JP3169586U - 集光レンズモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】輝度を高めることができると共に、均光性能を有する集光レンズモジュールを提供する。【解決手段】発光ダイオードチップ（ＬＥＤ）から発射する光束を集束するために、双凸型レンズである第１集光レンズ１１１とメニスカスレンズである第２集光レンズ１１２を備えるように構成される集光レンズモジュール１１であって、第２集光レンズの凹面と凸面は同一の曲率半径を有する球面あるいは非球面の光学面で形成される。また、該集光レンズモジュールと発散光源２０を備えるように構成される照明装置であって、発散光源から発射する光束を効果的に集束して目標物に投射することができる。これにより、該照明装置を使用し、投影機に適した投影装置や該照明装置をバックライトモジュールとして配設された表示装置などに幅広く応用することができる。【選択図】図５

Description

本考案は、集光レンズモジュール（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ ｌｅｎｓ ｍｏｄｕｌｅ）に関し、特に２枚光学集光レンズで構成された集光レンズモジュールに係り、この集光レンズモジュールは照明装置（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）、投影装置（ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）並びに表示装置などに応用することができる。

発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ,ＬＥＤ）は、従来のパブルランプなどに比べて、体積が小さく、低消費電力、長寿命で熱の発生が少ないなどの利点を有しており、このため、近年、例えば、投影機や表示装置などの多くの照明応用分野において光源をパブルランプから発光ダイオードを利用したものに取り替えることが検討されている。但し、発光ダイオードは単体では発射する光束が点光源なので、発光量が小さく、また、多数の発光ダイオードでは輝度のばらつき（不均一）があり、発散角度が大きく、発射する光束は発散光などの特性を有している。このため、発光ダイオードを照明光源として、投影機あるいは他の装置の光源などに比較的大きな光量が要求される応用分野に、従来の集束光学系レンズと合わせて使用する場合、必要とされる大きな光量（光束量）が確保できず、投射光束の強度が足りず、投射面の光度分布にばらつきがあるなどの問題があった。上記問題点を克服するために、発光ダイオードから発射する光束を効果的に集束できる技術の開発研究が進められている。

図１は、従来技術における集光レンズ（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ ｌｅｎｓ）及びこの集光レンズと組み合わせた発光ダイオードの投影装置の一例を模式的に示す説明図である。図１に示すように、発光ダイオード５１１を光源として構成された投影装置５１の構造では、発光ダイオード５１１と、集光レンズ５１２と、ＰＳコンバーター（ＰＳ−ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）５１３と、分光器（ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）５１４と、光弁（ｌｉｇｈｔ ｖａｌｖｅ）５１５とを備えるように構成される。発光ダイオード５１１から発射する光束をＰＳコンバーター５１３に入射してから、順次に分光器５１４と光弁５１５へ進む。高輝度の投影画像を取得するために、従来では発光ダイオード５１１とＰＳコンバーター５１３との間に、発光ダイオード５１１から発射する光束を集束して光束量の損失を減らすための集光レンズ５１２が配設されている。

図２は、図１に示す集光レンズの光強度分布図である。従来の投影装置５１のＰＳコンバーター５１３は発光ダイオード５１１から発射する光束を受けて、これらの光束がＰＳコンバーター５１３の各位置における光照度が図２のように表示されており、そのうち、横座標では、ＰＳコンバーター５１３の中心を原点とし、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿っての距離（単位はｍｍ）を示しており、縦座標では、各位置における光照度（単位はＬｕｘ）の強弱を示している。図２に示すように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿ってＰＳコンバーター５１３の各位置における光照度の強弱を測定したところ、ほぼ全ての位置における測定値が３００,０００Ｌｕｘ以下のデータが表示され、ほんの少しの位置における測定値が３００,０００Ｌｕｘ以上のデータが表示され、かつＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って各位置の光強度分布にばらつきが見られる。

このような従来の投影装置５１は、集光レンズ５１２が配設されているにも拘らず、この集光レンズ５１２は、光軸付近にある光束のみを集束することができるため、集光レンズ５１２の辺縁部にある光束では屈折されてしまい、所定の方向に導くことができず、集束できないという問題があった。しかも、この集光レンズ５１２は集束するために、右側に示している光学面では比較的に大きい曲率が要求されている。従って、レンズ成形金型加工過程において、集光レンズ５１２の作製が困難という問題が生じてしまう。

図３は、従来技術における集光レンズ及びこの集光レンズと組み合わせた発光ダイオードチップの投影装置の他の例を模式的に示す説明図である。図３に示すように、発光ダイオード５２１を光源として構成された投影装置５２の構造は、発光ダイオード５２１の他に、集光レンズ５２２とＰＳコンバーター５２３との間に、１枚の均光レンズ（ｌｉｇｈｔ ｕｎｉｆｏｒｍ ｌｅｎｓ）５２６を増設するように構成される。この均光レンズ５２６は、小さい曲率を有すると共に、レンズの厚さが不均一なので、光束を所定の方向に導くことができる。これにより、ＰＳコンバーター５２３に入射した光束をより均一化することができる。図１の投影装置５１の光束のばらつきを改善し、その改善効果については図４を参照してください。

