JP2006058488A - Illumination optical device and projection type display device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液晶プロジェクタなどに用いられる照明光学装置およびこれを用いた投影型表示装置に関する。 The present invention relates to an illumination optical device used for a liquid crystal projector and the like, and a projection display device using the same.
液晶プロジェクタや微小画素ミラーを用いたプロジェクタなどに代表される投射型表示装置は、コンピュータ画面の表示などと結びついて急速に普及している。
従来、これらの投射型表示装置の照明系は、高圧水銀灯、メタルハライドランプなどの放電ランプを光源として用いるのが一般的であった。
Projection display devices typified by liquid crystal projectors and projectors using minute pixel mirrors are rapidly spreading in connection with display of computer screens.
Conventionally, an illumination system of these projection type display devices generally uses a discharge lamp such as a high-pressure mercury lamp or a metal halide lamp as a light source.
しかしながら、これらの放電ランプは、高圧電源を必要とし、またその寸法が大きい。また、発熱が大きいため、放熱手段を講じる必要もある。そのため、これらの放電ランプを用いた投射型表示装置では、装置全体が大型化するという問題があった。 However, these discharge lamps require a high voltage power source and are large in size. In addition, since the heat generation is large, it is necessary to take heat dissipation means. Therefore, the projection type display device using these discharge lamps has a problem that the entire device becomes large.
また、これらの放電ランプは白色光を発するため、投射型表示装置では、カラー表示を行うためには赤、緑、青の3色に分光し、それぞれの色光に対してライトバルブや微小画素ミラーなどの光変調装置による変調を行う必要がある。さらに、これらの放電ランプは、使用する可視波長域だけでなく、赤外光、紫外光を発生するため、これを除去するためのフィルタを用いる必要もある。このように投射型表示装置を構成するために必要な部品点数が多いという問題もあった。 In addition, since these discharge lamps emit white light, in a projection display device, in order to perform color display, the light is split into three colors of red, green, and blue, and a light valve and a small pixel mirror are used for each color light. It is necessary to perform modulation by a light modulation device such as. Furthermore, since these discharge lamps generate not only the visible wavelength range to be used but also infrared light and ultraviolet light, it is necessary to use a filter for removing the infrared light and ultraviolet light. As described above, there is also a problem that the number of parts necessary for configuring the projection display device is large.
このような放電ランプを用いた照明系の問題を解決するため、近年、高輝度化と低コスト化が目覚しい発光ダイオード(LED)を光源に用いた照明系が提案されている。LEDは元来小型な電子部品であり、また低電圧で動作するため、装置を大幅に小型化することが可能になる。また、LEDを光源とする場合、例えば特許文献1に開示されているように、赤、緑、青の3色のLEDを用いることができるため、白色光を分光する必要がない。しかし、LED1個の光量は放電ランプに比べると小さい。このため、複数のLEDをアレイ化して用いることが提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In order to solve the problem of the illumination system using such a discharge lamp, in recent years, an illumination system using a light-emitting diode (LED), which is remarkably high in brightness and low in cost, has been proposed. An LED is originally a small electronic component and operates at a low voltage, so that the device can be significantly downsized. Further, when an LED is used as a light source, for example, as disclosed in Patent Document 1, red, green, and blue LEDs can be used, so that it is not necessary to split white light. However, the amount of light per LED is smaller than that of a discharge lamp. For this reason, it has been proposed to use a plurality of LEDs in an array (see, for example, Patent Document 2).
さらに、LEDは点灯、消灯を放電ランプに比べて高速で切り換えることが可能なため、3色を順次点灯させるように各LEDを制御し、これに同期させてライトバルブによる変調を行うことにより、カラー表示が可能である。このような構成では、赤、緑、青の3色の色光それぞれに対してライトバルブを設ける必要がなくなり、投射型表示装置をさらに小型化することができる。 Furthermore, since the LEDs can be switched on and off at a higher speed than the discharge lamp, each LED is controlled so that the three colors are sequentially lit, and the modulation by the light valve is performed in synchronization with this, Color display is possible. In such a configuration, it is not necessary to provide a light valve for each of the three color lights of red, green, and blue, and the projection display device can be further downsized.
また、凹面鏡レンズアレイの中心側にLEDチップをそれぞれ配置してなる反射鏡付きのLEDアレイを備えた平面光源が例えば特許文献3に開示されている。
しかしながら、上記特許文献1に記載された照明系や、上記特許文献2に記載された画像投射装置では、LEDからの出射光で照明されるライトバルブなどの被照明面上での光量が十分とは言えないとともに、その被照射面上での照度ムラが大きい、という問題があった。 However, in the illumination system described in Patent Document 1 and the image projection apparatus described in Patent Document 2, the amount of light on a surface to be illuminated such as a light valve illuminated by light emitted from an LED is sufficient. In addition, there is a problem that the unevenness of illuminance on the irradiated surface is large.
その被照明面上での光量が十分とは言えないのは、LED自体がまだ輝度不足であることもあるが、照明系がLEDアレイ光源に適合した構成になっていないためにLEDの輝度が十分に活用されていないからである。 The reason why the amount of light on the illuminated surface is not sufficient is that the LED itself may still be insufficient in brightness, but the brightness of the LED is low because the illumination system is not adapted to the LED array light source. It is because it is not fully utilized.
また、その被照射面上での照度ムラが大きいのは、個々のLED間の光量ばらつきは避けられず、LEDを多数用いる場合、照度ムラが生じやすいからである。
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、LEDアレイ等の発光素子アレイを光源として用いる場合に、光量が十分大きく、照度ムラが小さい照明光学装置およびこれを用いた投影型表示装置を提供することにある。
Further, the reason why the uneven illuminance on the irradiated surface is large is that the variation in the amount of light between individual LEDs is unavoidable, and uneven illuminance tends to occur when a large number of LEDs are used.
The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and its purpose is to provide an illumination optical device having a sufficiently large light amount and small illuminance unevenness when a light emitting element array such as an LED array is used as a light source. Another object is to provide a projection display device using the same.
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、複数の発光素子を1平面内で配置してなる発光素子アレイと、前記複数の発光素子からの出射光を反射しほぼ矩形形状の被照射面へ向けて出射させる複数の凹面鏡を有する凹面鏡アレイと、前記発光素子アレイと前記被照射面との間に配置され、複数のマイクロレンズ素子をそれぞれ有する少なくとも1枚のマイクロレンズアレイおよびコンデンサレンズと、を備え、前記複数の発光素子から出射して前記凹面鏡アレイで反射された光を、前記少なくとも1枚のマイクロレンズアレイおよびコンデンサレンズを介して前記被照射面へ入射させるように構成し、かつ、前記発光素子アレイの発光素子アレイ面と前記被照射面は共役関係となっていないことを要旨とする。 In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is a light emitting element array in which a plurality of light emitting elements are arranged in one plane, and a substantially rectangular shape that reflects light emitted from the plurality of light emitting elements. A concave mirror array having a plurality of concave mirrors that emit light toward an irradiated surface, and at least one microlens array and a condenser that are arranged between the light emitting element array and the irradiated surface and each have a plurality of microlens elements A light that is emitted from the plurality of light emitting elements and reflected by the concave mirror array is incident on the irradiated surface through the at least one microlens array and a condenser lens. The light emitting element array surface of the light emitting element array and the irradiated surface are not in a conjugate relationship.
これによれば、発光素子アレイ面と被照射面が共役関係にない光学系を採用することにより、光量伝達率、照度ムラ、および照明光の平行度の3つの設計パラメータをバランスよく最適化しやすい。これにより、被照射面上での照明光量を改善することができ、照度ムラも小さくすることができる。したがって、発光素子を光源として用いる場合に、光量が十分大きく、照度ムラが小さい照明光学装置を実現することができる。 According to this, by adopting an optical system in which the light emitting element array surface and the irradiated surface are not in a conjugate relationship, it is easy to optimize the three design parameters in a balanced manner, such as the light amount transmission rate, illuminance unevenness, and the parallelism of illumination light. . Thereby, the illumination light quantity on an irradiated surface can be improved, and illuminance unevenness can also be reduced. Therefore, when the light emitting element is used as a light source, it is possible to realize an illumination optical device that has a sufficiently large light amount and small illuminance unevenness.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の照明光学装置において、前記発光素子アレイの各発光素子と、前記凹面鏡アレイの各凹面鏡と、前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズ素子とが、1対1に対向するように配置されていることを要旨とする。 The invention according to claim 2 is the illumination optical apparatus according to claim 1, wherein each light emitting element of the light emitting element array, each concave mirror of the concave mirror array, and each microlens element of the microlens array are 1 The gist is that they are arranged so as to face each other.
