JP4535835B2 - Illumination device and projection display device - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオードに代表される点状光源を光源とする照明装置と、その照明装置を備えた投写型表示装置とに関するものである。 The present invention relates to an illumination device using a point light source typified by a light emitting diode as a light source, and a projection display device including the illumination device.
投写型表示装置は、照明装置から出力された光によって表示デバイスとしてのライトバルブを照明することによって画像光を形成し、形成された画像光をスクリーンに向けて投写する。従来、照明装置の光源としは、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプといった高圧放電ランプが用いられていた。これら高圧放電ランプは、高輝度の白色光を発するので、明るい画像を表示する観点からは望ましい光源であった。しかし、投写型表示装置の小型化や低消費電力化を実現すべく、新たな光源が模索されており、発光ダイオードがその有力候補として注目されている。より具体的には、青色及び緑色の発光ダイオードの近年の発展は目ざましく、既に高効率での発光が可能となっている赤色発光ダイオードと組み合わせれば、赤(R)、緑(G)、青(B)の3原色が揃い、上記照明装置の光源としての利用が可能になると考えられている。 The projection display device forms image light by illuminating a light valve as a display device with light output from the illumination device, and projects the formed image light toward a screen. Conventionally, high-pressure discharge lamps such as high-pressure mercury lamps, metal halide lamps, and xenon lamps have been used as light sources for lighting devices. These high-pressure discharge lamps emit high-intensity white light, and are desirable light sources from the viewpoint of displaying a bright image. However, new light sources are being sought in order to realize miniaturization and low power consumption of the projection display device, and light emitting diodes are attracting attention as potential candidates. More specifically, blue and green light emitting diodes have been remarkably developed in recent years. When combined with red light emitting diodes that are already capable of emitting light with high efficiency, red (R), green (G), It is considered that the three primary colors of blue (B) are aligned and can be used as the light source of the illumination device.
しかしながら、発光ダイオードは一個当たりの発光光量が小さく、照明装置の光源として使用するためには、多数の発光ダイオードを配置して光源全体としての発光光束量を大きくしなくてはならない。このとき重要なことは、なるべく多くの発光ダイオードを配置し、かつ、それら多数の発光ダイオードから発せられた大量の光が効率良くライトバルブに照射されるようにすることである。そこで特許文献1には、図7に示すような光源装置が開示されている。図7に示す光源装置は、中空の棒状部材400と、その棒状部材400の内面401に該部材400の長手方向に沿って配置された多数の発光ダイオード402とを有する。さらに、発光ダイオード402が配置されている棒状部材400の内面401は反射面とされている。特許文献1には、各発光ダイオード402から発せられた光束は、棒状部材400の内面(反射面)401による反射を受けながら該棒状部材400の長手方向一端403に向けて進行し、最終的に該一端403から出射する、と述べられている。また、棒状部材400を細くして光の出射面の面積を小さくすれば、高輝度かつ集光効率の高い光源装置を実現することができる、とも述べられている。
しかし、特許文献1に開示されているような光源装置には次のような課題がある。すなわち、発光ダイオードから発せられる光は発散光である。よって、図7に示す各発光ダイオード402の発光面に対して垂直に近い発光成分ほど、より小さな入射角度で設置面と反対側の内面401に入射する。ここで、棒状部材400の対向する内面401同士は互いに平行なので、対向する内面401間で反射を繰り返しながら棒状部材400の長手方向に向けて進行する光のこれら内面401に対する入出射角度はその進行中に変化しない。よって、発光ダイオード402の発光面に対して垂直に近い発光成分ほど、棒状部材400の一端403から出射するときの角度が大きくなる。
However, the light source device disclosed in Patent Document 1 has the following problems. That is, the light emitted from the light emitting diode is divergent light. Therefore, the light emitting component that is closer to the light emitting surface of each
しかし、光利用効率や画像品質の観点からは、なるべく小さな角度成分の光によってライトバルブを照射することが望ましく、平行光によってライトバルブを照明することが理想である。例えば、大きな角度成分の光によってライトバブル(液晶パネル)を照明すると、液晶の視野角特性の影響によって表示画像のコントラストが低下するといった問題がある。さらには、ライトバルブを通過した光を最終的にスクリーンに投写するためのレンズの大型化を招き、投写型表示装置の大型化やコスト高の要因となる。 However, from the viewpoint of light utilization efficiency and image quality, it is desirable to irradiate the light valve with light having as small an angle component as possible, and ideally illuminate the light valve with parallel light. For example, when a light bubble (liquid crystal panel) is illuminated with light having a large angle component, there is a problem that the contrast of the display image is lowered due to the influence of the viewing angle characteristics of the liquid crystal. Furthermore, the size of the lens for finally projecting the light that has passed through the light valve onto the screen is increased, which increases the size and cost of the projection display device.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、なるべく多く点状光源を配備することによって十分な発光光束量を確保しつつ、なるべく小さな角度成分の光によってライトバルブを照明可能な照明装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides an illuminating device capable of illuminating a light valve with light having as small an angle component as possible while securing a sufficient amount of luminous flux by providing as many point light sources as possible. The purpose is to provide.