図３に示す従来技術によれば、発光ダイオード５２１を光源として構成された投影装置５２は、均光レンズ５２６を増設することにより、ＰＳコンバーター５２３に入射した光束の均一性を改善したが、この均光レンズ５２６は集束性能がないため、集光レンズ５２２の周りの光束を均光レンズ５２６に集束できず、投影装置５２の輝度を高めることが難しい。

以上、述べたように、投影装置の他に、発散光を光源として使用している照明装置あるいは表示装置のような電子装置においても、上記従来の問題点が存在する。光束のばらつき、曲率半径が大きい集光レンズの作製が困難、輝度を高めることが難しいといった問題を解消するために、本考案は、輝度を高めることができると共に、均光性能を有する集光レンズモジュールを提供し、照明装置、投影装置及び表示装置に適用できる集光レンズモジュールを提案する。

前記問題に鑑み本考案の目的は、発散光源（ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）から発射する光束を十分に利用するこができ、輝度を高めることができる集光レンズモジュール及びそれを用いた照明装置、投影装置、表示装置を実現することにある。

前記目的を達成すべく本考案の請求項１に記載の集光レンズモジュールは、発散光源を使用可能で、発散光源から発射する光束を集束し、かつ均一化することができる。この集光レンズモジュールは、第１集光レンズ（ｆｉｒｓｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ ｌｅｎｓ）と、第２集光レンズ（ｓｅｃｏｎｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ ｌｅｎｓ）と、を備えるように構成される。また、第１集光レンズは、光束を集束するための正屈折度を有する。第２集光レンズは、メニスカスレンズであり、凸面及び凹面が形成されており、該凸面は、第１集光レンズを向くように取り付けられており、第２集光レンズは、第１集光レンズにより集束した光束を集束して該凹面外に均一に投射する。集光レンズモジュールは、下記数式１を満たすように設計されていることが好ましい。

数式１において、Δｔは、第２集光レンズの任意点の厚みｔの変化百分率であり、ｔは、第２集光レンズの該凸面の任意点の法線方向に沿って該凹面までの厚みである。

また、請求項２に記載のように、第２集光レンズは、さらに下記数式２〜５あるいはそれらの組み合わせを満たすように設計されていることが好ましい。

数式２〜５において、Ｒは、第２集光レンズの凸面と凹面の曲率半径（単位はｍｍ）であり、Ｎ_ｄは、第２集光レンズの屈折率であり、Ｄは、第２集光レンズの凹面の有効開口直径（単位はｍｍ）であり、ｔは、第２集光レンズの凸面の任意点の法線方向に沿って凹面までの厚みである。

請求項３に記載のように、発散光源は発光ダイオードであることが好ましい。また、請求項４に記載のように、第２集光レンズは、ガラス材質あるいはプラスチック材質からなることが好ましい。さらに、請求項５に記載のように、第２集光レンズの凸面あるいは凹面では、両面とも球面でもよいし、また、少なくとも片面が非球面でもよいし、若しくは両面とも非球面であってもよい。請求項６に記載のように、第１集光レンズは、１つの凸面が形成されており、該凸面は、球面であると共に、前記第２集光レンズを向くように取り付けられていることが好ましい。請求項７の考案は請求項６に記載の集光レンズモジュールにおいて、第１集光レンズは、双凸型レンズであることが好ましい。

従来の均光レンズは、光束を所定の方向に導くことができることによって、光束を均一化することができるが、集束することができない（輝度低下）問題を解消し、前記目的を達成すべく本考案の請求項８に記載の照明装置は、光束を発射する発散光源と、発散光源から発射する光束を集束し、かつ均一化する集光レンズモジュールと、を備えるように構成される。ここでの集光レンズモジュールは請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の集光レンズモジュールであることが好ましい。

前記目的を達成すべく本考案の請求項９に記載の投影装置は、照明装置と、分光器と、光弁と、投影レンズ（ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ｌｅｎｓ）と、を備えるように構成される。照明装置は、請求項８に記載の照明装置であり、照明光束を生成して分光器へ発射する。分光器は、該照明装置から発射する照明光束を受けて、照明光束を分光する。光弁は、該分光器からの照明光束を受けて、画像光束を生成してこの画像光束を投影レンズに投影する。投影レンズは、該画像光束を受けて、投影画像を生成する。

前記目的を達成すべく本考案の請求項１０に記載の表示装置は、バックライトモジュール（ｂａｃｋ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌｅ）を備える。該バックライトモジュールは、照明光束を発射する照明装置と、該照明装置から発射する照明光束を受けて、この照明光束を均一に拡散する光拡散装置（ｌｉｇｈｔ ｄｉｆｆｕｓｅ ｄｅｖｉｃｅ）と、を備えるように構成される。ここでの照明装置は請求項８に記載の照明装置であることが好ましい。

