JP2012164639A - Lighting device and lighting system - Google Patents

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Koji Miyauchi
恒治 宮内
Shigenori Otani
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lighting device using an LED element as a light source, in which light utilization efficiency is improved without making the device large in size and bright illumination can be obtained with a compact structure.SOLUTION: The lighting device has an LED element 1, an elliptical reflector 5, and a flat mirror 4, and light reflected by the flat mirror 4 is condensed to the converging point F2'. When an axis passing the center of the LED element 1 and the converging point F2' is made a lighting system optical axis z, the elliptical reflector 5 has an opening o1 of a circular shape with a prescribed diameter having the lighting system optical axis z as a center, and is arranged directing the reflection surface of the elliptical reflector 5 toward the rear side in the lighting system optical axis z direction. Further, the flat mirror 4 is arranged on the rear side of the LED element 1, and light reflected by the elliptical reflector 5 out of the light emitted from the LED element 1 is reflected by the flat mirror 4 and passes through the opening o1, and is condensed toward the converging point F2'.

Description

本発明は、照明装置に及び照明システムに関し、より具体的には、LED素子を使用して照明光を生成する照明装置と、投射型表示装置の照明用として好適な照明システムに関する。   The present invention relates to an illuminating device and an illuminating system, and more specifically to an illuminating device that generates illuminating light using an LED element, and an illuminating system suitable for illumination of a projection display device.

投射型表示装置の照明用に使用される照明装置として、LED素子を光源としたものがある。LED素子から出射する光は拡散光であり、通常、リフレクタや集光レンズなどを用いてLED素子からの光を集光し、光利用効率を高めて明るい投射画像を得るようにしている。   As an illumination device used for illumination of a projection display device, there is one using an LED element as a light source. The light emitted from the LED element is diffused light. Usually, the light from the LED element is condensed using a reflector, a condensing lens, or the like, so that the light utilization efficiency is improved and a bright projection image is obtained.

このような照明装置に関し、例えば、特許文献1には、LED素子を使用した光源と、楕円鏡と、コリメータレンズとを具備し、楕円鏡における第1焦点および第2焦点のそれぞれの位置に、コリメータレンズの物点と像点とを配置させるようにした照明装置が開示されている。
この照明装置では、LED素子から発光した光のうち、LED素子の頂点方向寄り(照明系光軸方向寄り)の光は、1つの集光レンズによって集光させている。また、LED素子の外周方向寄りの光は、楕円リフレクタ(回転体)で反射させ、上記の集光レンズによる集光点と同一位置に集光させている。
Regarding such an illuminating device, for example, Patent Document 1 includes a light source using an LED element, an elliptical mirror, and a collimator lens, and at the positions of the first focal point and the second focal point in the elliptical mirror, An illumination device is disclosed in which an object point and an image point of a collimator lens are arranged.
In this illuminating device, of the light emitted from the LED element, the light near the apex direction of the LED element (near the illumination system optical axis direction) is condensed by one condenser lens. Moreover, the light near the outer peripheral direction of the LED element is reflected by an elliptical reflector (rotating body) and condensed at the same position as the condensing point by the condenser lens.

また、特許文献2には、光源とリフレクタとを備え、光源からリフレクタを介さずに被照明領域外に向かって照射する光を光源側に戻すほぼ球形の円形リフレクタを配置した照明光学系が開示されている。この照明光学系には、リフレクタを介して被照明領域外を照明する光を光源側に戻す平面ミラーまたはほぼ球形のサブリフレクタが配置される。   Patent Document 2 discloses an illumination optical system that includes a light source and a reflector, and includes a substantially spherical circular reflector that returns light emitted from the light source to the outside of the illuminated area without going through the reflector. Has been. This illumination optical system is provided with a plane mirror or a substantially spherical sub-reflector that returns light illuminating the outside of the illuminated area via the reflector to the light source side.

また、特許文献3には、回転楕円鏡、光源、球面鏡、およびコンデンサレンズからなる照明装置が開示されている。回転楕円鏡は、照明対象物以外を照射する光の反射部分が欠除している。そして光源から欠除部分に向かう光が、光源からみて欠除部分の後側にある球面鏡に反射して、欠除部分とは反対側の回転楕円鏡で再び反射して照明対象物を照明する。   Patent Document 3 discloses an illumination device including a spheroid mirror, a light source, a spherical mirror, and a condenser lens. The spheroid mirror lacks a reflective portion of light that irradiates light other than the illumination target. The light traveling from the light source toward the missing portion is reflected by the spherical mirror on the rear side of the missing portion when viewed from the light source, and is reflected again by the spheroid mirror on the side opposite to the missing portion to illuminate the object to be illuminated. .

上記特許文献2,3のいずれにおいても、楕円リフレクタの楕円第1焦点に配置された光源から発光された光のうち、後方寄りに発光された光は楕円リフレクタで反射されて楕円第2焦点に集光する。また、光源の前方寄り(照明系光軸方向寄り)に発光した光は、球面リフレクタによって一度光源に戻り、光源を透過して楕円リフレクタに進行し、楕円リフレクタで反射して楕円第2焦点で集光する。これにより、楕円第2焦点では、光源から前側へ発光された光によって光線角度の小さい成分が多くなるようにすることで、光利用効率を向上させることを意図している。   In both Patent Documents 2 and 3, among the light emitted from the light source arranged at the elliptical first focal point of the elliptical reflector, the light emitted backward is reflected by the elliptical reflector and becomes the elliptical second focal point. Condensate. Also, the light emitted toward the front of the light source (near the illumination system optical axis direction) returns to the light source once by the spherical reflector, passes through the light source, travels to the elliptical reflector, is reflected by the elliptical reflector, and is reflected at the second focal point of the ellipse. Condensate. Thereby, in the ellipse second focus, the light use efficiency is intended to be improved by increasing the component having a small light beam angle by the light emitted forward from the light source.

特開2005−91383号公報JP 2005-91383 A 特開平5−264904号公報JP-A-5-264904 特開平6−250288号公報JP-A-6-250288

特許文献1の照明装置は、LED素子の発光部のサイズ(物像)に比して、楕円リフレクタで反射して楕円第2焦点で集光するサイズ(結像サイズ)は小さい。
ここで、集光レンズは、光源からの光を透過して楕円第2焦点と同じ位置で結像させるようにその仕様が設計されているが、集光レンズを透過した光線による結像サイズが、楕円リフレクタ経路の光線による結像サイズよりかなり大きくなってしまう。そのため、光線の経路によって、楕円第2焦点(集光点)での集光サイズにかなりの差が生じ、集光点以降の光学系での光利用効率が悪化してしまう。
The illumination device of Patent Document 1 has a smaller size (imaging size) that is reflected by the elliptical reflector and condensed at the second focal point of the ellipse than the size (object image) of the light emitting portion of the LED element.
Here, the specification of the condensing lens is designed so that the light from the light source is transmitted and imaged at the same position as the second focal point of the ellipse. The size of the image formed by the light beam in the elliptical reflector path is considerably larger. For this reason, a considerable difference occurs in the condensing size at the elliptical second focal point (condensing point) depending on the path of the light beam, and the light use efficiency in the optical system after the condensing point is deteriorated.

一方、特許文献2、3の照明系は、光源として高圧放電ランプを用いるものであって、LED素子を光源とした照明系には適用することはできない。これは、高圧放電ランプの配光分布とLED素子光源の配光分布とが全く異なるためである。高圧放電ランプとLED素子光源の配光分布の状態を以下に説明する。   On the other hand, the illumination systems of Patent Documents 2 and 3 use a high-pressure discharge lamp as a light source, and cannot be applied to an illumination system using an LED element as a light source. This is because the light distribution of the high-pressure discharge lamp is completely different from the light distribution of the LED element light source. The state of the light distribution of the high pressure discharge lamp and the LED element light source will be described below.

図10は、高圧放電ランプを使用した照明系の構成例を模式的に示す図で、図中、100は高圧放電ランプ、101は発光部、102は電極、103はガラス封体、104は楕円リフレクタである。図6に示すように、高圧放電ランプ100は、その照明系光軸zに対して垂直方向に多く配光分布Sを持つものとなっている。配光分布Sは、発光方向に応じた発光強度の大きさを現している。
ここでは、照明系光軸zに直交し発光部101を通る軸をx軸とするとき、高圧放電ランプ100からの配光角度θは、x軸に対して最大約50°となっている。またこのような配光は、z軸の周りに360°分布している。
FIG. 10 is a diagram schematically showing a configuration example of an illumination system using a high-pressure discharge lamp, in which 100 is a high-pressure discharge lamp, 101 is a light emitting unit, 102 is an electrode, 103 is a glass envelope, and 104 is an ellipse. It is a reflector. As shown in FIG. 6, the high-pressure discharge lamp 100 has a large light distribution S in the direction perpendicular to the illumination system optical axis z. The light distribution S represents the intensity of light emission according to the light emission direction.
Here, when the axis orthogonal to the illumination system optical axis z and passing through the light emitting unit 101 is the x-axis, the light distribution angle θ from the high-pressure discharge lamp 100 is about 50 ° at the maximum with respect to the x-axis. Such light distribution is distributed 360 ° around the z-axis.

図11は、特許文献2、3に示される照明系を模式的に示す図で、高圧放電ランプ120の後方側と前方側にそれぞれ楕円リフレクタ123と球面リフレクタ124とを設けた構成を示している。高圧放電ランプ120の発光部121は、楕円リフレクタ123の楕円第1焦点F1の位置に配置されている。また、第1焦点F1の位置は、球面リフレクタ124の円の中心位置にも一致している。   FIG. 11 is a diagram schematically showing the illumination system disclosed in Patent Documents 2 and 3, and shows a configuration in which an elliptical reflector 123 and a spherical reflector 124 are provided on the rear side and the front side of the high-pressure discharge lamp 120, respectively. . The light emitting part 121 of the high pressure discharge lamp 120 is disposed at the position of the elliptical first focal point F1 of the elliptical reflector 123. Further, the position of the first focus F1 also coincides with the center position of the circle of the spherical reflector 124.

発光部121から発光した光のうち、楕円リフレクタ123で反射した光は、楕円第2焦点F2に集光する。また、高圧放電ランプ120の前方に配置された球面リフレクタ124で反射した光は、一度高圧放電ランプ120の発光部121に戻り、高圧放電ランプ120を透過した後、楕円リフレクタ123で再度反射して楕円第2焦点F2に集光する。   Of the light emitted from the light emitting unit 121, the light reflected by the elliptical reflector 123 is collected at the elliptical second focal point F2. The light reflected by the spherical reflector 124 disposed in front of the high-pressure discharge lamp 120 returns to the light-emitting portion 121 of the high-pressure discharge lamp 120 once, passes through the high-pressure discharge lamp 120, and is reflected again by the elliptical reflector 123. Condensed to the elliptical second focal point F2.

発光部121は1対のランプ電極122の間にあり、ここには障害物がないため、一度発光した光を発光部121に戻すことにより発光部121を透過させることができ、これを楕円リフレクタ123で反射させて第2焦点F2に集光させることで、第2焦点F2における光線角度を小さくすることができる。   Since the light emitting unit 121 is located between the pair of lamp electrodes 122 and there is no obstacle here, the light emitted from the light emitting unit 121 can be transmitted by returning the light once emitted to the light emitting unit 121, and this is reflected by the elliptical reflector. The light beam angle at the second focal point F2 can be reduced by reflecting at 123 and condensing at the second focal point F2.