本発明の照明装置は、出射端面と、出射端面を形成する辺と共通の辺を有する第1の入射面及び第2の入射面とを備えた導光部材と、第1の入射面及び第2の入射面のそれぞれに配置された複数の点状光源とを有し、第1の入射面と出射端面とが共通にする辺が第2の入射面と出射端面とが共通にする辺とは異なり、第1の入射面と第2の入射面とは、出射端面に近づくに従って互いの間隔が広がるように傾斜していることを特徴する。 The illumination device of the present invention includes a light guide member including an exit end face, a first entrance face and a second entrance face having sides common to the exit end face, the first entrance face, and the first entrance face. A plurality of point light sources arranged on each of the two incident surfaces, and a side common to the first incident surface and the output end surface is a side common to the second incident surface and the output end surface; In contrast, the first incident surface and the second incident surface are characterized in that the first incident surface and the second incident surface are inclined so that the distance between the first incident surface and the second incident surface increases as they approach the emission end surface.
従って、本発明の照明装置を構成する導光部材は2つの入射面を有し、導光部材の大型化を回避しつつ該導光部材の周囲により多くの光源を配置することできる。さらに、入射面と出射端面との面積比を大きくすれば、集光効率をさらに高めることもできる。また、導光部材の第1の入射面と第2の入射面との間隔が出射端面に近づくに従って広がっているので、導光部材内に入射し、反射を繰り返しながら出射端面に向けて進行する光は、その進行の過程で反射角度が次第に緩和される。よって、出射面端からは相対的に角度成分が小さな光が出射される。 Therefore, the light guide member constituting the illumination device of the present invention has two incident surfaces, and more light sources can be arranged around the light guide member while avoiding an increase in size of the light guide member. Furthermore, if the area ratio between the entrance surface and the exit end surface is increased, the light collection efficiency can be further increased. Moreover, since the space | interval of the 1st entrance plane of a light guide member and a 2nd entrance plane has spread as it approaches an output end surface, it injects in a light guide member and advances toward an output end surface, repeating reflection. The reflection angle of light is gradually relaxed in the process of traveling. Therefore, light having a relatively small angle component is emitted from the end of the emission surface.
本発明によれば、高輝度で、かつ、角度成分が小さな照明光によって照明対象を照明可能な照明装置と、そのような照明装置を備えた投写型表示装置が実現される。 According to the present invention, an illumination device that can illuminate an illumination target with illumination light having high luminance and a small angle component, and a projection display device including such an illumination device are realized.
(実施形態1)
以下、本発明の照明装置の実施形態の一例について図1及び図2を参照しながら説明する。図1は、本例の照明装置の構成を示す模式的側面図である。図2は、本例の照明装置を構成する導光部材の形状を示す模式的斜視図である。
(Embodiment 1)
Hereinafter, an example of an embodiment of the illumination device of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic side view showing the configuration of the illumination device of this example. FIG. 2 is a schematic perspective view showing the shape of the light guide member constituting the illumination device of this example.
