JP2021036259A - Light source device and image projection device - Google Patents
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Abstract
【課題】 効率的にスペクトル合成を行うことが可能、かつ省スペース、低コストである光源装置および画像投射装置を提供すること。【解決手段】 複数の光源と対になるアフォーカル光学系を有し、アフォーカル光学系は少なくとも１つの光学素子を共有する構成において、複数の光源から出射する光束の軸外の周辺光線と光軸のなす最大角は互いに異なり、複数のアフォーカル光学系から出射する光束の軸外の周辺光線と光軸のなす最大角は互いに略同じとなるように、アフォーカル光学系の異なる光学素子の焦点距離を異ならせる。【選択図】 図４PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light source device and an image projection device capable of efficiently performing spectrum synthesis, saving space and low cost. SOLUTION: The afocal optical system has an afocal optical system paired with a plurality of light sources, and the afocal optical system shares at least one optical element. The maximum angles formed by the axes are different from each other, and the maximum angles formed by the off-axis peripheral rays and the optical axes of the light sources emitted from the plurality of afocal optical systems are substantially the same as each other. Different focal distances. [Selection diagram] Fig. 4
Description
本発明は、画像投射装置（プロジェクタ）等に好適な光源装置に関する。 The present invention relates to a light source device suitable for an image projection device (projector) or the like.
近年、レーザダイオードの高出力化が進み、レーザダイオードからの励起光を蛍光体に照射して波長変換された蛍光光とレーザダイオードの単色光を合成させた光源を用いた広範囲の色再現領域を実現したプロジェクタが開発されている。 In recent years, the output of laser diodes has been increasing, and a wide range of color reproduction regions using a light source that synthesizes wavelength-converted fluorescent light and monochromatic light of a laser diode by irradiating a phosphor with excitation light from the laser diode has been developed. A realized projector is being developed.
特許文献１には、光源（レーザおよびレーザ励起蛍光体）を複数合成させたプロジェクタが開示されている。特許文献１にて開示されたプロジェクタでは、複数の励起レーザからの光束をそれぞれ蛍光体に照射して波長変換された蛍光光と、赤のレーザを合成させ照明系に導くことで高輝度のプロジェクタを実現させている。 Patent Document 1 discloses a projector in which a plurality of light sources (laser and laser-excited phosphor) are synthesized. The projector disclosed in Patent Document 1 is a high-luminance projector by irradiating a phosphor with luminous flux from a plurality of excitation lasers to synthesize wavelength-converted fluorescent light and a red laser to guide the lighting system. Is realized.
また、特許文献２にて開示されたプロジェクタでは、複数の励起レーザからの光束をそれぞれ蛍光体に照射して波長変換された蛍光光と、励起レーザとは波長の異なる青のレーザと、赤のレーザを合成させ照明系に導くことで高輝度のプロジェクタを実現させている。 Further, in the projector disclosed in Patent Document 2, fluorescent light whose wavelength is converted by irradiating a phosphor with luminous flux from a plurality of excitation lasers, a blue laser having a wavelength different from that of the excitation laser, and a red one. A high-brightness projector is realized by synthesizing lasers and guiding them to the illumination system.
光変調素子を用いたプロジェクタでは、光変調素子を照明する光束の偏光方向を一致させる必要があり、照明系にはＰＳコンバータが搭載されている。そして光変調素子を照明する光束の効率を上げるため、かつ強度むらを軽減するためにフライアイレンズアレイが搭載されている。このＰＳコンバータは効率低下を防ぐため、フライアイレンズアレイが作る焦点位置近傍つまり光源の発光面の共役位置近傍に設置されるのが一般的である。 In a projector using a light modulation element, it is necessary to match the polarization directions of the light flux illuminating the light modulation element, and the illumination system is equipped with a PS converter. A fly-eye lens array is mounted to increase the efficiency of the luminous flux that illuminates the light modulation element and to reduce the intensity unevenness. This PS converter is generally installed near the focal position formed by the fly-eye lens array, that is, near the conjugate position of the light emitting surface of the light source in order to prevent a decrease in efficiency.
また波長の異なるレーザダイオードの発光面のサイズは異なり、出力、バンドギャップや材料の熱伝導率により最適なサイズが設計されている。蛍光体を用いたプロジェクタでは、レーザダイオードの発光面と蛍光体上とフライアイレンズアレイが作る焦点位置はおおよそ共役となっており、光学系の倍率によってサイズが規定される。蛍光体を用いていないプロジェクタでは、レーザダイオードの発光面とフライアイレンズアレイが作る焦点位置はおおよそ共役となっており、光学系の倍率によってサイズが規定される。 In addition, the size of the light emitting surface of laser diodes having different wavelengths is different, and the optimum size is designed according to the output, band gap, and thermal conductivity of the material. In a projector using a phosphor, the light emitting surface of the laser diode, the focal position formed on the phosphor, and the focal position formed by the fly-eye lens array are approximately conjugate, and the size is defined by the magnification of the optical system. In a projector that does not use a phosphor, the light emitting surface of the laser diode and the focal position formed by the fly-eye lens array are approximately conjugate, and the size is defined by the magnification of the optical system.
最近のプロジェクタの小型化に伴い、ＰＳコンバータの大きさが規制されるため、フライアイレンズアレイが作る光源と共役である光源像が大きくなってしまうと効率低下を招いてしまう。逆に小さすぎると、ＰＳコンバータの光密度が高くなってしまいＰＳコンバータの劣化を加速させてしまう。またフライアイレンズアレイが作る焦点位置と共役である蛍光体上の光密度が高くなり輝度飽和を起こし効率低下を招いてしまう。したがって、効率低下と光学素子劣化、蛍光体輝度飽和を起こさないバランスの良い大きさの光源像を形作る必要がある。 With the recent miniaturization of projectors, the size of the PS converter is restricted, and if the light source image that is conjugate with the light source created by the fly-eye lens array becomes large, the efficiency will decrease. On the contrary, if it is too small, the light density of the PS converter becomes high and the deterioration of the PS converter is accelerated. In addition, the light density on the phosphor, which is conjugate with the focal position formed by the fly-eye lens array, becomes high, causing brightness saturation and reducing efficiency. Therefore, it is necessary to form a well-balanced light source image that does not cause efficiency decrease, optical element deterioration, and phosphor brightness saturation.