これによれば、各凹面鏡と各マイクロレンズ素子により、各発光素子からの出射光を被照射面に有効に伝達させることができる。したがって、光量伝達率を改善することができ、被照射面上での光量をより大きくすることができる。 According to this, the emitted light from each light emitting element can be effectively transmitted to the irradiated surface by each concave mirror and each microlens element. Therefore, the light quantity transmission rate can be improved, and the light quantity on the irradiated surface can be increased.
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の照明光学装置において、前記凹面鏡アレイの各凹面鏡を前記コンデンサレンズの光軸方向から見たとき、その形状が前記被照射面の矩形形状とほぼ相似の矩形形状であり、かつ、前記各凹面鏡が前記光軸に垂直な1平面内で縦横に間隔を開けずに配列されていることを要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, in the illumination optical device according to the second aspect, when each concave mirror of the concave mirror array is viewed from the optical axis direction of the condenser lens, the shape thereof is substantially the same as the rectangular shape of the irradiated surface. The gist is that they have a similar rectangular shape, and the concave mirrors are arranged in a plane perpendicular to the optical axis without any vertical and horizontal intervals.
これによれば、ほぼ点光源である各発光素子からの出射光を矩形形状の断面を持つ光束として対応する各マイクロレンズ素子に入射させることができる。したがって、光量伝達率を改善することができ、被照射面上での光量をより大きくすることができる。 According to this, the emitted light from each light emitting element which is substantially a point light source can be made incident on each corresponding microlens element as a light beam having a rectangular cross section. Therefore, the light quantity transmission rate can be improved, and the light quantity on the irradiated surface can be increased.
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の照明光学装置において、前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズ素子を前記コンデンサレンズの光軸方向から見たとき、その形状が前記被照射面の矩形形状とほぼ相似の矩形形状であり、かつ、前記各マイクロレンズ素子が前記光軸に垂直な1平面内で縦横に間隔を開けずに配列されていることを要旨とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the illumination optical device according to the third aspect, when each microlens element of the microlens array is viewed from the optical axis direction of the condenser lens, the shape thereof is a rectangle of the irradiated surface. The gist of the present invention is that the microlens elements have a rectangular shape substantially similar to the shape, and are arranged in a plane perpendicular to the optical axis without any vertical and horizontal intervals.
これによれば、マイクロレンズアレイと被照射面は結像関係にあるため、各マイクロレンズ素子を光軸方向から見たときの形状を被照射面の矩形形状とほぼ相似の矩形形状にすることで、各マイクロレンズ素子により被照射面の形状に近い照明光を形成することができ、各発光素子からの光を効率良く利用することができる。したがって、光量伝達率を改善することができ、被照射面上での光量をより大きくすることができる。 According to this, since the microlens array and the irradiated surface are in an imaging relationship, the shape when each microlens element is viewed from the optical axis direction is made to be a rectangular shape substantially similar to the rectangular shape of the irradiated surface. Thus, illumination light close to the shape of the irradiated surface can be formed by each microlens element, and light from each light emitting element can be used efficiently. Therefore, the light quantity transmission rate can be improved, and the light quantity on the irradiated surface can be increased.
請求項5に係る発明は、請求項2〜4のいずれか1つに記載の照明光学装置において、1対1に対向するように配置されている前記各発光素子、前記各凹面鏡、および前記各マイクロレンズ素子が、それぞれ同軸上に配置されていることを要旨とする。 The invention according to claim 5 is the illumination optical device according to any one of claims 2 to 4, wherein each light emitting element, each concave mirror, and each The gist is that the microlens elements are arranged on the same axis.
これによれば、1つの発光素子と、1つの凹面鏡と、1つのマイクロレンズ素子とでそれぞれ構成される複数の組合せ(以下、セグメントという。)の各々が同軸上に配置されているので、各発光素子からの出射光を有効に被照射面に伝達することができる。 According to this, since each of a plurality of combinations (hereinafter referred to as segments) each composed of one light emitting element, one concave mirror, and one microlens element are arranged on the same axis, Light emitted from the light emitting element can be effectively transmitted to the irradiated surface.
請求項6に係る発明は、請求項2〜4のいずれか1つに記載の照明光学装置において、1対1に対向するように配置されている前記各発光素子、前記各凹面鏡、および前記各マイクロレンズ素子が、互いに同軸上に配置された組合せと、同軸上に配置されていない組合せとが存在するように配置されていることを要旨とする。 The invention according to claim 6 is the illumination optical device according to any one of claims 2 to 4, wherein each of the light emitting elements, each of the concave mirrors, and each of the light emitting elements arranged to face each other one to one. The gist of the invention is that the microlens elements are arranged so that there are a combination arranged coaxially with each other and a combination not arranged coaxially.
これによれば、各発光素子からの出射光が対応する各凹面鏡で反射された後、被照射面へ向けて進む光線の一部が、発光素子自身に当たってその部分が影になり、被照射面上での中央近傍に投影されてしまうのを抑制できる。つまり、1つの発光素子と、1つの凹面鏡と、1つのマイクロレンズ素子とでそれぞれ構成される複数のセグメントの一部に、同軸性のずれた組合せを存在させることにより、発光素子自身の部分が影になる影響を平均化して、被照射面上での照度不均一性を抑制することがきる。したがって、被照射面上での照度ムラを改善することができる。 According to this, after the light emitted from each light emitting element is reflected by the corresponding concave mirror, a part of the light beam traveling toward the irradiated surface hits the light emitting element itself, and the part becomes a shadow, and the irradiated surface It can suppress that it projects on the upper center vicinity. In other words, by making a combination having a coaxial shift in a part of a plurality of segments each composed of one light emitting element, one concave mirror, and one microlens element, the portion of the light emitting element itself can be changed. The influence of shadows can be averaged to suppress illuminance non-uniformity on the irradiated surface. Therefore, the illuminance unevenness on the irradiated surface can be improved.
なお、同軸性のずれた組合せを存在させる方法として、例えば各セグメントの同軸性を1平面内で少しずつずらすのが望ましい。これにより、被照射面上での照度ムラを解消することができる。 In addition, as a method for causing a combination with a shifted coaxiality, for example, it is desirable to slightly shift the coaxiality of each segment within one plane. Thereby, the illumination nonuniformity on a to-be-irradiated surface can be eliminated.
請求項7に係る発明は、請求項5又は6に記載の照明光学装置において、前記複数の凹面鏡の一部と前記複数のマイクロレンズ素子の一部の少なくとも一方に、他と異なる焦点距離または曲率半径を有する凹面鏡またはマイクロレンズ素子を存在させることを要旨とする。 The invention according to claim 7 is the illumination optical device according to claim 5 or 6, wherein at least one of the plurality of concave mirrors and part of the plurality of microlens elements has a different focal length or curvature from the others. The gist is to have a concave mirror or microlens element having a radius.
これによれば、複数のセグメントの一部に、他と集光位置の異なるセグメントを存在することになるので、被照射面上での照度ムラを改善することができる。
なお、複数のセグメントの一部に他と集光位置の異なるセグメントを存在させる方法として、各セグメントの集光位置を少しずつずらすのが望ましい。したがって、被照射面上での照度ムラを解消することができる。
According to this, since a segment having a different light condensing position is present in a part of the plurality of segments, the illuminance unevenness on the irradiated surface can be improved.
In addition, as a method of causing a segment having a different light collection position to exist in some of the plurality of segments, it is desirable to slightly shift the light collection position of each segment. Therefore, it is possible to eliminate illuminance unevenness on the irradiated surface.
