JP2014178464A - 光源ユニット並びに照明装置及び画像投射装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この光源ユニット1は、反射面10a、9aを備える第1、第2反射部10,9と、複数の光源11−1〜11−10と、第1反射部と第2反射部の間に配置された集光光学系L1を備え、複数の光源から出射された光線が、集光光学系で屈折され、前記第1及び第2反射部の反射面間で反射されると共に、前記集光光学系の光軸に対し、第1反射部の反射面での反射位置よりも第2反射部の反射面での反射位置が近づくように構成した。
【選択図】図1
Description
光源にレーザーダイオードを用いた画像投射装置では、如何に光量を確保するかが重要な課題であり、この課題の解決手段として複数のレーザーダイオードを平面状でマトリクス状に密に配置することや、2次元的に密に配置することが提案されている。例えば特許文献1には、列及び行をなすように平面状に配列された複数の光源から射出される光線を合成する目的で、各行を構成する光源から射出された光線束の行間隔と各列を構成する光源から射出された光線束の列間隔を狭めるために、複数組の短冊状の反射ミラーを階段状に配置することが開示されている。
特許文献1では、反射ミラーを用いて光線を合成して光線束の断面積を縮小しているが、複数枚のミラーを用いて光線を合成しているので、各ミラーの設置及び調整が困難であると共に、複数枚のミラーを階段状に配置するスペースが必要であり小型化を図るという点では課題を残している。
本発明によれば高効率で小型化された光源ユニットを備えることで、小型な画像投射装置を提供することができる。
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態である光源ユニット1の構成を示す側面模式図であり、図2は光源ユニット1の光源を正面から見た模式図である。簡略化のため、図1においては光源を2個のみ配置しているが、実際は図2に示すように、光源を複数(ここでは10個)備えている。また、図2では光源とカップリングレンズのみを示している。
光源ユニット1は、図1において照射側となる左側から、複数の光源11−1〜11−10、第2反射ミラー9、複数のカップリングレンズ12−1〜12−10、集光レンズL1、第1反射ミラー10の順に配置されている。第2反射ミラー9と複数のカップリングレンズ12−1〜12−10の位置関係は逆であっても良いが、両者は、集光レンズL1よりも照射側に配置されているのが前提となる。
複数の光源11−1〜11−10は、例えばそれぞれ半導体レーザー等のレーザーダイオードで構成されていて、光源群2の各出射光の色は、全て同一色であっても、それぞれ異なった色でも構わない。複数のカップリングレンズ12−1〜12−10は、それぞれガラス又はプラスチックから形成された凸レンズである。光源11−1〜11−10とカップリングレンズ12−1〜12−10は、光源11−1〜11−10の光軸とカップリングレンズ12−1〜12−10の各曲率中心軸が一致するように、互いに対向配置されている。カップリングレンズ12−1〜12−10は、各光源からの射出光を平行光又は集束光に変換するコリメータレンズを含んでいる。
光源11−1〜11−10とカップリングレンズ12-1〜12−10からの射出光を平行光又は集束光に変換するカップリングレンズ12−1〜12−10とが組み合わされて光源群を構成しているので、光源11−1〜11−10からの光線が発散光であったとしてもカップリングレンズ12−1〜12−10で取り込むことにより効率よく光源の光を利用することができる。
図3(a)に示すように、光源11−1〜11−10、カップリングレンズ12−1〜12−10、集光レンズL1、第2反射ミラー9及び第1反射ミラー10は、支持体30に形成された保持部31,32,33,34,35で支持体30に保持されている。図3(b)は図3(a)を正面から見た図である。図3(b)では、図を見やすくするために第1反射ミラー10は省略している。
第1反射ミラー10は、平行平板となる板ガラスの一方の面に例えば銀膜や誘電体多層膜(アルミニウム膜)が蒸着されて反射鏡部となる反射面10aが形成されていて、保持部35によって支持体30に保持されている。第1反射ミラー10の中央部は、透過部とし開放部10bが板厚方向に開口して形成されていて、光線が通過可能とされている。透過部としては開放部10bではなく、ガラス面にアルミニウム膜を蒸着する際に、開放部10bに相当する部位だけ蒸着しないように、つまりリング形状にアルミニウム膜を蒸着して透明部分として形成してもよい。この場合、空洞形状に加工するコストを省くことができる。あるいは、透過部としては、その箇所に透過平板がない、単に通過する構成であっても良い。
