は、光送達システム120によってデジタルマイクロミラーデバイス110に送られる。光パイプの出力平面の矩形照明領域（又は「光源領域」）は、7.84mm×5.88mmの寸法を有する。光送達システムの倍率はM = 1.787であり、14.008mm×10.506mmデジタルマイクロミラーデバイスのアクティブエリアを光パイプ出力の7.84mm×5.88mm開口に変換する。設計波長は、643.8ナノメートル、546.1ナノメートル、及び480.0ナノメートルであり、等しい相対的重み付けである。デジタルマイクロミラーデバイス側のF値をf/2.45に設定する。

図１の光送達システム120は、6つのレンズ111、112、113、114、115、116を含む。光は、光源から各レンズを通って順番に進み、一方の表面（本明細書では「前面」と呼ぶ）を通って各レンズに入射し、他方の表面（本明細書では「後面」と呼ぶ）を通って出射することができる。各レンズは、レンズの前面と後面との対称軸を共有し、本明細書ではレンズの「光軸」と呼ぶ。例えば、前面と後面の両方が球面であるレンズでは、光軸は、両球の中心を通る直線である。前面と後面の一方が球面であり、他方が平面であるレンズでは、光軸は、球の中心を通って、平面に対して垂直な直線である。非球面の回転対称な前面を有するレンズの場合、（i）後面が平面であり、前面の対称軸が平面に対して垂直であるとき、（ii）後面が球面であり、前面の対称軸が球面の中心を通過するとき、又は（iii）後面が非球面で回転対称であり、前面の対称軸が後面の対称軸と同じであるときにのみ、レンズは光軸を有する。本明細書で使用する「光軸」は、レンズのエッジに関係なく、上述のように定義される。

図１に明らかなように、光送達システム120の1つ以上のレンズは、光送達システム120の1つ以上の他のレンズからオフセット又は非整合であってもよい。これらのオフセット及び非整合（misalignment）は、光源の出力平面の矩形光源領域の中心から、開口絞り130の中心を通って、デジタルマイクロミラーデバイス110の中心まで延びる光線に言及するために本明細書で定義される「主光線」125に関して定義されてもよい。例えば、図１の実施形態では、第２のレンズ112は、主光線125からオフセットされ、第３のレンズ113、第４のレンズ114、及び第５のレンズ115によって形成されるレンズサブグループは、主光線125に対して非整合である。

図２の２Ａは、図1の実施形態を、図１と同様に示す図である。座標軸を伴う、より多くの光線を描く。図２の２Ｂは、同じ実施形態の平面図を示す。図１、図２Ａ及び図２Ｂの実施形態の光学的処方は、ミリメートル及び度の単位で表１に示されている。システムの軸は、図２Ａ及び２Ｂに示す通りである。中心ずれ（decenter）dYは、Y軸に沿った表面のシフトを表し（すべての表面はX軸に対して中心合わせされている）、回転は、図示された軸を中心としたものである（例えば、X傾斜はX軸を中心とした回転であり、Z傾斜はZ軸を中心とした回転である）。デジタルマイクロミラーデバイス110は、各マイクロミラーの回転軸がデジタルマイクロミラーデバイスの長方形のアクティブ領域のエッジに対して45度だけ角度付けられているので、45度だけクロックされ（すなわち、Z軸を中心に回転され）ている。光源の出力平面の長方形の光源領域も45度だけクロックされており、それにより光源からの光が、それが光送達システム120によってデジタルマイクロミラーデバイスに送られるときに、デジタルマイクロミラーデバイスのアクティブ領域に整合される。

