JP2011048021A5 - - Google Patents

Description

本発明に係る集光光学系は、第一の波長用の発光面を有し、該第一の波長用の発光面から第一の波長の光を放射する第一の波長用の面発光光源と、前記第一の波長より波長が短い第二の波長用の発光面を有し、該第二の波長用の発光面から第二の波長の光を放射する第二の波長用の面発光光源と、前記第一の波長用の発光面から放射された第一の波長の光を平行光化する、正のパワーを有する第一の波長用のコリメートレンズと、前記第二の波長用の発光面から放射された第二の波長の光を平行光化する、正のパワーを有する第二の波長用のコリメートレンズと、前記第一の波長用のコリメートレンズを通過した第一の波長の光と、前記第二の波長用のコリメートレンズを通過した第二の波長の光とを合成する光合成手段と、前記合成された光を集光する、正のパワーを有するコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズで集光された光が入射する入射面及び光強度分布が均一化された光を出射する出射面を有する光強度分布均一化素子とを備え、前記第一の波長用の発光面及び前記第二の波長用の発光面は、同じ大きさの矩形形状であり、且つ、前記光強度分布均一化素子の入射面と相似形状であり、前記第一の波長用のコリメートレンズ及び前記第二の波長用のコリメートレンズは、互いに同じ構造を有し、前記第一の波長用のコリメートレンズから前記コンデンサレンズまでの光学距離及び前記第二の波長用のコリメートレンズから前記コンデンサレンズまでの光学距離が略同一となるように、前記第一の波長用のコリメートレンズ及び前記第二の波長用のコリメートレンズが配置され、前記第一の波長用の発光面から前記第一の波長用のコリメートレンズまでの第一の波長の光の光学距離は前記第二の波長用の発光面から前記第二の波長用のコリメートレンズまでの第二の波長の光の光学距離より長くなるように、且つ、前記第一の波長用のコリメートレンズ及び前記コンデンサレンズが前記光強度分布均一化素子の入射面上に結像させる前記第一の波長用の発光面の２次光源像と、前記第二の波長用のコリメートレンズ及び前記コンデンサレンズが前記光強度分布均一化素子の入射面上に結像させる前記第二の波長用の発光面の２次光源像とが、互いに同じ大きさになるように、前記第一の波長用の面発光光源及び前記第二の波長用の面発光光源を配置したことを特徴としている。

また、実施の形態１に係る集光光学系１は、赤色用の発光面１２ｒから放射された赤色光を平行光化する（すなわち、略平行光にする）、正のパワーを有する赤色用のコリメートレンズ１３ｒと、緑色用の発光面１２ｇから放射された緑色光を平行光化する（すなわち、略平行光にする）、正のパワーを有する緑色用のコリメートレンズ１３ｇと、青色用の発光面１２ｂから放射された青色光を平行光化する（すなわち、略平行光にする）、正のパワーを有する青色用のコリメートレンズ１３ｂとを備えている。

さらに、実施の形態１においては、赤色用の発光面１２ｒから赤色用のコリメートレンズ１３ｒまでの赤色光の光学距離Ｌｒは緑色用の発光面１２ｇから緑色用のコリメートレンズ１３ｇまでの緑色光の光学距離Ｌｇより長く、緑色光の光学距離Ｌｇは青色用の発光面１２ｂから青色用のコリメートレンズ１３ｂまでの青色光の光学距離Ｌｂより長くなるように（すなわち、Ｌｂ＜Ｌｇ＜Ｌｒを満たすように）、赤色用の面発光光源１１ｒ、緑色用の面発光光源１１ｇ、及び青色用の面発光光源１１ｂが配置されている。加えて、赤色用のコリメートレンズ１３ｒ及びコンデンサレンズ１９がインテグレータロッド２０の入射面２１上に結像させる赤色用の発光面１２ｒの２次光源像と、緑色用のコリメートレンズ１３ｇ及びコンデンサレンズ１９がインテグレータロッド２０の入射面２１上に結像させる緑色用の発光面１２ｇの２次光源像と、青色用のコリメートレンズ１３ｂ及びコンデンサレンズ１９がインテグレータロッド２０の入射面２１上に結像させる青色用の発光面１２ｂの２次光源像とが、互いに同じ大きさになるように、赤色用の面発光光源１１ｒ、緑色用の面発光光源１１ｇ、及び青色用の面発光光源１１ｂが配置されている。ここでいう、同じ大きさとは、完全に同一の大きさだけでなく、略同一の大きさをも含む。