すでに述べたように、本考案によれば、下記の優れた特長がある。
（１）本考案の集光レンズモジュールによれば、入射した発散光束を効果的に集束し、かつ均一化することができるし、光強度を向上させることにより、従来の光束の集束率が低いという欠点も改善される。
さらに、双凸型レンズである第１集光レンズの第１光学面（ｆｉｒｓｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｌｅｎｓ）Ｒ_１と第２光学面（ｓｅｃｏｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｌｅｎｓ）Ｒ_２の曲率半径を増加することによって、ガラスレンズ成形金型の加工性を向上し得る。これにより、ガラス材質からなる第１集光レンズは、ガラスレンズ成形法で簡単に作製することができる。
（２）本考案の照明装置によれば、従来技術における照明装置の光強度分布が不均一あるいは光強度が低いなどの欠点を改善するために、上記集光レンズモジュールを使用し、発散光源から発射する光束を効果的に集束し、かつ均一化することによって、光強度を向上することができる。これにより、本考案の照明装置は、投影装置及び表示装置に適用する。
（３）本考案の投影装置によれば、上記照明装置を使用することによって、発散光源から発射する光束を効果的に集束し、かつ均一化することできるし、光強度を向上させることにより、従来の投影装置の光強度が低いという欠点が改善される。
（４）本考案の表示装置によれば、上記照明装置を使用することによって、発散光源から発射する光束を効果的に集束し、かつ均一化することできるし、光強度を向上させることにより、表示装置のバックライトモジュールの輝度を大幅に高めることが可能になり、従来技術のバックライトモジュールの光強度が低いという欠点が改善される。

従来技術における集光レンズ及びこの集光レンズと組み合わせた発光ダイオードの投影装置の一例を模式的に示す説明図。 図１に示す集光レンズの光強度分布図。 従来技術における集光レンズ及びこの集光レンズと組み合わせた発光ダイオードチップの投影装置の他の例を模式的に示す説明図。 図３に示す集光レンズの光強度分布図。 本考案の集光レンズモジュールを模式的に示す構造図。 本考案の実施例６の照明装置を模式的に示す構造図。 本考案の実施例７の投影装置を模式的に示す構造図。 本考案の実施例８の表示装置を模式的に示す構造図。 本考案の実施例９の表示装置を模式的に示す構造図。 本考案の実施例１の集光レンズモジュールの光照度と位置の関係を示す図。 本考案の実施例２の集光レンズモジュールの光照度と位置の関係を示す図。 本考案の実施例３の集光レンズモジュールの光照度と位置の関係を示す図。 本考案の実施例４の集光レンズモジュールの光照度と位置の関係を示す図。 本考案の実施例５の集光レンズモジュールの光照度と位置の関係を示す図。

本考案に係る構造及び技術特徴をより完全に理解するために、その詳細な内容について以下の実施例説明及び添付図面が参照される。

図５は、本考案の集光レンズモジュール１１を模式的に示す構造図である。集光レンズモジュール１１は、発散光源２０から発射する光束を集束し、かつ均一化することができる。発散光源２０の例としては、発光ダイオード、ハロゲンランプ、冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）などが挙げられる。もちろんこの限りではない。図５に示すように、集光レンズモジュール１１は、第１集光レンズ１１１と、第２集光レンズ１１２と、を備えるように構成される。また、第１集光レンズ１１１と第２集光レンズ１１２は光軸Ｚ上に配設されている。

第１集光レンズ１１１は双凸型レンズであってもよいし、他の形状のレッズであってもよい。第１集光レンズ１１１は、正屈折度のレンズであり、第１光学面Ｒ_１及び第２光学面Ｒ_２を有し、光束の入射側に配設されている。第１集光レンズ１１１は、第１光学面Ｒ_１と第２光学面Ｒ_２によって発散光源２０から発射する光束を集束する。また、第２集光レンズ１１２は、メニスカスレンズであり、凸面の第３光学面（ｔｈｉｒｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｌｅｎｓ）Ｒ_３及び凹面の第４光学面（ｆｏｕｒｔｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｌｅｎｓ）Ｒ_４を有し、該凸面（第３光学面Ｒ_３）の曲率半径は該凹面（第４光学面Ｒ_４）の曲率半径と同じで、また、該凸面は、第１集光レンズ１１１を向くように取り付けられており、第２集光レンズ１１２は、第１集光レンズ１１１により集束した光束を受けて、この光束を該凹面（第４光学面Ｒ_４）外に均一に投射する。そのうち、第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４の曲率半径が同じというのは、同じ曲率半径あるいは製造誤差が所定の許容範囲内の曲率半径を有することをいう。このように曲率半径を同じにすることによって、光が空気隙間を通過して第２集光レンズ１１２に入る屈折角度あるいは第２集光レンズ１１２から出て空気へ進む屈折角度が同じ曲率半径のときに優れた光学効果が得られる。第２集光レンズ１１２の厚みは、下記数式６を満たすように設計されていることが好ましい。

数式６において、Δｔは、第２集光レンズ１１２の任意点の厚みｔの変化百分率であり、ｔは、第２集光レンズ１１２の該凸面（第３光学面Ｒ_３）の任意点の法線方向に沿って第２集光レンズ１１２の該凹面（第４光学面Ｒ_４）までの厚みである。（図５参照）

また、第１光学面Ｒ_１、第２光学面Ｒ_２、第３光学面Ｒ_３及び第４光学面Ｒ_４は、それぞれ球面光学面、非球面光学面、それらの組み合わせであってもよい。各光学面のいずれも非球面光学面である場合、非球面光学面を有するレンズの設計に使用する一般的な非球面方程式（Ａｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｏｒｍｕｌａ）は、数式７のようである。