表１（及び表2、以下で説明する）の表記法では、各表面に使用される座標系は、先行する表面の座標系のZ軸に沿って、先行する表面の厚さだけの原点オフセットを有し、先行する表面の座標系のX軸又はY軸に沿って、これらの軸に沿った先行する表面の任意のオフセットだけのオフセットを有する。各表面に使用される座標系はまた、先行表面の任意の傾斜だけ、先行表面の座標系に対して回転される。このように、座標系の変化は累積的な効果を有する。座標系の変化（「座標系ブレーク（coordinate system breaks）」又は「座標変更（coordinate changes）」とも呼ばれる）の表記は、Synopsys （https://www.synopsys.com/optical-solutions/codev.html）から入手可能なCode V光学デザインプログラムに従って与えられる。偏心型（decenter type）の「Basic」は、如何なる傾斜が適用される前に、如何なるオフセットが表面に適用されることを意味する。「Decenter & Bend」は、Code Vで使用される座標ブレークの一種である。反射性表面（ミラー）では、反射された主光線に追従するように座標系を設定する。例えば、表１（及び表２）の表面S14〜S16は、隣接する表面の対の間の角度がそれぞれ50度、33.2度、及び96.8度に等しいプリズムを定義している。

光送達システム120のレンズは、図１に示すように、本明細書でレンズグループ１及びレンズグループ２と称する２つのグループにグループ分けすることができる。レンズグループ１は、本明細書でレンズサブサブグループ1a及びレンズサブグループ1bと称する２つのサブグループにさらにグループ分けすることができる。各レンズグループ及び各レンズサブグループは、1つ以上のレンズから構成されてよい。ギャップ、又は「空気ギャップ」が、レンズサブグループ1aとレンズサブグループ1bとの間、及びレンズグループ1bとレンズグループ２との間に存在してもよい。これらのギャップは、照明光学系のよりコンパクトな配置を達成するために、光送達システム120中に折り畳みミラー（fold mirrors）を挿入するために使用できる。

レンズグループ1のレンズのうちの少なくとも１つのレンズ（例えば、図１及び２Aに示される第２のレンズ112）は、偏心されていてもよい。図１乃至２Bの実施形態では、第２のレンズ112は、主光線をある角度だけ屈曲させる。レンズサブグループ1bのレンズは、入射する主光線の方向に対して偏心させ、傾斜させてもよい。いくつかの実施形態では、レンズサブグループ1bのすべてのレンズは互いに整合されているが、レンズグループ全体は小さな角度（約2〜5度）だけ傾斜される。レンズサブグループ1bのレンズは、適切な製造プロセスにより、容易に達成可能な程度に、互いに位置合わせすることができる。例えば、光軸（又はそれぞれの光軸）は、（i）3〜10分（arc minutes）以内、例えば5分以内に平行(parallel)であり、（ii）0.1〜0.5mm以内、例えば0.2mm以内に共線状（collinear）である。このことは、比較的低コストの設計であってもよく、そのような実施形態では、レンズサブグループ1bのレンズは、像収差を補正するのに役立つが、主光線の方向にはほとんど影響を及ぼさない。レンズグループグループ２のレンズもまた、収差をさらに補正するために、主光線方向に対してわずかに偏心させ傾斜させてもよい。いくつかの実施態様において、第２のレンズ112の代わりに、第１のレンズ111がオフセットされるか、或いはレンズサブグループ1a（レンズサブグループ1aが２個のレンズから構成されるシステムにおいて）の両方のレンズがオフセットされるか、或いはレンズサブグループ1aがオフセットされるレンズ１個のみから構成されてもよい。