一般に、集光光学系及び照明光学系を設計する際に考慮される概念として、Ｅｔｅｎｄｕｅ（エタンデュ）という量がある。Ｅｔｅｎｄｕｅの概念を実施の形態１に係る集光光学系１及び投写型画像表示装置２に適用すると、面発光光源１１ｒ、１１ｇ、１１ｂの発光面１２ｒ、１２ｇ、１２ｂから出射される光束の配光分布をランバーシアン分布（完全拡散）と仮定したときの面発光光源１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ、インテグレータロッド２０、画像表示素子２４のＥｔｅｎｄｕｅは、発光面又は受光面の面積と、発光面から放射される光又は受光面で受光される光の立体角との積で定義され、以下の式（１）〜（３）で表される。
Ｅｓ＝Ａｓ×π×ｓｉｎ^２（θｓ） …（１）
Ｅｉ＝Ａｉ×π×ｓｉｎ^２（θｉ） …（２）
Ｅｌ＝Ａｌ×π×ｓｉｎ^２（θｌ） …（３）

ここで、コリメートレンズ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂからコンデンサレンズ１９までの距離を各色略同一とすることによって生じる効果を説明する。図７及び図８は、同一のコリメートレンズ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂとコンデンサレンズ１９を、異なる距離に配置した場合の主光線の光路を概略的に示す図である。図７及び図８において、図４に示される要素と同一の要素には同一の符号を付している。図７及び図８において、８３、８４はそれぞれ、面発光光源１１ｒ、１１ｇ、１１ｂの発光面１２ｒ、１２ｇ、１２ｂの隅からの主光線、ｆ３はコンデンサレンズの前側焦点、ＡＸ４、ＡＸ５は光軸である。図７においては、コンデンサレンズ１９の前側焦点ｆ３が、コリメートレンズ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂの後側焦点ｆ２と一致しているため（ｆ２＝ｆ３）、主光線８３は、コンデンサレンズ１９を出射後、光軸ＡＸ４に対して平行となってインテグレータロッドの入射面２１に入射する。一方、図８では、コリメートレンズ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂからコンデンサレンズ１９までの距離を大きくしているため、主光線８４は、コンデンサレンズ１９を出射後、光軸ＡＸ５に対して大きく収束した状態でインテグレータロッドの入射面２１に入射する。よって、色によってコリメートレンズ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂとコンデンサレンズ１９までの距離が異なると、インテグレータロッド１３ｒ、１３ｇ、１３ｂの入射面２１に入射する主光線の角度が色によって異なることとなり、光利用効率の低下や輝度の均一性の劣化を招くこととなる。これに対し、実施の形態１に係る集光光学系においては、コリメートレンズ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂ及びコンデンサレンズ１９までの距離をＲ、Ｇ、Ｂの各色とも略同一としているので、高い光利用効率と輝度の均一性を実現することができる。

Claims (11)

