JPH10510373A - 回折格子光二重集束装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 反射／回折光弁装置は単一光源の周りの多重寸法から光を集束させる。これら多重集束寸法から光が弁に向けられ多重方向から衝突する。弁の構成を反射的にすると、光は光源に戻る。一方、弁の構成を回折的にすると、第１及び第３の回折次数の回折光は、装置の効率を大きく向上させる集束寸法の各々のために、弁から透過する。

Description

【発明の詳細な説明】 回折格子光二重集束装置 技術分野 本発明は光学装置の分野に関する。より詳細には本発明は反射光弁装置から集 束した有用な光の量を増加させる装置に関する。光は、転向ミラーの分離角度を 光弁の偏向角度に合わせる転向ミラー装置を補助装置として、多重球形ミラーと 集光レンズ装置を通して集束される。 発明の背景 光弁装置においては、光源からの利用可能な光を最大限に集束して装置の効率 を高め、経費のかからない設計を維持することが重要である。ディスプレー装置 用のような精密な光源の経費はルーメン強度にしたがって劇的に増加する。光弁 装置は透過及び反射の装置に分類することができる。 代表的な透過装置においては、集束ミラーが使用されて光を集束し弁を通して 透過させる。集束リフレクターだけでは、光は光源の１側だけから集束される。 集束レフレクターから集束した光は低度の視準を有する。しかし代表的な透過光 弁装置は集束レフレクターによって光を集める。かかる透過装置は光源から放射 された光の５５％以上を集束することができる。 反射光弁装置のためには、光視準の条件はより厳格であり、代表的な装置は集 光レンズを使用して優れた視準を与える光を集束する。代表的な反射光弁装置は 球形ミラー及び集光レンズの両者を使用して光源の二つの側から光を集束する。 しかしかかる装置の効率は低い。例えば後部レフレクターを有するＦ／．７２集 光装置は放射した光の１８％だけを集束する。 第１図は光源が転向ミラーの上に投影される代表的な回折光弁の構成を示す。 光はバルブのように光源１００から全方向に放射される。球形ミラー１０２に当 った光は集束され光源１００に戻り、そのそばを通過する。同様に光源１００を 離れコンデンサーレンズ系１０４に当る光も集束される。第１図に示す例では コンデンサーレンズ系１０４は複合レンズ装置である。当業者には他の形式のレ ンズ装置でも集光の機能を行わせることができることは明らかであろう。球形ミ ラー１０２により集束された光は光源１００を通過した後、コンデンサーレンズ 系１０４に入る。球形ミラー１０２にもコンデンサーレンズ系１０４にも当たら ない光は失われる。この浪費した照明は装置の効率の低下の原因となる。 コンデンサーレンズ系１０４は光源１００からの光を回転ミラー１０６へ投影 する。回転ミラー１０６はこの光を反射光弁１０８へ反射する。第１図に示す例 ではシュリーレンレンズ１１０を転向ミラー１０６と反射光弁１０８との間に設 ける。この例では反射光弁１０８は回折格子光弁である。この弁は反射又は回折 のいずれの構成でも選択することができる。そのような装置の例は1994年５月10 日にブルームその他に与えられた米国特許第5,311,360号、同時出願同時係属の 米国特許出願第08/482,188号（フラット回折格子光弁）、及び同時出願同時係属 の米国特許出願第08/480,459号（フラット回折格子光弁の製造方法及びその装置 ）に見出すことができる。構成を反射的にすると、反射光弁１０８に当たる光は 鏡面反射をしてシュリーレンレンズ１１０を通して転向ミラー１０６に戻り、そ の後コンデンサーレンズ系１０４を通して光源に戻る。 弁が回折的である場合、回折角は既知であり回折格子の周期の機能として計算 可能である。構成を回折的にすると、回折した光は転向ミラーのそばを通って投 影光学系１１２に入る。光は第１の回折次数の角度Θ、及びその倍角のΘによっ ても回折することは良く知られている。反射光弁１０８から第２及び第３次数の 回折角で出る光は瞳孔マスク１１４で遮断される。このような方法で所望の第１ の回折次数の光が投影光学系１１２に与えられる。 