JP4845474B2 - LIGHT SOURCE DEVICE AND VIDEO DISPLAY DEVICE USING LIGHT SOURCE DEVICE - Google Patents
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本発明はプロジェクタなどの映像表示装置に使用する光源装置に関するものであり、特に発光ダイオードや半導体レーザなどの固体発光素子から出射する光を効率よく平行光化して映像表示装置に利用する技術に関するものである。 The present invention relates to a light source device used for a video display device such as a projector, and more particularly to a technique for efficiently collimating light emitted from a solid-state light emitting element such as a light emitting diode or a semiconductor laser and using it in a video display device. It is.
プロジェクタ等の映像表示装置の光源装置としては、従来、超高圧水銀ランプを用いた光源装置が用いられていたが、超高圧水銀ランプには寿命が短いという課題があり、より長寿命な光源装置が求められていた。これに対する解決手段として発光ダイオードや半導体レーザなどの固体発光素子を用いた光源装置が考えられる。 Conventionally, a light source device using an ultra-high pressure mercury lamp has been used as a light source device for an image display device such as a projector. However, the ultra-high pressure mercury lamp has a problem that its life is short, and the light source device has a longer life. Was demanded. As a solution to this problem, a light source device using a solid light emitting element such as a light emitting diode or a semiconductor laser can be considered.
従来の固体発光素子を用いた光源装置は、固体発光素子と、発光素子を囲むように配置した凹面のリフレクタ部とを樹脂で封止するとともに、固体発光素子前面の樹脂でレンズと、レンズに入射しない光を反射させる全反射領域とを一体形成した構成を持ち、固体発光素子からの出射光の放射強度分布をある程度制御するようになっていた。 In a conventional light source device using a solid light emitting element, a solid light emitting element and a concave reflector portion arranged so as to surround the light emitting element are sealed with resin, and the lens and the lens are formed with resin on the front surface of the solid light emitting element. It has a configuration in which a total reflection region for reflecting light that is not incident is integrally formed, and controls the radiation intensity distribution of the emitted light from the solid state light emitting device to some extent.
しかしながら、光源装置をプロジェクタ用光源として使用するためには、光源装置から出射する光束は発散角が約±2〜3度以内になるように略平行化されている必要があるのに対して、従来の固体発光素子を用いた光源装置は、レンズと全反射領域を一体で形成している為に発光素子側にはレンズ面を形成できないなど、レンズ形状に制約が大きく、面発光体である固体発光素子からの出射光をプロジェクタ用光源装置で使用可能な平行度の高い光束にすることができないという課題があった。 However, in order to use the light source device as a light source for a projector, the light beam emitted from the light source device needs to be approximately parallel so that the divergence angle is within about ± 2 to 3 degrees. A conventional light source device using a solid state light emitting element is a surface light emitter, because the lens and the total reflection region are integrally formed so that a lens surface cannot be formed on the light emitting element side, and the lens shape is greatly limited. There has been a problem that the light emitted from the solid state light emitting element cannot be converted into a highly parallel light beam that can be used in the projector light source device.
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、固体発光素子から出射した光を効率よく略平行光化することができ、プロジェクタ等の映像表示装置の照明光源として利用可能な光源装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and can efficiently convert light emitted from a solid-state light emitting device into substantially parallel light, and can be used as an illumination light source for a video display device such as a projector. The object is to obtain a device.
第1の解決手段によるこの発明に係る光源装置は、固体発光素子を備えるとともに、前記固体発光素子の光の全反射面として作用する平面状の光学的鏡面と前記光学的鏡面での全反射光を反射し略平行光として出射する凹面反射面とを有しこれらが一体形成された第1の光学素子と、前記第1の光学素子の前方に設置され、前記固体発光素子からの光を直接入射光とし略平行光として出射する中央レンズ領域を有する第2の光学素子とを備え、前記第1の光学素子は、前記固体発光素子を頂点とする円錐状をなす、前記固体発光素子側から前記第2の光学素子の前記中央レンズ領域側へと貫通する貫通空間と、前記貫通空間以外の領域で前記固体発光素子を覆う、前記固体発光素子からの光が入射される入射界面とを有し、前記第2の光学素子は、前記中央レンズ領域の周囲を環状に取り巻き、前記凹面反射面での反射光を通過させる環状領域を有し、前記中央レンズ領域は、前記環状領域の内側を占めることを特徴とするものである。この光源装置は、固体発光素子の光のうち、第1の光学素子に入射した光は前記光学的鏡面と前記凹面反射面とを用いて略平行光化し、第2の光学素子に直接入射した光は前記中央レンズ領域を用いて略平行光化するようにしたものである。 A light source apparatus according to the present invention according to the first solving means is provided with a solid-state light-emitting device, the total reflection on the optical mirror and the optical mirror flat you act as a total reflection surface of light of the solid state light emitting devices a first optical element possess a concave reflecting surface that emits a substantially parallel light reflected by the light they are integrally formed, is installed in front of the first optical element, the light from the solid state light emitting devices A second optical element having a central lens region that emits as direct incident light and substantially parallel light, and the first optical element has a conical shape with the solid light emitting element as a vertex, the solid light emitting element side A penetrating space penetrating from the second optical element to the central lens region side, and an incident interface that covers the solid light emitting element in a region other than the penetrating space and into which light from the solid light emitting element is incident. And having the second optical element Has an annular region that surrounds the periphery of the central lens region and allows light reflected by the concave reflecting surface to pass therethrough, and the central lens region occupies the inside of the annular region. is there. In this light source device, the light incident on the first optical element out of the light emitted from the solid state light emitting element is converted into substantially parallel light using the optical mirror surface and the concave reflecting surface, and directly incident on the second optical element. The light is made to be substantially parallel light using the central lens region.