しかしながら、上記の特許文献１にて開示されたプロジェクタでは、フライアイレンズアレイが作る光源と共役である光源像は、光源の発光面のサイズと光源内にあるコリメータレンズの焦点距離で決まる。また、コリメータレンズの焦点距離が長すぎると光束の取り込み効率が落ち、逆に短すぎると光学素子の光密度が高くなり光学素子劣化を招いてしまうためコリメータの焦点距離はおおよそ決まってしまう。したがって、励起レーザと赤のレーザのフライアイレンズアレイが作る光源と共役である光源像の大きさは異なり、効率低下もしくは光学素子劣化を招いてしまう。 However, in the projector disclosed in Patent Document 1 above, the light source image that is conjugate with the light source created by the fly-eye lens array is determined by the size of the light emitting surface of the light source and the focal length of the collimator lens in the light source. Further, if the focal length of the collimator lens is too long, the light flux capture efficiency is lowered, and conversely, if it is too short, the light density of the optical element becomes high and the optical element deteriorates, so that the focal length of the collimator is roughly determined. Therefore, the size of the light source image conjugate with the light source formed by the fly-eye lens array of the excitation laser and the red laser is different, which causes a decrease in efficiency or deterioration of the optical element.
上記の特許文献２にて開示されたプロジェクタでは、フライアイレンズが作る光源と共役である光源像は、光源の発光面のサイズとそれぞれ波長の異なるレーザと対になる複数のリレーレンズの焦点距離で決まる。しかしながら光源の発光面のサイズに合わせたリレーレンズの設計にはなっていないため、波長の異なるレーザのフライアイレンズアレイが作る光源と共役である光源像の大きさは異なり、効率低下もしくは光学素子劣化を招いてしまう。そして、複数のリレーレンズを用いることで、光源装置が大型化してしまう。 In the projector disclosed in Patent Document 2 above, the light source image that is conjugate with the light source created by the fly-eye lens has the size of the light emitting surface of the light source and the focal lengths of a plurality of relay lenses paired with lasers having different wavelengths. It is decided by. However, since the relay lens is not designed according to the size of the light emitting surface of the light source, the size of the light source image that is conjugate with the light source created by the fly-eye lens array of lasers with different wavelengths is different, resulting in reduced efficiency or optical elements. It causes deterioration. Then, by using a plurality of relay lenses, the light source device becomes large.
本発明は、上述したような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、効率的にスペクトル合成を行うことが可能、かつ省スペース、低コストである光源装置および画像投射装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and provides a light source device and an image projection device capable of efficiently performing spectrum synthesis, saving space, and reducing cost. The purpose is.
上記の目的を達成するために、本発明の一側面としての光源装置は、少なくとも２つの光源と、該光源と対になる少なくとも２つのアフォーカル光学系を有し該アフォーカル光学系は少なくとも１つの光学素子を共有し、前記少なくとも２つの光源から出射する光束の軸外の周辺光線と光軸のなす最大角は互いに異なり、前記少なくとも２つのアフォーカル光学系から出射する光束の軸外の周辺光線と光軸のなす最大角は互いに略同じとなるように、該アフォーカル光学系の異なる少なくとも１つの光学素子の焦点距離を異ならしめている。 In order to achieve the above object, the light source device as one aspect of the present invention has at least two light sources and at least two afocal optics paired with the light sources, the afocal optics having at least one. The off-axis peripheral rays of the light beam emitted from the at least two light sources and the maximum angle formed by the optical axis are different from each other, and the off-axis peripheral rays of the light beam emitted from the at least two afocal optical systems share one optical element. The focal distances of at least one different optical element of the afocal optical system are different so that the maximum angles formed by the light beam and the optical axis are substantially the same as each other.
本発明の他の側面としての画像投射装置は、光源装置と、光変調素子と、前記光源装置からの光を用いて前記光変調素子を照明する照明光学系と、前記光源装置からの光を前記光変調素子に導くとともに、前記光変調素子からの光を投射光学系に導く色分離合成系とを備える。 The image projection device as another aspect of the present invention includes a light source device, a light modulation element, an illumination optical system that illuminates the light modulation element using light from the light source device, and light from the light source device. It includes a color separation synthesis system that guides the light from the light modulation element to the projection optical system while guiding the light from the light modulation element.
かかる構成において、本発明の実施例に基づき、さらに詳細に説明する。 Such a configuration will be described in more detail based on the examples of the present invention.
本発明によれば、効率的にスペクトル合成を行うことが可能、かつ省スペース、低コストである光源装置および投射型表示装置の提供を実現できる。 According to the present invention, it is possible to provide a light source device and a projection type display device that can efficiently perform spectrum synthesis, save space, and reduce cost.
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、図２を参照して、本発明の実施例１における光源装置について説明する。 First, the light source device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図２は、本実施例における光源装置の構成図である。以下、光源から白色光生成までを順を追って説明する。 FIG. 2 is a block diagram of the light source device in this embodiment. Hereinafter, the process from the light source to the generation of white light will be described step by step.
まず、光源について説明する。 First, the light source will be described.
図１は本実施例における光源から射出する光線の説明図である。 FIG. 1 is an explanatory diagram of a light beam emitted from a light source in this embodiment.
光源１はレーザダイオード１１と各射出光を平行化するコリメータレンズ１２で構成されている。厳密に点である光源から発せられる光束はコリメータレンズによって光軸と平行な平行光となるが、レーザダイオードは小さいながら光源の大きさを持っているため、レーザダイオード１１の軸外からの出射光はコリメータレンズ１２を透過後に光軸と傾きを持った平行光として出射される。このとき、コリメータレンズ１２から出射する光束の軸外の周辺光線と光軸のなす角をθｔとする。 The light source 1 is composed of a laser diode 11 and a collimator lens 12 that parallelizes each emitted light. The light beam emitted from the light source, which is strictly a point, becomes parallel light parallel to the optical axis by the collimator lens, but since the laser diode has the size of the light source although it is small, the light emitted from the outside of the axis of the laser diode 11 Is emitted as parallel light having an optical axis and an inclination after passing through the collimator lens 12. At this time, the angle formed by the off-axis peripheral light beam emitted from the collimator lens 12 and the optical axis is set to θ t .
