JP2017027903A - 照明装置及びプロジェクター - Google Patents
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Abstract
【課題】光利用効率が高い、照明装置を提供する。また、前記光源装置を備えたプロジェクターを提供する。【解決手段】実装面を有する実装基板と、実装面に実装された複数の発光部とを有する光源アレイと、光源アレイから射出された光線束が入射するコリメート光学系と、第1レンズアレイ及び第2レンズアレイを含むホモジナイザー光学系と、を備え、光線束の主光線が実装面と平行に光源アレイから射出されるように、複数の発光部が実装面と平行な第1方向に沿って実装され、複数の発光部各々の長手方向は第1方向と一致しており、第2レンズアレイの第2小レンズの長手方向は、実装面と平行である照明装置に関する。【選択図】図4
Description
本発明は、照明装置及びプロジェクターに関するものである。
プロジェクターは、光源部から射出される光を、光変調装置で画像情報に応じて変調し、得られた画像を投写レンズによって拡大投写するものである。近年、このようなプロジェクターに用いられる光源装置の光源として、高輝度且つ高出力な光が得られる半導体レーザーなどのレーザー光源が注目されている。
例えば、下記特許文献1には、複数の半導体レーザーを2次元的に配列したアレイ光源と、該アレイ光源から射出された光線束を平行化する一対のシリンドリカルレンズと、照明光を均一化するインテグレータ光学系とを備えたプロジェクター用照明装置が開示されている。
ところで、上記アレイ光源を実装する際、実装バラツキが生じることを避けられない。しかしながら、上記従来技術においては、半導体レーザーの実装バラツキを考慮していないため、アレイ光源から射出された光を効率良く利用できず、光利用効率が低下するといった問題があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、光利用効率が高い、照明装置を提供することを目的とする。また、前記光源装置を備えたプロジェクターを提供することを目的とする。
本発明の第1態様に従えば、実装面を有する実装基板と、前記実装面に実装された複数の発光部とを有する光源アレイと、前記光源アレイから射出された光線束が入射するコリメート光学系と、第1レンズアレイ及び第2レンズアレイを含むホモジナイザー光学系と、を備え、前記光線束の主光線が前記実装面と平行に前記光源アレイから射出されるように、前記複数の発光部が前記実装面と平行な第1方向に沿って実装され、前記複数の発光部各々の長手方向は前記第1方向と一致しており、前記第2レンズアレイの第2小レンズの長手方向は、前記実装面と平行である照明装置が提供される。
第1態様に係る構成では、発光部各々の長手方向と第2小レンズの長手方向とが実装面と平行となる。これにより、例えば、第1方向において発光部の実装誤差が生じた場合でも、発光部から射出された光の2次光源像は第2小レンズからはみ出しにくい。また、複数の発光部は実装面に実装されるため、該実装面の法線方向において実装誤差は発生しにくい。
したがって、光源アレイから射出された光線束は、第2レンズアレイの後段に設けられた光学部材に効率良く入射するので、高い光利用効率を得ることができる。
したがって、光源アレイから射出された光線束は、第2レンズアレイの後段に設けられた光学部材に効率良く入射するので、高い光利用効率を得ることができる。
上記第1態様において、前記コリメート光学系は、第1シリンドリカルレンズと、該第1シリンドリカルレンズの後段に配置された第2シリンドリカルレンズを備え、第1シリンドリカルレンズは、第1の母線を有し、第2シリンドリカルレンズは、第2の母線を有し、前記第1の母線は、前記実装面と平行であり、前記第2の母線の方向は、前記実装面と交差する構成としてもよい。
この構成によれば、第1シリンドリカルレンズ及び第2シリンドリカルレンズにより発光部各々から射出された光を平行化することができる。また、第1シリンドリカルレンズは実装面と垂直な方向に屈折力を持ち、第2シリンドリカルレンズは他の方向に屈折力を持っている。さらに、第2シリンドリカルレンズは第1シリンドリカルレンズの後段に配置されているため、第2シリンドリカルレンズの焦点距離は第1シリンドリカルレンズの焦点距離よりも長い。そのため、第1方向において発光部の実装誤差が生じた場合でも、実装誤差の影響が比較的小さい。
この構成によれば、第1シリンドリカルレンズ及び第2シリンドリカルレンズにより発光部各々から射出された光を平行化することができる。また、第1シリンドリカルレンズは実装面と垂直な方向に屈折力を持ち、第2シリンドリカルレンズは他の方向に屈折力を持っている。さらに、第2シリンドリカルレンズは第1シリンドリカルレンズの後段に配置されているため、第2シリンドリカルレンズの焦点距離は第1シリンドリカルレンズの焦点距離よりも長い。そのため、第1方向において発光部の実装誤差が生じた場合でも、実装誤差の影響が比較的小さい。
上記第1態様において、前記光線束は、前記複数の発光部のうち第1の発光部から射出された第1の光ビームを含み、前記第1シリンドリカルレンズと前記第2シリンドリカルレンズとの間の距離と、前記第1シリンドリカルレンズの屈折力と、前記第2シリンドリカルレンズの屈折力とは、前記第2シリンドリカルレンズを透過した前記第1の光ビームの断面のアスペクト比が略1となるように設定されている構成としてもよい。
この構成によれば、第1の光ビームの断面積を大きくすることができる。これにより、第1の光ビームは第1レンズアレイの小レンズに良好に入射する。よって、ホモジナイザー光学系は、光源アレイから射出された光線束を良好に均一化することができる。