図12は、LED素子を光源としたときの配光分布を模式的に示す図で、図中、110はLED素子、111はLED素子基板である。
図10及び図11の例では、光源として高圧放電ランプを使用していたため、前方に配置した球面リフレクタで光を反射させ、高圧放電ランプを透過させて再度反射させることで光利用効率を高めるようにしていた。これに対して、光源としてLED素子110を使用した場合、LED素子110の配光分布Sは、照明系光軸zを中心として完全拡散発光する。このときに照明系光軸zに対する配光角度θは、最大約90°である。このような配光は、z軸の周りに360°分布している。
FIG. 12 is a diagram schematically showing a light distribution when an LED element is used as a light source. In the figure, 110 is an LED element, and 111 is an LED element substrate.
In the example of FIGS. 10 and 11, since the high-pressure discharge lamp is used as the light source, the light utilization efficiency is improved by reflecting the light with the spherical reflector arranged in front and transmitting the high-pressure discharge lamp again to reflect it. I was doing. On the other hand, when the LED element 110 is used as the light source, the light distribution S of the LED element 110 emits completely diffuse light around the illumination system optical axis z. At this time, the light distribution angle θ with respect to the illumination system optical axis z is about 90 ° at the maximum. Such light distribution is distributed 360 ° around the z-axis.

このような特性を有するLED素子110を上記図11のような高圧放電ランプを用いた構成に適用したとしても、球面リフレクタ124で反射した光は、LED素子基板111上に設けたLED素子110を透過することはできない。
つまり、LED素子を光源とする照明装置を構成しようとする場合、高圧放電ランプ用の照明装置を適用することはできない。従って、LED素子を光源とする独自の構成をもった照明装置が必要となる。このときに、装置を大型化することなく、光利用効率を向上させて明るい照明を行うことができる照明装置が求められる。また、投射型表示装置を照明する照明システムでは、上記のような照明装置を複数(通常、RGB用として3つ)備えているため、照明システム全体においても、コンパクトで光利用効率の高いシステムが求められる。
Even when the LED element 110 having such characteristics is applied to the configuration using the high-pressure discharge lamp as shown in FIG. 11, the light reflected by the spherical reflector 124 passes through the LED element 110 provided on the LED element substrate 111. It cannot penetrate.
That is, when it is going to comprise the illuminating device which uses a LED element as a light source, the illuminating device for high pressure discharge lamps cannot be applied. Therefore, an illuminating device having a unique configuration using an LED element as a light source is required. At this time, there is a demand for an illumination device that can perform bright illumination with improved light utilization efficiency without increasing the size of the device. In addition, since the illumination system that illuminates the projection display device includes a plurality of illumination devices as described above (usually, three for RGB), there is a compact and highly efficient light utilization system in the entire illumination system. Desired.

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、LED素子を光源とする照明装置において、装置を大型化することなく光利用効率を向上させることにより、コンパクトな構成で明るい照明を行うことができるようにした照明装置と、該照明装置を使用した投射型表示装置の照明用の照明システムを提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a lighting device using an LED element as a light source, the light utilization efficiency is improved without increasing the size of the device, thereby performing bright illumination with a compact configuration. It is an object of the present invention to provide an illuminating device which can be used, and an illumination system for illumination of a projection display device using the illuminating device.

上記課題を解決するために、本発明の第1の技術手段は、LED素子と、該LED素子から出射した光を反射する楕円回転体よりなる楕円リフレクタと、該楕円リフレクタで反射した光を再度反射させるミラー部材とを有し、該ミラー部材で反射した光を集光点に向けて集光させる照明装置であって、前記LED素子の中心と前記集光点とを通る軸を照明系光軸とするとき、前記楕円リフレクタは、楕円の少なくとも一部の形状を前記照明系光軸を中心として回転させた形状の反射面を備えるともに、前記照明系光軸を中心とした所定径の円形の開口を有し、前記反射面を前記照明系光軸方向の後方側に向けて配置され、 前記ミラー部材は、前記LED素子の前記照明系光軸方向の後方側に配置され、前記LED素子から出射した光のうち、前記楕円リフレクタで反射した光は、前記ミラー部材で反射して、前記開口を通過して前記集光点に向かって集光することを特徴としたものである。   In order to solve the above-described problem, the first technical means of the present invention includes an LED element, an elliptic reflector made of an elliptic rotating body that reflects light emitted from the LED element, and light reflected by the elliptic reflector again. An illumination device for reflecting light reflected by the mirror member toward a condensing point, the illumination system light having an axis passing through the center of the LED element and the condensing point When the axis is an axis, the elliptical reflector includes a reflecting surface having a shape obtained by rotating at least a part of the shape of the ellipse around the illumination system optical axis, and has a circular shape with a predetermined diameter around the illumination system optical axis. And the reflective surface is disposed toward the rear side in the illumination system optical axis direction, and the mirror member is disposed on the rear side in the illumination system optical axis direction of the LED element, and the LED element. Out of the light emitted from The light reflected by the elliptical reflector is reflected by the mirror member, towards said focal point through said aperture is obtained characterized by collecting light.

第2の技術手段は、第1の技術手段において、前記ミラー部材は、反射面が平面形状である平面ミラーであり、前記LED素子は、前記楕円リフレクタの楕円の第1焦点位置に配置され、前記楕円リフレクタは、前記LED素子から出射した光を前記楕円の第2焦点位置に集光する形状に形成され、前記ミラー部材の反射面は、前記照明系光軸に対して垂直に設けられ、前記集光点は、前記ミラー部材の反射面を対称面とするとき、前記第2焦点位置の面対称の位置に相当する位置であることを特徴としたものである。   A second technical means is the first technical means, wherein the mirror member is a flat mirror having a reflective surface in a planar shape, and the LED element is disposed at a first focal position of an ellipse of the elliptical reflector, The elliptical reflector is formed in a shape for condensing the light emitted from the LED element at the second focal position of the ellipse, and the reflection surface of the mirror member is provided perpendicular to the illumination system optical axis, The condensing point is a position corresponding to a plane-symmetrical position of the second focal position when the reflecting surface of the mirror member is a symmetrical plane.

第3の技術手段は、第1または第2の技術手段において、前記LED素子から出射した光のうち、前記LED素子から前記開口の内部に向かう光の少なくとも一部に作用し、前記集光点に集光させる集光レンズを有することを特徴としたものである。   A third technical means acts on at least a part of the light emitted from the LED element toward the inside of the opening among the light emitted from the LED element in the first or second technical means, and the condensing point. And a condensing lens for condensing the light.

第4の技術手段は、第1〜第3のいずれか1の技術手段において、前記LED素子から出射した光のうち、前記LED素子から前記開口の内部に向かう光の少なくとも一部に作用するロッドレンズを有し、該ロッドレンズは、前記平面ミラーで反射して前記集光点に向かう光が入射する位置に配置されていることを特徴としたものである。   The fourth technical means is the rod that acts on at least part of the light emitted from the LED element toward the inside of the opening in the light emitted from the LED element in any one of the first to third technical means. The rod lens has a lens, and is arranged at a position where light that is reflected by the flat mirror and goes toward the condensing point is incident.

第5の技術手段は、第1の技術手段において、前記ミラー部材は、前記照明系光軸を含む面上に形成した双曲線を、前記照明系光軸を中心に回転させてなる反射面を有する双曲線ミラーであり、前記LED素子は、前記楕円リフレクタの楕円の第1焦点位置に配置され、前記楕円リフレクタは、前記LED素子から出射した光を前記楕円の第2焦点位置に集光する形状に形成され、前記ミラー部材の反射面を形成する双曲線が有する2つの曲線と2つの焦点の位置関係において、前記集光点は、前記ミラー部材の反射面を形成する曲線に近い第1焦点ではなく、他方の曲線に近い第2焦点に一致していることを特徴としたものである。   According to a fifth technical means, in the first technical means, the mirror member has a reflecting surface formed by rotating a hyperbola formed on a surface including the illumination system optical axis around the illumination system optical axis. A hyperbolic mirror, wherein the LED element is disposed at a first focal position of the ellipse of the elliptical reflector, and the elliptical reflector is configured to condense light emitted from the LED element at a second focal position of the ellipse. In the positional relationship between the two curves and the two focal points of the hyperbola formed and forming the reflecting surface of the mirror member, the condensing point is not the first focal point close to the curve forming the reflecting surface of the mirror member. The second focal point is close to the other curve.

第6の技術手段は、第5の技術手段において、前記楕円リフレクタの反射面は、前記照明系光軸を含む面上で、前記照明系光軸を挟む両側の領域のうち一方の領域で規定した楕円形状の一部を、前記照明系光軸を中心として回転させた回転体として形成され、前記楕円形状の一部を形成する楕円の第2焦点の位置は、前記照明系光軸からずれていることを特徴としたものである。   According to a sixth technical means, in the fifth technical means, the reflection surface of the elliptical reflector is defined by one of the regions on both sides of the illumination system optical axis on the surface including the illumination system optical axis. A part of the elliptical shape is formed as a rotating body rotated about the illumination system optical axis, and the position of the second focal point of the ellipse forming the part of the elliptical shape is shifted from the optical axis of the illumination system. It is characterized by being.

第7の技術手段は、第6の技術手段において、前記双曲線ミラーの反射面は、前記照明系光軸を含む面上で、前記照明系光軸を挟む両側の領域のうち一方の領域で規定した双曲線形状の一部を、前記照明系光軸を中心として回転させた回転体として形成され、前記双曲線形状の一部を形成する双曲線の前記第1焦点と、前記楕円形状の一部を形成する楕円の第2焦点とが一致し、前記双曲線の第2焦点が前記照明系光軸上に位置していることを特徴としたものである。   According to a seventh technical means, in the sixth technical means, the reflecting surface of the hyperbolic mirror is defined by one of the regions on both sides of the illumination system optical axis on the surface including the illumination system optical axis. A part of the hyperbola is formed as a rotating body that is rotated about the optical axis of the illumination system, and forms the first focal point of the hyperbola that forms part of the hyperbola and the part of the ellipse. The second focal point of the ellipse coincides with the second focal point of the hyperbola and is located on the optical axis of the illumination system.

第8の技術手段は、第1〜第7のいずれか1の技術手段において、前記ミラー部材の前記照明系光軸方向の後方に、前記LED素子を搭載するLED素子基板を有し、前記LED素子は、前記LED素子基板に設けられたLED素子台座上に設置され、前記ミラー部材は、前記楕円リフレクタで反射した光を前記開口を通して前記集光点に集光させる位置に設置されていることを特徴としたものである。   The eighth technical means includes the LED element substrate on which the LED element is mounted behind the mirror member in the illumination system optical axis direction in any one of the first to seventh technical means, and the LED The element is installed on an LED element base provided on the LED element substrate, and the mirror member is installed at a position for condensing the light reflected by the elliptical reflector to the condensing point through the opening. It is characterized by.

第9の技術手段は、第1〜第8のいずれか1の技術手段の照明装置を複数有し、該複数の照明装置から出射した光のそれぞれに集光作用を与える複数の第1の集光レンズと、該複数の第1の集光レンズを出射した光を合成するクロスダイクロイックプリズムとを備えることを特徴とした照明システムである。   The ninth technical means includes a plurality of illumination devices according to any one of the first to eighth technical means, and a plurality of first collections for condensing each of the light emitted from the plurality of illumination devices. An illumination system comprising: an optical lens; and a cross dichroic prism that combines light emitted from the plurality of first condenser lenses.

