JP2004326000A - Illumination device and projection type display device - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an illumination device capable of efficiently utilizing luminous flux emitted from a light source. <P>SOLUTION: A lens 30 for converting a beam which is not made incident on a reflector 20 out of beams emitted from the light source 10 into parallel light is formed so as to satisfy the expression (1) and arranged so that the front side focal position of the lens 30 coincides with the focal position of the reflector 20. Provided that L is the radius of the lens 30, f2 is the focal distance of the lens 30, Ymax is the maximum radius of the reflector 20, Xmax is the maximum depth of the reflector 20, and f1 is the first focal distance of the reflector 20. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

を満たすように形成され、前記レンズの前側焦点位置を前記凹面鏡の第１焦点位置に一致させて、前記レンズが配置されていることを特徴とする。ただし、Ｌは前記レンズの半径であり、ｆ２は前記レンズの焦点距離であり、Ｙｍａｘは前記凹面鏡の最大半径であり、Ｘｍａｘは前記凹面鏡の最大深さであり、ｆ１は前記凹面鏡の第１焦点距離である。
【０００９】
この構成によれば、光軸に対して所定角度以下の角度で光源から照射され、凹面鏡に入射しない光のすべてを、レンズに入射させて屈折により平行光に変換することができる。これにより、光源光の利用効率を向上させることができる。
【００１０】
また、前記凹面鏡の反射面形状は、
【数７】

を満たすように形成されていることが望ましい。ただし、Ｘは光軸方向の座標値であり、Ｙは凹面鏡の半径方向の座標値である。この構成によれば、光軸に対して所定角度以上の角度で光源から照射された光を、凹面鏡により反射させて平行光に変換することができる。したがって、光源から照射された光のすべてを平行光に変換することが可能になり、光源光の利用効率を向上させることができる。
【００１１】
また、前記レンズの半径Ｌは、
【数８】

を満たすように形成されていることが望ましい。ただし、βは光軸に対する前記光源の配光限界角度である。
また、前記光源は、光軸に対する配光限界角度が９０°程度の固体光源であり、前記レンズの半径Ｌは、
【数９】

を満たすように形成され、レンズの焦点距離ｆ２は、
【数１０】

を満たすように形成されていてもよい。
【００１２】
この構成によれば、光源の配光限界角度の近傍で光源から照射された光が、凹面鏡によって反射され平行光に変換された後に、後方に配置されたレンズに入射することがない。したがって、かかる光をレンズにより屈折させることなく平行光のまま出射することが可能になり、光源光の利用効率を向上させることができる。
【００１３】
一方、本発明に係る投射型表示装置は、上述した照明装置と、前記照明装置から照射された光が入射する光変調手段と、を備えたことを特徴とする。この構成によれば、上述した照明装置により光源光のすべてが平行光に変換されるので、光源光のほとんどすべてを画像表示に利用することができる。したがって、画像の輝度を確保することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１５】
［照明装置］
図１は、本実施形態に係る照明装置の側面断面図である。本実施形態に係る照明装置１は、主に、光源１０と、光源１０から照射された光を反射して平行光に変換するリフレクタ（凹面鏡）２０と、光源１０から照射された光を屈折させて平行光に変換するレンズ３０とによって構成されている。
【００１６】
光源１０として、ハロゲンランプやメタルハライドランプ、高圧水銀ランプなどを用いてもよいが、発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）素子等の固体光源を用いてもよい。ＬＥＤ素子は、主に、ｐ型半導体およびｎ型半導体を接合したＬＥＤチップと、Ａｌ等の導電材料からなる一対の電極と、樹脂等の透明材料からなるパッケージとによって構成されている。ＬＥＤチップの一方端面は、一対の電極のうち一方の電極の上面に面接合されている。また、ＬＥＤチップの他方端面と、一対の電極のうち一方の電極の上面とは、ワイヤボンディングによって接続されている。そして、一対の電極およびＬＥＤチップの全体が、パッケージによって密閉封止されている。このパッケージは、全体をエポキシ等の熱硬化性樹脂によって形成してもよいし、固体カバーの内部にジェル等を注入して形成してもよい。なお、一対の電極からパッケージの外部にリードフレームが引き出され、外部からの通電が可能になっている。
【００１７】
ＬＥＤは、接合部に電流が流れると光を放射するダイオードである。単純なホモ接合構造のＬＥＤは、ｐ型半導体およびｎ型半導体の結晶が同じ材料で構成されたものである。ホモ接合構造のＬＥＤに順バイアス電圧を印加すると、ｎ型半導体の電子がｐ型半導体に移動し、エネルギーの高い伝導帯からエネルギーの低い価電子帯に落ちて正孔と再結合する。その際に失われるエネルギーが光として放出され、ＬＥＤが発光する。なお、放出される光の色は伝導帯と価電子帯のエネルギー差（バンドギャップ）に左右され、バンドギャップは使用する半導体材料によって決定される。たとえば、ＡｌＧａＡｓ等を使用すれば赤色に発光し、ＧａＰ等を使用すれば緑色に発光し、ＩｎＧａＮ等を使用すれば青色に発光する。このように、ＬＥＤは単色光源となる。
【００１８】
なお、ホモ接合構造のＬＥＤでは発光効率が低いため、光源１０にはダブルへテロ接合構造や量子井戸接合構造のＬＥＤを採用するのが好ましい。ダブルへテロ接合構造のＬＥＤは、ｐ型半導体およびｎ型半導体の間に、バンドギャップの小さい活性層を挟み込んだものである。ダブルへテロ接合構造のＬＥＤに順バイアス電圧を印加すると、電子および正孔は活性層に閉じ込められて密度が高くなる。これにより、効率よく再結合が行われて高い発光効率を得ることができる。また、量子井戸接合構造のＬＥＤは、ｐ型半導体およびｎ型半導体の間に、電子の波長（約１０ｎｍ）程度に薄い複数の半導体層を挟み込んだものである。量子井戸接合構造のＬＥＤに順バイアス電圧を印加すると、所定のエネルギーを有する電子および正孔のみを接合領域に集めることができる。これにより、効率よく再結合が行われて高い発光効率を得ることができる。また、波長幅が小さく単色に近い光を得ることができる。このように発光効率の高いＬＥＤを、プロジェクタ等の投射型表示装置の光源として採用することにより、画像の輝度を向上させるとともに、消費電力を低下させることができる。
【００１９】
光源１０の側方には、リフレクタ（凹面鏡）２０が配置されている。リフレクタ２０の内面は、光源からの光を反射しうるように鏡面状態とされている。ここで、図１に示すように、リフレクタ２０の基点（底点）を円筒座標系の原点にとり、光軸方向をＸ方向とし、リフレクタの半径方向をＹ方向とすれば、リフレクタの反射面形状は以下の式で表すことができる。
【数１１】

