JP2009300772A - Illumination optical system and image projecting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、変調素子への照明光を出射する照明光学系および変調素子で変調された照明光を投影する画像投影装置に関する。 The present invention relates to an illumination optical system that emits illumination light to a modulation element and an image projection apparatus that projects illumination light modulated by the modulation element.
従来から、映像を鑑賞するための装置として、光源から出射された光を変調素子により変調して、画像をスクリーン等に投影する画像投影装置がある。この画像投影装置の照明光学系として、例えば、波長の異なる複数の発光ダイオード等の光源からの光をプリズムやダイクロイックミラー等の光合成部により合成して変調素子に導く構成のものが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, as an apparatus for viewing images, there is an image projection apparatus that modulates light emitted from a light source by a modulation element and projects an image on a screen or the like. As an illumination optical system of this image projection apparatus, for example, one having a configuration in which light from a plurality of light sources such as light emitting diodes having different wavelengths is combined by a light combining unit such as a prism or a dichroic mirror and guided to a modulation element is known. .
従来の画像投影装置の照明光学系の例として、例えば非特許文献1に開示されているものについて図5を用いて説明する。図5は、従来の照明光学系の一部の構成を説明するための図である。図5に示すように、従来の照明光学系は、ダイクロイック面を直角略垂直に交差された二枚のダイクロイックミラー123a、123bと、ミラー125と、複数の光源121R、121G、121Bと、その前面にそれぞれ配置されたコリメータレンズ122R、122G、122Bと、コンデンサーレンズ124と、ロッドインテグレータ126とを備えている。このような、照明光学系において、光源121Bから出射された光はダイクロイックミラー123aで反射し、さらにダイクロイックミラー123bで反射する。また、光源121Gから出射された光はダイクロイックミラー123aを透過し、ダイクロイックミラー123bで反射する。また、光源121Rから出射された光はミラー125で反射し、ダイクロイックミラー123bを透過する。このようにして、光源121R、121G、121Bから出射された、すべての光は同一の光軸に合成され、コンデンサーレンズ124およびロッドインテグレータ126に入射される。このように、非特許文献1に記載の照明光学系はプリズムを備えることなく、複数の光源からの光を合成して出射する。図示はしていないが、合成された光は変調素子に導かれ、変調素子により変調されて、投影光学系によりスクリーンに拡大して投影される。
As an example of an illumination optical system of a conventional image projection apparatus, for example, what is disclosed in Non-Patent Document 1 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram for explaining a partial configuration of a conventional illumination optical system. As shown in FIG. 5, the conventional illumination optical system includes two
また、従来の他の照明光学系として、例えば特許文献1には、交差された2枚のダイクロイックミラーを有し、1つの光源として複数のLED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)チップがアレイ状に配置されたLED光源を用いた照明光学系が開示されている。2枚のダイクロイックミラーを用いることで、ダイクロイックミラーの交差部においては、それらのギャップに起因する損失が生じるが、特許文献1の照明光学系においては、複数のLEDチップを用いることにより、光源の出力を大きくているため、照明光学系から出射される光の出力が低くなりすぎることはなく、十分明るい光を出射することができる。 As another conventional illumination optical system, for example, Patent Document 1 has two crossed dichroic mirrors, and a plurality of LED (Light Emitting Diode) chips are arrayed as one light source. An illumination optical system using an arranged LED light source is disclosed. By using two dichroic mirrors, loss due to the gap occurs at the intersection of the dichroic mirrors. However, in the illumination optical system of Patent Document 1, by using a plurality of LED chips, Since the output is increased, the output of light emitted from the illumination optical system does not become too low, and sufficiently bright light can be emitted.
また、従来のさらに他の照明光学系として、例えば特許文献2には、2枚のダイクロイックミラーを交差させた光合成部を用いずに、プリズムを光合成部として用いている照明光学系が開示されている。一般的に、プリズムにおいては、2枚のダイクロイックミラーを用いた場合の交差部に生じるようなギャップが極めて小さいことから、損失を低減できるが、P偏光成分の反射を確保する事が困難であるという問題がある。つまり、光源として用いるLEDが、ランダム偏光を発光する場合は、偏光成分による損失が発生するため、効率のよい色合成ができない。しかし、特許文献2に開示された照明光学系は、このような偏光成分による損失が少ないプリズムを備えて構成される。それにより、特許文献2に開示された照明光学系は、損失が少なく、効率のよい色合成が可能である。
しかし、非特許文献1に開示された照明光学系では、各色光の合成において、各色光を反射する回数が多く、光路長が長くなり、大型化すると共に効率が悪くなるという問題がある。また、特許文献1に開示された照明光学系では、用いるLEDの数が多くなるため、コストが高くなる上、電力消費量も増加するという問題がある。しかも、複数の光源を用いる場合、それらの光路の合成において損失が生じやすい。また、発光面積が同程度である単一のLEDを用いる場合よりも、複数の光源を用いる場合の方が効率的にはかなり不利である。また、特許文献1に示された構成に、単一のLEDを用いた場合は、ダイクロイックミラーの交差部におけるギャップによる損失が避けられない。また、特許文献2に開示された照明光学系は、プリズムを用いているが、プリズムはコストが高い上に重量が重い。したがって、照明光学系自体のコストも高くなるうえ、重たいという問題がある。しかも、P偏光成分の損失など、ダイクロイック特性による損失が避けられない。
However, the illumination optical system disclosed in Non-Patent Document 1 has a problem that, in the synthesis of each color light, the number of times each color light is reflected is large, the optical path length becomes long, the size is increased, and the efficiency is deteriorated. In addition, the illumination optical system disclosed in Patent Document 1 has a problem that the number of LEDs to be used increases, resulting in an increase in cost and an increase in power consumption. In addition, when a plurality of light sources are used, loss tends to occur in the synthesis of their optical paths. In addition, the use of a plurality of light sources is considerably more disadvantageous than the case of using a single LED having the same light emitting area. In addition, when a single LED is used in the configuration shown in Patent Document 1, loss due to a gap at the intersection of the dichroic mirror is unavoidable. The illumination optical system disclosed in
また、各色光の各光源の出力が異なっているため、照明光学系において、これら各色光の光量バランスを調整する必要がある。具体的には、青色光、赤色光、緑色光の各LED光源のうち、青色光の光源の出力が、他の2つの光源に比べて高すぎることから、例えば、白色表示とするためには、青色光源にくらべて出力の低い赤色光源および緑色光源の発光デューティ比を大きくとる必要があり、パルス発光の特性が生かしきれていない。パルス発光を有効に用いるためには、照明光学系において、各色光の光量のバランスを調整できる構成とすることが望ましい。 Moreover, since the output of each light source of each color light is different, it is necessary to adjust the light quantity balance of each color light in an illumination optical system. Specifically, among the blue light, red light, and green light LED light sources, the output of the blue light source is too high compared to the other two light sources. Therefore, it is necessary to increase the emission duty ratio of the red light source and the green light source, which are lower in output than the blue light source, and the characteristics of the pulse light emission are not fully utilized. In order to use pulsed light emission effectively, it is desirable that the illumination optical system has a configuration that can adjust the balance of the amount of light of each color.
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、低損失であり、各色光の光量のバランスがよく、小型化が可能な照明光学系およびそのような照明光学系を備えた画像投影装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is an illumination optical system that has low loss, has a good balance of the amount of light of each color, and can be miniaturized, and such an illumination optical system. It is providing the image projector provided with.