第10の技術手段は、第9の技術手段において、前記クロスダイクロイックプリズムで合成した光の出射光路上に、第2の集光レンズを備えることを特徴としたものである。   A tenth technical means is characterized in that, in the ninth technical means, a second condenser lens is provided on an outgoing light path of the light synthesized by the cross dichroic prism.

第11の技術手段は、第9の技術手段において、前記クロスダイクロイックプリズムで合成した光の出射光路上に、フライアイレンズを備えることを特徴としたものである。   The eleventh technical means is characterized in that, in the ninth technical means, a fly-eye lens is provided on the outgoing light path of the light synthesized by the cross dichroic prism.

本発明によれば、LED素子を光源とする照明装置において、装置を大型化することなく光利用効率を向上させることにより、コンパクトな構成で明るい照明を行うことができるようにした照明装置と、該照明装置を使用した投射型表示装置の照明用の照明システムを提供することができる。   According to the present invention, in an illuminating device using an LED element as a light source, by improving light utilization efficiency without increasing the size of the illuminating device, it is possible to perform bright illumination with a compact configuration, An illumination system for illuminating a projection display device using the illumination device can be provided.

本発明による照明装置の一実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one Embodiment of the illuminating device by this invention. 本発明に係る照明システムの一実施形態を示す図である。It is a figure which shows one Embodiment of the illumination system which concerns on this invention. 本発明に係る照明システムの第2の実施形態を示す図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the illumination system which concerns on this invention. 本発明による照明装置の第2の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 2nd Embodiment of the illuminating device by this invention. 本発明による照明装置の第3の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 3rd Embodiment of the illuminating device by this invention. 本発明による照明装置の第4の実施形態を示す図である。It is a figure which shows 4th Embodiment of the illuminating device by this invention. 本発明に係る照明システムの他の実施形態を示す図で、第4の実施形態の照明装置を使用した投射型表示装置の構成例を示すものである。It is a figure which shows other embodiment of the illumination system which concerns on this invention, and shows the structural example of the projection type display apparatus which uses the illuminating device of 4th Embodiment. 本発明による照明装置の第5の実施形態を示す図である。It is a figure which shows 5th Embodiment of the illuminating device by this invention. 双曲線ミラーに適用する双曲線の性質について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the property of the hyperbola applied to a hyperbola mirror. 高圧放電ランプを使用した照明系の構成例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structural example of the illumination system which uses a high pressure discharge lamp. 特許文献2,3に示される照明系を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the illumination system shown by patent document 2, 3. FIG. LED素子を光源としたときの配光分布を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the light distribution when a LED element is used as a light source.

図1は、本発明による照明装置の一実施形態の構成を示す図で、図中、1はLED素子、2はLED素子台座、3はLED素子基板、4は平面ミラー、5は楕円リフレクタ、10は照明装置である。平面ミラー4は、本発明のミラー部材の一形態に相当するもので、反射面が平面形状を有するミラー部材である。
なお、2はLED素子台座と呼称しているが、LED素子基板3からLED素子1の発光部まで所要の高さを稼ぐための手段であり、寸法によってはLED素子1のままでも形成でき、そのままで形成できない場合は別の方法でLED素子1の発光部まで高さを稼ぐ必要があるが、本発明ではその手段については問わない。
また、LED素子1の中心の鉛直方向軸を照明系光軸zとし、LED素子1から発光される光の進行方向を照明系光軸zからのなす角度αで定義する。照明系光軸zは、LED素子の中心と平面ミラー4で反射した光が集光する集光点F2´とを通る軸となる。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a lighting device according to the present invention, in which 1 is an LED element, 2 is an LED element base, 3 is an LED element substrate, 4 is a plane mirror, 5 is an elliptical reflector, Reference numeral 10 denotes an illumination device. The plane mirror 4 corresponds to an embodiment of the mirror member of the present invention, and is a mirror member whose reflection surface has a planar shape.
In addition, although 2 is called the LED element base, it is a means for earning a required height from the LED element substrate 3 to the light emitting part of the LED element 1, and depending on the dimensions, the LED element 1 can be formed as it is, When it cannot be formed as it is, it is necessary to increase the height to the light emitting portion of the LED element 1 by another method.
The vertical axis at the center of the LED element 1 is defined as the illumination system optical axis z, and the traveling direction of the light emitted from the LED element 1 is defined by an angle α formed from the illumination system optical axis z. The illumination system optical axis z is an axis passing through the center of the LED element and the condensing point F2 ′ where the light reflected by the plane mirror 4 is collected.

楕円リフレクタ5は、LED素子1の中心位置と楕円リフレクタ5の第1焦点F1とが一致するように配設される。また、楕円リフレクタ5は、LED素子1から出射した光のうち、進行方向の角度αが約15〜90度の光線を照明系光軸z方向の後方(LED素子基板3側)へ反射させる。ここでは楕円リフレクタ5の楕円反射面は、照明系光軸z方向の後方に向けられていて、照明系光軸zを中心として角度αが0〜15度までの範囲には開口o1が形成されている。開口o1は、照明系光軸zを中心とした所定半径の円形の開口となる。従って、楕円リフレクタ5の外形を見れば、照明系光軸z方向の前方の開口o1よりも、楕円リフレクタの後方の開口o2の方が開口サイズが大きくなっている。   The elliptical reflector 5 is disposed so that the center position of the LED element 1 coincides with the first focal point F1 of the elliptical reflector 5. In addition, the elliptical reflector 5 reflects light rays having a traveling direction angle α of about 15 to 90 degrees out of the light emitted from the LED elements 1 to the rear side (the LED element substrate 3 side) in the illumination system optical axis z direction. Here, the ellipsoidal reflecting surface of the ellipsoidal reflector 5 is directed rearward in the illumination system optical axis z direction, and an opening o1 is formed in the range where the angle α is 0 to 15 degrees around the illumination system optical axis z. ing. The opening o1 is a circular opening having a predetermined radius centered on the illumination system optical axis z. Accordingly, when the outer shape of the elliptical reflector 5 is seen, the opening size of the opening o2 at the rear of the elliptical reflector is larger than the opening o1 at the front of the illumination system optical axis z direction.

LED素子1から発光した光のうち、角度αが0〜15度までの光は、開口o1を通り抜けてさらに前方へ拡散する。一方、角度αが15度以上の光は、楕円リフレクタ5で反射して楕円の第2焦点位置F2に集光する方向に進行する。
上記のような楕円形状を照明系光軸zを中心に回転させたものが楕円リフレクタ5の反射面形状となる。反射面には全反射膜が形成されている。
Of the light emitted from the LED element 1, light having an angle α of 0 to 15 degrees passes through the opening o1 and diffuses further forward. On the other hand, light having an angle α of 15 degrees or more travels in the direction of being reflected by the elliptical reflector 5 and condensed at the second focal position F2 of the ellipse.
A shape obtained by rotating the elliptical shape as described above about the illumination system optical axis z is the reflective surface shape of the elliptical reflector 5. A total reflection film is formed on the reflection surface.

LED素子1は、LED素子基板3に設けられたLED素子台座2に設置されている。LED素子基板3の前面側(楕円リフレクタ5側)には、平面ミラー4が配設されている。平面ミラー4の反射面には反射膜が形成され、その反射面は、照明系光軸zに対して垂直になっている。
楕円リフレクタ5で反射し、楕円の第2焦点F2に向かって進行する光は、第2焦点に到達する前に平面ミラー4にて反射する。平面ミラー4で反射した光は、楕円リフレクタ5の後方の開口o2と前方の開口o1を順に通過し、照明系光軸z上に集光する。
The LED element 1 is installed on an LED element base 2 provided on the LED element substrate 3. A flat mirror 4 is disposed on the front side of the LED element substrate 3 (on the elliptical reflector 5 side). A reflective film is formed on the reflective surface of the plane mirror 4, and the reflective surface is perpendicular to the illumination system optical axis z.
The light reflected by the elliptic reflector 5 and traveling toward the second focal point F2 of the ellipse is reflected by the plane mirror 4 before reaching the second focal point. The light reflected by the plane mirror 4 sequentially passes through the opening o2 at the rear and the opening o1 at the front of the elliptical reflector 5, and is condensed on the illumination system optical axis z.

この集光位置F2´は、楕円の第2焦点位置F2に対応する位置である。つまり、集光位置F2´は、照明系光軸zに垂直な平面ミラー4の反射面を対称面とするときに、第2焦点F2と面対称の位置にある。あるいは集光位置F2´は、平面ミラー4の反射面と照明系光軸zとの交点を対称点とするときに、第2焦点F2に対して点対称の位置であるともいえる。   This condensing position F2 ′ is a position corresponding to the second focal position F2 of the ellipse. That is, the condensing position F2 ′ is in a position symmetrical with the second focal point F2 when the reflecting surface of the plane mirror 4 perpendicular to the illumination system optical axis z is a symmetric surface. Alternatively, the condensing position F2 ′ can be said to be a point-symmetrical position with respect to the second focal point F2 when the intersection of the reflecting surface of the plane mirror 4 and the illumination system optical axis z is a symmetric point.

ここで、平面ミラー4の位置及び範囲についてさらに説明する。まず平面ミラー4の照明系光軸z方向の位置は、LED素子1からの角度αの光のうち、楕円リフレクタ5で反射される光の角度αの最小値から最大値までの光を平面ミラー4で反射し、その反射した光の全てが楕円リフレクタ5の前方開口o1を通過できるように決める。この例ではαの最小値は約15°、最大値は約90°である。   Here, the position and range of the plane mirror 4 will be further described. First, the position of the plane mirror 4 in the illumination system optical axis z direction is such that light from the LED element 1 at an angle α is light from the minimum value to the maximum value of the angle α of the light reflected by the elliptical reflector 5. 4 so that all of the reflected light can pass through the front opening o 1 of the elliptical reflector 5. In this example, the minimum value of α is about 15 °, and the maximum value is about 90 °.

図1の実施形態では、角度αの光を通過させるための平面ミラー4の位置が、楕円第1焦点F1に設置したLED素子1よりも照明系光軸z方向の後方に位置する。
この場合、LED素子基板3は、平面ミラー4の更に後方に位置することになるが、平面ミラー4の反射面の面積を広くとって光を有効に利用するために、LED素子基板3にLED素子台座2を設け、その上にLED素子1を配置している。これにより、平面ミラー4とLED素子1との距離をとることができ、かつ、LED素子によって光路を遮る領域をできるだけ小さくすることにより、光利用効率を上げるようにしている。
In the embodiment of FIG. 1, the position of the plane mirror 4 for allowing light having an angle α to pass is located behind the LED element 1 installed at the ellipse first focal point F1 in the illumination system optical axis z direction.
In this case, the LED element substrate 3 is located further rearward of the plane mirror 4, but in order to use the light effectively by widening the area of the reflection surface of the plane mirror 4, the LED element substrate 3 is provided with an LED. The element base 2 is provided, and the LED element 1 is disposed thereon. Thereby, the distance between the flat mirror 4 and the LED element 1 can be taken, and the area where the light path is blocked by the LED element is made as small as possible to increase the light utilization efficiency.

