JP2012234717A - Light source unit and image display device using the same - Google Patents

Light source unit and image display device using the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light source unit with high directivity capable of enhancing emission intensity.SOLUTION: The light source unit is provided with a surface light-emitting device 1 emitting light, an angle control part 3 fitted to an emission side of the surface light-emitting device 1, and an angle conversion part 2 fitted between the surface light-emitting device 1 and the angle control part 3. The angle control part 3 transmits light incident at angles within a first incident angle range out of light incident from a surface light-emitting device 1 side, and reflects light incident at angles other than the first incident angle range. The angle conversion part 2 has light incident from the surface light-emitting device 1 side as well as an angle control part 3 side, transmits light incident at angles within a second incident angle range, diffracts or scatters part of light incident at angles other than the second incident angle range, and transmits the rest.

Description

本発明は、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)などに代表される面型発光デバイスを備える光源ユニットに関する。   The present invention relates to a light source unit including a surface light emitting device typified by a light emitting diode (LED).

プロジェクタやフラットパネルディスプレイに代表される画像表示装置では、指向性の高い光源ユニットが求められている。   In an image display device represented by a projector or a flat panel display, a light source unit with high directivity is required.

例えば、プロジェクタは、光源からの光を表示素子に照射し、表示素子で形成された画像を投射光学系によって投射するものであるが、出射光の発散角が大きな光源を用いた場合、光源からの光の一部が投射光として利用されず、光利用効率が低下する場合がある。このため、出射光の発散角が小さな光源、すなわち、指向性の高い光源が求められている。   For example, a projector irradiates light from a light source onto a display element and projects an image formed by the display element by a projection optical system. When a light source having a large divergence angle of emitted light is used, In some cases, a part of the light is not used as the projection light, and the light use efficiency is lowered. For this reason, a light source with a small divergence angle of emitted light, that is, a light source with high directivity is required.

特許文献1には、指向性の高い面光源装置が記載されている。この面光源装置は、バックライトと、バックライトの出射面からの光が入射する光学素子と、を有する。   Patent Document 1 describes a surface light source device with high directivity. This surface light source device includes a backlight and an optical element on which light from an exit surface of the backlight is incident.

光学素子は、拡散板およびバンドパスフィルターを含む。バンドパスフィルターは、特定ピーク波長の光に対して、所定の入射角度範囲内の角度で入射した光は透過させ、それ以外の角度で入射した光は反射する。   The optical element includes a diffusion plate and a bandpass filter. The bandpass filter transmits light incident at an angle within a predetermined incident angle range with respect to light having a specific peak wavelength, and reflects light incident at other angles.

光学素子では、バックライトからの光は、拡散板で拡散された後、バンドパスフィルターに入射する。バンドパスフィルターでは、拡散板からの拡散光のうち、所定の入射角度範囲内の角度で入射した光のみが透過し、それ以外の角度で入射した光は、バックライト側の方向に反射される。   In the optical element, light from the backlight is diffused by the diffusion plate and then enters the bandpass filter. In the band-pass filter, only the light incident at an angle within a predetermined incident angle range among the diffused light from the diffusion plate is transmitted, and the light incident at other angles is reflected in the direction of the backlight side. .

バンドパスフィルターからの反射光は、拡散板で拡散された後、バックライトに入射する。バックライトは、拡散板からの拡散光を光学素子側の方向に向けて反射するが、その反射時に、拡散光の一部がバックライトで吸収される。バックライトからの反射光は、拡散板で拡散された後、バンドパスフィルターに入射する。   The reflected light from the bandpass filter is diffused by the diffusion plate and then enters the backlight. The backlight reflects diffused light from the diffuser plate in the direction toward the optical element side, and at the time of reflection, part of the diffused light is absorbed by the backlight. The reflected light from the backlight is diffused by the diffuser and then enters the bandpass filter.

上記の面光源装置によれば、バンドパスフィルターの所定の入射角度範囲に応じた出射角度範囲内で出射光を得られる。   According to the surface light source device described above, the emitted light can be obtained within the emission angle range corresponding to the predetermined incident angle range of the bandpass filter.

また、バンドパスフィルターで反射された光は、バンドパスフィルターとバックライトの間で繰り返し反射される。この反射の過程において、反射光が拡散板で拡散されて、その拡散光の一部がバンドパスフィルターを透過する。このように、バンドパスフィルターで反射された光の一部を出射光として取り出すことができるので、バックライトから出射された光の利用効率が向上し、面光源装置の出射光強度を増大することができる。   Further, the light reflected by the band pass filter is repeatedly reflected between the band pass filter and the backlight. In this reflection process, the reflected light is diffused by the diffusion plate, and a part of the diffused light is transmitted through the band pass filter. As described above, since a part of the light reflected by the band pass filter can be extracted as the outgoing light, the utilization efficiency of the light emitted from the backlight is improved, and the outgoing light intensity of the surface light source device is increased. Can do.

特開2003−337337号公報JP 2003-337337 A

特許文献1に記載の面光源装置において、バンドパスフィルターで反射された光は、拡散板を介してバックライトに入射し、その入射した光の一部がバックライトで吸収される。このバックライトでの光吸収のために、光学素子から出射される光の強度が低下する。   In the surface light source device described in Patent Document 1, the light reflected by the bandpass filter enters the backlight through the diffusion plate, and a part of the incident light is absorbed by the backlight. Due to the light absorption by the backlight, the intensity of the light emitted from the optical element is lowered.

光学素子の出射光強度を高めるには、バックライトでの光吸収を抑制する必要がある。例えば、バックライトから出射された光のうち、所定の入射角度範囲内の角度でバンドパスフィルターへの入射が可能な光を、バンドパスフィルターでの反射なしに、光学素子から出射させることで、バックライトでの光吸収が抑制されて、光学素子の出射光強度が増大する。   In order to increase the emitted light intensity of the optical element, it is necessary to suppress light absorption in the backlight. For example, out of light emitted from the backlight, light that can be incident on the bandpass filter at an angle within a predetermined incident angle range is emitted from the optical element without reflection by the bandpass filter. Light absorption in the backlight is suppressed, and the intensity of emitted light from the optical element increases.

しかし、特許文献1に記載の面光源装置では、バックライトから出射された光は全て拡散板にて拡散され、その拡散光の一部はバンドパスフィルターで反射されるため、上記のようなバックライトでの光吸収を抑制することは困難である。   However, in the surface light source device described in Patent Document 1, all the light emitted from the backlight is diffused by the diffusion plate, and a part of the diffused light is reflected by the bandpass filter. It is difficult to suppress light absorption by the light.

なお、拡散板を除去することで、バックライトから出射された光のうち、所定の入射角度範囲内の角度でバンドパスフィルターへの入射が可能な光を、バンドパスフィルターでの反射なしに、光学素子から出射させることができる。しかし、この場合は、バンドパスフィルターで反射された光は、拡散されずに、バンドパスフィルターとバックライトの間で繰り返し反射されることになるため、その反射光を出射光として利用することができない。   By removing the diffuser plate, the light that can be incident on the bandpass filter at an angle within a predetermined incident angle range out of the light emitted from the backlight, without reflection by the bandpass filter, The light can be emitted from the optical element. However, in this case, the light reflected by the bandpass filter is not diffused and is repeatedly reflected between the bandpass filter and the backlight, so that the reflected light can be used as outgoing light. Can not.

本発明の目的は、出射光強度を高くすることができる、指向性の高い光源ユニット、およびそれを用いた画像表示装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a light source unit with high directivity that can increase the intensity of emitted light, and an image display device using the same.

上記目的を達成するため、本発明の光源ユニットは、
光を出射する発光部と、
前記発光部の出射側に設けられ、前記発光部側から入射した光のうち、第1の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、該第1の入射角度範囲以外の角度で入射した光を前記発光部側の方向へ反射する角度制御部と、
前記発光部と前記角度制御部との間に設けられ、前記発光部側および前記角度制御部側のそれぞれの側から光が入射し、該入射した光のうち、第2の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、該第2の入射角度範囲以外の角度で入射した光については、一部の光を回折または散乱し、残りの光を透過させる角度変換部と、を有する。
In order to achieve the above object, the light source unit of the present invention comprises:
A light emitting unit for emitting light;
Provided on the emission side of the light-emitting unit, out of the light incident from the light-emitting unit side, transmits light incident at an angle within the first incident angle range, and enters at an angle other than the first incident angle range An angle control unit that reflects the emitted light toward the light emitting unit side;
Provided between the light emitting unit and the angle control unit, light is incident from each side of the light emitting unit side and the angle control unit side, and the incident light within a second incident angle range An angle conversion unit that transmits light incident at an angle and diffracts or scatters part of the light incident at an angle outside the second incident angle range and transmits the remaining light.