数式７において、cは、レンズの曲率であり、hは、レンズの高さであり、Kは円錐係数（Ｃｏｎｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）であり、Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８、Ａ_１０、Ａ_１２、Ａ_１４とＡ_１６は、それぞれ４、６、８、１０、１２、１４と１６冪乗の非球面係数（Ｎｔｈ Ｏｒｄｅｒ Ａｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）である。但し、非球面方程式は数式７に限定されるものではなく、本考案に係る集光レンズは他の非球面方程式を適用して形成することができる。

第１集光レンズ１１１は、正屈折度のレンズであり、かつ光束の入射側に配設されており、少なくとも１つの凸面を有し、例えば、双凸型レンズであってもよいし、平凸型レンズであってもよい。例えば、第１集光レンズ１１１は、第１光学面Ｒ_１及び第２光学面Ｒ_２を有し、この場合、第１集光レンズ１１１は、第１光学面Ｒ_１と第２光学面Ｒ_２によって発散光源２０から発射する光束を集束する。

第２集光レンズ１１２は、メニスカスレンズであり、凸面の第３光学面Ｒ_３及び凹面の第４光学面Ｒ_４を有し、また、該凸面は、第１集光レンズ１１１を向くように取り付けられている。第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４の曲率半径が製造誤差の所定の許容範囲内である場合、該凸面（第３光学面Ｒ_３）と該凹面（第４光学面Ｒ_４）との間の厚みｔは、上記数式６（Δｔ≦３％）の条件を満たすように設計されていることが好ましい。さらに好ましいのはΔｔ=０の条件を満たすように設計されていること。これらの条件において、ｔは、第３光学面Ｒ_３の任意点の法線方向に沿って第４光学面Ｒ_４までの厚み（単位はｍｍ）であり、Δｔは、第２集光レンズ１１２の任意点の厚みｔの変化百分率である。さらに、上記数式２〜５の条件を満たすように設計されている場合、上記数式２〜５において、Ｒは、該第２集光レンズ１１２の第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４の曲率半径（単位はｍｍ）であり、ｔは、第３光学面Ｒ_３の任意点から第２集光レンズ１１２の焦点（ｆｏｃｕｓ）を結んだ線の上にて第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４との間の厚み（単位はｍｍ）であり、Ｎ_ｄは、該第２集光レンズ１１２の屈折率であり、Ｄは、該第２集光レンズ１１２の該凹面が発射側における有効開口直径（単位はｍｍ）である。

第２集光レンズ１１２は、第１集光レンズ１１１により集束した光束を受けて、この光束を該凹面（第４光学面Ｒ_４）外に均一に投射する。

第２集光レンズ１１２の該凸面（第３光学面Ｒ_３）と該凹面（第４光学面Ｒ_４）は、金型の製作過程を減らして比較的簡単な作製でレンズが形成できるように、曲率半径を同じ条件にすることが好適で、下記数式８を満たすように設計されていることが好ましい。

数式８において、Ｒは、第２集光レンズ１１２の第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４の曲率半径（単位はｍｍ）であり、そのうち、第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４の曲率半径と同じ（製造誤差が所定の許容範囲内）ように設計されていることが好ましい。

第２集光レンズ１１２の厚みは、第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４によって限界を定め、第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４の曲率半径が同じであると共に、レンズの厚みが均一である場合、下記数式９を満たすように設計されていることが好ましい。

数式９において、Ｒは、第２集光レンズ１１２の第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４の曲率半径（単位はｍｍ）であり、ｔは、第３光学面Ｒ_３の任意点の法線方向に沿って第４光学面Ｒ_４までの厚み（単位はｍｍ）である。

第２集光レンズ１１２の材質は、光学プラスチック材質あるいは光学ガラス材質からなることが好ましい。より優れた光学効果を得られるように、下記数式１０を満たすように設計されていることが好ましい。

数式１０において、Ｒは、該第２集光レンズ１１２の第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４の曲率半径（単位はｍｍ）であり、Ｎ_ｄは、第２集光レンズ１１２の屈折率である。

第２集光レンズ１１２の開口大小によって、投射する全体の光束量が確定され、過大な開口は、第２集光レンズ１１２の光束をなるべく投射して外へ出すことができるが、投射目標の投射面上に入射する光束の光強度が不均一な現象が起こる。一方、小さすぎる開口では、光束の有効利用率を低減させてしまう問題がある。より好ましいのは、第２集光レンズ１１２の開口直径Ｄ（単位はｍｍ）は、下記数式１１を満たすように設計されていること。

数式１１において、Ｒは、該第２集光レンズ１１２の第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４の曲率半径（単位はｍｍ）であり、Ｄは、該第２集光レンズ１１２の該凹面が発射側における有効開口直径（単位はｍｍ）である。

本考案による構造と技術特徴をより確実にするため、好ましい実施例を以下の図式と合わせて詳細説明する。本考案の集光レンズモジュール１１、この集光レンズモジュール１１を用いて構成された照明装置２、この照明装置２を用いて構成された投影装置３及び表示装置４,５の構造と技術特徴について下記の詳細な説明を参照してください。

