JP2010140745A - Illuminating device and projection type image display device - Google Patents
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Abstract
【課題】 面積をもつ光源から照射された光束を効率よく利用する光源装置を提供する。
【解決手段】 光を放射する光源と光束分離手段と第1の集光光学系と第2の集光光学系とを有し、前記光源の発光面中心を通る法線を光軸とするとき、前記光束分離手段は前記光源から入射する光束のうち、前記光軸に対する角度が小さい光束を透過し、前記光軸に対する角度が大きい光束を少なくとも1回以上全反射する光学素子であって、前記第1の集光光学系は、前記光束分離手段を透過した光束を1点に集光する作用を有し、前記第2の集光光学系は、前記光束分離手段にて少なくとも1回以上全反射した光束を1点に集光する作用を有する。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light source device that efficiently uses a light beam emitted from a light source having an area.
When a light source that emits light, a light beam separating unit, a first condensing optical system, and a second condensing optical system are provided, and a normal passing through the light emitting surface center of the light source is an optical axis The light beam separating means is an optical element that transmits a light beam having a small angle with respect to the optical axis among light beams incident from the light source and totally reflects a light beam with a large angle with respect to the optical axis at least once, The first condensing optical system has a function of condensing the light beam that has passed through the light beam separating means at one point, and the second light collecting optical system is operated at least once by the light beam separating means. It has the effect | action which condenses the reflected light beam to one point.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、面光源を用いた照明光学系および投射型表示装置に関するものである。 The present invention relates to an illumination optical system using a surface light source and a projection display device.
近年、照明装置の光源として、LED、有機EL等の固体発光素子光源、特に平面発光領域から光を放射する面発光光源が用いられる機会が増えている。これら面発光光源の発光光量は目覚しく向上しており、投射型画像表示装置の光源装置に面発光光源を用いることも考えられている。この場合、光源の発光効率だけではなく、空間光変調装置や投写レンズを含めた光学系における光の利用効率を考える必要がある。光源と液晶ライトバルブとを含めた光学系において、有効に扱える光束が存在する空間的な広がりを面積と立体角の積(エテンデュー)として表すことができる。上記エテンデューは、照明光学系透過の前後で保存されるという傾向がある。一般に、空間光変調装置は、有効に変調可能な光の取り込み角度に限りがあるため、これを照明する場合は立体角の小さい光束で照明する必要がある。つまり、空間変調装置上におけるエテンデューは小さい方が望ましい。 In recent years, as a light source of an illuminating device, a solid light emitting element light source such as an LED or an organic EL, in particular, a surface emitting light source that emits light from a planar light emitting region is increasing. The amount of light emitted by these surface-emitting light sources has been remarkably improved, and it is also considered to use a surface-emitting light source for the light source device of the projection type image display device. In this case, it is necessary to consider not only the light emission efficiency of the light source but also the light use efficiency in the optical system including the spatial light modulator and the projection lens. In an optical system including a light source and a liquid crystal light valve, a spatial spread in which a light beam that can be effectively handled exists can be expressed as a product of an area and a solid angle (etendue). The etendue tends to be stored before and after transmission through the illumination optical system. In general, a spatial light modulator has a limited light capture angle that can be effectively modulated. Therefore, when illuminating this, it is necessary to illuminate with a light beam having a small solid angle. That is, it is desirable that the etendue on the spatial modulation device is small.
しかし、面光源から放射される光は一般に大きな拡散角で発光しており、かつ発光面積が大きいことから、放射される光束のエテンデューは大きくなる傾向がある。前述した通り、一般にエテンデューは照明光学系の前後で保存されるため、面発光光源を使用した場合、照明する空間光変調装置上でのエテンデューも大きくなってしまうことになる。つまり、空間光変調装置を照明する光は光束の立体角が大きくなるか、照明面積が大きくなることになる。前者の場合は空間光変調装置の有効な光取り込み角度特性に対して無駄が発生し、後者の場合は空間光変調装置の有効表示領域からはみだす光が増えてやはり無駄が発生するため、いずれにしても照明効率が低下することがわかる。 However, the light emitted from the surface light source generally emits light with a large diffusion angle and has a large light emitting area, so that the etendue of the emitted light beam tends to increase. As described above, since the etendue is generally stored before and after the illumination optical system, when a surface emitting light source is used, the etendue on the spatial light modulation device to be illuminated becomes large. That is, the light that illuminates the spatial light modulation device has a larger solid angle of the light beam or an increased illumination area. In the former case, waste is generated with respect to the effective light taking-in angle characteristic of the spatial light modulator, and in the latter case, the light that protrudes from the effective display area of the spatial light modulator is increased, resulting in waste. However, it turns out that illumination efficiency falls.