また、第1レンズアレイ及び第2レンズアレイを構成する各小レンズを小さくしなくても被照明領域を高い均一性で照明することができる。
この構成によれば、第1の光ビームの断面積を大きくすることができる。これにより、第1の光ビームは第1レンズアレイの小レンズに良好に入射する。よって、ホモジナイザー光学系は、光源アレイから射出された光線束を良好に均一化することができる。
また、第1レンズアレイ及び第2レンズアレイを構成する各小レンズを小さくしなくても被照明領域を高い均一性で照明することができる。
上記第1態様において、前記第1シリンドリカルレンズの前記第1の母線と垂直な断面形状は非球面である構成としてもよい。
この構成によれば、発光部から射出された光の拡がり角が大きい場合でも、第1シリンドリカルレンズによって良好に平行化される。
この構成によれば、発光部から射出された光の拡がり角が大きい場合でも、第1シリンドリカルレンズによって良好に平行化される。
また、断面形状は、円錐定数Kが、−1<K<0で近似される形状であってもよい。
この構成によれば、球面収差を良好に補正することができるため、発光部から射出された光の発散角が大きい場合でも、第1シリンドリカルレンズによって良好に平行化される。
この構成によれば、球面収差を良好に補正することができるため、発光部から射出された光の発散角が大きい場合でも、第1シリンドリカルレンズによって良好に平行化される。
本発明の第2態様に従えば、上記第1態様の照明装置と、前記照明装置から射出される光を画像情報に応じて変調して画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備えるプロジェクターが提供される。
第2態様に係るプロジェクターの構成によれば、上記照明装置を備えるので、本プロジェクター自体も光利用効率が高く、明るい照明光により優れた表示品質を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
(プロジェクター)
まず、図1に示すプロジェクター1の一例について説明する。
図1は、プロジェクター1の概略構成を示す平面図である。
まず、図1に示すプロジェクター1の一例について説明する。
図1は、プロジェクター1の概略構成を示す平面図である。
本実施形態のプロジェクター1は、スクリーンSCR上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター1は、赤色光LR、緑色光LG、青色光LBの各色光に対応した3つの光変調装置を用いている。プロジェクター1は、照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザーを用いている。
具体的に、プロジェクター1は、図1に示すように、照明装置2と、第1の全反射ミラー7aと、第2の全反射ミラー7bと、第3の全反射ミラー7cと、ダイクロイックミラー8と、光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bと、合成光学系5と、投射光学系6とを備えている。
照明装置2は、第1の照明光としての青色光LBと、第2の照明光としての黄色光YLとを射出する。
ダイクロイックミラー8は、照明装置2からの黄色光YLを赤色光LRと緑色光LGとに分離する機能を有する。ダイクロイックミラー8は、分離した赤色光LRを透過するとともに、緑色光LGを反射する。
第1の全反射ミラー7aは、青色光LBの光路中に配置されており、照明装置2から射出された青色光LBを光変調装置4Bに向けて反射する。
第2の全反射ミラー7bは、緑色光LGの光路中に配置されており、分離された緑色光LGを光変調装置4Gに向けて反射する。
第3の全反射ミラー7cは、赤色光LRの光路中に配置されており、分離された赤色光LRを光変調装置4Rに向けて反射する。
第2の全反射ミラー7bは、緑色光LGの光路中に配置されており、分離された緑色光LGを光変調装置4Gに向けて反射する。
第3の全反射ミラー7cは、赤色光LRの光路中に配置されており、分離された赤色光LRを光変調装置4Rに向けて反射する。
光変調装置4Rは、赤色光LRを通過させる間に、赤色光LRを画像情報に応じて変調し、赤色光LRに対応した画像光を形成する。光変調装置4Gは、緑色光LGを通過させる間に、緑色光LGを画像情報に応じて変調し、緑色光LGに対応した画像光を形成する。光変調装置4Bは、青色光LBを通過させる間に、青色光LBを画像情報に応じて変調し、青色光LBに対応した画像光を形成する。
光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。また、液晶パネルの入射側および射出側には、一対の偏光板(図示せず)が配置されている。
光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bの入射側には、それぞれフィールドレンズ9R,フィールドレンズ9G,フィールドレンズ9Bが配置されている。
合成光学系5は、赤色光LR,緑色光LG,青色光LBに対応した各画像光を合成し、合成された画像光を投射光学系6に向けて射出する。合成光学系5には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられている。
投射光学系6は、投射レンズ群から構成されている。投射光学系6は、合成光学系5により合成された画像光をスクリーンSCRに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンSCR上には、拡大されたカラー映像が表示される。