ただし、ｒはリフレクタの曲率半径であり、ｋはリフレクタの形状によって決まる定数である。なお、リフレクタの基点から前側（上流側）焦点までの距離をｆ１とすれば、リフレクタの形状を問わずｒ＝２・ｆ１が成立する。ただし、ｆ１はリフレクタの第１焦点距離であって、リフレクタの基点から第１焦点位置までの距離である。一方、リフレクタの形状として、集光作用を有する球面鏡や楕円鏡を採用することも可能であるが、反射光が平行光となるパラボラ型（放物面鏡）を採用するのが好ましい。このパラボラ型の場合には、上記定数はｋ＝−１となる。これらを上式に代入してＹについて整理すれば、パラボラ型リフレクタの反射面形状は、以下の式で表すことができる。
【数１２】

この式を満たすように、リフレクタ２０の反射面が形成されている。
【００２０】
そして、リフレクタ２０の第１焦点位置に、光源１０の発光部が配置されている。これにより、光源１０から照射されリフレクタ２０により反射された光は、光軸と平行な平行光になる。なお、ＬＥＤ素子などパッケージを備えた光源の場合には、パッケージがレンズ効果を発揮して虚像を結ぶ場合がある。この場合、パッケージのレンズ効果によってできる虚像がリフレクタ２０の第１焦点位置に一致するように、光源１０を配置すればよい。これにより、光源１０から照射されリフレクタ２０により反射された光は、上記と同様の平行光になる。
【００２１】
一般に、光源１０は光軸に対して所定の配光角度βの範囲に光を照射する。たとえば、ＬＥＤ素子の場合には、光軸に対して９０°の範囲内に光を照射する。そこで、光源１０の配光限界角度βより後方（下流側）のみにリフレクタ２０を設ければよい。この場合、リフレクタ２０の前方（上流側）には孔部２２が形成される。なお、この孔部２２を通してリフレクタ外部の空気が内部に流入し、光源１０が冷却される。これにより、光源１０の寿命を延長することができる。また、光源１０としてＬＥＤ素子を採用した場合には、ＬＥＤチップを冷却することにより発光効率を向上させることができる。
【００２２】
上述した孔部２２の形状について、図２を用いて説明する。図２は、配光限界角度βが９０°より小さい光源１０を採用した照明装置の側面断面図である。孔部２２の半径をＤとし、光源１０の発光部から孔部２２までの距離をａとして、数式１２に代入すれば、以下の両式が成立する。
【数１３】