レンズグループ1及びレンズグループ2は、質的に異なる機能を実行することができる。例えば、レンズグループ1は、光パイプ105に最も近いレンズグループであってもよく、レンズグループ1は、レンズグループ1を通過した後の光が平行になるか集束されて、レンズグループ2に向かう効果を有してもよい。また、レンズグループ1は、空気スペースだけ、レンズグループ2から分離されてもよい。その空気スペースの厚さ（すなわち、主光線に沿った長さ）は、レンズグループ1の有効焦点距離（EFL）よりも大きい。図１乃至２Bに示す実施形態では、レンズグループ1の有効焦点距離EFLは37.4mm、レンズグループ1とレンズグループ2との間の空気ギャップは67〜68mmである。レンズグループ2を通過した後、光は、第１のプリズム135及び第２のプリズム140を含む全反射プリズムクラスターに入射する。特に、光の集束円錐が、第１のプリズム135の第１の表面を通って第１のプリズム135に入り、第１のプリズム135の第２の（斜め）表面で全反射を経験し、第１のプリズム135の第3の表面を通って第１のプリズム135を出て、デジタルマイクロミラーデバイス110の法線から2A度から（2A + 2度）の角度範囲でデジタルマイクロミラーデバイス110に当たる。ここで、Aはマイクロミラーの傾斜角であり、A = 12度の場合、角度範囲は24〜26度である。デジタルマイクロミラーデバイス110のマイクロミラーがオン状態にある場合、マイクロミラーからの反射の後、光線は、第２のプリズム140を通って投射光学系（図示せず）に向かって方向付けられ、最後にスクリーン（図示せず）に到達する。第１のプリズム110の材料及び角度は、オン状態のマイクロミラーから反射された光の円錐が、全反射の臨界角未満の角度で、第１のプリズム110の斜め面に当たるように選択することができ、従って、反射されずに第２のプリズム140を通過し、投射レンズへと進む。

図３は、図１乃至２Bの実施形態のためのシミュレートされた歪みグリッドを示す。図３から分かるように、歪みは、デジタルマイクロミラーデバイス110の４つのコーナーのうちの３つのコーナーにおいて、かなりよく制御されている。詳細には、左上隅に1.96%、右上隅に0.46%、左下隅に0.40%、右下隅に5.1%の歪み値がある。図３において「Paraxial FOV」とラベル付けされた点のグリッドは、理想的な照明光学系の場合のビームフットプリントを示し、デジタルマイクロミラーデバイスのアクティブ領域のアウトラインに対応する。画像歪みを最小化することは、デジタルマイクロミラーデバイス110において照明システムが小さなオーバーフィルマージンを有し、従って、大きな歪みを有するシステムよりも高い光利用効率を有することを可能にし得るという点で有益であり得る。
また、光利用効率は、光源からの光がデジタルマイクロミラーデバイス110に如何に緊密に集束されるかにも依存する。より焦点を絞ったシステムは、エッジの遷移がよりシャープであり、従って、過剰オーバーフィルマージンがより小さい可能性がある。二乗平均平方根（RMS）スポットサイズは、レンズ焦点の品質を推定するために使用され得るメトリックであり、より小さなRMSスポットサイズは、一般に、より高い光利用効率をもたらす。図４は、デジタルマイクロミラーデバイス面上の９点における二乗平均平方根スポットサイズ（単位mm）を示す。９点は中心、４つのコーナー及び４つの側部中心である。図４は、スポットのためのスケールバー（「MM」は、測定単位としてミリメートルを意味する）を含む（スポットの分離は、スケールに合わせて描かれていない）。これらの二乗平均平方根スポットサイズ値は、互いに近く、非常に小さく、デジタルマイクロミラーデバイス領域全体にわたって、光がかなり良好に集束されていることを示す。

さらに、図１乃至２Bの実施形態におけるテレセントリック性の程度は比較的高く、この実施形態のシミュレーションは、デジタルマイクロミラーデバイスの異なるマイクロミラーに当たる集束光円錐の主光線が、＋/−0.15度以内で互いにテレセントリックであることを示している。

レンズグループ１のレンズが偏心も傾斜もしない類似の設計についても分析をし、図１乃至２Bの実施形態における第２のレンズグループ112の偏心及びレンズサブグループ2の傾斜が実施形態の性能にどの程度貢献するかを評価した。この参照設計を図５に示し、その参照設計の光学的処方を表２に示す。

図６は、参照設計のためのシミュレートされた歪みグリッドを示す。歪み値は、左上及び右下で5.1%、右上及び左下で1.1%である。図７は、参照設計のデジタルマイクロミラーデバイス面上の9点における二乗平均平方根スポットサイズ（単位mm）を示し、９点は中心、４つのコーナー及び４つの側部中心である。図７は、スポットのためのスケールバー（「MM」は、測定単位としてミリメートルを意味する）を含む（スポットの分離は、スケールに合わせて描かれていない）。