請求項8に係る発明は、請求項1〜7のいずれか1つに記載の照明光学装置において、前記凹面鏡アレイは前記凹面鏡が放物面鏡である放物面鏡アレイであり、前記少なくとも1枚のマイクロレンズアレイとして、前記各マイクロレンズ素子の配列が同一である一対のマイクロレンズアレイを備えることを要旨とする。 The invention according to claim 8 is the illumination optical apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the concave mirror array is a parabolic mirror array in which the concave mirror is a parabolic mirror, and the at least one The gist of the invention is to provide a pair of microlens arrays having the same arrangement of the microlens elements as a single microlens array.
これによれば、ほぼ点光源である各発光素子からの出射光を各放物面鏡により光束として対応する各マイクロレンズ素子に入射させることができ、各発光素子からの出射光を有
効に被照射面に伝達することができる。したがって、光量伝達率を改善することができ、被照射面上での光量をより大きくすることができる。
According to this, the emitted light from each light emitting element that is substantially a point light source can be made incident on each corresponding microlens element as a light beam by each parabolic mirror, and the emitted light from each light emitting element is effectively covered. Can be transmitted to the irradiated surface. Therefore, the light quantity transmission rate can be improved, and the light quantity on the irradiated surface can be increased.
請求項9に係る発明は、請求項8に記載の照明光学装置において、前記一対のマイクロレンズアレイは、互いに焦点距離だけ離して配置されていることを要旨とする。
これによれば、各発光素子からの出射光を有効に被照射面に伝達することができる。
The invention according to claim 9 is the illumination optical apparatus according to claim 8, wherein the pair of microlens arrays are arranged apart from each other by a focal length.
According to this, the emitted light from each light emitting element can be effectively transmitted to the irradiated surface.
請求項10に係る発明は、請求項9に記載の照明光学装置において、前記一対のマイクロレンズアレイのうち、前記発光素子に近い方と前記被照射面をほぼ共役関係となるように配置し、前記一対のマイクロレンズアレイのうち、前記発光素子から遠い方と前記発光素子アレイ面をほぼ共役関係となるように配置したことを要旨とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the illumination optical device according to the ninth aspect, among the pair of microlens arrays, the one close to the light emitting element and the irradiated surface are arranged in a substantially conjugate relationship, The gist is that, in the pair of microlens arrays, the one far from the light emitting element and the surface of the light emitting element array are arranged in a substantially conjugate relationship.
これによれば、各発光素子からの出射光を有効に被照射面に伝達することができ、かつ、それらの出射光を被照射面上で重ね合わせることができる。したがって、光量伝達率を改善することができ、被照射面上での光量をより大きくすることができる。 According to this, the emitted light from each light emitting element can be effectively transmitted to the irradiated surface, and the emitted light can be superimposed on the irradiated surface. Therefore, the light quantity transmission rate can be improved, and the light quantity on the irradiated surface can be increased.
請求項11に係る発明は、請求項1〜7のいずれか1つに記載の照明光学装置において、前記少なくとも1枚のマイクロレンズアレイとして、前記コンデンサレンズの前側焦点面近傍に配置された1枚のマイクロレンズアレイを備え、かつ、前記被照射面は前記コンデンサレンズの後側焦点面近傍に配置されていることを要旨とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the illumination optical device according to any one of the first to seventh aspects, the at least one microlens array is disposed in the vicinity of a front focal plane of the condenser lens. The microlens array is provided, and the irradiated surface is disposed in the vicinity of the rear focal plane of the condenser lens.
これによれば、各発光素子からの出射光を被照射面上で重ね合わせることができる。
請求項12に係る発明は、請求項11に記載の照明光学装置において、前記凹面鏡アレイは前記凹面鏡が楕円鏡である楕円鏡アレイであることを要旨とする。
According to this, the emitted light from each light emitting element can be superimposed on the irradiated surface.
The invention according to claim 12 is the illumination optical apparatus according to claim 11, wherein the concave mirror array is an elliptical mirror array in which the concave mirror is an elliptical mirror.
これによれば、ほぼ点光源である各発光素子からの出射光を各楕円鏡により光束として対応する各マイクロレンズ素子に入射させることができ、各発光素子からの出射光を有効に被照射面に伝達することができる。したがって、光量伝達率を改善することができ、被照射面上での光量をより大きくすることができる。 According to this, the emitted light from each light emitting element that is substantially a point light source can be incident on each corresponding microlens element as a light beam by each elliptical mirror, and the emitted light from each light emitting element can be effectively irradiated. Can be communicated to. Therefore, the light quantity transmission rate can be improved, and the light quantity on the irradiated surface can be increased.
請求項13に係る発明は、請求項12に記載の照明光学装置において、前記発光素子アレイを前記楕円鏡アレイの第1の焦点面近傍に配置し、かつ、前記マイクロレンズアレイを前記楕円鏡アレイの第2の焦点面近傍に配置したことを要旨とする。 According to a thirteenth aspect of the present invention, in the illumination optical device according to the twelfth aspect, the light emitting element array is disposed in the vicinity of a first focal plane of the elliptical mirror array, and the microlens array is disposed in the elliptical mirror array. The main point is that it is arranged near the second focal plane.
これによれば、各発光素子からの出射光を有効に被照射面に伝達することができ、光量伝達率を改善することができる。
請求項14に係る発明は、請求項1〜13のいずれか1つに記載の照明光学装置において、前記コンデンサレンズと前記被照射面の間に、入射側端面と出射側端面を備え、四角柱の4つの壁部の各内面を反射面とした反射光学素子を、前記入射側端面が前記コンデンサレンズの後側焦点面近傍に位置しかつ前記出射側端面が前記被照射面近傍に位置するように配置したことを要旨とする。
According to this, the emitted light from each light emitting element can be effectively transmitted to the irradiated surface, and the light quantity transmission rate can be improved.
The invention according to claim 14 is the illumination optical device according to any one of claims 1 to 13, further comprising an incident-side end face and an exit-side end face between the condenser lens and the irradiated surface, and a quadrangular prism. The reflecting optical element having the inner surfaces of the four wall portions as reflecting surfaces is arranged such that the incident side end surface is positioned in the vicinity of the rear focal plane of the condenser lens and the emission side end surface is positioned in the vicinity of the irradiated surface. The gist of this is that
これによれば、各発光素子からの出射光が反射光学素子の各反射面で反射されて被照射面に入射するので、被照射面上での照度の不均一性をさらに改善することができる。
請求項15に係る発明は、請求項1〜14のいずれか1つに記載の照明光学装置において、前記発光素子アレイは、前記発光素子として複数の発光ダイオードを備えた発光ダイオードアレイであることを要旨とする。
According to this, since the emitted light from each light emitting element is reflected by each reflecting surface of the reflective optical element and enters the irradiated surface, the illuminance non-uniformity on the irradiated surface can be further improved. .
The invention according to claim 15 is the illumination optical apparatus according to any one of claims 1 to 14, wherein the light emitting element array is a light emitting diode array including a plurality of light emitting diodes as the light emitting elements. The gist.
これによれば、発光ダイオードアレイを光源に用いて、光量が十分大きく、照度ムラが小さい照明光学装置を実現することができる。
請求項16に係る発明は、請求項1〜15のいずれか1つに記載の照明光学装置と、前記被照射面の位置に配置され、前記照明光学装置からの出射光を変調する光変調手段と、前記光変調手段により光変調された前記出射光をスクリーン上に投影する投影レンズと、を備えてなることを特徴とする照明光学装置を用いた投影型表示装置である。
According to this, it is possible to realize an illumination optical device that uses a light emitting diode array as a light source and has a sufficiently large light amount and small illuminance unevenness.
According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided the illumination optical device according to any one of the first to fifteenth aspects, and a light modulation unit that is disposed at a position of the irradiated surface and modulates the light emitted from the illumination optical device. And a projection lens that projects the emitted light, which is light-modulated by the light-modulating means, onto a screen, a projection display device using an illumination optical device.