(照明装置)
次に、照明装置2の構成について説明する。
照明装置2は、光源アレイ10と、コリメート光学系11と、第1のインテグレータ光学系12と、位相差板13と、偏光分離素子14と、ピックアップ光学系15と、蛍光発光素子16と、青色光用重畳レンズ17と、全反射ミラー18と、第2の第2のインテグレータ光学系19と、偏光変換素子20と、黄色光用重畳レンズ21と、全反射ミラー22とを備えている。なお、以下の説明において、光源アレイ10の光軸を光軸ax1とする。また、光軸ax1と同一平面内にあり、該光軸ax1に直交する光軸を光軸ax2とする。
次に、照明装置2の構成について説明する。
照明装置2は、光源アレイ10と、コリメート光学系11と、第1のインテグレータ光学系12と、位相差板13と、偏光分離素子14と、ピックアップ光学系15と、蛍光発光素子16と、青色光用重畳レンズ17と、全反射ミラー18と、第2の第2のインテグレータ光学系19と、偏光変換素子20と、黄色光用重畳レンズ21と、全反射ミラー22とを備えている。なお、以下の説明において、光源アレイ10の光軸を光軸ax1とする。また、光軸ax1と同一平面内にあり、該光軸ax1に直交する光軸を光軸ax2とする。
光源アレイ10と、コリメート光学系11と、第1のインテグレータ光学系12と、位相差板13と、偏光分離素子14と、ピックアップ光学系15と、蛍光発光素子16とは、光軸ax1上に順次並んで配置されている。
一方、全反射ミラー18と、青色光用重畳レンズ17と、偏光分離素子14と、第2のインテグレータ光学系19と、偏光変換素子20と、黄色光用重畳レンズ21と、全反射ミラー22とは、光軸ax2上に順次並んで配置されている。
一方、全反射ミラー18と、青色光用重畳レンズ17と、偏光分離素子14と、第2のインテグレータ光学系19と、偏光変換素子20と、黄色光用重畳レンズ21と、全反射ミラー22とは、光軸ax2上に順次並んで配置されている。
光源アレイ10は、複数の発光部40を有している。
図2は光源アレイ10の概略構成を示す斜視図である。以下、図面を用いた説明において、XYZ座標系を用いて説明する。図2において、X方向は発光部40の配列方向を規定し、Y方向は発光部40から射出される光の主光線の方向を規定し、Z方向はX方向及びY方向にそれぞれ直交する方向であって鉛直方向を規定する。
図2は光源アレイ10の概略構成を示す斜視図である。以下、図面を用いた説明において、XYZ座標系を用いて説明する。図2において、X方向は発光部40の配列方向を規定し、Y方向は発光部40から射出される光の主光線の方向を規定し、Z方向はX方向及びY方向にそれぞれ直交する方向であって鉛直方向を規定する。
図2に示すように、光源アレイ10は、本体部10Aと、複数の支持部材10Bと、該支持部材10Bに支持された複数の発光部40とを備える。
本体部10Aおよび支持部材10Bは、例えば、アルミや銅といった放熱性に優れた金属材料から構成される。
複数の支持部材10Bは、本体部10Aの側面10A1に取り付けられている。各支持部材10Bは、側面10A1の上下方向において、各々の間隔を均等とするように配置されている。
複数の支持部材10Bは、本体部10Aの側面10A1に取り付けられている。各支持部材10Bは、側面10A1の上下方向において、各々の間隔を均等とするように配置されている。
各支持部材10Bは板状の部材であって、上面10B1と下面10B2とを有する。上面10B1及び下面10B2の平面形状は略矩形状であって、X方向に長辺を有し、Y方向に短辺を有している。上面10B1はXY平面と平行であり、水平面となっている。
本実施形態において、複数の発光部40は、それぞれ半導体レーザーから構成される。複数の発光部40は、支持部材10Bの上面10B1に一次元的に実装されている。複数の発光部40が配列している方向を第1方向(X方向)とする。各発光部40は青色の光ビームからなる光線BLを射出する。光源アレイ10は、複数の光線BLを含む光線束Kを射出する。
本実施形態において、複数の発光部40のうち1つの発光部40が特許請求の範囲の「第1の発光部」に相当し、一つの発光部40から射出された光線BLが特許請求の範囲の「第1の光ビーム」に相当する。支持部材10Bは特許請求の範囲の「実装基板」に相当し、上面10B1は特許請求の範囲の「実装面」に相当する。
図3は発光部40の要部構成を示す図である。
図3に示すように、発光部40は、光を射出する光射出面40aを有している。光射出面40aは、射出される光の主光線の方向から視て長手方向W1と短手方向W2とを有した略矩形状の平面形状を有している。
図3に示すように、発光部40は、光を射出する光射出面40aを有している。光射出面40aは、射出される光の主光線の方向から視て長手方向W1と短手方向W2とを有した略矩形状の平面形状を有している。
ここで、光射出面40aの長手方向W1の幅と短手方向W2の幅との比(以下、アスペクト比と称す場合もある)は、30:1以上とするのが好ましい。本実施形態において、光射出面40aの長手方向W1の幅は例えば40μmであり、光射出面40aの短手方向W2の幅は例えば、1μmであるが、光射出面40aの形状はこれに限定されない。
なお、図3において、長手方向W1はX方向と平行であり、短手方向W2はZ方向と平行である。
なお、図3において、長手方向W1はX方向と平行であり、短手方向W2はZ方向と平行である。
