JP2011232478A - Illumination optical device and projection display device comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は多灯合成方式でロッドインテグレータを用いた照明装置に関するもので、特に映像表示素子を用いた高輝度な投写型表示装置に関するものである。 The present invention relates to a lighting device using a rod integrator in a multi-lamp composition system, and more particularly to a high-brightness projection display device using an image display element.
大画面を表示する一つの方法として、映像信号に応じた光学像を形成する映像素子を光で照明し、その光学像を投写レンズにより投写拡大する投写型表示装置が知られている。映像素子としては、液晶パネルやデジタル・ミラー・デバイス(DMD)が用いられる。このような投写型表示装置では、投写画像の高輝度化に対する要望が強い。 As one method for displaying a large screen, there is known a projection display device that illuminates an image element that forms an optical image corresponding to an image signal with light and projects and enlarges the optical image with a projection lens. A liquid crystal panel or a digital mirror device (DMD) is used as the image element. In such a projection display device, there is a strong demand for higher brightness of a projected image.
投写型表示装置において投写画像の明るさを向上させるためには、光源に用いるランプの消費電力を大きくすればよい。しかし十分なランプの寿命を確保しつつ、消費電力を大きくすると、発光体の形状が長く、太くなり、光学系の光利用効率が低下するという問題がある。ランプ以外にLEDを用いる場合においては、所定の消費電力より電力を大きくしようとしても、LED自体が許容する電流値の限界が高くなく、光源の寿命を確保することが出来ない。さらにLED光源の許容する範囲に発熱を抑えることが困難になる、という問題もある。そこで、比較的消費電力の小さい複数の光源を用いて上記問題を改善し、投写型表示装置の明るさを効率よく向上させることが検討されている。 In order to improve the brightness of the projected image in the projection display device, the power consumption of the lamp used for the light source may be increased. However, when the power consumption is increased while ensuring a sufficient lamp life, there is a problem that the shape of the light emitter becomes longer and thicker, and the light utilization efficiency of the optical system decreases. In the case of using an LED other than the lamp, even if an attempt is made to increase the electric power beyond a predetermined power consumption, the limit of the current value allowed by the LED itself is not high, and the life of the light source cannot be ensured. Further, there is a problem that it is difficult to suppress heat generation within a range allowed by the LED light source. Therefore, it has been studied to improve the above-described problem by using a plurality of light sources with relatively low power consumption, and to efficiently improve the brightness of the projection display device.
特許文献1にはランプからの出射光を合成した後、ロッドインテグレータを用いて、照明光の照度均一性を向上させた構成が開示されている。 Patent Document 1 discloses a configuration in which the illuminance uniformity of illumination light is improved using a rod integrator after synthesizing light emitted from a lamp.
これについて、図10を参照して説明する。光源手段40は、第1の光源41a及び第2の光源41bにより構成される。第1の光源41aは、第1の発光体42aと第1の放物面鏡43aによって略平行光束44aを放射する。第2の光源41bは、第1の光源41aと同様に、第2の発光体42bと第2の放物面鏡43bから構成されており略平行光束44bを放射する。それぞれの略平行光束44a、44bが出射する方向が、方位軸45a、45bとして示されている。 This will be described with reference to FIG. The light source means 40 includes a first light source 41a and a second light source 41b. The first light source 41a emits a substantially parallel light beam 44a by the first light emitter 42a and the first parabolic mirror 43a. Similar to the first light source 41a, the second light source 41b includes a second light emitter 42b and a second parabolic mirror 43b, and emits a substantially parallel light beam 44b. The directions in which the substantially parallel light beams 44a and 44b are emitted are shown as azimuth axes 45a and 45b.
光束合成手段46は、緩やかな曲面からなる2つの光入射面を持つ第1の光学素子47と、これら光入射面にほぼ密着されて配置された2つの第2の光学素子48a、48bから構成されている。第2の光学素子48a、48bの光入射面は、対応する光源からの入射光が略垂直に入射する平面として構成されている。さらに、第1の光学素子47の光出射面49は、光軸50に垂直な平面である。 The light beam combining means 46 includes a first optical element 47 having two light incident surfaces each having a gently curved surface, and two second optical elements 48a and 48b disposed in close contact with the light incident surfaces. Has been. The light incident surfaces of the second optical elements 48a and 48b are configured as a plane on which incident light from the corresponding light source enters substantially perpendicularly. Further, the light exit surface 49 of the first optical element 47 is a plane perpendicular to the optical axis 50.
第1の光学素子47からの出射光は、光入射端面と出射端面を持つロッドインテグレータ51に入射する。ロッドインテグレータ51からの出射光は、複数種類のレンズ手段から構成される光伝達手段52に入射する。光伝達手段52は、ロッドインテグレータ51からの発散光束を略平行化する第1のレンズ系53を有する。なお、光伝達手段52に含まれる他の要素については、図示を省略する。 The outgoing light from the first optical element 47 enters a rod integrator 51 having a light incident end face and an outgoing end face. Light emitted from the rod integrator 51 is incident on a light transmission means 52 composed of a plurality of types of lens means. The light transmission means 52 includes a first lens system 53 that substantially collimates the divergent light beam from the rod integrator 51. Note that illustration of other elements included in the light transmission means 52 is omitted.
第1の光源41aからの略平行光束は、第2の光学素子48aおよび第1の光学素子47により、ロッドインテグレータ51の入射点Pに向かうように偏向され集光される。この集光作用は第2の光源41bからの略平行光束に対しても同様に生じる。こうして集光された2つの光源からの光束は、所定の角度で入射点Pに向かい合成される。 The substantially parallel light beam from the first light source 41 a is deflected and condensed by the second optical element 48 a and the first optical element 47 so as to go to the incident point P of the rod integrator 51. This light condensing action also occurs with respect to a substantially parallel light beam from the second light source 41b. The light beams from the two light sources thus condensed are combined toward the incident point P at a predetermined angle.