本発明の画像表示装置は、
上記の光源ユニットと、
前記光源ユニットから出射された光を映像信号に応じて変調して、当該映像信号に応じた画像を表示する表示部と、を有する。
The image display device of the present invention is
The above light source unit;
A display unit that modulates light emitted from the light source unit according to a video signal and displays an image according to the video signal.

本発明によれば、発光部から出射された光のうち、角度変換部への入射角が第2の入射角度範囲内である光は、回折または散乱されることなく、そのまま角度変換部および角度制御部を透過する。このように、発光部から出射された光の一部を、そのまま出射光として取り出すことができるので、発光部での光吸収を抑制することができ、出射光強度を増大することができる。   According to the present invention, among the light emitted from the light emitting unit, the light whose incident angle to the angle converting unit is within the second incident angle range is not diffracted or scattered, and is directly converted into the angle converting unit and the angle. It passes through the control unit. Thus, part of the light emitted from the light emitting unit can be extracted as emitted light as it is, so that light absorption in the light emitting unit can be suppressed, and the intensity of the emitted light can be increased.

本発明の第1の実施形態の光源ユニットの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the light source unit of the 1st Embodiment of this invention. 図1に示す光源ユニットの面型発光デバイスの断面構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross-section of the surface light-emitting device of the light source unit shown in FIG. 回折格子の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of a diffraction grating. 波長が460nmの光を図3に示す回折格子に入射した場合の入射角と格子周期と+1次回折光の回折角との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the incident angle when a light with a wavelength of 460 nm injects into the diffraction grating shown in FIG. 3, a grating period, and the diffraction angle of + 1st order diffracted light. 波長が460nmの光を図3に示す回折格子に入射した場合の入射角と格子周期と−1次回折光の回折角との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the incident angle, grating | lattice period, and diffraction angle of -1st order diffracted light when the light of wavelength 460nm injects into the diffraction grating shown in FIG. 格子周期が300nm、入射光の波長が460nmである場合の、入射角度に対する回折角度の変化を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the change of the diffraction angle with respect to an incident angle in case a grating | lattice period is 300 nm and the wavelength of incident light is 460 nm. 比較例である光源ユニットの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the light source unit which is a comparative example. 図1に示す光源ユニットの動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating operation | movement of the light source unit shown in FIG. 図1に示す光源ユニットの角度変換部の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the angle conversion part of the light source unit shown in FIG. 図1に示す光源ユニットの角度変換部の別の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another example of the angle conversion part of the light source unit shown in FIG. 本発明の第2の実施形態の光源ユニットの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the light source unit of the 2nd Embodiment of this invention. 図9に示す光源ユニットの動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating operation | movement of the light source unit shown in FIG. 図6Aに示す比較例の光源ユニットの出射光強度と出射角度の関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the emitted light intensity of the light source unit of a comparative example shown to FIG. 6A, and an emitted angle. 図9に示す光源ユニットの出射光強度と出射角度の関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the emitted light intensity of a light source unit shown in FIG. 9, and an emitted angle. 図9に示す光源ユニットの角度変換部の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the angle conversion part of the light source unit shown in FIG. 図9に示す光源ユニットの角度変換部の別の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another example of the angle conversion part of the light source unit shown in FIG. 図9に示す光源ユニットの角度変換部のさらに別の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another example of the angle conversion part of the light source unit shown in FIG. 本発明の第3の実施形態の光源ユニットの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the light source unit of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の光源ユニットを備える画像表示装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of an image display apparatus provided with the light source unit of this invention.

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態の光源ユニットの構成を示す模式図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a light source unit according to the first embodiment of the present invention.

図1を参照すると、光源ユニットは、プロジェクタやフラットパネルディスプレイに代表される画像表示装置に用いられるものであって、面型発光デバイス1、角度変換部2および角度制御部3を有する。図1において、実線で示した矢印は0次光を示し、破線で示した矢印は回折光を示す。   Referring to FIG. 1, the light source unit is used in an image display device typified by a projector or a flat panel display, and includes a surface light emitting device 1, an angle conversion unit 2, and an angle control unit 3. In FIG. 1, an arrow indicated by a solid line indicates zero-order light, and an arrow indicated by a broken line indicates diffracted light.

面型発光デバイス1は、LEDや面発光レーザなどの面発光型の固体光源または光源と導光板からなる面発光デバイスであって、所望の色(例えば、赤、緑、青など)の波長帯域にピーク波長を有する特定の波長範囲の光を出射する。以下では、ピーク波長を面型発光デバイス1の発光波長とする。   The surface light-emitting device 1 is a surface-emitting solid-state light source such as an LED or a surface-emitting laser or a surface light-emitting device including a light source and a light guide plate, and has a desired wavelength (for example, red, green, blue, etc.) The light in a specific wavelength range having a peak wavelength is emitted. Hereinafter, the peak wavelength is the emission wavelength of the surface light emitting device 1.

図2に、光源ユニットの面型発光デバイス1の断面構造を模式的に示す。   FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure of the surface light emitting device 1 of the light source unit.

図2に示すように、面型発光デバイス1は、基板10上に実装されており、反射層11と、発光部12と、電極パッド15および16とを含む。   As shown in FIG. 2, the surface light emitting device 1 is mounted on a substrate 10 and includes a reflective layer 11, a light emitting unit 12, and electrode pads 15 and 16.

反射層11は、基板10の上に実装されている。発光部12が反射層11の一部の領域上に形成され、電極パッド15が反射層11の別の領域上に形成されている。電極パッド16が、発光部12の一部の領域上に形成されている。電極パッド15および16は、不図示の外部電極と電気的に接続されている。   The reflective layer 11 is mounted on the substrate 10. The light emitting unit 12 is formed on a partial region of the reflective layer 11, and the electrode pad 15 is formed on another region of the reflective layer 11. The electrode pad 16 is formed on a partial region of the light emitting unit 12. The electrode pads 15 and 16 are electrically connected to an external electrode (not shown).

発光部12は、p型半導体層12Aと、活性層12Bと、n型半導体層12Cとを有する。活性層12Bは、p型半導体層12Aおよびn型半導体層12Cの間に設けられている。より具体的には、p型半導体層12A、活性層12Bおよびn型半導体層12Cは、この順番で、反射層11上に積層されている。   The light emitting unit 12 includes a p-type semiconductor layer 12A, an active layer 12B, and an n-type semiconductor layer 12C. The active layer 12B is provided between the p-type semiconductor layer 12A and the n-type semiconductor layer 12C. More specifically, the p-type semiconductor layer 12A, the active layer 12B, and the n-type semiconductor layer 12C are stacked on the reflective layer 11 in this order.

反射層11は、発光部12側から基板1側へ向かう光を発光部12側に反射する。   The reflective layer 11 reflects light traveling from the light emitting unit 12 side to the substrate 1 side to the light emitting unit 12 side.

発光部12には、外部電源から電極パッド15および16を介して電流が供給され、その電流に応じて、発光部12から光が発生する。より具体的には、外部電源から電極パッド15および16を介して、p型半導体層12Aとn型半導体層12Cとの間に電圧が印加され、それらの間に電流が流れると、活性層12Bにて光が発生する。すなわち活性層12Bは光を発生させる発光層として機能する。   A current is supplied to the light emitting unit 12 from an external power source through the electrode pads 15 and 16, and light is generated from the light emitting unit 12 in accordance with the current. More specifically, when a voltage is applied between the p-type semiconductor layer 12A and the n-type semiconductor layer 12C via the electrode pads 15 and 16 from an external power source, and a current flows between them, the active layer 12B Light is generated at That is, the active layer 12B functions as a light emitting layer that generates light.

角度制御部3は、面型発光デバイス1の出射側(n型半導体層12C側)に設けられており、面型発光デバイス1側から入射した特定の波長の光のうち、第1の入射角度範囲内で入射した光を透過させ、該第1の入射角度範囲以外の角度で入射した光を面型発光デバイス1側の方向に反射する。   The angle control unit 3 is provided on the emission side (n-type semiconductor layer 12C side) of the surface light emitting device 1, and the first incident angle among the light of a specific wavelength incident from the surface light emitting device 1 side. Light incident within the range is transmitted, and light incident at an angle other than the first incident angle range is reflected in the direction toward the surface light emitting device 1 side.