光源２はレーザダイオード２１と各射出光を平行化するコリメータレンズ２２で構成されている。光源１と同じように、レーザダイオード２１の軸外からの出射光はコリメータレンズ２２を透過後に光軸と傾きを持った略平行光として出射される。このとき、コリメータレンズ２２から出射する光束の軸外の周辺光線と光軸のなす角をθｗとする。前述のθｔとθｗはそれぞれ光源の大きさとコリメータレンズの焦点距離によって規定されるため、レーザダイオードの波長、出力、バンドギャップや材料の熱伝導率等により異なる。 The light source 2 is composed of a laser diode 21 and a collimator lens 22 that parallelizes each emitted light. Similar to the light source 1, the light emitted from the outside of the axis of the laser diode 21 is emitted as substantially parallel light having an inclination with the optical axis after passing through the collimator lens 22. At this time, the angle formed by the off-axis peripheral light beam emitted from the collimator lens 22 and the optical axis is set to θ w . Since the above-mentioned θ t and θ w are defined by the size of the light source and the focal length of the collimator lens, respectively, they differ depending on the wavelength, output, band gap, thermal conductivity of the material, and the like of the laser diode.
前述で光源から出射される平行光は傾きを持っていると説明したが、以下光源装置の説明では略平行光と表現する。 In the above description, the parallel light emitted from the light source has an inclination, but in the following description of the light source device, it is expressed as substantially parallel light.
本実施例において、光源５は、４６５ｎｍの波長を有する青波長帯域光を射出する青レーザダイオード５１と各射出光を平行光化するコリメータレンズ５２で構成され、各々の射出光は略平行光となって図２の上方向に射出される。 In this embodiment, the light source 5 is composed of a blue laser diode 51 that emits blue wavelength band light having a wavelength of 465 nm and a collimator lens 52 that parallelizes each emitted light, and each emitted light is substantially parallel light. Then, it is ejected upward in FIG.
光源６は、おおよそ６３８ｎｍの波長を有する赤波長帯域光を射出する赤レーザダイオード６１と各射出光を平行光化するコリメータレンズ６２で構成され、各々の射出光は略平行光となって図２の上方向に射出される。 The light source 6 is composed of a red laser diode 61 that emits red wavelength band light having a wavelength of about 638 nm and a collimator lens 62 that parallelizes each emitted light, and each emitted light becomes substantially parallel light in FIG. 2. It is ejected upward.
光源７は、おおよそ５２０ｎｍの波長を有する緑波長帯域光を射出する緑レーザダイオード７１と各射出光を平行光化するコリメータレンズ７２で構成され、各々の射出光は略平行光となって図２の上方向に射出される。ただし本実施例の光源は、これに限定されるものではなく、広い色再現領域と品位の高い白色を両立可能な他の光源であってもよい。 The light source 7 is composed of a green laser diode 71 that emits green wavelength band light having a wavelength of about 520 nm and a collimator lens 72 that parallelizes each emitted light, and each emitted light becomes substantially parallel light in FIG. 2. It is ejected upward. However, the light source of this embodiment is not limited to this, and may be another light source capable of achieving both a wide color reproduction region and high-quality white.
光源５から射出された略平行光は、集光レンズ５３により集光される。光源６から射出された略平行光は、集光レンズ６３により集光される。光源７から射出された略平行光は、集光レンズ７３により集光される。それぞれ集光したレーザ光束群は凹レンズ５４の焦点位置に集光する。凹レンズ５４は、集光光を略平行光化してミラー１０１に導く。前述の凹レンズ５４は凸レンズであってもよい。 The substantially parallel light emitted from the light source 5 is condensed by the condenser lens 53. The substantially parallel light emitted from the light source 6 is condensed by the condenser lens 63. The substantially parallel light emitted from the light source 7 is condensed by the condenser lens 73. Each focused laser luminous flux group is focused on the focal position of the concave lens 54. The concave lens 54 converts the focused light into substantially parallel light and guides it to the mirror 101. The concave lens 54 described above may be a convex lens.
ミラー１０１により反射された光は、集光レンズ１０２（集光レンズ群）により拡散体１０３上に集光される。拡散体１０３は、青レーザダイオード５１、赤レーザダイオード６１、および、緑レーザダイオード７１から射出した青波長帯域光、赤波長帯域光、および、緑波長帯域光を拡散させる光拡散素子である。 The light reflected by the mirror 101 is condensed on the diffuser 103 by the condenser lens 102 (condensing lens group). The diffuser 103 is a light diffusing element that diffuses the blue laser diode 51, the red laser diode 61, and the blue wavelength band light, the red wavelength band light, and the green wavelength band light emitted from the green laser diode 71.
拡散体１０３は、例えば硫酸バリウムなどの白色粉体を金属基板上に塗布して構成されており、入射したレーザ光束を拡散反射させる。また拡散体１０３は、モータ（不図示）により回転可能であり、各々のレーザダイオードを励起光源とした際にスクリーン投影像に生じる特有の輝度むら（スペックル）を時間的に平均化し、低減させる機能も兼ねていてもよい。集光レンズ１０２で集光された光は、拡散体１０３により拡散された拡散光となって反射され、再度、集光レンズ１０２に入射する。集光レンズ１０２は、拡散光を略平行光として、光源装置から射出させる。 The diffuser 103 is configured by applying a white powder such as barium sulfate on a metal substrate, and diffuses and reflects the incident laser light flux. Further, the diffuser 103 can be rotated by a motor (not shown), and the characteristic brightness unevenness (speckle) generated in the screen projection image when each laser diode is used as an excitation light source is timely averaged and reduced. It may also serve as a function. The light collected by the condenser lens 102 becomes diffused light diffused by the diffuser 103, is reflected, and is incident on the condenser lens 102 again. The condenser lens 102 emits diffused light as substantially parallel light from the light source device.