【数１４】

さらに、数式１４のａを数式１３に代入して整理すれば、孔部２２の半径Ｄは以下の式で表すことができる。
【数１５】

特に、図１に示すように、配光限界角度βが約９０°の光源を採用した場合には、半径Ｄは以下の式で表される。
【数１６】

なお、配光限界角度βが９０°の場合には、光源１０の発光部の位置にリフレクタ２０の孔部２２が形成される。したがって、数式１６は、数１２のＸにｆ１を代入した場合と一致する。
【００２３】
一方、図１に示すように、光源１０の後方にはレンズ３０が配置されている。レンズ３０は、光源１０から放射状に照射された光を屈折させて平行光に変換するものである。したがって、レンズ３０には凸レンズ等の集光作用を有するレンズを採用する。このレンズ３０は、ガラスや樹脂等の透明材料からなるパイプ３５の後端に固定されている。また、パイプ３５の前端は、リフレクタ２０における孔部２２の周縁部に固定されている。このようにして、リフレクタ２０の内部にレンズ３０が固定されている。なお、パイプ３５は透明材料で形成されているので、光源１０から照射された光はパイプ３５を透過してリフレクタに入射する。したがって、光源１０からの光の利用効率を低下させることがない。
【００２４】
レンズ３０の焦点距離および半径の決定方法について、図３を用いて説明する。図３は、リフレクタ２０の孔部２２より小さいレンズ３０を採用した照明装置の側面断面図である。なお、孔部２２より小さいレンズ３０を採用した場合には、パイプ３５の後端に透明材料からなる支持部材３６を固着し、その支持部材３６の中央部にレンズ３０を固定する。
【００２５】
レンズ３０は、光源１０から放射状に照射された光のうち、リフレクタ２０に入射しない光を飲み込んで平行光に変換するものである。ここで、リフレクタに入射しない光が光軸に対してなす角度範囲をαとすれば、次式が成立する。
【数１７】

ただし、Ｙｍａｘはリフレクタ２０の最大半径であって出射側開口部の半径であり、Ｘｍａｘはリフレクタ２０の最大深さであって基点から出射側開口部までの距離である。また、角度範囲αに照射されたすべての光をレンズ３０に飲み込ませるには、レンズ３０の焦点距離ｆ２および半径Ｌが次式を満たすように、レンズ３０を形成すればよい。
【数１８】

また、数１７を数１８に代入すれば、次式が得られる。
【数１９】

上記のように形成したレンズ３０は、その前側焦点位置がリフレクタ２０の第１焦点位置に一致するように配置されている。
【００２６】
ところで、図３とは逆に、リフレクタ２０の孔部２２より大きいレンズを採用した場合について考えてみると、光源１０の配光限界角度βの近傍で光源１０から照射された光は、リフレクタ２０によって反射され平行光に変換された後に、後方に配置されたレンズに入射することになる。この場合、レンズに入射した光はレンズによって屈折させられるので、平行光を維持することができなくなる。そこで、次式に示すように、レンズ３０の半径Ｌをリフレクタ２０の孔部２２の半径Ｄ以下に形成するのが望ましい。
【数２０】

なお、リフレクタ２０の孔部２２の半径Ｄは数式１５で表される。これを言い換えれば、光源１０の配光限界角度βにおけるリフレクタ２０の半径以下となるように、レンズ３０の半径Ｌを形成することになる。この場合、リフレクタ２０によって反射された光は、レンズ３０に入射することがないので、平行光を維持することができる。したがって、光の利用効率を低下させることがない。
【００２７】
特に、図１に示すように、配光限界角度βが約９０°の光源を採用した場合であって、リフレクタ２０の孔部２２と同じ大きさのレンズ３０を採用した場合には、レンズ３０の半径Ｌは、数式１６を用いて次式で表される。
【数２１】

また、レンズ３０の焦点距離ｆ２は、数式１９を用いて次式で表される。
【数２２】

【００２８】
次に、本実施形態に係る照明装置の作用について、図１を用いて説明する。光源１０から放射状に照射された光のうち、光軸から角度αの範囲内に照射された光４０は、レンズ３０に入射する。レンズ３０は、この光４０を屈折させることにより平行光４１に変換して後方に出射させる。一方、光軸から角度αの範囲外に照射された光４２は、リフレクタ２０に入射する。リフレクタ２０は、この光を反射することにより平行光４３に変換して後方に出射させる。以上により、光源１０から照射された光をすべて平行光に変換して後方に出射させることができる。
【００２９】
図４に、照明装置の変形例を示す。この照明装置２では、エポキシ樹脂等の透明材料によってリフレクタ１２０およびレンズ１３０が一体形成されている。なお、リフレクタ１２０およびレンズ１３０の形状および形成位置は上記と同様である。ここで、屈折率の大きい材料から小さい材料に向かって、所定角度（全反射角）以上で光が入射した場合に、その光は両材料の境界面で全反射する。これにより、リフレクタ１３０は、光源１１０からの光１４２を反射して平行光に変換し、後方に出射させることができる。なお、上述した全反射角以内で光が入射した場合には、その光は両材料の境界面で屈折して境界面を透過する。これにより、レンズ１３０は光源１１０からの光１４０を屈折させて平行光に変換し、後方に出射させることができる。
【００３０】
以上に詳述したように、本実施形態に係る照明装置は、光源から照射された光のうち、リフレクタに入射しない光を平行光に変換するレンズを有し、そのレンズの焦点距離ｆ２および半径Ｌが、
【数２３】

を満たすように形成され、レンズの前側焦点位置をリフレクタの第１焦点位置に一致させて配置されている構成とした。この構成によれば、光軸に対して所定角度以下の角度で光源から照射され、リフレクタに入射しない光のすべてを、レンズに入射させて屈折により平行光に変換することができる。これにより、光の利用効率を向上させることができる。
【００３１】
また、前記リフレクタの反射面形状は、
【数２４】