具体的には、角度制御部3は、誘電体多層膜よりなる。誘電体多層膜は、例えば、屈折率が異なる第1および第2の誘電体層を交互に積層したものであって、その積層方向において、屈折率が異なる領域が周期的に配置された構造を有する。誘電体材料としては、SiO2、Nb25、ZnO、TiO2、MgF2、Al23、SrO、CaO、BaO、Bi23などがある。 Specifically, the angle control unit 3 is made of a dielectric multilayer film. The dielectric multilayer film has a structure in which, for example, first and second dielectric layers having different refractive indexes are alternately stacked, and regions having different refractive indexes are periodically arranged in the stacking direction. Have. Examples of the dielectric material include SiO 2 , Nb 2 O 5 , ZnO, TiO 2 , MgF 2 , Al 2 O 3 , SrO, CaO, BaO, and Bi 2 O 3 .

このような誘電体多層膜は、所定の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、所定の入射角度範囲以外の角度で入射した光を反射するといった特性を有する。所定の入射角度範囲は、誘電体層の屈折率および周期(間隔)によって決定される。   Such a dielectric multilayer film has characteristics such that light incident at an angle within a predetermined incident angle range is transmitted and light incident at an angle other than the predetermined incident angle range is reflected. The predetermined incident angle range is determined by the refractive index and period (interval) of the dielectric layer.

第1の入射角度範囲は、本実施形態の光源ユニットの出射光の発散角に対応し、誘電体層の屈折率および周期(間隔)を調整することで任意に設定することができる。   The first incident angle range corresponds to the divergence angle of the emitted light of the light source unit of the present embodiment, and can be arbitrarily set by adjusting the refractive index and period (interval) of the dielectric layer.

例えば、本実施形態の光源ユニットをプロジェクタに適用した場合は、第1の入射角度範囲は、光源の光出射断面積と出射光の発散角とで決まるエテンデューと呼ばれる制約を考慮して設定する。エテンデューによれば、光源の光出射断面積と出射光の発散角との積の値を、表示素子の表示面積と投射光学系のFナンバーで決まる取り込み角(立体角)との積の値以下にすることで、光源から出射した光の全てを投射光として利用することができる。第1の入射角度範囲は、そのような条件を満たすような出射光の発散角を得られるように設定される。   For example, when the light source unit according to the present embodiment is applied to a projector, the first incident angle range is set in consideration of a limitation called etendue determined by the light emission cross-sectional area of the light source and the divergence angle of the emitted light. According to etendue, the product of the light emission cross-sectional area of the light source and the divergence angle of the emitted light is less than the product of the display area of the display element and the capture angle (solid angle) determined by the F number of the projection optical system. By doing so, all of the light emitted from the light source can be used as projection light. The first incident angle range is set so as to obtain a divergence angle of the emitted light that satisfies such a condition.

角度変換部2は、面型発光デバイス1と角度制御部3との間に設けられ、面型発光デバイス1側から入射した特定の波長の光のうち、第2の入射角度範囲内で入射した光を透過させ、該第2の入射角度範囲以外の角度で入射した光については、一部の光を回折し、残りの光を0次光として透過させる。   The angle conversion unit 2 is provided between the surface light emitting device 1 and the angle control unit 3 and is incident within a second incident angle range among light of a specific wavelength incident from the surface light emitting device 1 side. For light that is transmitted and incident at an angle other than the second incident angle range, part of the light is diffracted and the remaining light is transmitted as zero-order light.

具体的には、角度変換部2は、一層の回折格子よりなる。回折格子は、例えば、ガラス板の一方の面に、凸部または凹部をアレイ状に形成した凹凸構造を有する。回折が生じる入射角度範囲は、凹凸のピッチ(格子周期)により決まる。凹凸構造としては、一方向に延伸した溝部(凹部)が一定の間隔で設けられたものや、円錐、四角錐、円柱、四角柱などの凸部が周期的に2次元に配置されたものなどがある。   Specifically, the angle conversion unit 2 is composed of a single diffraction grating. For example, the diffraction grating has an uneven structure in which convex portions or concave portions are formed in an array on one surface of a glass plate. The incident angle range in which diffraction occurs is determined by the pitch (grating period) of the unevenness. Examples of the concavo-convex structure include a structure in which grooves (concave portions) extending in one direction are provided at regular intervals, and a convex portion such as a cone, a quadrangular pyramid, a cylinder, or a quadrangular prism is periodically arranged in two dimensions. There is.

図3に示すように、通常、格子周期Pを有する回折格子300では、光が入射角θ1で入射した場合、0次光の他に、回折角θ2の1次回折光が生じる。入射角θ1と回折角θ2は、数式1の関係を満たす。
Psinθ1−Psinθ2=mλ ・・・(数式1)
ここで、λは入射光の波長、mは0以外の正負の整数である。mは回折光の回折次数を表しており、例えば、m=+1の時に数式1を満たす回折角θ2の回折光を+1次回折光、m=−1の時に数式1を満たす回折角θ2の回折光を−1次回折光と呼ぶ。
As shown in FIG. 3, normally, in the diffraction grating 300 having the grating period P, when light is incident at an incident angle θ1, first-order diffracted light having a diffraction angle θ2 is generated in addition to zero-order light. The incident angle θ1 and the diffraction angle θ2 satisfy the relationship of Equation 1.
Psin θ1-Psin θ2 = mλ (Formula 1)
Here, λ is the wavelength of incident light, and m is a positive or negative integer other than zero. m represents the diffraction order of the diffracted light. For example, diffracted light having a diffraction angle θ2 satisfying Equation 1 when m = + 1 is + 1st order diffracted light, and diffracted light having diffraction angle θ2 satisfying Equation 1 when m = −1. Is called −1st order diffracted light.

図4Aに、波長が460nmの光を回折格子300に入射した場合の入射角θ1と格子周期Pと+1次回折光の出射角(回折角θ2)との関係を示す。図4Bに、波長が460nmの光を回折格子300に入射した場合の入射角θ1と格子周期Pと−1次回折光の出射角(回折角θ2)との関係を示す。図4Aおよび図4Bにおいて、縦軸は入射角θ1を示し、横軸は格子周期Pを示す。また、図中の右側に示したスケールは、1次回折光の出射角(回折角θ2)を濃度で表わしたものである。   FIG. 4A shows the relationship between the incident angle θ1, the grating period P, and the emission angle (diffraction angle θ2) of the + 1st order diffracted light when light having a wavelength of 460 nm is incident on the diffraction grating 300. FIG. 4B shows the relationship between the incident angle θ1, the grating period P, and the emission angle (diffraction angle θ2) of the −1st order diffracted light when light having a wavelength of 460 nm is incident on the diffraction grating 300. 4A and 4B, the vertical axis represents the incident angle θ1, and the horizontal axis represents the grating period P. Further, the scale shown on the right side in the figure represents the emission angle (diffraction angle θ2) of the first-order diffracted light in terms of concentration.

図4Aおよび図4Bから分かるように、0次光のみが生じる第1の入射角度範囲(等高線が無い領域)と、+1次回折光または−1次回折光と0次光とが生じる第2の入射角度範囲(等高線が有る領域)との境界によって示される入射角度の閾値は、格子周期Pに応じて変化する。   As can be seen from FIG. 4A and FIG. 4B, the first incident angle range in which only the 0th order light is generated (the region without the contour line) and the second incident angle in which the + 1st order diffracted light or the −1st order diffracted light and the 0th order light are generated. The threshold value of the incident angle indicated by the boundary with the range (the region having the contour lines) changes according to the grating period P.

角度変換部2の第2の入射角度範囲は、入射角度の閾値によって決まる。格子周期Pを調整することにより、入射角度の閾値を所望の入射角度に設定することができる。ただし、格子周期Pは、λ/2<P<λの範囲である。図4Aおよび図4Bの例では、λ=460nmである。   The second incident angle range of the angle conversion unit 2 is determined by the threshold value of the incident angle. By adjusting the grating period P, the threshold value of the incident angle can be set to a desired incident angle. However, the grating period P is in the range of λ / 2 <P <λ. In the example of FIGS. 4A and 4B, λ = 460 nm.