そこで大面積光源を用いたときの照明効率の向上が課題となる。 Therefore, improvement of illumination efficiency when a large area light source is used becomes a problem.
この問題に対応した解決手段が提案されている。 A solution corresponding to this problem has been proposed.
面光源からの光をすべて一括して平行化する方法がよく知られている。特許文献1ではメニスカスレンズと非球面レンズを用いて平行化する方法が提案されている。また、特許文献2のようにCPCと呼ばれる凹面鏡を用いて平行化する方法も提案されている。CPC凹面鏡にはリング状に焦点の軌跡ができる。特許文献2では面光源の端面とを一致させている。これにより、面光源上の全ての点、特に周辺部が焦点から光が出ているように近似して、光源の光を平行化している。しかし、上記エテンデューの関係から光源装置の大きさと平行度はトレードオフのため、指向性が良くなれば、その分光束径が大きくなる。逆に小さくしようとすれば指向性が悪くなる。よって、大面積光源を用いた時の照明系の光利用効率の向上は難しい。さらに、特許文献2の方法では、光源の中央ほど焦点からの位置ズレ量が大きくなる。このため、光源が大きいほど中心での焦点からのズレ量が大きくなり平行度が悪くなる。
A method of collimating all the light from the surface light source at once is well known.
また、別の方法として凹面鏡とレンズを同時に用いて面光源からの光を平行化する光学系がある。(特許文献3)光源からの光束を二つの素子に分配することにより、個々の光学系に入射する光束のエテンデューを抑制することができる。 As another method, there is an optical system that collimates light from a surface light source using a concave mirror and a lens simultaneously. (Patent Document 3) By distributing a light beam from a light source to two elements, etendue of a light beam incident on each optical system can be suppressed.
特許文献3の構成例では、凹面鏡とレンズを用いている。
In the configuration example of
凹面鏡は面光源の法線に対して大きな角度を持って放射される光束を取り込む放物面鏡となっていて、面光源の中心点と放物面鏡の焦点が一致するように配置される。 The concave mirror is a parabolic mirror that takes in a light beam emitted at a large angle with respect to the normal of the surface light source, and is arranged so that the center point of the surface light source coincides with the focal point of the parabolic mirror. .
一方、レンズは面光源の法線に対して小さな角度を持って放射される光束を取りこみ、面光源の中心に集光素子の焦点を一致させるように配置する。このように、上記特許文献3においては光源から放射される光束の発散角に応じて、集光光学系を異ならせて個々の光学系に入射する光束のエテンデューを抑制している。
On the other hand, the lens takes in a light beam emitted at a small angle with respect to the normal of the surface light source, and is arranged so that the focal point of the light collecting element coincides with the center of the surface light source. As described above, in
しかしながら、上記の構成例では面光源の中心を基準とした設計が行われているので、実際には性能の劣化が発生する。図18はこのことの説明図である。面光源101の中央から出た光は集光レンズ102の焦点位置から出た光なので、レンズに入射すると光軸に平行になる。このとき集光レンズ102には面光源101の中央から出た光のうち光軸となす角度がθ1以下の光が入射する。一方光源の周辺部から出た光については、θ1より大きい角度θ2の光軸となす角を持った光も集光レンズ102に入射する。これにより、集光レンズ102に入射する光の光軸となす角の最大値はθ2(>θ1)となる。よって、光の光線は光軸と平行にはなりえない。特許文献2において、集光レンズを透過した光は以上の理由から平行度が悪くなる。
However, in the above configuration example, the design is performed with the center of the surface light source as a reference, so that performance actually deteriorates. FIG. 18 is an explanatory diagram of this. Since the light emitted from the center of the surface light source 101 is emitted from the focal position of the
また屈折光学系を用いて光源から出た光を発散角で分離する方法が提案されている。(特許文献4)屈折光学系は円錐もしくは角錐型をしており、底面から光源からの光を全て取り込む。光線はそのなかで全反射をする光と透過する光に分かれる。透過した光は屈折光学系から出る時に偏向され屈折光学系の周辺に設置された反射部で前面に反射される。全反射した光は全反射を繰り返し、光軸方向を基準とした発散角全反射のたびに大きくなっていく。そして側面に対する角度が臨界角より小さくなった時点で、光は屈折素子の側面から出射する。したがって、出射した時点の光の出射角は、ほぼ同じ角度である。上記屈折光学系の外側に配置された凹面鏡の光軸に対する傾斜角は左記発散角に対して調整されているので、この光が上記凹面鏡あたると、光線は光軸に対して平行化される。 