さて、光変調素子を用いたプロジェクタでは、光変調素子を照明する光束の偏光方向を一致させる必要があり、照明系にはＰＳコンバータが搭載されている。そして光変調素子を照明する光束の効率を上げるため、かつ強度むらを軽減するためにフライアイレンズアレイが搭載されている。このＰＳコンバータは効率低下を防ぐため、フライアイレンズアレイが作る焦点位置近傍つまり光源の発光面の共役位置近傍に設置されるのが一般的である。 In a projector using a light modulation element, it is necessary to match the polarization directions of the light flux illuminating the light modulation element, and the illumination system is equipped with a PS converter. A fly-eye lens array is mounted to increase the efficiency of the luminous flux that illuminates the light modulation element and to reduce the intensity unevenness. This PS converter is generally installed near the focal position formed by the fly-eye lens array, that is, near the conjugate position of the light emitting surface of the light source in order to prevent a decrease in efficiency.
また波長の異なるレーザダイオードの発光面のサイズは異なり、出力、バンドギャップや材料の熱伝導率により最適なサイズが設計されている。拡散体を用いたプロジェクタでは、レーザダイオードの発光面と拡散体上とフライアイレンズアレイが作る焦点位置はおおよそ共役となっており、光学系の倍率によってサイズが規定される。 In addition, the size of the light emitting surface of laser diodes having different wavelengths is different, and the optimum size is designed according to the output, band gap, and thermal conductivity of the material. In a projector using a diffuser, the light emitting surface of the laser diode, the focal position formed on the diffuser and the fly-eye lens array are approximately conjugate, and the size is defined by the magnification of the optical system.
最近のプロジェクタの小型化に伴い、ＰＳコンバータの大きさが規制されるため、フライアイレンズアレイが作る光源と共役である光源像が大きくなってしまうと効率低下を招いてしまう。逆に小さすぎると、ＰＳコンバータの光密度が高くなってしまいＰＳコンバータの劣化を加速させてしまう。したがって、効率低下と光学素子劣化を起こさないバランスの良い大きさの光源像を形作る必要がある。 With the recent miniaturization of projectors, the size of the PS converter is restricted, and if the light source image that is conjugate with the light source created by the fly-eye lens array becomes large, the efficiency will decrease. On the contrary, if it is too small, the light density of the PS converter becomes high and the deterioration of the PS converter is accelerated. Therefore, it is necessary to form a light source image having a well-balanced size that does not cause a decrease in efficiency and deterioration of the optical element.
本実施例では、それぞれの光源から出射される平行光は異なる傾きを持っているため、フライアイレンズアレイが作る光源と共役である光源像の大きさが異なってしまうことを改善するために、以下の工夫を行っている。 In this embodiment, since the parallel light emitted from each light source has a different inclination, in order to improve that the size of the light source image that is conjugate with the light source created by the fly-eye lens array is different. The following measures are taken.
それについては図１の本実施例における光源から射出する光線の説明図を用いて説明する。光源１から出射された略平行光はアフォーカル光学系３に導かれる。アフォーカル光学系３は集光レンズ３１と凹レンズ３２で構成され、アフォーカル倍率はＭｔとなる。凹レンズ３２を透過した光は略平行光となり、その後の光源装置内光学素子に導かれる。このとき、凹レンズ３２を透過した光束の軸外の周辺光線は光軸から傾いており、その角度はφｔとなる。同様に光源２から出射された略平行光はアフォーカル光学系４に導かれる。アフォーカル光学系４は集光レンズ４１と前述したアフォーカル光学系３と共通の光学素子である凹レンズ３２で構成され、アフォーカル倍率はＭｗとなる。凹レンズ３２を透過した光は略平行光となり、その後の光源装置内光学素子に導かれる。このとき、凹レンズ３２を透過した光束の軸外の周辺光線は光軸から傾いており、その角度はφｗとなる。 This will be described with reference to the explanatory diagram of the light beam emitted from the light source in this embodiment of FIG. The substantially parallel light emitted from the light source 1 is guided to the afocal optical system 3. The afocal optical system 3 is composed of a condenser lens 31 and a concave lens 32, and the afocal magnification is M t . The light transmitted through the concave lens 32 becomes substantially parallel light, and is guided to the optical element in the light source device thereafter. At this time, the off-axis peripheral light beam of the luminous flux transmitted through the concave lens 32 is tilted from the optical axis, and the angle thereof is φ t . Similarly, the substantially parallel light emitted from the light source 2 is guided to the afocal optical system 4. The afocal optical system 4 is composed of a condenser lens 41 and a concave lens 32 which is an optical element common to the above-mentioned afocal optical system 3, and the afocal magnification is M w . The light transmitted through the concave lens 32 becomes substantially parallel light, and is guided to the optical element in the light source device thereafter. At this time, the off-axis peripheral light beam of the luminous flux transmitted through the concave lens 32 is tilted from the optical axis, and the angle thereof is φ w .