これによれば、高輝度でかつ輝度ムラの少ない高品質な表示が可能な投影型表示装置を実現することができる。
請求項17に係る発明は、請求項16に記載の照明光学装置を用いた投影型表示装置において、前記光変調手段は液晶パネルであることを要旨とする。
According to this, it is possible to realize a projection display device capable of high-quality display with high luminance and less luminance unevenness.
The invention according to claim 17 is the projection type display device using the illumination optical apparatus according to claim 16, wherein the light modulation means is a liquid crystal panel.
これによれば、高輝度でかつ輝度ムラの少ない高品質な表示が可能な液晶プロジェクタを実現することができる。 According to this, it is possible to realize a liquid crystal projector capable of high-quality display with high luminance and little luminance unevenness.
以上説明したように、本発明によれば、LEDアレイ等の発光素子アレイを光源として用いる場合に、光量が十分大きく、照度ムラが小さい照明光学装置およびこれを用いた投影型表示装置を実現することができる。 As described above, according to the present invention, when a light-emitting element array such as an LED array is used as a light source, an illumination optical device having a sufficiently large light amount and small illuminance unevenness and a projection display device using the same are realized. be able to.
以下、本発明を具体化した照明光学装置の各実施形態、および照明光学装置を用いた投射型表示装置(液晶プロジェクタ)の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。 Embodiments of an illumination optical device embodying the present invention and an embodiment of a projection display device (liquid crystal projector) using the illumination optical device will be described below with reference to the drawings. In the description of each embodiment, similar parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
一般に、照明光学装置の照明系設計の目標は、光量伝達率、照度ムラ、照明系の平行度の3つを最適化することにある。通常は、LEDアレイ面と被照射面が共役関係になるような光学系をベースにすることが考えられる。しかし、「共役関係にある」光学系の場合、照明系の平行度を良くするためには、LEDアレイの各LEDを小さくする以外になく、照明系設計の目標値を達成するのは困難である。そこで、本発明に係る以下の各実施形態では、「LEDアレイ面と被照射面が共役関係にない」光学系を用いることで、光量伝達率、照度ムラ、照明系の平行度の3つの設計パラメータを最適化しやすくしている点に特徴がある。 In general, the goal of the illumination system design of the illumination optical device is to optimize three of the light amount transmission rate, the illuminance unevenness, and the parallelism of the illumination system. Usually, it is conceivable to base an optical system in which the LED array surface and the irradiated surface are in a conjugate relationship. However, in the case of an optical system that is “conjugated”, in order to improve the parallelism of the illumination system, it is difficult to achieve the target value of the illumination system design other than reducing each LED of the LED array. is there. Therefore, in each of the following embodiments according to the present invention, by using an optical system “the LED array surface and the irradiated surface are not in a conjugate relationship”, three designs of light amount transmission rate, illuminance unevenness, and parallelism of the illumination system are used. It is characterized by easy optimization of parameters.
[第1実施形態]
第1実施形態に係る照明光学装置を図1〜図4に基づいて説明する。
図1は第1実施形態に係る照明光学装置の概略構成を示す平面図であり、図2はマイクロレンズアレイの縦断面図であり、図3はマイクロレンズアレイの配置を示す正面図であり、そして、図4は1つの放物面鏡を示す斜視図である。
[First embodiment]
The illumination optical apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
1 is a plan view showing a schematic configuration of an illumination optical apparatus according to the first embodiment, FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a microlens array, FIG. 3 is a front view showing the arrangement of the microlens array, FIG. 4 is a perspective view showing one parabolic mirror.
図1に示す第1実施形態に係る照明光学装置10は、照射された光を画像データに基づいて変調する光変調装置としての液晶パネル(ライトバルブ)を備えた投射型表示装置としての液晶プロジェクタに用いられる。
The illumination
この照明光学装置10は、図1に示すように、放物面鏡アレイ付きのLEDアレイ20と、LEDアレイ20と被照射面30との間に配置される2枚のマイクロレンズアレイ50,60と、コンデンサレンズ70と、を備える。
As shown in FIG. 1, the illumination
また、照明光学装置10は、LEDアレイ20の各LED21からの出射光を、2枚の(一対の)マイクロレンズアレイ50,60およびコンデンサレンズ70を介して、液晶パネル80に照射するようになっている。LEDアレイ20が、発光素子としての複数のLED21を有する発光素子アレイに相当する。また、液晶パネル80の入射面が、各L
ED21からの出射光が照射される被照射面30である。
Further, the illumination
The
放物面鏡アレイ付きのLEDアレイ20は、図1〜図3に示すように、二次元に配列された複数のLED21を有するLEDアレイ20と、二次元に配列された複数の放物面鏡41を有する放物面鏡アレイ40を一体化して構成されている。この放物面鏡アレイ付きのLEDアレイ20にあっては、複数のLED21の各々が複数の放物面鏡41の各焦点位置近傍にそれぞれ位置するように、LEDアレイ20と放物面鏡アレイ40とが一体化されている。なお、放物面鏡アレイ40が、凹面鏡としての複数の放物面鏡41を有する凹面鏡アレイに相当する。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
これにより、ほぼ点光源である各LED21からの出射光が各放物面鏡41により反射され、LEDアレイ面22から平行光束となってマイクロレンズアレイ50の各マイクロレンズ素子51に入射されるようになっている。ここで、「LEDアレイ面22」とは、1平面内で二次元に配列された複数のLED21の各チップの発光面で構成される面である。
As a result, the light emitted from each
本例では、放物面鏡アレイ付きのLEDアレイ20は、図2及び図3に示すように、1個のLED21と1個の放物面鏡41をそれぞれ組み合せて構成し、表面をサファイア基板42で保護している。複数のLED21の各チップは、サファイア基板42に接着され、各チップ上の電極とサファイア基板42上に形成された配線パターンは、ワイヤボンディングにより接続されている。なお、図1及び図3では、サファイア基板42の図示を省略してある。
In this example, the
2枚のマイクロレンズアレイ50,60は、焦点距離f1が同じものを用いた。また、図1で、D1b=f1とし、D2=D3=f2とした。f2はコンデンサレンズ70の焦点距離である。
Two
以下の仕様(実施例1)に示すように、D1b=6.8mm、D2=D3=32.4mmとした。また、D1a=10mmとした。ここで、D1aは、マイクロレンズアレイ50と、放物面鏡アレイ40の各放物面鏡41の頂部との間の距離である。
As shown in the following specifications (Example 1), D1b = 6.8 mm and D2 = D3 = 32.4 mm. Further, D1a = 10 mm. Here, D1a is the distance between the
このように配置された照明光学装置10では、LEDアレイ20のLEDアレイ面22とマイクロレンズアレイ60の主面がほぼ共役関係となり、マイクロレンズアレイ50の主面と被照射面30とが共役関係となっている。しかし、この照明光学装置10では、LEDアレイ面22と被照射面30は共役関係となっていない点が特徴である。
In the illumination
また、この照明光学装置10では、各LED21と、各放物面鏡41と、各マイクロレンズ素子51,61とが、それぞれ1対1に対向するように配置されている。
また、照明光学装置10では、放物面鏡アレイ40の各放物面鏡41をコンデンサレンズ70の光軸方向から見たとき、その形状が被照射面30の矩形形状とほぼ相似の矩形形状である。つまり、各放物面鏡41は、4つの円弧状の縁41a,41b,41c,41dを有しており(図3及び図4参照)、これら4つの縁をコンデンサレンズ70の光軸方向から見たときの形状が、図3の実線及び図4の破線でそれぞれ示すように矩形形状となっている。また、照明光学装置10では、各マイクロレンズ素子51,61が光軸に垂直な1平面内で縦横に間隔を開けずに配列されている。
In the illumination
In the illumination
また、照明光学装置10では、LEDアレイ20の複数のLED21には、図3に示すように、各LED21のチップの位置と各放物面鏡41の中心(矩形の対角線の交点)とが一致していないLED21を設けるのが望ましい。
Further, in the illumination
一般に、凹面鏡付きのLEDアレイでは、LEDの発光が凹面鏡で反射した後、前方へ向けて進む光線(反射光)の一部がLEDのチップ自身に当たってしまい、その部分が影となって、被照射面上の中央近傍に投影されてしまう場合がある。 In general, in an LED array with a concave mirror, after the light emission of the LED is reflected by the concave mirror, a part of the light beam (reflected light) that travels forward strikes the LED chip itself, and that part becomes a shadow, which is irradiated. It may be projected near the center on the surface.