A method of separating light emitted from a light source by a divergence angle using a refractive optical system has been proposed. (Patent Document 4) The refractive optical system has a conical or pyramidal shape, and takes in all the light from the light source from the bottom surface. The light beam is divided into light that is totally reflected and light that is transmitted. The transmitted light is deflected when it exits the refractive optical system, and is reflected to the front surface by a reflection unit installed around the refractive optical system. The totally reflected light repeats total reflection, and increases with every divergence angle total reflection with respect to the optical axis direction. And when the angle with respect to a side surface becomes smaller than a critical angle, light radiate | emits from the side surface of a refractive element. Therefore, the emission angle of the light at the time of emission is substantially the same angle. Since the inclination angle with respect to the optical axis of the concave mirror arranged outside the refractive optical system is adjusted with respect to the divergence angle shown on the left, when this light hits the concave mirror, the light beam is made parallel to the optical axis.
しかし、上記屈折光学系から光が出射する領域は大きくなりがちで、実質的に光源の大きさはあまり小さくならない。光源面積が大きくなると、その後の発散角を抑制することが困難になり、光利用効率が低下してしまう。 However, the region where light is emitted from the refractive optical system tends to be large, and the size of the light source is not substantially reduced. As the light source area increases, it becomes difficult to suppress the subsequent divergence angle, and the light utilization efficiency decreases.
このように、大面積の面光源を照明光学系の光源に用いると、有効に光を利用することが困難であるという問題がある。本発明は、上記の問題を解決する手段を提供し、例えば大面積面光源を用いてもなお、高い照明効率が得られる照明装置を提供する。
上述した課題を解決するために、本発明の光源装置は、光を放射する光源と、光束分離手段と、第1の集光光学系と、第2の集光光学系とを有し、前記光源の発光面中心を通る法線を光軸とするとき、前記光束分離手段は前記光源から入射する光束のうち、前記光軸に対する角度が小さい光束を透過し、前記光軸に対する角度が大きい光束を少なくとも1回以上全反射する光学素子であって、前記第1の集光光学系は、前記光束分離手段を透過した光束を1点に集光する作用を有し、前記第2の集光光学系は、前記光束分離手段にて少なくとも1回以上全反射した光束を1点に集光する作用を有することを特徴とする光源装置とすることである。 In order to solve the above-described problem, a light source device of the present invention includes a light source that emits light, a light beam separating unit, a first light collecting optical system, and a second light collecting optical system, When the normal passing through the center of the light emitting surface of the light source is the optical axis, the light beam separating means transmits a light beam having a small angle with respect to the optical axis and a light beam having a large angle with respect to the optical axis. The first condensing optical system has a function of condensing the light beam that has passed through the light beam separating means at one point, and the second condensing optical system. The optical system has a function of condensing a light beam totally reflected at least once by the light beam separating means at one point.
本発明を実施することにより、大面積光源を用いても光源から発せられた光をより角度分散の少ない状態で平行化でき、その結果プロジェクターの照明装置に使用する場合に高い照明効率を得ることができる。 By implementing the present invention, even if a large area light source is used, the light emitted from the light source can be collimated with less angular dispersion, and as a result, high illumination efficiency can be obtained when used in a projector illumination device. Can do.
次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。 Next, details of the present invention will be described in accordance with the description of the embodiments.
