JP2009258656A - Light pipe, illuminating optical system, and image projection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一端から光を導入し、他端からその光を射出するライトパイプ、及びこれを用いた照明光学系及び画像投影装置に関する。 The present invention relates to a light pipe that introduces light from one end and emits the light from the other end, and an illumination optical system and an image projection apparatus using the light pipe.
光源からの光を液晶表示素子やDMD(digital maicromirror device)素子等の光変調素子に照射し、スクリーン上に画像を投影する画像投影装置が普及している。光変調素子に照射する光源として、ハロゲンランプや高圧水銀ランプ等が用いられてきた。しかし、これらの光源は大電力が必要なことや、温度が上昇するので冷却装置が必要であるために、重量や体積が大きくなり、装置全体をコンパクトに構成することの妨げとなった。一方、近年、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)の輝度及び発光効率が向上している。LEDは、駆動電圧が低く、小型軽量であるために、画像投影装置の光源に利用できれば、装置全体の小型化、軽量化を図ることができる。 2. Description of the Related Art Image projection apparatuses that irradiate light modulation elements such as liquid crystal display elements and DMD (digital micromirror device) elements with light from a light source and project an image on a screen have become widespread. A halogen lamp, a high pressure mercury lamp, or the like has been used as a light source for irradiating the light modulation element. However, these light sources require a large amount of electric power, and since a temperature rises and requires a cooling device, the weight and volume increase, which hinders the compact construction of the entire device. On the other hand, in recent years, the luminance and light emission efficiency of light emitting diodes (LEDs) have been improved. Since the LED has a low driving voltage and is small and lightweight, if the LED can be used as a light source of an image projection apparatus, the entire apparatus can be reduced in size and weight.
しかし、LEDから射出される光は指向性が低く、リフレクタや集光レンズ系が必要なことや、光が射出される方向の輝度は必ずしも均一ではない。射出光の指向性が低いと、画像投影に利用できる光の割合が低下し、投影面が暗くなる。また、射出方向に対して輝度むらが存在すると、投影面に輝度むらが生じて、画像品質が低下する。特許文献1は、このような不具合を、ロッドインテグレータ(以下、ライトパイプという。)を用いて改善しようというものである。
However, the light emitted from the LED has low directivity, and a reflector or a condenser lens system is required, and the luminance in the direction in which the light is emitted is not necessarily uniform. If the directivity of the emitted light is low, the proportion of light that can be used for image projection decreases, and the projection surface becomes dark. In addition, if there is luminance unevenness with respect to the emission direction, luminance unevenness occurs on the projection surface and image quality is degraded.
図7は、特許文献1に記載される照明用光源装置50の断面構造を示す。照明用光源装置50は、ライトパイプ51と、ライトパイプ51の光入射開口54に設けた白色LED52とから構成されている。白色LED52は、ライトパイプ51の端部よりも発光点53を光案内通路56の内側に設置し、発光点53から発光する光を効率よく光射出開口55まで導くことができる。また、ライトパイプ51を中空の筒状としたので、中実の柱状のライトパイプを用いる場合よりも、光の内面反射の回数が増える。そのため、光が光射出開口55から射出される際に、より均一な強度の照明光を得ることができる、というものである。
FIG. 7 shows a cross-sectional structure of the illumination
図8は、特許文献2に記載される照明装置60の断面構造を示す。複数のテーパロッド63と、その先に、これらの複数のテーパロッド63の射出側開口部を集合したロッド64と、すり鉢状の各テーパロッド63の底に設置されるLED68R、68G、68B及び各LEDを搭載した基板67とからなるLEDアレイ62から構成されている。各LED68R、68G、68Bで発光した光は、テーパロッド63の壁面により反射されて射出角が狭くなり、ロッド64の射出端から射出される。LED68R、68G、68Bの複数の光源から発光した各色の光が合成されて、より指向性の高い白色光を射出させることができる、というものである。
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of the
特許文献1に記載される照明用光源装置50において、例えば、白色LED52の発光点53において発光した光の射出角をθとする。発光点53で発光した光は、ライトパイプ51の内表面57で繰り返して反射され、光射出開口55に進む。しかし、内表面57で光が反射する場合、入射角と反射角は等しい。即ち、白色LED52から射出された光が光射出開口55から射出するときは、上記射出角が維持される。従って、光射出開口55から射出される光の射出角をφとすると、この射出角φは発光角θとほとんど同じとなる。従って、図7に示される照明用光源装置50では、ライトパイプ51から射出する光の指向性は、光源であるLED52から射出する光の指向性とさほど変わらない。従って、光の利用効率を低下させないための追加の工夫も必要となる。特に、プロジェクタに用いた場合、投影レンズの許容入射角はLEDの発光角より小さいため、許容入射角より大きな射出角でライトパイプから射出された光は、投影レンズから投影されず、損失となる。
In the illumination
特許文献2に記載される照明装置60では、各LED68R、68G、68Bで発光した光は、リフレクタの機能を有するテーパロッド63により指向性が高くなって射出される。しかし、各LED68R、68G、68Bにおいて発光した光は各テーパロッド63内で繰り返し反射されず、また、テーパロッド63の先に設けたロッド64は口径が大きいので、テーパロッド63から射出された光の繰り返し反射回数は少ない。例えば各LED68R、68G、68Bから射出された光に射出角依存性がある場合は、ロッド64から射出される射出光の角度依存性がそのまま保持され、投影される画像に色むらとして現れる。同様に、各LED68R、68G、68B間で発光色が異なる場合、ロッド64から射出される光に色分布が発生する恐れがある。色分布が発生すると投影画像の品質が低下するので、ロッド64と光変調素子との間に、光混合手段を更に設ける等の対策が必要となる。
In the
本発明においては上記課題を解決するために以下の手段を講じた。 In the present invention, the following means have been taken in order to solve the above problems.