発光部40から射出される光線BLは、長手方向W1と平行な偏光方向を有する直線偏光からなる。光線BLの短手方向W2への拡がりは、光線BLの長手方向W1への拡がりよりも大きい。本実施形態において、光線BLの長手方向W1への拡がり角度の最大値(最大放射角度)は例えば20°であり、短手方向W2への拡がり角度の最大値(最大放射角度)は例えば70°である。
そのため、光線BLの断面形状BSは、Z方向(短手方向W2)を長軸方向とした楕円形状となる。
本実施形態において、複数の発光部40は、各発光部40から射出される光線BLの主光線BLaがY方向と平行となるように、上面10B1に実装されている。言い換えれば、光線束Kの主光線が上面10B1と平行である。
光源アレイ10から射出された光線束Kは、コリメート光学系11に入射する。
図1に示したように、コリメート光学系11は、第1のシリンドリカルレンズアレイ50と、第2のシリンドリカルレンズアレイ55とを含む。
図1に示したように、コリメート光学系11は、第1のシリンドリカルレンズアレイ50と、第2のシリンドリカルレンズアレイ55とを含む。
図4はコリメート光学系11の概略構成を示す斜視図である。
図4に示すように、第1のシリンドリカルレンズアレイ50は、第2のシリンドリカルレンズアレイ55よりも光源アレイ10側に配置されている。第1のシリンドリカルレンズアレイ50は、複数の第1シリンドリカルレンズ51を有する。なお、複数の第1シリンドリカルレンズ51は、各々が一体形成されていても良いし、別体で構成されていても良い。
図4に示すように、第1のシリンドリカルレンズアレイ50は、第2のシリンドリカルレンズアレイ55よりも光源アレイ10側に配置されている。第1のシリンドリカルレンズアレイ50は、複数の第1シリンドリカルレンズ51を有する。なお、複数の第1シリンドリカルレンズ51は、各々が一体形成されていても良いし、別体で構成されていても良い。
第1シリンドリカルレンズ51は、X方向に沿う第1の母線51Mと、凸状のレンズ面52と、平坦な裏面53と、を有する。第1の母線51Mは上面10B1と平行である。
本実施形態において、第1シリンドリカルレンズ51は平凸レンズであるため、製造コストを抑えることが可能である。
本実施形態において、第1シリンドリカルレンズ51は平凸レンズであるため、製造コストを抑えることが可能である。
本実施形態において、第1シリンドリカルレンズ51は、裏面53を各発光部40の光射出面40aに対向させている。第1シリンドリカルレンズ51の数は支持部材10Bの数に対応する。
本実施形態においては、図2に示したように、支持部材10Bが5段設けられていることから、第1のシリンドリカルレンズアレイ50は5つの第1シリンドリカルレンズ51から構成されている。
本実施形態においては、図2に示したように、支持部材10Bが5段設けられていることから、第1のシリンドリカルレンズアレイ50は5つの第1シリンドリカルレンズ51から構成されている。
このような構成に基づき、発光部40から射出された光線BLは、対応する第1シリンドリカルレンズ51によりYZ面内において平行化されるようになっている。
一方、第2のシリンドリカルレンズアレイ55は、複数の第2シリンドリカルレンズ56を有する。第2のシリンドリカルレンズアレイ55は、各支持部材10Bに実装された発光部40の数に対応した数の第2シリンドリカルレンズ56を有する。なお、複数の第2シリンドリカルレンズ56は、各々が一体形成されていても良いし、別体で構成されていても良い。
第2シリンドリカルレンズ56は、第2の母線56Mの方向が支持部材10Bの上面10B1と交差するように配置されている。本実施形態では、第2の母線56Mの方向は、上面10B1と直交している。また、第2シリンドリカルレンズ56は、第2の母線56Mが第1シリンドリカルレンズ51の第1の母線51Mの方向と直交している。
第2シリンドリカルレンズ56は、凸状のレンズ面57と、平坦な裏面58とを有する平凸レンズである。
本実施形態において、第2シリンドリカルレンズ56は、裏面58を第1シリンドリカルレンズ51のレンズ面52に対向させている。第2シリンドリカルレンズ56の数は、各上面10B1のX方向に沿って配置される発光部40の数に対応する。
本実施形態においては、図4に示すように、支持部材10Bの上面10B1に発光部40が5個配置されていることから、第2のシリンドリカルレンズアレイ55は5つの第2シリンドリカルレンズ56を有している。
本実施形態においては、図4に示すように、支持部材10Bの上面10B1に発光部40が5個配置されていることから、第2のシリンドリカルレンズアレイ55は5つの第2シリンドリカルレンズ56を有している。
このような構成に基づき、第1シリンドリカルレンズ51を透過した光線BLは、対応する第2シリンドリカルレンズ56によりXY面内において平行化されるようになっている。
図5はコリメート光学系11によるレンズ効果を説明するための図であり、図5(a)は図4を−X方向から見た側面図であり、図5(b)は図4を+Z方向から見た平面図である。
図5(a)に示すように、第1シリンドリカルレンズ51は、第1の母線51Mと直交するYZ平面と平行な面内においてのみレンズ効果を持っていることで、発光部40から射出された光線BLをYZ平面と平行な面内にて平行化する。一方、第1シリンドリカルレンズ51は、第1の母線51Mと平行なXY平面と平行な面内においてはレンズ効果を持たない。そのため、図5(b)に示すように、光線BLは、XY平面と平行な面内においては、レンズ効果を受けることなく、第1シリンドリカルレンズ51を透過する。