本考案以下に開示される実施例は、本考案の集光レンズモジュール１１、この集光レンズモジュール１１を用いて構成された照明装置２、この照明装置２を用いて構成された投影装置３及び表示装置についての説明を目的とする。よって、本考案以下に開示される実施例にいて、発光ダイオードを発散光源２０として実現しているが、この限りでない。この分野に詳しい者は、本考案に開示される集光レンズモジュール１１、及びそれを用いた照明装置２、投影装置３、表示装置の構成素子は、以下に開示される実施例の構造に限られないのは明らかである。つまり、この集光レンズモジュール１１、及びそれを用いた照明装置２、投影装置３、表示装置の各構成素子は様々な改変、修正、ないし等効果変化ができる。

図５を参照し、本実施例の集光レンズモジュール１１は、発散光源２０から発射する光束を集束し、かつ均一化することができる。発散光源２０としては、発光ダイオードは外部からのエネルギーを受けて励起されて光束を発射し、発射する光の光度エネルギー（Ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｐｏｗｅｒ）は１００ルーメン（Ｌｕｍｅｎ）の光束を例として以下の実施例を実現する。

集光レンズモジュール１１は、第１集光レンズ１１１と、第２集光レンズ１１２と、を備えるように構成される。また、第１集光レンズ１１１と第２集光レンズ１１２は光軸Ｚ上に配設されている。第１集光レンズ１１１は、双凸型レンズであり、かつ光束の入射側に配設されており、第１光学面Ｒ_１及び第２光学面Ｒ_２を有し、第１光学面Ｒ_１と第２光学面Ｒ_２によって発散光源２０から発射する光束を集束して、第２集光レンズ１１２へ投射する。

また、第２集光レンズ１１２は、第１集光レンズ１１１の投射側に配設されており、入射側向きの凸面の第３光学面Ｒ_３及び凹面の第４光学面Ｒ_４を有する。第２集光レンズ１１２は、Ｎ_ｄ=１．５３のガラス材質からなり、第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４とも、数式７の条件を満たしている非球面光学面である。該凸面（第３光学面Ｒ_３）と該凹面（該第４光学面Ｒ_４）との間の厚みｔは、同じである（即ち、Δｔ=０の条件を満たしている）か、上記数式６（Δｔ≦３％）の条件を満たしているか、どちらでもよい。これらの条件において、ｔは、第３光学面Ｒ_３の任意点の法線方向に沿って第４光学面Ｒ_４までの厚み（単位はｍｍ）であり、Δｔは、第２集光レンズ１１２の任意点の厚みｔの変化百分率である。

第２集光レンズ１１２は、第１集光レンズ１１１により集束した光束を受けて、この光束を再び集束し、かつ該凹面（第４光学面Ｒ_４）外の発射側に均一に投射する。

第２集光レンズ１１２の光学パラメータ及び非球面係数を表１及び表２にそれぞれ示す。また、数式８〜数式１１の各算出値を表３に示し、それによって実施例１は、数式８〜数式１１の条件を満たしていることがわかる。

このように構成された集光レンズモジュール１１によれば、発散光源２０から発射する光束を集束し、中心光照度が約６００,０００Ｌｕｘの光束が形成され、この光束の光強度分布は、図１０に表示される。図１０において、ＸとＹは、それぞれ集光レンズモジュール１１が投射した光束を、第２集光レンズ１１２の第４光学面Ｒ_４の中心軸に沿って１９．７ｍｍ上に位置する目標物の水平軸と垂直軸に投射する位置の測定値を示している。図１０からもわかるように、本実施例の集光レンズモジュール１１によれば、発散光源２０から発射する光束を効果的に集束し、かつ外部に向けて均一な光強度の照明光束を投射することができ、照明装置２、投影装置３や表示装置などに好適に使用することができることから、本考案の応用性を向上させた。

本実施例の集光レンズモジュール１１は、発散光源２０から発射する光束を集束することができる。発散光源２０としては、実施例１と同様構成を使用し、第１集光レンズ１１１及び第２集光レンズ１１２の配設についても実施例１と同様構成を使用しているため、ここでの詳細説明を省略する。

また、第２集光レンズ１１２は、Ｎ_ｄ=１．８のガラス材質あるいはプラスチック材質からなり、第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４とも、球面光学面である。第２集光レンズ１１２の光学パラメータを表４に示す。また、数式８〜数式１１の各算出値を表５に示し、それによって実施例２は、数式８〜数式１１の条件を満たしていることがわかる。

このように構成された集光レンズモジュール１１によれば、発散光源２０から発射する光束を集束し、かつ均一化し、中心光照度が約５３０,０００Ｌｕｘの光束が形成され、この光束の光強度分布は、図１１に表示される。図１１からもわかるように、本実施例の集光レンズモジュール１１によれば、発散光源２０から発射する光束を効果的に集束し、かつ外部に向けて中心部では均一な光強度を有し、外周縁部では比較的高い光強度を有する照明光束を投射することができ、照明装置２、投影装置３や表示装置などに好適に使用することができる。外周縁部が比較的高い光強度を有する照明光束を用いることによって照明装置２、投影装置３や表示装置の辺縁部の比較的弱い光強度を補償できることから、本考案の応用性を向上させた。