図1に示すように、本例の照明装置は、導光部材101と、複数の点状光源(発光ダイオード102、103)を有する。導光部材101は、矩形の出射端面104と、出射端面104の対向する一対の辺のそれぞれに連なる第1の入射面105及び第2の入射面106と、出射端面104の他の一対の辺のそれぞれに連なる2つの側面とを有する。さらに、第1の入射面105及び第2の入射面106は、出射面面104よりも面積が大きく、かつ、出射端面104から遠ざかるに従って次第に近接するように傾斜し、最終的に交わっている。換言すれば、第1の入射面105と第2の入射面106との間の間隔は、出射端面104に近づくほど広がっている。すなわち、導光部材101は、全体として略楔形の外観を呈している。尚、出射端面104の形状は、該出射端面104から出射された光が照射される不図示の照明対象と相似の形状を有することが望ましい。
As shown in FIG. 1, the illumination device of this example includes a
導光部材101の材料は特に限定されるものではなく、光学樹脂、光学ガラス、透光性セラミックスなどを用いて導光部材101を製造することができる。もっとも、加工の容易性を考慮すると、光学樹脂が導光部材101の材料として適している。導光部材101の材料となる光学樹脂の一例として、光散乱導光ポリマーが挙げられる。光散乱導光ポリマーとは、PMMA(ポリメチルメタクリレート)やPC(ポリカーボネイト)といった樹脂材料に、これら樹脂材料とは屈折率の異なるミクロンオーダの大きさの粒子状物質、例えばシリコン系樹脂粉体が所定の体積分率で混練されたものである。この光散乱導光ポリマーは、光の吸収を伴わないミクロな不均一構造の相対屈折率と上記粒子状物質の粒径とを制御することによって得られる多重散乱作用によって、光を減衰させることなく、特定方向に均一に出射させることができる。
The material of the
導光部材101の第1の入射面105には、複数の発光ダイオード102がアレイ状に配置され、第2の入射端面106には、複数の発光ダイオード103がアレイ状に配置されている。発光ダイオード102、103は、発光素子とレンズ作用を有するドーム形の樹脂とが一体化されたものである点で共通する。しかし、第1の入射面105に配置されている発光ダイオード102は、赤色の光を発する赤色発光ダイオードである。一方、第2の入射面106に配置されている発光ダイオード103のうちの幾つかは緑色の光を発する緑色発光ダイオード103gであり、残りの幾つかは青色の光を発する青色発光ダイオード103bである。そして、赤色発光ダイオード102が配置されている第1の入射面105には、緑色及び青色の光を反射する特性を有する薄膜110が形成され、緑色発光ダイオード103g及び青色発光ダイオード103bが配置されている第2の入射面106には、赤色の光を反射する特性を有する薄膜111が形成されている。もっとも、第1の入射面105及び第2の入射面106と、そこに配置される発光ダイオード102、103の種類との関係は、上記関係に限定されるものではない。例えば、第1の入射面105に赤色発光ダイオード102及び青色発光ダイオード103bを配置し、第2の入射面106に緑色発光ダイオード103gを配置することもできる。この場合、第1の入射面105には、赤色及び青色の光を透過し、緑色の光を反射する特性の薄膜が形成される。一方、第2の入射面106には、緑色の光を透過し、赤色及び青色の光を反射する特性の薄膜が形成される。いずれの場合も、各発光ダイオード102、103は、その光軸が対応する入射面102、103に対して所定の角度をなすようにして配置されている。なぜなら、上記構造の発光ダイオード102、103は、レンズ作用を有する樹脂によって出射光の発散角がある程度制御されているとはいえ、出射光の発散は皆無ではないからである。
A plurality of
次に、本例の照明装置の作用について図3を参照しながら説明する。赤色発光ダイオード102から発せられた赤色光131は、第1の入射面105から導光部材101内に入射し、第2の入射面106によってその殆どが全反射される。ここで、第2の入射面106で全反射を起こさない光成分も存在するが、この光成分は第2の入射面106に形成されている薄膜111によって反射される。すなわち、赤色発光ダイオード102から発せられた赤色光131は、実質的にその全てが第2の入射面106によって反射され、以後第1の入射面105と第2の入射面106との間での全反射を繰り返しながら出射端面104に到達し、該出射端面104から出射する。ここで重要なことは、第2の入射面106に形成されている薄膜111によって反射された光成分も、それ以後は第1の入射面105と第2の入射面106との間での全反射を繰り返すことである。なぜなら、第1の入射面105と第2の入射面106は、出射端面104に近づくに従って互いの間隔が広がるように傾斜しているので、光の次の入射面(第1の入射面105又は第2の入射面106)への入射角度が反射の度に大きくなるからである。
Next, the operation of the illumination device of this example will be described with reference to FIG. The