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様に係る照明光学系は、第1色光を発光する第1LED光源と、第2色光を発光する第2LED光源と、第3色光を発光する第3LED光源と、前記第1色光、前記第2色光および前記第3色光を同一の光軸に合成する、光合成部とを備えた照明光学系であって、前記光合成部は、前記第1色光を透過し、前記第2色光を反射することにより前記第1色光および前記第2色光を合成する第1ダイクロイックミラーと、前記第1ダイクロイックミラーにより合成された前記第1色光および前記第2色光を透過し、前記第3色光を反射することにより前記第1色光、前記第2色光および前記第3色光を合成する第2ダイクロイックミラーとを有し、前記第1ダイクロイックミラーの法線と、前記第2ダイクロイックミラーの法線とのなす角度が、60度以上90度未満である。 As a result of various studies, the present inventor has found that the above object is achieved by the present invention described below. That is, an illumination optical system according to an aspect of the present invention includes a first LED light source that emits first color light, a second LED light source that emits second color light, a third LED light source that emits third color light, and the first LED light source. An illumination optical system including a light combining unit configured to combine color light, the second color light, and the third color light on the same optical axis, wherein the light combining unit transmits the first color light and transmits the second color light. A first dichroic mirror that combines the first color light and the second color light by reflecting the first color light, the first color light and the second color light combined by the first dichroic mirror are transmitted, and the third color light is transmitted. A second dichroic mirror that combines the first color light, the second color light, and the third color light by reflecting, and a normal line of the first dichroic mirror; and the second dichroic mirror The angle between the normal line is less than 60 degrees or more 90 °.
このように、第1ダイクロイックミラーおよび第2ダイクロイックミラーをそれぞれの法線のなす角度が60度以上90度未満となるように配置することで、第1色光の光路長を短くし、かつ他の色光の光路を確保することができる。これにより、第1色光の効率を向上させることができるため、各LED光源の発光効率の差により生じる各色光の光量のバランスをよくすることができ、小型化も可能である。また、第1ダイクロイックミラーおよび第2ダイクロイックミラーの交差部を光路とする必要はないことから、光量損失は生じない。また、光合成部をダイクロイックミラーによって構成することから、プリズムを使った場合のように重量が重くなることはない。 Thus, by arranging the first dichroic mirror and the second dichroic mirror so that the angle formed by the respective normal lines is 60 degrees or more and less than 90 degrees, the optical path length of the first color light is shortened, and other An optical path of colored light can be secured. Thereby, since the efficiency of the first color light can be improved, the balance of the amount of light of each color light caused by the difference in the light emission efficiency of each LED light source can be improved, and the size can be reduced. Further, since it is not necessary to use the intersection of the first dichroic mirror and the second dichroic mirror as an optical path, no light loss occurs. Further, since the light combining unit is configured by a dichroic mirror, the weight does not increase as in the case of using a prism.
また、上述の照明光学系において、前記第1ダイクロイックミラーに入射する前記第2色光の光軸と、前記第2ダイクロイックミラーの法線とのなす角度が75度以上であることが好ましい。 In the illumination optical system described above, it is preferable that an angle formed by the optical axis of the second color light incident on the first dichroic mirror and a normal line of the second dichroic mirror is 75 degrees or more.
これにより、第1ダイクロイックミラーに入射する第2色光の光軸を第2ダイクロイックミラー面に略沿うように配置することができる。そのため、第1ダイクロイックミラーを、より第2LED光源側へと近づけることができるため、第1LED光源をより出射側に寄せることができ、第1色光の光路長を短くできる。 Thereby, the optical axis of the 2nd color light which injects into a 1st dichroic mirror can be arrange | positioned so that it may follow a 2nd dichroic mirror surface substantially. Therefore, since the first dichroic mirror can be brought closer to the second LED light source, the first LED light source can be brought closer to the emission side, and the optical path length of the first color light can be shortened.
また、上述の照明光学系において、前記第2LED光源の発光効率は、前記第1LED光源および前記第3LED光源のいずれの発光効率よりも高く、前記第1LED光源から被照明部までの光路長をL1とし、前記第2LED光源から前記被照明部までの光路長をL2とし、前記第3LED光源から前記被照明部までの空気換算の光路長をL3とすると、
L3≦L1<L2
の関係を満たすことが好ましい。
In the illumination optical system described above, the light emission efficiency of the second LED light source is higher than the light emission efficiency of either the first LED light source or the third LED light source, and the optical path length from the first LED light source to the illuminated portion is L1. And the optical path length from the second LED light source to the illuminated part is L2, and the optical path length in terms of air from the third LED light source to the illuminated part is L3,
L3 ≦ L1 <L2
It is preferable to satisfy the relationship.
これにより、発光効率の高い第2色光の光路長に比べて、他の色光の光路長が短いことから、第2色光以外の色光の効率を向上させることができる。 Thereby, since the optical path lengths of the other color lights are shorter than the optical path lengths of the second color lights having high luminous efficiency, the efficiency of the color lights other than the second color lights can be improved.
また、上述の照明光学系において、前記第1LED光源の発光効率は、前記第3LED光源の発光効率よりも高いことが好ましい。 In the illumination optical system described above, the light emission efficiency of the first LED light source is preferably higher than the light emission efficiency of the third LED light source.
これにより、発光効率が低い第3色光の光路長が他の色光の光路長に比べて短くなるので、第3色光の効率を向上させることができる。 As a result, the optical path length of the third color light having a low light emission efficiency is shorter than the optical path lengths of the other color lights, so that the efficiency of the third color light can be improved.
また、上述の照明光学系において、前記第2LED光源が発光する前記第2色光は青色光であり、前記第1LED光源が発光する前記第1色光は赤色光または緑色光であり、前記第3LED光源が発光する前記第3色光は赤色光または緑色光のうち、前記第2色光と異なる色光であることが好ましい。 In the above illumination optical system, the second color light emitted from the second LED light source is blue light, the first color light emitted from the first LED light source is red light or green light, and the third LED light source. It is preferable that the third color light emitted by is a color light different from the second color light among red light or green light.
これにより、最も発光効率のよい青色LED光源から出射される青色光を、最も効率の悪い光路に配置できる。したがって、適切な白表示を行う場合に、各色光の発光デューティ比をバランスよく、最適の大きさにできる。それにより、色度と明るさのパフォーマンスのよい照明光を出射できる。 Thereby, the blue light emitted from the blue LED light source with the highest luminous efficiency can be arranged in the optical path with the lowest efficiency. Therefore, when performing appropriate white display, the light emission duty ratio of each color light can be balanced and optimized. Thereby, illumination light with good chromaticity and brightness performance can be emitted.
また、上述の照明光学系において、前記第1色光は緑色光であり、前記第1色光の光軸と前記第1ダイクロイックミラーの法線とのなす角度が45度未満であることが好ましい。 In the illumination optical system described above, it is preferable that the first color light is green light, and an angle formed by an optical axis of the first color light and a normal line of the first dichroic mirror is less than 45 degrees.
これにより、第1ダイクロイックミラーを透過する緑色光の損失を少なくできる。ここで、緑色光を透過し青色光を透過する第1ダイクロイックミラーにおいて、緑色光と青色光とは発光波長が比較的近いことから、緑色光の透過においてはカットオフ波長に対する入射角依存性の影響が大きい。つまり、入射角度が大きいと、ダイクロイックミラー特性の入射角依存性損失が大きくなり、色合成による損失が大きくなる。 Thereby, the loss of the green light which permeate | transmits a 1st dichroic mirror can be decreased. Here, in the first dichroic mirror that transmits green light and transmits blue light, since the emission wavelengths of green light and blue light are relatively close, the transmission angle of green light is dependent on the incident angle with respect to the cutoff wavelength. A large impact. That is, when the incident angle is large, the incident angle dependent loss of the dichroic mirror characteristics increases, and the loss due to color synthesis increases.
また、上述の照明光学系において、前記第1ダイクロイックミラーおよび前記第2ダイクロイックミラーは、互いに異なる屈折率を有する層が交互に積層された多層体を備え、前記第1ダイクロイックミラーおよび前記第2ダイクロイックミラーの少なくとも一方の前記多層体のうち、屈折率の低い層の屈折率は1.8以上であることが好ましい。 In the illumination optical system described above, the first dichroic mirror and the second dichroic mirror include a multilayer body in which layers having different refractive indexes are alternately stacked, and the first dichroic mirror and the second dichroic mirror Of the multilayer body of at least one of the mirrors, the refractive index of the low refractive index layer is preferably 1.8 or more.
