JP4154780B2

JP4154780B2 - プロジェクション照明装置

Info

Publication number: JP4154780B2
Application number: JP36125698A
Authority: JP
Inventors: 友哉谷野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: JP2000180962A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクション照明装置に関する。
詳しくは、出射端の断面積を入射端の断面積よりも大きくし、かつ入射端を光源に密着させることによって、照明系での光利用効率を向上させようとしたプロジェクション照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源に使った、従来のプロジェクション照明装置の構成には、図１０に示すような例がある。
図において、発光ダイオード（ＬＥＤ）１につけられたボールレンズ２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）１からエアー中に出射する光線量を増加する目的に用いられる。結合レンズ３は、ボールレンズ２から出射した光線の一部を取り込み次のインテグレータ（マルチレンズアレイ）５へコリメート（平行に）された光線を入射するためにある。インテグレータ５は、光源の場所による発光強度ムラがあっても、マルチレンズアレイそれぞれのレンズに光源の役割をさせることにより、被照明物上では均一に照明するものである。コンデンサーレンズ６は、光源像を投射レンズ９の入射瞳位置に結像するためにある。また、複数の光源を合成して白色を得るために、インテグレータ５と結合レンズ３の間にダイクロイックプリズム４が位置することもある。
【０００３】
ここで、発光ダイオード（ＬＥＤ）から出射した光線が結合レンズに入射する光線の比率について説明する。発光ダイオード（ＬＥＤ）から出射した光線の角度分布は０〜９０°の広がりを持っている。この光線をすべて結合レンズに取り込むためには無限の口径のレンズが必要となる。
【０００４】
また、図１０の構成では光学部品と被照明物までのエアーとの界面は１０箇所ある。すなわち、ダイクロイックプリズム４を除外して考えると、ボールレンズ２とエアーの界面、結合レンズ３の平面側とエアーとの界面、結合レンズ３の曲面側とエアーとの界面、インテグレータ５の左側のマルチレンズアレイの左右の曲面とエアーとの界面、インテグレータ５の右側のマルチレンズの左側の曲面とエアーとの界面、コンデンサレンズ６の左側のレンズの右の曲面とエアーとの界面、コンデンサレンズ６の右側のレンズの左の曲面および右の平面とそれぞれエアーとの界面、並びに、偏光ビームスプリッタ７のうちコンデンサレンズ６に面する側の面とエアーとの界面である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、発光ダイオード（ＬＥＤ）から出射した光線をすべて結合レンズに取り込むためには無限の口径のレンズが必要となる。しかしながら、従来のプロジェクション照明装置では、開口数（ＮＡ）は０．９程度が限界であり、結合レンズに取り込める光束は８０％程度が限界となる。
【０００６】
また、図１０の構成では光学部品と被照明物までのエアーとの界面は１０箇所であった。このような場合、反射防止処理をした場合でも１５％程度の表面反射ロスが生じる。よって、照明系の光利用効率はダイクロイックプリズムの効率、各光学部品の光吸収の影響を除いても６５％程度が限界となるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、照明系での光利用効率を向上させることができるプロジェクション照明装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のプロジェクション照明装置は、光源と、光源に入射端が密着され、出射端の断面積が入射端の断面積よりも大きく、放物面的広がりを持つ曲面形状に形成されたブロックと、を備え、ブロックの曲面形状は、光源と入射端との界面で屈折した光線が、ブロック側で全て全反射条件を満たすような形状であり、次式