ロッドインテグレータ51の入射点Pに集光された光は、ガラス/空気の界面で複数回の全反射を繰り返しながらロッドインテグレータ51内を伝播し、出射端面において明るさの均一性が高い発光面を再構成する。 The light collected at the incident point P of the rod integrator 51 propagates through the rod integrator 51 while repeating total reflection several times at the glass / air interface, and forms a light emitting surface with high brightness uniformity at the exit end face. Reconfigure.
上記のようにロッドインテグレータを用いることにより、簡素な構成で均一性が高い発光面を再構成することが出来るので、複数の光源による投写画面の高輝度化を実現するために有効である。 By using the rod integrator as described above, a light emitting surface with high uniformity can be reconstructed with a simple configuration, which is effective for realizing high brightness of a projection screen by a plurality of light sources.
また特許文献2においては、上記課題を解決するために図11や図12に示されているような、追加ロッド61,62,63,64,65,66を用いて合成する構成が開示されている。 Further, Patent Document 2 discloses a configuration for synthesizing using additional rods 61, 62, 63, 64, 65, 66 as shown in FIGS. 11 and 12 in order to solve the above-described problem. Yes.
しかし、特許文献1の記載では、ロッドインテグレータの入射端の開口は複数の光源を並列して配置させるには小さすぎる為、各光源の集光点を入射端面上で一致させることは困難である。これを解決するために、光束合成手段46を用いているが、光束合成手段46の構成は複雑であり、高精度で製造することは困難である。 However, in the description of Patent Document 1, since the opening at the entrance end of the rod integrator is too small to arrange a plurality of light sources in parallel, it is difficult to make the condensing points of the light sources coincide on the entrance end surface. . In order to solve this, the light beam synthesizing unit 46 is used. However, the configuration of the light beam synthesizing unit 46 is complicated and it is difficult to manufacture with high accuracy.
また、特許文献2の記載にあるように追加ロッド61,62の入射光線の光軸と統合ロッド67の入射光線の光軸が平行、または垂直でない状態で構成をすると、追加ロッド61,62の入射面の光線角度と、その光線が伝播される統合ロッド67の出射面との成す角度が異なってしまう現象が起こる。この場合、追加ロッド61,62の入射光線の角度より統合ロッド67出射光線の角度が大きくなり、その後の光学系においてロスが発生するという問題がある。 Further, as described in Patent Document 2, when the optical axis of the incident light beam of the additional rods 61 and 62 and the optical axis of the incident light beam of the integration rod 67 are parallel or not perpendicular, A phenomenon occurs in which the angle between the light ray angle of the incident surface and the exit surface of the integrated rod 67 through which the light ray propagates is different. In this case, there is a problem that the angle of the light beam emitted from the integrated rod 67 becomes larger than the angle of the light beam incident on the additional rods 61 and 62, and loss occurs in the subsequent optical system.
上記課題を解決するために、本発明の照明装置は、複数の光源と、前記複数の光源にそれぞれ対応して設けられ前記複数の光源から入射する放射光を所定の光路に導く複数の補助ロッドインテグレータと、前記複数の補助ロッドインテグレータからの出射光を集光する合成ロッドインテグレータと、を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, an illumination device according to the present invention includes a plurality of light sources and a plurality of auxiliary rods provided corresponding to the plurality of light sources, respectively, for guiding emitted light incident from the plurality of light sources to a predetermined optical path. An integrator and a synthetic rod integrator that collects light emitted from the plurality of auxiliary rod integrators are provided.
また、前記補助ロッドインテグレータは、入出射面を含む6面体のガラス柱であり、入出射面を除く側面4面のうち少なくとも2面は平行かつ入出射面に対し斜めに形成されていることを特徴とする。 The auxiliary rod integrator is a hexahedral glass column including an incident / exit surface, and at least two of the four side surfaces excluding the incident / exit surface are formed parallel and oblique to the incident / exit surface. Features.
また、前記光源から出射される光線の焦点が、前記補助ロッドインテグレータの入射面に位置し、前記合成ロッドインテグレータへの入射光線の光軸と、前記補助ロッドインテグレータの入射光線の光軸とが、平行又は垂直である事を特徴とする。 Further, the focal point of the light beam emitted from the light source is located on the incident surface of the auxiliary rod integrator, the optical axis of the incident light beam to the synthetic rod integrator, and the optical axis of the incident light beam of the auxiliary rod integrator, It is characterized by being parallel or vertical.
また、前記光源からの光軸と、前記光源からの光軸が前記補助ロッドインテグレータの入出射面に対する斜面に下ろしその斜面の垂線と成す角をθi、光源からの有効な光の最外角の光と光源光軸との空気中での成す角θc、補助ロッドインテグレータの材料の屈折率をn1としたときに、
|n1SIN(2θi−π/2+SIN-1((SIN(θc))/n1)|<1
の関係が成り立つことを特徴とする。
The angle between the optical axis from the light source and the optical axis from the light source is lowered to the inclined surface with respect to the incident / exiting surface of the auxiliary rod integrator and is perpendicular to the inclined surface, θi, and the outermost light of the effective light from the light source And the angle θc between the light source and the optical axis in the air, and the refractive index of the auxiliary rod integrator material is n1,
| N1SIN (2θi−π / 2 + SIN −1 ((SIN (θc)) / n1) | <1
The relationship is established.
(ただしθcは前記斜面に下ろした垂線と成す角が小さくなる方向を−、同じく大きくなる方向を+としたときに−θcから+θcまでの範囲を与える)。 (However, θc gives a range from −θc to + θc, where − is the direction in which the angle formed with the perpendicular line to the slope becomes smaller, and + is the direction in which the angle becomes larger).
また、前記光源からの光軸と、前記光源からの光軸が前記補助ロッドインテグレータの入出射面に対する斜面に下ろしその斜面の垂線と成す角をθi、光源からの有効な光の最外角の光と光源光軸との空気中での成す角θc、補助ロッドインテグレータの材料の屈折率をn1としたときに、
n1SIN(θi−SIN-1(SIN(−θc))/n1))>1
の関係が成り立つことを特徴とする。
The angle between the optical axis from the light source and the optical axis from the light source is lowered to the inclined surface with respect to the incident / exiting surface of the auxiliary rod integrator and is perpendicular to the inclined surface, θi, and the outermost light of the effective light from the light source And the angle θc between the light source and the optical axis in the air, and the refractive index of the auxiliary rod integrator material is n1,
n1SIN (θi−SIN −1 (SIN (−θc)) / n1))> 1
The relationship is established.