このようなLED自身の影の影響を弱め、照度均一性を改善するために、本例の照明光学装置10では、放物面鏡アレイ付きのLEDアレイ20の各セグメント(の一部)において、LED21と放物面鏡41の中心を、図3に示すように少しずつずらすようにしてある。
In order to weaken the influence of the shadow of the LED itself and improve the illuminance uniformity, in the illumination
また、照明光学装置10では、マイクロレンズアレイ50,60は、各マイクロレンズ素子51,61の配列が放物面鏡アレイ40の各放物面鏡41の配列と同一である一対のマイクロレンズアレイとし、互いの焦点距離f1だけ離して配置されている。
In the illumination
以上のように構成された第1実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
○LEDアレイ面22と被照射面30(液晶パネル80)が共役関係となっていない。このように、発光素子アレイ面としてのLEDアレイ面22と被照射面30が共役関係にない光学系を採用することにより、光量伝達率、照度ムラ、および照明光の平行度の3つの設計パラメータをバランスよく最適化しやすい。これにより、被照射面30上での照明光量を改善することができ、照度ムラも小さくすることができる。したがって、LEDアレイ20を光源として用いる場合に、光量が十分大きく、照度ムラが小さい照明光学装置10を実現することができる。
According to 1st Embodiment comprised as mentioned above, there exist the following effects.
The
○各LED21と、各放物面鏡41と、各マイクロレンズ素子51,61とが、それぞれ1対1に対向するように配置されているので、各放物面鏡41と各マイクロレンズ素子51,61により、各LED21からの出射光を被照射面30に有効に伝達させることができる。したがって、光量伝達率を改善することができ、被照射面30上での光量をより大きくすることができる。
Each
○放物面鏡アレイ40の各放物面鏡41をコンデンサレンズ70の光軸方向から見たとき、その形状が被照射面30の矩形形状とほぼ相似の矩形形状であり、かつ、各放物面鏡41が光軸に垂直な1平面内で縦横に間隔を開けずに配列されている。このため、ほぼ点光源である各LED21からの出射光を矩形形状の断面を持つ光束として対応する各マイクロレンズ素子51,61に入射させることができる。したがって、光量伝達率を改善することができ、被照射面上での光量をより大きくすることができる。
When each
これに対して、各放物面鏡41の形状が本例のような矩形形状でない例えば円形の場合、矩形形状の場合と比較して被照射面30上での照射光量は10〜20%程度減少する。
○マイクロレンズアレイ50,60の各マイクロレンズ素子51,61をコンデンサレンズ70の光軸方向から見たとき、その形状が被照射面30の矩形形状とほぼ相似の矩形形状であり、かつ、各マイクロレンズ素子51,61が光軸に垂直な1平面内で縦横に間隔を開けずに配列されている。マイクロレンズアレイ50,60と被照射面30は結像関係にあるため、各マイクロレンズ素子51,61を光軸方向から見たときの形状を被照射面30の矩形形状とほぼ相似の矩形形状にすることで、各マイクロレンズ素子51,61により被照射面30の形状に近い照明光を形成することができ、各LED21からの光を効率良く利用することができる。したがって、光量伝達率を改善することができ、被照射面30上での光量をより大きくすることができる。
On the other hand, when the shape of each
When the
○各LED21、各放物面鏡41、および各マイクロレンズ素子51,61は、ほぼ同軸上に配置されている。これにより、1つのLED21と、1つの放物面鏡41と、1つのマイクロレンズ素子51,61とでそれぞれ構成される複数のセグメントの各々が同軸
上に配置されているので、各LED21からの出射光を有効に被照射面30に伝達することができる。
Each
○1対1に対向するように配置されている各LED21、各放物面鏡41、および各マイクロレンズ素子51,61が、互いに同軸上に配置された組合せ(セグメント)と、同軸上に配置されていない組合せ(セグメント)とが存在するように配置されている。これにより、各LED21からの出射光が対応する各放物面鏡41で反射された後、被照射面30へ向けて進む光線の一部が、LED21のチップ自身に当たってその部分が影になり、被照射面30上での中央近傍に投影されてしまうのを抑制できる。つまり、1つのLED21と、1つの放物面鏡41と、1つのマイクロレンズ素子51,61とでそれぞれ構成される複数のセグメントの一部に、同軸性のずれた組合せを存在させることにより、LED21のチップ自身の部分が影になる影響を平均化して、被照射面30上での照度不均一性を抑制することがきる。したがって、被照射面30上での照度ムラを改善することができる。
○ A combination (segment) in which each
特に、本例では、図3に示すように各セグメントの同軸性を1平面内で少しずつずらしているので、被照射面上での照度ムラを解消することができる。
○マイクロレンズアレイ50,60は、各マイクロレンズ素子51,61の配列が放物面鏡アレイ40の各放物面鏡41の配列と同一である一対のマイクロレンズアレイとし、互いの焦点距離f1だけ離して配置されている。これにより、ほぼ点光源である各LED21からの出射光を各放物面鏡41により平行光束として対応する各マイクロレンズ素子51,61に入射させることができ、各LED21からの出射光を有効に被照射面30に伝達することができる。したがって、光量伝達率を改善することができ、被照射面上での光量をより大きくすることができる。
In particular, in this example, as shown in FIG. 3, the coaxiality of each segment is shifted little by little within one plane, so that uneven illuminance on the irradiated surface can be eliminated.
The
○一対のマイクロレンズアレイ50,60のうち、LEDアレイ20に近い方(マイクロレンズアレイ50)と被照射面30をほぼ共役関係となるように配置してあり、かつ、LEDアレイ20から遠い方(マイクロレンズアレイ60)とLEDアレイ面22をほぼ共役関係となるように配置してある。これにより、各LED21からの出射光を有効に被照射面30に伝達することができ、かつ、それらの出射光を被照射面30上で重ね合わせることができる。したがって、光量伝達率を改善することができ、被照射面30上での光量をより大きくすることができる。
Of the pair of
○マイクロレンズアレイ60はコンデンサレンズ70の前側焦点面近傍に配置され、かつ液晶パネル80(被照射面30)は、コンデンサレンズ70の後側焦点面近傍に配置されている。これにより、各LED21からの出射光を被照射面30上で重ね合わせることができる。
The
(実施例1)
上記第1実施形態に係る照明光学装置10で使用した各光学部品の仕様は以下の通りである。
Example 1
The specifications of each optical component used in the illumination
<LEDアレイ20>
LEDアレイ20のLED21には、次の3種類のLED(赤色LED,緑色LED,青色LED)を用いた。
<
The following three types of LEDs (red LED, green LED, blue LED) were used for the
赤色LED;
・波長625nm
・チップ寸法 0.3mm×0.3mm
・1チップあたりの全光量44(lm)
・個数 18
緑色LED;
・波長530nm
・チップ寸法 0.3mm×0.3mm
・1チップあたりの全光量30(lm)
・個数 62
青色LED;
・波長460nm
・チップ寸法 0.3mm×0.3mm
・1チップあたりの全光量10(lm)
・個数 37
<放物面鏡アレイ40>
放物面鏡アレイ40の仕様は次の通りである。
Red LED;
・ Wavelength 625nm
・ Chip dimensions 0.3mm × 0.3mm
・ Total light quantity per chip 44 (lm)
・ Number 18
Green LED;
・ Wavelength 530nm
・ Chip dimensions 0.3mm × 0.3mm
-Total light intensity per chip 30 (lm)
・ Number 62
Blue LED;
・ Wavelength 460nm
・ Chip dimensions 0.3mm × 0.3mm
・ Total light intensity per chip: 10 (lm)
・ Number 37
<
The specification of the
・焦点距離 0.75mmの放物面鏡41
・ピッチ 横4mm、縦3mm
・配列 横9個×縦13個
・全体寸法 36mm×39mm
・1画素の形状は4mm×3mmの矩形形状で、縦横に隙間を開けずに配列する。
-
・ Pitch width 4mm, length 3mm
-9 horizontal array x 13 vertical array-Overall dimensions 36 mm x 39 mm
-The shape of one pixel is a rectangular shape of 4 mm x 3 mm, and is arranged without leaving a gap vertically and horizontally.