ただし、ｚ：前記ブロックの出射端と入射端とが対向する方向の中心軸に一致するＺ軸
方向の値
ｘ：Ｚ軸に直交するＸ軸方向の値
ｋ1〜ｋ5：前記ブロックの屈折率と、前記入射端のＸ軸方向の幅と、前記出射端のＸ
軸方向の幅により決定される定数
によって表されるものである。
【０００９】
本発明のプロジェクション照明装置によれば、出射端の断面積を入射端の断面積よりも大きくし、かつ入射端を光源に密着させることにより、光源からの効率よい光束の取り込み、コリメーション、光源のムラの平均化をすることができる。
【００１０】
また、本発明のプロジェクション照明装置は、ブロックの入射端および出射端の断面形状を被照明物の形状と相似にしたものである。
【００１１】
本発明のプロジェクション照明装置によれば、上述の構成に対してさらに、入射端および出射端の断面形状を被照明物の形状と相似にすることにより、上述の効果を奏するとともに無駄な光をなくすことができる。
できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
ここでは、プロジェクション照明装置に係る発明の実施の形態について図１〜図９を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るプロジェクション照明装置の構成例を示したものである。
図におけるプロジェクション照明装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）１を光源に使用している。なお、本発明に係るプロジェクション照明装置の光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）に限るわけではなく、その他の光源、例えばレーザダイオード（ＬＤ）や、メタルハライドランプ、水銀ランプなどのランプにも適用することができる。
【００１３】
この発光ダイオード（ＬＥＤ）１に密着した形で透明なブロック１０が位置している。なお、ブロック１０の材質としては、アクリル樹脂、ガラス、その他の透明な材料を用いることができる。
また、このブロック１０は、出射端１０ｂの断面積を入射端１０ａの断面積よりも大きくしている。
また、入射端および出射端の断面形状は、円形または、被照明物（ここでは、光変調素子８）と相似の形状となっている。
【００１４】
本発明の実施の形態の場合はレッド、グリーン、およびブルー（ＲＧＢ）３色の発光ダイオード（ＬＥＤ）１光源をダイクロイックプリズム４で合成し、一枚の反射型の光変調素子８に照明する構成を採用している。
【００１５】
上記のブロック１０は、ブロック１０と屈折率が概ね同じ材料でその入射端側で発光ダイオード（ＬＥＤ）１の光源と接着されている。また、ブロック１０の出射端側をダイクロイックプリズム４と密着させている。このときも、ブロックと屈折率が概ね同じ材料で接着されている。これは、ブロック１０の入射端側および出射端側において、屈折率の違いに基づく反射による光のロスを抑制するためである。
【００１６】
また、ダイクロイックプリズム４の出射側端面に平凸レンズを密着させている。また、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）７の入射側にも平凸レンズを密着させている。
この場合、各光学部品の屈折率は概ね同じ材料を用い、密着にも屈折率の近い接着剤を使うことが望ましい。
【００１７】
本発明に係るブロック１０の最適断面形状は光線進行方向座標の関数で示される。
具体的に説明する。発光ダイオード（ＬＥＤ）１に使われる基板の屈折率に比べブロックの屈折率が小さい。
発光ダイオード（ＬＥＤ）１からブロック１０に出射した光線の角度分布は０〜９０°の分布を持つ。このすべての光線を取り込み、また、出射光の角度分布を所定の角度分布内に収めるためのブロック１０の形状は、図２に示すように、放物面的広がりを持つ曲面形状となる。
例えば、屈折率１．５の材料を使い、入射端のＸ軸方向の幅を２、出射端側の最大角度を６．６°（空気中で１０°）とすると、出射端のＸ軸方向の幅は８．７となる。曲面形状は次式で表される。
【００１８】
【数１】