(ただしθcは前記斜面に下ろした垂線と成す角が小さくなる方向を−としたときの−θcの値を与える)。 (However, θc gives the value of −θc when the direction in which the angle formed with the perpendicular line to the slope becomes smaller is −).
また、前記補助ロッドインテグレータの入射面と前記斜めに形成された面との成す角は、45°であることを特徴とする。 The angle formed by the incident surface of the auxiliary rod integrator and the obliquely formed surface is 45 °.
また、本発明の投写型表示装置は、前記いずれかの照明装置と、前記照明光が入射され映像信号に応じた入射光の変調を行う画像表示素子と、前記画像表示素子で変調された光をスクリーン上に投写する投写レンズとを備えたことを特徴とする。 The projection display device of the present invention includes any one of the illumination devices, an image display element that receives the illumination light and modulates incident light according to a video signal, and light modulated by the image display element. And a projection lens that projects the image on the screen.
前記構成によれば、光源からの放射光は、前記補助ロッドインテグレータの入射面近傍に集光スポットを形成し、補助ロッドインテグレータ内を効率よく、入射光線の角度を保ったまま、合成ロッドインテグレータの入射面まで伝播する。それにより、複数の光源からの放射光を効率よく合成することができ、光損失を低減して、光出力の大きな照明光学装置を得ることが可能であり、これを用いて明るい投写型表示装置を実現できる。 According to the above configuration, the emitted light from the light source forms a condensing spot in the vicinity of the incident surface of the auxiliary rod integrator, and efficiently keeps the angle of the incident light in the auxiliary rod integrator while maintaining the angle of the incident light beam. Propagates to the entrance surface. As a result, it is possible to efficiently synthesize light emitted from a plurality of light sources, reduce light loss, and obtain an illumination optical device having a large light output. Using this, a bright projection display device Can be realized.
(実施の形態1)
図1、図2は、それぞれ、本発明の実施の形態1における多灯式合成装置および多灯式合成装置を備えた投写型表示装置を示す構成図である。第1の光源部101は基板上に実装されたLED光源102から出射された光を前方に配置された集光レンズ103により集光される。同様に第2の光源部104は基板上に実装されたLED光源105から出射された光を前方に配置された集光レンズ106により集光される。第1の光源部101の集光位置107、第2の光源部104の集光位置108はそれぞれ補助ロッドインテグレータ111、112の入射面113、114上に設定されている。また第1の光源部101の基準光軸109,第2の光源部104の基準光軸110はこの入射面113、114に垂直に入射する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 and FIG. 2 are configuration diagrams showing a multi-lamp synthesizer and a projection display device including the multi-lamp synthesizer according to Embodiment 1 of the present invention. The first light source unit 101 condenses light emitted from the LED light source 102 mounted on the substrate by a condensing lens 103 disposed in front. Similarly, the second light source unit 104 condenses light emitted from the LED light source 105 mounted on the substrate by a condensing lens 106 disposed in front. The condensing position 107 of the first light source unit 101 and the condensing position 108 of the second light source unit 104 are set on the incident surfaces 113 and 114 of the auxiliary rod integrators 111 and 112, respectively. Further, the reference optical axis 109 of the first light source unit 101 and the reference optical axis 110 of the second light source unit 104 are incident on the incident surfaces 113 and 114 perpendicularly.
補助ロッドインテグレータ111、112は、直交する関係にある入出射面を備えた高い屈折率を有する光学ガラスの6面体であり、図3のように、他の4面のうちの2面115a、115bは入射面からの入射光が全反射して伝搬されるように傾いて設定されている。 The auxiliary rod integrators 111 and 112 are hexahedrons of optical glass having a high refractive index with incident and exit surfaces that are orthogonal to each other. As shown in FIG. 3, two of the other four surfaces 115a and 115b. Is inclined so that incident light from the incident surface is totally reflected and propagated.
また、補助ロッドインテグレータ111、112の出射面116、117の面積の和は合成ロッドインテグレータ118の入射面119の面積に等しく設定されている。このとき補助ロッドインテグレータ111、112を経た第1の光源部101の基準光軸109及び第2の光源部104の基準光軸110は、合成ロッドインテグレータ118の入射面119に垂直に入射する。 The sum of the areas of the exit surfaces 116 and 117 of the auxiliary rod integrators 111 and 112 is set equal to the area of the entrance surface 119 of the composite rod integrator 118. At this time, the reference optical axis 109 of the first light source unit 101 and the reference optical axis 110 of the second light source unit 104 that have passed through the auxiliary rod integrators 111 and 112 are perpendicularly incident on the incident surface 119 of the synthesis rod integrator 118.
このようにして合成ロッドインテグレータ118に入射した光は内部反射を繰り返して出射面120では均一な光を出射することが出来る。この構成では全反射のみで光を伝搬することからロッドへの反射ミラーコートは不要である。従って、コスト、吸収による発熱を抑えることが出来る。 In this way, the light incident on the composite rod integrator 118 repeats internal reflection, and uniform light can be emitted from the emission surface 120. In this configuration, since light is propagated only by total reflection, a reflecting mirror coat on the rod is unnecessary. Therefore, heat generation due to cost and absorption can be suppressed.