・構造
・金型を用いてガラスをプレス加工したもの。
・放物面鏡41の表面に誘電体多層膜の反射膜が形成されている。
・ Structure ・ Pressed glass using a mold.
A reflective film of a dielectric multilayer film is formed on the surface of the
<LEDアレイ20全体>
・配列ピッチ 横4mm、縦3mm
・縦横の個数 横9個、縦13個
・各LED21はサファイア基板42に接着されている(図2参照)。各LED21のチップ上の電極とサファイア基板42上に形成した配線パターン(透明導電膜で形成)はワイヤボンディングにより接続されている。
<
・ Arrangement pitch 4mm wide, 3mm long
-Number of length and width 9 width, 13 height-Each
・LED21と放物面鏡41とが1対1になるように、放物面鏡アレイ40と一体化したLEDアレイとする。
・放物面鏡アレイ40の各放物面鏡(各セグメント)41は、被照射面30とほぼ相似の矩形形状とした(図3参照)。また、各LED21のチップは、各放物面鏡41の中心線上からずらして配置した。これは照度ムラを低減する効果がある。
-It is set as the LED array integrated with the
Each paraboloid mirror (each segment) 41 of the
<マイクロレンズアレイ50,60>
マイクロレンズアレイ50,60の各マイクロレンズ素子51,61の仕様は次の通りである。
<
The specifications of the
・焦点距離 f1=6.8mm
・ピッチ 横4mm、縦3mm
・配列 横9個×縦13個
・全体寸法 36mm×39mm
・1画素の形状 4mm×3mm
・構造
・金型を用いて射出成型したもので、各マイクロレンズアレイ50,60のピッチをLEDアレイ20のピッチと一致させ、各マイクロレンズ素子51,61と各LED21が1対1で対応する構成とした。
・ Focal distance f1 = 6.8mm
・ Pitch width 4mm, length 3mm
-9 horizontal array x 13 vertical array-Overall dimensions 36 mm x 39 mm
-1 pixel shape 4mm x 3mm
-Structure-It is injection-molded using a mold, and the pitch of each
<コンデンサレンズ70>
・焦点距離f2=32.4mm
・寸法 50.3mm
<被照射面30>
・液晶パネル80
・寸法 14.7×10.7mm(対角0.7インチ)
<実施例1の評価結果>
以上のような仕様とした実施例1の照明光学装置10において、各LED21を350mA(消費電力143W)で駆動することによって、LEDアレイ20全体の光量を3022(lm)として発光させた。このとき、液晶パネル80(14.7×10.7mm)内に約1500(lm)の光が入射した。すなわち光量伝達率は約50%であり、これは従来の液晶プロジェクタの光学系での約15%よりも改善されている。また、微小画素ミラー型の光学系に対しても、同等以上の特性と言える。また、そのときの面内(被照射面30内)の照度ムラは約30%となった。
<
・ Focal distance f2 = 32.4 mm
・ Dimension 50.3mm
<
・
・ Dimensions 14.7 x 10.7mm (0.7 inch diagonal)
<Evaluation result of Example 1>
In the illumination
[第2実施形態]
第2実施形態に係る照明光学装置を図5に基づいて説明する。
この照明光学装置10Aは、図5に示すように、楕円鏡アレイ付きのLEDアレイ20Aと、このLEDアレイ20Aと被照射面30との間に配置される1枚のマイクロレンズアレイ60Aと、コンデンサレンズ70と、を備える。
[Second Embodiment]
An illumination optical apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 5, the illumination
照明光学装置10Aは、LEDアレイ20Aの各LED21からの出射光を、マイクロレンズアレイ60Aおよびコンデンサレンズ70を介して、液晶パネル80に照射するようになっている。
The illumination
楕円鏡アレイ付きのLEDアレイ20Aは、上記LEDアレイ20と同様に二次元に配列された複数のLED21を有するLEDアレイ20Aと、上記放物面鏡アレイ40と同様に二次元に配列された複数の楕円鏡41Aを有する楕円鏡アレイ40Aを一体化して構成されている。この楕円鏡アレイ付きのLEDアレイ20Aにあっては、各LED21が各楕円鏡41Aの第1の焦点位置近傍にそれぞれ位置するように、LEDアレイ20Aと楕円鏡アレイ40Aとが一体化されている。これにより、ほぼ点光源である各LED21からの出射光が各楕円鏡41Aにより反射され、LEDアレイ面22から集光光束となってマイクロレンズアレイ60Aの各マイクロレンズ素子61Aに入射されるようになっている。
The
また、マイクロレンズアレイ60Aは、各楕円鏡41Aの第2の焦点位置で構成される第2の焦点面近傍に配置されている。つまり、マイクロレンズアレイ60Aは、各マイクロレンズ素子61Aの中心が、対応する各楕円鏡41Aの第2の焦点近傍にそれぞれ位置するように配置されている。また、マイクロレンズアレイ60Aは、コンデンサレンズ70の前側焦点面近傍に配置されている。
The
ここで、D1=f1とし、D2=D3=f2とした。f2はコンデンサレンズ70の焦点距離である。f1はマイクロレンズアレイ60Aの焦点距離であり、f2はコンデンサレンズ70の焦点距離である。また、D1は、マイクロレンズアレイ60Aと、楕円鏡アレイ40Aの各楕円鏡41Aの頂部との間の距離である。
Here, D1 = f1 and D2 = D3 = f2. f2 is the focal length of the
このように配置された照明光学装置10Aでは、LEDアレイ20AのLEDアレイ面22Aとマイクロレンズアレイ60Aの主面がほぼ共役関係となり、楕円鏡アレイ40Aの各楕円鏡41Aの表面(楕円形の反射面)と被照射面30が共役関係となっている。し
かし、この照明光学装置10Aでは、LEDアレイ面22Aと被照射面30は共役関係となっていない点が特徴である。
In the illumination
以上のように構成された第2実施形態によれば、上記第1実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
○マイクロレンズアレイとして、コンデンサレンズ70の前側焦点面近傍に配置された1枚のマイクロレンズアレイ60Aを備え、かつ、被照射面30はコンデンサレンズ70の後側焦点面近傍に配置されている。これにより、各LED21からの出射光を被照射面30上で重ね合わせることができる。
According to 2nd Embodiment comprised as mentioned above, in addition to the effect which the said 1st Embodiment show | plays, there exist the following effects.
As a microlens array, one
○楕円鏡アレイ付きのLEDアレイ20Aにあっては、各LED21が各楕円鏡41Aの第1の焦点位置近傍にそれぞれ位置するように、LEDアレイ20Aと楕円鏡アレイ40Aとが一体化されている。このため、ほぼ点光源である各LED21からの出射光を各楕円鏡41Aにより集光光束として対応する各マイクロレンズ素子61Aに入射させることができ、各LED21からの出射光を有効に被照射面30に伝達することができる。したがって、光量伝達率を改善することができ、被照射面30上での光量をより大きくすることができる。
In the
○マイクロレンズアレイ60Aは、各楕円鏡41Aの第2の焦点位置で構成される第2の焦点面近傍に配置されているので、各LED21からの出射光を有効に被照射面30に伝達することができ、光量伝達率を改善することができる。
The
(実施例2)
上記第1実施形態に係る照明光学装置10Aで使用した各光学部品の仕様は、以下の通りである。
(Example 2)
The specifications of each optical component used in the illumination
<LEDアレイ20A>
LEDアレイ20Aの各LED21の仕様は、上記実施例1のLEDアレイ20の各LEDと同様である。
<
The specification of each
<楕円鏡アレイ40A>
楕円鏡アレイ40Aの仕様は次の通りである。
・焦点距離 6.8mmの楕円鏡41A
・ピッチ 横4mm、縦3mm
・配列 横9個×縦13個
・全体寸法 36mm×39mm
・1画素の形状は4mm×3mmの矩形形状で、縦横に隙間を開けずに配列する。
<
The specification of the
-
・ Pitch width 4mm, length 3mm
-9 horizontal array x 13 vertical array-Overall dimensions 36 mm x 39 mm
-The shape of one pixel is a rectangular shape of 4 mm x 3 mm, and is arranged without leaving a gap vertically and horizontally.