レーザダイオード１１、２１の光源像と最初に共役になるのは、それぞれ集光レンズ３１、４１の焦点位置となる。すなわち、集光レンズ３１、４１の焦点位置での光源像の高さがお互いに同じとなれば、図２に示す拡散体１０３と照明系のフライアイレンズアレイの焦点位置での光源像の大きさは揃うことになる。コリメータレンズ１２から出射する光束の軸外の周辺光線と光軸のなす角θｔと、コリメータレンズ２２から出射する光束の軸外の周辺光線と光軸のなす角θｗは異なるため、集光レンズ３１、４１の焦点距離をお互いに異ならせ、集光レンズ３１、４１の焦点位置での光源像の高さを同じになるようにしている。アフォーカル光学系３とアフォーカル光学系４の後ろ側のレンズは共通であるため、集光レンズ３１、４１の焦点位置での光源像の高さが同じとなれば、凹レンズ３２を透過するコリメータレンズ１２、２２から出射する光束の軸外の周辺光線と光軸のなす角θｔ、θｗはそれぞれφｔ、φｗとなりお互いに同じ角度となる。アフォーカル倍率を用いてこの関係を表すと、 The first conjugate with the light source images of the laser diodes 11 and 21 is the focal position of the condenser lenses 31 and 41, respectively. That is, if the heights of the light source images at the focal positions of the condenser lenses 31 and 41 are the same as each other, the size of the light source image at the focal positions of the diffuser 103 and the fly-eye lens array of the illumination system shown in FIG. 2 is large. The lenses will be aligned. Since the angle θ t formed by the off-axis peripheral light beam and the optical axis of the light beam emitted from the collimator lens 12 and the angle θ w formed by the off-axis peripheral light beam emitted from the collimator lens 22 and the optical axis are different, the focal length is focused. The focal lengths of the lenses 31 and 41 are made different from each other so that the heights of the light source images at the focal positions of the condenser lenses 31 and 41 are the same. Since the lenses on the rear side of the afocal optical system 3 and the afocal optical system 4 are common, if the heights of the light source images at the focal positions of the condenser lenses 31 and 41 are the same, the collimeter that passes through the concave lens 32. The angles θ t and θ w formed by the off-axis peripheral rays of the light rays emitted from the lenses 12 and 22 and the optical axis are φ t and φ w , respectively, and are at the same angle with each other. Expressing this relationship using the afocal magnification,
となり、フライアイレンズアレイが作る光源と共役である光源像の大きさが揃い、効率的にスペクトル合成を行うことが可能となる。 Therefore, the size of the light source image that is conjugate with the light source created by the fly-eye lens array becomes the same, and it becomes possible to efficiently perform spectrum synthesis.
以上が理想的な光学系の構成となる。プロジェクタの筐体内は光学素子だけではなく、冷却機構や電気制御基板等が配置されるため、省スペースな光学素子の配置が望まれる。したがって、効率低下と光学素子劣化を起こさない範囲でアフォーカル倍率を若干変え、省スペースな光学配置を行うこともある。アフォーカル倍率を用いてこの関係を表すと、 The above is the ideal optical system configuration. Since not only the optical elements but also the cooling mechanism, the electric control board, and the like are arranged in the housing of the projector, it is desired to arrange the optical elements in a space-saving manner. Therefore, the afocal magnification may be slightly changed within a range that does not cause a decrease in efficiency and deterioration of the optical element, and a space-saving optical arrangement may be performed. Expressing this relationship using the afocal magnification,
となり、フライアイレンズアレイが作る光源と共役である光源像の大きさが若干異な
るが、比較的効率的にスペクトル合成を行うことが可能となる。
Therefore, although the size of the light source image that is conjugate to the light source created by the fly-eye lens array is slightly different, it is possible to perform spectrum synthesis relatively efficiently.
また、プロジェクタの筐体内の光学素子、冷却機構や電気制御基板等の配置によっては、 In addition, depending on the arrangement of the optical elements, cooling mechanism, electrical control board, etc. in the projector housing,
の関係式を満たす光学配置でもよい。この場合は、前述の関係式に比べると複数の光源がフライアイレンズアレイ焦点位置に作る光源像の大きさがお互いに近くなる。 An optical arrangement that satisfies the relational expression of may be used. In this case, the sizes of the light source images formed by the plurality of light sources at the focal positions of the fly-eye lens array are closer to each other than in the above relational expression.
図３は、光源装置から射出される光の波長スペクトルである。 FIG. 3 is a wavelength spectrum of light emitted from the light source device.
図３において、横軸は波長、縦軸は強度をそれぞれ示している。 In FIG. 3, the horizontal axis represents the wavelength and the vertical axis represents the intensity.
青レーザダイオード５１の中心波長は、４６５ｎｍである。青レーザダイオードは、発光波長が短いほど光変換効率が高くなるが、紫がかった青となってしまう。このため、明るさを出す光源としては短波長の青レーザダイオードが好ましいが、画像としてより好ましい青を表示するため、青レーザダイオード５１としては、より長波長側の青レーザダイオードが用いられる。 The center wavelength of the blue laser diode 51 is 465 nm. The shorter the emission wavelength of the blue laser diode, the higher the light conversion efficiency, but the blue laser diode becomes purplish blue. Therefore, a short-wavelength blue laser diode is preferable as the light source for producing brightness, but a blue laser diode on the longer wavelength side is used as the blue laser diode 51 in order to display more preferable blue as an image.
赤レーザダイオード６１の中心波長は、６３８ｎｍ近傍である。緑レーザダイオード７１の中心波長は、５２０ｎｍ近傍である。 The center wavelength of the red laser diode 61 is in the vicinity of 638 nm. The center wavelength of the green laser diode 71 is around 520 nm.
緑レーザダイオードの波長は、実際には５３５〜５４０ｎｍ近傍であることが好ましいが、現状効率や寿命の点において十分な性能を発揮することが難しい。一方、５２０ｎｍの波長を有する緑レーザダイオード７１を用いると、画像光の緑としては最良であるとはいえない。特に、緑色を赤色と合成して黄色を表示する場合、白んだ色味の黄色しか出すことができず、画像としての表現力が低下するため、より長波長側の緑レーザダイオードの開発が望まれている。以上を合成し、図３に示されるように、４６５ｎｍ、５２０ｎｍ、および、６３８ｎｍにピーク強度を有する急峻（先鋭）なスペクトルが得られる。 The wavelength of the green laser diode is preferably in the vicinity of 535 to 540 nm, but it is difficult to exhibit sufficient performance in terms of current efficiency and life. On the other hand, when the green laser diode 71 having a wavelength of 520 nm is used, it cannot be said that the green of the image light is the best. In particular, when green is combined with red to display yellow, only a whitish yellow color can be produced, which reduces the expressiveness of the image. Therefore, the development of a green laser diode on the longer wavelength side has been developed. It is desired. By synthesizing the above, as shown in FIG. 3, a steep (sharp) spectrum having peak intensities at 465 nm, 520 nm, and 638 nm can be obtained.