図5に、格子周期Pが300nm、入射光の波長が460nmである場合の、入射角度に対する回折角度の変化を示す。図5において、黒丸により示された曲線は、+1次回折光の入射角度に対する回折角度の変化を示し、白丸により示された曲線は、−1次回折光の入射角度に対する回折角度の変化を示す。   FIG. 5 shows changes in the diffraction angle with respect to the incident angle when the grating period P is 300 nm and the wavelength of incident light is 460 nm. In FIG. 5, a curve indicated by a black circle indicates a change in the diffraction angle with respect to the incident angle of the + 1st order diffracted light, and a curve indicated by a white circle indicates a change in the diffraction angle with respect to the incident angle of the −1st order diffracted light.

+1次回折光に対する入射角度の閾値は−30°であり、−1次回折光に対する入射角度の閾値は30°である。入射角度が30°以下、−30°以上の角度範囲A1では、0次光のみが生じ、回折光は生じない。入射角度が30°を超える角度範囲A2では、0次光および−1次回折光が生じる。入射角度が−30°を下回る角度範囲A3では、0次光および+1次回折光が生じる。   The threshold value of the incident angle with respect to the + 1st order diffracted light is −30 °, and the threshold value of the incident angle with respect to the −1st order diffracted light is 30 °. In the angle range A1 where the incident angle is 30 ° or less and −30 ° or more, only 0th-order light is generated and diffracted light is not generated. In the angle range A2 where the incident angle exceeds 30 °, 0th-order light and −1st-order diffracted light are generated. In the angle range A3 where the incident angle is less than −30 °, 0th-order light and + 1st-order diffracted light are generated.

角度範囲A1は、角度変換部2の第2の入射角度範囲に対応する。図5に示した例では、回折格子は、波長460nmの入射光のうち、角度範囲A1内の角度で入射した光を透過させる。また、回折格子は、角度範囲A1以外の角度で入射した光の一部を回折する。   The angle range A1 corresponds to the second incident angle range of the angle conversion unit 2. In the example illustrated in FIG. 5, the diffraction grating transmits light incident at an angle within the angle range A <b> 1 out of incident light having a wavelength of 460 nm. The diffraction grating diffracts a part of the incident light at an angle other than the angle range A1.

次に、本実施形態の光源ユニットの動作について説明する。ここでは、角度変換部2と角度制御部3は略平行に配置され、角度変換部2の第2の入射角度範囲は、角度制御部3の第1の入射角度範囲よりも小さくなるように設定されている。   Next, the operation of the light source unit of this embodiment will be described. Here, the angle conversion unit 2 and the angle control unit 3 are arranged substantially in parallel, and the second incident angle range of the angle conversion unit 2 is set to be smaller than the first incident angle range of the angle control unit 3. Has been.

面型発光デバイス1から出射された光は、角度変換部2に入射する。角度変換部2は、入射光のうち、第2の入射角度範囲内の角度で入射した光をそのまま透過させ、第2の入射角度範囲以外の角度で入射した光については、一部の光を回折する。   Light emitted from the surface light emitting device 1 enters the angle conversion unit 2. The angle conversion unit 2 transmits the incident light at an angle within the second incident angle range as it is, and transmits a part of the incident light at an angle other than the second incident angle range. Diffraction.

角度変換部2を透過した第2の入射角度範囲内の第1の透過光(0次光のみ)は、角度制御部3に入射する。第1の透過光の角度制御部3への入射角度は、第1の入射角度範囲内であるので、第1の透過光は、角度制御部3をそのまま透過する。   The first transmitted light (only the 0th-order light) within the second incident angle range transmitted through the angle conversion unit 2 enters the angle control unit 3. Since the incident angle of the first transmitted light to the angle control unit 3 is within the first incident angle range, the first transmitted light is transmitted through the angle control unit 3 as it is.

一方、角度変換部2を透過した第2の入射角度範囲以外の第2の透過光(0次光および1次回折光)も、角度制御部3に入射する。第2の透過光に含まれている光のうち、角度制御部3への入射角度が第1の入射角度範囲内にあるものは角度制御部3を透過し、角度制御部3への入射角度が第1の入射角度範囲外にあるものは角度制御部3の入射面で、角度変換部2側の方向へ反射される。   On the other hand, second transmitted light (0th-order light and first-order diffracted light) outside the second incident angle range transmitted through the angle conversion unit 2 also enters the angle control unit 3. Of the light contained in the second transmitted light, the light whose incident angle to the angle control unit 3 is within the first incident angle range is transmitted through the angle control unit 3 and incident to the angle control unit 3. Is outside the first incident angle range, and is incident on the angle control unit 3 and is reflected in the direction of the angle conversion unit 2.

第2の透過光には、角度制御部3への入射角度が第1の入射角度範囲以外である第1の1次回折光を含むものや、角度制御部3への入射角度が第1の入射角度範囲内である第2の1次回折光を含むものがある。第1の1次回折光は、角度制御部3の入射面で、角度変換部2側の方向へ反射されるが、第2の1次回折光は、角度制御部3をそのまま透過する。   The second transmitted light includes the first primary diffracted light whose incident angle to the angle control unit 3 is outside the first incident angle range, or the incident angle to the angle control unit 3 is the first incident. Some include second-order first-order diffracted light within an angular range. The first first-order diffracted light is reflected on the incident surface of the angle control unit 3 in the direction of the angle conversion unit 2, but the second first-order diffracted light passes through the angle control unit 3 as it is.

角度制御部3の入射面で反射された反射光は、角度制御部3と面型発光デバイス1の間で繰り返し反射される。この多重反射の過程において、面型発光デバイス1に入射した光の一部が面型発光デバイス1で吸収される。   The reflected light reflected by the incident surface of the angle control unit 3 is repeatedly reflected between the angle control unit 3 and the surface light emitting device 1. In the process of multiple reflection, part of the light incident on the surface light emitting device 1 is absorbed by the surface light emitting device 1.

加えて、多重反射の過程において、反射光の一部は、角度変換部2にて回折され、その角度制御部3への入射角度が変化する。この回折を通じて、反射光の一部の光の角度制御部3への入射角度が第1の入射角度範囲内となる。角度制御部3への入射角度が第1の入射角度範囲内となった反射光は、角度制御部3をそのまま透過する。このように、多重反射による反射光の再利用が可能である。   In addition, in the process of multiple reflection, part of the reflected light is diffracted by the angle conversion unit 2 and the angle of incidence on the angle control unit 3 changes. Through this diffraction, the incident angle of a part of the reflected light to the angle control unit 3 is within the first incident angle range. The reflected light whose incident angle to the angle control unit 3 is within the first incident angle range is transmitted through the angle control unit 3 as it is. In this way, it is possible to reuse the reflected light by multiple reflection.

以下、比較例を上げて、本実施形態の光源ユニットによる出射光強度の低下の抑制効果について説明する。   Hereinafter, a comparative example will be described to explain the effect of suppressing the decrease in emitted light intensity by the light source unit of the present embodiment.

図6Aに、比較例である光源ユニットの構成を示す。比較例の光源ユニットは、図1に示した光源ユニットの角度変換部2に代えて拡散板200を設けたものである。面発光デバイス1および角度制御部3は、図1に示したものと同じである。   FIG. 6A shows a configuration of a light source unit as a comparative example. The light source unit of the comparative example is provided with a diffusion plate 200 instead of the angle conversion unit 2 of the light source unit shown in FIG. The surface emitting device 1 and the angle control unit 3 are the same as those shown in FIG.

比較例の光源ユニットにおいては、図6Aに示すように、面発光デバイス1側から角度制御部3側に向かう光は全て、拡散板200で拡散される。拡散光は、拡散板200の両面(角度制御部3側の面および面型発光デバイス1側の面)から出射される。   In the light source unit of the comparative example, as shown in FIG. 6A, all the light traveling from the surface light emitting device 1 side to the angle control unit 3 side is diffused by the diffusion plate 200. The diffused light is emitted from both surfaces of the diffusion plate 200 (the surface on the angle control unit 3 side and the surface on the surface light emitting device 1 side).

拡散板200の角度制御部3側の面から出射された拡散光は、角度制御部3に入射する。角度制御部3は、拡散板200からの拡散光のうち、第1の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、残りの光は拡散板200側の方向に反射する。角度制御部3からの反射光は、拡散板200にて拡散される。   Diffused light emitted from the surface of the diffusing plate 200 on the angle control unit 3 side enters the angle control unit 3. The angle control unit 3 transmits light incident at an angle within the first incident angle range out of the diffused light from the diffuser plate 200 and reflects the remaining light in the direction toward the diffuser plate 200. The reflected light from the angle control unit 3 is diffused by the diffusion plate 200.