・構造
・金型を用いてガラスをプレス加工したもの。
・楕円鏡41Aの表面に誘電体多層膜の反射膜が形成されている。
・ Structure ・ Pressed glass using a mold.
A dielectric multilayer reflective film is formed on the surface of the
<LEDアレイ20A全体>
LEDアレイ20A全体の仕様は、上記実施例1のLEDアレイ20全体と仕様である。
<
The specification of the
<マイクロレンズアレイ60A>
マイクロレンズアレイ60Aの各マイクロレンズ素子61Aの仕様は、上記実施例1のマイクロレンズアレイ60の各マイクロレンズ素子61Aと同様である。
<
The specification of each
<コンデンサレンズ70>
コンデンサレンズ70の仕様は、上記実施例1のコンデンサレンズ70と同様である。
<被照射面30>
被照射面30は、上記実施例1と同様の仕様の液晶パネル80を用いている。
<
The specification of the
<
The
<実施例2の評価結果>
以上のような仕様とした実施例2の照明光学装置10Aにおいて、各LED21を350mA(消費電力143W)で駆動することによって、LEDアレイ20A全体の光量を3022(lm)として発光させた。このとき、液晶パネル80(14.7×10.7mm)内に約1500(lm)の光が入射した。すなわち光量伝達率は約50%であり、これは従来の液晶プロジェクタの光学系での約15%よりも改善されている。また、微小画素ミラー型の光学系に対しても、同等以上の特性と言える。また、そのときの面内(被照射面30内)の照度ムラは約30%となった。
<Evaluation results of Example 2>
In the illumination
[第3実施形態]
第3実施形態に係る照明光学装置を図6に基づいて説明する。
この照明光学装置10Bは、図6に示すように、図5に示す上記第2実施形態において、コンデンサレンズ70と被照射面30の間に、入射側端面90aと出射側端面90bを備え、四角柱の4つの壁部の各内面を反射面とした反射光学素子90を配置してある。この反射光学素子90は、入射側端面90aがコンデンサレンズ70の後側焦点面近傍に位置しかつ出射側端面90bが被照射面30近傍に位置するように配置されている。
[Third embodiment]
An illumination optical apparatus according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 6, the illumination
以上のように構成された第3実施形態によれば、上記第2実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
○各LED21からの出射光が反射光学素子90内部の各反射面で反射されて被照射面30に入射するので、被照射面30上での照度の不均一性をさらに改善することができる。
According to 3rd Embodiment comprised as mentioned above, in addition to the effect which the said 2nd Embodiment show | plays, there exist the following effects.
O The emitted light from each
(液晶プロジェクタの一実施形態)
次に、照明光学装置を用いた投射型表示装置としての液晶プロジェクタの一実施形態を、図7に基づいて説明する。
(One Embodiment of Liquid Crystal Projector)
Next, an embodiment of a liquid crystal projector as a projection display device using an illumination optical device will be described with reference to FIG.
この液晶プロジェクタは、図1に示す上記第1実施形態に係る照明光学装置10と、被照射面30の位置に配置され、照明光学装置10からの出射光を変調する光変調手段としての液晶パネル(ライトバルブ)80と、液晶パネル80により光変調された出射光をスクリーン110上に投影する投影レンズ100と、を備えている。
The liquid crystal projector includes the illumination
この液晶プロジェクタのLEDアレイ20のLED21には、例えば上記実施例1と同様に3種類のLED(赤色LED,緑色LED,青色LED)を用いた。
この液晶プロジェクタでは、3種類のLEDを順次点灯させるように各LED21を制御し、各LEDが順次点灯されるのに同期して各色毎の画像データに基づいて液晶パネル80を駆動することにより、順次画像を形成し、この画像を表わす光が投影レンズ100でスクリーン110上に投影される。これにより、スクリーン110上にフルカラーの画像が順次表示される。
As the
In this liquid crystal projector, each
このように構成された液晶プロジェクタの一実施形態によれば、高輝度でかつ輝度ムラの少ない高品質な表示が可能な液晶プロジェクタを実現することができる。
なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
According to one embodiment of the liquid crystal projector configured as described above, a liquid crystal projector capable of high-quality display with high luminance and less luminance unevenness can be realized.
In addition, this invention can also be changed and embodied as follows.
・上記第1実施形態において、各LED21と各放物面鏡41の位置関係に限らず、各
LED21とマイクロレンズアレイ50,60の各マイクロレンズ素子51,61の位置関係をずらしてもよい。つまり、LEDアレイ20と、放物面鏡アレイ40と、マイクロレンズアレイ50,60とのうち、少なくとも1つが同軸上に配置されていないセグメントがあることが望ましい。これにより、複数のセグメントの一部に、他と集光位置の異なるセグメントを存在することになるので、被照射面上での照度ムラを改善することができる。
In the first embodiment, not only the positional relationship between each
・上記第1実施形態において、複数の放物面鏡41のなかに、焦点距離が他と異なる放物面鏡41を一部に配置してもよい。この場合も、上記と同様にLED21自身の影の影響を弱めることができ、被照射面上での照度ムラを改善することができる。
In the first embodiment, among the plurality of
・上記第1実施形態において、各マイクロレンズ素子51,61の焦点距離または曲率半径が異なる部分を組み合せてもよい。これにより、複数のセグメントの一部に、他と集光位置の異なるセグメントを存在することになるので、被照射面上での照度ムラを改善することができる。
In the first embodiment, portions having different focal lengths or curvature radii of the
・上記第3実施形態では、図5に示す上記第2実施形態に係る照明光学装置10Aに反射光学素子90を配置した構成について一例として説明したが、図1に示す上記第1実施形態に係る照明光学装置10に反射光学素子90を配置した構成にも本発明は適用可能である。
In the third embodiment, the configuration in which the reflective
・上記各実施形態では、複数の発光素子を含む発光素子アレイとして、複数のLED(発光ダイオード)21を有するLEDアレイ20,20Aを用いた構成を一例として説明したが、発光素子として半導体レーザ等の点光源を複数を含む発光素子アレイにも本発明は適用可能である。
In each of the above embodiments, the configuration using the
・上記各実施形態では、光変調手段としての液晶パネル80の入射面を、各LED21からの出射光が照射される被照射面30とした構成について一例として説明したが、本発明は液晶パネル(ライトバルブ)以外の光変調手段を用いた投射型表示装置にも適用可能である。例えば、光変調手段としてデジタルミラーデバイスを用いた微小画素ミラー反射偏向型の画像表示装置で投射型表示装置を構成し、各微小画素ミラーの反射面を被照射面30とする構成にも本発明は適用可能である。
In each of the above embodiments, the configuration in which the incident surface of the
f1…焦点距離、10,10A,10B…照明光学装置、20,20A…LEDアレイ、22,22A…LEDアレイ面、30…被照射面、40…放物面鏡アレイ、40A…楕円鏡アレイ、41…放物面鏡、41A…楕円鏡、50,60,60A…マイクロレンズアレイ、51,61,61A…マイクロレンズ素子、70…コンデンサレンズ、80…液晶パネル、90…反射光学素子、90a…入射側端面、90b…出射側端面、100…投影レンズ、110…スクリーン。
f1 ...