を満たすように形成されている構成とした。この構成によれば、光軸に対して所定角度以上の角度で光源から照射された光を、リフレクタにより反射させて平行光に変換することができる。したがって、光源から照射された光のすべてを平行光に変換することが可能になり、光の利用効率を向上させることができる。
【００３２】
さらに、レンズの半径Ｌは、
【数２５】

を満たすように形成されている構成とした。この構成によれば、光源の配光限界角度の近傍で光源から照射された光が、リフレクタによって反射され平行光に変換された後に、レンズに入射することがない。したがって、かかる光をレンズにより屈折させることなく平行光のまま出射することが可能になり、光の利用効率を向上させることができる。
【００３３】
［投射型表示装置］
図５は、本発明に係る照明装置を備えたプロジェクタの説明図である。図中、符号５１２，５１３，５１４は照明装置、５２２，５２３，５２４は液晶ライトバルブ（光変調手段）、５２５はクロスダイクロイックプリズム（色光合成手段）、５２６は投写レンズ（投写手段）を示している。
【００３４】
図５のプロジェクタ５００は、本実施形態のように構成した３個の照明装置５１２，５１３，５１４を備えている。各照明装置５１２，５１３，５１４の光源には、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に発光するＬＥＤ素子が採用されている。なお、各照明装置の後方に、光源光の照度分布を均一化させるための均一照明系として、ロッドレンズやフライアイレンズを配置してもよい。
【００３５】
赤色光源５１２からの光束は、重畳レンズ５３５Ｒを介して反射ミラー５１７で反射され、赤色光用液晶ライトバルブ５２２に入射する。また、緑色光源５１３からの光束は、重畳レンズ５３５Ｇを介して緑色光用液晶ライトバルブ５２３に入射する。また、青色光源５１２からの光束は、反射ミラー５１６で反射され、重畳レンズ５３５Ｂを介して青色光用液晶ライトバルブ５２２に入射する。なお、各光源からの光束は重畳レンズを介することにより液晶ライトバルブの表示領域において重畳され、液晶ライトバルブが均一に照明される。
【００３６】
また、各液晶ライトバルブの入射側および出射側には、偏光板（不図示）が配置されている。そして、各光源からの光束のうち所定方向の直線偏光のみが入射側偏光板を透過して、各液晶ライトバルブに入射する。また、入射側偏光板の前方に偏光変換手段（不図示）を設けてもよい。この場合、入射側偏光板で反射された光束をリサイクルして各液晶ライトバルブに入射させることが可能になり、光の利用効率を向上させることができる。
【００３７】
各液晶ライトバルブ５２２，５２３，５２４によって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム５２５に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムが貼り合わされ、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成されてカラー画像を表す光が形成される。合成された光は投写光学系である投写レンズ５２６により投写スクリーン５２７上に投写され、拡大された画像が表示される。
【００３８】
上述したように、本実施形態に係る照明装置により光源光のすべてが平行光に変換されるので、光源光のほとんどすべてを画像表示に利用することができる。したがって、画像の輝度を確保することができる。また、液晶ライトバルブ等の光変調手段に対して垂直に近い角度で光束を入射させることができるので、光変調手段においてすべての光束を変調することができる。したがって、画像のコントラスト比を向上させることができる。
【００３９】
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る照明装置の側面断面図である。
【図２】配光限界角度が９０°より小さい光源を採用した照明装置の側面断面図である。
【図３】リフレクタ孔部より小さいレンズを採用した照明装置の側面断面図である。
【図４】変形例に係る照明装置の側面断面図である。
【図５】実施形態に係る照明装置を備えたプロジェクタの説明図である。
【図６】従来技術に係る照明装置の側面断面図である。
【符号の説明】
１０光源 ２０リフレクタ ３０レンズ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a lighting device and a projection display device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Projection display devices such as projectors are widely known, in which light emitted from an irradiation device is made incident on light modulation means such as a liquid crystal light valve, and image light emitted from the light modulation means is enlarged and projected on a screen by a projection lens or the like. Have been. FIG. 6A is a side sectional view of a lighting device according to the related art. The lighting device 100 is provided with a light source 110. Generally, the light source 110 emits light radially. Therefore, a reflector (concave mirror) 120 that reflects light emitted radially from the light source backward (downstream side) is provided on the side of the light source 110. Note that when the incident angle of light on the light modulation means such as a liquid crystal light valve increases, there arises a problem that the contrast ratio of an image decreases. Therefore, a parabolic reflector 120 in which the reflected light becomes parallel light is employed.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 10-31944 A
[Problems to be solved by the invention]
However, the light 140 emitted from the light source 110 at an angle equal to or greater than the predetermined angle α with respect to the optical axis enters the reflector 120, but the light 142 emitted at an angle equal to or less than the predetermined angle α does not enter the reflector 120. The light 142 that does not enter the reflector 120 travels radially straight and is not used for image display of the projection display device. Therefore, there is a problem that light use efficiency is low. Note that the intensity of light emitted from the light source tends to increase as the angle with respect to the optical axis decreases, and to decrease as the angle increases. Therefore, if the light irradiated at an angle equal to or less than the predetermined angle α with respect to the optical axis cannot be used, the light use efficiency is significantly reduced. Further, in a projection display device such as a projector, it is an important issue to secure luminance of an image projected on a screen. Therefore, a decrease in light use efficiency has a significant effect on the performance of the projection display device.
[0005]
On the other hand, Patent Document 1 discloses an illumination device using a concave lens. FIG. 6B is a side sectional view of the lighting device according to Patent Document 1. In the lighting device 200, the light emitting unit of the lamp 210 is arranged at the first focal position of the elliptical reflector 220. Further, a concave lens 230 is disposed between the first focal position and the second focal position of the reflector 220. Then, the light 240 emitted from the lamp 210 and reflected by the reflector 220 is incident on the concave lens 230 on the way to the second focal position, is refracted in the negative direction, and becomes substantially parallel light. On the other hand, light 242 emitted from the lamp 210 and directly incident on the concave lens 230 is emitted from the concave lens 230 as divergent light.
[0006]
However, the configuration of Patent Document 1 has a problem that an image of the light emitting unit cannot be formed at the front focal point of the concave lens 230 because the glass portion covering the light emitting unit of the lamp 210 has a lens effect. Further, since the light emitted from the lamp 210 and directly incident on the concave lens 230 is divergent light, there is a problem that the light use efficiency cannot be sufficiently ensured.
[0007]
The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to provide a lighting device that can efficiently use a light beam emitted from a light source.
It is another object of the present invention to provide a projection display device capable of securing the brightness of an image.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the lighting device according to the present invention is a lighting device in which a virtual image formed by a light emitting unit in a light source or a lens effect of a package in the light source is disposed at a first focal position of a concave mirror. Among the light emitted from the lens, a lens that converts light that does not enter the concave mirror into parallel light,
(Equation 6)