【００１９】
ここで、Ｚ，Ｘは図２における座標軸を示すものである。
先の条件の場合、定数ｋ１〜ｋ５はそれぞれ、２．５２，０．２３，−３．５２，−４．２６，０．０１である。屈折率１．５の材料とエアーとの界面の臨界角は４２°であるが、この曲面形状では発光ダイオード（ＬＥＤ）１との界面で屈折した光線は全て全反射条件を満たしている。
【００２０】
ブロック１０の入射端および出射端の断面形状が図３に示すような円形の場合は、ブロック１０の長手方向の中心軸をＺ軸とし、この中心軸に直交する任意の直線をＸ軸とすることになる。
【００２１】
被照明物が矩形であり、図４に示すように、ブロック１０の入射端および出射端の断面形状をこの被照射物と相似形の矩形とした場合、曲面形状は矩形の長辺、短辺で変わってくる。
たとえば、入射端のＸ軸方向の幅が３．２の大きさを持つ場合、出射端のＸ軸方向の幅が１３．９、全長が１４０となる。先の定数ｋ１〜ｋ５はそれぞれ、４．０３，０．２３，−９．０１，−６．８１，０．０１である。
【００２２】
一般のロッドインテグレーターと同様、本発明のブロック１０を導光することで、このブロック１０はインテグレーターの機能を持っている。つまり、光源に場所による明るさのムラがある場合でも出射端面では均一化することができる。
【００２３】
出射端のＸ軸方向の幅のままブロック長を長くしていくことで、均一化の程度を増加させることができる。ブロックの形状の設計に当たっては、明るさのムラの程度に合わせて全長を決めることができる。
【００２４】
このブロックのみでプロジェクション照明装置に必要な機能のうち光源からの効率よい光束の取り込み、コリメーション、光源のムラを平均化する機能を合わせ持つため、部品点数の削減が可能となる。
【００２５】
部品点数の削減は、またエアーとの界面の数を削減することを意味し、表面反射のロスを押さえ総合的光利用効率を上げることができる。図１の構成の場合、被照明物までの光学部品とエアーとの界面数は２つである。すなわち、コンデンサーレンズのうち左側のレンズとエアーとの界面、およびコンデンサーレンズのうち右側のレンズとエアーとの界面の２つである。
【００２６】
ブロック材料の光吸収、ダイクロイックプリズムの反射ロスを除いた、被照明物までの光損失は理想的には３％程度となる。
また、ブロックの入射端および出射端の断面の形状を、被照明物の形状と相似させることにより、ダイクロイックプリズムから出射される光を有効に被照明物に照明させることができ、断面の形状が円形の場合に生じるような無駄な光をなくすことができる。
【００２７】
ブロックの入射端および出射端の断面の形状を矩形とした場合の、ブロックの曲面形状変形例として図５および図６が考えられる。すなわち、図５の例においては、ブロックの横断面を入射端側から出射端側にかけていくつかのテーパに分割して小さくしていくものであり、図６の例においては、一定のテーパをもって小さくしていくものである。
【００２８】
図６の例では発光ダイオード（ＬＥＤ）１から入射した光線がブロック側面で反射する時、必ずしも全反射条件を満たさないため、側面に若干の光漏れを生じるが、コリメーションの機能、インテグレーター機能は損なわれない。
なお、ブロックの曲面形状変形例としては、図５および図６に挙げたものに限定されるわけではない。すなわち、ブロック１０は、出射端１０ｂの断面積を入射端１０ａの断面積よりも大きくすることで、光源からの効率よい光束の取り込み、コリメーションの機能、およびインテグレーター機能を確保することができる。
【００２９】
なお、本発明は、図７に示すような、ブロック１０とコンデンサーレンズ６の間にダイクロイックプリズムがない構成や、図８に示すような、発光ダイオード（ＲＢＧ）を用いることによりダイクロイックプリズムを用いない構成、図９に示すような、透過型光変調素子を使う構成、並びに、光変調素子に偏光を使わない構成、例えばデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、ポリマー分散型液晶（ＰＤＬＣ）、または回折格子を用いる構成等あらゆるプロジェクション装置に適用することができる。
【００３０】
また、本発明に係るブロックは、上述した説明に用いられた大きさに限定されるわけではない。すなわち、ブロックの大きさを数１０〜数μｍのオーダーとし、
半導体チップ上の素子として適用することができることはもちろんである。
【００３１】
以上のことから、本発明に係る実施の形態によれば、照明系での光利用効率を向上させることができる。すなわち、光源からの効率よい光束の取り込み、コリメーションの機能、およびインテグレーター機能を確保することができる。また、部品点数を低減させ、コストダウンを図ることができる。また、省スペース化を図ることができる。
また、本発明に係る実施の形態によれば、上述の効果を奏するとともに、さらに照明系での光利用効率を向上させることができる。すなわち、ダイクロイックプリズムから出射される光を有効に被照明物に照明させることができ、断面の形状が円形の場合に生じるような無駄な光をなくすことができる。
【００３２】
なお、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
出射端の断面積を入射端の断面積よりも大きくし、かつ入射端を光源に密着させることにより、照明系での光利用効率を向上させることができる。
また、入射端および出射端の断面形状を被照明物の形状と相似にし、出射端の断面積を入射端の断面積よりも大きくし、かつ入射端を光源に密着させることにより、上述の効果を奏するとともに、さらに照明系での光利用効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プロジェクション照明装置に係る発明の実施の形態を示す図である。
【図２】プロジェクション照明装置に用いるブロックにおける、光の進行状態を示す断面図である。
【図３】入射端および出射端の断面形状が円形である場合のブロックの例を示す斜視図である。
【図４】入射端および出射端の断面形状が矩形である場合のブロックの例を示す斜視図である。
【図５】入射端および出射端の断面形状が矩形である場合のブロックの他の例を示す斜視図である。
【図６】入射端および出射端の断面形状が矩形である場合のブロックの他の例を示す斜視図である。
【図７】ブロックとコンデンサレンズの間にダイクロイックプリズムがない構成のプロジェクション装置の例を示す図である。
【図８】発光ダイオード（ＲＢＧ）を用いることにより、ダイクロイックプリズムを用いない構成のプロジェクション装置の例を示す図である。
【図９】透過型光変調素子を使う構成のプロジェクション装置の例を示す図である。
【図１０】従来のプロジェクション装置の例を示す図である。
【符号の説明】
１‥‥発光ダイオード、２‥‥ボールレンズ、３‥‥結合レンズ、４‥‥ダイクロイックプリズム、５‥‥インテグレータ、６‥‥コンデンサレンズ、７‥‥偏光ビームスプリッタ、８‥‥光変調素子、９‥‥投射レンズ、１０‥‥ブロック、１０ａ‥‥入射端、１０ｂ‥‥出射端、１１‥‥透過型光変調素子