本実施例の集光レンズモジュール１１は、発散光源２０から発射する光束を集束することができる。発散光源２０としては、実施例１と同様構成を使用し、第１集光レンズ１１１及び第２集光レンズ１１２の配設についても実施例１と同様構成を使用しているため、ここでの詳細説明を省略する。

また、第２集光レンズ１１２は、Ｎ_ｄ=１．４９のＰＭＭＡプラスチック材質からなり、第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４とも、数式７の条件を満たしている非球面光学面である。第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４との間の厚みｔは、同じである（即ち、Δｔ=０の条件を満たしている）か、上記数式１（Δｔ≦３％）の条件を満たしているか、どちらでもよい。第２集光レンズ１１２の光学パラメータ及び非球面係数を表６及び表７にそれぞれ示す。また、数式８〜数式１１の各算出値を表８に示し、それによって実施例３は、数式８〜数式１１の条件を満たしていることがわかる。

このように構成された集光レンズモジュール１１によれば、発散光源２０から発射する光束を集束し、中心光照度が約５８０,０００Ｌｕｘの光束が形成され、この光束の光強度分布は、図１２に表示される。図１２からもわかるように、本実施例の集光レンズモジュール１１によれば、発散光源２０から発射する光束を効果的に集束し、かつ外部に向けて楕円状な光強度分布を有する照明光束を投射することができ、照明装置２、投影装置３や表示装置などに好適に使用することができる。楕円状な光強度分布を有する照明光束を用いることによって照明装置２、投影装置３や表示装置の片辺の比較的弱い光強度を補償できることから、本考案の応用性を向上させた。

本実施例の集光レンズモジュール１１は、発散光源２０から発射する光束を集束し、かつ均一化することができる。発散光源２０としては、実施例１と同様構成を使用し、第１集光レンズ１１１及び第２集光レンズ１１２の配設についても実施例１と同様構成を使用しているため、ここでの詳細説明を省略する。また、第２集光レンズ１１２は、Ｎ_ｄ=２．０のガラス材質あるいはプラスチック材質からなり、第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４とも、球面光学面である。第２集光レンズ１１２の光学パラメータを表９に示す。また、数式８〜数式１１の各算出値を表１０に示し、それによって実施例４は、数式８〜数式１１の条件を満たしていることがわかる。

このように構成された集光レンズモジュール１１によれば、発散光源２０から発射する光束を集束し、中心光照度が約５２０,０００Ｌｕｘの光束が形成され、この光束の光強度分布は、図１３に表示される。図１３からもわかるように、本実施例の集光レンズモジュール１１によれば、発散光源２０から発射する光束を効果的に集束し、かつ外部に向けて中心部では均一な光強度を有し、外周縁部では比較的高い光強度を有する照明光束を投射することができ、照明装置２、投影装置３や表示装置などに好適に使用することができる。外周縁部が比較的高い光強度を有する照明光束を用いることによって照明装置２、投影装置３や表示装置の辺縁部の比較的弱い光強度を補償できることから、本考案の応用性を向上させた。

本実施例の集光レンズモジュール１１は、発散光源２０から発射する光束を集束し、かつ均一化することができる。発散光源２０としては、実施例１と同様構成を使用し、第１集光レンズ１１１及び第２集光レンズ１１２の配設についても実施例１と同様構成を使用しているため、ここでの詳細説明を省略する。

また、第２集光レンズ１１２は、Ｎ_ｄ=１．２のガラス材質あるいはプラスチック材質からなり、第３光学面Ｒ_３と第４光学面Ｒ_４とも、球面光学面である。第２集光レンズ１１２の光学パラメータを表１１に示す。また、数式８〜数式１１の各算出値を表１２に示し、それによって実施例４は、数式８〜数式１１の条件を満たしていることがわかる。

このように構成された集光レンズモジュール１１によれば、発散光源２０から発射する光束を集束し、中心光照度が約３２０,０００Ｌｕｘの光束が形成され、この光束の光強度分布は、図１４に表示される。図１４からもわかるように、本実施例の集光レンズモジュール１１によれば、発散光源２０から発射する光束を効果的に集束し、かつ外部に向けて片辺が比較的高い光強度を有する照明光束を投射することができ、照明装置２、投影装置３や表示装置などに好適に使用することができる。片辺が比較的高い光強度を有する照明光束を用いることによって照明装置２、投影装置や表示装置の特定領域の比較的弱い光強度を補償できることから、本考案の応用性を向上させた。

図６を参照し、本考案の集光レンズモジュール１１を照明分野に応用する場合、本実施例の照明装置２が提供され、この照明装置２は、発散光源２０と、実施例１〜５のうちのいずれか１例に記載の集光レンズモジュール１１を備えるように構成される。発散光源２０は、発散光源２０から発射する光束を集光レンズモジュール１１に投射するように、集光レンズモジュール１１の入射側に配設されている。集光レンズモジュール１１は、発散光源２０から発射する光束を集束し、かつ均一化し、照明光束を生成する。また、異なる集光レンズモジュール１１を使用することによって、異なる照明光束の光強度分布が得られるため、照明装置２の使用目的に応じて、適宜に選択して組み合わせることができ、より一層応用上の利便性を向上させた。