図１乃至２Bの実施形態のようなシステムの処方が、Code V（Synopsis, www.synopsys.comから入手可能）のような解析・設計ソフトウェアを用いて開発することができる。そのようなソフトウェアは、光学システム（例えば、表1及び表2の処方によって定義される）を通して光線をトレースするために、並びに、設計の性能を評価するため、及び、所与の候補設計変更が性能改善をもたらすかどうかを決定するため使用され得る、歪みグリッド及びスポットサイズダイアグラムのような性能の尺度又は「性能測定指標（performance metrics）」を生成するために、両方の目的に使用され得る。そのようなソフトウェアはまた、性能測定基準における局所的又は大域的な最大又は最小に向けて、設計の特定のパラメータ（例えば、レンズ位置（偏差のあるレンズの場合の横断方向のオフセットを含む）、曲率半径、及び傾き）を自動的に調整するための最適化手順を使用することができる。いくつかの実施形態では、デジタルマイクロミラーデバイス上の様々な位置におけるスポットサイズ及び歪みの量の加重平均が、最適化されるべき性能測定基準として使用される。

用語「第１」、「第２」、「第３」などは、種々の要素、構成要素、領域、層、及び／又はセクションを説明するために本明細書で使用することができるが、これらの要素、構成要素、領域、層、及び／又はセクションは、これらの用語によって限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、1つの要素、構成要素、領域、層又はセクションを別の要素、構成要素、領域、層又はセクションから区別するためにのみ使用される。従って、以下に説明する第１の要素、構成要素、領域、層又はセクションは、本発明の概念の精神及び範囲から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層又はセクションと呼ぶことができる。

光投射のための照明システムの限定された実施形態が、本明細書中に具体的に記載及び図示されているが、多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。従って、本発明の原理に従って使用される光投射のための照明システムは、本明細書に具体的に記載される以外に実施され得ることが理解されるべきである。本発明は、以下の特許請求の範囲及びその均等物においても定義される。