And the lens is arranged such that the front focal position of the lens coincides with the first focal position of the concave mirror. Where L is the radius of the lens, f2 is the focal length of the lens, Ymax is the maximum radius of the concave mirror, Xmax is the maximum depth of the concave mirror, and f1 is the first focal point of the concave mirror. Distance.
[0009]
According to this configuration, all the light emitted from the light source at an angle equal to or less than the predetermined angle with respect to the optical axis and not incident on the concave mirror can be incident on the lens and converted into parallel light by refraction. Thereby, the utilization efficiency of the light source light can be improved.
[0010]
Further, the reflecting surface shape of the concave mirror is
(Equation 7)

It is desirable that it is formed so as to satisfy the following. Here, X is a coordinate value in the optical axis direction, and Y is a coordinate value in the radial direction of the concave mirror. According to this configuration, light emitted from the light source at an angle equal to or larger than the predetermined angle with respect to the optical axis can be reflected by the concave mirror and converted into parallel light. Therefore, all of the light emitted from the light source can be converted into parallel light, and the efficiency of using the light source light can be improved.
[0011]
The radius L of the lens is
(Equation 8)

It is desirable that it is formed so as to satisfy the following. Here, β is the light distribution limit angle of the light source with respect to the optical axis.
Further, the light source is a solid-state light source whose light distribution limit angle with respect to the optical axis is about 90 °, and the radius L of the lens is:
(Equation 9)

And the focal length f2 of the lens is
(Equation 10)