拡散板200の面型発光デバイス1側の面から出射された拡散光は、面発光デバイス1に入射する。面発光デバイス1では、入射した光の一部が吸収される。   Diffused light emitted from the surface of the diffusion plate 200 on the surface light emitting device 1 side enters the surface light emitting device 1. In the surface emitting device 1, a part of the incident light is absorbed.

このように、比較例の光源ユニットでは、面発光デバイス1から出射された光は、必ず、拡散板200にて拡散されて、その一部が面発光デバイス1で吸収されるので、出射光の強度が低下する。   As described above, in the light source unit of the comparative example, the light emitted from the surface light emitting device 1 is necessarily diffused by the diffusion plate 200 and part of the light is absorbed by the surface light emitting device 1. Strength decreases.

これに対して、本実施形態の光源ユニットによれば、図6Bに示すように、面型発光デバイス1から出射された光のうち、角度変換部2への入射角が第2の入射角度範囲内である光1aは、回折されることなく、そのまま角度変換部2および角度制御部3を透過する。   On the other hand, according to the light source unit of the present embodiment, as shown in FIG. 6B, the incident angle to the angle conversion unit 2 out of the light emitted from the surface light emitting device 1 is in the second incident angle range. The inner light 1a is transmitted through the angle conversion unit 2 and the angle control unit 3 without being diffracted.

このように、面型発光デバイス1から出射された光の一部を、そのまま出射光として取り出すことができるので、図6Aに示した光源ユニットと比較して、面型発光デバイス1での光吸収による出射光強度の低下を抑制することができる。   As described above, since a part of the light emitted from the surface light emitting device 1 can be extracted as emitted light as it is, the light absorption in the surface light emitting device 1 compared with the light source unit shown in FIG. 6A. The fall of the emitted light intensity by can be suppressed.

また、面型発光デバイス1から出射された光のうち、角度変換部2への入射角が第2の入射角度範囲以外の光には、角度変換部2で生じる1次回折光の角度制御部3への入射角が第1の入射角度範囲内となる光1bも含まれている。この光1bについては、一部の光が角度変換部2にて回折され、その1次回折光の一部は角度制御部3を透過する。これによっても、面型発光デバイス1での光吸収による出射光強度の低下を抑制することができる。   Of the light emitted from the surface light emitting device 1, the angle control unit 3 for the first-order diffracted light generated by the angle conversion unit 2 is used for light whose incident angle to the angle conversion unit 2 is outside the second incident angle range. Also included is light 1b having an incident angle within the first incident angle range. As for the light 1 b, a part of the light is diffracted by the angle conversion unit 2, and a part of the first-order diffracted light passes through the angle control unit 3. Also by this, the fall of the emitted light intensity by the light absorption in the surface light-emitting device 1 can be suppressed.

以上説明した本実施形態の光源ユニットは、本発明の一例であり、その構成は図示したものに限定されない。   The light source unit of the present embodiment described above is an example of the present invention, and the configuration is not limited to the illustrated one.

例えば、角度変換部2の格子周期Pは、一定であっても、ランダムであってもよい。ただし、格子周期Pは、λ/2<P<λの条件を満たす必要がある。   For example, the grating period P of the angle conversion unit 2 may be constant or random. However, the grating period P needs to satisfy the condition of λ / 2 <P <λ.

図7に、格子周期Pがランダムである角度変換部2の一例を示す。   FIG. 7 shows an example of the angle conversion unit 2 in which the grating period P is random.

図7を参照すると、角度変換部2は、ガラスなどの基板20と、基板20上に形成された複数の凸部21を有する。各凸部21は、直方体形状のものであり、不等間隔で一方向に平行に形成されている。   Referring to FIG. 7, the angle conversion unit 2 includes a substrate 20 such as glass and a plurality of convex portions 21 formed on the substrate 20. Each convex part 21 is a rectangular parallelepiped shape, and is formed in parallel with one direction at unequal intervals.

凸部21の間隔(格子周期P)を不等間隔とすることで、角度変換部2にて回折された光の回折角に広がりが生じる。すなわち、角度変換部2に入射した光は、凸部21の間隔の変動幅(周期変動幅)に応じた角度内で散乱される。また、発光部12と角度制御部3の間で多重反射および回折を繰り返す際に、角度変換部2への入射位置によって回折角度が変化する。これにより、角度変換部2による拡散効果が増大し、反射光の再利用効率が向上する。ただし、この場合は、入射角度の閾値は、凸部21の間隔の変動幅(周期変動幅)に応じた変動幅を持つ。   By setting the intervals (grating period P) of the convex portions 21 to be unequal intervals, the diffraction angle of the light diffracted by the angle conversion unit 2 is expanded. That is, the light incident on the angle conversion unit 2 is scattered within an angle corresponding to the variation width (periodic variation width) of the interval between the convex portions 21. Further, when multiple reflection and diffraction are repeated between the light emitting unit 12 and the angle control unit 3, the diffraction angle changes depending on the incident position on the angle conversion unit 2. Thereby, the diffusion effect by the angle conversion part 2 increases, and the reuse efficiency of reflected light improves. However, in this case, the threshold value of the incident angle has a fluctuation width corresponding to the fluctuation width (periodic fluctuation width) of the interval between the convex portions 21.

図8に、格子周期Pがランダムである角度変換部2の別の例を示す。   FIG. 8 shows another example of the angle conversion unit 2 in which the grating period P is random.

図8を参照すると、角度変換部2は、ガラスなどの基板20と、基板20上に形成された複数の凸部22を有する。凸部22は、直方体形状のものであり、不等間隔で2次元に形成されている。第1の方向に並ぶ凸部22の間隔および第1の方向と直交する第2の方向に並ぶ凸部22の間隔はいずれも不等間隔である。   Referring to FIG. 8, the angle conversion unit 2 includes a substrate 20 such as glass and a plurality of convex portions 22 formed on the substrate 20. The convex portions 22 have a rectangular parallelepiped shape and are two-dimensionally formed at unequal intervals. The intervals between the convex portions 22 arranged in the first direction and the intervals between the convex portions 22 arranged in the second direction orthogonal to the first direction are both unequal intervals.

図8に示す角度変換部2によっても、拡散効果が増大し、反射光の再利用効率が向上する。   The angle conversion unit 2 shown in FIG. 8 also increases the diffusion effect and improves the reuse efficiency of the reflected light.

図7および図8に示した角度変換部2において、高さ(厚さ)や幅が異なる複数の凸部を設けてもよい。   In the angle conversion part 2 shown in FIG. 7 and FIG. 8, you may provide several convex part from which height (thickness) and width differ.

また、図7に示した角度変換部2において、凸部21の断面形状は四角形に限定されず、三角形状など他の形状であってもよい。図8に示した角度変換部2においても、凸部22の形状は、直方体に限定されず、円錐、四角錐、円柱などの形状であってもよい。   Moreover, in the angle conversion part 2 shown in FIG. 7, the cross-sectional shape of the convex part 21 is not limited to a square shape, Other shapes, such as a triangular shape, may be sufficient. Also in the angle conversion part 2 shown in FIG. 8, the shape of the convex part 22 is not limited to a rectangular parallelepiped, and may be a shape such as a cone, a quadrangular pyramid, or a cylinder.

(第2の実施形態)
図9は、本発明の第2の実施形態の光源ユニットの構成を示す模式図である。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration of a light source unit according to the second embodiment of the present invention.

図9に示す光源ユニットは、角度変換部2に代えて角度変換部4を設けた点で、第1の実施形態のものと異なる。面型発光デバイス1および角度制御部3は、第1の実施形態で説明したものと同じであるので、ここでは、その詳細な説明は省略する。   The light source unit shown in FIG. 9 is different from that of the first embodiment in that an angle conversion unit 4 is provided instead of the angle conversion unit 2. Since the surface light emitting device 1 and the angle control unit 3 are the same as those described in the first embodiment, detailed description thereof is omitted here.