以下図面を参照して本発明に関わる実施の形態を詳細に説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1は本発明にかかる光源装置の構成例を示している。1は面光源を示しており、そこから放射される光を全て光束分離手段2に取り込んでいる。面光源1としてはいわゆる固体発光素子である発光ダイオード、有機EL、半導体レーザを用いることができる。図1中の一点鎖線は面光源1の中心を通り発光面と垂直な直線であり、これを光軸と定義する。5は光源から出た光のうち、光軸となす角の小さいものを平行化する集光レンズであり、4は光軸となす角の大きいものを平行化する凹面鏡である。光束分離手段2の詳細について図2を用いて説明する。光束分離手段2は光源に平行な2つの底面を有し、その回転中心軸が前記光軸に一致するような円柱体から円錐体をくりぬいた形状となっている。この円錐体は前記円柱の上面上に底面が配置され、前記光軸上の円柱の2つの底面間の領域に頂点を有するような円錐体であって、これを前記円柱体からくり抜くと図2の2のような形状となる。このとき光束分離手段2を構成する面は、面光源1の発光面に正対する第1面、光源面から遠い側の第2面、これら両者に隣接する側面(図中の点線で示した面)の3種類となる。
FIG. 1 shows a configuration example of a light source device according to the present invention.
また導光体3は図1に示すように光束分離手段2に隣り合う形で配置される。2の側面と密着した面を光入射端面3aとし、この入射端面から入射した光をこれよりも前記光軸から離れた光出射端面3bまで導光する。このとき光出射端面3bの面積は光入射端面3aの面積よりも小さくなっている。さらに、上記光出射端面3bの面積を光源1の面積を比較すると後者の方が小さくなっている。導光体3を構成する面のうち光入射端面3aと光出射端面3b以外の面は内部の光を反射して導光する導光面として作用する。なお、導光体3と光束分離手段2は一体化していても分離していても良い。一体化した場合は素子の製造工程短縮、コスト低減につながるという利点が存在し、分離した場合は表面へのコーティング処理などを個別に最適化できるという利点が存在する。図3と図4を用いて光束分離手段2と導光体3内での面光源1から発せられた光の振る舞いを説明する。
The
図3において2に入射した光は入射角の大きい光のみが2で全反射される。ここで全反射されずに透過した光を光束(A)、全反射した光を光束(B)とする。ここで光が光束(A)にはいるか、(B)に入るかは、光源1での発光点によらず、光の光軸となす角のみによる。光軸となす角が小さい光は(A)、大きい光は(B)となる。光束(B)は図4のように光入射端面3aより3に入射し、光出射端面3bから出射する。3では光軸方向に光束を圧縮する。3bから出射した光は、凹面鏡4で平行化される。次に図5と図6を用いて、導光体3と凹面鏡4の関係について説明する。図5は光軸を含む平面による断面図である。導光体3の光出射端面3bは光源より小さくなり、そこから光が出射される。ここで3bの中心の位置を焦点とする放物線を考えると、3bから出た光は放物線によって光軸方向に平行化される。ここで放物線を光軸周りに回転させた回転体を考えると、図6のようになる。このとき焦点は図中4aのようにリング状に分布する。すると光出射端面3bから出射された光は全て凹面鏡4で光軸に対して平行化される。このとき図6の凹面鏡4は特許文献2で開示されているCPCと呼ばれる複合二次曲面形状の反射体となっている。本実施例では、光束分離手段2の光出射端面部3bが、リング状の二次光源となっており、上記焦点4aと空間的に一致させる。さらに、光出射端面3bの面積を面光源1より小さくすることで凹面鏡4の焦点位置からのズレ量が低減し凹面鏡4による平行度が向上する。導光体3は透明な光学材料などで構成することができるが、導光体内の全反射のみで光を3bまで導こうとすると光が外部に漏れだすことがあるので3の導光面には反射膜を形成しておくことが望ましい。
In FIG. 3, only the light having a large incident angle is totally reflected by 2. Here, the light transmitted without being totally reflected is referred to as a light beam (A), and the light that is totally reflected is referred to as a light beam (B). Whether the light is in the light beam (A) or enters (B) depends on only the angle formed with the optical axis of the light, regardless of the light emitting point of the
一方、光束分離手段2を透過した光束(A)は図1の集光レンズ5を用いて平行化する(集光レンズ5の光学的主平面と面光源1の発光面とは集光レンズ5の焦点距離だけ離れている)。このとき光束分離手段2の前述したような作用により、光軸となす角が大きい光はレンズに入射しないため入射光の立体角は小さく抑制される。このことによりエテンデューが低減しレンズによる光束の平行度が向上する。
On the other hand, the light beam (A) transmitted through the light beam separating means 2 is collimated by using the condensing
本実施例では、光源から出た光は光束分離手段2aの二つの面のなす角と、光束分離手段2の屈折率の二つのパラメータにより、面光源1の発光点の位置に関係なく光線を光軸となす角で分離できる。よって平行化手段に平行化能力を超えた光を入射することがなくなる。よって、光束の平行度が向上し照明系の効率が向上する。
In this embodiment, the light emitted from the light source emits a light beam regardless of the position of the light emitting point of the
以上に述べたような構成により本実施例では面光源からの光を角度分散が少ない平行光に変換することができる。 With the configuration described above, in this embodiment, light from a surface light source can be converted into parallel light with little angular dispersion.