光弁の回折角は、回折した光の全てを集束する転向ミラー上への光源の投影像 により範囲が決められる角度、より大きいことが要求される。大きな光源のため には、これは輝度と妥協することなしに常に可能であるとはいえない。これは転 向ミラーに対する光源の増幅を最大にすることを強いるか、或いは輝度を最大限 にする代替え的な技術が必要になる。これらの問題は小さな角度で光を回折する 光弁にあてはまることがはっきりとした。 エイダホア（Eidaphor）は最も古い高輝度反射光弁プロジェクターである。こ れは電子ビームと共に整列した球形ミラー上の変形可能な油膜を利用する。整列 すると、膜の局部的にフラットな表面は４０ミクロンの周期を有する正弦曲面に なる。回転ミラーへの入射光源の大きさは小さくなくてはならない。輝度を最大 限にする一方、転向ミラーの寸法を小さくするためには多重転向ミラーを使用す る。光は多重転向ミラーに向けるための単一のジメンション及び方向で集束され るだけである。光源からの光は集光レンズ装置により単一のジメンションで集束 される。集光レンズから単一の方向に出る光は多重転向ミラーに衝突する。多重 転向ミラーを使用することにより、回転ミラーの効率的な大きさは、ひとまとめ にして光源から見たときに増大する。同様に小さな回転ミラーはミラーのそばを 通過する回折光の高度の回折次数モードを可能にする。転向ミラーにより反射し た光はスプリッターを通って通過し、色で特定する変形可能な油膜／レフレクタ ーに衝突する。赤、緑、及び青を発色するため三つの油膜／レフレクターが使用 される。スプリッターと油膜／レフレクターの間にはレンズシステムが使用され る。若し光が反射すると、それは光源に戻る。若し光が回折すると、それは転向 ミラーのそばを通過し投射光学素子へ進む。第１図の例では光源からの光の重要 な部分は消費されて装置には入らず弁に衝突しない。 少量の望ましくない光を第２の回折次数へ回折させる回折光弁に対しては、本 装置は第２の回折次数の光が暗い状態へ回折されるだろうという不利益を有する 。これはエイダホアにとっては利益となる。なぜならその暗い状態は光を高度の 回折次数に回折させないからである。 発明の要約 反射／回折光弁装置は単一光源の周りのマルチジメンションから光を集束させ る。これらマルチ集束ジメンションから光が弁に向けられ多重方向から衝突する 。弁の構成を反射的にすると、光は光源に戻る。一方、弁の構成を回折的にする と、奇数の回折次数からの光は、装置の効率を大きく向上させる集束ジメンショ ンの各々のために、弁から透過する。 図面の簡単な説明 第１図は先行技術の回折光弁装置のための第１光学装置の略図を示す。 第２図は本発明の好ましい実施例による反射光弁装置のための光学装置の略図 を示す。 第３図は弁の構成を反射的にした場合の本発明の光学装置の一部の略図を示す 。 第４図は弁の構成を回折的にした場合の本発明の光学装置の一部の略図を示す 。 好ましい実施例の詳細な説明 本発明の好ましい実施例は回折に基づいた光変調器を使用するディスプレー装 置にある。この装置においては光弁は基体上に懸垂した整列可能な反射性リボン 構造体の配列を含む。この配列の素子を整列させると、リボンは基体に向かって 選択的に運動する。この運動量は入射光のスペクトルの中心波長の１／４である 。リボンが作動するとリボンは回折格子を形成し、通常の方法で機能する。リボ ンが作動しない場合、効率的にリボンは連続的なレフレクターの平面上にあり、 円滑な鏡面ミラーのように作動する。 第２図は本発明の光学装置の略図を示す。単一光源３００は全方向に分散する 光を発生する。光は光源３００からバルブのように全方向に放射される。第１球 形ミラー３０２に当たる光は集束され、光源３００に戻り、そのそばを通過する 。同様に、光源３００から出て第１コンデンサー装置３０４に衝突する光も、集 束され、視準され、転向ミラーに投射される。第２図に示す実施例ではコンデン サーレンズ系３０４は光を視準する第１レンズ３０６、光を向け直す転向ミラー ３０８、及び続く転向ミラー３１２に光源３００を投影する第２レンズ３１０を 含む複合レンズ装置である。他の形式のレンズ装置でも集光機能を果たすように 使用することができることは当業者には明らかであろう。