なお上記のように、図1の構成では、楕円リフレクタ5で反射させる光の角度αの最小値は15°程度であり、図示された状態では、LED素子1から直接開口o1を通り抜けて利用できない光線が多いように見える。しかしながら、LED素子1からの発光分布が完全拡散であるならば、立体的に検証すれば角度αが15°までの光線は、LED素子1から発光する全光線の数%程度しかなく、特に光量ロスが多くなるものではない。
また、実際には、集光点F2´の位置にロッドレンズを置いたり、集光点F2´以降に光学系を配置することにより、角度αが0〜5°程度までの光も有効利用できる。そのため、実質的には角度αが5〜15°以外の光は、照明光として有効に利用することができる。
As described above, in the configuration of FIG. 1, the minimum value of the angle α of the light reflected by the elliptical reflector 5 is about 15 °, and in the illustrated state, it cannot be directly used from the LED element 1 through the opening o1. Looks like there are many rays. However, if the light emission distribution from the LED element 1 is completely diffused, the light having an angle α of up to 15 ° is only about several percent of the total light emitted from the LED element 1 if it is verified three-dimensionally. There is no loss.
Actually, by placing a rod lens at the position of the condensing point F2 ′, or by arranging an optical system after the condensing point F2 ′, light having an angle α of about 0 to 5 ° can be effectively used. . For this reason, light having an angle α other than 5 to 15 ° can be effectively used as illumination light.

また、本発明に係る実施形態の照明装置は、従来の照明装置と比較して、集光点に集光する光線の最大角度が大きい。しかしながら、最大角度が大きくても集光サイズをより小さくすることができ、その集光点以降の光学系によって照明倍率を自由に設計できるため、より高い光利用効率を得ることができる。   Moreover, the illuminating device of embodiment which concerns on this invention has the largest angle of the light ray condensed on a condensing point compared with the conventional illuminating device. However, even if the maximum angle is large, the condensing size can be further reduced, and the illumination magnification can be freely designed by the optical system after the condensing point, so that higher light utilization efficiency can be obtained.

つまり本発明に係る照明装置の最大の特長は、拡散発光するLED素子1の発光サイズに対して、集光点F2´における結像サイズ(集光サイズ)を小さくすることができ、集光点F2´における最大光線角度が大きいものの、従来の他の方式と比較して総合的に光量ロスを非常に小さくすることができ、高い光利用効率を得ることができることにある。   That is, the greatest feature of the illumination device according to the present invention is that the image formation size (condensation size) at the condensing point F2 ′ can be reduced with respect to the light emission size of the LED element 1 that diffuses and emits light. Although the maximum light beam angle at F2 ′ is large, the light loss can be comprehensively reduced as compared with other conventional methods, and high light utilization efficiency can be obtained.

図2は、本発明に係る照明システムの一実施形態を示す図である。本実施形態の本照明システムは、例えば、DLP(Digital Light Processing)(登録商標)プロジェクタなどの投射型表示装置の照明システムとして適用するためのものである。
照明システムは、図1の照明装置10と同様の構成をもつ3つの照明装置10a〜10cを備えている。3つの照明装置10a〜10cは、LED素子1a〜1cとしてそれぞれ赤色(R)LED素子、緑色(G)LED素子、青色(B)LED素子の単色LED素子を有している。また、各照明装置10a〜10cには、楕円リフレクタ5a〜5c、LED素子台座2a〜2c、LED素子基板3a〜3c、平面ミラー4a〜4cがそれぞれ備えられ、楕円リフレクタ5a〜5cで反射した光線を平面ミラー4a〜4cで反射して集光している。
FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of an illumination system according to the present invention. The illumination system of the present embodiment is for application as an illumination system of a projection display device such as a DLP (Digital Light Processing) (registered trademark) projector.
The illumination system includes three illumination devices 10a to 10c having the same configuration as the illumination device 10 of FIG. The three illumination devices 10a to 10c have single-color LED elements of red (R) LED elements, green (G) LED elements, and blue (B) LED elements, respectively, as the LED elements 1a to 1c. Each of the lighting devices 10a to 10c is provided with elliptical reflectors 5a to 5c, LED element bases 2a to 2c, LED element substrates 3a to 3c, and plane mirrors 4a to 4c, respectively, and light beams reflected by the elliptical reflectors 5a to 5c. Are reflected by the plane mirrors 4a to 4c and condensed.

各照明装置10a〜10cから出射したRGBの光は、各照明装置10a〜10cのそれぞれに対応して設けられている第1の集光レンズ11a〜11cにて集光作用を受け、テレセントリック光となってクロスダイクロイックプリズム12に入射し、クロスダイクロイックプリズム12で合成される。合成された光は、第2の集光レンズ13で集光され、投射型表示装置の照明光として利用される。例えば、第2の集光レンズ13の後にロッドレンズを配置し、その後所定の光学系を配置して(いずれも図示せず)、DLPプロジェクタのDMD(Digital Micromirror Device)を照明する照明光として使用することができる。   The RGB light emitted from each of the illuminating devices 10a to 10c is subjected to a condensing action by the first condensing lenses 11a to 11c provided corresponding to each of the illuminating devices 10a to 10c. Then, the light enters the cross dichroic prism 12 and is synthesized by the cross dichroic prism 12. The synthesized light is condensed by the second condenser lens 13 and used as illumination light for the projection display device. For example, a rod lens is disposed after the second condenser lens 13, and then a predetermined optical system is disposed (both not shown), which is used as illumination light for illuminating a DMD (Digital Micromirror Device) of a DLP projector. can do.

図3は、本発明に係る照明システムの第2の実施形態を示す図である。本実施形態の照明システムは、図2と同様に3つの照明装置10a〜10cと、各照明装置10a〜10cに対応して設けられた第1の集光レンズ11a〜11cと、クロスダイクロイックプリズム12とを有し、各照明装置10a〜10cから出射した光をクロスダイクロイックプリズム12にて合成する。そして、本実施形態の照明システムは、図2の構成と異なり、クロスダイクロイックプリズム12の後の光路上に、フライアイレンズ14を設けている。フライアイレンズ14を用いて均一化された光は、液晶プロジェクタの液晶パネルの照明光として利用することができる。   FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the illumination system according to the present invention. As in FIG. 2, the illumination system of this embodiment includes three illumination devices 10 a to 10 c, first condenser lenses 11 a to 11 c provided corresponding to the illumination devices 10 a to 10 c, and a cross dichroic prism 12. The light emitted from each of the lighting devices 10a to 10c is synthesized by the cross dichroic prism 12. The illumination system of this embodiment is different from the configuration of FIG. 2 in that a fly-eye lens 14 is provided on the optical path after the cross dichroic prism 12. The light made uniform using the fly-eye lens 14 can be used as illumination light for a liquid crystal panel of a liquid crystal projector.

上記図2、図3に示すような投射型表示装置に使用する照明システムとしては、単色LED素子を3色合成するクロスダイクロイックプリズム方式を使用することにより、サイズ的にメリットが得られる。クロスダイクロイックプリズム12は、ある程度テレセントリックに光線を入射させないと、その膜特性により光利用効率が悪化する。従って図2、図3に示すような第1の集光レンズ11a〜11cを用いた構成とすることにより、スペース面でメリットのある照明システムとすることができる。   As the illumination system used for the projection display device as shown in FIGS. 2 and 3, a size merits can be obtained by using a cross dichroic prism system that combines three colors of single-color LED elements. If the cross dichroic prism 12 does not allow the light beam to be incident to a certain degree of telecentricity, the light use efficiency deteriorates due to the film characteristics. Therefore, by using the first condenser lenses 11a to 11c as shown in FIG. 2 and FIG.

また、図2、図3の構成では、第1の集光レンズ11a〜11cと、第2の集光レンズ13の各焦点距離を変えれば、第2の集光レンズ13の透過光の集光サイズや最大光線角度を自在に変えることができる。ここでレンズ枚数を最小限とする場合には、特にレンズ収差が重要となるので、レンズ収差が最小限となるよう最適な非球面形状で設計すべきである。   2 and 3, if the focal lengths of the first condenser lenses 11 a to 11 c and the second condenser lens 13 are changed, the transmitted light of the second condenser lens 13 is condensed. The size and maximum beam angle can be changed freely. Here, when the number of lenses is minimized, lens aberration is particularly important. Therefore, an optimum aspherical shape should be designed so as to minimize lens aberration.

なお、複数の単色光を合成する方式には、順次ミラー方式もあり、クロスダイクロイックプリズム方式と比較して省スペースの観点では劣るものの、順次ミラー方式はコスト面では優位である。従って、本発明による照明装置からの出射光を順次ミラー方式で合成して、投射型表示装置の照明光として使用するようにしてもよい。   A method of combining a plurality of monochromatic lights includes a sequential mirror method, which is inferior in terms of space saving compared to the cross dichroic prism method, but the sequential mirror method is advantageous in terms of cost. Therefore, the light emitted from the illumination device according to the present invention may be sequentially combined by the mirror method and used as illumination light for the projection display device.

また、投射型表示装置用の照明システムとしては、単位電力当たりの明るさ効率がよいため、上記のようなRGBの単色LED素子を用いた構成のものが一般に採用されているが、白色LED素子を使用して照明光とする構成を採ってもよい。この場合、白色LED素子を使用した照明装置10を複数設けて、各照明装置10の光を合成する。あるいは白色LED素子を使用した単体の照明装置10を使用して、照明光を得るようにしてもよい。   Further, as a lighting system for a projection display device, since the brightness efficiency per unit power is good, a configuration using the RGB single color LED element as described above is generally adopted, but a white LED element is used. You may take the structure which uses it as illumination light. In this case, a plurality of illumination devices 10 using white LED elements are provided to synthesize the light of each illumination device 10. Or you may make it obtain illumination light using the single illuminating device 10 using a white LED element.

図4は、本発明による照明装置の第2の実施形態の構成を示す図である。図4において、6は集光レンズで、その他、図1と同様の機能を有する部分には、図1と同じ符号が付してある。
本実施形態の照明装置10は、LED素子1の照明系光軸z方向の前方に集光レンズ6を配置する。LED素子1から発光した角度αが小さめの光は、集光レンズ6によって集光位置F2´に集光させる。F2´は、照明系光軸zに垂直な平面ミラー4の反射面を対称面とするときに、第2焦点F2と面対称の位置にある。つまり、本実施形態の照明装置10の集光レンズ6は、LED素子1から楕円リフレクタ5の開口o1の内部に向かう光の少なくとも一部に作用し、集光点F2´に集光させるものである。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a second embodiment of the illumination device according to the present invention. In FIG. 4, 6 is a condenser lens, and other parts having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as in FIG.
The illuminating device 10 of this embodiment arrange | positions the condensing lens 6 ahead of the illumination element optical axis z direction of the LED element 1. FIG. The light having a smaller angle α emitted from the LED element 1 is condensed at the condensing position F2 ′ by the condensing lens 6. F2 ′ is located symmetrically with the second focal point F2 when the reflecting surface of the plane mirror 4 perpendicular to the illumination system optical axis z is a symmetric surface. That is, the condensing lens 6 of the illuminating device 10 of the present embodiment acts on at least a part of the light traveling from the LED element 1 to the inside of the opening o1 of the elliptical reflector 5, and condenses it on the condensing point F2 ′. is there.

集光レンズ6の仕様としては、集光点F2´に集光させること、集光レンズ6による集光サイズを、楕円リフレクタ5を経由し平面ミラー4で反射して集光点F2´に集光した集光サイズにできるだけ近づけること、及び楕円リフレクタ5を経由した光線を集光レンズ6で遮らないようにすること、が必要である。また、集光レンズ6のレンズ収差も重要であり、非球面のレンズ形状にて対応する必要がある。   As a specification of the condenser lens 6, the light is condensed at the condensing point F 2 ′, and the condensing size by the condensing lens 6 is reflected by the flat mirror 4 via the elliptical reflector 5 and collected at the condensing point F 2 ′. It is necessary to make it as close as possible to the light collection size and not to block the light beam that has passed through the elliptical reflector 5 with the condenser lens 6. Further, the lens aberration of the condenser lens 6 is also important, and it is necessary to cope with an aspherical lens shape.