出射面120から出射された光は、図2に示す通り、リレーレンズ201,フィールドレンズ202により導かれ、画像表示素子である液晶パネル203に入射する。液晶パネル203は2次元的に配列された画素毎に外部信号により独立して制御可能であり、図には無い入射偏光板、出射側偏光板に挟持されている。入射偏光板を透過し、液晶パネル上に入射した光を画素毎に外部信号に従ってその偏光方向を変化せしめることで出射側偏光板での遮光率を変化させ、画像表示を行っている。ここを透過した光は投写レンズ204に入射し、図にはないスクリーンに投写される。 As shown in FIG. 2, the light emitted from the emission surface 120 is guided by the relay lens 201 and the field lens 202 and enters the liquid crystal panel 203 which is an image display element. The liquid crystal panel 203 can be controlled independently by an external signal for each pixel arranged two-dimensionally, and is sandwiched between an incident polarizing plate and an output-side polarizing plate that are not shown. By changing the polarization direction of the light transmitted through the incident polarizing plate and incident on the liquid crystal panel in accordance with an external signal for each pixel, the light shielding rate at the output side polarizing plate is changed to display an image. The light transmitted there enters the projection lens 204 and is projected onto a screen not shown.
具体的に特徴を以下に述べる。 Specific features are described below.
上記の構成のように光源からの光を全反射して効率よく導くには以下の2つの関係を満たすことが望ましい。 In order to efficiently guide the light from the light source by total reflection as in the above configuration, it is desirable to satisfy the following two relationships.
1)入射光のうち補助ロッドインテグレータ出射面から出射せず全反射した光については、斜面で反射し再度出射面に入射することで補助ロッドインテグレータから出射出来る。 1) Of the incident light, the light totally reflected without being emitted from the auxiliary rod integrator emission surface can be emitted from the auxiliary rod integrator by being reflected by the inclined surface and incident again on the emission surface.
逆に、図3において、補助ロッドインテグレータ111の出射面116に入射する入射光121がここで全反射されないと、合成ロッドインテグレータ118に非常に大きな角度で入射することになるので有効な光にならない。よって入射光121が補助ロッドインテグレータ111の出射面116で全反射されて、斜面である側面115bで全反射されて再度出射面116に入射する際に全反射されずにここを抜ける関係にあることが必要である。 On the other hand, in FIG. 3, if the incident light 121 incident on the exit surface 116 of the auxiliary rod integrator 111 is not totally reflected here, it will be incident on the synthetic rod integrator 118 at a very large angle, so it will not be effective light. . Therefore, when the incident light 121 is totally reflected by the exit surface 116 of the auxiliary rod integrator 111, totally reflected by the side surface 115b which is a slope, and incident on the exit surface 116 again, the incident light 121 passes through here without being totally reflected. is required.
光源からの光軸109が補助ロッドインテグレータ側面115bに入射する入射角をθi、補助ロッドインテグレータ111を構成する光学ガラスの屈折率をn1、入射面113に入射した基準光軸109に対し最外角の光の角度(コーン角)をθcとするとき以下の関係が成り立つ。ただしここではθcは光軸109に対して回転対称に設定されているのでθcは方向性がある。そこで前記補助ロッドインテグレータ側面115bに下ろした垂線と成す角が小さくなる方向を−、同じく大きくなる方向を+としたときに−θcから+θcまでの範囲を示す。 The incident angle at which the optical axis 109 from the light source is incident on the auxiliary rod integrator side surface 115b is θi, the refractive index of the optical glass constituting the auxiliary rod integrator 111 is n1, and the outermost angle with respect to the reference optical axis 109 incident on the incident surface 113 When the light angle (cone angle) is θc, the following relationship holds. However, here, θc is set to be rotationally symmetric with respect to the optical axis 109, so that θc is directional. Therefore, a range from −θc to + θc is shown, where − is the direction in which the angle formed with the perpendicular line to the side 115b of the auxiliary rod is reduced, and + is the direction in which the angle is also increased.
この時に以下の関係が成り立つ。 At this time, the following relationship holds.
|n1SIN(2θi−π/2+SIN-1((SIN(θc))/n1)|<1
ちなみに前記入射面113に入射した基準光軸109に対し最外角の光の角度(コーン角)θcと、光源からの光軸109が出射したときの光軸124と前記斜面である側面115bで全反射されて再度出射面116に入射してきた最外角光123との成す角と、が等しいことが望ましい。
| N1SIN (2θi−π / 2 + SIN −1 ((SIN (θc)) / n1) | <1
Incidentally, the outermost light angle (cone angle) θc with respect to the reference optical axis 109 incident on the incident surface 113, the optical axis 124 when the optical axis 109 from the light source is emitted, and the side surface 115b which is the inclined surface are all included. It is desirable that the angle formed by the outermost angle light 123 reflected and incident on the exit surface 116 again is equal.
2)補助ロッドインテグレータにおいて入射光が光抜けなく伝搬できる。 2) In the auxiliary rod integrator, incident light can propagate without passing through.
この条件は図3において補助ロッドインテグレータ111の入射面113に入射した光が屈折率n1のガラスの中で補助ロッドインテグレータ111の斜面である側面115a−115bで損失無く全反射されて伝搬されることを示す。 This condition is that the light incident on the incident surface 113 of the auxiliary rod integrator 111 in FIG. 3 is totally reflected and propagated by the side surfaces 115a-115b which are the inclined surfaces of the auxiliary rod integrator 111 in the glass having the refractive index n1. Indicates.
前記と同様の符号の定義を行ったときに以下の関係にある。 When the same symbols are defined as above, the following relationship is established.
n1SIN(θi−SIN-1(SIN(−θc))/n1))>1
例えば実際に値を想定し以下に示す。
n1SIN (θi−SIN −1 (SIN (−θc)) / n1))> 1
For example, actual values are assumed and shown below.
θi=45°、θc=−30゜〜+30゜、n1=1.8とすると、
1)によれば−0.5〜+0.5となり絶対値0.5以下
2)によれば0.87
ここで2)は全反射しにくさだけを見れば良いので−30゜のみについて計算した。
If θi = 45 °, θc = −30 ° to + 30 °, and n1 = 1.8,
According to 1), it is -0.5 to +0.5, and the absolute value is 0.5 or less.
Here, 2) is calculated only for −30 ° because it is only necessary to see the difficulty of total reflection.