角度変換部4は、多層回折格子であって、屈折率が異なる誘電体層4a、4bを交互に積層した誘電体多層膜よりなる。誘電体多層膜の面型発光デバイス1側の面と誘電体層4a、4bの界面とには、凹凸部が周期的に形成されている。誘電体層4a、4bとしては、SiO2、Nb25、ZnO、TiO2、MgF2、Al23、SrO、CaO、BaO、Bi23などがある。 The angle conversion unit 4 is a multilayer diffraction grating, and includes a dielectric multilayer film in which dielectric layers 4a and 4b having different refractive indexes are alternately stacked. Irregularities are periodically formed on the surface of the dielectric multilayer film on the surface light emitting device 1 side and the interface of the dielectric layers 4a and 4b. Dielectric layer 4a, as the 4b, SiO 2, Nb 2 O 5, ZnO, TiO 2, MgF 2, Al 2 O 3, SrO, CaO, BaO, and the like Bi 2 O 3.

第1の実施形態で説明した角度変換部2と同様、角度変換部4の各回折格子は、面型発光デバイス1側から入射した特定の波長の光のうち、第2の入射角度範囲内で入射した光を透過させ、該第2の入射角度範囲以外の角度で入射した光については、一部の光を回折(または散乱)する。ここで、第2の入射角度範囲は、第1の実施形態で説明した角度変換部2の第2の入射角度範囲と同じように定義することができる。   As with the angle conversion unit 2 described in the first embodiment, each diffraction grating of the angle conversion unit 4 has a specific wavelength within the second incident angle range of light incident from the surface light emitting device 1 side. The incident light is transmitted, and a part of the light is diffracted (or scattered) with respect to the light incident at an angle other than the second incident angle range. Here, the second incident angle range can be defined in the same manner as the second incident angle range of the angle conversion unit 2 described in the first embodiment.

また、角度変換部4では、第2の入射角度範囲以外の角度で入射した光は多重回折(散乱)される。この多層回折を利用して、面型発光デバイス1から出射された光を効率良く第1の入射角度範囲内の角度で角度制御部3に入射させることができる。   Further, in the angle conversion unit 4, light incident at an angle other than the second incident angle range is subjected to multiple diffraction (scattering). By utilizing this multilayer diffraction, the light emitted from the surface light emitting device 1 can be efficiently incident on the angle control unit 3 at an angle within the first incident angle range.

以下、角度変換部4の動作を具体的に説明する。ここでは、角度制御部3および角度変換部4は略平行に配置され、角度変換部4の第2の入射角度範囲が、角度制御部3の第1の入射角度範囲よりも小さくなるように設定されている。   Hereinafter, the operation of the angle conversion unit 4 will be specifically described. Here, the angle control unit 3 and the angle conversion unit 4 are arranged substantially in parallel, and the second incident angle range of the angle conversion unit 4 is set to be smaller than the first incident angle range of the angle control unit 3. Has been.

図10に示すように、面型発光デバイス1から出射された光のうち、角度変換部4への入射角が第2の入射角度範囲内である光1aは、回折または散乱されることなく、そのまま角度変換部4および角度制御部3を透過する。   As shown in FIG. 10, among the light emitted from the surface light emitting device 1, the light 1 a whose incident angle to the angle conversion unit 4 is within the second incident angle range is not diffracted or scattered, The light passes through the angle conversion unit 4 and the angle control unit 3 as they are.

また、面型発光デバイス1から出射された光のうち、角度変換部4への入射角が第2の入射角度範囲内である光1bに関して、各回折格子において、0次光として入射した光の一部が回折される。図10中、実線で示した矢印は0次光を示し、破線で示した矢印は1次回折光を示す。   Of the light emitted from the surface light emitting device 1, the light 1 b having the incident angle to the angle conversion unit 4 within the second incident angle range is the light incident as the 0th order light in each diffraction grating. Part is diffracted. In FIG. 10, an arrow indicated by a solid line indicates zero-order light, and an arrow indicated by a broken line indicates first-order diffracted light.

また、面型発光デバイス1から出射された光のうち、角度変換部4を0次光として透過または回折された光1bに関して、光の角度制御部3への入射角が第1の入射角度範囲内にあるものは角度制御部3を透過する。   Of the light emitted from the surface light emitting device 1, the incident angle of the light to the angle control unit 3 with respect to the light 1 b transmitted or diffracted with the angle conversion unit 4 as the 0th order light is in the first incident angle range. What is inside passes through the angle control unit 3.

一方、光1bのうち、角度制御部3への入射角度が第1の入射角度範囲外にあるものは角度制御部3の入射面で、角度変換部2側の方向へ反射される。   On the other hand, the light 1b whose incident angle to the angle control unit 3 is outside the first incident angle range is reflected on the incident surface of the angle control unit 3 in the direction of the angle conversion unit 2 side.

第1の実施形態では、角度変換部2は1層の回折格子よりなるため、面型発光デバイス1から出射された光1bについて、その回折格子を透過した0次光のうち、第1の入射角度範囲外の光は、角度制御部3で面型発光デバイス1側の方向に反射される。   In the first embodiment, since the angle conversion unit 2 includes a single layer diffraction grating, the first incidence of the light 1b emitted from the surface light emitting device 1 out of the 0th-order light transmitted through the diffraction grating. Light outside the angle range is reflected by the angle control unit 3 in the direction of the surface light emitting device 1 side.

これに対して、本実施形態では、角度変換部4は多層の回折格子よりなるため、面型発光デバイス1から出射された光1bについて、1層目の回折格子を透過した0次光は、2層目以降の回折格子にて、その一部が回折され、1次回折光が生じる。各回折格子で生じた1次回折光の一部は、角度制御部3を透過する。   On the other hand, in the present embodiment, the angle conversion unit 4 is composed of a multilayer diffraction grating, and therefore the 0th-order light transmitted through the first diffraction grating of the light 1b emitted from the surface light emitting device 1 is A part of the diffraction grating in the second and subsequent layers is diffracted to generate first-order diffracted light. Part of the first-order diffracted light generated in each diffraction grating passes through the angle control unit 3.

このように、光1bについて、角度制御部3に入射する0次光の割合を減らすことができるので、第1の実施形態のものと比較して、面型発光デバイス1での光吸収による出射光強度の低下をさらに抑制することができる。よって、出射光強度がさらに高い、指向性に優れた光源ユニットを提供することができる。   As described above, since the ratio of the 0th-order light incident on the angle control unit 3 can be reduced with respect to the light 1b, the output by light absorption in the surface light emitting device 1 compared with that in the first embodiment. It is possible to further suppress the decrease in the light intensity. Therefore, it is possible to provide a light source unit with higher emitted light intensity and excellent directivity.

図11Aに、図6Aに示した比較例の光源ユニットの出射光強度と出射角度の関係を示し、図11Bに、本実施形態の光源ユニットの出射光強度と出射角度の関係を示す。図11Aおよび図11Bにおいて、点線で示した曲線は、面型発光デバイス1の出射光を示し、実線で示した曲線は光源ユニットの出射光を示す。これらの例は、面型発光デバイス1と角度制御部3との間での反射回数を1回とした場合の出射光強度をシミュレーションにより求めたものである。   FIG. 11A shows the relationship between the emission light intensity and the emission angle of the light source unit of the comparative example shown in FIG. 6A, and FIG. 11B shows the relationship between the emission light intensity and the emission angle of the light source unit of this embodiment. In FIG. 11A and FIG. 11B, the curve indicated by the dotted line indicates the emitted light of the surface light emitting device 1, and the curve indicated by the solid line indicates the emitted light of the light source unit. In these examples, the emitted light intensity when the number of reflections between the surface light emitting device 1 and the angle control unit 3 is 1 is obtained by simulation.

比較例の光源ユニットでは、面型発光デバイス1と角度制御部3との間の反射の過程で、拡散板200にて反射光を拡散させることで、出射光強度を増大することができる。図11Aに示す例では、出射角度45°以下において、明るさが、面型発光デバイス1の出射光強度に対して約30%向上している。   In the light source unit of the comparative example, the intensity of the emitted light can be increased by diffusing the reflected light with the diffusion plate 200 in the process of reflection between the surface light emitting device 1 and the angle control unit 3. In the example shown in FIG. 11A, the brightness is improved by about 30% with respect to the emitted light intensity of the surface light emitting device 1 at an emission angle of 45 ° or less.