図７を参照し、本考案の照明装置２を投影装置３に応用する場合、本実施例の投影装置３が提供され、この投影装置３は、実施例６の照明装置２と、分光器３１と、光弁３２と、投影レンズ３３と、を備えるように構成される。照明装置２は、照明光束を生成し、分光器３１に投射する。分光器３１は、この照明光束を受けて、該照明光束を分光する。

小型投影装置の応用において、該分光器３１は、偏光ビームスプリッター（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ,ＰＢＳ）であってもよい。入射した照明光束の内、Ｐ偏光とＳ偏光と同時に有しており、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を通過後Ｐ、Ｓ偏光に分岐され、照明光束内の白光のＳ偏光を反射すると共に、照明光束内のＰ偏光を通過させる。そして、通過したＰ偏光は、所定の間隔おきに配設されている半波長板を通過すると、変調されたＰ偏光はＳ偏光になる。これにより、偏光ビームスプリッターを通過した照明光束は、元の偏光軸に直交する、単極性（Ｓ偏光）な偏光照明光束になって、光弁３２に投射する。

光弁３２は、該分光器３１からの分光後の照明光束を受けて、光弁３２の制御に基づき、時間経過に応じて異なるスペクトル（あるいは偏光）の光束を順次通過することにより、画像光束を生成してこの画像光束を投影レンズ３３に投影する。

投影レンズ３３は、光学レンズの組み合わせであり、画像光束から生成した投影画像を目標物（図示しない）に投影するように、複数の光学レンズを利用している。

図８は、本考案の表示装置の一例を模式的に示す構造図である。図８に示すように、本実施例の表示装置は、バックライトモジュール４を備える。本実施例において、このバックライトモジュール４はエッジライト型バックライトモジュールであり、実施例６の照明装置２と光拡散装置４１を備えるように構成される。照明装置２は、照明光束を生成し、光拡散装置４１に投射する。該光拡散装置４１は、照明光束を受けて、この照明光束を均一に拡散する。

光拡散装置４１は、導光板（ｌｉｇｈｔ ｇｕｉｄｅ ｐｌａｔｅ）４１１と、反射シート（ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｈｅｅｔ）４１２と、拡散シート（ｄｉｆｆｕｓｅ ｓｈｅｅｔ）４１３と、プリズムシート（ｐｒｉｓｍ ｓｈｅｅｔ）４１４とを備えるように構成される。照明装置２が発射する照明光束を導光板４１１に投射する場合、照明光束は導光板４１１内に回折反射しながら前方に進み、回折反射させた照明光束の角度が導光板４１１の臨界角度より小さい場合、照明光束は、回折反射して導光板４１１内に戻る。また、回折反射させた照明光束の角度が導光板４１１の臨界角度を超える場合、照明光束は、導光板４１１の下方を通過した後、反射シート４１２により反射して導光板４１１内に戻るか、導光板４１１の上方を通過した後、拡散シート４１３に入るか、どちらでもよい。

拡散シート４１３は、照明光束を均一に拡散してから、プリズムシート４１４に投射し、このプリズムシート４１４により照明光束を再拡散してバックライトを均一化させた目的を達成する。

一般的にバックライトモジュール４の体積が比較的大きいので、数多くの照明装置２と光拡散装置４１とを組み合わせることによって、バックライトモジュール４には均一な光強度分布が得られる。従来技術においては、バックライトモジュール４の辺縁部あるいは特定領域の光強度分布が不均一な現象を避けるように、光束の回折反射の多回数調整が必要とされる。それに比べて、本考案の表示装置のバックライトモジュール４は、異なる集光レンズモジュール１１（例えば、実施例１ないし実施例５のうちのいずれか１例に記載の集光レンズモジュール）を使用することによって異なる光強度分布が得られるので、機能多様な照明装置２を構成することができる。また、これらの照明装置２を配設することによって、バックライトモジュール４の光強度分布を均一化させた効果を達成し得る。

図９は、本考案の表示装置の他の例を模式的に示す構造図である。図９に示すように、本実施例の表示装置は、バックライトモジュール５を備える。本実施例において、このバックライトモジュール５は直下型バックライトモジュール５であり、実施例６の照明装置２と直下型光拡散装置（ｄｉｒｅｃｔ ｌｉｇｈｔ ｄｉｆｆｕｓｅ ｄｅｖｉｃｅ）４２を備えるように構成される。照明装置２は、照明光束を生成し、直下型光拡散装置４２に投射する。

直下型光拡散装置４２は、拡散シート４２３と、プリズムシート４２４とを備えるように構成される。照明装置２が発射する照明光束を拡散シート４２３に直接に投射する場合、拡散シート４２３は、この照明光束を均一に拡散してから、プリズムシート４２４に投射し、このプリズムシート４２４により照明光束を再拡散してバックライトを均一化させた目的を達成する。