ミラー３０２で集束さ れた光も光源３００を通過した後、コンデンサーレンズ系３０４に入る。 コンデンサーレンズ系３０４は光源３００からの光の部分を鏡面転向ミラー３ １２に投影する。転向ミラー３１２は光を反射光弁３１４に反射する。第２図に 示す実施例ではシュリーレンレンズ３１６は転向ミラー３１２と光弁３１４の 間に位置する。 第１図では、ミラーにもコンデンサーにも当たらない光は消滅する。この浪費 した照明は装置の効率低下の原因となる。本発明による装置は装置の効率を改善 するさらに二つの集束装置を提供する。これらの追加される集束装置はさもなけ れば消費されるかもしれない光を集束する。第２図の説明に戻ると、第２の集束 光路は第１の集束光路の鏡像である。これら二つの集束光路の各々は二つのジメ ンションの各々で光を集束する。 第２の集束光路では第２の球形ミラー３２２によって集束され光源３００に戻 りそのそばを通過する。同様に、光源３００を出て、第１コンデンサーレンズ系 ３２４に当たる光も集束され、視準され、転向ミラーに投影される。コンデンサ ーレンズ系３２４は光を視準する第１レンズ３２６、光を向け直す転向ミラー３ ２８、及び続く転向ミラー３３２に光源３００を投影する第２レンズ３３０を含 む複合レンズ装置である。ミラー３３２で集束された光も光源３００を通過した 後、コンデンサー３２４に入る。コンデンサーレンズ系３２４は光源３００から の光の部分を鏡面転向ミラー３３２に投射する。光は転向ミラー３３２によって 反射されてシュリーレンレンズ３１６を通過した後、反射光弁３１４に当たる。 瞳孔マスク３３４が望ましくない多重の回折次数の光を遮断する。 第３図は転向ミラー３１２、３３５、弁３１４、及び第２図の瞳孔マスク３３ ４の略図を示す。シュリーレンレンズ３１６は本発明の詳細が曖昧にされるのを 避けるため図面から除去されている。例えば第１の集束光路から転向ミラー３１ ２に当たる光は反射して弁３１４に当たる。反射状態では弁３１４は鏡面ミラー として機能する。したがって光は弁３１４に入射する角度と同じ角度で弁３１４ から出て、第２転向ミラーに当たり、第２の集束光路を通って光源３００に戻る 。これら二つの集束光路は同等であるので第２の集束光路から第２の転向ミラー ３３２に当たる光も弁３１４で反射して第１転向ミラー３１２に当たり、その後 光源に戻る。装置から漏洩する光はない。 第４図は弁３１４が光を回折するよう構成されている点を除き第３図における ものと同じ要素を示す。良く知られているように、弁３１４はΘの角度によって 光を回折させる。第１の回折次数の角度Θで回折する所望の第１の回折次数の光 は、図示するように転向ミラー３１２のいずれの側をも通過する。この光は投射 光学素子３３６（第２図）によって集束される。 角度＋２Θで回折する望ましくない第２の回折次数の光は第２転向ミラー３３ ２に当たり、光源に戻る。角度−２Θの第２の回折次数の光は図示のように瞳孔 マスク３３４に当たる。第３の回折次数の光の半分は装置から出てゆき、半分は 瞳孔マスクで遮断される。角度＋／−４Θ、＋／−５Θ．．．で回折する望まし くない第４の、さらには多重の、回折次数の光も瞳孔マスク３３４に当たる。こ れら光路の鏡像は投影光学系に第２集束光路から光を提供する。第２の光路では 第１の回折次数の光だけが回折される。 転向ミラーを分割して二つ又はそれ以上のサブミラーにすることは可能である 。これら転向サブミラーはそれぞれ第１及び第２コンデンサーから来る光への単 一連続反射面となるよう位置することができる。これら転向サブミラーも弁３１ ４からの回折光に対する分割した構造となるよう異なる軸線に沿って離隔した位 置をとることができる。実際、これら転向サブミラーは第１、第３、第５、及び 他の奇数の回折次数の回折光を可能とし、同時に第２、第４、第６、及び他の偶 数の回折次数の回折光を遮断するができるよう位置することができる。 本装置の設計は以下のとおりである。光弁の回折角は以下の方程式で与えられ る。 ｓｉｎ（Θ_d）＝λ／Λ ここでΘ_dは光弁の回折角、λは光の波長、Λは光弁の格子周期である。転向 ミラーはシュリーレンレンズから水平距離がｆであり、かつ光弁に対し直角な線 においてその上及び下それぞれ垂直距離ｈ＝ｆｓｉｎ（Θ_d）のところに置かれ る。