これにより、第1ダイクロイックミラーおよび第2ダイクロイックミラーの少なくとも一方におけるカットオフ波長に対する入射角依存性を小さくすることができる。具体的には、多層体における各層の平均屈折率が高くなるような材料で構成されたダイクロイックミラーは、カットオフ波長に対する入射角依存性が小さい。ここで、第1ダイクロイックミラーおよび第2ダイクロイックミラーにおいて、2つの色光の一方を反射させ、他方を透過させる場合に、各色光の波長帯が接近している場合は、カットオフ波長に対する入射角依存性が小さいほうが好ましい。したがって、例えば緑色光および青色光の一方を反射させ、他方を透過させる、ダイクロイックミラーは、多層体のうち、屈折率の低い層の屈折率を1.8以上とすることが好ましい。 Thereby, the incident angle dependence with respect to the cutoff wavelength in at least one of the first dichroic mirror and the second dichroic mirror can be reduced. Specifically, a dichroic mirror made of a material that increases the average refractive index of each layer in the multilayer body has a small incident angle dependency on the cutoff wavelength. Here, in the first dichroic mirror and the second dichroic mirror, when one of the two color lights is reflected and the other is transmitted, if the wavelength bands of the respective color lights are close to each other, the incident angle dependence on the cutoff wavelength It is preferable that the property is small. Therefore, for example, in a dichroic mirror that reflects one of green light and blue light and transmits the other, it is preferable that the refractive index of a low refractive index layer in the multilayer body is 1.8 or more.
また、上述の照明光学系において、前記第1LED光源、前記第2LED光源および前記第3LED光源は、それぞれ単一であり、前記第1LED光源、前記第2LED光源および前記第3LED光源のそれぞれから入射された光を略平行光とするコリメータ光学系をそれぞれ有していることが好ましい。 In the illumination optical system described above, the first LED light source, the second LED light source, and the third LED light source are each single, and are incident from each of the first LED light source, the second LED light source, and the third LED light source. It is preferable to have a collimator optical system that makes the reflected light substantially parallel light.
これにより、それぞれのLED光源から出射された光は、コリメータ光学系により、発光光束がコリメートされてから、各ダイクロイックミラーに入射する。そのため、ダイクロイックミラーにおける、カットオフ波長に対する入射角度依存性の影響が小さい。したがって、光量の損失が少ない。 Thereby, the light emitted from each LED light source is incident on each dichroic mirror after the emitted light beam is collimated by the collimator optical system. Therefore, the influence of the incident angle dependency on the cutoff wavelength in the dichroic mirror is small. Therefore, there is little loss of light quantity.
また、上述の照明光学系において、前記第1LED光源、前記第2LED光源および前記第3LED光源における各前記コリメータ光学系は、互いに共通形状の部品を有していることが好ましい。 In the illumination optical system described above, it is preferable that the collimator optical systems in the first LED light source, the second LED light source, and the third LED light source have components having a common shape.
これにより、同一形状の部品を用いることができることから、コストダウンになる。 As a result, parts having the same shape can be used, resulting in cost reduction.
また、上述の照明光学系において、さらに、前記光合成部により同一の光軸に合成された前記第1色光、前記第2色光および前記第3色光の光束を集光する集光光学系と、前記集光光学系の集光位置に入射端を有し、入射された光を均一な強度分布に変換して射出するロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータから射出された光を被照明部側に導くリレー光学系とを有することが好ましい。 Further, in the above-described illumination optical system, a condensing optical system that condenses the light beams of the first color light, the second color light, and the third color light combined on the same optical axis by the light combining unit, and A rod integrator that has an incident end at the condensing position of the condensing optical system, converts the incident light into a uniform intensity distribution and emits the light, and a relay that guides the light emitted from the rod integrator to the illuminated part side It is preferable to have an optical system.
これにより、変調素子の必要な領域に均質に効率よく照明光を照射できる。 Thereby, it is possible to irradiate illumination light uniformly and efficiently to a necessary region of the modulation element.
また、上述の照明光学系において、前記第3LED光源のコリメータ光学系の焦点距離をFLとし、前記集光光学系の焦点距離をFCとし、前記第3LED光源から前記ロッドインテグレータの入射端までの空気換算の光路長をP3とすると、
1.8×(FL+FC)≦P3≦2.2×(FL+FC)
の関係を満たすことが好ましい。
In the above illumination optical system, the focal length of the collimator optical system of the third LED light source is FL, the focal length of the condensing optical system is FC, and the air from the third LED light source to the incident end of the rod integrator If the converted optical path length is P3,
1.8 × (FL + FC) ≦ P3 ≦ 2.2 × (FL + FC)
It is preferable to satisfy the relationship.
これにより、最も効率を要求される色光が第3色光である場合に、第3LED光源の配置を最も効率のよい配置とすることができる。このような配置とすることで、コリメータ光学系と集光光学系により、第3LED光源の発光部と、ロッドインテグレータの入射端とを光学的に共役とすることができる。また、第3LED光源側とロッドインテグレータ側との両方を、テレセントリックな関係にできるので、角度分布幅をあまり広げずにロッドインテグレータに光束を入射させ、効率よく照明できる。 Thereby, when the color light which requires the most efficiency is the third color light, the arrangement of the third LED light sources can be the most efficient arrangement. By setting it as such an arrangement | positioning, the light emission part of a 3rd LED light source and the incident end of a rod integrator can be optically conjugate | conjugated by a collimator optical system and a condensing optical system. In addition, since both the third LED light source side and the rod integrator side can be in a telecentric relationship, the luminous flux can be incident on the rod integrator without increasing the angular distribution width so that illumination can be efficiently performed.
また、上述の照明光学系において、前記第1LED光源、前記第2LED光源および前記第3LED光源は、順次発光することが好ましい。 In the illumination optical system described above, it is preferable that the first LED light source, the second LED light source, and the third LED light source emit light sequentially.
このように、各LED光源を順次発光させることで、色時分割によりカラー画像を表示できる。LED光源は、パルス発光させることにより、連続発光時より多くの電流を流し、明るく発光させることができるので、このような時分割照明に適している。 In this way, by sequentially emitting light from each LED light source, a color image can be displayed by color time division. An LED light source is suitable for such time-division illumination because it emits light by pulsed light, allowing more current to flow than in continuous light emission and bright light emission.
また、本発明の一態様に係る画像投影装置は、請求項1ないし請求項12のいずれかに記載の照明光学系と、前記照明光学系からの照明光を変調する変調素子と、変調された照明光を投影する投影光学系とを備えている。 An image projection apparatus according to an aspect of the present invention is modulated by the illumination optical system according to any one of claims 1 to 12 and a modulation element that modulates illumination light from the illumination optical system. A projection optical system for projecting illumination light.
これにより、色再現性、色バランスの良い明るい投影画像を得ることができる。 Thereby, a bright projection image with good color reproducibility and color balance can be obtained.
また、上述の画像投影装置において、前記照明光学系および前記投影光学系のうち少なくとも1つは、可変絞り機構を有し、前記可変絞りの開口状態に応じて、前記第1LED光源、前記第2LED光源および前記第3LED光源の発光光量比が異なることが好ましい。 Further, in the above-described image projection apparatus, at least one of the illumination optical system and the projection optical system has a variable diaphragm mechanism, and the first LED light source and the second LED according to an opening state of the variable diaphragm. It is preferable that the light emission amount ratios of the light source and the third LED light source are different.