図5(a)に示すように、第1シリンドリカルレンズ51は、第1の母線51Mと直交するYZ平面と平行な面内においてのみレンズ効果を持っていることで、発光部40から射出された光線BLをYZ平面と平行な面内にて平行化する。一方、第1シリンドリカルレンズ51は、第1の母線51Mと平行なXY平面と平行な面内においてはレンズ効果を持たない。そのため、図5(b)に示すように、光線BLは、XY平面と平行な面内においては、レンズ効果を受けることなく、第1シリンドリカルレンズ51を透過する。
なお、本実施形態においては、第1シリンドリカルレンズ51の第1の母線51Mと垂直な断面において、レンズ面52の断面形状は非球面である。本実施形態において、上記断面形状は、円錐定数Kが、−1<K<0で近似される形状である。
この構成によれば、球面収差を良好に補正することができるため、光線BLの拡がり角度が大きい(70°)場合でも、第1シリンドリカルレンズ51によって良好に平行化される。
この構成によれば、球面収差を良好に補正することができるため、光線BLの拡がり角度が大きい(70°)場合でも、第1シリンドリカルレンズ51によって良好に平行化される。
第2シリンドリカルレンズ56は、図5(a)に示すように、第2の母線56Mと平行なYZ平面と平行な面内においてはレンズ効果を持たないため、光線BLはYZ平面と平行な面内においてレンズ効果を受けずに第2シリンドリカルレンズ56を透過する。一方、第2シリンドリカルレンズ56は、図5(b)に示すように、第2の母線56Mと直交するXY平面と平行な面内においてレンズ効果を持つため、第1シリンドリカルレンズ51を透過した光線BLをXY平面と平行な面内にて平行化する。
本実施形態において、第1シリンドリカルレンズ51と第2シリンドリカルレンズ56との間の距離と、第1シリンドリカルレンズ51の屈折力と、第2シリンドリカルレンズ56の屈折力とは、第2シリンドリカルレンズ56を透過した光線BLの断面のアスペクト比が略1となるように設定されている。すなわち、本実施形態において、コリメート光学系11を透過した光線BLの断面形状BSは、図3に示した楕円状ではなく、略円形状である。
このように本実施形態によれば、光源アレイ10から射出された光線束Kを2つのシリンドリカルレンズを含むコリメート光学系11によって平行光に変換することが可能である。
コリメート光学系11により平行化された光線束Kは、第1のインテグレータ光学系12に入射する。第1のインテグレータ光学系12は、第1レンズアレイ12aと、第2レンズアレイ12bとを含む。第1レンズアレイ12aは複数の第1小レンズ12amを含み、第2レンズアレイ12bは複数の第2小レンズ12bmを含む。複数の第2小レンズ12bmは複数の第1小レンズ12amとそれぞれ対応している。
第1レンズアレイ12aと蛍光発光素子16は互いに光学的に共役であり、第1レンズアレイ12aと光変調装置4Bとは互いに光学的に共役である。また、発光部40の光射出面40aと第2レンズアレイ12bとは互いに光学的に共役である。
第1のインテグレータ光学系12は、後述のように、ピックアップ光学系15と協働して、蛍光発光素子16を照射する光の照度分布(明るさ)を均一化する。また、第1のインテグレータ光学系12は、後述のように、青色光用重畳レンズ17と協働して、光変調装置4Bの画像形成領域において光の照度分布を均一化する。
ところで、本実施形態のように、複数の発光部40を備えた光源アレイ10を有した照明装置2では、発光部40のアライメントに多少のずれが生じることが避けられない。つまり、本実施形態において、照明装置2は多少の実装誤差を有したものとなっている。
ここで、比較例として、第1レンズアレイ112a及びその後段に配置された第2レンズアレイ112bを含むホモジナイザー光学系112を参照しながら、本実施形態の構成について説明する。
図6は、比較例に係る第2レンズアレイ112bを+Y方向から見た平面図である。
光源アレイ10において上記の実装誤差が生じると、蛍光体層34上での照度分布の均一性が低下する。これは、1つの発光部40から射出された光線BLによって第2小レンズ112bm上に形成される2次光源像Gの位置が、第2小レンズ112bmの所定の位置、たとえば第2小レンズ112bmの中央からずれるためである。
光源アレイ10において上記の実装誤差が生じると、蛍光体層34上での照度分布の均一性が低下する。これは、1つの発光部40から射出された光線BLによって第2小レンズ112bm上に形成される2次光源像Gの位置が、第2小レンズ112bmの所定の位置、たとえば第2小レンズ112bmの中央からずれるためである。
発光部40の光射出面40aと第2レンズアレイ112bとは光学的に共役であるため、光射出面40aがX方向に長手方向を有する長方形の場合、第2小レンズ112bm上に形成される2次光源像GはX方向に長手方向を有した長方形となる。
ここで、実装誤差による第2小レンズ112bm上での2次光源像Gの移動は各方向に同じ割合で発生する。第2小レンズ112bmの平面形状はX方向の長さがZ方向の長さと等しい正方形である。
実装誤差が生じると、2次光源像Gは所定の位置からずれる。なお、本実施形態では、複数の発光部40を支持部材10Bの上面10B1(水平面)に実装している。そのため、複数の発光部40は、上面10B1に直交する高さ方向(Z方向)における実装誤差は生じにくい。しかしながら、上面10B1において、発光部40の実装位置がX方向にずれる可能性はある。この場合、2次光源像GもX方向にずれる。
図6からわかるように、X方向にずれた2次光源像Gは第2小レンズ112bmからはみ出すおそれがある。2次光源像Gのうち第2小レンズ112bmからはみだした成分は所定の被照明領域を照射することができない。そのため、2次光源像Gがはみ出すと、光源アレイ10から射出された光線束Kを効率良く利用することが出来ず、光利用効率が低下してしまう。