請求項1に係る発明においては、側壁面が反射面の筒状の導光体からなり、入射端から光を導入し前記側壁面で繰り返して反射させて射出端から前記光を射出するライトパイプにおいて、前記導光体には、前記導光体の少なくとも前記入射端側の内部空間を前記導光体の長手方向に仕切る透光性の仕切り部が構成され、前記仕切り部の前記入射端側の領域の表面に回折部が形成され、前記射出端から射出される光の射出角が、前記入射端から導入される光の入射角よりも小さくなることを特徴とするライトパイプとした。
In the invention according to
請求項2に係る発明においては、前記仕切り部は、2枚の透光性板が直交するように断面が十字形状を有し、前記内部空間を4分割しており、前記回折部は、前記2枚の透光性板の表面に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のライトパイプとした。
In the invention according to
請求項3に係る発明においては、前記回折部は複数の溝を有し、前記複数の溝の間隔は、前記入射端に近づくほど狭くなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のライトパイプとした。
The invention according to
請求項4に係る発明においては、前記回折部は複数の溝を有し、前記複数の溝の間隔は、前記直交する2枚の透光性板において、互いに異なることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のライトパイプとした。
In the invention according to
請求項5に係る発明においては、請求項1〜4のいずれか1項に記載のライトパイプと、前記ライトパイプの前記入射端に設置された発光素子とを備えた照明光学系とした。
In the invention which concerns on
請求項6に係る発明においては、前記入射端は前記仕切り部により分割されており、前記分割された夫々の入射端に対応して、複数の前記発光素子が設置されていることを特徴とする請求項5に記載の照明光学系とした。
In the invention which concerns on
請求項7に係る発明においては、前記発光素子の発光面の形状は、前記入射端において、前記側壁面と前記仕切り部で囲まれた形状と略同一であることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の照明光学系とした。
In the invention according to claim 7, the shape of the light emitting surface of the light emitting element is substantially the same as the shape surrounded by the side wall surface and the partition portion at the incident end. The illumination optical system according to
請求項8に係る発明においては、前記入射端は前記仕切り部により4分割されており、前記分割された4つの入射端には赤、緑、青、白の各発光色の発光素子が設置されていることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の照明光学系とした。
In the invention which concerns on
請求項9に係る発明においては、前記入射端は前記仕切り部により4分割されており、前記分割された4つの入射端には赤、緑、緑、青の各発光色の発光素子が設置されていることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の照明光学系とした。
In the invention which concerns on Claim 9, the said incident end is divided into 4 by the said partition part, The light emitting element of each luminescent color of red, green, green, and blue is installed in the said 4 divided incident ends. An illumination optical system according to
請求項10に係る発明においては、前記請求項5〜9のいずれか1項に記載される照明光学系と、前記照明光学系から射出される照明光を画像光に変換する光変調部と、前記画像光を投影する投影部を備えた画像投影装置とした。
In the invention which concerns on
請求項11に係る発明においては、前記照明光学系は、3原色に夫々対応して有し、前記夫々の照明光学系から射出される光を合成する光合成部と、前記光合成部により合成した光を変調する前記光変調部と、前記光変調部により変調した光を投影する前記投影部と、を有する請求項10に記載の画像投影装置とした。
In the invention according to
本発明に係るライトパイプは、入射端から光を導入し側壁面で繰り返して反射させて射出端から光を射出させたものであり、導光体には少なくともその入射端側の内部空間を導光体の長手方向に仕切る透光性の仕切り部を構成し、その仕切り部の入射端側の領域の表面に回折部を形成し、射出端から射出される光の射出角が、入射端から導入される光の入射角よりも小さくなるようにした。これにより、入射した光の指向性よりも高い指向性を付与し、射出端における輝度の均一性を向上させた光を射出させることができ、結果として光の利用効率を向上させることができる、という利点を有する。 The light pipe according to the present invention is such that light is introduced from the incident end, repeatedly reflected on the side wall surface, and emitted from the exit end. The light guide guides at least the internal space on the incident end side. A translucent partition that partitions in the longitudinal direction of the light body is configured, a diffractive portion is formed on the surface of the region on the incident end side of the partition, and the exit angle of light emitted from the exit end is from the entrance end. The incident angle of the light to be introduced was made smaller. Thereby, the directivity higher than the directivity of the incident light can be given, and the light with improved brightness uniformity at the exit end can be emitted, and as a result, the light utilization efficiency can be improved. Has the advantage.