以上から1)が示す補助ロッドインテグレータ111出射面116からの出射は問題ないことが分かる。一方で2)の示す補助ロッドインテグレータ111の側面(斜面)115a−115bでの全反射は一部抜けが発生する可能性があるが、コスト等を考えれば許容出来る範囲であると言える。 From the above, it can be seen that the emission from the exit surface 116 of the auxiliary rod integrator 111 shown in 1) has no problem. On the other hand, although the total reflection at the side surfaces (slopes) 115a to 115b of the auxiliary rod integrator 111 shown in 2) may partially be lost, it can be said that it is within an allowable range in consideration of cost and the like.
また、θi=55°、θc=−30゜〜+30゜、n1=1.8とすると、
1)によれば−1.06〜−0.12の絶対値1.06以下
2)によれば1.00
θi=35°、θc=−30゜〜+30゜、n1=1.8とすると、
1)によれば+0.12〜+1.06の絶対値1.06以下
2)によれば0.73
これからわかることは1)の補助ロッドインテグレータ111出射面116からの出射はθi=45°で対称の値となることが分かる。
If θi = 55 °, θc = −30 ° to + 30 °, and n1 = 1.8,
According to 1), the absolute value of -1.06 to -0.12 is 1.06 or less.
If θi = 35 °, θc = −30 ° to + 30 °, and n1 = 1.8,
According to 1) the absolute value of +0.12 to +1.06 is 1.06 or less 2) according to 2) 0.73
It can be seen from the figure that the exit from the exit surface 116 of the auxiliary rod integrator 111 in 1) becomes a symmetric value at θi = 45 °.
よって光源からの光軸109が補助ロッドインテグレータ側面115bに入射する入射角をθiは45°に設定することが最も好ましい。このとき屈折率や最外角の光の角度(コーン角)の設定に自由度が生まれることが分かる。 Therefore, it is most preferable to set the incident angle at which the optical axis 109 from the light source is incident on the auxiliary rod integrator side surface 115b to 45 °. At this time, it can be seen that there is a degree of freedom in setting the refractive index and the outermost light angle (cone angle).
上記数値は有るべき姿を示すものですべてを満たすことが望ましいが、先にも述べたようにすべて成り立たないと装置が構成できないわけではなく、装置の大きさ、他部品との機構的干渉、コスト、入手性などすべてを考慮して行われるべきで有る。 The above numerical values indicate what they should be, and it is desirable to satisfy all of them. However, as described above, the device cannot be configured unless it is all established, the size of the device, mechanical interference with other parts, It should be done with all costs and availability in mind.
強いて優先順位を付ければθi=45°で1)を外すと最外角の光の角度(コーン角)の+、−の絶対値の大きい部分の両側が損失となるが、2)は最外角の光の角度(コーン角)が全反射しにくい方向(+θc)側だけの損失で済むので1)を第1優先、条件が許せば2)を満足するとして構成決定を行う。 If strong priority is given, if θi = 45 ° and 1) is removed, the outermost light angle (cone angle) will be lost on both sides of the part with a large absolute value of + and −, while 2) is the outermost angle. Since the light angle (cone angle) can be lost only in the direction (+ θc) where it is difficult to totally reflect, the configuration is determined assuming that 1) satisfies the first priority and 2) satisfies the condition.
上記において画像表示素子として液晶パネルを用いたが、反射型デバイスであるデジタル・ミラー・デバイス(DMD)、反射型液晶デバイスでも応用可能であることは言うまでもない。 In the above description, the liquid crystal panel is used as the image display element, but it goes without saying that the present invention can also be applied to a digital mirror device (DMD), which is a reflective device, or a reflective liquid crystal device.
本実施の形態では光源をLEDで構成したが、放電ランプに楕円形状の反射面を備えたリフレクタものや、放電ランプに放物面、焦点距離の長い楕円面もしくは集光レンズといったようなものを組み合わせた構成や、レーザー(LD)光源と集光レンズなどで構成することも可能である。 In this embodiment, the light source is composed of LEDs. However, a reflector having an elliptical reflecting surface on the discharge lamp, a parabolic surface on the discharge lamp, an elliptical surface having a long focal length, or a condenser lens is used. A combined configuration, a laser (LD) light source, a condensing lens, or the like can also be used.
また、ここで補助ロッドインテグレータ111、112は対称に反対を向いた配置になっているが、目的が光源部の干渉防止で有れば片方の補助ロッドインテグレータを削除し、直接合成ロッドインテグレータ118に入射する構成も取ることが出来る。ただし、合成ロッドインテグレータ118に入射する際に各光源部からの光軸が平行になっていることが前提であることは言うまでもない。 Here, the auxiliary rod integrators 111 and 112 are symmetrically arranged opposite to each other. However, if the purpose is to prevent interference of the light source unit, one of the auxiliary rod integrators is deleted, and the synthetic rod integrator 118 is directly connected. An incident configuration can also be taken. However, it goes without saying that the optical axes from the respective light source parts are parallel when entering the composite rod integrator 118.
なお、補助ロッドインテグレータ111の出射面116と合成ロッドインテグレータ118の入射面119間には図にはない空気間隔が必要で、これが設定されていることも明らかである。 It should be noted that an air gap (not shown) is required between the exit surface 116 of the auxiliary rod integrator 111 and the entrance surface 119 of the composite rod integrator 118, and it is also clear that this is set.
(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2における多灯合成装置を備えた投写型表示装置を示す構成図である。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a configuration diagram showing a projection display device including the multi-lamp combining device according to Embodiment 2 of the present invention.
実施の形態1とは補助ロッドインテグレータの入出射面が平行であることが異なる構成となっている。 It differs from Embodiment 1 in that the incident / exit surfaces of the auxiliary rod integrator are parallel.
ここでLED光源部から補助ロッドインテグレータ入射面までに至る構成は実施の形態1と同じであるため、詳細は割愛する。 Here, since the configuration from the LED light source unit to the auxiliary rod integrator incident surface is the same as that of the first embodiment, the details are omitted.