すなわち、光源11−1〜11−10から出射した光線は、集光レンズL1に入射して屈折され、第1反射ミラー10の反射面10aへと出射されて反射面10aに入射する。この入射された光線は、反射面10aで反射され、再度集光レンズL1に入射して屈折された後、第2反射部の反射面9aで反射され、再度集光レンズL1に入射して屈折された後、第1反射部10へと入射する。第2反射部の反射面9aから第1反射部10へと入射した光線は、第1反射ミラー10の開放部10bから射出される。つまり、光源11−1〜11−10から出射した光線は、集光レンズL1の光軸に対し、第1反射部10の反射面10aでの反射位置よりも第2反射部9の反射面9aでの反射位置が近づくようになる。本形態では、第1反射ミラー10と第2反射ミラー9での光線の反射回数はそれぞれ1回としている。
また、光源11−1〜11−10から射出された各光線が第1の反射ミラー10に斜め入射して通過する際に屈折作用によって第1の反射ミラー10の中心部に近づくため、より短い距離で合成しやすくなる。
集光レンズL1が第1反射ミラー10と第2反射ミラー9の間に配置されているので、光源からの光線は集光レンズL1を複数回通過するため、1回のみ通過する場合に比べて光源群2からの光線を1点に収束するために必要な集光レンズL1のパワーは小さくて済む。このため、球面収差を小さくでき、公差により光源11−1〜11−10の発光点やカップリングレンズ12−1〜12−10の位置がばらついた場合にも集光点でのばらつきを小さくすることができる。集光レンズL1が第1反射ミラー10と第2反射ミラー9の間に配置することで、第1及び第2反射ミラー10,9間での光路長を長くすることができる。この結果、光源11−1〜11−10から集光点までの距離を短くすることができ、照明光学系サイズの低減が可能となる。
このように第1反射ミラー10と第2反射ミラー9間で複数回反射を繰り返すようにすると、光源11−1〜11−10から出射した各光線が合成するまでの距離をより短くすると共に、断面面積が反射回数1回の場合よりも、より縮小した光線束Kになり、光線束Kの密度を高められ、高輝度な光線束を射出することができ、かつ小型化を図ることができる。
このように、2枚の集光レンズL1,L2を光源ユニット1Aが備えていると、レンズ1枚あたりの曲率半径を第1の実施形態よりも小さくすることができるので、結果として球面収差を抑制することができる。このため、公差により光源11−1〜11−10の発光点位置やカップリングレンズ12−1〜12−10の位置がばらついたとしても、集光点でのばらつきをより抑えることができる。
また本形態では、第1反射ミラー10と第2反射ミラー9の間に2枚の集光レンズL1、L2を配置したが、配置関係はこれに限るものではない。例えば、集光レンズL1とL2の間に第1反射ミラー10もしくは第2反射ミラー9あるいは、もしくはその両方を配置してもよい。これらの配置により、第1反射ミラー10と第2反射ミラー9の間で光線が反射する際において、光線が集光レンズL1、L2を通る回数を調整でき、光線の集光パワーを調整できるため、集光点のz方向位置を調整することが可能となる。
本実施形態では、レンズL1,L2の2枚としたが、無論2枚より多くてもよい。これにより更に球面収差を抑えることができ、光源11−1〜11−10やカップリングレンズ12−1〜12−10が公差でばらついたときの集光点ばらつきをより抑制することが可能となる。
第1の実施形態から第3の実施形態において、第1反射ミラー10と第2反射ミラー9間での光線の反射回数を複数回とすると、1回の反射の場合に比べて光源群2からの光線を1点に収束するために必要な集光レンズL1のパワーは小さくて済む。このため、球面収差を小さくでき、公差により光源11−1〜11−10の発光点やカップリングレンズ12−1〜12−10の位置がばらついた場合にも集光点でのばらつきをより小さくすることができる。
図6は、第1の実施形態に係る図1に示した光源ユニット1に対して、カップリングレンズを内側(複数光束の合成方向)にて0.5mmシフトさせたときの光路を示す図である。図7は、第2の実施形態に係る図4に示した光源ユニット1Aに対して、カップリングレンズを内側(複数光束の合成方向)にて0.5mmシフトさせたときの光路を示す図である。
図8は、第3の実施形態に係る図5に示した光源ユニット1Bに対して、カップリングレンズを内側(複数光束の合成方向)にて0.5mmシフトさせたときの光路を示す図である。
これらカップリングレンズのシフトは、カップリングレンズのばらつきを想定してずらしたものである。
図10(a)に示すように、第2の実施形態において、シフトしない場合(ずれの無い場合)、複数の光源からの光は一点に集光して、ビーム径は1mm程度であった。しかし、シフトした場合(ずれがある場合)図10(b)に示すように、複数の光源からの光は一点に集光せず、各集光点位置はずれ、結果として10mm程度の幅をもつこととなった。
図11(a)に示すように、第3の実施形態において、シフトしない場合(ずれの無い場合)、複数の光源からの光は一点に集光して、ビーム径は1mm程度であった。しかし、シフトした場合(ずれがある場合)図11(b)に示すように、複数の光源からの光は一点に集光せず、各集光点位置はずれ、結果として8.8mm程度の幅をもつこととなった。
第3の実施形態のように、集光光学系を非球面形状とすると、集光光学系を2枚のレンズで構成する場合よりも、シフト時の集光点位置のずれが抑制されている。これは集光レンズを非球面形状とすることで、公差により光源11−1〜11−10、カップリングレンズ12−1〜12−10の位置がばらついたとしても集光点ばらつきをより抑えられることになる。