また、本発明の望ましい形態によれば、3の壁面に反射フレネル構造を形成することが望ましい。図7は光軸を含む平面での3の断面図であり、図中の点線Lは出射端面3bの中心を通り、光軸に下ろした法線である。通常導光部の幅が狭くなると、導光部の壁に反射する毎に発散角が大きくなる。発散角が90°を超えると、光は導光部を逆に進み、光源方向に戻ってしまう。そこで、局所構造として2bの壁面に3cのような反射フレネル構造をつくる。3cの光線を反射する面は、光の出射側に向かって広がる向きに傾斜している。このため、光軸に対してθ3の角度で入射した光線は、上記反射面で反射した後θ3’(<θ3)となる。これにより、反射フレネル構造がない時の光の反射角よりも発散角を小さくして光が戻るのを防ぐことが望ましい。また出射口3bにおいては拡散面を設ける。これにより光線が出射口に臨界角以上の角度で入射した時光束が戻るのを防ぐ効果がある。
Moreover, according to the desirable form of this invention, it is desirable to form a reflective Fresnel structure on the three wall surfaces. FIG. 7 is a cross-sectional view of 3 on a plane including the optical axis, and a dotted line L in the drawing is a normal line passing through the center of the
また、光束分離手段2の側面の面積が光源1の面積に比べて十分小さい場合、図8のように導光体3がなくても、凹面鏡4で平行化された光の平行度は、光源を焦点に置いたときに比べて向上する。したがって導光体3がなくても平行度が向上するように設計することができる。このときは、光束分離手段2の光軸を含む平面での断面を考えた時、最も光軸から離れた辺を二等分する位置を焦点とする放物線を光軸周りに回転させて凹面鏡4の形状を決める。
Further, when the area of the side surface of the light beam separating means 2 is sufficiently smaller than the area of the
なお、本実施例では光源1から発せられた光を平行化する光源装置の構成例を記載しているが、この光源装置を応用する状況に応じて、平行光束以外の光束を出射するような光源装置を構成することもできる。
In addition, although the present Example has described the structural example of the light source device which collimates the light emitted from the
例えば、凹面鏡4として断面が放物線となる形状のものを用いる代わりに断面が楕円形状のものを用い、その一方の焦点を前記光出射端面部3bに一致させて配置すれば、光出射端面部3bから出射する発散光束を楕円鏡のもう一方の焦点位置に収束させることができる。集光レンズ5についても同様で、上記の構成例では光源1の中心点から放射される光束を平行化するような配置としたが、集光レンズ5の光学的主平面と面光源1の発光面との距離を調整することで、集光レンズ5から有限距離離れた点に収束する光束を発生させることもできる。
For example, instead of using the
図9から図12を用いて第二の実施例について説明する。 A second embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施例では、図9のように光束分離手段2の側面を光軸周りに六等分する。等分された側面ごとに、光軸から遠ざかるほど正対する面同士の間隔が単調に減少する先細り形状のロッドレンズ状導光体3をつける。このような導光体3を用いることによって、光出射端面にできる光源像を光軸方向のみではなく光軸に垂直な方向にも圧縮する。導光体3の導光面には、実施例1同様に光束分離手段2の中央から入射した光が2に戻らないように反射フレネル構造を形成する。フレネル構造を形成することにより大部分のエネルギーが光出射端面3bに集まる(図10)。このとき光出射端面3bは光源1の面積の六分の1より小さくなるようにする。光出射端面3bから出た光を平行化する手段として凹面鏡4をもちいる。図11に導光体3と凹面鏡4の設置方法を示す。本実施例の凹面鏡4は放物面形状をしている。凹面鏡4の焦点4aと光出射端面3bの中心を一致させる。これにより、二次光源を焦点近傍に設置したことになる。さらにこの二次光源の面積を光源1の面積の六分の一より小さくしたことで、焦点位置からの位置ズレ量が減少し、光源1を焦点においた時に比べて平行度が向上する。実施例1では光軸方向のみ光源像を圧縮したが、本実施例では、それに垂直な方向にも光源像を圧縮する。それにより、焦点からのズレ量が実施例1よりさらに減少し、光軸に対する光線の平行度も向上する。また、導光体3と凹面鏡4を六等分された他の5つの側面に対しても同様に設置する。(図12)
以上の構造をとることにより、光束の平行度が向上し、照明系の光利用効率が向上する。
In this embodiment, as shown in FIG. 9, the side surface of the light beam separating means 2 is divided into six equal parts around the optical axis. For each equally divided side surface, a tapered rod lens-shaped
By adopting the above structure, the parallelism of the light flux is improved, and the light utilization efficiency of the illumination system is improved.