May be formed.
[0012]
According to this configuration, the light emitted from the light source in the vicinity of the light distribution limit angle of the light source is not reflected on the concave mirror and converted into parallel light, and thereafter does not enter the lens disposed behind. Therefore, such light can be emitted as parallel light without being refracted by the lens, and the utilization efficiency of the light source light can be improved.
[0013]
On the other hand, a projection type display device according to the present invention includes the above-described illumination device, and light modulation means for receiving light emitted from the illumination device. According to this configuration, since all of the light from the light source is converted into parallel light by the above-described lighting device, almost all of the light from the light source can be used for image display. Therefore, the brightness of the image can be secured.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing used in the following description, the scale of each member is appropriately changed in order to make each member a recognizable size.
[0015]
[Lighting device]
FIG. 1 is a side sectional view of a lighting device according to the present embodiment. The lighting device 1 according to the present embodiment mainly includes a light source 10, a reflector (concave mirror) 20 that reflects light emitted from the light source 10 and converts the light into parallel light, and refracts light emitted from the light source 10. And a lens 30 that converts the light into parallel light.
[0016]
As the light source 10, a halogen lamp, a metal halide lamp, a high-pressure mercury lamp, or the like may be used, but a solid-state light source such as a light emitting diode (hereinafter, referred to as an LED) element may be used. The LED element mainly includes an LED chip in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are joined, a pair of electrodes made of a conductive material such as Al, and a package made of a transparent material such as a resin. One end surface of the LED chip is surface-bonded to the upper surface of one of the pair of electrodes. Further, the other end surface of the LED chip and the upper surface of one of the pair of electrodes are connected by wire bonding. The whole of the pair of electrodes and the LED chip is hermetically sealed by a package. This package may be formed entirely of a thermosetting resin such as epoxy, or may be formed by injecting gel or the like into the inside of the solid cover. In addition, the lead frame is drawn out of the package from the pair of electrodes, so that electricity can be supplied from the outside.
[0017]
LEDs are diodes that emit light when current flows through the junction. In an LED having a simple homojunction structure, p-type semiconductor and n-type semiconductor crystals are made of the same material. When a forward bias voltage is applied to an LED having a homojunction structure, electrons of the n-type semiconductor move to the p-type semiconductor, fall from a high-energy conduction band to a low-energy valence band, and recombine with holes. The energy lost at that time is emitted as light, and the LED emits light. Note that the color of emitted light depends on the energy difference (band gap) between the conduction band and the valence band, and the band gap is determined by the semiconductor material used. For example, red light is emitted when AlGaAs or the like is used, green light is emitted when GaP or the like is used, and blue light is emitted when InGaN or the like is used. Thus, the LED is a monochromatic light source.
[0018]
In addition, since the light emitting efficiency is low in the LED having the homo junction structure, it is preferable to adopt the LED having the double hetero junction structure or the quantum well junction structure as the light source 10. An LED having a double hetero junction structure has an active layer with a small band gap sandwiched between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. When a forward bias voltage is applied to an LED having a double hetero junction structure, electrons and holes are confined in the active layer and the density increases. Thereby, recombination is performed efficiently and high luminous efficiency can be obtained. In addition, an LED having a quantum well junction structure has a plurality of semiconductor layers that are thin at about the wavelength of electrons (about 10 nm) between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. When a forward bias voltage is applied to an LED having a quantum well junction structure, only electrons and holes having a predetermined energy can be collected in the junction region. Thereby, recombination is performed efficiently and high luminous efficiency can be obtained. Further, light with a small wavelength width and close to a single color can be obtained. By employing an LED having a high luminous efficiency as a light source of a projection display device such as a projector, the luminance of an image can be improved and the power consumption can be reduced.
[0019]
On the side of the light source 10, a reflector (concave mirror) 20 is arranged. The inner surface of the reflector 20 is mirror-finished so that light from a light source can be reflected. Here, as shown in FIG. 1, if the base point (bottom point) of the reflector 20 is set as the origin of the cylindrical coordinate system, the optical axis direction is set to the X direction, and the radial direction of the reflector is set to the Y direction, the reflection surface shape of the reflector Can be represented by the following equation.
(Equation 11)

Here, r is the radius of curvature of the reflector, and k is a constant determined by the shape of the reflector. Assuming that the distance from the base point of the reflector to the front (upstream) focal point is f1, r = 2 · f1 holds regardless of the shape of the reflector. Here, f1 is the first focal length of the reflector, which is the distance from the base point of the reflector to the first focal position. On the other hand, as the shape of the reflector, a spherical mirror or an elliptical mirror having a light condensing function can be used, but a parabolic mirror (parabolic mirror) in which reflected light is parallel light is preferably used. In the case of this parabolic type, the above constant is k = -1. By substituting these into the above equation and rearranging for Y, the reflecting surface shape of the parabolic reflector can be expressed by the following equation.
(Equation 12)

The reflecting surface of the reflector 20 is formed so as to satisfy this equation.
[0020]
The light emitting unit of the light source 10 is arranged at the first focal position of the reflector 20. Thereby, the light emitted from the light source 10 and reflected by the reflector 20 becomes parallel light parallel to the optical axis. In the case of a light source provided with a package such as an LED element, the package may exhibit a lens effect to form a virtual image. In this case, the light source 10 may be arranged so that the virtual image formed by the lens effect of the package matches the first focal position of the reflector 20. Thereby, the light emitted from the light source 10 and reflected by the reflector 20 becomes parallel light similar to the above.
[0021]
In general, the light source 10 emits light in a range of a predetermined light distribution angle β with respect to the optical axis. For example, in the case of an LED element, light is irradiated within a range of 90 ° with respect to the optical axis. Therefore, the reflector 20 may be provided only behind (downstream side) the light distribution limit angle β of the light source 10. In this case, a hole 22 is formed in front (upstream side) of the reflector 20. In addition, the air outside the reflector flows into the inside through the hole 22, and the light source 10 is cooled. Thereby, the life of the light source 10 can be extended. When an LED element is adopted as the light source 10, the luminous efficiency can be improved by cooling the LED chip.
[0022]
The shape of the hole 22 described above will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a side cross-sectional view of a lighting device employing the light source 10 having a light distribution limit angle β smaller than 90 °. If the radius of the hole 22 is D and the distance from the light emitting part of the light source 10 to the hole 22 is a, the following two expressions are established by substituting into the equation 12.
(Equation 13)

[Equation 14]

Further, by substituting a in Expression 14 into Expression 13, the radius D of the hole 22 can be expressed by the following expression.
(Equation 15)

In particular, as shown in FIG. 1, when a light source having a light distribution limit angle β of about 90 ° is employed, the radius D is represented by the following equation.
(Equation 16)