補助ロッドインテグレータは図5に示したような、平行な入出射面を備えた光学ガラス製の6面体であり、前記入出射面は他の面と図4のように傾いて設定されている。その傾きは入射面213、214に基準光軸209,210に沿って入射する光の大部分を側面で全反射するように、また合成ロッドインテグレータ118の出射光線角度が補助ロッドインテグレータ211,212の入射光線角度と等しくなるように、補助ロッドインテグレータ出射端面の全反射を利用できる角度で設置されている。実施の形態2においても、実施の形態1と同様の理由により最も自由度のあるθi=45°に設定している。 The auxiliary rod integrator is an optical glass hexahedron having parallel incident / exit surfaces as shown in FIG. 5, and the incident / exit surfaces are inclined with respect to the other surfaces as shown in FIG. The inclination is such that most of the light incident on the incident surfaces 213 and 214 along the reference optical axes 209 and 210 is totally reflected by the side surfaces, and the outgoing light beam angle of the composite rod integrator 118 is that of the auxiliary rod integrators 211 and 212. It is installed at an angle at which the total reflection of the exit surface of the auxiliary rod integrator can be used so as to be equal to the incident light beam angle. Also in the second embodiment, θi = 45 ° having the most degree of freedom is set for the same reason as in the first embodiment.
また、補助ロッドインテグレータ211、212の出射面の面積の和は合成ロッドインテグレータ118の入射面の面積に等しく設定されている。このとき補助ロッドインテグレータ211、212を経た第1のLEDの基準光軸209,第2のLEDの基準光軸210は合成ロッドインテグレータ118の入射面に垂直に入射する。 Further, the sum of the areas of the exit surfaces of the auxiliary rod integrators 211 and 212 is set equal to the area of the entrance surface of the composite rod integrator 118. At this time, the reference optical axis 209 of the first LED and the reference optical axis 210 of the second LED that have passed through the auxiliary rod integrators 211 and 212 are perpendicularly incident on the incident surface of the composite rod integrator 118.
合成ロッドインテグレータ118から射出した光線はリレーレンズ201,フィールドレンズ202により導かれ、画像表示素子である液晶パネル203、投写レンズ204を経て図にはないスクリーンに投写される。 The light beam emitted from the synthesis rod integrator 118 is guided by the relay lens 201 and the field lens 202, and projected onto a screen (not shown) through the liquid crystal panel 203 and the projection lens 204 as image display elements.
この構成に於いても、補助ロッドインテグレータ211,212内での反射回数が変わるだけで前記1)、2)の関係については同様のことが言える。 Even in this configuration, the same can be said for the relations 1) and 2), except that the number of reflections in the auxiliary rod integrators 211 and 212 changes.
性能的にはほとんど差はないことから、実施の形態1とは構成部品や装置全体の配置関係により選択可能である。 Since there is almost no difference in performance, the first embodiment can be selected depending on the arrangement relationship of the components and the entire apparatus.
この応用として図6の構成について以下説明する。 As this application, the configuration of FIG. 6 will be described below.
第1の光源部300において緑色光を発するLED301からの光は前記LEDの発光面を焦点位置に持つ集光レンズ302により略平行光となって射出され、青反射ダイクロイックミラー303、赤反射ダイクロイックミラー304を透過し、集光レンズ305によって補助ロッドインテグレータ306の入射面307に集光、入射する。青色光を発するLED308からの光は前記LEDの発光面を焦点位置に持つ集光レンズ309により略平行光となって射出され、青反射ダイクロイックミラー303で反射され、赤反射ダイクロイックミラー304を透過し、集光レンズ305によって緑光と同様に補助ロッドインテグレータ306の入射面307に集光、入射する。赤色光を発するLED310からの光は前記LEDの発光面を焦点位置に持つ集光レンズ311により略平行光となって射出され、赤反射ダイクロイックミラー304で反射され、集光レンズ305によって補助ロッドインテグレータ306の入射面307に集光、入射する。 Light from the LED 301 that emits green light in the first light source unit 300 is emitted as substantially parallel light by a condensing lens 302 having a light emitting surface of the LED at a focal position, and is reflected by a blue reflecting dichroic mirror 303 and a red reflecting dichroic mirror. The light passes through 304 and is condensed and incident on the incident surface 307 of the auxiliary rod integrator 306 by the condenser lens 305. Light from the LED 308 that emits blue light is emitted as substantially parallel light by the condenser lens 309 having the light emitting surface of the LED at the focal position, reflected by the blue reflecting dichroic mirror 303, and transmitted through the red reflecting dichroic mirror 304. The light is condensed and incident on the incident surface 307 of the auxiliary rod integrator 306 by the condenser lens 305 in the same manner as the green light. Light from the LED 310 that emits red light is emitted as substantially parallel light by a condensing lens 311 having a light emitting surface of the LED at a focal position, reflected by a red reflecting dichroic mirror 304, and auxiliary rod integrator by a condensing lens 305. The light is condensed and incident on the incident surface 307 of 306.
前記補助ロッドインテグレータ306は前記補助ロッドインテグレータ211,212と同様な平行に入出射面を備えた光学ガラス製の6面体であり、前記入出射面は他の面と傾いて設定されている。その傾きは入射面307に基準光軸312に沿って入射する光の大部分を側面で全反射するように、また合成ロッドインテグレータ313の出射光線角度が補助ロッドインテグレータ306の入射光線角度と等しくなるように、補助ロッドインテグレータ出射端面の全反射を利用できる角度で設置されている。前述の実施の形態と同様に最も自由度のあるθi=45°に設定している。 The auxiliary rod integrator 306 is an optical glass hexahedron having input / output surfaces parallel to the auxiliary rod integrators 211 and 212, and the input / output surfaces are set to be inclined with respect to other surfaces. The inclination is such that most of the light incident on the incident surface 307 along the reference optical axis 312 is totally reflected on the side surface, and the outgoing ray angle of the composite rod integrator 313 is equal to the incident ray angle of the auxiliary rod integrator 306. As described above, the auxiliary rod integrator is installed at an angle at which total reflection of the emission end face of the auxiliary rod integrator can be used. Similar to the above-described embodiment, θi = 45 °, which is the most flexible, is set.