また、仕切り部は、2枚の透光性板が直交するように断面が十字形状を有し、内部空間を4分割しており、回折部は、2枚の透光性板の表面に形成されている。これにより、4分割された内部空間に異なる色の光が入射した場合でも、各色の光は互いに他の領域に透過して混合され、かつ、指向性の高い光を射出することができる、という利点を有している。 The partition has a cross-shaped cross section so that the two translucent plates are orthogonal to each other, and the internal space is divided into four parts. The diffractive portion is formed on the surface of the two translucent plates. Has been. As a result, even when light of different colors is incident on the internal space divided into four parts, the light of each color can be transmitted to and mixed with other regions, and light with high directivity can be emitted. Has advantages.
また、回折部は複数の溝を有し、この複数の溝の間隔は、入射端に近づくほど狭くなるようにした。ライトパイプの入射端の領域に入射した光は、発光素子からの発光角が大きいほど入射端近くの回折部に入射する。入射端近くの回折部は、射出端側の回折部よりも溝の間隔が狭いため、より強い回折作用を受けて回折される。つまり、発光角の大きな光線ほど、略平行光に近づく大きな偏角作用を受けることができるので、結果的に射出光の指向性をより高めることができる。 Moreover, the diffraction part has a plurality of grooves, and the interval between the plurality of grooves is made narrower as it approaches the incident end. The light incident on the incident end region of the light pipe enters the diffraction section near the incident end as the emission angle from the light emitting element increases. The diffractive portion near the incident end is diffracted by receiving a stronger diffractive action because the groove interval is narrower than that of the diffractive portion on the exit end side. That is, as the light beam has a larger emission angle, it can be subjected to a large declination action that approximates to parallel light, and as a result, the directivity of the emitted light can be further increased.
また、回折部は複数の溝を有し、この複数の溝の間隔は、直交する2枚の透光性板において互いに異なるようにした。これにより、例えば、十字形の仕切り部の垂直方向と水平方向の光の透過条件を個別に設定することが可能となり、垂直方向と水平方向に異なった射出角を与えつつ指向性を高めた光を射出することができる、という利点を有する。 The diffractive portion has a plurality of grooves, and the intervals between the plurality of grooves are different from each other in the two translucent plates orthogonal to each other. As a result, for example, it is possible to individually set the vertical and horizontal light transmission conditions of the cross-shaped partition part, and light with improved directivity while giving different emission angles in the vertical and horizontal directions. Can be injected.
また、上記ライトパイプと、このライトパイプの入射端に設置した発光素子とを備えた照明光学系とした。これにより、小型軽量であり、指向性が高く、輝度むらの少ない光を照射することができる、という利点を有している。 Moreover, it was set as the illumination optical system provided with the said light pipe and the light emitting element installed in the incident end of this light pipe. Accordingly, there is an advantage that light is small and light, has high directivity, and has little luminance unevenness.
また、入射端は上記仕切り板より分割されており、この分割された夫々の入射端に対応して、複数の発光素子を設置した照明光学系とした。これにより、同一色の発光素子を配置すれば指向性の高い輝度の高い光を、異なる色の発光素子を設置すれば、加法混色された指向性の高い輝度むらの少ない光を照射することができる、という利点を有している。 The incident end is divided by the partition plate, and an illumination optical system is provided in which a plurality of light emitting elements are installed corresponding to the divided incident ends. This makes it possible to irradiate light with high directivity and high brightness if the light emitting elements of the same color are arranged, and additively mixed light with high directivity and less luminance unevenness if light emitting elements of different colors are installed. It has the advantage that it can.