1. 第一の波長用の発光面を有し、該第一の波長用の発光面から第一の波長の光を放射する第一の波長用の面発光光源と、
   前記第一の波長より波長が短い第二の波長用の発光面を有し、該第二の波長用の発光面から第二の波長の光を放射する第二の波長用の面発光光源と、
   前記第一の波長用の発光面から放射された第一の波長の光を平行光化する、正のパワーを有する第一の波長用のコリメートレンズと、
   前記第二の波長用の発光面から放射された第二の波長の光を平行光化する、正のパワーを有する第二の波長用のコリメートレンズと、
   前記第一の波長用のコリメートレンズを通過した第一の波長の光と、前記第二の波長用のコリメートレンズを通過した第二の波長の光とを合成する光合成手段と、
   前記合成された光を集光する、正のパワーを有するコンデンサレンズと、
   前記コンデンサレンズで集光された光が入射する入射面及び光強度分布が均一化された光を出射する出射面を有する光強度分布均一化素子と
   を備え、
   前記第一の波長用の発光面及び前記第二の波長用の発光面は、同じ大きさの矩形形状であり、且つ、前記光強度分布均一化素子の入射面と相似形状であり、
   前記第一の波長用のコリメートレンズ及び前記第二の波長用のコリメートレンズは、互いに同じ構造を有し、
   前記第一の波長用のコリメートレンズから前記コンデンサレンズまでの光学距離及び前記第二の波長用のコリメートレンズから前記コンデンサレンズまでの光学距離が略同一となるように、前記第一の波長用のコリメートレンズ及び前記第二の波長用のコリメートレンズが配置され、
   前記第一の波長用の発光面から前記第一の波長用のコリメートレンズまでの第一の波長の光の光学距離は前記第二の波長用の発光面から前記第二の波長用のコリメートレンズまでの第二の波長の光の光学距離より長くなるように、且つ、前記第一の波長用のコリメートレンズ及び前記コンデンサレンズが前記光強度分布均一化素子の入射面上に結像させる前記第一の波長用の発光面の２次光源像と、前記第二の波長用のコリメートレンズ及び前記コンデンサレンズが前記光強度分布均一化素子の入射面上に結像させる前記第二の波長用の発光面の２次光源像とが、互いに同じ大きさになるように、前記第一の波長用の面発光光源及び前記第二の波長用の面発光光源を配置した
   ことを特徴とする集光光学系。
2. 前記第二の波長より波長が短い第三の波長用の発光面を有し、該第三の波長用の発光面から第三の波長の光を放射する第三の波長用の面発光光源と、
   前記第三の波長用の発光面から放射された第三の波長の光を平行光化する、正のパワーを有する第三の波長用のコリメートレンズと
   をさらに備え、
   前記光合成手段は、前記第一の波長用のコリメートレンズを通過した第一の波長の光と、前記第二の波長用のコリメートレンズを通過した第二の波長の光と、前記第三の波長用のコリメートレンズを通過した第三の波長の光とを合成し、
   前記第一の波長用の発光面、前記第二の波長用の発光面、及び前記第三の波長用の発光面は、同じ大きさの矩形形状であり、且つ、前記光強度分布均一化素子の入射面と相似形状であり、
   前記第一の波長用のコリメートレンズ、前記第二の波長用のコリメートレンズ、及び前記第三の波長用のコリメートレンズは、互いに同じ構造を有し、
   前記第一の波長用のコリメートレンズから前記コンデンサレンズまでの光学距離、前記第二の波長用のコリメートレンズから前記コンデンサレンズまでの光学距離、及び前記第三の波長用のコリメートレンズから前記コンデンサレンズまでの光学距離が略同一となるように、前記第一の波長用のコリメートレンズ、前記第二の波長用のコリメートレンズ、及び前記第三の波長用のコリメートレンズが配置され、
   前記第一の波長用の発光面から前記第一の波長用のコリメートレンズまでの第一の波長の光の光学距離は前記第二の波長用の発光面から前記第二の波長用のコリメートレンズまでの第二の波長の光の光学距離より長く、前記第二の波長の光の光学距離は前記第三の波長の光の発光面から前記第三の波長用のコリメートレンズまでの第三の光の光学距離より長くなるように、且つ、前記第一の波長用のコリメートレンズ及び前記コンデンサレンズが前記光強度分布均一化素子の入射面上に結像させる前記第一の波長用の発光面の２次光源像と、前記第二の波長用のコリメートレンズ及び前記コンデンサレンズが前記光強度分布均一化素子の入射面上に結像させる前記第二の波長用の発光面の２次光源像と、前記第三の波長用のコリメートレンズ及び前記コンデンサレンズが前記光強度分布均一化素子の入射面上に結像させる前記第三の波長用の発光面の２次光源像とが、互いに同じ大きさになるように、前記第一の波長用の面発光光源、前記第二の波長用の面発光光源、及び前記第三の波長用の面発光光源を配置した
   ことを特徴とする請求項１に記載の集光光学系。
3. 前記第一の波長用のコリメートレンズ、前記第二の波長用のコリメートレンズ、及び前記コンデンサレンズは、それぞれ１枚以上のレンズから構成され、且つ、同じガラス材から構成されることを特徴とする請求項１に記載の集光光学系。
4. 前記第一の波長用のコリメートレンズ、前記第二の波長用のコリメートレンズ、前記第三の波長用のコリメートレンズ、及び前記コンデンサレンズは、それぞれ１枚以上のレンズから構成され、且つ、同じガラス材から構成されることを特徴とする請求項２に記載の集光光学系。
5. 前記光合成手段は、ダイクロイックミラーを有することを特徴とする請求項１に記載の集光光学系。
6. 前記光合成手段は、互いに直交して配置された２枚のダイクロイックミラーを有することを特徴とする請求項２又は４に記載の集光光学系。
7. 前記光合成手段は、互いに平行に配置された２枚のダイクロイックミラーを有することを特徴とする請求項２又は４に記載の集光光学系
8. 前記光合成手段と前記コンデンサレンズとの間に、前記合成された光の光路を前記コンデンサレンズに向けるように変える反射ミラーを備えたことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の集光光学系。
9. 前記集光光学系は、前記第一の波長用の面発光光源側及び前記第二の波長用の面発光光源側のそれぞれにテレセントリックな光学系であり、
   前記第一の波長用の発光面及び前記第二の波長用の発光面のそれぞれに、フォトニクス結晶体を備えた
   ことを特徴とする請求項１又は３に記載の集光光学系。
10. 前記集光光学系は、前記第一の波長用の面発光光源側、前記第二の波長用の面発光光源側、及び前記第三の波長用の面発光光源側のそれぞれにテレセントリックな光学系であり、
    前記第一の波長用の発光面、前記第二の波長用の発光面、及び前記第三の波長用の発光面のそれぞれに、フォトニクス結晶体を備えた
    ことを特徴とする請求項２又は４に記載の集光光学系。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の集光光学系と、
    前記集光光学系から出射された光が入射され、該入射した光を変調して映像光を生成する画像表示素子と、
    前記画像表示素子で生成された前記映像光を拡大投写する投写光学系と
    を備えたことを特徴とする投写型画像表示装置。