合成ロッドインテグレータ313はガラスの四角柱であり、入射光はこの内面で全反射を繰り返し出射面315から出射される。 The synthetic rod integrator 313 is a glass quadrangular prism, and incident light is totally reflected on the inner surface and emitted from the emission surface 315.
第2の光源部316は第1の光源部300と同様な構成なので詳細な説明は割愛する。 Since the second light source unit 316 has the same configuration as that of the first light source unit 300, a detailed description thereof is omitted.
上記構成に於いて各LEDは図にはない駆動回路により緑、赤、青と色毎に点灯する。このようにすることで合成ロッドインテグレータ313の出射面315からの出射光により単色毎の照明を可能にする。上記LEDをすべて駆動して白色光で照明することも、出力を調整してその他の色出力も可能である。 In the above configuration, each LED is lit for each color of green, red, and blue by a driving circuit not shown. By doing in this way, the illumination for every single color is enabled by the outgoing light from the outgoing surface 315 of the synthetic rod integrator 313. All the LEDs can be driven to illuminate with white light, or the output can be adjusted for other color outputs.
この照明位置に前述の画像表示装置、投写レンズを配置し、画像表示装置の駆動期間をLEDの発光色に期間と同期を取ることでカラー表示を行うことが可能となる。 By arranging the above-described image display device and projection lens at this illumination position and synchronizing the drive period of the image display device with the light emission color of the LED, color display can be performed.
ここでも実施の形態1にある、入射面と出射面は直交する関係にある補助ロッドインテグレータにおいても同様の構成を取ることが可能なことは言うまでもない。 Here, it goes without saying that the same configuration can be adopted also in the auxiliary rod integrator in Embodiment 1 in which the entrance surface and the exit surface are orthogonal to each other.
また、LEDに換えて高圧水銀灯などの白色光源とし、合成ロッドインテグレータ313の出射面315の近傍に透過する色光を順次切り替え可能なカラーホイールを配置して同様にカラー表示可能な装置を提供可能なことは明らかである。 In addition, a white light source such as a high-pressure mercury lamp can be used in place of the LED, and a color wheel capable of sequentially switching the color light transmitted in the vicinity of the emission surface 315 of the composite rod integrator 313 can be arranged to provide a device capable of performing color display in the same manner. It is clear.
(実施の形態3)
図7は本発明の実施の形態3における多灯合成装置を示す構成図である。
(Embodiment 3)
FIG. 7 is a block diagram showing a multi-lamp combining device according to Embodiment 3 of the present invention.
実施の形態2と異なる点は補助ロッドインテグレータを1本としている点である。補助ロッドインテグレータは各光源からの光路あるいは構成する部品同士の干渉をさける目的で備えられているものであるので、図6の様に1つの補助ロッドインテグレータでその目的が達成できるので有れば、効率、コスト面からこの構成の選択も可能である。 The difference from the second embodiment is that there is one auxiliary rod integrator. Since the auxiliary rod integrator is provided for the purpose of avoiding interference between the optical paths from the respective light sources or the constituent parts, as long as the purpose can be achieved with one auxiliary rod integrator as shown in FIG. This configuration can also be selected in terms of efficiency and cost.
ここで補助ロッドインテグレータは入射面と出射面を平行な構成としたが、垂直な関係にある実施の形態1での補助ロッドインテグレータを1本使う形態でも構成可能なことは言うまでもない。 Here, the auxiliary rod integrator has a configuration in which the entrance surface and the exit surface are parallel to each other, but it goes without saying that the auxiliary rod integrator can be configured to use one auxiliary rod integrator according to Embodiment 1 which is in a vertical relationship.
また、実施の形態1での1)、2)の関係、θi=45°で他の要素の自由度が最も大きくなる点などは補助ロッドインテグレータ1つ使いでも同じように有効である。 In addition, the relationship of 1) and 2) in the first embodiment, the point that the degree of freedom of other elements becomes the largest when θi = 45 °, and the like are also effective in the case of using one auxiliary rod integrator.
(実施の形態4)
上記実施の形態1、2、3では光源部を2つ備えた構成であったが図8,9の様に合成ロッドインテグレータ118に対し平行な入出射面とそれに傾いてなる4つの面から成る4つの補助ロッドインテグレータ401,402,403,404、又は405,406,407,408を用いて図にはない4つの光源部からの光を合成することが可能となる。
(Embodiment 4)
In the first, second, and third embodiments, the configuration includes two light source units. However, as shown in FIGS. 8 and 9, it is composed of an incident / exit surface parallel to the synthetic rod integrator 118 and four surfaces inclined thereto. Using four auxiliary rod integrators 401, 402, 403, 404, or 405, 406, 407, 408, it is possible to synthesize light from four light source units not shown.
このとき、前記補助ロッドインテグレータ401,402,403,404や、405,406,407,408の出射面の面積合計は合成ロッドインテグレータ118の入射面の面積に等しいことは言うまでもない。 At this time, it goes without saying that the total area of the exit surfaces of the auxiliary rod integrators 401, 402, 403, 404 and 405, 406, 407, 408 is equal to the area of the entrance surface of the composite rod integrator 118.
ここで合成ロッドインテグレータ118に2方向について斜めに補助ロッドインテグレータを用いているが、このときは各方向での角度を合成した角度で実施の形態1での1)、2)の関係を満足させることが望ましいことは言うまでもない。 Here, the auxiliary rod integrator is used obliquely in two directions for the composite rod integrator 118. At this time, the angles 1) and 2) in the first embodiment are satisfied by the angle obtained by combining the angles in each direction. It goes without saying that it is desirable.
ここでも補助ロッドインテグレータは入射面と出射面が、垂直な関係にある実施の形態1での補助ロッドインテグレータを使う形態でも構成可能なことは明らかである。 Also here, it is obvious that the auxiliary rod integrator can be configured in a form using the auxiliary rod integrator in the first embodiment in which the incident surface and the outgoing surface are perpendicular to each other.