また、発光素子の発光面の形状を、ライトパイプの入射端の形状と略同一とする照明光学系とした。これにより、ライトパイプの射出面の面積を必要最小限とすることができ発光素子から射出される光の利用効率を向上させることができる、という利点を有する。 In addition, an illumination optical system in which the shape of the light emitting surface of the light emitting element is substantially the same as the shape of the incident end of the light pipe. This has the advantage that the area of the exit surface of the light pipe can be minimized and the utilization efficiency of light emitted from the light emitting element can be improved.
また、入射端は上記仕切り部により4分割されており、分割された4つの入射端には、赤、緑、緑、青の各発光色の発光素子を、或いは、赤、緑、青、白の各発光色の発光素子を設置した照明光学系とした。これにより、視感度特性に合致したすべての色の光を照射することができる、あるいは、強い白色光の光とともに、全ての色の光を照射することができる、という利点を有している。 In addition, the incident end is divided into four by the partition part, and the four divided incident ends are provided with light emitting elements of emission colors of red, green, green and blue, or red, green, blue and white. The illumination optical system was provided with light emitting elements of the respective emission colors. Accordingly, there is an advantage that light of all colors matching the visibility characteristics can be emitted, or light of all colors can be irradiated together with strong white light.
また、上記照明光学系と、この照明光学系から射出される照明光を画像光に変換する光変調部と、この画像光を投影する投影部を設けた画像投影装置とした。これにより、軽量、小型の画像投影装置を構成することができる、という利点を有している。 The image projection apparatus includes the illumination optical system, a light modulation unit that converts illumination light emitted from the illumination optical system into image light, and a projection unit that projects the image light. Thereby, it has the advantage that a lightweight and small-sized image projector can be comprised.
以下、本発明の構成を、図面を用いて詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るライトパイプ1の構成を表す模式的な縦断面図である。ライトパイプ1は、筒型の形状を有する導光体2から構成されている。導光体2の内部空間には透光性の仕切り部12が形成されている。導光体2の側壁面3は光を反射する反射面により構成されている。導光体2は、入射端5から光を入射し、射出端6から当該入射した光を射出する。仕切り部12の入射端5側の上面には、回折部4が形成されている。入射角度αで入射した光は、回折部4において射出端6側に透過する。この回折部4においては、回折部4の透過条件に従って、入射角γ1で入射した光のうち、幾つかの次数の光は、入射角γ1よりも大きな角度の透過角γ2で透過させることができる。回折部4以外の仕切り部12では、入射角γ3と透過角γ4とは等しい。また、導光体2の側壁面3に入射した光の入射角と反射角とは等しい。これにより、射出角度βは入射角度αよりも小さくなる。なお、以下、広がりを持って入射する光束のうちの最大角度を入射角度αとし、広がりを持って射出する光束のうちの最大角度を射出角度βとする。
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing a configuration of a
導光体2として、ガラス等の無機材料や、プラスチック等の樹脂材料、金属材料、セラミックス等を使用する。導光体2の側壁面3には、例えばAgやAl等の金属膜や誘電体膜の反射膜を設けている。なお、反射膜は導光体2の外表面に設けても良く、導光体2に入射した入射光の一部は内表面で反射され、内表面を透過した光は外表面の反射膜で反射される。導光体2の内部に設けた仕切り部12は、透光性のガラス等の無機材料や透光性のプラスチック等の樹脂材料を使用することができる。導光体2は、円筒形の形状であってもよいし、多角の筒状形状であってもよい。仕切り部12は、1枚であっても、多数枚であってもよい。また、2枚の透光性板が直交するように断面が十字形状であってもよいし、断面が*形状であってもよい。仕切り部12は、入射端5から射出端6まで延在する場合の他に、入射端5から射出端6まで延在せず、途中まで形成するものであってもよい。また、均一な面光源が必要な装置に応じて、その形状を設定する。例えば、表示有効面が四角形の光変調素子に光を照射する場合には、導光体2の短手方向の断面を四角形にする。これにより、指向性が高く面内輝度分布の均一性の高い射出光を得ることができる。