これにより、絞りを調整することで変化する各色光の光量比を、各LED光源の発光光量比を絞りに応じて変化させることで補正し、安定した色再現が可能となる。なお、発光光量比を変化させるには、具体的には、各LED光源に投入する電流を変化させる、または各色光の発光デューティ比を変化させる等の方法がある。 Thereby, the light quantity ratio of each color light that changes by adjusting the diaphragm is corrected by changing the light emission quantity ratio of each LED light source according to the diaphragm, and stable color reproduction can be achieved. In order to change the light emission amount ratio, specifically, there are methods such as changing the current supplied to each LED light source or changing the light emission duty ratio of each color light.
なお、絞りを調整することで、各色光の光量比が変化する原因は、各色光の光路長条件が異なるため、各色光のN.A.(Numerical Aperture:開口数)分布の状態が異なり、各色光の光学系の瞳内での強度分布が異なるためである。これにより、絞りを変化させると各色光の色バランスが変化する。 The reason that the light amount ratio of each color light is changed by adjusting the diaphragm is that the optical path length condition of each color light is different. A. This is because the (Numerical Aperture) distribution state is different, and the intensity distribution in the pupil of the optical system of each color light is different. Thereby, when the aperture is changed, the color balance of each color light changes.
本発明によれば、低損失であり、各色光の光量のバランスがよく、小型化が可能な照明光学系およびそのような照明光学系を備えた画像投影装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an illumination optical system that is low loss, has a good balance of the amount of light of each color, and can be reduced in size, and an image projection apparatus including such an illumination optical system.
以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted.
本発明の実施の形態に係る画像投影装置について説明する。まず、本発明の実施の形態に係る画像投影装置の構成について説明する。図1は本実施の形態に係る画像投影装置の構成を説明するための図である。また、図2は本実施の形態に係る照明光学系の一部における各部材の配置を示した図である。 An image projection apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. First, the configuration of the image projection apparatus according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of an image projection apparatus according to the present embodiment. FIG. 2 is a view showing the arrangement of members in a part of the illumination optical system according to the present embodiment.
図1に示すように、実施の形態に係る画像投影装置100は、照明光学系2と、全反射プリズム6と、変調素子であるDMD(Digital Micromirror Device)7と、投影光学系8と、コントローラ9と、絞り制御部10と、DMD駆動回路11と、赤色LED駆動回路12Rと、緑色LED駆動回路12Gと、青色LED駆動回路12Bとを備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, an
照明光学系2は、光源である赤色LED光源(第3LED光源)21R、緑色LED光源(第1LED光源)21Gおよび青色LED光源(第2LED光源)21Bと、これらに対応する、複数のレンズにより構成される各コリメータ光学系22R、22Gおよび22Bと、赤色LED光源21R、緑色LED光源21Gおよび青色LED光源21Bからの各色光を同一の光軸に合成するための光合成部である第1ダイクロイックミラー23aおよび第2ダイクロイックミラー23bと、集光光学系24と、ロッドインテグレータ26と、リレー光学系27と、可変絞り28と、エントランスレンズ29とを備えている。
The illumination
赤色LED光源21R、緑色LED光源21Gおよび青色LED光源21Bは、それぞれ赤色LED駆動回路12R、緑色LED駆動回路12Gおよび青色LED駆動回路12Bに制御されて発光面から各色光を発光する。各LED光源21R、21G、21Bの発光面の形状は、例えばアスペクト比が約16:9の約4.6mm×約2.6mmの長方形であり、DMD7の表示領域(例えば、20.7mm×11.7mm)と略相似形である。コリメータ光学系22R、22Gおよび22Bは赤色LED光源21R、緑色LED光源21Gおよび青色LED光源21Bからの各色光を略平行光にして第1ダイクロイックミラー23aまたは第2ダイクロイックミラー23bに入射させる。これら、コリメータ光学系22R、22Gおよび22Bは、いずれも、例えば3枚の投影側に凸の正メニスカスレンズにより構成され、焦点距離は例えば約15.2mmとすればよい。コリメータ光学系22R、22Gおよび22Bは、いずれも共通形状の部品により構成されることとすればよい。これにより、同一形状の部品を用いることができることから、コストダウンになる。
The red LED
第1ダイクロイックミラー23aは、青色光を反射し、緑色光を透過する性質を有していればよい。また、第2ダイクロイックミラー23bは、赤色光を反射し、青色光および緑色光を透過する性質を有していればよい。より具体的には、第1ダイクロイックミラー23aは、緑色光を透過し、青色光を反射することにより緑色光および青色光の光軸を合成する。また、第2ダイクロイックミラー23bは第1ダイクロイックミラー23aにより合成された緑色光および青色光を透過し、赤色光を反射することで、緑色光、青色光および赤色光の光軸を合成する。
The first
ここで、第2ダイクロイックミラー23bが反射する赤色光は、透過する青色光および緑色光のいずれに対しても発光波長が比較的離れているが、第1ダイクロイックミラー23aが反射する青色光は、透過する緑色光に対して発光波長が比較的近い。具体的には、青色光の発光波長は465nm程度であり、緑色光の発光波長は525nm程度であり、赤色光の発光波長は625nm程度である。このように、2つの色光の一方を反射させ、他方を透過させる場合に、各色光の波長帯が接近している場合は、カットオフ波長に対する入射角依存性が小さいほうが好ましい。したがって、このような場合は、第1ダイクロイックミラー23aは、青色光の反射帯域から緑色光の透過帯域へと遷移するカットオフ波長(透過率50%)の入射角依存度ができるだけ小さいものが好ましい。したがって、第1ダイクロイックミラー23aは、緑色光におけるカットオフ波長に対する入射角依存性ができるだけ小さいものが好ましい。つまり、緑色光の入射角が大きくなっても、反射されずに透過されることが好ましい。そこで、より具体的に、第1ダイクロイックミラー23aの構成について、表1を用いて説明する。
Here, the red light reflected by the second
表1は、第1ダイクロイックミラー23aの構成材料の一例を示すものである。第1ダイクロイックミラー23a、異なる屈折率の材料が周期的に積層された多層体を有する構造である。表1には、第1ダイクロイックミラー23aの各層の材料構成を示している。第1ダイクロイックミラー23aは、0層〜28層の構造であり、各層の物理膜厚の単位はnmである。表1に示すように、第1ダイクロイックミラー23aは、白板ガラス(0層)とSiO2(28層)との間に、屈折率が1.8であり、SiO2およびNb2O5の混合材料により形成された低屈折率層と、屈折率が2.3であり、Nb2O5により形成された高屈折率層とが交互に形成されている。ここで、カットオフ波長に対する入射角依存性を小さくするためには、平均屈折率が高くなるような材料を用いて多層体を構成したほうがよい。つまり、低屈折率層の屈折率を高くすればよい。例えば、低屈折率層は屈折率が1.8以上とすることが好ましい。
Table 1 shows an example of the constituent material of the first