ここで、発光部40の光射出面40aのアスペクト比が例えば30:1以上の場合、2次光源像Gが長手方向に細長い形状であるため、2次光源像Gが第2小レンズ112bmからはみ出しやすい。
この問題を解決すべく、本実施形態の照明装置2では、矩形の第2小レンズ12bmを含む第1のインテグレータ光学系12を備えている。
図7は第2レンズアレイ12bを+Y方向から見た平面図である。
図7に示すように、第2レンズアレイ12bの第2小レンズ12bmの平面形状は、X方向に沿って長手を有する矩形である。したがって、発光部40に生じた実装誤差によりX方向に2次光源像Gがずれたとしても、2次光源像Gが第2小レンズ12bmからはみ出しにくい。
よって、光源アレイ10から射出された光線束Kを効率良く利用することができる。また、光源アレイ10において要求される発光部40の実装精度が低くなるため、製造が容易となってコスト低減を図ることができる。
図7に示すように、第2レンズアレイ12bの第2小レンズ12bmの平面形状は、X方向に沿って長手を有する矩形である。したがって、発光部40に生じた実装誤差によりX方向に2次光源像Gがずれたとしても、2次光源像Gが第2小レンズ12bmからはみ出しにくい。
よって、光源アレイ10から射出された光線束Kを効率良く利用することができる。また、光源アレイ10において要求される発光部40の実装精度が低くなるため、製造が容易となってコスト低減を図ることができる。
また、本実施形態によれば、光射出面40aのアスペクト比が例えば30:1以上と大きく、従来、2次光源像Gのはみ出しが起こり易い場合でも、2次光源像Gのはみ出しを低減することができる。光射出面40aのアスペクト比が大きいほど、本発明は顕著な効果を奏する。
第1シリンドリカルレンズ51は上面10B1と垂直な方向に屈折力を持ち、第2シリンドリカルレンズ56は他の方向に屈折力を持っている。さらに、第2シリンドリカルレンズ56は第1シリンドリカルレンズ51の後段に配置されているため、第2シリンドリカルレンズ56の焦点距離は第1シリンドリカルレンズ51の焦点距離よりも長い。そのため、第1方向において発光部40の実装誤差が生じた場合でも、実装誤差の影響が比較的小さい。
なお、第1のインテグレータ光学系12による効果を向上させるには、第1レンズアレイ12aの第1小レンズ12amに対して光線BLを効率良く入射させる必要がある。これは、各第1小レンズ12amに入射した光を照明領域上で互いに重畳させることで、該照明領域における照度分布を均一化するからである。
図8は第1レンズアレイ12aの光入射面を概念的に示した図である。なお、図8では比較として、アスペクト比が1よりも小さい場合の光線BL’を示している。
本実施形態では、上述のように、コリメート光学系11から射出された光線BLの断面形状BSのアスペクト比を略1としている。
本実施形態では、上述のように、コリメート光学系11から射出された光線BLの断面形状BSのアスペクト比を略1としている。
図8に示すように、断面形状のアスペクト比が略1となる光線BLは、断面形状のアスペクト比が1よりも小さい光線BL’に比べ、第1小レンズ12amに対する入射面積が大きい。そのため、本実施形態によれば、第1のインテグレータ光学系12の光重畳性能を向上させることが可能である。
また、光線BLはアスペクト比が略1であり面積が大きいため、第1小レンズ12amを小さくしなくても被照明領域を高い均一性で照明することができる。つまり、第1レンズアレイ12aを構成する第1小レンズ12amの数を減らすことができるので、製造が容易であり、第1レンズアレイ12aのコストを下げることができる。
したがって、本実施形態によれば、光線BLのアスペクト比を略1とすることで、低コストな第1のインテグレータ光学系12を用いて、被照明領域を高い均一性で照明することができる。
したがって、本実施形態によれば、光線BLのアスペクト比を略1とすることで、低コストな第1のインテグレータ光学系12を用いて、被照明領域を高い均一性で照明することができる。
第1のインテグレータ光学系12を透過した光線束Kは位相差板13に入射する。
位相差板13は、例えば回転可能とされた1/2波長板である。1/2波長板の回転角度を適切に設定することにより、位相差板13を透過した光線束Kを、偏光分離素子14に対するS偏光成分とP偏光成分とを所定の比率で含む光とすることができる。
位相差板13は、例えば回転可能とされた1/2波長板である。1/2波長板の回転角度を適切に設定することにより、位相差板13を透過した光線束Kを、偏光分離素子14に対するS偏光成分とP偏光成分とを所定の比率で含む光とすることができる。
偏光分離素子14は、光軸ax1及び光軸ax2に対し、それぞれ45°の角度をなすように配置されている。偏光分離素子14は、例えば、偏光ビームスプリッターから構成され、位相差板13を通過した光線束Kを位相差板13に対するS偏光成分とP偏光成分とに分離する偏光分離機能を有している。また、偏光分離素子14は光線束Kとは波長帯が異なる、後述する蛍光光からなる黄色光YLを、その偏光状態にかかわらず反射させる色分離機能を有している。
具体的に、偏光分離素子14は、入射光(光線束K)のうちのS偏光成分の光線BLsを反射させ、入射光のうちのP偏光成分の光線BLpを透過させる。
S偏光成分である光線BLsは、偏光分離素子14で反射して青色光用重畳レンズ17に向かう。P偏光成分である光線BLpは、偏光分離素子14を透過して蛍光発光素子16に向かう。