対称とすることで、各転向ミラーは他の転向ミラーからの鏡面反射光のスト ップとして作動する。弁が“オン”状態にあり、光が０回折次数から高い回折次 数モードに回折すときは、第１及び第３の回折次数の光が転向ミラー間及びその 周りで回折するが、第２の回折次数の光は転向ミラーで遮断されるか、或いは投 射レンズに当たらない。コントラスト比は転向ミラーを小さくしその周りの光を とめることで改良される。色彩による作動のためには、赤、緑、及び青の光を回 折させる３個の光弁が使用される。最大輝度を得るために光弁の各々はそれぞれ の色彩に同調させる。もし３個の光弁が一つの色だけに同調すると、転向ミラー の背後のストップの大きさを大きくして第２の回折次数の光を遮断する必要があ る。 好ましい実施例を参照しつつ本発明を説明した。本明細書を読んだだけで当業 者であれば明らかになる改良又は修正は、本出願の精神と範囲内のものであると 思われる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年６月１１日 【補正内容】 間に位置する。 第１図では、ミラーにもコンデンサーにも当たらない光は消滅する。この浪費 した照明は装置の効率低下の原因となる。本発明による装置は装置の効率を改善 するさらに二つの集束装置を提供する。これらの追加される集束装置はさもなけ れば消費されるかもしれない光を集束する。第２図の説明に戻ると、第２の集束 光路は第１の集束光路の鏡像である。これら二つの集束光路の各々は二つのジメ ンションの各々で光を集束する。 第２の集束光路では第２の球形ミラー３２２によって集束され光源３００に戻 りそのそばを通過する。同様に、光源３００を出て、第１コンデンサーレンズ系 ３２４に当たる光も集束され、視準され、転向ミラーに投影される。コンデンサ ーレンズ系３２４は光を視準する第１レンズ３２６、光を向け直す転向ミラー３ ２８、及び続く転向ミラー３３２に光源３００を投影する第２レンズ３３０を含 む複合レンズ装置である。ミラー３３２で集束された光も光源３００を通過した 後、コンデンサー３２４に入る。コンデンサーレンズ系３２４は光源３００から の光の部分を鏡面転向ミラー３３２に投射する。光は転向ミラー３３２によって 反射されてシュリーレンレンズ３１６を通過した後、反射光弁３１４に当たる。 瞳孔マスク３３４が望ましくない多重の回折次数の光を遮断する。 第３図は転向ミラー３１２、３３２、弁３１４、及び第２図の瞳孔マスク３３ ４の略図を示す。シュリーレンレンズ３１６は本発明の詳細が曖昧にされるのを 避けるため図面から除去されている。例えば第１の集束光路から転向ミラー３１ ２に当たる光は反射して弁３１４に当たる。反射状態では弁３１４は鏡面ミラー として機能する。したがって光は弁３１４に入射する角度と同じ角度で弁３１４ から出て、第２転向ミラーに当たり、第２の集束光路を通って光源３００に戻る 。これら二つの集束光路は同等であるので第２の集束光路から第２の転向ミラー ３３２に当たる光も弁３１４で反射して第１転向ミラー３１２に当たり、その後 光源に戻る。装置から漏洩する光はない。 第４図は弁３１４が光を回折するよう構成されている点を除き第３図における ものと同じ要素を示す。良く知られているように、弁３１４はΘの角度によって 光を回折させる。第１の回折次数の角度Θで回折する所望の第１の回折次数の光 請求の範囲 １．光学システムにして、 ａ．光を発生させるための光源（３００）と、 ｂ．前記光源（３００）からの光を受けるための光弁（３１４）にして、該光 弁（３１４）は反射モード及び回折モードの各々で作動するよう選択的に構成可 能な前記光弁（３１４）と、 ｃ．第１集束光路（３０４）中の前記光の第１部分を集束する装置（３０２） と、 ｄ．前記光の前記第１部分を前記第１集束光路を通して前記光弁（３１４）に 向ける装置（３１２）と、 ｅ．第２集束光路（３２４）中の前記光の第２部分を集束する装置（３２２） と、及び ｆ．