このような構成の第1ダイクロイックミラー23aの透過率特性について図3を用いて説明する。図3は第1ダイクロイックミラーの透過率特性および各色光の発光波長を示したグラフである。図3の横軸は波長(nm)を示し、縦軸は透過率(%)を示している。二点差鎖線は、第1ダイクロイックミラー23aに対して、入射角が30度の入射光の透過率である。また、一点鎖線は、第1ダイクロイックミラー23aに対して、入射角が20度の入射光の透過率である。また、細い実線は、第1ダイクロイックミラー23aに対して、入射角が40度の入射光の透過率である。また、細い破線は青色光の発光波長を示しており、太い破線は緑色光の発光波長を示しており、太い実線は赤色光の発光波長を示している。図3からわかるように、緑色光および赤色光の波長帯域において、すべての入射角の透過率が、略100%である。これは、緑色光および赤色光は、これらの入射角で入射しても第1ダイクロイックミラー23aにおいては、透過されることを示している。しかし、青色光の波長帯域においては、すべての入射角の透過率が低く、反射されることを示している。つまり、第1ダイクロイックミラー23aは、表1に示した構成とすることで十分であることがわかる。なお、入射角度が大きくなるほど、カットオフ波長の入射角依存性の影響を受けるので、緑色光の第1ダイクロイックミラー23aに対する入射角は45度未満とすることが好ましい。なお、緑色光はコリメートされてから、第1ダイクロイックミラー23aに入射するが、入射時の緑色光は±10度程度の角度分布を持っているので、効率よく色合成するために、本実施の形態においては、緑色光の入射角度を30度としている。
The transmittance characteristic of the first
集光光学系24は、これら光軸が合成された緑色光、青色光および赤色光を集光して、ロッドインテグレータ26へと入射させる。集光光学系24は、例えば2枚の光源側に凸の正メニスカスレンズからなり、焦点距離は例えば約26mmである。
The condensing
ロッドインテグレータ26は、その入射端を集光光学系24の集光位置に有し、集光光学系24から出射された光の強度分布を均一にする。例えば断面が四角形の角柱形状のガラスであり、一方の端面から内部に入射された光を側面において繰り返し全反射させることで入射光の照度分布を均一にして出射させる。なお、ロッドインテグレータ26は、中空構造であり、その内面が鏡面である構成のものでもよい。なお、ロッドインテグレータ26の断面形状は、例えば約7.9mm×約4.4mmであり、赤色LED光源21R、緑色LED光源21Gおよび青色LED光源21Bにおける光源像に合致するように配置されている。それにより、赤色LED光源21R、緑色LED光源21Gおよび青色LED光源21Bからの光は効率よくロッドインテグレータ26に入射する。例えば、ロッドインテグレータ26の入射端には、各コリメータ光学系22R、22Gおよび22Bと集光光学系24により、約7.9mm×約4.4mmのLED光源像が形成される。
The
ここで、図2を参照して、第1ダイクロイックミラー23a、第2ダイクロイックミラー23b、赤色LED光源21R、緑色LED光源21G、青色LED光源21B、コリメータ光学系22R、22G、22B、集光光学系24およびロッドインテグレータ26における、より具体的な配置について説明する。
Here, referring to FIG. 2, the first
本実施の形態においては、赤色LED光源21R、緑色LED光源21G、青色LED光源21Bのうち、青色LED光源21Bの発光効率が相対的に高いことから、青色LED光源21Bの効率を下げてでも、他の色の効率を上げることとした。具体的には、赤色光の光路長は長くせずに、赤色LED光源21R側とロッドインテグレータ26側との両方を、テレセントリックな関係としている。また、緑色光は光路長が長くなり、テレセントリックな関係も多少崩れるが、それらを極力抑えることで、効率を確保している。また、青色光は光路長を長くとり、テレセントリックな関係も崩れているため、効率が落ちるが、白色表示の時の色バランス等を考慮するとトータルで照明光の明るさは増加する。
In the present embodiment, among the red LED
具体的には、第1ダイクロイックミラー23aの法線と、第2ダイクロイックミラー23bの法線とのなす角度は60度以上90度未満である。より好ましくは、60度以上80度以下である。また、上述の照明光学系において、前記第1ダイクロイックミラーに入射する青色光の光軸と、第2ダイクロイックミラー23bの法線とのなす角度が75度以上とすることが好ましい。これにより、緑色光の光路長をより短縮できる。つまり、第1ダイクロイックミラー23aに入射する青色光の光軸を第2ダイクロイックミラー23b面に略沿うように配置することができる。そのため、第1ダイクロイックミラー23aを、より青色LED光源21B側へと近づけることができるため、緑色LED光源21Gをよりロッドインテグレータ26側に近づけることができる。それにより、緑色光の光路長を短くできる。
Specifically, the angle formed by the normal line of the first
図2に示すように、緑色LED光源21Gは、緑色光が第1ダイクロイックミラー23aおよび第2ダイクロイックミラー23bを透過する光路に配置される。より具体的には、緑色光は、第1ダイクロイックミラー23aに入射角30度で入射し、透過している。青色LED光源21Bから発光された青色光は、第1ダイクロイックミラー23aにおいて反射される。具体的には、青色光は、入射角30度で第1ダイクロイックミラー23aに入射し、反射される。このような配置としたことで、緑色光と青色光とは同一光軸に合成される。第2ダイクロイックミラー23bは、その法線が第1ダイクロイックミラー23aの法線と67.5度となるように配置されている。したがって、第2ダイクロイックミラー23bの法線は、青色LED光源21Bから発光された青色光の光軸とは82.5度の角度になる関係で配置されている。したがって、第1ダイクロイックミラー23aにより合成された青色光と緑色光との光軸は、第2ダイクロイックミラー23bに入射角37.5度で入射し、透過する。赤色LED光源21Rから発光された赤色光は、第2ダイクロイックミラー23bにおいて反射される。具体的には、赤色光は第2ダイクロイックミラー23bに入射角37.5度で入射し、反射される。これにより、赤色光は、同一光軸に合成された青色光および緑色光と、同一光軸に合成される。
As shown in FIG. 2, the green LED
本実施の形態においては、このように、第1ダイクロイックミラー23aおよび第2ダイクロイックミラー23bの交差部に光が入射することがないので、光量損失が生じない。また、プリズムを用いる必要がないので、重量化および大型化しない上、偏光特性による損失も少ない。また、第1ダイクロイックミラー23aへの緑色光の入射角度を小さくできるため、第1ダイクロイックミラー23aでの入射角度に依存する損失も生じない。
In the present embodiment, light does not enter the intersecting portion of the first
また、青色LED光源21Bの発光効率は、赤色LED光源21Rおよび緑色LED光源21Gいずれの発光効率よりも高く、緑色LED光源21Gは赤色LED光源21Rよりも発光効率が高い。このことから、各LED光源21R、21G、21Bから被照明部間での空気換算の光路長を、L1、L2、L3とした場合に、
L3≦L1<L2
の関係を満たすことが好ましい。これにより、各LED光源21R、21G、21Bの発光効率を考慮して、各色光の効率のバランスを調整することができる。なお、各LED光源21R、21G、21Bから被照明部間での光路長とは、各LED光源21R、21G、21Bからロッドインテグレータ26の入射端までをいう。
Moreover, the luminous efficiency of the blue
L3 ≦ L1 <L2
It is preferable to satisfy the relationship. Thereby, the balance of the efficiency of each color light can be adjusted in consideration of the light emission efficiency of each
例えば、ロッドインテグレータ26の入射端から赤色LED光源21Rまでの空気換算の光路長は、83.4mmであり、ロッドインテグレータ26の入射端から緑色LED光源21Gまでの空気換算の光路長は、98.4mmであり、ロッドインテグレータ26の入射端から青色LED光源21Bまでの空気換算の光路長は、115.5mmとすればよい。
For example, the optical path length in terms of air from the incident end of the
ここで、各色の光源像がロッドインテグレータ26の入射端に形成されているが、赤色光に関しては、光源側とロッドインテグレータ26側との両方をほぼテレセントリックな関係で結像され、角度の拡がりが抑えられ、以降の光学系での伝達ロスが少ない構成となっている。このようなテレセントリックな関係となる各部材の配置について図4を用いて説明する。
Here, the light source images of the respective colors are formed at the incident end of the
ここで、図4はロッドインテグレータとLED光源の位置関係を示す図であって、図4(A)は赤色LEDとロッドインテグレータの位置関係を示す図であり、図4(B)は緑色LEDまたは青色LEDとロッドインテグレータの位置関係を示す図である。なお、図4においては、コリメータ光学系22R、22G、22Bおよび集光光学系24は模式的に薄肉レンズで表している。図4(A)に示すように、コリメータ光学系22Rの焦点距離をFLとし、集光光学系24の焦点距離をFCとすると、コリメータ光学系22Rおよび赤色LED光源21R間の距離をFLとし、コリメータ光学系22Rおよび集光光学系24間の距離をFL+FCとし、集光光学系24およびロッドインテグレータ26間の距離をFCとなる状態にすればよい。この場合、赤色LED光源21R発光面に対して垂直に発光した光線は、ロッドインテグレータ26に垂直に入射し、角度分布が広がることなく入射する。したがって、赤色LED光源からロッドインテグレータ26の入射端までの空気換算の光路長をP3とすれば、
1.8×(FL+FC)≦P3≦2.2×(FL+FC)