本実施形態に係る構成は、LED素子1と平面ミラー4との関係等、LED素子1の周囲の空間的制約が比較的緩く、設計の自由度が増す。また、LED素子1から出射した光のうち、光線角度αが小さめの光の光量が多い場合に、本実施形態の構成が好適となる可能性がある。   In the configuration according to the present embodiment, the spatial constraints around the LED element 1 such as the relationship between the LED element 1 and the flat mirror 4 are relatively loose, and the degree of freedom in design increases. In addition, the configuration of the present embodiment may be suitable when the light emitted from the LED element 1 has a large amount of light with a small light beam angle α.

本実施形態の照明装置10は、図2及び図3に示したような投射型表示装置用の照明システムとして使用することができる。この場合、図2、図3に示す照明装置10(10a〜10c)を、本実施形態の集光レンズ6を備えた照明装置10に置き換えることで、照明システムを構成することができる。   The illumination device 10 of the present embodiment can be used as an illumination system for a projection display device as shown in FIGS. In this case, an illumination system can be configured by replacing the illumination device 10 (10a to 10c) illustrated in FIGS. 2 and 3 with the illumination device 10 including the condenser lens 6 of the present embodiment.

図5は、本発明による照明装置の第3の実施形態の構成を示す図である。図5において、7はロッドレンズで、その他、図1と同様の機能を有する部分には、図1と同じ符号が付してある。
本実施形態の照明装置10は、LED素子1の照明系光軸z方向の前方にロッドレンズ7を配置する。LED素子1から発光した角度αが小さめ(α=25°程度)の光は直接ロッドレンズ7に入射させ、α=25〜90°の光は楕円リフレクタ5及び平面ミラー4で反射させ、集光位置F2´に集光させる。この場合、集光点F2´はロッドレンズ7の内部にあるため、平面ミラー4からの反射光は集光点F2´に集光する前にロッドレンズ7による作用を受ける。ここで、集光点F2´がロッドレンズ7の内部にある理由は、光利用効率を最大にするためであり、ロッドレンズ7以降の照明システムとのマッチングを考慮してロッドレンズ7の位置を決めればよい。
つまり、本実施形態の照明装置10のロッドレンズ7は、LED素子1から楕円リフレクタ5の開口o1の内部に向かう光の少なくとも一部に作用するもので、平面ミラー4で反射して集光点F2´に向かう光が入射する位置に配置されているものである。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a third embodiment of the illumination device according to the present invention. In FIG. 5, reference numeral 7 denotes a rod lens, and the other parts having the same functions as those in FIG.
In the illumination device 10 of the present embodiment, the rod lens 7 is disposed in front of the LED element 1 in the illumination system optical axis z direction. Light with a small angle α (approximately α = 25 °) emitted from the LED element 1 is directly incident on the rod lens 7, and light with α = 25 to 90 ° is reflected by the elliptical reflector 5 and the plane mirror 4 to be condensed. The light is condensed at a position F2 ′. In this case, since the condensing point F2 ′ is inside the rod lens 7, the reflected light from the plane mirror 4 is acted on by the rod lens 7 before condensing on the condensing point F2 ′. Here, the reason why the condensing point F2 ′ is inside the rod lens 7 is to maximize the light utilization efficiency, and the position of the rod lens 7 is determined in consideration of matching with the illumination system after the rod lens 7. Just decide.
That is, the rod lens 7 of the illuminating device 10 of the present embodiment acts on at least a part of the light traveling from the LED element 1 to the inside of the opening o1 of the elliptical reflector 5, and is reflected by the flat mirror 4 to be a condensing point. It is arrange | positioned in the position into which the light which goes to F2 'enters.

本実施形態の構成の場合、LED素子台座2を細長くしてLED素子1を設置する必要が生じるが、このような構成であっても、本照明装置10を用いた照明システム全体としてスペースメリットが得られる可能性がある。
例えば、本照明装置10を用いて、図2、図3に示すような投射型表示装置の照明用の照明システムを構成することができる。ここで図2に示す構成は、DLPプロジェクタに好適に適用することができる。
In the case of the configuration of the present embodiment, the LED element base 2 needs to be elongated and the LED element 1 needs to be installed, but even with such a configuration, there is a space merit in the entire illumination system using the illumination device 10. May be obtained.
For example, an illumination system for illumination of a projection display device as shown in FIGS. 2 and 3 can be configured using the present illumination device 10. Here, the configuration shown in FIG. 2 can be preferably applied to a DLP projector.

このとき、本実施形態の照明装置10を使用することにより、照明装置10(10a〜10c)が備えるロッドレンズ7の後に照明システムの第1集光レンズ11a〜11cを配置し、クロスダイクロイックプリズム12によって3色の光を合成することができる。これにより、クロスダイクロイックプリズム12からDMDまでの間のロッドレンズを省略することができ、第2集光レンズ13の焦点距離を長くして、第2の集光レンズ13による集光位置にDLPプロジェクタのDMDを配置することができる。従って、照明装置10からクロスダイクロイックプリズム12までのスペースは多少拡大するものの、クロスダイクロイックプリズム12の後のスペースを削減することができ、照明システム全体としては、小型化することができる。   At this time, by using the illumination device 10 of the present embodiment, the first condenser lenses 11a to 11c of the illumination system are arranged after the rod lens 7 included in the illumination device 10 (10a to 10c), and the cross dichroic prism 12 is disposed. Can synthesize light of three colors. As a result, the rod lens between the cross dichroic prism 12 and the DMD can be omitted, the focal length of the second condenser lens 13 is lengthened, and the DLP projector is placed at the condensing position by the second condenser lens 13. DMDs can be placed. Therefore, although the space from the illumination device 10 to the cross dichroic prism 12 is somewhat enlarged, the space after the cross dichroic prism 12 can be reduced, and the overall illumination system can be reduced in size.

図6は、本発明による照明装置の第4の実施形態を示す図である。第4の実施形態は、第1の実施形態と異なり、楕円リフレクタ5による反射光を反射する平面ミラーの代わりに、反射面が双曲線の形状を有する双曲線ミラー8を備え、その双曲線ミラー8におる反射光を双曲線の第2焦点に集光させるようにしている。双曲線ミラー8は、本発明にミラー部材の他の例に相当するものである。   FIG. 6 is a diagram showing a fourth embodiment of a lighting device according to the present invention. Unlike the first embodiment, the fourth embodiment includes a hyperbolic mirror 8 having a reflective surface having a hyperbolic shape instead of the flat mirror that reflects the light reflected by the elliptical reflector 5. The reflected light is focused on the second focal point of the hyperbola. The hyperbolic mirror 8 corresponds to another example of a mirror member in the present invention.

本実施形態の構成は、上記の実施形態と同様にLED素子1の中心の鉛直方向軸を照明系光軸zとし、LED素子1から発光される光の進行方向を、照明系光軸zからのなす角度αで定義する。また、図6に示す構成は、全て照明系光軸zに対して回転対称形を有するものである。
楕円リフレクタ5は、LED素子1の中心位置と楕円リフレクタ5の楕円の第1焦点F1とが一致するように配設される。ここで、楕円リフレクタ5は、LED素子1からの光線進行角度αが約15〜90度の光線を照明系光軸zの後方方向(LED素子基板3側)へ反射させる。すなわち、楕円リフレクタ5の外形をみれば、照明光軸系z方向の前方の開口o1よりも、楕円リフレクタ5の後方の開口のo2の方が開口サイズが大きくなっている。このように決められた楕円形状を、照明系光軸zを中心に回転させたものが楕円リフレクタ5の反射面形状となる。反射面には、全反射膜が形成されている。
In the configuration of this embodiment, the vertical axis at the center of the LED element 1 is set as the illumination system optical axis z, and the traveling direction of the light emitted from the LED element 1 is determined from the illumination system optical axis z as in the above embodiment. Is defined by an angle α formed by Further, all of the configurations shown in FIG. 6 have a rotationally symmetric shape with respect to the illumination system optical axis z.
The elliptic reflector 5 is disposed so that the center position of the LED element 1 coincides with the first focal point F1 of the ellipse of the elliptic reflector 5. Here, the elliptical reflector 5 reflects a light beam having a light beam traveling angle α of about 15 to 90 degrees from the LED element 1 in the backward direction of the illumination system optical axis z (on the LED element substrate 3 side). In other words, when looking at the outer shape of the elliptical reflector 5, the opening size of the opening o2 at the rear of the elliptical reflector 5 is larger than the opening o1 at the front of the illumination optical axis system z direction. The ellipse shape determined in this way is rotated about the illumination system optical axis z as the reflection surface shape of the ellipsoidal reflector 5. A total reflection film is formed on the reflection surface.

LED素子1は、LED素子基板3に設けられたLED素子台座2に設置されている。LED素子基板3の前面側(楕円リフレクタ5側)には、双曲線ミラー8が設けられる。双曲線ミラー8には反射膜が形成されている。
LED素子1から散乱発光した光のうち、角度αが約15〜90度の範囲の光は、楕円リフレクタ5の楕円反射面で反射し、楕円の第2焦点F2の方向に進行する。そして第2焦点F2に到達する前に双曲線ミラー8にて反射する。双曲線ミラー8では、楕円リフレクタ5から進行してくる光を全て反射させ、楕円リフレクタ5の後方の開口o2と前方の開口o1とを順に通過させ、照明系光軸z上の集光点F3に集光させる。
The LED element 1 is installed on an LED element base 2 provided on the LED element substrate 3. A hyperbolic mirror 8 is provided on the front side (the elliptical reflector 5 side) of the LED element substrate 3. The hyperbolic mirror 8 is formed with a reflective film.
Of the light scattered and emitted from the LED element 1, light having an angle α in the range of about 15 to 90 degrees is reflected by the elliptical reflecting surface of the elliptical reflector 5 and travels in the direction of the second focal point F2 of the ellipse. The light is reflected by the hyperbolic mirror 8 before reaching the second focal point F2. The hyperbolic mirror 8 reflects all the light traveling from the elliptical reflector 5 and sequentially passes through the rear opening o2 and the front opening o1 of the elliptical reflector 5 to the condensing point F3 on the illumination system optical axis z. Collect light.

集光点F3は、双曲線ミラー8の反射面を形成する双曲線が有する2つの焦点のうち、第2焦点に一致する。ここでは、反射面を形成する双曲線が有する2つの曲線と2つの焦点の位置関係において、双曲線ミラー8の反射面を形成する曲線に近い焦点を第1焦点とし、他方の曲線に近い焦点を第2焦点とするとき、集光点F3を双曲線の第2焦点に一致させる。   The condensing point F3 coincides with the second focus among the two focal points of the hyperbola that forms the reflecting surface of the hyperbolic mirror 8. Here, in the positional relationship between the two curves of the hyperbola that forms the reflecting surface and the two focal points, the focal point that is close to the curve that forms the reflecting surface of the hyperbolic mirror 8 is the first focal point, and the focal point that is close to the other curve is the first focal point. When the two focal points are used, the condensing point F3 is made coincident with the second focal point of the hyperbola.