When the light distribution limit angle β is 90 °, the hole 22 of the reflector 20 is formed at the position of the light emitting unit of the light source 10. Therefore, Equation 16 matches the case where f1 is substituted for X in Equation 12.
[0023]
On the other hand, as shown in FIG. 1, a lens 30 is disposed behind the light source 10. The lens 30 refracts light radiated from the light source 10 and converts it into parallel light. Therefore, a lens having a light condensing function, such as a convex lens, is adopted as the lens 30. This lens 30 is fixed to the rear end of a pipe 35 made of a transparent material such as glass or resin. The front end of the pipe 35 is fixed to the peripheral edge of the hole 22 in the reflector 20. Thus, the lens 30 is fixed inside the reflector 20. Note that, since the pipe 35 is formed of a transparent material, light emitted from the light source 10 passes through the pipe 35 and enters the reflector. Therefore, the use efficiency of the light from the light source 10 is not reduced.
[0024]
A method for determining the focal length and the radius of the lens 30 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a side cross-sectional view of a lighting device employing a lens 30 smaller than the hole 22 of the reflector 20. When a lens 30 smaller than the hole 22 is employed, a support member 36 made of a transparent material is fixed to the rear end of the pipe 35, and the lens 30 is fixed to the center of the support member 36.
[0025]
The lens 30 swallows light that is not incident on the reflector 20 and converts it into parallel light out of the light radiated from the light source 10. Here, assuming that an angle range formed by light that does not enter the reflector with respect to the optical axis is α, the following equation is established.
[Equation 17]

Here, Ymax is the maximum radius of the reflector 20 and the radius of the emission side opening, and Xmax is the maximum depth of the reflector 20 and is the distance from the base point to the emission side opening. Further, in order to swallow all the light irradiated in the angle range α into the lens 30, the lens 30 may be formed such that the focal length f2 and the radius L of the lens 30 satisfy the following formula.
(Equation 18)

By substituting equation (17) for equation (18), the following equation is obtained.
[Equation 19]

The lens 30 formed as described above is disposed so that the front focal position thereof coincides with the first focal position of the reflector 20.
[0026]
By the way, considering the case where a lens larger than the hole 22 of the reflector 20 is adopted, contrary to FIG. 3, the light emitted from the light source 10 near the light distribution limit angle β of the light source 10 After being reflected by and converted into parallel light, the light is incident on a lens disposed behind. In this case, since the light incident on the lens is refracted by the lens, parallel light cannot be maintained. Therefore, it is desirable to form the radius L of the lens 30 to be equal to or smaller than the radius D of the hole 22 of the reflector 20, as shown in the following equation.
(Equation 20)

Note that the radius D of the hole 22 of the reflector 20 is represented by Expression 15. In other words, the radius L of the lens 30 is formed to be equal to or less than the radius of the reflector 20 at the light distribution limit angle β of the light source 10. In this case, since the light reflected by the reflector 20 does not enter the lens 30, parallel light can be maintained. Therefore, the light use efficiency does not decrease.
[0027]
In particular, as shown in FIG. 1, when a light source having a light distribution limit angle β of about 90 ° is used and a lens 30 having the same size as the hole 22 of the reflector 20 is used, the lens 30 Is represented by the following equation using Equation (16).
(Equation 21)

Further, the focal length f2 of the lens 30 is represented by the following expression using Expression 19.
(Equation 22)

[0028]
Next, the operation of the lighting device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Of the light radiated from the light source 10, the light 40 radiated within a range of an angle α from the optical axis enters the lens 30. The lens 30 converts the light 40 into parallel light 41 by refracting the light 40 and emits the light backward. On the other hand, the light 42 emitted outside the range of the angle α from the optical axis enters the reflector 20. The reflector 20 reflects this light, converts it into parallel light 43, and emits it backward. As described above, all the light emitted from the light source 10 can be converted into parallel light and emitted backward.
[0029]
FIG. 4 shows a modification of the lighting device. In the lighting device 2, the reflector 120 and the lens 130 are integrally formed of a transparent material such as an epoxy resin. The shapes and positions of the reflector 120 and the lens 130 are the same as described above. Here, when light is incident at a predetermined angle (total reflection angle) or more from a material having a large refractive index toward a material having a small refractive index, the light is totally reflected at a boundary surface between the two materials. Accordingly, the reflector 130 can reflect the light 142 from the light source 110, convert the light into parallel light, and emit the light backward. When light is incident within the total reflection angle described above, the light is refracted at the boundary between the two materials and passes through the boundary. Accordingly, the lens 130 can refract the light 140 from the light source 110 to convert the light 140 into parallel light, and emit the light backward.
[0030]
As described in detail above, the illumination device according to the present embodiment has a lens that converts light that does not enter the reflector into light parallel to the light emitted from the light source, and has a focal length f2 and a radius of the lens. L is
[Equation 23]

, And the lens is arranged such that the front focal position of the lens coincides with the first focal position of the reflector. According to this configuration, all the light emitted from the light source at an angle equal to or smaller than the predetermined angle with respect to the optical axis and not incident on the reflector can be incident on the lens and converted into parallel light by refraction. Thereby, light use efficiency can be improved.
[0031]
Further, the reflection surface shape of the reflector is as follows:
(Equation 24)

Was formed so as to satisfy the above. According to this configuration, the light emitted from the light source at an angle equal to or greater than the predetermined angle with respect to the optical axis can be reflected by the reflector and converted into parallel light. Therefore, all of the light emitted from the light source can be converted into parallel light, and the light use efficiency can be improved.
[0032]
Further, the radius L of the lens is
(Equation 25)