Claims (17)
前記複数の発光素子から出射して前記凹面鏡アレイで反射された光を、前記少なくとも1枚のマイクロレンズアレイおよびコンデンサレンズを介して前記被照射面へ入射させるように構成し、かつ、前記発光素子アレイの発光素子アレイ面と前記被照射面は共役関係となっていないことを特徴とする照明光学装置。 A light-emitting element array in which a plurality of light-emitting elements are arranged in one plane; and a concave mirror array having a plurality of concave mirrors that reflect emitted light from the plurality of light-emitting elements and emit the light toward a substantially rectangular shaped irradiated surface; An at least one microlens array and a condenser lens each disposed between the light emitting element array and the irradiated surface, each having a plurality of microlens elements,
The light emitted from the plurality of light emitting elements and reflected by the concave mirror array is configured to enter the irradiated surface via the at least one microlens array and a condenser lens, and the light emitting element An illumination optical apparatus, wherein the light emitting element array surface of the array and the irradiated surface are not in a conjugate relationship.
前記発光素子アレイの各発光素子と、前記凹面鏡アレイの各凹面鏡と、前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズ素子とが、1対1に対向するように配置されていることを特徴とする照明光学装置。 The illumination optical apparatus according to claim 1,
The illumination optical device, wherein each light emitting element of the light emitting element array, each concave mirror of the concave mirror array, and each microlens element of the microlens array are arranged so as to be opposed to each other one to one. .
前記凹面鏡アレイの各凹面鏡を前記コンデンサレンズの光軸方向から見たとき、その形状が前記被照射面の矩形形状とほぼ相似の矩形形状であり、かつ、前記各凹面鏡が前記光軸に垂直な1平面内で縦横に間隔を開けずに配列されていることを特徴とする照明光学装置。 The illumination optical apparatus according to claim 2,
When each concave mirror of the concave mirror array is viewed from the optical axis direction of the condenser lens, the shape thereof is a rectangular shape substantially similar to the rectangular shape of the irradiated surface, and each concave mirror is perpendicular to the optical axis. 1. An illumination optical apparatus, wherein the illumination optical apparatus is arranged in a single plane with no vertical and horizontal intervals.
前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズ素子を前記コンデンサレンズの光軸方向から見たとき、その形状が前記被照射面の矩形形状とほぼ相似の矩形形状であり、かつ、前記各マイクロレンズ素子が前記光軸に垂直な1平面内で縦横に間隔を開けずに配列されていることを特徴とする照明光学装置。 The illumination optical apparatus according to claim 3.
When each microlens element of the microlens array is viewed from the optical axis direction of the condenser lens, the shape is a rectangular shape substantially similar to the rectangular shape of the irradiated surface, and each microlens element is the An illumination optical device, wherein the illumination optical device is arranged in a plane perpendicular to the optical axis without being spaced apart vertically and horizontally.
1対1に対向するように配置されている前記各発光素子、前記各凹面鏡、および前記各マイクロレンズ素子が、それぞれ同軸上に配置されていることを特徴とする照明光学装置。 The illumination optical apparatus according to any one of claims 2 to 4,
The illumination optical device characterized in that the light emitting elements, the concave mirrors, and the microlens elements arranged so as to face each other one to one are arranged coaxially.
1対1に対向するように配置されている前記各発光素子、前記各凹面鏡、および前記各マイクロレンズ素子が、互いに同軸上に配置された組合せと、同軸上に配置されていない組合せとが存在するように配置されていることを特徴とする照明光学装置。 The illumination optical apparatus according to any one of claims 2 to 4,
There are combinations in which the light-emitting elements, the concave mirrors, and the microlens elements arranged so as to face each other in a one-to-one relationship are arranged coaxially with each other and combinations that are not arranged coaxially. An illumination optical device characterized by being arranged to do so.
前記複数の凹面鏡の一部と前記複数のマイクロレンズ素子の一部の少なくとも一方に、他と異なる焦点距離または曲率半径を有する凹面鏡またはマイクロレンズ素子を存在させることを特徴とする照明光学装置。 The illumination optical apparatus according to claim 5 or 6,
An illumination optical apparatus, wherein a concave mirror or a microlens element having a focal length or a radius of curvature different from the other is present in at least one of a part of the plurality of concave mirrors and a part of the plurality of microlens elements.
前記凹面鏡アレイは前記凹面鏡が放物面鏡である放物面鏡アレイであり、前記少なくとも1枚のマイクロレンズアレイとして、前記各マイクロレンズ素子の配列が同一である一対のマイクロレンズアレイを備えることを特徴とする照明光学装置。 In the illumination optical device according to any one of claims 1 to 7,
The concave mirror array is a parabolic mirror array in which the concave mirror is a parabolic mirror, and the at least one microlens array includes a pair of microlens arrays having the same arrangement of the microlens elements. An illumination optical device.
前記一対のマイクロレンズアレイは、互いに焦点距離だけ離して配置されていることを特徴とする照明光学装置。 The illumination optical apparatus according to claim 8, wherein
The pair of microlens arrays are arranged to be spaced apart from each other by a focal length.
前記一対のマイクロレンズアレイのうち、前記発光素子に近い方と前記被照射面をほぼ共役関係となるように配置し、
前記一対のマイクロレンズアレイのうち、前記発光素子から遠い方と前記発光素子アレイ面をほぼ共役関係となるように配置したことを特徴とする照明光学装置。 The illumination optical apparatus according to claim 9, wherein
Of the pair of microlens arrays, the one close to the light emitting element and the irradiated surface are arranged so as to be substantially conjugate,
An illumination optical apparatus comprising: a pair of microlens arrays arranged so that a side farther from the light emitting element and the light emitting element array surface are in a conjugate relationship.
前記少なくとも1枚のマイクロレンズアレイとして、前記コンデンサレンズの前側焦点面近傍に配置された1枚のマイクロレンズアレイを備え、かつ、前記被照射面は前記コンデンサレンズの後側焦点面近傍に配置されていることを特徴とする照明光学装置。 In the illumination optical device according to any one of claims 1 to 7,
The at least one microlens array includes one microlens array disposed near the front focal plane of the condenser lens, and the irradiated surface is disposed near the rear focal plane of the condenser lens. An illumination optical device.
前記凹面鏡アレイは前記凹面鏡が楕円鏡である楕円鏡アレイであることを特徴とする照明光学装置。 The illumination optical apparatus according to claim 11.
2. The illumination optical apparatus according to claim 1, wherein the concave mirror array is an elliptical mirror array in which the concave mirror is an elliptical mirror.
前記発光素子アレイを前記楕円鏡アレイの第1の焦点面近傍に配置し、かつ、前記マイクロレンズアレイを前記楕円鏡アレイの第2の焦点面近傍に配置したことを特徴とする照明光学装置。 The illumination optical apparatus according to claim 12,
An illumination optical apparatus, wherein the light emitting element array is disposed in the vicinity of a first focal plane of the elliptical mirror array, and the microlens array is disposed in the vicinity of a second focal plane of the elliptical mirror array.
前記コンデンサレンズと前記被照射面の間に、入射側端面と出射側端面を備え、四角柱の4つの壁部の各内面を反射面とした反射光学素子を、前記入射側端面が前記コンデンサレンズの後側焦点面近傍に位置しかつ前記出射側端面が前記被照射面近傍に位置するように配置したことを特徴とする照明光学装置。 The illumination optical apparatus according to any one of claims 1 to 13,
A reflective optical element having an incident-side end surface and an exit-side end surface between the condenser lens and the irradiated surface and having the inner surfaces of the four wall portions of the quadrangular prism as reflecting surfaces, the incident-side end surface being the condenser lens An illumination optical apparatus, wherein the illumination optical apparatus is disposed in the vicinity of the rear focal plane and so that the exit-side end surface is positioned in the vicinity of the irradiated surface.
前記発光素子アレイは、前記発光素子として複数の発光ダイオードを備えた発光ダイオードアレイであることを特徴とする照明光学装置。 The illumination optical apparatus according to any one of claims 1 to 14,
2. The illumination optical apparatus according to claim 1, wherein the light emitting element array is a light emitting diode array including a plurality of light emitting diodes as the light emitting elements.
前記光変調手段は液晶パネルであることを特徴とする照明光学装置を用いた投影型表示装置。 In the projection type display apparatus using the illumination optical apparatus according to claim 16,
A projection display apparatus using an illumination optical apparatus, wherein the light modulation means is a liquid crystal panel.
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