また、本実施例においても、光源1から発せられた光を平行化するのみではなく光軸正方向の点に集光させる機能を持たせても良い。
Also in the present embodiment, the light emitted from the
実施例3の詳細な実施方法を図13から図14を用いて説明する。図13のように実施例1や2の光束分離手段2を透過した光は、光束分離手段2の面を透過することで、2への入射角θ4より出射角θ4’が大きくなっている。これは光束分離手段2が光源から入射した光に対して負の屈折力を持っているためである。そこで図14のように出射角をθ4と等しくする補正素子6を光束分離手段2の光軸正方向に中心線を一致させる。さらに光束分離手段2と補正素子6の間に空気層を置いて2の光軸正方向に設置する。補正素子6は、2と対向する面が平行で頂点が光軸負の方向を向いた円錐状形状をしている。補正素子6の材料が2と同じとき、出射面である円錐の底面と、光束分離手段2の光源と正対している面を平行にすると、角度分布は光源から出射されたときの分布に戻る。よって光束分離手段2を透過した光の集光レンズ5への入射角が補正素子6がない時に比べて小さくなる。補正素子6を透過した光を実施例1と同じ集光レンズで平行化すると平行度が向上する。
The detailed implementation method of Example 3 is demonstrated using FIGS. 13-14. As shown in FIG. 13, the light transmitted through the light
ちなみに、本実施例では光束分離手段2の面光源に正対する第1面が平面であるとした。(ここで第1面は、面光源の光束分離手段2のなかで最も面光源に近い面とする。)しかしこの面は光束分離には関与しないので、発光面に平行な平面である必要はなく、光源1で発せられる光の全てもしくは大部分を取り込めれば曲面であっても良い。図15にその例を示す。光束分離手段2は被照射面の中央が光減免から遠い側の第二面との間隔が最も小さく、光軸から遠ざかるにつれて、光軸負の方向に傾いている。こうすることによって、面光源1より発せられる光をより確実に取り込むことができる。また、上記第1面によって光束は負の屈折率を受けるので、全反射面への入射角が第1面が平面の時より大きくなり全反射する光束の量が増加する。逆に図16のように光軸から遠ざかるにつれて光軸正方向に傾く形状であれば、全反射する光束量を減少させることができる。したがって凹面鏡4に向かう光束とレンズに向かう光束の比を制御するために2の第1面の形状を変化させることが有効である。こうした制御は凹面鏡4やレンズ5の性能とのバランスを考慮して最適化するとよい。
Incidentally, in the present embodiment, it is assumed that the first surface facing the surface light source of the light beam separating means 2 is a flat surface. (Here, the first surface is the surface closest to the surface light source in the light beam separating means 2 of the surface light source.) However, since this surface does not participate in the light beam separation, it needs to be a plane parallel to the light emitting surface. Alternatively, a curved surface may be used as long as all or most of the light emitted from the
図17は上記のように面光源1と光束分離手段2と凹面鏡4と集光レンズ5を用いて構成した光源装置7を用いて、投射型の画像表示装置(プロジェクタ−)を構成した例を示している。この画像表示装置は所望の画像情報を光学的な強度情報として表示可能なライトバルブを照明し、投射光学系を用いて拡大投影するものである。本実施例ではライトバルブとして透過型液晶表示装置8を用いている。この液晶表示装置8を上記光源装置7にて照明し、透過型液晶表示装置8上に表示された画像情報を投射光学系10にて拡大投影しることで観察者に良好な画像を観察せしめることができる。このように液晶表示装置8を使用する場合、一般に液晶表示装置を照明する場合、画像のコントラストは照明光の角度ばらつきが少なく、かつ垂直入射に近い方が高くなる。また、プロジェクターを構成するその他の光学素子の特性も、ある角度で入射する光のときに効率が最大化するよう最適化されていることが多い。我々が構成した光源装置7は、前述したように大面積の面光源を使用した場合でも光線の角度分散の少ない平行光を得ることができるので、上記の投射型の画像表示装置(投射型画像表示装置)用の光源装置として使用する場合、コントラストが高く明るい画像を得ることができる。
FIG. 17 shows an example in which a projection-type image display device (projector) is configured by using the light source device 7 configured by using the
1 面光源
2 光束分離手段
3 導光体
3a 光入射端面
3b 光出射端面
3c 反射フレネル
4 凹面鏡
4a 焦点
5 集光レンズ
6 補正光学素子
7 光源装置
8 透過型液晶表示装置
10 投射光学系
101 面光源
102 集光レンズ
DESCRIPTION OF
Claims (20)
第1の集光光学系と、第2の集光光学系とを有し、
前記光源の発光面中心を通る法線を光軸とするとき、
前記光束分離手段は前記光源から入射する光束のうち、
前記光軸に対する角度が小さい光束を透過し、
前記光軸に対する角度が大きい光束を少なくとも1回以上全反射する光学素子であって、