S偏光成分である光線BLsは、偏光分離素子14で反射して青色光用重畳レンズ17に向かう。P偏光成分である光線BLpは、偏光分離素子14を透過して蛍光発光素子16に向かう。
偏光分離素子14から射出されたS偏光の光線BLsは、青色光用重畳レンズ17に入射する。青色光用重畳レンズ17は、第1のインテグレータ光学系12と協同して、光変調装置4Bの画像形成領域に光線BLsを青色光LBとして重畳させることで該青色光LBの照度分布を均一化する。具体的に、青色光用重畳レンズ17を透過した光線BLsは、全反射ミラー18,7aおよびフィールドレンズ9Bを介して、青色光LBとして光変調装置4Bに入射する。
本実施形態によれば、第1のインテグレータ光学系12は矩形の第2小レンズ12bmを備えているため、光変調装置4Bの画像形成領域に対して均一な明るさの青色光LBを効率良く照射することができる。
一方、P偏光成分である光線BLpは、偏光分離素子14を透過してピックアップ光学系15に入射する。ピックアップ光学系15は、光線BLpを蛍光発光素子16の蛍光体層34上に集光する機能と、蛍光体層34から射出された蛍光をピックアップする機能とを備える。ピックアップ光学系15は、例えばピックアップレンズ15a,15bから構成されている。
ピックアップ光学系15は、第1のインテグレータ光学系12と協同して、蛍光発光素子16の蛍光体層34上に光線BLpを重畳させる。本実施形態において、第1のインテグレータ光学系12は矩形の第2小レンズ12bmを備えているため、蛍光体層34に対して均一な明るさの光線BLpを励起光として効率良く照射することができる。
図9は蛍光発光素子16の概略構成を示す図である。図9(a)は蛍光発光素子16の正面図であり、図9(b)は図9(a)のA1−A1線矢視による断面図である。
図9(a)に示すように、蛍光発光素子16は、蛍光体層34と、蛍光体層34を支持する円板35と、駆動部36とを有している。円板35は、駆動部36により回転軸Oの周りに回転可能である。円板35は、例えば、アルミや銅といった放熱性に優れた金属製の円板から構成されている。蛍光体層34は、円板35の上面35aに、円板35の周方向に沿って設けられている。駆動部36は、例えば、モーター等の駆動源から構成される。
図9(a)に示すように、蛍光発光素子16は、蛍光体層34と、蛍光体層34を支持する円板35と、駆動部36とを有している。円板35は、駆動部36により回転軸Oの周りに回転可能である。円板35は、例えば、アルミや銅といった放熱性に優れた金属製の円板から構成されている。蛍光体層34は、円板35の上面35aに、円板35の周方向に沿って設けられている。駆動部36は、例えば、モーター等の駆動源から構成される。
蛍光体層34は、光線BLpを吸収して蛍光からなる黄色光YLに変換して射出する蛍光体粒子を含む。蛍光体粒子としては、例えばYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)系蛍光体を用いることができる。なお、蛍光体粒子の形成材料は、1種であってもよく、2種以上の材料を用いて形成されている粒子を混合したものを蛍光体粒子として用いてもよい。
蛍光体層34には、耐熱性および表面加工性に優れたものを用いることが好ましい。このような蛍光体層34としては、例えば、アルミナ等の無機バインダー中に蛍光体粒子を分散させた蛍光体層、バインダーを用いずに蛍光体粒子を焼結した蛍光体層などを好適に用いることができる。
ところで、蛍光体粒子がレーザー光からなる光線BLpを吸収して、蛍光体層34の温度が過度に上昇すると、温度消光という現象が生じ、蛍光体粒子の発光効率が低下する。
本実施形態によれば、上記第1のインテグレータ光学系12により均一化した光線BLpを蛍光体層34に照射するので、蛍光体層34の温度が過度に上昇することが防止される。よって、発光効率が低下しにくい。
したがって、本実施形態によれば、黄色光YLの発光効率の低下を低減できる。
したがって、本実施形態によれば、黄色光YLの発光効率の低下を低減できる。
蛍光体層34の光線BLpが入射する側とは反対側には、反射部37が設けられている。反射部37は、蛍光体層34で生成された黄色光YLをピックアップ光学系15側に向けて反射する。
また、前述したように、第1レンズアレイ12aと蛍光発光素子16は互いに光学的に共役であり、第1レンズアレイ12aと光変調装置4Bとは互いに光学的に共役である。そのため、光線BLpが蛍光体層34上に形成するスポットSと光変調装置4B上に形成するスポットとは互いに相似である。つまり、光線BLpが蛍光体層34上に形成するスポットSのアスペクト比は、光変調装置4Bの画像形成領域のアスペクト比と略等しくなっている。
本実施形態において、上記スポットSの長辺方向は円板35の半径方向と一致している。円板35は回転するため、スポットSは、蛍光体層34上をスポットSの短辺方向に相対移動する。そのため、単位時間あたり(円板35が1回転する時間あたり)、蛍光体層34の所定部分に入射する光線BLpの光量は、上記スポットSの短辺方向を円板35の半径方向に一致させた場合よりも少ない。
これにより、蛍光体層34の温度上昇が低減されるので、温度消光が起こりにくく、蛍光体層34は黄色光YLを効率良く生成することができる。
これにより、蛍光体層34の温度上昇が低減されるので、温度消光が起こりにくく、蛍光体層34は黄色光YLを効率良く生成することができる。
蛍光体層34から射出された黄色光YLは、ピックアップ光学系15によって平行光に変換された後、偏光分離素子により反射されることで第2のインテグレータ光学系19に入射する。
第2のインテグレータ光学系19は、黄色光用重畳レンズ21と協働して被照明領域での黄色光YLによる照度分布を均一化する。