一方、本実施形態の光源ユニットでは、面型発光デバイス1からの出射光の一部を、角度制御部3で反射することなく、直接、出射光として取り出すことで、出射光強度を増大することができる。図11Bに示す例では、出射角度45°以下において、明るさが、面型発光デバイス1の出射光強度に対して約70%向上している。   On the other hand, in the light source unit of the present embodiment, a part of the outgoing light from the surface light emitting device 1 is directly extracted as outgoing light without being reflected by the angle control unit 3, thereby increasing the outgoing light intensity. Can do. In the example shown in FIG. 11B, the brightness is improved by about 70% with respect to the emitted light intensity of the surface light emitting device 1 at an emission angle of 45 ° or less.

このように、本実施形態の光源ユニットによれば、出射光強度の高い、指向性に優れた光源ユニットを提供することができる。   Thus, according to the light source unit of the present embodiment, it is possible to provide a light source unit having high emitted light intensity and excellent directivity.

以上説明した本実施形態の光源ユニットは、本発明の一例であり、その構成は図示したものに限定されない。例えば、多層の回折格子を形成することができるのであれば、角度変換部4の誘電体層数はいくつに設定されてもよい。   The light source unit of the present embodiment described above is an example of the present invention, and the configuration is not limited to the illustrated one. For example, as long as a multilayer diffraction grating can be formed, the number of dielectric layers of the angle conversion unit 4 may be set to any number.

また、角度変換部4は、3種類以上の誘電体層を繰り返し積層した構成であってもよい。   Further, the angle conversion unit 4 may have a configuration in which three or more kinds of dielectric layers are repeatedly stacked.

また、角度変換部4の回折格子の格子形状(凹凸形状)は、直方体、円錐、四角錐、円柱などの種々の形状を適用することができる。   Various shapes such as a rectangular parallelepiped, a cone, a quadrangular pyramid, and a cylinder can be applied to the grating shape (uneven shape) of the diffraction grating of the angle conversion unit 4.

図12Aに、角度変換部4の一例を示す。   FIG. 12A shows an example of the angle conversion unit 4.

図12Aに示す角度変換部4は、誘電体層4a、4bを交互に積層した積層構造を有する。誘電体層4a、4bの界面には、直方体形状の凸部が周期的に2次元に形成された回折格子が形成されている。積層構造の一方の面(誘電体層b側の面)にも、同様の回折格子が形成されている。   12A has a stacked structure in which dielectric layers 4a and 4b are alternately stacked. At the interface between the dielectric layers 4a and 4b, there is formed a diffraction grating in which rectangular parallelepiped convex portions are periodically formed in two dimensions. A similar diffraction grating is also formed on one surface (surface on the dielectric layer b side) of the laminated structure.

図12Bに、角度変換部4の別の例を示す。   FIG. 12B shows another example of the angle conversion unit 4.

図12Bに示す角度変換部4は、誘電体層4a、4bを交互に積層した積層構造を有する。誘電体層4a、4bの界面には、第1の方向に延伸した断面形状が四角形の凸部が第1の方向と直交する第2の方向に周期的に形成された回折格子が形成されている。積層構造の一方の面(誘電体層b側の面)にも、同様の回折格子が形成されている。   12B has a stacked structure in which dielectric layers 4a and 4b are alternately stacked. At the interface between the dielectric layers 4a and 4b, there is formed a diffraction grating in which convex portions having a quadrangular cross section extending in the first direction are periodically formed in a second direction orthogonal to the first direction. Yes. A similar diffraction grating is also formed on one surface (surface on the dielectric layer b side) of the laminated structure.

図12Cに、角度変換部4のさらに別の例を示す。   FIG. 12C shows still another example of the angle conversion unit 4.

図12Cに示す角度変換部4は、誘電体層4a、4bを交互に積層した積層構造を有する。誘電体層4a、4bの界面には、第1の方向に延伸した断面形状が三角形の凸部が第1の方向と直交する第2の方向に周期的に形成された回折格子が形成されている。積層構造の一方の面(誘電体層b側の面)にも、同様の回折格子が形成されている。   12C has a stacked structure in which dielectric layers 4a and 4b are alternately stacked. At the interface between the dielectric layers 4a and 4b, there is formed a diffraction grating in which convex portions having a triangular cross-sectional shape extending in the first direction are periodically formed in a second direction orthogonal to the first direction. Yes. A similar diffraction grating is also formed on one surface (surface on the dielectric layer b side) of the laminated structure.

(第3の実施形態)
図13は、本発明の第3の実施形態の光源ユニットの構成を示す模式図である。
(Third embodiment)
FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a light source unit according to the third embodiment of the present invention.

図13に示す光源ユニットは、角度変換部4の各回折格子の面内方向における格子周期を不等間隔とした点で、第2の実施形態のものと異なる。面型発光デバイス1および角度制御部3は、第1または第2の実施形態で説明したものと同じであるので、ここでは、その詳細な説明は省略する。   The light source unit shown in FIG. 13 is different from that of the second embodiment in that the grating periods in the in-plane direction of each diffraction grating of the angle conversion unit 4 are set at unequal intervals. Since the surface light emitting device 1 and the angle control unit 3 are the same as those described in the first or second embodiment, detailed description thereof is omitted here.

図13に示すように、面型発光デバイス1から出射された光のうち、角度変換部4への入射角が第2の入射角度範囲内である光1aは、回折または散乱されることなく、そのまま角度変換部4および角度制御部3を透過する。   As shown in FIG. 13, the light 1 a having an incident angle to the angle conversion unit 4 within the second incident angle range out of the light emitted from the surface light emitting device 1 is not diffracted or scattered. The light passes through the angle conversion unit 4 and the angle control unit 3 as they are.

また、面型発光デバイス1から出射された光のうち、第2の入射角度範囲以外の角度で角度変換部4に入射した光1bについては、その一部が角度変換部4にて回折または散乱され、残りの光は0次光として角度変換部4を透過する。すなわち、光1bについては、角度変換部4の各回折格子において1次回折光と0次光とが生じる。図13中、実線で示した矢印は0次光を示し、破線で示した矢印は1次回折光を示す。   Of the light emitted from the surface light emitting device 1, part of the light 1 b incident on the angle conversion unit 4 at an angle outside the second incident angle range is diffracted or scattered by the angle conversion unit 4. The remaining light passes through the angle conversion unit 4 as zero-order light. That is, for the light 1 b, first-order diffracted light and zero-order light are generated in each diffraction grating of the angle conversion unit 4. In FIG. 13, an arrow indicated by a solid line indicates zero-order light, and an arrow indicated by a broken line indicates first-order diffracted light.

1次回折光の回折角は、回折周期に依存し、回折周期が大きいほど回折角は小さくなる。角度変換部4の各回折格子の面内方向における回折周期は不等間隔であるので、1次回折光の回折角は、面内における光が入射する位置によって異なる。   The diffraction angle of the first-order diffracted light depends on the diffraction cycle, and the diffraction angle decreases as the diffraction cycle increases. Since the diffraction period in the in-plane direction of each diffraction grating of the angle conversion unit 4 is unequal, the diffraction angle of the first-order diffracted light varies depending on the position where the light enters in the plane.

本実施形態の光源ユニットによれば、光1bについては、各回折格子にて生じる1次回折光が異なる方向に出射されるため、第1および第2の実施形態の光源ユニットと比較して、角度変換部4による拡散効果が増大し、反射光の再利用効率が向上する。   According to the light source unit of the present embodiment, for the light 1b, the first-order diffracted light generated in each diffraction grating is emitted in different directions, so that the angle compared with the light source units of the first and second embodiments The diffusion effect by the conversion part 4 increases, and the reuse efficiency of reflected light improves.

ただし、本実施形態の場合は、入射角度の閾値は、角度変換部4の各回折格子の周期変動幅に応じた変動幅を持つ。   However, in the case of this embodiment, the threshold value of the incident angle has a variation width corresponding to the periodic variation width of each diffraction grating of the angle conversion unit 4.

上述した第1乃至第3の実施形態によれば、出射光強度の改善効果に加えて、面型発光デバイス1から放出される熱の他の部材への影響の問題も解決することができる。   According to the first to third embodiments described above, in addition to the improvement effect of the emitted light intensity, the problem of the influence of the heat emitted from the surface light emitting device 1 on other members can also be solved.

例えば、特許文献1に記載のものや図6Aに示した比較例の光源ユニットにおいて、バックライトや面型発光デバイス1として高出力の光源を用いた場合、その光源からの熱によって拡散板の樹脂が変性し、その結果、光拡散効果の減少や透過率の低下などの問題が生じる。   For example, in the light source unit described in Patent Document 1 or the comparative light source unit shown in FIG. 6A, when a high output light source is used as the backlight or the surface light emitting device 1, the resin of the diffusion plate is caused by heat from the light source. As a result, problems such as a decrease in light diffusion effect and a decrease in transmittance occur.