光源装置を射出した光束は、照明光学系に導かれる。光束は、後段の照明光学系において三原色に分離され、各色の光変調素子（液晶パネルなど）によりカラー画像が形成される。そしてカラー画像は、スクリーン上に投影される。 The luminous flux emitted from the light source device is guided to the illumination optical system. The luminous flux is separated into three primary colors in the illumination optical system in the subsequent stage, and a color image is formed by the light modulation elements (liquid crystal panel, etc.) of each color. The color image is then projected onto the screen.
次に、図４を参照して、本発明の実施例２における光源装置について説明する。 Next, the light source device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図４は、本実施例における光源装置の構成図である。以下、光源から白色光生成までを順を追って説明する。 FIG. 4 is a block diagram of the light source device in this embodiment. Hereinafter, the process from the light source to the generation of white light will be described step by step.
まず、光源について説明する。 First, the light source will be described.
光源は、出射する光束の軸外の周辺光線の傾きがそれぞれ異なる複数の光源８と光源９を有する。本実施例において、光源８は、４５５ｎｍの波長を有する青波長帯域光を射出する青レーザダイオード８１と各射出光を平行光化するコリメータレンズ８２で構成され、各々の射出光は略平行光となって図４の上方向に射出される。光源９は、おおよそ６４１ｎｍの波長を有する赤波長帯域光を射出する赤レーザダイオード９１と各射出光を平行光化するコリメータレンズ９２で構成され、各々の射出光は略平行光となって図４の上方向に射出される。ただし本実施例の光源は、これに限定されるものではなく、蛍光体を励起させる紫外レーザダイオードや緑レーザダイオードなどの他の光源であってもよい。 The light source has a plurality of light sources 8 and light sources 9 having different inclinations of peripheral light rays outside the axis of the emitted light flux. In this embodiment, the light source 8 is composed of a blue laser diode 81 that emits blue wavelength band light having a wavelength of 455 nm and a collimator lens 82 that parallelizes each emitted light, and each emitted light is substantially parallel light. Then, it is ejected upward in FIG. The light source 9 is composed of a red laser diode 91 that emits red wavelength band light having a wavelength of about 641 nm and a collimator lens 92 that parallelizes each emitted light, and each emitted light becomes substantially parallel light in FIG. It is ejected upward. However, the light source of this embodiment is not limited to this, and may be another light source such as an ultraviolet laser diode or a green laser diode that excites a phosphor.
光源８から射出された略平行光は、ひとつひとつが異なる曲率半径及び頂点座標を有する放物面からなる複数のミラーからなる曲面ミラーアレイ８３により集光されつつ反射される。ダイクロイックミラー１０５は、両側（図４の左側および右側）から集光したレーザ光束群を凹レンズ８４の焦点位置に集光する。光源９から射出された略平行光は、集光レンズ９３により集光される。ダイクロイックミラー１０５は、集光したレーザ光束群を透過し、凹レンズ８４の焦点位置に集光する。凹レンズ４は、集光光を略平行光化してミラー１０１に導く。前述の凹レンズ８４は凸レンズであってもよい。ミラー１０１により反射された光は、集光レンズ１０２（集光レンズ群）により蛍光体１０４上に集光される。 The substantially parallel light emitted from the light source 8 is collected and reflected by a curved mirror array 83 composed of a plurality of mirrors each consisting of a paraboloid having a different radius of curvature and apex coordinates. The dichroic mirror 105 concentrates the laser light flux group focused from both sides (left side and right side in FIG. 4) at the focal position of the concave lens 84. The substantially parallel light emitted from the light source 9 is condensed by the condenser lens 93. The dichroic mirror 105 transmits the focused laser luminous flux group and focuses the light on the focal position of the concave lens 84. The concave lens 4 converts the focused light into substantially parallel light and guides it to the mirror 101. The concave lens 84 described above may be a convex lens. The light reflected by the mirror 101 is focused on the phosphor 104 by the condenser lens 102 (condensing lens group).
蛍光体１０４は、励起光を励起光の波長よりも長い波長の光に変換する波長変換素子を含む。蛍光体１０４は、金属基板の表面に蛍光粉体（蛍光体）が円周上に塗布されており、モータ（不図示）により回転可能であってもよい。集光された青レーザダイオード８１からの光（励起光）は、蛍光体１０４により波長変換された蛍光光となって反射され、再度、集光レンズ１０２に入射する。また集光された赤レーザダイオード９１からの光は、蛍光体１０４により拡散反射され、青レーザダイオード８１からの光と同様に集光レンズ１０２に入射する。そして集光レンズ１０２は、蛍光光と赤レーザダイオード９１からの光を略平行光として、光源装置から射出させる。本実施例において、蛍光体１０４は、青レーザダイオード８１からの光を黄波長帯域光に変換する（黄色の蛍光光を発する）。ただし、本実施例はこれに限定されるものではなく、蛍光体１０４は、緑波長帯域光などの他の波長帯域光に変換するように構成してもよい。この場合、蛍光体１０４は、黄色以外の蛍光光（緑色の蛍光光など）を発する。 The phosphor 104 includes a wavelength conversion element that converts the excitation light into light having a wavelength longer than the wavelength of the excitation light. The fluorescent material 104 may have a fluorescent powder (fluorescent material) coated on the surface of a metal substrate on the circumference and may be rotatable by a motor (not shown). The focused light (excitation light) from the blue laser diode 81 is reflected as fluorescent light whose wavelength is converted by the phosphor 104, and is again incident on the condenser lens 102. Further, the condensed light from the red laser diode 91 is diffusely reflected by the phosphor 104, and is incident on the condenser lens 102 in the same manner as the light from the blue laser diode 81. Then, the condenser lens 102 emits the fluorescent light and the light from the red laser diode 91 as substantially parallel light from the light source device. In this embodiment, the phosphor 104 converts the light from the blue laser diode 81 into yellow wavelength band light (emits yellow fluorescent light). However, this embodiment is not limited to this, and the phosphor 104 may be configured to convert to other wavelength band light such as green wavelength band light. In this case, the phosphor 104 emits fluorescent light other than yellow (such as green fluorescent light).
図５はダイクロイックミラー１０５の反射膜特性である。 FIG. 5 shows the reflective film characteristics of the dichroic mirror 105.