の条件に合うように配置すればよい。これにより、赤色LED光源側とロッドインテグレータ26側との両方をほぼテレセントリックな関係で結像される。このような配置とすることで、相対的に放射強度の強い、LED発光面に垂直に出射する光線の角度分布を広げることなく、N.A.(Numerical Aperture:開口数)の値を大きくすることなくロッドインテグレータ26に入射することができる。それにより、これらの光線をDMD7への照明光として十分利用できる。また、赤色LED光源21Rの像がロッドインテグレータ26の入射面に結像され、効率よくロッドインテグレータ26内へと導入される。
Here, FIG. 4 is a diagram showing the positional relationship between the rod integrator and the LED light source, FIG. 4 (A) is a diagram showing the positional relationship between the red LED and the rod integrator, and FIG. 4 (B) is a green LED or It is a figure which shows the positional relationship of blue LED and a rod integrator. In FIG. 4, the collimator
1.8 × (FL + FC) ≦ P3 ≦ 2.2 × (FL + FC)
It may be arranged so as to meet the conditions. As a result, both the red LED light source side and the
また、例えば、緑色光および青色光の各LED光源21G、21Bからロッドインテグレータ26の入射端まで光路長は、赤色光の前記光路長に比べると長くなる。具体的には、各コリメータ光学系22G、22Bと集光光学系24との距離が伸びる。この伸びた距離をαとすると、各LED光源21G、21Bと各コリメータ光学系22G、22Bと集光光学系24との位置関係は、図4(B)に示すようになる。つまり、各コリメータ光学系22G、22Bおよび各LED光源21G、21B間の距離がFLであり、各コリメータ光学系22G、22Bと集光光学系24間の距離がFL+FC+αであり、集光光学系24とロッドインテグレータ26間の距離がFCとなる。これにより、各LED光源21G、21Bの発光面から垂直に出射した光線は、その出射位置(像高)に従い入射角δでロッドインテグレータ26に入射する。これにより、DMD7を照明する光線の角度分布がδ分増加することになる。そこで、緑色光、青色光の光路長はαだけ伸びているが、このαの値を小さくし、テレセントリックな状態からのずれ角δを小さくすることが好ましい。例えば、上述のように、緑色光の入射角度を30度としていることから、第1ダイクロイックミラー23aの法線と緑色光の光軸とのなす角度は30度である。この角度を小さくすることで、緑色LED光源21Gをよりロッドインテグレータ26の近くに配置できる。
Further, for example, the optical path length from each of the
リレー光学系27は、複数のリレーレンズで構成されていて、ロッドインテグレータ26から出射された光を通過させ、可変絞り28へと出射する。可変絞り28は、絞りを調整するものであり、絞り動作をさせるための絞りモータ28aを備えている。つまり、可変絞り28は、リレー光学系27から出射された光の光束を規制する。例えば、絞りはF2.5と、F8とに切り換えることができればよい。明るさを優先する時は、絞り開口を開いてF2.5にし、より多くの光線がスクリーンに到達できるようにする。また、コントラストを優先する時は、絞り開口を閉じてF8にし、迷光成分をカットすることによりコントラストを改善できる。なお、リレー光学系27および可変絞り28の光軸は、ロッドインテグレータ26の光軸と一致している。また、例えば、リレー光学系27の倍率は約2.7倍で、DMD7面に形成される光源像の大きさは、例えば約21.3mm×約11.9mmである。
The relay
エントランスレンズ29は全反射プリズム6に貼り合わされていて、可変絞り28からの光をテレセントリックにする。なお、エントランスレンズ29を設けず、全反射プリズム6の入射面を曲面に加工することで、全反射プリズム6にエントランスレンズ29と同じ機能を持たせてもよい。
The
全反射プリズム6は、第1プリズム6aおよび第2プリズム6bを備えており、これらの境界にはエアギャップが形成されていて、このエアギャップによって入射した光は、その入射角度によって、全反射されるか透過されるか決定される。エントランスレンズ29から全反射プリズム6の第1プリズム6aに入射した光は、前記エアギャップとの境界である臨界面6cにおいて全反射されるように全反射プリズム6は設置されている。そして、臨界面6cで反射された光は第1プリズム6a中を伝播して、全反射プリズム6の外部に出射され、DMD7に照射されるように設置される。なお、ロッドインテグレータ26の出射端とDMD7の表示領域とは共役であり、ロッドインテグレータ26の出射端の形状とDMD7の表示領域の形状とは略相似形である。これにより、DMD7の表示領域を効率よく照らすことができる。
The
DMD7は変調素子である。DMD7は表示する画像の画像信号に応じて、駆動される複数の微小ミラーを有している。これら微小ミラーのそれぞれは1画素に対応し、マトリクス状に配置されている。そして、全反射プリズム6から供給される光を画像信号に応じて変調する。具体的には、微小ミラーは、矩形の表示領域に対して45度の角度をなす偏向軸を有し、画像信号に応じて±12度傾斜する。これにより、微小ミラーに照射された光の反射方向を変化させることができる。微小ミラーの偏向方向は画像信号に応じて変化する。DMD7の一方の傾斜状態で反射された光は、全反射プリズム6を経由して、投影光学系8を通過する方向に進行する。他方の傾斜した状態で反射された光は、全反射プリズム6を経由して、投影光学系8に入射しない方向あるいは投影光学系8を透過しない方向に反射される。なお、DMD7の代わりに例えば反射型や透過型の液晶表示装置で変調素子を構成することも可能である。
DMD 7 is a modulation element. The DMD 7 has a plurality of micromirrors that are driven according to the image signal of the image to be displayed. Each of these micromirrors corresponds to one pixel and is arranged in a matrix. Then, the light supplied from the
投影光学系8は、DMD7にて変調された光を、被投影面であるスクリーン(図示せず)上に拡大して投影するための光学系である。例えば、投影光学系8は、焦点距離は22.6mmから45.2mmまで変更可能な2倍ズームレンズで、同じ投射距離で画面サイズを2倍まで変更することができることとすればよい。また、投影光学系8は、絞りを調整する可変絞り8aと、その可変絞り8aを動作させるための絞りモータ8bとを備えて構成され、投影光学系8中において光の光束を規制する。例えば、絞りはF2.5と、F8とに切り換えることができればよい。明るさを優先する時は、絞り開口を開いてF2.5にし、より多くの光線がスクリーンに到達できるようにする。また、コントラストを優先する時は、絞り開口を閉じてF8にし、迷光成分をカットすることによりコントラストを改善できる。
The projection
絞り制御部10は、コントローラ9からの指令に応じて絞りモータ28aおよび8bの動作を制御するものであり、それにより可変絞り28および8aの絞り量を調整する。DMD駆動回路11は、DMD7の変調動作を制御する。DMD7は上述したように、微小ミラーを有し、その微小ミラーの傾斜角度を変えることで、照射される光の反射方向を変化させることで、スクリーンに投影するか否かを選択するものである。そこで、DMD駆動回路11はコントローラ9からの指令により、所望の画像がスクリーンに投影されるように、DMD7の各微小ミラーの傾斜方向を制御する。赤色LED駆動回路12R、緑色LED駆動回路12Gおよび青色LED駆動回路12Bは、コントローラ9からの指令により、赤色LED光源21R、緑色LED光源21Gおよび青色LED光源21Bの発光を制御する。赤色LED光源21R、緑色LED光源21Gおよび青色LED光源21Bは、パルス発光がなされているが、これらの発光デューティ比を調整することで、所望とする様々な色を表現することができる。コントローラ9からの指令により、赤色LED駆動回路12R、緑色LED駆動回路12Gおよび青色LED駆動回路12Bは、赤色LED光源21R、緑色LED光源21Gおよび青色LED光源21Bの発光デューティ比を調整する。
The
コントローラ9は、絞り制御部10、DMD駆動回路11、赤色LED駆動回路12R、緑色LED駆動回路12Gおよび青色LED駆動回路12Bを制御して、画像投影装置100全体の動作を制御する。
The
次に、実施の形態に係る画像投影装置100の動作について説明する。コントローラ9は、映像信号を入力し、この映像信号に同期し、1フレームまたは1フィールドの期間を分割するためのタイミング信号を生成し、DMD駆動回路11に送る。DMD駆動回路11は、このタイミング信号に応じて、赤用画像信号、緑用画像信号、青用画像信号を生成して、各色用の画像信号を順次切り換えて出力し、この画像信号に基づいてDMD7を駆動する。その結果、DMD7では、1フレームまたは1フィールドの期間中で、個々の微小ミラーが、順次駆動される。
Next, the operation of the
一方、コントローラ9は、DMD7の各微小ミラーの駆動タイミングに同期して、赤色LED光源21R、緑色LED光源21Gおよび青色LED光源21Bがそれぞれ順次点灯するように、赤色LED駆動回路12R、緑色LED駆動回路12Gおよび青色LED駆動回路12Bを制御する。その結果、DMD7において各微小ミラーの駆動タイミングに同期して、赤色LED光源21R、緑色LED光源21Gおよび青色LED光源21Bがそれぞれ点灯し、各色の光が順次切り換えられ、各コリメータ光学系22R、22G、22Bを経て、第1ダイクロイックミラー23aまたは第2ダイクロイックミラー23bにおいて透過・反射され、集光光学系24、ロッドインテグレータ26、リレー光学系27を介して、全反射プリズム6を経て、DMD7に結像される。DMD7に結像された赤、緑、青の各画像が順次切り換えられ、投影光学系8によりスクリーンに投影される。また、コントローラ9は、絞り制御部10を制御することで、絞りモータ28a、8bを駆動させて、絞り28、8aの絞り量を調整し、画像のコントラストあるいは明るさ等を制御する。