As the
回折部4は、仕切り部12の入射端5側の領域に形成する。回折部4は、仕切り部12の上面又は下面のいずれか一方、又は両面に形成し、凹形状やV字形状の溝、或いは凸形状や断面が三角形或いは鋸歯状の突条により構成する。回折部4の形状は、利用したい一つもしくは複数の次数の効率を最も高めるように決めるのが好ましい。これらの溝や突条は、回折格子やホログラムのパターンとすることができる。また、回折部4が形成される仕切り部12の表面に薄い金属膜等を設けて半透過性とし、回折部4において一部の光が透過回折され、残りの光が反射回折されるようにしてもよい。
The
図2は、本発明の実施形態に係るライトパイプ1の回折部4を表す説明図である。図2(a)は、ライトパイプ1の入射端5側の領域の模式的な部分断面図であり、図2(b)は、ライトパイプ1の入射端5側の領域の模式的な斜視図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the
図2(a)及び図2(b)に示すように、ライトパイプ1は四角形の筒形状からなる導光体2により構成されている。導光体2の内部には、横透光性板13a及び縦透光性板13bの2枚の基板が直交するように断面が十字形状の仕切り部12が設置されている。導光体2の側壁面3は反射面により構成されている。横透光性板13a及び縦透光性板13bの入射端5側の領域の上面及び側面(以下、まとめて一方の表面という。)には回折部4が形成されている。回折部4は、多数の溝15から構成されている。溝15は、導光体2の長手方向に直交する方向に形成されている。溝15の間隔は、射出端6側の間隔P2よりも入射端5側の間隔P1のほうが狭い。つまり、溝15の間隔は、入射端5に近づくほど狭くなる。これにより、入射端5の近傍において、大きな入射角度αで入射した光は直接、もしくは反射面3で反射された後に横透光性板13a及び縦透光性板13bに入射するが、入射端5から離れるに従い、より大きな回折が得られるため、横透光性板13a及び縦透光性板13bを透過する透過角が大きくなる。そして、導光体2の長手方向により平行に近い透過光に変換される。即ち、射出端6から入射角度αよりも小さな射出角度βで射出される。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
特に、導光体2の入射端5に入射する光のうち、入射角度αが大きいほど入射端5近くの回折部4に入射する。入射端5近くの回折部4は、射出端6側の回折部4よりも回折溝15の間隔が狭いので、より強い回折作用を受けて回折され、射出端6側により大きく曲げられる。なお、導光体2の長手方向における回折部4の長さをLGとし、入射端5のうち分割された1つの入射端の幅をWとして、LG=W/(tan(β/2))とすれば、射出角度βより大きい角度で入射した光は必ず回折部4に入射するので、射出端6から、小さな射出角度βで射出させることができる。
In particular, out of the light incident on the
従って、導光体2の長手方向に直交する方向の断面積を、入射端5側で小さく、射出端6側で大きくする必要がなく、射出端6の射出面積を小さく構成することができるので、点光源に近く、かつ、射出面において輝度分布が均一な指向性の高い光を射出することができる。
Therefore, the cross-sectional area in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the
なお、上記実施形態においては、溝15は横透光性板13aと縦透光性板13bにおいて同一のピッチで形成したが、これに限定されない。例えば、横透光性板13aに形成する溝15のピッチと、縦透光性板13bに形成する溝15のピッチとを異なるように形成することができる。また、溝15として、平行な溝に代えて、ホログラムの回折パターンとすることができる。特に、入射端5から入射する光が点光源のような、放射方向の強度分布を有する場合に有効である。また、例えば回折格子のピッチの例としては、入射角度αが80°で入射端へ入射する光を射出端より射出する角度として射出角度βを15°以下に指向性を高めたい場合、屈折率nを1、壁面への入射角度をθin、壁面での反射角度をθとするならばp(nsinθ−sinθin) =mλ(mは整数)の式よりmを1として0.67μm程度のピッチサイズが必要になる。さらに数回の回折による反射が行われる場合、数回の回折による反射の合計にて射出角15°以下になるようにピッチを施してもよい。
In the above-described embodiment, the
図3は、本発明の他の実施形態に係るライトパイプ1の構成を表す模式的な縦断面図である。図1と異なる部分は、仕切り部12’が、入射端5から射出端6に向けて導光体2の途中まで形成されている点である。その他の構成は図1に示したライトパイプ1と同様である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付した。
FIG. 3 is a schematic longitudinal sectional view showing the configuration of the
ライトパイプ1は、筒型の形状を有する導光体2から構成されている。導光体2の内部空間には透光性の仕切り部12’が形成されている。仕切り部12’は、導光体2の入射端5側から射出端6に向けて途中まで形成されている。つまり、導光体2の入射端5側の内部空間を導光体2の長手方向に仕切るように形成されている。導光体2の側壁面3は光を反射する反射面により構成されている。導光体2は、入射端5から光を入射し、射出端6から当該入射した光を射出する。仕切り部12の入射端5側の上面には、回折部4が形成されている。入射角度αで入射した光は、回折部4において射出端6側に透過する。この回折部4においては、回折部4の透過条件に従って、入射角γ1で入射した光のうち、ある特定の次数の光は、入射角γ1よりも大きな角度の透過角γ2で透過する。回折部4以外の仕切り部12’や、導光体2の側壁面3においては、入射角γ3と反射角γ4(仕切り部12’の回折部4が形成されていない領域を光が透過する場合には透過角γ4)とは等しい。