第2のインテグレータ光学系19は、例えば、レンズアレイ19a,レンズアレイ19bから構成されている。レンズアレイ19a,19bは、複数のレンズがアレイ状に配列されたものからなる。
第2のインテグレータ光学系19を通過した黄色光YLは、偏光変換素子20に入射する。偏光変換素子20は、例えば、偏光分離膜と位相差板とから構成され、黄色光YLを直線偏光に変換する。
偏光変換素子20を通過した黄色光YLは、黄色光用重畳レンズ21に入射する。黄色光用重畳レンズ21は、偏光変換素子20から射出された黄色光YLを被照明領域に重畳させる。本実施形態では、第2のインテグレータ光学系19と黄色光用重畳レンズ21とによって、被照明領域における照度分布が均一化される。
具体的に、黄色光用重畳レンズ21から射出された黄色光YLは、全反射ミラー22により反射され、ダイクロイックミラー8によって赤色光LRと緑色光LGとに分離される。赤色光LRは、ダイクロイックミラー8を透過し、第3の全反射ミラー7c及びフィールドレンズ9Rを経て光変調装置4Rの画像形成領域を均一な明るさで照明する。
また、緑色光LGは、ダイクロイックミラー8及び第2の全反射ミラー7bで反射された後、フィールドレンズ9Gを経て光変調装置4Gの画像形成領域を均一な明るさで照明する。
また、緑色光LGは、ダイクロイックミラー8及び第2の全反射ミラー7bで反射された後、フィールドレンズ9Gを経て光変調装置4Gの画像形成領域を均一な明るさで照明する。
以上述べたように、本実施形態によれば、光源アレイ10から射出した光が蛍光発光素子16或いは光変調装置4Bに効率良く入射するので、光利用効率が高くなる。よって、明るい照明光を得ることができる。よって、本実施形態のプロジェクター1によれば、明るい照明光により表示品質に優れたものとなる。
なお、本発明の一実施形態を例示して説明したが、本発明は上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。たとえば、第1の母線51Mの方向と第2の母線55Mの方向とは、必ずしも直交していなくてもよい。
また、上記実施形態では、3つの光変調装置4R,4G,4Bを備えるプロジェクター1を例示したが、1つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに適用することも可能である。さらに、光変調装置としては、上述した液晶パネルに限らず、例えばデジタルミラーデバイスなどを用いることもできる。
その他、照明装置およびプロジェクターの各種構成要素の形状、数、配置、材料等については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。
また、上記実施形態では本発明による照明装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。
また、上記実施形態では本発明による照明装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。
1…プロジェクター、2…照明装置、4B、4G、4R…光変調装置、6…投射光学系、10…光源アレイ、10B…支持部材、11…コリメート光学系、12…ホモジナイザー光学系、12a…第1レンズアレイ、12b…第2レンズアレイ、40…発光部、51…第1シリンドリカルレンズ、51M…第1の母線、56…第2シリンドリカルレンズ、56M…第2の母線、K…光線束、BS…断面形状。
Claims (6)
- 実装面を有する実装基板と、前記実装面に実装された複数の発光部とを有する光源アレイと、
前記光源アレイから射出された光線束が入射するコリメート光学系と、
第1レンズアレイ及び第2レンズアレイを含むホモジナイザー光学系と、を備え、
前記光線束の主光線が前記実装面と平行に前記光源アレイから射出されるように、前記複数の発光部が前記実装面と平行な第1方向に沿って実装され、
前記複数の発光部各々の長手方向は前記第1方向と一致しており、
前記第2レンズアレイの第2小レンズの長手方向は、前記実装面と平行である
照明装置。 - 前記コリメート光学系は、第1シリンドリカルレンズと、該第1シリンドリカルレンズの後段に配置された第2シリンドリカルレンズを備え、
第1シリンドリカルレンズは、第1の母線を有し、
第2シリンドリカルレンズは、第2の母線を有し、
前記第1の母線は、前記実装面と平行であり、
前記第2の母線の方向は、前記実装面と交差する
請求項1に記載の照明装置。 - 前記光線束は、前記複数の発光部のうち第1の発光部から射出された第1の光ビームを含み、
前記第1シリンドリカルレンズと前記第2シリンドリカルレンズとの間の距離と、前記第1シリンドリカルレンズの屈折力と、前記第2シリンドリカルレンズの屈折力とは、前記第2シリンドリカルレンズを透過した前記第1の光ビームの断面のアスペクト比が略1となるように設定されている
請求項1又は2に記載の照明装置。 - 前記第1シリンドリカルレンズの前記第1の母線と垂直な断面形状は非球面である
請求項1〜3のいずれか1項に記載の照明装置。 - 前記断面形状は、円錐定数Kが、−1<K<0で近似される形状である
請求項4に記載の照明装置。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の照明装置と、
前記照明装置から射出される光を画像情報に応じて変調して画像光を形成する光変調装置と、
前記画像光を投射する投射光学系と、を備える
プロジェクター。
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