一方、緑色発光ダイオード103gから発せられた緑色光132及び青色発光ダイオード103bから発せられた青色光133は、第2の入射面106から導光部材101内に入射し、第1の入射面105によってその殆どが全反射される。ここでも、第1の入射面105で全反射を起こさない光成分が存在する。しかし、この光成分は第1の入射面105に形成されている薄膜110によって反射される。すなわち、緑色発光ダイオード103gから発せられた緑色光132及び青色発光ダイオード103bから発せられた青色光133は、実質的にその全てが第1の入射面105によって反射され、以後第2の入射面106と第1の入射面105との間での全反射を繰り返しながら出射端面104に到達し、該出射端面104から出射する。ここでも、第1の入射面105に形成されている薄膜110によって一度反射された光成分は、それ以降第2の入射面106と第1の入射面105との間での全反射を繰り返す。その理由は上記と同一である。
On the other hand, the
以上のようにして、発光ダイオード102及び103から出射された赤(R)、緑(G)、青(B)の各色光131、132、133が導光部材101の出射端面104から効率よく出射される。さらに、これら色光131、132、133は、全反射を繰り返しながら導光部材1内を進行する過程でその角度が次第に緩和される。これは、出射端面104から出射される光の角度成分が相対的に小さくなり、照明対象に対して相対的に浅い角度で入射することを意味している。
As described above, the red (R), green (G), and blue (B)
尚、発光ダイオード102、103の点灯タイミングを制御すれば、導光部材101の出射端面104から出射される光の色を例えばR−G−B−R−G−Bの順で繰り返し変化させることが可能であることは、これまでの説明から自明である。
In addition, if the lighting timing of the
次に、本例の照明装置を用いた投写型表示装置の一例について図4を参照しながら説明する。ここで説明する投写型表示装置は、単一のライトバルブ(液晶パネル)を有する単板型の液晶プロジェクタであり、図4は、この液晶プロジェクタの概略構造を示す模式図である。 Next, an example of a projection display device using the illumination device of this example will be described with reference to FIG. The projection display device described here is a single-plate liquid crystal projector having a single light valve (liquid crystal panel), and FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic structure of the liquid crystal projector.
この液晶プロジェクタは、本例の照明装置150の他に、レンズ151、液晶パネル152、及び投写レンズ153を備えている。もっとも、レンズ151は、照明装置150から出射された光(照明光)を効率良く液晶パネル152に照射する目的で配置されており、必ずしも必須の構成ではない。また、液晶パネル152の前後には、偏光子と検光子が配置されているが、図示は省略されている。
This liquid crystal projector includes a lens 151, a liquid crystal panel 152, and a projection lens 153 in addition to the
照明装置150の発光ダイオード102、103の点灯タイミングは不図示の制御部によって制御されており、R−G−B−Rの順で照明光が繰り返し出射される。照明装置150から出射された照明光は、該照明装置150による照明光の出射タイミングと同期して駆動される液晶パネル152に照射され、液晶パネル152上に形成された画像は投写レンズ153を介して不図示のスクリーンに拡大投写される。
The lighting timing of the
この液晶プロジェクタは、ライトバルブとして単一の透過型液晶パネル152を用いているので、投写レンズ153と液晶パネル152とを近接配置可能であり、装置全体が非常に小型となるという利点を有する。また、極めてシンプルな構造でありながらフルカラーの画像表示が可能であるといった利点も有する。 Since this liquid crystal projector uses a single transmissive liquid crystal panel 152 as a light valve, the projection lens 153 and the liquid crystal panel 152 can be disposed close to each other, and the entire apparatus is very small. In addition, there is an advantage that a full color image can be displayed with an extremely simple structure.