The
その他の構成は図1又は図2と同様なので、説明を省略する。ライトパイプ1をこのように構成することにより、射出端6からは、指向性が高く、輝度分布の均一性の高い光を射出させることができる。特に、射出端6から仕切り部12’の端部が離れているので、射出光は仕切り部12’の端部の影響を受け難く、輝度分布の均一性を向上させることができる。また、ライトパイプ1の重量を軽くすることができる。
Other configurations are the same as those in FIG. 1 or FIG. By configuring the
図4は、本発明の実施形態に係る照明光学系10の説明図である。図4(a)は、照明光学系10を表す模式的な縦断面図であり、図4(b)〜図4(d)は、発光素子11のレイアウトを表す平面図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the illumination
図4(a)に示すように、導光体2からなるライトパイプ1の入射端5に発光素子11を設置している。導光体2の側壁面3により囲まれる空間は、導光体2の長手方向に直交する方向においてほぼ同一の断面形状を備えている。導光体2の少なくとも入射端5側の内部空間は、透光性の仕切り部12により2分割されている。なお、ライトパイプ1は図1又は図2において説明したと同様なので、説明を省略する。また、ライトパイプ1は図3において説明したと同様に、仕切り部12を導光体2の途中まで形成し、仕切り部12の端部と射出端6との間に間隔を設けてもよい。
As shown in FIG. 4A, the
発光素子11は、基体8と、基体8に設置されたLED7aとLED7bとから構成されている。LED7aの光の射出面9aは、仕切り部12により分割された下側の入射端5aの形状と略同一の形状を有し、LED7bの光の射出面9bは、仕切り部12により分割された上側の入射端5bの形状と略同一の形状を有している。各LED7a、7bの各射出面9a、9bは夫々上下の入射端5a、5bに密着して設置されている。そのために、各射出面9a、9bから射出される光は、外部に漏れることなく導光体2の内部に導入される。導光体2の内部に導入された光は、回折部4により射出端6側に透過し、指向性が高く、かつ、射出端6において輝度分布の均一な射出光に変換される。また、射出面9a、9bから指向性の広い領域の光も射出光として利用できるので、光の利用効率を向上させることができる。
The
図4(a)に示す本実施形態は、仕切り部12により導光体2の内部空間が2分割される場合であるが、これに代えて、図2に示したような、4分割或いは更に多分割するものであってもよい。また、LED7aとLED7bとは発光色が同色でも異なるものであってもよい。また、導光体2の内部に設置する仕切り部12が、図2に示すような断面が十字形状を有し、導光体2の内部空間を4分割する場合に、4つに分割された入射端に、同色発光の4つのLEDを設置してもよいし、互いに異なる発光色のLEDを設置してもよい。
The present embodiment shown in FIG. 4A is a case where the internal space of the
図4(b)は、導光体2の内部空間を1枚の透光性板からなる仕切り部12により2分割した場合の、導光体2側から見た発光素子11の平面図である。発光素子11は、基体8の上に設置したLED7aとLED7bが設置されている。各LED7a、7bの光の射出面は、導光体2の分割された入射端5a、5bと略同一の形状を有している。LED7a、7bの発光を青色と黄色、赤色と緑色などの補色関係とすれば、射出端6から白色光を射出させることができる。
FIG. 4B is a plan view of the
図4(c)及び図4(d)は、導光体2の入射端5側の内部空間を断面が十字形状を有する透光性板からなる仕切り部12により4分割した場合の、導光体2側から見た発光素子11の平面図である。図4(c)に示すように、発光素子11は、基体8の上に設置した、赤色発光のLED7R、緑色発光のLED7G、青色発光のLED7Bが設置されている。各LED7R、7G、7Bの光の射出面は、導光体2の分割された4つの入射端と略同一の形状を有している。各LED7R、7G、7Bの3原色の発光により、全ての色を射出させることができる。また、2個の緑色発光のLED7Gを使用することにより、視感度特性に合致した光を射出させることができる。
4 (c) and 4 (d) show a light guide when the internal space on the
また、図4(d)に示すように、基体8に、赤色発光のLED7R、緑色発光のLED7G、青色発光のLED7B、白色発光のLED7Wを設置することができる。赤色、緑色、青色加法混色により白色光を得るとともに、更に白色発光のLED7Wを設置しているので、全ての色を射出することができる事に加えて、明るい白色光を得ることができる。
Further, as shown in FIG. 4D, a red
図5は、本発明の実施形態に係る画像投影装置20を表す模式的な断面図である。画像投影装置20は、光合成部22と、光合成部22の3つの辺に設けた光変調部21R、21G、21Bと、3つの光変調部21R、21G、21Bの夫々に対応して設けた3つのリレーレンズ24R、24G、24Bと、この3つのリレーレンズ24R、24G、24Bの夫々に対応して設けた3つの照明光学系10R、10G、10Bと、投影部23から構成されている。ここで、光合成部22はダイクロイックプリズムにより構成されている。光変調部21Rは赤色の画像を表示する液晶表示素子、光変調部21Gは緑色の画像を表示する液晶表示素子、光変調部21Bは青色の画像を表示する液晶表示素子により構成されている。3つの照明光学系10R、10G、10Bの夫々は、導光体2からなるライトパイプ1の入射端5に、赤色発光のLED7a、7bからなる赤色発光素子11R、緑色発光のLEDからなる緑色発光素子11G、及び、青色発光のLEDからなる青色発光素子11Bを備えている。投影部23は、画像投影用の投影レンズ系により構成されている。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the