On the other hand, the
なお、赤色LED光源21R、緑色LED光源21Gおよび青色LED光源21Bの発光強度を制御して、例えば、いずれか2つのLEDを同時に発光したり、特定のLEDの発光強度を低下させたり、またすべてのLEDの発光強度を低下させる等することで、輝度を制御してもよい。
In addition, the emission intensity of the red LED
なお、各色光の光路長が異なり、各色光における角度成分の分布状態が異なることから、絞りを調整することで各色光の相対的な光量比率が異なり、色調が変化する。例えば、発光デューティ比が青:緑:赤=1:1:1のとき、絞りがF2.5での光量比が青:緑:赤=0.9:1:1.1で所定の白を表現しているとする。これを、F8に絞ると、各色光の光量比が例えば、青:緑:赤=0.8:1:1.2と変化し、そのままの発光状態では、青が少なく赤の多い、いわゆる色温度の低い白になり、F2.5の場合と同じ白を表現できない。この場合には、青の発光時の投入電流を0.9/0.8≒1.1倍にすることにより光量を1.1倍にし、赤の発光時の投入電流を1.1/1.2≒0.9倍にすることにより光量を0.9倍にすればよい。それにより、青:緑:赤=0.9:1:1.1の光量比にすることができ、F2.5の場合と同じ白を表現できる。なお、投入電流を変える代わりに、発光デューティ比を青:緑:赤=1.1:1:0.9としても同様の効果が得られる。 In addition, since the optical path length of each color light is different and the distribution state of the angle component in each color light is different, the relative light quantity ratio of each color light is different and the color tone is changed by adjusting the aperture. For example, when the light emission duty ratio is blue: green: red = 1: 1: 1, a predetermined white is obtained with a light quantity ratio of blue: green: red = 0.9: 1: 1.1 when the aperture is F2.5. Suppose you are expressing. When this is narrowed down to F8, the light quantity ratio of each color light changes, for example, blue: green: red = 0.8: 1: 1.2. It becomes white with a low temperature, and the same white as in F2.5 cannot be expressed. In this case, the input current at the time of blue light emission is multiplied by 0.9 / 0.8≈1.1 times to increase the light amount by 1.1 times, and the input current at the time of red light emission is 1.1 / 1. The amount of light may be increased by a factor of 0.9 by setting 2≈0.9. Thereby, the light quantity ratio of blue: green: red = 0.9: 1: 1.1 can be obtained, and the same white as in the case of F2.5 can be expressed. The same effect can be obtained by changing the light emission duty ratio to blue: green: red = 1.1: 1: 0.9 instead of changing the input current.
以下に、本実施の形態に係る画像投影装置と、前述の非特許文献1、特許文献1および特許文献2に記載の画像投影装置についてシミュレーションを行い、測定した結果を示す。なお、各画像投影装置のLED光源には、Luminus社のLED光源である、Phlatlight(登録商標); PT120を想定した。そして、このLED光源を定格電圧、推奨電流にて駆動した場合の明るさシミュレーションを行った。一例として、白表示の場合の色度を
(x,y)=(0.314,0.351)
とした。なお、これはデジタルシネマにおいて基準とされる色度に順じている。このとき、本実施の形態に係る画像投影装置では、明るさが645ルーメンで、発光デューティ比は、
R:G:B=34.6%:48.1%:17.3%
となった。
Hereinafter, simulations are performed on the image projection apparatus according to the present embodiment and the image projection apparatuses described in Non-Patent Document 1, Patent Document 1, and
It was. This is in accordance with the chromaticity which is a standard in digital cinema. At this time, in the image projector according to the present embodiment, the brightness is 645 lumens, and the light emission duty ratio is
R: G: B = 34.6%: 48.1%: 17.3%
It became.
また、非特許文献1の構成に係る画像投影装置では、明るさが585ルーメンで、発光デューティ比は、
R:G:B=34.9%:48.6%:16.5%
となった。この構成の場合、LED光源からロッドインテグレータまでの光路長が比較的長いため、光軸上での伝達効率は本実施の形態に係る画像投影装置と同等であるが、光軸から離れた箇所から発光される光束の伝達効率は低いため、本実施の形態に係る画像投影装置に比べて暗くなっている。
Further, in the image projection apparatus according to the configuration of Non-Patent Document 1, the brightness is 585 lumens, and the light emission duty ratio is
R: G: B = 34.9%: 48.6%: 16.5%
It became. In this configuration, since the optical path length from the LED light source to the rod integrator is relatively long, the transmission efficiency on the optical axis is equivalent to that of the image projection apparatus according to the present embodiment, but from a location away from the optical axis. Since the transmission efficiency of the emitted light beam is low, it is darker than the image projection apparatus according to the present embodiment.
また、特許文献1の構成では、明るさが621ルーメンで、発光デューティ比は、
R:G:B=35.9%:48.0%:16.1%
となった。この構成の場合、LED光源からロッドインテグレータまでの光路長において、赤色光の光路長は、本実施の形態に係る画像投影装置の構成と同等であり、この点について効率はよいが、交差されたダイクロイックミラーの交差部のギャップによる損失のため、本実施の形態に係る画像投影装置に比べて伝達効率は低く、暗くなっている。
In the configuration of Patent Document 1, the brightness is 621 lumens, and the light emission duty ratio is
R: G: B = 35.9%: 48.0%: 16.1%
It became. In the case of this configuration, in the optical path length from the LED light source to the rod integrator, the optical path length of the red light is equivalent to the configuration of the image projection apparatus according to the present embodiment, and this point is efficient, but crossed. Due to the loss due to the gap at the intersection of the dichroic mirror, the transmission efficiency is lower and darker than the image projection apparatus according to the present embodiment.