Claims

光源の出力平面の光源領域から光を受け取り、空間変調した光を生成するための、主光線を有する光学システムであって：
第１の複数のレンズを含む第１のレンズグループと；
１つ以上のレンズを含む第２のレンズグループと；
を含み、
前記第１のレンズグループの第１のレンズが：
回転対称の前面と；
回転対称の後面と；
有効焦点距離と；
前記回転対称の前面及び前記回転対称の後面によって定義される光軸と；
を有し、
前記前面と前記後面との間の前記光軸の部分の中間点が、前記第１のレンズの有効焦点距離の少なくとも５％だけ前記主光線からオフセットされており、
前記第１のレンズグループは：
第１のレンズサブグループと；
第２のレンズサブグループと；
を含み、
前記第１のレンズサブグループは、前記第１のレンズ及び第２のレンズを含み、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズは、2mm未満だけ軸方向に離間されており、前記第２のレンズの光軸が前記主光線からオフセットされておらず、
前記第２のレンズサブグループは、第３のレンズ及び第４のレンズを含み、前記第３のレンズ及び前記第４のレンズは2mm未満だけ軸方向に離間されており、
前記第２のレンズサブグループは、前記第３のレンズ及び前記第４のレンズを含む複数のレンズを有し、
前記第２のレンズサブグループの前記複数のレンズの各レンズは、
回転対称の前面と；
回転対称の後面と；
前記回転対称の前面及び前記回転対称の後面により定義される光軸と；
を有し、
前記第２のレンズサブグループの光軸の各々は、主光線に対して少なくとも２度だけ傾斜しており、
前記第２のレンズサブグループの前記複数のレンズの、前記前面と前記後面との間の、前記光軸の前記部分の中間点は、前記主光線から大きくとも１mmだけオフセットされている、
光学システム。
請求項１に記載の光学システムであって、
前記第１のレンズグループは、有効焦点距離を有し、
当該光学システムは、前記第１のレンズグループと前記第２のレンズグループとの間に、前記第１のレンズグループの有効焦点距離の少なくとも1.4倍のギャップを含む、
光学システム。
請求項２に記載の光学システムであって、
前記光源領域の中間点から発生する光線が、前記ギャップ内において、
平行である、或いは
半角が10度未満の集束円錐である、
光学システム。
請求項１に記載の光学システムであって、
前記第２のレンズサブグループの前記レンズの前記光軸は、0.2度以内で互いに整合されている、光学システム。
請求項１に記載の光学システムであって、
前記第２のレンズサブグループの前記複数のレンズの各光学軸の各々は、前記主光線に対して少なくとも２度だけ傾斜されている、光学システム。
請求項１に記載の光学システムであって、さらにプリズムを含み、
前記プリズムは：
第１の平坦表面と；
第２の平坦表面と；
第３の平坦表面と；
を有し、
前記プリズムは、第１の屈折率を有する透明材料で構成され、
前記主光線が、前記第１の平坦表面を通してプリズムに入射し、前記プリズムの内部から前記第２の平坦表面の内部法線ベクトルに対して第１の角度で前記第２の平坦表面に当たり、前記第１の角度は、前記第１の屈折率の逆数の逆正弦関数よりも大きい、
光学システム。
請求項６に記載の光学システムであって、前記プリズムの前記第３の平坦表面に、かつそれに平行なデジタルマイクロミラーデバイスをさらに備え、
前記主光線が、
前記第２の平坦表面から反射され、
前記第３の平坦表面を通って前記プリズムを出射し、
前記デジタルマイクロミラーデバイスから反射され、
前記第３の平坦表面を通して前記プリズムに再進入し、
前記第２の平坦表面を通って前記プリズムを出射する、
光学システム。
請求項７に記載の光学システムであって、
前記第１のレンズグループは:
第１のレンズサブグループと；
第２のレンズサブグループと；
を含み、
前記第１のレンズサブグループは、前記第１のレンズ及び第２のレンズを含み、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズは、2mm未満だけ軸方向に離間されており、
前記第２のレンズサブグループは、第３のレンズ及び第４のレンズを含み、前記第３のレンズ及び前記第４のレンズは2mm未満だけ軸方向に分離されている、
光学システム。
請求項８に記載の光学システムであって、
前記第１のレンズグループは、有効焦点距離を有し、
当該光学システムは、前記第１のレンズグループと前記第２のレンズグループとの間に、前記第１のレンズグループの有効焦点距離の少なくとも1.4倍のギャップを含む、
光学システム。
請求項９に記載の光学システムであって、
前記光源領域の中間点から発生する光線が、前記ギャップ内において、
平行である、或いは
半角が10度未満の集束円錐である、
光学システム。
請求項９に記載の光学システムであって、
前記第２のレンズサブグループは、前記第３のレンズ及び前記第４のレンズを含む複数のレンズを有し、
前記第２のレンズサブグループの前記複数のレンズの各レンズは、
回転対称の前面と；
回転対称の後面と；
前記回転対称の前面及び前記回転対称の後面により定義される光軸と；
を有し、
前記第２のレンズサブグループの光軸の各々は、主光線に対して少なくとも２度だけ傾斜している、
光学システム。
請求項１１に記載の光学システムであって、
前記第２のレンズサブグループの前記レンズの前記光軸は、0.2度以内で互いに整合されている、光学システム。
請求項１２に記載の光学システムであって、
前記第２のレンズサブグループの前記複数のレンズの、前記前面と前記後面との間の、前記光軸の前記部分の中間点は、前記主光線から大きくとも１mmだけオフセットされている、光学システム。
請求項９に記載の光学システムであって、
前記第２のレンズサブグループの前記第３のレンズ及び前記第４のレンズの各光学軸の各々は、前記主光線に対して少なくとも２度だけ傾斜されている、光学システム。