Claims

光源と、
前記光源に入射端が密着され、出射端の断面積が前記入射端の断面積よりも大きく、放物面的広がりを持つ曲面形状に形成されたブロックと、を備え、
前記ブロックの曲面形状は、前記光源と前記入射端との界面で屈折した光線が、ブロック側で全て全反射条件を満たすような形状であり、次式

ただし、ｚ：前記ブロックの出射端と入射端とが対向する方向の中心軸に一致するＺ軸
方向の値
ｘ：Ｚ軸に直交するＸ軸方向の値
ｋ1〜ｋ5：前記ブロックの屈折率と、前記入射端のＸ軸方向の幅と、前記出射端のＸ
軸方向の幅により決定される定数
によって表される
ことを特徴とするプロジェクション照明装置。
前記ブロックの前記入射端および前記出射端の断面形状を被照明物の形状と相似にした
ことを特徴とする請求項１記載のプロジェクション照明装置。
前記被照明物は、光変調素子である
ことを特徴とする請求項２記載のプロジェクション照明装置。
前記ブロックの出射端が密着されるダイクロイックプリズムと、
前記ダイクロイックプリズムの出射側に配置されるコンデンサレンズと、
前記コンデンサレンズを挟んで前記ダイクロイックプリズムと反対側に配置され、前記コンデンサレンズ側が入射側となる偏光ビームスプリッタと、をさらに備え、
前記ダイクロイックプリズムの前記出射側に第１の平凸レンズを密着させ、前記偏光ビームスプリッタの前記入射側に第２の平凸レンズを密着させた
ことを特徴とする請求項１記載のプロジェクション照明装置。