これに対して、第1の実施形態の光源ユニットによれば、角度変換部2は、ガラス等の耐熱性に優れた光学材料により構成されているので、面型発光デバイス1として高出力の光源を用いても、熱によって角度変換部2が変性することはない。   On the other hand, according to the light source unit of the first embodiment, the angle conversion unit 2 is made of an optical material having excellent heat resistance such as glass, so that the surface light emitting device 1 has a high output light source. Even if is used, the angle conversion part 2 is not denatured by heat.

また、第2および第3の実施形態の光源ユニットにおいては、角度変換部4は、耐熱性に優れた誘電体材料により構成されている。よって、この場合も、熱によって角度変換部4が変性することはない。   Further, in the light source units of the second and third embodiments, the angle conversion unit 4 is made of a dielectric material having excellent heat resistance. Therefore, also in this case, the angle conversion unit 4 is not denatured by heat.

このように、第1乃至第3の実施形態によれば、面型発光デバイス1として高出力の光源を用いることができるので、出射光強度の高い光源ユニットを提供することができる。   As described above, according to the first to third embodiments, since a high-output light source can be used as the surface light-emitting device 1, a light source unit with high emission light intensity can be provided.

以上説明した各実施形態の光源ユニットは、本発明の一例であり、その構成は図示したものに限定されるものではない。   The light source unit of each embodiment described above is an example of the present invention, and the configuration is not limited to the illustrated one.

例えば、角度変換部の回折格子が形成された面は、面型発光デバイス1側および角度制御部3側のいずれの側に向いていてもよい。   For example, the surface on which the diffraction grating of the angle conversion unit is formed may face either side of the surface light emitting device 1 side and the angle control unit 3 side.

また、角度変換部は、3次元フォトニック結晶により形成されてもよい。フォトニック結晶は、光の波長程度の周期的な屈折率分布を有するナノ構造体であって、周期に対応する光の進入が禁止される特性を有する。3次元フォトニック結晶は、ナノ構造体が3次元に形成されたものである。   The angle conversion unit may be formed of a three-dimensional photonic crystal. A photonic crystal is a nanostructure having a periodic refractive index distribution of the order of the wavelength of light, and has a characteristic that entry of light corresponding to the period is prohibited. A three-dimensional photonic crystal is a nanostructure formed in three dimensions.

また、各実施形態では、面型発光デバイスと角度変換部の間および角度変換部と角度制御部の間は空隙を有するが、これに限定されない。面型発光デバイスと角度変換部および角度変換部と角度制御部は密着して形成されてもよい。   Moreover, in each embodiment, although it has a space | gap between a surface light-emitting device and an angle conversion part, and between an angle conversion part and an angle control part, it is not limited to this. The surface light emitting device and the angle conversion unit, and the angle conversion unit and the angle control unit may be formed in close contact with each other.

以上説明した本発明の光源ユニットは、プロジェクタやフラットパネルディスプレイに代表される画像表示装置全般に適用することができる。   The light source unit of the present invention described above can be applied to all image display devices represented by projectors and flat panel displays.

図14に、本発明の光源ユニットが適用された画像表示装置の一例を示す。   FIG. 14 shows an example of an image display device to which the light source unit of the present invention is applied.

図14において、画像表示装置は、プロジェクタであり、光源ユニット50と、表示部51とを有する。   In FIG. 14, the image display device is a projector and includes a light source unit 50 and a display unit 51.

光源ユニット50は、前述した第1乃至第3の実施形態の光源ユニットのいずれかである。   The light source unit 50 is any of the light source units of the first to third embodiments described above.

表示部51は、光源ユニット50からの光を映像信号に応じて変調して、当該映像信号に応じた画像を表示するものである。より具体的には、表示部2は、空間光変調部52と、投射光学系54とを含む。   The display unit 51 modulates light from the light source unit 50 according to the video signal and displays an image according to the video signal. More specifically, the display unit 2 includes a spatial light modulation unit 52 and a projection optical system 54.

空間光変調部52は、例えば、液晶LV(light valve:ライトバルブ)などの空間変調素子であり、光源ユニット50からの光を映像信号に応じて変調する。投射光学系53は、例えば、レンズなどの光学系であり、空間光変調部52からの出射光(変調光)をスクリーン54に投射する。これにより、映像信号に応じた画像がスクリーン54上に表示される。   The spatial light modulator 52 is a spatial modulation element such as a liquid crystal LV (light valve), for example, and modulates light from the light source unit 50 according to the video signal. The projection optical system 53 is, for example, an optical system such as a lens, and projects the emitted light (modulated light) from the spatial light modulator 52 onto the screen 54. As a result, an image corresponding to the video signal is displayed on the screen 54.

1 面型発光デバイス
2 角度変換部
3 角度制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Surface light-emitting device 2 Angle conversion part 3 Angle control part

Claims (8)

光を出射する発光部と、
前記発光部の出射側に設けられ、前記発光部側から入射した光のうち、第1の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、該第1の入射角度範囲以外の角度で入射した光を前記発光部側の方向へ反射する角度制御部と、
前記発光部と前記角度制御部との間に設けられ、前記発光部側および前記角度制御部側のそれぞれの側から光が入射し、該入射した光のうち、第2の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、該第2の入射角度範囲以外の角度で入射した光については、一部の光を回折または散乱し、残りの光を透過させる角度変換部と、を有する、光源ユニット。
A light emitting unit for emitting light;
Provided on the emission side of the light-emitting unit, out of the light incident from the light-emitting unit side, transmits light incident at an angle within the first incident angle range, and enters at an angle other than the first incident angle range An angle control unit that reflects the emitted light toward the light emitting unit side;
Provided between the light emitting unit and the angle control unit, light is incident from each side of the light emitting unit side and the angle control unit side, and the incident light within a second incident angle range An angle conversion unit that transmits light incident at an angle, diffracts or scatters part of the light incident at an angle other than the second incident angle range, and transmits the remaining light; Light source unit.
前記第2の入射角度範囲は、前記第1の入射角度範囲より小さい、請求項1に記載の光源ユニット。   The light source unit according to claim 1, wherein the second incident angle range is smaller than the first incident angle range. 前記角度変換部は、少なくとも1つの回折格子よりなり、該回折格子の格子周期は、前記発光部の発光波長より小さく、かつ、該発光波長の半分の波長より大きい、請求項1または2に記載の光源ユニット。   The angle conversion unit includes at least one diffraction grating, and a grating period of the diffraction grating is smaller than a light emission wavelength of the light emitting unit and larger than a half wavelength of the light emission wavelength. Light source unit. 前記回折格子の格子周期は一定である、請求項3に記載の光源ユニット。   The light source unit according to claim 3, wherein a grating period of the diffraction grating is constant. 前記回折格子の格子周期は不定である、請求項3に記載の光源ユニット。   The light source unit according to claim 3, wherein a grating period of the diffraction grating is indefinite. 前記角度変換部は、屈折率が異なる第1および第2の誘電体層が交互に積層された誘電体多層膜よりなり、前記第1および第2の誘電体層の界面に、前記回折格子が形成されている、請求項3から5のいずれか1項に記載の光源ユニット。   The angle conversion unit is formed of a dielectric multilayer film in which first and second dielectric layers having different refractive indexes are alternately stacked, and the diffraction grating is formed at an interface between the first and second dielectric layers. The light source unit according to claim 3, wherein the light source unit is formed. 前記角度変換部は、周期的な屈折率分布を有するナノ構造体が3次元に形成された3次元フォトニック結晶よりなる、請求項3から5のいずれか1項に記載の光源ユニット。   6. The light source unit according to claim 3, wherein the angle conversion unit is made of a three-dimensional photonic crystal in which nanostructures having a periodic refractive index distribution are three-dimensionally formed. 請求項1から7のいずれか1項に記載の光源ユニットと、
前記光源ユニットから出射された光を映像信号に応じて変調して、当該映像信号に応じた画像を表示する表示部と、を含む画像表示装置。
The light source unit according to any one of claims 1 to 7,
An image display device comprising: a display unit that modulates light emitted from the light source unit according to a video signal and displays an image according to the video signal.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022137902A1 (en) * 2020-12-25 2022-06-30 ソニーグループ株式会社 Optical member and optical device

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