本実施形態の構成によれば、双曲線ミラー8の周辺部がLED素子基板3側に近接するような方向に湾曲しているため、LED素子基板3に対してLED素子1の発光部をある程度高くしなければならない。そのための構造は限定されるものではないが、本例では、LED素子台座2を設ける構成とした。   According to the configuration of the present embodiment, since the peripheral portion of the hyperbolic mirror 8 is curved in a direction close to the LED element substrate 3 side, the light emitting portion of the LED element 1 is made somewhat higher than the LED element substrate 3. Must. The structure for this is not limited, but in this example, the LED element base 2 is provided.

また、図6では、照明系光軸zに対する角度αの最小値は15度程度であり、利用できない光線が多いように見えるが、LED素子1からの発光が完全拡散光であるとすると、角度αが15度までの光束は全光束の約3.4%しかないため、光量ロスが特に多い訳ではない。また、実際には集光点F3にロッドレンズを設置したり、集光点F3以降の光学系によって角度αが0〜5度程度までの光束も有効利用できる可能性が高い。そのため、LED素子1を完全拡散光源と仮定した場合、LED素子1から出射した光のうち、実質的に角度αが5〜15度以外の約97%の光束を利用できることになる。   In FIG. 6, the minimum value of the angle α with respect to the illumination system optical axis z is about 15 degrees, and it seems that there are many light rays that cannot be used, but if the light emitted from the LED element 1 is completely diffused light, the angle Since the light flux with α up to 15 degrees is only about 3.4% of the total light flux, the light quantity loss is not particularly large. In fact, there is a high possibility that a rod lens is installed at the condensing point F3, and that a light beam having an angle α of about 0 to 5 degrees can be effectively used by an optical system after the condensing point F3. Therefore, assuming that the LED element 1 is a completely diffusing light source, approximately 97% of the light emitted from the LED element 1 can be used substantially having an angle α other than 5 to 15 degrees.

本実施形態の構成は、従来の照明方式のものと比較すると、第2の双曲線焦点に相当する集光点F3に集光する光線の最大角度が大きいが、集光点F3における集光サイズをより小さくすることができる。また、集光点F3以降の光学系にて照明倍率を自由に設計できるため、集光点F3における光線の最大角度は問題にはならない。集光サイズと光線の最大角度はトレードオフの関係にあるためであるが、両方を考慮しても本実施形態に係る構成の光利用効率は高くなっている。   The configuration of the present embodiment is larger in the maximum angle of the light beam condensed at the condensing point F3 corresponding to the second hyperbolic focus than the conventional illumination method, but the condensing size at the condensing point F3 is small. It can be made smaller. In addition, since the illumination magnification can be freely designed in the optical system after the condensing point F3, the maximum angle of the light beam at the condensing point F3 is not a problem. This is because the light collection size and the maximum angle of the light beam are in a trade-off relationship, but the light use efficiency of the configuration according to the present embodiment is high even if both are taken into consideration.

そして本実施形態の最大の特長は、LED素子1から拡散発光する光の発光サイズに対して集光点F3における結像サイズ(集光サイズ)を小さくすることができ、集光点F3での最大光線角度が大きいものの、総合的に光量ロスが他の方式と比較して非常に小さくできるため、光利用効率が高いことにある。
また、本実施形態の他の特長としては、集光性能は上記実施形態1〜3の構成と同等の性能が得られ、さらに照明系としての必要スペースを小さくすることができることにある。具体的には、LED素子基板3から照明系の集光点F3までの距離や、楕円リフレクタ5の最大直径を小さくすることができる。このため、同じ照明系性能で小型化できるという特長を有する。
The greatest feature of this embodiment is that the image formation size (condensation size) at the condensing point F3 can be reduced with respect to the light emission size of the light diffusely emitted from the LED element 1, and Although the maximum light beam angle is large, the total light loss can be made very small compared to other methods, so that the light utilization efficiency is high.
In addition, as another feature of the present embodiment, the light collecting performance is the same as that of the configurations of the first to third embodiments, and the necessary space as an illumination system can be further reduced. Specifically, the distance from the LED element substrate 3 to the condensing point F3 of the illumination system and the maximum diameter of the elliptical reflector 5 can be reduced. For this reason, it has the feature that it can reduce in size with the same illumination system performance.

図7は、本発明に係る照明システムの第3の実施形態を示す図で、上記第4の実施形態の照明装置を使用した投射型表示装置の構成例を示すものである。本例の構成は、第1の実施形態の照明装置を使用した図2に示す照明システムと同様の構成で、照明装置として第4の実施形態の双曲線ミラー8を用いた照明装置を用いたものに相当する。
照明システムは、図6の照明装置10と同様の構成をもつ3つの照明装置10a〜10cを備え、これら3つの照明装置10a〜10cは、LED素子1a〜1cとしてそれぞれ赤色(R)LED素子、緑色(G)LED素子、青色(B)LED素子の単色LED素子を有している。また、各照明装置10a〜10cには、楕円リフレクタ5a〜5c、LED素子台座2a〜2c、LED素子基板3a〜3c、双曲線ミラー8a〜8cがそれぞれ備えられ、楕円リフレクタ5a〜5cで反射した光線を双曲線ミラー8a〜8cで反射して集光している。
FIG. 7 is a diagram showing a third embodiment of the illumination system according to the present invention, and shows a configuration example of a projection type display device using the illumination device of the fourth embodiment. The configuration of this example is the same configuration as the illumination system shown in FIG. 2 using the illumination device of the first embodiment, and the illumination device using the hyperbolic mirror 8 of the fourth embodiment is used as the illumination device. It corresponds to.
The lighting system includes three lighting devices 10a to 10c having the same configuration as the lighting device 10 of FIG. 6, and these three lighting devices 10a to 10c are respectively red (R) LED elements as LED elements 1a to 1c, It has a single color LED element of a green (G) LED element and a blue (B) LED element. Each of the lighting devices 10a to 10c includes elliptic reflectors 5a to 5c, LED element bases 2a to 2c, LED element substrates 3a to 3c, and hyperbolic mirrors 8a to 8c. Are reflected by the hyperbolic mirrors 8a to 8c and condensed.

各照明装置10a〜10cから出射したRGBの光は、各照明装置10a〜10cのそれぞれに対応して設けられている第1の集光レンズ11a〜11cにて集光作用を受け、テレセントリック光となってクロスダイクロイックプリズム12に入射し、クロスダイクロイックプリズム12で合成される。合成された光は、第2の集光レンズ13で集光され、投射型表示装置の照明光として利用される。
例えば、第2の集光レンズ13の後にロッドレンズを配置し、そのロッドレンズの入射面を第2の集光レンズ13の後の集光点位置に一致させる。そして、その後に所定の光学系を配置して(いずれも図示せず)、DLPプロジェクタのDMD(Digital Micromirror Device)を照明する照明光として使用することができる。また、第2の集光レンズ13の集光位置を、結像倍率を変えるための照明系レンズの物像位置をすることができる。
The RGB light emitted from each of the illuminating devices 10a to 10c is subjected to a condensing action by the first condensing lenses 11a to 11c provided corresponding to each of the illuminating devices 10a to 10c. Then, the light enters the cross dichroic prism 12 and is synthesized by the cross dichroic prism 12. The synthesized light is condensed by the second condenser lens 13 and used as illumination light for the projection display device.
For example, a rod lens is arranged after the second condenser lens 13, and the incident surface of the rod lens is made to coincide with the condensing point position after the second condenser lens 13. After that, a predetermined optical system is arranged (none of which is shown), and can be used as illumination light for illuminating a DMD (Digital Micromirror Device) of the DLP projector. Further, the condensing position of the second condensing lens 13 can be the object image position of the illumination system lens for changing the imaging magnification.

上記の投射型表示装置に使用する照明システムとしては、赤用、緑用、青用の単色LED素子を3色合成するクロスダイクロイックプリズム方式を使用することにより、サイズ的にメリットが得られる。クロスダイクロイックプリズム12は、ある程度テレセントリックに光線を入射させないと、その膜特性により光利用効率が悪化する。従って第1の集光レンズ11a〜11cを用いた構成とすることにより、スペース面でメリットのある照明システムとすることができる。   As a lighting system used in the projection display device, a size merits can be obtained by using a cross dichroic prism system that synthesizes three color LED elements for red, green, and blue. If the cross dichroic prism 12 does not allow the light beam to be incident to a certain degree of telecentricity, the light use efficiency deteriorates due to the film characteristics. Therefore, by using the configuration using the first condenser lenses 11a to 11c, an illumination system that is advantageous in terms of space can be obtained.

また、第1の集光レンズ11a〜11cと、第2の集光レンズ13の各焦点距離を変えれば、第2の集光レンズ13の透過光の集光サイズや最大光線角度を自在に変えることができる。ここでレンズ枚数を最小限とする場合には、特にレンズ収差が重要となるので、レンズ収差が最小限となるよう最適な非球面形状で設計すべきである。   Further, if the focal lengths of the first condenser lenses 11a to 11c and the second condenser lens 13 are changed, the condensing size and the maximum ray angle of the transmitted light of the second condenser lens 13 can be freely changed. be able to. Here, when the number of lenses is minimized, lens aberration is particularly important. Therefore, an optimum aspherical shape should be designed so as to minimize lens aberration.

なお、複数の単色光を合成する方式には、順次ミラー方式もあり、クロスダイクロイックプリズム方式と比較して省スペースの観点では劣るものの、順次ミラー方式はコスト面では優位である。従って、照明装置からの出射光を順次ミラー方式で合成して、投射型表示装置の照明光として使用するようにしてもよい。   A method of combining a plurality of monochromatic lights includes a sequential mirror method, which is inferior in terms of space saving compared to the cross dichroic prism method, but the sequential mirror method is advantageous in terms of cost. Therefore, the emitted light from the illumination device may be sequentially combined by the mirror method and used as illumination light for the projection display device.

図7の構成において、第2の集光レンズ13を除去することで、テレセントリック照明を実現する照明システムを構成することができる。また、クロスダイクロイックプリズム12の後の光路上の第2の集光レンズ13の位置にフライアイレンズ14(図3参照)を設けることができる。これは、図3の構成における照明装置を、図5に示す双曲線ミラーを有する照明装置に置き換えたものに相当する。フライアイレンズ14を用いて均一化された光は、液晶プロジェクタの液晶パネルの照明光として利用することができる。   In the configuration of FIG. 7, an illumination system that realizes telecentric illumination can be configured by removing the second condenser lens 13. Further, a fly-eye lens 14 (see FIG. 3) can be provided at the position of the second condenser lens 13 on the optical path after the cross dichroic prism 12. This corresponds to the illumination device in the configuration of FIG. 3 replaced with the illumination device having the hyperbolic mirror shown in FIG. The light made uniform using the fly-eye lens 14 can be used as illumination light for a liquid crystal panel of a liquid crystal projector.

図8は、本発明による照明装置の第5の実施形態を示す図で、図8(A)は、本実施形態の照明装置の楕円リフレクタと双曲線ミラーを部分的に示す図、図8(B)は図8(A)の構成を有する照明装置の全体構成図である。
第5の実施形態は、LED素子1から発光した角度αの小さい成分も集光位置まで到達できるように改良した構成を有するものである。具体的には、LED素子1から散乱発光した光束のうち、光線の角度αが約10〜90度の範囲の光束(約98.5%)を集光点位置に集光できる構成を実現するものである。
FIG. 8 is a diagram showing a fifth embodiment of the illumination device according to the present invention, and FIG. 8A is a diagram partially showing an elliptic reflector and a hyperbolic mirror of the illumination device of this embodiment, and FIG. ) Is an overall configuration diagram of a lighting device having the configuration of FIG.
The fifth embodiment has an improved configuration so that a component having a small angle α emitted from the LED element 1 can also reach the condensing position. Specifically, a configuration is realized in which light flux (about 98.5%) having a light beam angle α in a range of about 10 to 90 degrees out of the light flux scattered and emitted from the LED element 1 can be condensed at a condensing point position. Is.