前記第1の集光光学系は、前記光束分離手段を透過した光束を1点に集光する作用を有し、前記第2の集光光学系は、前記光束分離手段にて少なくとも1回以上全反射した光束を1点に集光する作用を有することを特徴とする光源装置。 A light source that emits light, a beam separation means,
Having a first condensing optical system and a second condensing optical system;
When the normal line passing through the center of the light emitting surface of the light source is the optical axis,
The luminous flux separating means is a luminous flux incident from the light source,
Transmits a light beam having a small angle with respect to the optical axis,
An optical element that totally reflects a light beam having a large angle with respect to the optical axis at least once,
The first condensing optical system has a function of condensing the light beam transmitted through the light beam separating unit at one point, and the second condensing optical system is performed at least once by the light beam separating unit. A light source device having a function of condensing a totally reflected light beam at one point.
前記光源からの光を透過する第1面と
前記第1面を透過した光を、その入射角に応じて選択的に全反射または透過する第2面と、
前記第1面と前記第2面の両方に隣り合う側面の3種類の面を有し、
前記第2面は前記光軸との交点位置で前記光源の発光面に最も近くなり、
前記側面との交線位置で前記発光面から最も遠くなるような傾斜を持っていることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。 The light beam separating means is made of an optically transparent optical material,
A first surface that transmits light from the light source; a second surface that selectively reflects or transmits light transmitted through the first surface according to an incident angle thereof;
Having three kinds of surfaces, side surfaces adjacent to both the first surface and the second surface;
The second surface is closest to the light emitting surface of the light source at the intersection with the optical axis;
The light source device according to claim 1, wherein the light source device has an inclination that is farthest from the light emitting surface at a position of a line of intersection with the side surface.
前記光源からの光を透過する第1面と
前記第1面を透過した光を、その入射角に応じて選択的に全反射または透過する2面と、前記第1面と前記第2面の両方に隣り合う側面の3種類の面を有し、
前記第2面は前記光軸との交点位置で前記第1面に最も近くなり、
前記側面との交線位置で前記第1面から最も遠くなるような傾斜を持っていることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。 The light beam separating means is made of an optically transparent optical material,
A first surface that transmits light from the light source; two surfaces that selectively or totally reflect light transmitted through the first surface according to an incident angle; and the first surface and the second surface. It has three types of side surfaces adjacent to both sides,
The second surface is closest to the first surface at the intersection with the optical axis;
2. The light source device according to claim 1, wherein the light source device has an inclination that is farthest from the first surface at a position of a line of intersection with the side surface.