各照明光学系10R、10G、10Bの射出端6は、各光変調部21R、21G、21Bの表示有効領域の形状と相似する面形状を有している。各光変調部21R、21G、21Bの表示有効領域が四角形を有し、当該四角形の縦横の長さの比が例えば3対4の場合には、各照明光学系10R、10G、10Bも四角形を有し、当該四角形の射出端6の縦横比も3対4に設定されている。導光体2の内部には断面が十字形状の仕切り部12が設置され、当該仕切り部12の入射端5の表面には多数の溝からなる回折部4が形成されている。多数の溝のピッチは入射端5側に近づくにつれて狭くなる。また、各照明光学系10R、10G、10Bの十字形状を構成する横透光性板13aの表面に形成される多数の溝と、縦透光性板13bの表面に形成される多数の溝とは、隣り合う溝の間隔が異なる。また、各照明光学系10R、10G、10Bにおいても、各発光素子11R、11G、11Bの発光色に合わせて、溝の間隔は異なるように形成されている。
The
各照明光学系10R、10G、10Bの夫々から射出された光は、各リレーレンズ24R、24G、24Bを介して略平行もしくは投影レンズの開口数にマッチングさせた光束として各光変調部21R、21G、21Bに照射される。各光変調部21R、21G、21Bは、入射した照明光を各色に対応する画像光に変換する。各光変調部21R、21G、21Bから射出された画像光は、光合成部22により加法混色され、投影部23を介して、スクリーン等に投影される。このように構成することにより、光効率が高く、軽量でコンパクトな画像投影装置20を構成することが可能となる。
The light emitted from each of the illumination
なお、上記実施形態においては、各照明光学系10R、10G、10Bと各光変調部21R、21G、21Bと間にリレーレンズ24R、24G、24Bを設けたが、これらのリレーレンズ24R、24G、24Bを除去して、各照明光学系10R、10G、10Bに対応する各光変調部21R、21G、21Bに近接配置することができる。この場合は、各照明光学系10R、10G、10Bの射出端6の形状と各光変調部21R、21G、21Bの有効表示領域の形状とをほぼ同じ面形状とすることができる。また、各照明光学系10R、10G、10Bの導光体2内の仕切り部12は、その端部と射出端6との間に間隔を設けるようにしてもよい。
In the above embodiment, the
図6は、本発明の他の実施形態に係る画像投影装置20を表す模式的な断面図である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。図6において、画像投影装置20は、照明光学系10と、リレーレンズ24と、反射型の光変調部21と、光変調部21から反射される画像光を投影する投影部23から構成されている。照明光学系10は、導光体2と、導光体2内に設けた仕切り部12と、導光体2の入射端5に設けた発光素子11から構成されている。発光素子11は、基体8と、基体8の上に設けた赤色発光のLED7Rと、緑色発光のLED7G(図示しない)と、青色発光のLED7Bから構成されている。各LED7R、7G、7Bは基体8に集積して設置され、LED7R、7G、7Bの全体の発光面は、入射端5の入射面の形状とほぼ同じ形状を備え、導光体2の端部に密着設置されている。そのため、各LED7R、7G、7Bの光は、外部に漏れない。各LED7R、7G、7Bの色の光は、仕切り部12の回折部4及び側壁面3において反射を繰り返し、射出端6の射出面では、輝度分布が均一で指向性の高い射出光に変換される。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an
光変調部21は、DMD素子により構成されている。DMD素子は、多数のマイクロミラーが画像信号に応じて回転可能に構成されている。照明光学系10から射出された光は、リレーレンズ24を介してDMD素子に照射され、DMD素子の多数のマイクロミラーにより表示画像に応じて反射され、レンズ系から構成される投影部23を介してスクリーン等に投影される。
The
DMD素子は次の様に動作する。発光素子11を駆動する光源駆動回路は、各LED7R、7G、7Bを時分割駆動して、赤色、緑色、青色の光を順次発光させる。DMD素子を駆動する表示駆動回路は、上記時分割駆動に同期して、DMD素子に赤色の画像、緑色の画像、青色の画像を順次表示させる。これにより、投影部23からは、赤色、緑色、青色の各画像が順次投影され、観察者はこれら各色を時間平均された画像としてみることになる。なお、光の混色方法として、図5に示すように、異なる色の照明光学系10、例えば赤色、緑色及び青色の各照明光学系10を用いて、光合成部22により合成して混色し、この合成した光を、リレーレンズ24を介して反射型の光変調部21に照射し、光変調部21により変調した光を投影する投影部23により画像光を投影するようにしてもよい。また、図6において、照明光学系10と光変調部21との間隙にリレーレンズ24を設けたが、これリレーレンズ24を省くことができる。また、光変調部21として、DMD素子に代えて、反射型液晶表示素子を使用することができる。
The DMD element operates as follows. A light source driving circuit that drives the
1 ライトパイプ
2 導光体
3 側壁面
4 回折部
5 入射端
6 射出端
7 LED
8 基体
9 射出面
10 照明光学系
20 画像投影装置
DESCRIPTION OF