尚、図4に示す構成以外にも液晶プロジェクタとしての機能を実現するために必要な光学系、制御系、駆動系などを備えていることは勿論である。もっとも、図示が省略されている光学系、制御系、駆動系などは、既存の液晶プロジェクタが備えているそれらと実質的に同一なので、説明は省略する。
(実施形態2)
以下、本発明の照明装置の実施形態の他例について図5を参照しながら説明する。本例の照明装置の基本構成は、図1に示す照明装置と同一である。そこで、実施形態1において既に説明した構成と同一の構成については、図5中に同一の符合を付して説明を省略する。
Needless to say, in addition to the configuration shown in FIG. 4, an optical system, a control system, a drive system, and the like necessary for realizing a function as a liquid crystal projector are provided. However, optical systems, control systems, drive systems, and the like that are not shown in the figure are substantially the same as those included in existing liquid crystal projectors, and thus description thereof is omitted.
(Embodiment 2)
Hereinafter, another example of the embodiment of the illumination device of the present invention will be described with reference to FIG. The basic configuration of the illumination device of this example is the same as that of the illumination device shown in FIG. Therefore, the same components as those already described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals in FIG.
本例の照明装置が図1に示す照明装置と異なるのは、図1に示す薄膜110、111が導光部材101の第1の入射面105、第2の入射面106に直接形成されていない点である。具体的には、薄膜110と同一特性の薄膜が蒸着されたガラス基板201が第1の入射面105と赤色発光ダイオード102との間に配置されている。また、薄膜111と同一特性の薄膜が蒸着されたガラス基板202が第2の入射面106と緑色発光ダイオード103g及び青色発光ダイオード103bとの間に配置されている。もっとも、発光ダイオード102、103から発せられた光の振る舞いは、実施形態1で説明した振る舞いと同一である。
The illumination device of this example is different from the illumination device shown in FIG. 1 in that the
図5に示すガラス基板201、202と入射面105、106との間には、それぞれ隙間が設けられているが、ガラス基板201、202と入射面105、106とをそれぞれ密着させてもよい。上記薄膜が形成されたガラス基板201、202は、市販されているダイクロイックミラーを利用して容易に製造することができる。また、形状や寸法が合致すれば、市販のダイクロイックミラーをそのまま流用することもできる。尚、図4に示す照明装置150は、本例の照明装置によって代替可能である。
(実施形態3)
以下、本発明の照明装置の実施形態のさらに他例について図6を参照しながら説明する。本例の照明装置の基本構成は、図1に示す照明装置と同一である。そこで、実施形態1において既に説明した構成と同一の構成については、図6中に同一の符合を付して説明を省略する。
Although gaps are provided between the glass substrates 201 and 202 and the incident surfaces 105 and 106 shown in FIG. 5, the glass substrates 201 and 202 and the incident surfaces 105 and 106 may be in close contact with each other. The glass substrates 201 and 202 on which the thin film is formed can be easily manufactured using a commercially available dichroic mirror. If the shape and dimensions match, a commercially available dichroic mirror can be used as it is. Note that the
(Embodiment 3)
Hereinafter, still another example of the embodiment of the illumination device of the present invention will be described with reference to FIG. The basic configuration of the illumination device of this example is the same as that of the illumination device shown in FIG. Therefore, the same components as those already described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals in FIG.