前記光の前記第２部分を前記第２集束光路を通して前記光弁（３１４）に 向ける装置（３３２）とから成り、 前記光の前記第１部分は前記第２集束光路を通して前記光源（３００）に戻 り、前記光の前記第２部分は反射モードにある前記第１集束光路（３０４）を通 して前記光源（３００）に戻り、前記光の前記第１部分と第２部分の第１の回折 次数の回折は回折モードにある前記光学システムから出てゆくことを特徴とする 前記光学システム。 ２．前記光弁（３１４）が回折光弁である請求項１の光学システム。 ３．前記光弁（３１４）が格子光弁である請求項２の光学システム。 ４．入射角が第１の回折次数の回折角に等しい請求項２の光学システム。 ５．前記光の前記第１部分を方向ずける装置（３１２）と前記光の前記第２部分 を方向ずける装置（３３２）が転向ミラーを含む請求項２の光学システム。 ６．第２の回折次数の回折が前記転向ミラー（３１２、３３２）の一つによって 遮断される請求項５の光学システム。 ７．前記光弁（３１４）が反射モードに構成されているとき前記転向ミラー（３ １２、３３２）が、前記光源（３００）から前記光弁（３１４）への光進 行の単一反射面となりかつ前記光弁（３１４）からの光進行の単一反射面となる 複数のサブミラー、を含み、前記光弁（３１４）が回折モードに構成されている とき前記光の前記第１部分と第２部分の奇数の回折次数の回折が前記光学システ ムから出てゆく請求項５の光学システム。 ８．偶数の回折次数の回折が前記転向ミラー（３１２、３３２）の所定の一つに よって遮断される請求項７の光学システム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＥＥ，ＦＩ，ＧＥ，ＨＵ， ＩＳ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＲＯ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ブルーム、デビッド・ダブリュー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 94043、ポートラ・バレイ、ゴールデン・ オーク・ドライブ 140 (72)発明者 ルックス、ブライアン・イー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 94024、ロス・アルトス・ヒルズ、マグダ レナ・ロード 10321

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光学装置にして、 ａ．光を発生させるための光源と、 ｂ．前記光源からの光を受けるための光弁にして、該光弁は反射モード又は回 折モードの一つで作動するよう選択的に構成可能な前記光弁と、 ｃ．第１集束光路中の前記光の第１部分を集束する装置と、 ｄ．前記光の前記第１部分を前記第１集束光路を通して前記光弁に向ける装置 と、 ｅ．第２集束路中の前記光の第２部分を集束する装置と、及び ｆ．前記光の前記第２部分を前記第２集束光路を通して前記光弁に向ける装置 とから成り、 前記光弁が反射モードに構成されているとき、前記光の前記第１部分は前記 第２集束光路を通して前記光源に戻り、前記光の前記第２部分は前記第１集束光 路を通して前記光源に戻り、前記光弁が回折モードに構成されてるとき、前記光 の前記第１部分と第２部分の第１の回折次数の回折が前記光学装置から出てゆく ことを特徴とする前記光学装置。 ２．前記光弁が回折光弁である請求項１の光学装置。 ３．前記光弁が格子光弁である請求項２の光学装置。 ４．入射角が第１の回折次数の回折角に等しい請求項２の光学装置。 ５．前記光の前記第１部分を方向ずける装置と前記光の前記第２部分を方向ずけ る装置が転向ミラーを含む請求項２の光学装置。 ６．第２の回折次数の回折が前記転向ミラーの一つによって遮断される請求項５ の光学装置。 ７．前記光弁が反射モードに構成されているとき前記転向ミラーが、前記光源か ら前記光弁への光進行の単一反射面となりかつ前記光弁からの光進行の単一反射 面となる複数のサブミラー、を含み、前記光弁が回折モードに構成されてるとき 前記光の前記第１部分と第２部分の奇数の回折次数の回折が前記光学装置から出 てゆく請求項５の光学装置。 ８．偶数の回折次数の回折が前記転向ミラーの所定の一つによって遮断される請 求項７の光学装置。