図8(A)に楕円リフレクタの楕円形状と、双曲線ミラーの双曲線形状との形状設計について説明する。
楕円リフレクタ5の反射面の形状は、照明系光軸zを中心として楕円の一部を回転させた回転体により構成する。この場合、楕円リフレクタ5の反射面は、照明系光軸zを含む面上で、照明系光軸zを挟む両側の領域のうち、一方の領域で規定した楕円形状の一部を、照明系光軸zを中心として回転させた回転体として形成される。
FIG. 8A illustrates the shape design of the elliptical shape of the elliptical reflector and the hyperbolic shape of the hyperbolic mirror.
The shape of the reflecting surface of the elliptical reflector 5 is constituted by a rotating body obtained by rotating a part of the ellipse around the illumination system optical axis z. In this case, the reflecting surface of the elliptical reflector 5 is a part of the elliptical shape defined by one of the regions on both sides of the illumination system optical axis z on the surface including the illumination system optical axis z. It is formed as a rotating body rotated about the optical axis z.

図8(A)は、上記の楕円形状の一部を示すもので、ここでは照明系光軸zを挟んだ一方の側(図8(A)では上側)の楕円の一部の形状をまず規定する。
ここでは、楕円の一部を構成する楕円形状51を規定し、このとき、その楕円形状51の楕円の第1焦点F1をLED素子1の中心位置に合わせる。そして本実施形態の場合、さらに楕円形状51の楕円の長軸pを照明系光軸zに対して傾斜させる。楕円の長軸pとは楕円の第1焦点F1と第2焦点F2を結んだ直線を指している。長軸pの傾斜の方向は、楕円の第2焦点F2が、照明光軸zに対して楕円形状51側にずれる方向とする。すなわち、楕円形状51の第2焦点F2の位置は、照明系光軸z上に設定されるものではなく、照明系光軸zからずれた位置とされる。これにより、楕円形状51を反射面としたときの反射光は、照明系光軸zから少しずれた位置に向かって集光する。
FIG. 8A shows a part of the above ellipse shape. Here, the shape of a part of the ellipse on one side (upper side in FIG. 8A) sandwiching the illumination system optical axis z is first shown. Stipulate.
Here, an elliptical shape 51 constituting a part of the ellipse is defined, and at this time, the first focal point F1 of the elliptical shape 51 is aligned with the center position of the LED element 1. In the case of this embodiment, the major axis p of the ellipse 51 is further inclined with respect to the illumination system optical axis z. The major axis p of the ellipse indicates a straight line connecting the first focus F1 and the second focus F2 of the ellipse. The direction of inclination of the long axis p is a direction in which the second focal point F2 of the ellipse is shifted to the elliptical shape 51 side with respect to the illumination optical axis z. That is, the position of the second focal point F2 of the elliptical shape 51 is not set on the illumination system optical axis z, but is shifted from the illumination system optical axis z. Thereby, the reflected light when the elliptical shape 51 is used as a reflecting surface is condensed toward a position slightly deviated from the illumination system optical axis z.

そして上記図8(A)に規定した楕円形状51を照明系光軸zを中心として回転させることにより、楕円リフレクタ5の反射面形状を規定する。楕円形状51の第2焦点F2の位置は、照明系光軸zからずれているため、これを回転させた楕円リフレクタ5における第2焦点の集光形状を3次元的に表すと、照明系光軸zを中心とした円状となる。図8(B)の第2焦点F2はこの状態を示している。   Then, the shape of the reflecting surface of the elliptical reflector 5 is defined by rotating the elliptical shape 51 defined in FIG. 8A about the illumination system optical axis z. Since the position of the second focal point F2 of the elliptical shape 51 is deviated from the illumination system optical axis z, the condensed light of the second focal point in the elliptical reflector 5 obtained by rotating the second focal point F3 is expressed in three dimensions. The shape is a circle centered on the axis z. The second focal point F2 in FIG. 8B shows this state.

次に双曲線ミラー8の仕様について説明する。双曲線ミラー8についても、その反射面の形状は、照明系光軸zを中心とした双曲線の一部を回転させた回転体により構成する。この場合、双曲線ミラー8の反射面は、照明系光軸zを含む面上で、照明系光軸zを挟む両側の領域のうち、一方の領域で規定した双曲線形状の一部を、照明系光軸zを中心として回転させた回転体として形成される。   Next, the specification of the hyperbolic mirror 8 will be described. The shape of the reflection surface of the hyperbolic mirror 8 is also constituted by a rotating body that rotates a part of the hyperbola around the illumination system optical axis z. In this case, the reflecting surface of the hyperbolic mirror 8 is a part of the hyperbolic shape defined by one of the regions on both sides of the illumination system optical axis z on the surface including the illumination system optical axis z. It is formed as a rotating body rotated about the optical axis z.

図8(A)には、上記の双曲線形状の一部が示される。ここでは照明系光軸zを挟んだ一方の側(図8(A)では上側)の双曲線の一部の形状81をまず規定する。そして、その双曲線形状81の双曲線の焦点V1を、楕円リフレクタ5の第2焦点F2の位置に一致させる。
さらに、上記双曲線の中心軸qを傾斜させ、双曲線のもう一方の焦点(第2焦点)V2が照明系光軸z上に位置するように、中心軸qの傾斜角度や双曲線の仕様を決める。これにより、双曲線形状81を回転することにより得られる双曲線ミラー8の集光点F3が、照明系光軸z上に位置するように設計することができる。上記の構成により、楕円の長軸が傾斜した楕円リフレクタ5で反射された光を、双曲線の中心軸が傾斜した双曲線ミラー8で全て反射させ、照明系光軸z上に集光させることができる。
FIG. 8A shows a part of the hyperbolic shape described above. Here, a shape 81 of a part of a hyperbola on one side (upper side in FIG. 8A) across the illumination system optical axis z is first defined. Then, the hyperbola focal point V1 of the hyperbolic shape 81 is made to coincide with the position of the second focal point F2 of the elliptical reflector 5.
Further, the central axis q of the hyperbola is inclined, and the inclination angle of the central axis q and the specification of the hyperbola are determined so that the other focal point (second focal point) V2 of the hyperbola is positioned on the illumination system optical axis z. Thereby, it can design so that the condensing point F3 of the hyperbola mirror 8 obtained by rotating the hyperbola shape 81 may be located on the illumination system optical axis z. With the above configuration, the light reflected by the elliptical reflector 5 whose major axis of the ellipse is inclined can be reflected entirely by the hyperbolic mirror 8 whose central axis of the hyperbola is inclined and can be condensed on the illumination system optical axis z. .

図9は、双曲線ミラーに適用する双曲線の性質について説明するための図である。図9(A)に示すように、双曲線とは2つの合同の曲線h1,h2を指している。この2つの双曲線h1,h2の頂点を結ぶ直線を双曲線中心軸qと呼ぶ。曲線h1,h2は、双曲線中心軸qから離れるに従って、漸近線r1,r2に限りなく接近していく。2つの曲線h1,h2には各々焦点V1,V2があり、これらの焦点V1,V2は双曲線中心軸q上に存在する。曲線h1,h2は、2つの焦点V1,V2からの距離の差が一定となる点が描く曲線であり、点対称な2つの無限に伸びる曲線よりなる。   FIG. 9 is a diagram for explaining the nature of the hyperbola applied to the hyperbolic mirror. As shown in FIG. 9A, the hyperbola refers to two congruent curves h1 and h2. A straight line connecting the vertices of the two hyperbola h1 and h2 is called a hyperbola central axis q. The curves h1 and h2 approach the asymptotic lines r1 and r2 as much as possible from the hyperbolic center axis q. The two curves h1 and h2 have focal points V1 and V2, respectively, and these focal points V1 and V2 exist on the hyperbolic center axis q. Curves h1 and h2 are drawn by points where the difference in distance from the two focal points V1 and V2 is constant, and are composed of two point-symmetric curves extending infinitely.

図9(A)に示すように、双曲線の形状をもつ反射面を想定するとき、双曲線のいずれか一方の曲線h1(h2)の焦点V1(V2)から発光した光線は、あたかももう一方の曲線h2(h1)の焦点V2(V1)から発光したような方向に反射する。   As shown in FIG. 9A, when a reflecting surface having a hyperbola shape is assumed, the light emitted from the focal point V1 (V2) of one of the curves h1 (h2) of the hyperbola is as if the other curve. Reflected in the direction of light emission from the focal point V2 (V1) of h2 (h1).

図9(B)に示すように、図9(A)の光の進行を逆に考えると、双曲線のいずれか一方の曲線h1(h2)の焦点V1(V2)に向かって進行してきた光線は、もう一方の曲線h2(h1)の焦点V2(V1)に集光される。
この性質を利用して、本発明に係る第4の実施形態及び第5の実施形態では、双曲線ミラー8の全反射膜による反射面を構成する双曲線の焦点V1を、楕円リフレクタ5の楕円の第2焦点F2と一致させる。また、楕円リフレクタ5から反射した全光束を光量ロスすることなく照明系光軸z上に集光させるように、双曲線の仕様を決める。このように設計した双曲線ミラー8で反射した光束は、楕円リフレクタ5の後方開口o2と前方開口o1とを通過し、照明系光軸z上に集光する。このときの集光位置は、双曲線を構成する2つの曲線のうち、双曲線ミラー8の反射面を構成する曲線側にある第1焦点ではなく、他方の曲線側にある第2焦点の位置に相当する。
このような構成により、光量ロスが最小限となるように、楕円リフレクタ5の楕円形状、及び双曲線ミラー8の双曲線形状を最適化した照明系を構築することができる。
As shown in FIG. 9B, when the progress of the light in FIG. 9A is considered in reverse, the light beam traveling toward the focal point V1 (V2) of one of the hyperbolic curves h1 (h2) is The light is condensed at the focal point V2 (V1) of the other curve h2 (h1).
Utilizing this property, in the fourth and fifth embodiments of the present invention, the hyperbolic focal point V1 constituting the reflecting surface of the total reflection film of the hyperbolic mirror 8 is used as the elliptical focal point V1 of the elliptical reflector 5. Match with bifocal point F2. Further, the specification of the hyperbola is determined so that the total luminous flux reflected from the elliptical reflector 5 is condensed on the illumination system optical axis z without loss of light quantity. The light beam reflected by the hyperbolic mirror 8 designed in this way passes through the rear opening o2 and the front opening o1 of the elliptical reflector 5, and is condensed on the illumination system optical axis z. The condensing position at this time corresponds to the position of the second focal point on the other curved side, not the first focal point on the curved side constituting the reflecting surface of the hyperbolic mirror 8 out of the two curved lines constituting the hyperbola. To do.
With such a configuration, it is possible to construct an illumination system in which the elliptical shape of the elliptical reflector 5 and the hyperbolic shape of the hyperbolic mirror 8 are optimized so that the light quantity loss is minimized.