8 Substrate 9 Emitting
Claims (11)
前記導光体には、前記導光体の少なくとも前記入射端側の内部空間を前記導光体の長手方向に仕切る透光性の仕切り部が構成され、
前記仕切り部の前記入射端側の領域の表面に回折部が形成され、
前記射出端から射出される光の射出角が、前記入射端から導入される光の入射角よりも小さくなることを特徴とするライトパイプ。 In the light pipe that the side wall surface is made of a cylindrical light guide having a reflection surface, and the light is introduced from the incident end and repeatedly reflected on the side wall surface to emit the light from the emission end.
The light guide is configured with a translucent partition that partitions at least the incident space side internal space of the light guide in the longitudinal direction of the light guide.
A diffractive part is formed on the surface of the region on the incident end side of the partition part,
A light pipe, wherein an emission angle of light emitted from the emission end is smaller than an incident angle of light introduced from the incident end.
前記回折部は、前記2枚の透光性板の表面に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のライトパイプ。 The partition part has a cross shape so that two translucent plates are orthogonal to each other, and the internal space is divided into four parts,
The light pipe according to claim 1, wherein the diffractive portion is formed on a surface of the two translucent plates.
前記複数の溝の間隔は、前記入射端に近づくほど狭くなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のライトパイプ。 The diffraction part has a plurality of grooves,
3. The light pipe according to claim 1, wherein an interval between the plurality of grooves becomes narrower toward the incident end. 4.
前記複数の溝の間隔は、前記直交する2枚の透光性板において、互いに異なることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のライトパイプ。 The diffraction part has a plurality of grooves,
4. The light pipe according to claim 2, wherein intervals between the plurality of grooves are different from each other in the two light-transmitting plates orthogonal to each other. 5.
前記分割された夫々の入射端に対応して、複数の前記発光素子が設置されていることを特徴とする請求項5に記載の照明光学系。 The incident end is divided by the partition;
The illumination optical system according to claim 5, wherein a plurality of the light emitting elements are installed corresponding to the divided incident ends.
前記夫々の照明光学系から射出される光を合成する光合成部と、
前記光合成部により合成した光を変調する前記光変調部と、
前記光変調部により変調した光を投影する前記投影部と、を有する請求項10に記載の画像投影装置。 The illumination optical system has three primary colors, respectively.
A light combining unit that combines light emitted from each of the illumination optical systems;
The light modulating unit that modulates the light combined by the light combining unit;
The image projection device according to claim 10, further comprising: the projection unit that projects the light modulated by the light modulation unit.
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