青光源８からの光束を反射させ、赤光源９からの光束を透過させる特性となっている。ダイクロイックミラー１０５で合成することで省スペースに複数の波長の異なる光源を配置することが可能となっている。 It has the characteristic of reflecting the light flux from the blue light source 8 and transmitting the light flux from the red light source 9. By synthesizing with the dichroic mirror 105, it is possible to arrange a plurality of light sources having different wavelengths in a space-saving manner.
さて実施例１と同様、実施例２の光源装置でも複数の光源がフライアイレンズアレイの焦点位置に作る光源像の大きさはおおよそ同じであることが望ましい。したがって、実施例１と同様、光源から出射する光束の軸外の周辺光線と光軸のなす角とアフォーカル倍率の関係式は適用され、効率的にスペクトル合成を行うことが可能となる。 As in the first embodiment, it is desirable that the size of the light source images formed by the plurality of light sources at the focal positions of the fly-eye lens array in the light source device of the second embodiment is approximately the same. Therefore, as in the first embodiment, the relational expression between the off-axis peripheral light beam emitted from the light source, the angle formed by the optical axis, and the afocal magnification is applied, and spectrum synthesis can be performed efficiently.
図６は光源装置から射出される光の波長スペクトルである。 FIG. 6 is a wavelength spectrum of light emitted from the light source device.
図６において、横軸は波長、縦軸は強度をそれぞれ示している。本実施例では、励起光源として用いられる青レーザダイオード８１は、４５５ｎｍの波長を有する励起光を射出する青レーザダイオードである。また、５５０〜５６０ｎｍの近傍にピークを有する黄色蛍光体を蛍光体上１０４に塗布している。光源装置の射出光は、黄色蛍光光とともに、蛍光変換されない未変換の励起光（青レーザダイオード８１から射出された励起光そのもの）を含む。そして赤レーザダイオード９１の中心波長は、６４１ｎｍ近傍である。このため、図６に示されるように、４５５ｎｍにピーク強度を有する急峻（先鋭）なスペクトルと、５５０〜５６０ｎｍにピーク強度を有するなだらかなスペクトルと、６４１ｎｍにピーク強度を有する急峻（先鋭）なスペクトルが得られる。 In FIG. 6, the horizontal axis represents the wavelength and the vertical axis represents the intensity. In this embodiment, the blue laser diode 81 used as the excitation light source is a blue laser diode that emits excitation light having a wavelength of 455 nm. Further, a yellow phosphor having a peak in the vicinity of 550 to 560 nm is applied to 104 on the phosphor. The emission light of the light source device includes unconverted excitation light (excitation light itself emitted from the blue laser diode 81) that is not fluorescently converted, together with yellow fluorescence light. The center wavelength of the red laser diode 91 is around 641 nm. Therefore, as shown in FIG. 6, a steep (sharp) spectrum having a peak intensity at 455 nm, a gentle spectrum having a peak intensity at 550 to 560 nm, and a steep (sharp) spectrum having a peak intensity at 641 nm. Is obtained.
また前述の実施例において、おおよそ同じ効果が得られるようであれば、光源装置内の光学素子の変更や追加をしてもよい。 Further, in the above-described embodiment, the optical elements in the light source device may be changed or added as long as the same effect can be obtained.
例えば、図７に示すように曲面ミラーアレイ８３を曲面ミラー８５に変更してもよい。曲面ミラー８５は双曲放物面ミラーであってもよく、楕円放物面ミラーであってもよい。 For example, as shown in FIG. 7, the curved mirror array 83 may be changed to the curved mirror 85. The curved surface mirror 85 may be a hyperbolic parabolic mirror or an elliptical parabolic mirror.
例えば、図８に示すように凹レンズ８４の後にロッドインテグレータレンズ１０６を設置してもよい。ロッドインテグレータレンズ１０６の入射側が蛍光体上１０４と共役であり、ロッドインテグレータレンズ１０６に入射した光の一部はロッドインテグレータレンズ１０６内において複数回反射されたあと出射する。入射する光束が不均一な輝度分布を持っていたとしても平均化の効果が期待できる。このため蛍光体上１０４では比較的均一な分布の光源像を形成することができる。したがって蛍光体上１０４において光源８、９からの光束が１点へ集中することを抑制し、輝度飽和現象による発光効率の低下を抑制することができる。 For example, as shown in FIG. 8, the rod integrator lens 106 may be installed after the concave lens 84. The incident side of the rod integrator lens 106 is conjugate with 104 on the phosphor, and a part of the light incident on the rod integrator lens 106 is reflected in the rod integrator lens 106 a plurality of times and then emitted. Even if the incident luminous flux has a non-uniform luminance distribution, the effect of averaging can be expected. Therefore, a light source image having a relatively uniform distribution can be formed on the phosphor 104. Therefore, it is possible to suppress the concentration of the luminous fluxes from the light sources 8 and 9 on the phosphor 104 at one point, and to suppress the decrease in luminous efficiency due to the luminance saturation phenomenon.
例えば、図９に示すように凹レンズ８４の後にフライアイレンズアレイ１０７を設置してもよい。フライアイレンズアレイ１０７の入射側が蛍光体上１０４と共役であり、フライアイレンズアレイ１０７の各レンズセル上に形成される光分布を重畳した光源像が蛍光体上１０４に形成されるため図８の方式より効率低下が少ない。入射する光束が不均一な輝度分布を持っていたとしても各レンズセル上に形成される光分布はレンズセル数だけ平均化される。このため蛍光体上１０４では均一な分布の光源像を形成することができる。したがって蛍光体上１０４において光源８、９からの光束が１点へ集中することを抑制し、輝度飽和現象による発光効率の低下を抑制することができる。また、フライアイレンズアレイ１０７は１枚で構成されていてもよい。 For example, as shown in FIG. 9, the fly-eye lens array 107 may be installed after the concave lens 84. Since the incident side of the fly-eye lens array 107 is conjugate with the phosphor 104, and a light source image in which the light distribution formed on each lens cell of the fly-eye lens array 107 is superimposed is formed on the phosphor 104, FIG. There is less decrease in efficiency than the method of. Even if the incident luminous flux has a non-uniform luminance distribution, the light distribution formed on each lens cell is averaged by the number of lens cells. Therefore, a light source image having a uniform distribution can be formed on the phosphor 104. Therefore, it is possible to suppress the concentration of the luminous fluxes from the light sources 8 and 9 on the phosphor 104 at one point, and to suppress the decrease in luminous efficiency due to the luminance saturation phenomenon. Further, the fly-eye lens array 107 may be composed of one lens array 107.