本実施形態の構成の照明装置は、図7に示す投射型表示装置に適用することができる。また本実施形態の照明装置を適用した図7の構成の第2の集光レンズ13を除去することで、テレセントリック照明を実現する照明システムを構成することができる。また、クロスダイクロイックプリズム12の後の光路上の第2の集光レンズ13の位置にフライアイレンズ14を設けることができる。フライアイレンズ14を用いて均一化された光は、液晶プロジェクタの液晶パネルの照明光として利用することができる。   The illumination device having the configuration of the present embodiment can be applied to the projection display device shown in FIG. Moreover, the illumination system which implement | achieves telecentric illumination can be comprised by removing the 2nd condensing lens 13 of the structure of FIG. 7 to which the illuminating device of this embodiment is applied. In addition, a fly-eye lens 14 can be provided at the position of the second condenser lens 13 on the optical path after the cross dichroic prism 12. The light made uniform using the fly-eye lens 14 can be used as illumination light for a liquid crystal panel of a liquid crystal projector.

1…LED素子、1a〜1c…LED素子、2…LED素子台座、2a〜2c…LED素子台座、3…LED素子基板、3a〜3c…LED素子基板、4…平面ミラー、4a〜4c…平面ミラー、5…楕円リフレクタ、5a〜5c…楕円リフレクタ、6…集光レンズ、7…ロッドレンズ、8…双曲線ミラー、8a〜8c…双曲線ミラー、10…照明装置、10a〜10c…照明装置、11a〜11c…集光レンズ、12…クロスダイクロイックプリズム、13…集光レンズ、14…フライアイレンズ、100…高圧放電ランプ、101…発光部、110…LED素子、111…LED素子基板、120…高圧放電ランプ、121…発光部、122…ランプ電極、123…楕円リフレクタ、124…球面リフレクタ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... LED element, 1a-1c ... LED element, 2 ... LED element base, 2a-2c ... LED element base, 3 ... LED element board, 3a-3c ... LED element board, 4 ... Plane mirror, 4a-4c ... Plane Mirror, 5 ... Elliptic reflector, 5a-5c ... Elliptic reflector, 6 ... Condensing lens, 7 ... Rod lens, 8 ... Hyperbolic mirror, 8a-8c ... Hyperbolic mirror, 10 ... Illuminating device, 10a-10c ... Illuminating device, 11a -11c ... Condensing lens, 12 ... Cross dichroic prism, 13 ... Condensing lens, 14 ... Fly eye lens, 100 ... High pressure discharge lamp, 101 ... Light emitting part, 110 ... LED element, 111 ... LED element substrate, 120 ... High pressure Discharge lamp, 121... Light emitting part, 122... Lamp electrode, 123 .. Ellipse reflector, 124.

Claims (11)

LED素子と、該LED素子から出射した光を反射する楕円回転体よりなる楕円リフレクタと、該楕円リフレクタで反射した光を再度反射させるミラー部材とを有し、該ミラー部材で反射した光を集光点に向けて集光させる照明装置であって、
前記LED素子の中心と前記集光点とを通る軸を照明系光軸とするとき、
前記楕円リフレクタは、楕円の少なくとも一部の形状を前記照明系光軸を中心として回転させた形状の反射面を備えるともに、前記照明系光軸を中心とした所定径の円形の開口を有し、前記反射面を前記照明系光軸方向の後方側に向けて配置され、
前記ミラー部材は、前記LED素子の前記照明系光軸方向の後方側に配置され、
前記LED素子から出射した光のうち、前記楕円リフレクタで反射した光は、前記ミラー部材で反射して、前記開口を通過して前記集光点に向かって集光することを特徴とする照明装置。
An LED element, an elliptical reflector made of an elliptic rotating body that reflects light emitted from the LED element, and a mirror member that reflects the light reflected by the elliptical reflector again, and collects the light reflected by the mirror member. A lighting device that focuses light toward a light spot,
When an axis passing through the center of the LED element and the condensing point is an illumination system optical axis,
The elliptical reflector includes a reflective surface having a shape obtained by rotating at least a part of an ellipse about the illumination system optical axis, and has a circular opening with a predetermined diameter centered on the illumination system optical axis. , The reflective surface is disposed toward the rear side of the illumination system optical axis direction,
The mirror member is disposed on the rear side of the illumination element optical axis direction of the LED element,
Of the light emitted from the LED element, the light reflected by the elliptical reflector is reflected by the mirror member, passes through the opening, and is condensed toward the condensing point. .
請求項1に記載の照明装置において、
前記ミラー部材は、反射面が平面形状である平面ミラーであり、
前記LED素子は、前記楕円リフレクタの楕円の第1焦点位置に配置され、
前記楕円リフレクタは、前記LED素子から出射した光を前記楕円の第2焦点位置に集光する形状に形成され、
前記ミラー部材の反射面は、前記照明系光軸に対して垂直に設けられ、
前記集光点は、前記ミラー部材の反射面を対称面とするとき、前記第2焦点位置の面対称の位置に相当する位置であることを特徴とする照明装置。
The lighting device according to claim 1.
The mirror member is a plane mirror having a reflecting surface having a planar shape,
The LED element is disposed at a first focal position of the ellipse of the elliptic reflector,
The elliptical reflector is formed in a shape for condensing the light emitted from the LED element at the second focal position of the ellipse,
The reflecting surface of the mirror member is provided perpendicular to the illumination system optical axis,
The condensing point is a position corresponding to a plane-symmetric position of the second focal position when the reflecting surface of the mirror member is a symmetric plane.
請求項1または2に記載の照明装置において、
前記LED素子から出射した光のうち、前記LED素子から前記開口の内部に向かう光の少なくとも一部に作用し、前記集光点に集光させる集光レンズを有することを特徴とする照明装置。
The lighting device according to claim 1 or 2,
An illuminating device comprising a condensing lens that acts on at least a part of light emitted from the LED element toward the inside of the opening among the light emitted from the LED element, and collects the condensed light at the condensing point.
請求項1〜3のいずれか1に記載の照明装置において、
前記LED素子から出射した光のうち、前記LED素子から前記開口の内部に向かう光の少なくとも一部に作用するロッドレンズを有し、該ロッドレンズは、前記平面ミラーで反射して前記集光点に向かう光が入射する位置に配置されていることを特徴とする照明装置。
In the illuminating device of any one of Claims 1-3,
Of the light emitted from the LED element, a rod lens acting on at least a part of the light from the LED element toward the inside of the opening, the rod lens being reflected by the plane mirror and the condensing point It is arrange | positioned in the position into which the light which goes to the direction injects.
請求項1に記載の照明装置において、
前記ミラー部材は、前記照明系光軸を含む面上に形成した双曲線を、前記照明系光軸を中心に回転させてなる反射面を有する双曲線ミラーであり、
前記LED素子は、前記楕円リフレクタの楕円の第1焦点位置に配置され、
前記楕円リフレクタは、前記LED素子から出射した光を前記楕円の第2焦点位置に集光する形状に形成され、
前記ミラー部材の反射面を形成する双曲線が有する2つの曲線と2つの焦点の位置関係において、前記集光点は、前記ミラー部材の反射面を形成する曲線に近い第1焦点ではなく、他方の曲線に近い第2焦点に一致していることを特徴とする照明装置。
The lighting device according to claim 1.
The mirror member is a hyperbolic mirror having a reflecting surface formed by rotating a hyperbola formed on a surface including the illumination system optical axis around the illumination system optical axis,
The LED element is disposed at a first focal position of the ellipse of the elliptic reflector,
The elliptical reflector is formed in a shape for condensing the light emitted from the LED element at the second focal position of the ellipse,
In the positional relationship between the two curves and the two focal points of the hyperbola that forms the reflecting surface of the mirror member, the condensing point is not the first focal point close to the curve that forms the reflecting surface of the mirror member, but the other An illumination device characterized by being coincident with a second focal point close to a curve.
請求項5に記載の照明装置において、
前記楕円リフレクタの反射面は、前記照明系光軸を含む面上で、前記照明系光軸を挟む両側の領域のうち一方の領域で規定した楕円形状の一部を、前記照明系光軸を中心として回転させた回転体として形成され、
前記楕円形状の一部を形成する楕円の第2焦点の位置は、前記照明系光軸からずれていることを特徴とする照明装置。
The lighting device according to claim 5.
The reflection surface of the elliptical reflector is a part of an elliptical shape defined by one of the regions on both sides of the illumination system optical axis on the surface including the illumination system optical axis, and the illumination system optical axis is Formed as a rotating body rotated as a center,
The position of the 2nd focus of the ellipse which forms a part of said elliptical shape has shifted | deviated from the said illumination system optical axis, The illuminating device characterized by the above-mentioned.
請求項6に記載の照明装置において、
前記双曲線ミラーの反射面は、前記照明系光軸を含む面上で、前記照明系光軸を挟む両側の領域のうち一方の領域で規定した双曲線形状の一部を、前記照明系光軸を中心として回転させた回転体として形成され、
前記双曲線形状の一部を形成する双曲線の前記第1焦点と、前記楕円形状の一部を形成する楕円の第2焦点とが一致し、前記双曲線の第2焦点が前記照明系光軸上に位置していることを特徴とする照明装置。
The lighting device according to claim 6.
A reflection surface of the hyperbolic mirror is a part of a hyperbolic shape defined by one of the regions on both sides of the illumination system optical axis on the surface including the illumination system optical axis, and the illumination system optical axis is Formed as a rotating body rotated as a center,
The first focal point of the hyperbola that forms part of the hyperbola shape coincides with the second focal point of the ellipse that forms part of the elliptical shape, and the second focal point of the hyperbola is on the illumination system optical axis. A lighting device characterized by being positioned.
請求項1〜7のいずれか1に記載の照明装置において、
前記ミラー部材の前記照明系光軸方向の後方に、前記LED素子を搭載するLED素子基板を有し、前記LED素子は、前記LED素子基板に設けられたLED素子台座上に設置され、
前記ミラー部材は、前記楕円リフレクタで反射した光を前記開口を通して前記集光点に集光させる位置に設置されていることを特徴とする照明装置。
In the illuminating device of any one of Claims 1-7,
The LED element substrate on which the LED element is mounted is located behind the mirror member in the illumination system optical axis direction, and the LED element is installed on an LED element base provided on the LED element substrate,
The said mirror member is installed in the position which condenses the light reflected by the said elliptical reflector to the said condensing point through the said opening.
請求項1〜8のいずれか1に記載の照明装置を複数有し、該複数の照明装置から出射した光のそれぞれに集光作用を与える複数の第1の集光レンズと、該複数の第1の集光レンズを出射した光を合成するクロスダイクロイックプリズムとを備えることを特徴とする照明システム。   A plurality of illumination devices according to any one of claims 1 to 8, a plurality of first condenser lenses for condensing each of light emitted from the plurality of illumination devices, and the plurality of first condenser lenses An illumination system comprising: a cross dichroic prism that combines light emitted from one condenser lens. 請求項9に記載の照明システムにおいて、
前記クロスダイクロイックプリズムで合成した光の出射光路上に、第2の集光レンズを備えることを特徴とする照明システム。
The lighting system according to claim 9.
An illumination system comprising a second condenser lens on an outgoing light path of light synthesized by the cross dichroic prism.
請求項9に記載の照明システムにおいて、
前記クロスダイクロイックプリズムで合成した光の出射光路上に、フライアイレンズを備えることを特徴とする照明システム。
The lighting system according to claim 9.
An illumination system comprising a fly-eye lens on an outgoing light path of light synthesized by the cross dichroic prism.
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