また、特許文献2の構成では、明るさが612ルーメンで、発光デューティ比は、
R:G:B=32.6%:51.9%:15.5%
となった。この構成の場合、LED光源からロッドインテグレータまでの光路長において、赤色光の光路長は、本実施の形態に係る画像投影装置の構成と同等であり、しかも、ダイクロイックミラーの交差部によるギャップがほとんど無く、この点について効率はよいが、ダイクロイックミラー特性による損失のため、本実施の形態に係る画像投影装置に比べて伝達効率は低く、暗くなっている。
In the configuration of
R: G: B = 32.6%: 51.9%: 15.5%
It became. In the case of this configuration, in the optical path length from the LED light source to the rod integrator, the optical path length of red light is equivalent to the configuration of the image projector according to the present embodiment, and there is almost no gap due to the intersection of the dichroic mirrors. In this respect, the efficiency is good, but due to the loss due to the characteristics of the dichroic mirror, the transmission efficiency is lower and darker than the image projection apparatus according to the present embodiment.
以上のように、本実施の形態に係る画像投影装置は、上記従来の画像投影装置に比べて明るいという結果が得られた。 As described above, the result that the image projection apparatus according to the present embodiment is brighter than the conventional image projection apparatus was obtained.
また、LED光源を定格で駆動させ、例えば、デジタルシネマが基準とする色度の白を表示させると、青が過剰となる傾向がある。そのため、その分、赤や緑の発光デューティ比が大きくなるが、あまり発光デューティ比が大きくなると、冷却が十分にできなくなり、発光効率の低下を招く。そこで、発光デューティ比は50%以下に抑えることが望ましい。 In addition, when the LED light source is driven at a rating and, for example, white of chromaticity that is a reference for digital cinema is displayed, blue tends to be excessive. Therefore, the red and green light emission duty ratios are correspondingly increased. However, if the light emission duty ratio is excessively increased, the cooling cannot be sufficiently performed and the light emission efficiency is lowered. Therefore, it is desirable to suppress the light emission duty ratio to 50% or less.
また、青色光の発光デューティ比があまり小さくなると、時分割で階調表現している場合に十分に階調が表現できなくなる恐れがあるので、少なくとも青色光の発光デューティ比は20%以上とすることが望ましい。また、青色光の発光デューティ比を十分に確保しようとすると、青色LED光源に供給する電流を減らすなどの低出力化が必要となる。また、青の発光デューティ比が大きくなると、その分、緑色光および赤色光の発光デューティ比が小さくなり、その結果、明るさが大幅に低下することとなる。 In addition, if the light emission duty ratio of blue light is too small, there is a risk that the gray scale cannot be expressed sufficiently when the gray scale is expressed by time division. Therefore, at least the light emission duty ratio of blue light is set to 20% or more. It is desirable. Further, in order to sufficiently secure the light emission duty ratio of blue light, it is necessary to reduce the output such as reducing the current supplied to the blue LED light source. Further, when the blue light emission duty ratio is increased, the light emission duty ratios of the green light and the red light are reduced accordingly, and as a result, the brightness is significantly reduced.
この点からも、本実施の形態に係る画像投影装置は、青色光の発光デューティ比が比較的に大きいため、上記従来の画像投影装置に比べて、より明るく、階調豊かな投影画像を得ることができる。 Also in this respect, the image projection apparatus according to the present embodiment has a relatively large light emission duty ratio of blue light, and thus obtains a brighter and richer projection image than the conventional image projection apparatus. be able to.
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。 In order to express the present invention, the present invention has been properly and fully described through the embodiments with reference to the drawings. However, those skilled in the art can easily change and / or improve the above-described embodiments. It should be recognized that this is possible. Therefore, unless the modifications or improvements implemented by those skilled in the art are at a level that departs from the scope of the claims recited in the claims, the modifications or improvements are not covered by the claims. To be construed as inclusive.
2 照明光学系
6 全反射プリズム
6a 第1プリズム
6b 第2プリズム
6c 臨界面
7 DMD
8 投影光学系
8a、28 可変絞り
8b、28a 絞りモータ
9 コントローラ
10 絞り制御部
11 DMD駆動回路
12R 赤色LED駆動回路
12G 緑色LED駆動回路
12B 青色LED駆動回路
21R 赤色LED光源
21G 緑色LED光源
21B 青色LED光源
22R、22G、22B コリメータ光学系
23a 第1ダイクロイックミラー
23b 第2ダイクロイックミラー
26、126 ロッドインテグレータ
24 集光光学系
27 リレー光学系
28 可変絞り
28a 絞りモータ
29 エントランスレンズ
100 画像投影装置
121R、121G、121B 光源
122R、122G、122B コリメータレンズ
123a、123b ダイクロイックミラー
124 コンデンサーレンズ
125 ミラー
2 Illumination
8 Projection
Claims (14)
前記光合成部は、前記第1色光を透過し、前記第2色光を反射することにより前記第1色光および前記第2色光を合成する第1ダイクロイックミラーと、前記第1ダイクロイックミラーにより合成された前記第1色光および前記第2色光を透過し、前記第3色光を反射することにより前記第1色光、前記第2色光および前記第3色光を合成する第2ダイクロイックミラーとを有し、
前記第1ダイクロイックミラーの法線と、前記第2ダイクロイックミラーの法線とのなす角度が、60度以上90度未満であることを特徴とする照明光学系。 The first LED light source that emits first color light, the second LED light source that emits second color light, the third LED light source that emits third color light, the first color light, the second color light, and the third color light are the same. An illumination optical system including a light combining unit for combining with an optical axis,
The light combining unit transmits the first color light and reflects the second color light to combine the first color light and the second color light, and the first dichroic mirror combined with the first dichroic mirror. A second dichroic mirror that synthesizes the first color light, the second color light, and the third color light by transmitting the first color light and the second color light and reflecting the third color light;
An illumination optical system, wherein an angle formed between a normal line of the first dichroic mirror and a normal line of the second dichroic mirror is 60 degrees or more and less than 90 degrees.
前記第1LED光源から被照明部までの光路長をL1とし、前記第2LED光源から前記被照明部までの光路長をL2とし、前記第3LED光源から前記被照明部までの空気換算の光路長をL3とすると、
L3≦L1<L2
の関係を満たす請求項1または請求項2に記載の照明光学系。 The luminous efficiency of the second LED light source is higher than the luminous efficiency of either the first LED light source or the third LED light source,
The optical path length from the first LED light source to the illuminated part is L1, the optical path length from the second LED light source to the illuminated part is L2, and the optical path length in terms of air from the third LED light source to the illuminated part is L3
L3 ≦ L1 <L2
The illumination optical system according to claim 1 or 2, wherein the relationship is satisfied.
前記集光光学系の集光位置に入射端を有し、入射された光を均一な強度分布に変換して射出するロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータから射出された光を被照明部側に導くリレー光学系とを有する請求項8または請求項9に記載の照明光学系。 Furthermore, a condensing optical system that condenses the light beams of the first color light, the second color light, and the third color light synthesized on the same optical axis by the light synthesis unit,
A rod integrator that has an incident end at a condensing position of the condensing optical system, converts the incident light into a uniform intensity distribution, and emits it;
The illumination optical system according to claim 8, further comprising a relay optical system that guides the light emitted from the rod integrator to the illuminated portion side.
1.8×(FL+FC)≦P3≦2.2×(FL+FC)
の関係を満たす請求項10に記載の照明光学系。 When the focal length of the collimator optical system of the third LED light source is FL, the focal length of the condensing optical system is FC, and the optical path length in terms of air from the third LED light source to the incident end of the rod integrator is P3,
1.8 × (FL + FC) ≦ P3 ≦ 2.2 × (FL + FC)
The illumination optical system according to claim 10, satisfying the relationship:
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