請求項1に記載の光源装置。 The light source device according to claim 1, wherein the light beam separating unit has a rotationally symmetric shape about the optical axis.
前記光源の発光面に平行な底面を有する円柱体から、
前記光軸上の前記円柱体の2つの底面にはさまれた領域内に頂点を有し、
前記円柱体の光源から遠い側の底面上に底面を配置した円錐体部分をくりぬいた形状となっていることを特徴とする請求項4に記載の光源装置。 The light beam separating means includes
From a cylinder having a bottom surface parallel to the light emitting surface of the light source,
Having a vertex in a region sandwiched between two bottom surfaces of the cylindrical body on the optical axis;
5. The light source device according to claim 4, wherein the light source device has a shape in which a conical portion having a bottom surface disposed on a bottom surface far from the light source of the cylindrical body is hollowed out.
前記光束分離手段の前記側面と前記光入射端面が一致しており、
前記光出射端面は前記光入射端面よりも光軸から遠い位置にあり、
前記光出射端面の総面積は前記光入射端面の総面積よりも小さいことを特徴とする導光体を備えていることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。 A light guide having a light incident end face, a light exit end face, and a light guide face adjacent to these two faces,
The side surface of the light beam separating means is coincident with the light incident end surface,
The light exit end face is located farther from the optical axis than the light incident end face;
The light source device according to claim 1, further comprising a light guide having a total area of the light emitting end surface smaller than a total area of the light incident end surface.
前記光源の発光面の総面積よりも小さいことを特徴とする請求項6に記載の光源装置。 The light source device according to claim 6, wherein a total area of the light emitting end surface is smaller than a total area of a light emitting surface of the light source.
前記光入射端面の前記光軸に平行な方向の長さよりも小さいことを特徴とする請求項6に記載の光源装置。 The light source device according to claim 6, wherein a length of the light emitting end face in a direction parallel to the optical axis is smaller than a length of the light incident end face in a direction parallel to the optical axis.
前記複数の導光体の個々の光出射端面の面積は
前記複数の導光体の個々の光入射端面の面積よりも小さいことを特徴とする請求項6に記載の光源装置。 The light guide is divided into a plurality of parts,
The light source device according to claim 6, wherein an area of each light emitting end face of the plurality of light guides is smaller than an area of each light incident end face of the plurality of light guides.
前記光軸を含む平面による断面形状が放物線となっており、
その放物線の焦点位置が前記導光体の光出射面の中心点に一致していることを特徴とする請求項6に記載の光源装置。 The second condensing optical system is a concave mirror,
A cross-sectional shape by a plane including the optical axis is a parabola,
The light source device according to claim 6, wherein a focal position of the parabola coincides with a center point of a light emitting surface of the light guide.
前記光軸を軸とした回転対称形状であることを特徴とする請求項11に記載の光源装置。 The light source device according to claim 11, wherein the second condensing optical system has a rotationally symmetric shape with the optical axis as an axis.
前記光軸と前記複数の導光体の光出射端面の中心点を含む平面による断面形状がそれぞれ放物線となっており、
前記各放物線の焦点位置が前記複数の導光体の光出射面の中心点にそれぞれ一致していることを特徴とする請求項10に記載の光源装置。 The second condensing optical system is the same number of concave mirrors as the plurality of light guides,
The cross-sectional shape by the plane including the center point of the light emitting end face of the optical axis and the light guides is a parabola,
The light source device according to claim 10, wherein a focal position of each parabola coincides with a center point of a light emitting surface of each of the plurality of light guides.
前記光軸に平行で前記複数の導光体の光出射端面の各中心点を通る直線を軸とした回転対称形状であることを特徴とする請求項13に記載の光源装置。 The second condensing optical system has a rotationally symmetric shape about a straight line passing through each center point of the light emitting end faces of the plurality of light guides parallel to the optical axis. The light source device described.
前記光源装置から出射する照明光が照射されるライトバルブと、
前記ライトバルブ上に形成された画像をスクリーンに拡大投影する投射光学系を有することを特徴とする投射型画像表示装置。 The light source device according to any one of claims 1 to 19,
A light valve irradiated with illumination light emitted from the light source device;
A projection type image display apparatus comprising: a projection optical system that enlarges and projects an image formed on the light valve onto a screen.
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2008
- 2008-12-11 JP JP2008315700A patent/JP2010140745A/en active Pending
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