これと同じ考え方でこの他の補助ロッドインテグレータの本数を備えた構成でも応用可能である。 The same idea can be applied to a configuration having the number of other auxiliary rod integrators.
以上のように本発明によれば、全反射のみで光を導くことが可能であるため途中反射面での吸収損失を押さえて高効率かつコスト的にも有利な装置を提供することが出来る。 As described above, according to the present invention, since light can be guided only by total reflection, it is possible to provide an apparatus that is highly efficient and advantageous in terms of cost by suppressing absorption loss on the reflection surface.
本発明は複数の光源を用いた照明装置や、投写型表示装置に利用することが出来るものである。 The present invention can be used for an illumination device using a plurality of light sources and a projection display device.
100 実施の形態の多灯式照明装置
101、300 第1の光源部
102、105 LED光源
103、106、302、305、309、311、318、321、324、326 集光レンズ
104、316 第2の光源部
107、108 LED光源部の集光位置
109、110、209、210 LED光源部の基準光軸
111,112、211、212、306、322 補助ロッドインテグレータ
113、114、213、214、307 補助ロッドインテグレータの入射面
115a、215a 補助ロッドインテグレータの入射面に対向する斜面
115b 補助ロッドインテグレータの115aに平行な斜面
116、117 補助ロッドインテグレータの出射面
118、313 合成ロッドインテグレータ
119、314 合成ロッドインテグレータの入射面
120、315 合成ロッドインテグレータの出射面
201 リレーレンズ
202 フィールドレンズ
203 液晶パネル
204 投写レンズ
215b 補助ロッドインテグレータの215aに平行な斜面
301、317 緑用LED光源
308、323 青用LED光源
310、325 赤用LED光源
303、319 青反射ダイクロイックミラー
304、320 赤反射ダイクロイックミラー
401〜408 4灯用補助ロッドインテグレータ
40 光源手段
41a、41b 第1、第2の光源
42a、42b 第1、第2の発光体
43a、43b 第1、第2の放物面鏡
44a、44b 略平行光束
45a、45b 方位軸
46 光束合成手段
47 第1の光学素子
48a、48b 第2の光学素子
49 光出射面
50 光軸
51 ロッドインテグレータ
52 光伝達手段
53 第1のレンズ系
61、62、64、65、66 追加ロッド
67、68 統合ロッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Multi-lamp type illuminating device 101, 300 1st light source part 102, 105 LED light source 103, 106, 302, 305, 309, 311, 318, 321, 324, 326 Condensing lens 104, 316 2nd LED light source unit 107, 108 LED light source unit condensing position 109, 110, 209, 210 LED light source unit reference optical axis 111, 112, 211, 212, 306, 322 Auxiliary rod integrator 113, 114, 213, 214, 307 Incident surface 115a, 215a of the auxiliary rod integrator Slope 115b facing the incident surface of the auxiliary rod integrator 115b Slope parallel to 115a of the auxiliary rod integrator 116, 117 Emission surface of the auxiliary rod integrator 118, 313 Synthetic rod integrator 119, 314 Synthetic rod Incident surface 120, 315 Combining rod integrator exit surface 201 Relay lens 202 Field lens 203 Liquid crystal panel 204 Projection lens 215b Slope parallel to 215a of auxiliary rod integrator 301, 317 Green LED light source 308, 323 Blue LED light source 310 325 Red LED light source 303, 319 Blue reflective dichroic mirror 304, 320 Red reflective dichroic mirror 401-408 Four-light auxiliary rod integrator 40 Light source means 41a, 41b First and second light sources 42a, 42b First, second Light emitters 43a, 43b first and second parabolic mirrors 44a, 44b substantially parallel light beams 45a, 45b azimuth axis 46 light beam combining means 47 first optical elements 48a, 48b second optical elements 49 light emitting surface 50 light 51 the rod integrator 52 the light transmitting means 53 first lens system 61,62,64,65,66 additional rods 67 and 68 integrated rod
Claims (7)
前記複数の補助ロッドインテグレータからの出射光を集光する合成ロッドインテグレータと、を備えたことを特徴とする照明装置。 A plurality of light source, and a plurality of auxiliary rod integrators provided corresponding to the plurality of light sources, respectively, for guiding the radiated light incident from the plurality of light sources to a predetermined optical path;
An illumination device comprising: a synthetic rod integrator that collects light emitted from the plurality of auxiliary rod integrators.
|n1SIN(2θi−π/2+SIN-1((SIN(θc))/n1)|<1
の関係が成り立つことを特徴とする請求項2記載の照明装置。 The optical axis from the light source and the angle formed by the optical axis from the light source to the inclined surface with respect to the incident / exiting surface of the auxiliary rod integrator and the perpendicular of the inclined surface is θi, and the light and light source of the outermost effective light from the light source When the angle θc formed in the air with the optical axis and the refractive index of the auxiliary rod integrator material are n1,
| N1SIN (2θi−π / 2 + SIN −1 ((SIN (θc)) / n1) | <1
The lighting device according to claim 2, wherein:
n1SIN(θi−SIN-1(SIN(−θc))/n1))>1
の関係が成り立つことを特徴とする請求項2記載の照明装置。 The optical axis from the light source and the angle formed by the optical axis from the light source to the inclined surface with respect to the incident / exiting surface of the auxiliary rod integrator and the perpendicular of the inclined surface is θi, and the light and light source of the outermost effective light from the light source When the angle θc formed in the air with the optical axis and the refractive index of the auxiliary rod integrator material are n1,
n1SIN (θi−SIN −1 (SIN (−θc)) / n1))> 1
The lighting device according to claim 2, wherein:
前記照明光が入射され映像信号に応じた入射光の変調を行う画像表示素子と、
前記画像表示素子で変調された光をスクリーン上に投写する投写レンズとを備えたことを特徴とする投写型表示装置。 The lighting device according to any one of claims 1 to 6,
An image display element that modulates incident light according to a video signal when the illumination light is incident;
A projection display device, comprising: a projection lens that projects light modulated by the image display element onto a screen.
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