各実施形態では、カップリングレンズ12−1〜12−10を光源11−1〜11−10と共軸としたが、カップリングレンズ12−1〜12−10を各光源の光軸に対して偏心させて配置した形態としても良い。これにより、光源から出射後の各光線はカップリングレンズカップリングレンズ12−1〜12−10を出射後の断面面積が縮小した集束光Kになり、共軸とした場合に比べて集光レンズL1のパワーを小さくすることができるので、この好ましい。
第1〜第3の実施形態の各部品の面間隔の記号をそれぞれ図12、図13、図14のように定義する。また、曲率半径は−z方向に凸の場合+表記とし、各レンズの−z側の面をR1、反対側をR2とする。また、レンズ間の面間隔は各レンズの曲率中心軸での距離である。第1の実施形態は集光レンズが1枚のみであるので、L1の欄に表記する。なお、a1は集光点から光源の発光点までの、y方向の高さを示している。
表1〜表7にそれぞれ第1から第3の実施形態の面間隔、曲率半径、厚み、屈折率、アッベ数、非球面係数を示す。
図15は、照明装置100を備えた画像投射装置としてのプロジェクタの一形態を示す模式図である。照明装置100の光源部としては、上記第1〜第3の実施形態で説明した各光源ユニット1、1A、1Bを適用することかできる。このように各光源ユニット1、1A、1Bを適用すると、光源ユニット自体が小型であるので、照明装置100及びプロジェクタ200も当然に小型化する事ができる。
この場合、第1反射ミラー10と第2反射ミラー9間で各光源からの光線を複数回反射する第3の実施形態に係る光源ユニット1Bを用いると、各光線束を合成するために必要なユニットサイズ(図にZで示す光軸方向のサイズ)を小さくすることができ、結果として照明装置100及びプロジェクタ200の一層の小型化が可能となる。
図15において、プロジェクタ200は、光源ユニット1を備えた電源装置100と、光量均一化手段となるロッドインテグレータ201と、画像形成パネル203と、ロッドインテグレータ201で光量を均一化された出射光を画像形成パネル203に伝達する照明光伝達光学系となるリレーレンズ202と、画像形成パネル203に形成された画像を拡大投射する投射光学系となる投射レンズ204を有している。本形態に係るプロジェクタ200では、画像形成パネル203として、変調信号に応じて画像形成される透過型タイプのパネルを例示しているが、反射型タイプのパネルやマイクロミラーデバイス(DMD)タイプのパネルを用いてもよい。なお、ロッドインテグレータ201は、光量均一化手段の代表的な一例であり、これ以外の周知の光量均一化手段を用いてもよい。リレーレンズ202は、本発明に係る照明伝達光学系の代表的な一例であり、また投射レンズ204は本発明に係わる投射光学系の代表的な一例である。
2 光源
9 第2反射部
9a 反射面
10 第1反射部
10a 反射面
10b 中央部(透過部)
11−1〜11−16 複数の光源(レーザ素子)
12−1〜12−16 カップリングレンズ(コリメータレンズ)
L1、L2、L3 集光光学系
100 照明装置
200 画像投射装置。
Claims (8)
- 反射面を備える第1、第2反射部と、複数の光源と、前記第1反射部と第2反射部の間に配置された集光光学系を備え、
前記複数の光源から出射された光線が、前記集光光学系で屈折され、前記第1及び第2反射部の反射面間で反射されると共に、前記集光光学系の光軸に対し、前記第1反射部の反射面での反射位置よりも前記第2反射部の反射面での反射位置が近づくように構成したことを特徴とする光源ユニット。 - 前記複数の光源は、出射面側から見て前記第1反射部の周囲に配置され、
前記第1反射部の反射面と前記第2反射部の反射面とは互いに対向して配置され、
前記複数の光源から出射された光線は、前記集光光学系に入射し、当該集光光学系を介して第1反射部の反射面に出射され、前記第1反射部の反射面で前記集光光学系へと反射され後に、前記第1反射部に入射することを特徴とする請求項1記載の光源ユニット。 - 前記集光光学系は、複数の集光レンズで構成されていることを特徴とする請求項1または2記載の光源ユニット。
- 前記集光光学系が、非球面形状であることを特徴とする請求項1または2記載の光源ユニット。
- 前記第1反射部の中央部が透過可能な平行平板で形成されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の光源ユニット。
- 前記複数の光源は、レーザー素子と、当該レーザー素子からの射出光を平行光又は集束光に変換するカップリングレンズとが組み合わされて光源群を構成していることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の光源ユニット。
- 光源ユニットを用いて複数色の光を照射する照明装置であって、
前記複数色のうち、少なくとも1色の光を請求項1乃至6の何れか1項に記載の光源ユニットで生成して照射することを特徴とする照明装置。 - 請求項7記載の照明装置を有することを特徴とする画像投射装置。
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