光源装置を射出した光束は、照明光学系に導かれる。光束は、後段の照明光学系において三原色に分離され、各色の光変調素子（液晶パネルなど）によりカラー画像が形成される。そしてカラー画像は、スクリーン上に投影される。 The luminous flux emitted from the light source device is guided to the illumination optical system. The luminous flux is separated into three primary colors in the illumination optical system in the subsequent stage, and a color image is formed by the light modulation elements (liquid crystal panel, etc.) of each color. The color image is then projected onto the screen.
１，２ 光源、３，４ アフォーカル光学系、５，８ 青光源、
６，９ 赤光源、７ 緑光源、１１，２１ レーザダイオード、
１２，２２ コリメータレンズ、３１，４１ 集光レンズ、
３２ 凹レンズ、５１，８１ 青レーザダイオード、
６１，９１ 赤レーザダイオード、７１ 緑レーザダイオード、
５２，６２，７２，８２，９２ コリメータレンズ、
５３，６３，７３，９３ 集光レンズ、５４，８４ 凹レンズ、
８３ 曲面ミラーアレイ、８５ 曲面ミラー、１０１ ミラー、
１０２ 集光レンズ、１０３ 拡散体、１０４ 蛍光体、
１０５ ダイクロイックミラー、
１０６ ロッドインテグレータレンズ、
１０７ フライアイレンズアレイ
1,2 light source, 3,4 afocal optics, 5,8 blue light source,
6, 9 red light source, 7 green light source, 11,21 laser diode,
12,22 Collimator lens, 31,41 Condensing lens,
32 concave lens, 51,81 blue laser diode,
61,91 red laser diode, 71 green laser diode,
52, 62, 72, 82, 92 collimator lens,
53, 63, 73, 93 condenser lens, 54, 84 concave lens,
83 curved mirror array, 85 curved mirror, 101 mirror,
102 condenser lens, 103 diffuser, 104 phosphor,
105 Dichroic Mirror,
106 Rod Integrator Lens,
107 Fly Eye Lens Array
Claims (12)
該光源と対になる少なくとも２つのアフォーカル光学系を有し
該アフォーカル光学系は少なくとも１つの光学素子を共有し、
前記少なくとも２つの光源から出射する光束の軸外の周辺光線と光軸のなす最大角は互いに異なり、
前記少なくとも２つのアフォーカル光学系から出射する光束の軸外の周辺光線と光軸のなす最大角は互いに略同じとなるように、
該アフォーカル光学系の異なる少なくとも１つの光学素子の焦点距離を異ならしめたことを特徴とする光源装置 At least two light sources and
It has at least two afocal optics paired with the light source and the afocal optics share at least one optical element.
The maximum angles formed by the off-axis peripheral rays and the optical axis of the luminous flux emitted from at least the two light sources are different from each other.
The maximum angles formed by the off-axis peripheral rays and the optical axis of the luminous flux emitted from the at least two afocal optical systems are substantially the same as each other.
A light source device characterized in that the focal lengths of at least one optical element having a different afocal optical system are made different.
該光源と対になる少なくとも２つのアフォーカル光学系を有し
該アフォーカル光学系は少なくとも１つの光学素子を共有し
前記少なくとも２つの光源のうち前記最大角θｔを持つ任意の光源と対になるアフォーカル倍率をＭｔ、
前記最大角θｗを持つ任意の光源と対になるアフォーカル倍率をＭｗとすると
It has at least two afocal optics paired with the light source, and the afocal optics share at least one optical element and are paired with any of the at least two light sources having the maximum angle θ t. Afocal magnification is M t ,
Let M w be the afocal magnification paired with an arbitrary light source having the maximum angle θ w.
該光源と対になる少なくとも２つのアフォーカル光学系を有し
該アフォーカル光学系は少なくとも１つの光学素子を共有し
前記少なくとも２つの光源のうち前記最大角θｔを持つ任意の光源と対になるアフォーカル倍率をＭｔ、
前記最大角θｗを持つ任意の光源と対になるアフォーカル倍率をＭｗとすると
It has at least two afocal optics paired with the light source, and the afocal optics share at least one optical element and are paired with any of the at least two light sources having the maximum angle θ t. Afocal magnification is M t ,
Let M w be the afocal magnification paired with an arbitrary light source having the maximum angle θ w.
少なくとも１つの光源からの光束を透過、
少なくとも１つの光源からの光束を反射する光学素子が配置され、
前記少なくとも２つの光源から発する光束は合成されることを特徴とする請求項１至請求項３の何れか一項に記載の光源装置。 Immediately before at least one shared optical element of the afocal optics
Transmitting luminous flux from at least one light source,
An optical element that reflects the luminous flux from at least one light source is arranged.
The light source device according to any one of claims 1 to 3, wherein the light flux emitted from at least two light sources is combined.
ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。 The light source device according to claim 1, wherein at least one of the optical elements of the afocal optical system is composed of a curved mirror.
曲面ミラーアレイで構成されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。 The light source device according to claim 1, wherein at least one of the optical elements of the afocal optical system is composed of a curved mirror array having a plurality of focal lengths.
光変調素子と、
前記光源装置からの光を用いて前記光変調素子を照明する照明光学系と、
前記光源装置からの光を前記光変調素子に導くとともに、
前記光変調素子からの光を投射光学系に導く色分離合成系と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の画像投射装置。 Light source device and
Light modulation element and
An illumination optical system that illuminates the light modulation element using light from the light source device, and
In addition to guiding the light from the light source device to the light modulation element,
A color separation synthesis system that guides the light from the light modulation element to the projection optical system, and
The image projection apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the image projection apparatus is provided with.
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