一般的にバックライトモジュール５は、照明光束を発射して拡散シート４２３に照射するように数多くの照明装置２を拡散シート４２３の下端に配置する必要がある。本考案の照明装置２は、異なる光学係数を有する第１集光レンズ１１１及び第２集光レンズ１１２を選択して使用することによって、異なる光強度分布の照明光束を生成できる多様な照明装置２が構成される。例えば、実施例１ないし実施例５のうちのいずれか１例に記載の集光レンズモジュール１１を使用することによって構成された多様な照明装置２をバックライトモジュール５の異なる位置にそれぞれ配設する。具体的に、実施例２、実施例４に記載の集光レンズモジュール１１をバックライトモジュール５の辺縁部付近に配設すれば、辺縁部の比較的弱い光強度を補償することができる。また、実施例３に記載の集光レンズモジュール１１をバックライトモジュール５の辺縁部付近に配設すれば、辺縁部の比較的弱い光強度を補償することができる。さらに、実施例５に記載の集光レンズモジュール１１をバックライトモジュール５の照明の増強が必要とされる領域に配設すれば、特定領域の照明の増強をすることができる。以上説明したように、バックライトモジュール５の光強度分布をより一層均一化させて優れた照明効果を達成し得る。

以上は本考案の好ましい実施例の説明である。これらは本考案を説明するものであり、なんらの制限を加わるものではない。当該技術を熟知する者は、本考案の請求範囲による改変、修正、ないし等効果変更も、なお本考案の請求範囲に含まれるものとする。

１１ 集光レンズモジュール
１１１ 第１集光レンズ
１１２ 第２集光レンズ
２ 照明装置
２０ 発散光源
３,５１,５２ 投影装置
３１, ５１４,５２４ 分光器
３２,５１５,５２５ 光弁
３３ 投影レンズ
４,５ バックライトモジュール
４１ 光拡散装置
４２ 直下型光拡散装置
４１１ 導光板
４１２ 反射シート
４１３,４２３ 拡散シート
４１４,４２４ プリズムシート
５１１,５２１ 発光ダイオード
５１２,５２２ 集光レンズ
５１３,５２３ ＰＳコンバーター
５２６ 均光レンズ
Ｒ_１ 第１光学面
Ｒ_２ 第２光学面
Ｒ_３ 第３光学面
Ｒ_４ 第４光学面
Ｄ 有効開口直径
ｔ 厚み
Δｔ 第２集光レンズ厚みの変化百分率
Ｚ 光軸

Claims (10)

1. 第１集光レンズと、第２集光レンズと、を備え、発散光源から発射する光束を集束し、かつ均一化する集光レンズモジュールであって、
   前記第１集光レンズは、前記光束を集束するための正屈折度を有し、
   前記第２集光レンズは、メニスカスレンズであり、凸面及び凹面が形成されており、前記凸面は、前記第１集光レンズを向くように取り付けられており、前記第２集光レンズは、前記第１集光レンズにより集束した前記光束を集束して前記凹面外に均一に投射し、
   前記集光レンズモジュールは、下記数式１を満たすように設計されていることを特徴とする、集光レンズモジュール。
   

   

   （数式１において、Δｔは、前記第２集光レンズの任意点の厚みｔの変化百分率であり、ｔは、前記第２集光レンズの前記凸面の任意点の法線方向に沿って前記凹面までの厚みである。）
2. 前記第２集光レンズは、さらに下記数式２〜５あるいはそれらの組み合わせを満たすように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の集光レンズモジュール。
   

   

   

   

   

   （数式２〜５において、Ｒは、前記第２集光レンズの前記凸面と前記凹面の曲率半径（単位はｍｍ）であり、Ｎ_ｄは、前記第２集光レンズの屈折率であり、Ｄは、前記第２集光レンズの前記凹面の有効開口直径（単位はｍｍ）であり、ｔは、前記第２集光レンズの前記凸面の任意点の法線方向に沿って前記凹面までの厚みである。）
3. 前記発散光源は発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１に記載の集光レンズモジュール。
4. 前記第２集光レンズは、ガラス材質あるいはプラスチック材質からなることを特徴とする、請求項１に記載の集光レンズモジュール。
5. 前記第２集光レンズの前記凸面あるいは前記凹面が、球面あるいは非球面であることを特徴とする、請求項１に記載の集光レンズモジュール。
6. 前記第１集光レンズは、１つの凸面が形成されており、前記凸面は、球面であると共に、前記第２集光レンズを向くように取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の集光レンズモジュール。
7. 前記第１集光レンズは、双凸型レンズであることを特徴とする、請求項６に記載の集光レンズモジュール。
8. 光束を発射する発散光源と、
   前記発散光源から発射する光束を集束し、かつ均一化する集光レンズモジュールと、
   を備える照明光束を発射する照明装置であって、
   前記集光レンズモジュールは請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の集光レンズモジュールであることを特徴とする、照明装置。
9. 照明装置と、分光器と、光弁と、投影レンズと、を備える投影装置であって、
   前記照明装置は、照明光束を発射し、
   前記分光器は、前記照明装置から発射する前記照明光束を受けて、前記照明光束を分光し、
   前記光弁は、前記分光器からの前記照明光束を受けて、画像光束を生成してこの画像光束を前記投影レンズに投影し、
   前記投影レンズは、前記画像光束を受けて、投影画像を生成し、
   前記照明装置は請求項８に記載の照明装置であることを特徴とする、投影装置。
10. バックライトモジュールを備える表示装置であって、
    前記バックライトモジュールは、照明光束を発射する照明装置と、前記照明装置から発射する前記照明光束を受けて、前記照明光束を均一に拡散する光拡散装置と、を備え、
    前記照明装置は請求項８に記載の照明装置であることを特徴とする、表示装置。

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