本例の照明装置が図1に示す照明装置と異なるのは、発光ダイオード102及び103と第1の入射面105及び第2の入射面106との間に、光学素子が介在している点である。具体的には、発光ダイオード102と第1の入射面105との間、及び発光ダイオード103と第2の入射面106との間に、ロッドインテグレータ300がそれぞれ配置されている。ロッドインテグレータ300は、細長い柱状の光学ガラス部材又は光学樹脂部材であって、長手方向一方の端面301から入射した光は、全反射を繰り返しながらロッドインテグレータ300内を進行し、他方の端面302から出射する。本例の照明装置では、ロッドインテグレータ300が各発光ダイオード102、103ごとに設けられ、各発光ダイオード102、103から発せられた光が対応するロッドインテグレータ300の端面301から入射すると共に、該ロッドインテグレータ300の他方の端面302から出射した光が導光部材101の第1の入射面105又は第2の入射面106に入射するように配置されている。かかるロッドインテグレータ300の作用によって、発光ダイオード102、103から発せられた光の発散がさらに抑制され、導光部材101に進入した後の全反射効率が向上する。かかる観点からは、ロッドインテグレータ300の形状が図6に示すような形状であることが望ましい。すなわち、入射側の端面301から出射側の端面302に向けて次第に太くなるテーパー形状であることが望ましい。もっとも、光の進行方向における太さが一様のロッドインテグレータによっても上記作用は得られる。ここでテーパー形状が望ましいとは、テーパー形状であれば、上記作用がより一層顕著になるという意味であって、テーパー形状以外の形状を排斥する意味ではない。また、図6に示すロッドインテグレータ300に代えて凸レンズを上記位置に配置しても同様の作用効果が得られる。尚、図4に示す照明装置150は、本例の照明装置によって代替可能である。
The illumination device of this example is different from the illumination device shown in FIG. 1 in that an optical element is interposed between the
101 導光部材
102、103 発光ダイオード
104 出射端面
105 第1の入射面
106 第2の入射面
110、111 薄膜
131 赤色光
132 緑色光
133 青色光
201、202 ガラス基板
300 ロッドインテグレータ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1の入射面及び第2の入射面のそれぞれに配置された複数の点状光源と 、
前記第1の入射面と、該第1の入射面に配置された前記点状光源との間に設けられた第1の波長選択膜と、
前記第2の入射面と、該第2の入射面に配置された前記点状光源との間に設けられた第2の波長選択膜と、を有し、
前記第1の入射面が前記出射端面と共通にする辺と、前記第2の入射面が前記出射端面と共通にする辺とが異なり、前記第1の入射面と第2の入射面とは、前記出射端面から遠ざかるに従って次第に近接し、最終的に交わるように傾斜しており、
前記点状光源は、その光軸が前記出射端面側に向けて傾くように、前記第1の入射面及び前記第2の入射面のそれぞれに対して斜めに配置されており、
前記第1の波長選択膜は、前記第1の入射面に配置された前記点状光源から発せられた光を透過し、前記第2の入射面に配置された前記点状光源から発せられた光を反射する特性を有し、
前記第2の波長選択膜は、前記第2の入射面に配置された前記点状光源から発せられた光を透過し、前記第1の入射面に配置された前記点状光源から発せられた光を反射する特性を有する照明装置。 A light guide member having a first incident surface and a second incident surface that have an emission end surface, a side common to the side forming the emission end surface, and facing each other;
A plurality of point light sources disposed on each of the first incident surface and the second incident surface;
A first wavelength selection film provided between the first incident surface and the point light source disposed on the first incident surface;
A second wavelength selection film provided between the second incident surface and the point light source disposed on the second incident surface;
The side that the first incident surface shares with the exit end surface is different from the side that the second incident surface shares with the exit end surface, and the first entrance surface and the second entrance surface are different from each other. , Gradually approaching as it gets away from the exit end face, and is inclined so as to finally intersect,
The point light source is disposed obliquely with respect to each of the first incident surface and the second incident surface so that an optical axis thereof is inclined toward the emission end face side.
The first wavelength selection film transmits light emitted from the point light source disposed on the first incident surface and is emitted from the point light source disposed on the second incident surface. Has the property of reflecting light,
The second wavelength selection film transmits light emitted from the point light source disposed on the second incident surface and is emitted from the point light source disposed on the first incident surface. An illumination device having a characteristic of reflecting light.
前記第2の波長選択膜が形成された透光性部材が前記第2の入射面と該第2の入射面に配置された前記点状光源との間に介在している請求項1記載の照明装置。 A translucent member on which the first wavelength selection film is formed is interposed between the first incident surface and the point light source disposed on the first incident surface;
2. The translucent member on which the second wavelength selection film is formed is interposed between the second incident surface and the point light source disposed on the second incident surface. Lighting device.
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JP2004303315A JP4535835B2 (en) | 2004-10-18 | 2004-10-18 | Illumination device and projection display device |
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