Was formed so as to satisfy the above. According to this configuration, light emitted from the light source near the light distribution limit angle of the light source does not enter the lens after being reflected by the reflector and converted into parallel light. Therefore, such light can be emitted as parallel light without being refracted by the lens, and the light use efficiency can be improved.
[0033]
[Projection display device]
FIG. 5 is an explanatory diagram of a projector including the lighting device according to the present invention. In the drawing, reference numerals 512, 513, and 514 denote lighting devices, 522, 523, and 524 denote liquid crystal light valves (light modulation means), 525, a cross dichroic prism (color light combining means), and 526, a projection lens (projection means). I have.
[0034]
The projector 500 in FIG. 5 includes three lighting devices 512, 513, and 514 configured as in the present embodiment. LED elements that emit red (R), green (G), and blue (B) light are used as light sources of the lighting devices 512, 513, and 514, respectively. Note that a rod lens or a fly-eye lens may be disposed behind each lighting device as a uniform lighting system for equalizing the illuminance distribution of the light source light.
[0035]
The light beam from the red light source 512 is reflected by the reflection mirror 517 via the superimposing lens 535R, and enters the liquid crystal light valve 522 for red light. The light beam from the green light source 513 enters the green light liquid crystal light valve 523 via the superimposing lens 535G. The light beam from the blue light source 512 is reflected by the reflection mirror 516 and enters the blue light liquid crystal light valve 522 via the superimposing lens 535B. The light flux from each light source is superimposed on the display area of the liquid crystal light valve via the superimposing lens, and the liquid crystal light valve is uniformly illuminated.
[0036]
Further, a polarizing plate (not shown) is arranged on the incident side and the outgoing side of each liquid crystal light valve. Then, of the light beams from each light source, only linearly polarized light in a predetermined direction passes through the incident side polarizing plate and enters each liquid crystal light valve. Further, a polarization conversion means (not shown) may be provided in front of the incident side polarizing plate. In this case, it is possible to recycle the luminous flux reflected by the incident-side polarizing plate and make the luminous flux enter each liquid crystal light valve, thereby improving the light use efficiency.
[0037]
The three color lights modulated by the liquid crystal light valves 522, 523, and 524 enter the cross dichroic prism 525. This prism has four right-angle prisms attached to each other, and a dielectric multilayer film that reflects red light and a dielectric multilayer film that reflects blue light are formed in a cross shape on the inner surface. The three color lights are combined by these dielectric multilayer films to form light representing a color image. The synthesized light is projected on a projection screen 527 by a projection lens 526, which is a projection optical system, and an enlarged image is displayed.
[0038]
As described above, since all of the light from the light source is converted into parallel light by the lighting device according to the present embodiment, almost all of the light from the light source can be used for image display. Therefore, the brightness of the image can be secured. In addition, since the light beam can be made incident on the light modulating means such as a liquid crystal light valve at a nearly vertical angle, all the light beams can be modulated by the light modulating means. Therefore, the contrast ratio of the image can be improved.
[0039]
Note that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications of the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention. That is, the specific materials and configurations described in the embodiments are merely examples, and can be appropriately changed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view of a lighting device according to an embodiment.
FIG. 2 is a side sectional view of a lighting device employing a light source having a light distribution limit angle smaller than 90 °.
FIG. 3 is a side sectional view of a lighting device employing a lens smaller than a reflector hole.
FIG. 4 is a side sectional view of a lighting device according to a modification.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a projector including the lighting device according to the embodiment.
FIG. 6 is a side sectional view of a lighting device according to the related art.
[Explanation of symbols]
10 light sources 20 reflectors 30 lenses

Claims (5)

A lighting device in which a virtual image formed by a lens effect of a light emitting unit of the light source or a package of the light source is disposed at a first focal position of the concave mirror,
Of the light emitted from the light source, a lens that converts light that does not enter the concave mirror into parallel light,

Is formed to satisfy
The illumination device, wherein the lens is disposed such that a front focal position of the lens is made coincident with a first focal position of the concave mirror.
Where L is the radius of the lens, f2 is the focal length of the lens, Ymax is the maximum radius of the concave mirror, Xmax is the maximum depth of the concave mirror, and f1 is the first focal point of the concave mirror. Distance. The reflecting surface shape of the concave mirror is

The lighting device according to claim 1, wherein the lighting device is formed to satisfy the following.
Here, X is a coordinate value in the optical axis direction, and Y is a coordinate value in the radial direction of the concave mirror. The radius L of the lens is

The lighting device according to claim 1, wherein the lighting device is formed to satisfy the following.
Here, β is the light distribution limit angle of the light source with respect to the optical axis. The light source is a solid-state light source having a light distribution limit angle of about 90 ° with respect to an optical axis,
The radius L of the lens is

Is formed to satisfy
The focal length f2 of the lens is

The lighting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the lighting device is formed to satisfy the following. A lighting device according to any one of claims 1 to 4,
Light modulation means on which light emitted from the lighting device is incident,
A projection type display device comprising:

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