また、第2の解決手段によるこの発明に係る光源装置は、固体発光素子を備えるとともに、前記固体発光素子の前方に設置され、前記固体発光素子の光の全反射面として作用する平面状の光学的鏡面と前記光学的鏡面での全反射光を反射する凹面反射面とを有しこれらが一体形成された第1の光学素子と、前記第1の光学素子の前方に設置され、前記固体発光素子からの光を直接入射光とし略平行光として出射する中央レンズ領域と前記中央レンズ領域の周囲を環状に取り巻き、前記第1の光学素子の凹面反射面での反射光を入射し略平行光として出射する外周レンズ領域の2つのレンズ領域を有する第2の光学素子とを備え、前記第1の光学素子は、前記固体発光素子を頂点とする円錐状をなす、前記固体発光素子側から前記第2の光学素子の前記中央レンズ領域側へと貫通する貫通空間と、前記貫通空間以外の領域で前記固体発光素子を覆う、前記固体発光素子からの光が入射される入射界面とを有し、前記中央レンズ領域は、前記外周レンズ領域の内側を占めることを特徴とするものである。この光源装置は、固体発光素子の光のうち、第1の光学素子に入射した光は前記光学的鏡面と前記凹面反射面、及び第2の光学素子の前記外周レンズ領域とを用いて略平行光化し、第2の光学素子に直接入射した光は前記中央レンズ領域を用いて略平行光化するようにしたものである。 The light source device according to the present invention according to the second solving means includes a solid-state light-emitting element, and is a planar optical element that is installed in front of the solid-state light-emitting element and functions as a total reflection surface of light of the solid-state light-emitting element. possess a concave reflecting surface for reflecting the total reflection light at the specific mirror and said optical mirror surface thereof is installed in front of the first optical element, the first optical element which is integrally formed, said solid state light substantially incident reflected light around the central lens region for emitting light from the device as a direct incident light to substantially parallel light central lens region-out winding up in the annular, concave reflecting surface of the first optical element A second optical element having two lens areas of an outer peripheral lens area that emits as parallel light , the first optical element having a conical shape having the solid light emitting element as a vertex, the solid light emitting element side To the second optical element A through space penetrating toward the central lens region, and an incident interface that covers the solid state light emitting device in a region other than the through space and is incident with light from the solid state light emitting device, and the central lens region Occupies the inside of the outer peripheral lens region. In this light source device, light incident on the first optical element out of the light from the solid light emitting element is substantially parallel using the optical mirror surface, the concave reflecting surface, and the outer peripheral lens region of the second optical element. The light that is converted into light and directly incident on the second optical element is converted into substantially parallel light using the central lens region.
本発明の光源装置によれば、第2の光学素子の中央レンズ領域を両面レンズにすることが可能となり、これにより、光学素子として片面レンズのみを使用した場合よりも光学作用面が増加するため、プロジェクタ装置用照明光源に適した平行度が高く、収差の小さい出射光を効率よく得ることができるという効果がある。 According to the light source device of the present invention, the central lens region of the second optical element can be a double-sided lens, which increases the optical working surface as compared with the case where only a single-sided lens is used as the optical element. Thus, there is an effect that it is possible to efficiently obtain outgoing light with high parallelism and low aberration suitable for an illumination light source for a projector apparatus.
また、本発明の光源装置によれば、第2の光学素子は中央レンズ領域と外周レンズ領域を有することにより、固体発光素子から直接出射する光だけでなく、第1の光学素子の凹面反射面で反射した光に対しても光学作用面を増加させることができるため、光の全領域に対して、より平行度が高く、収差の小さい出射光を効率よく得ることができるという効果がある。 Further, according to the light source device of the present invention, the second optical element has the central lens region and the outer lens region, so that not only the light directly emitted from the solid light emitting element but also the concave reflecting surface of the first optical element. Since the optical action surface can be increased even with respect to the light reflected at, there is an effect that outgoing light with higher parallelism and less aberration can be efficiently obtained with respect to the entire light region.
実施の形態1.
本発明の実施の形態1による光源装置を図面に基づいて説明する。図1は本発明の実施の形態1による光源装置の断面図である。本発明の光源装置は固体発光素子1と、固体発光素子1の前方に配置する第1の光学素子2と、第1の光学素子2の前方に配置する第2の光学素子3とから構成されている。第1の光学素子2は光軸に対称な放物面形状の凹面反射面2aと平面状の光学的鏡面2bを一体形成したものである。凹面反射面2aの放物面にはミラーコートが施されており、放物面リフレクタとして作用する。光学的鏡面2bは、第1の光学素子2内を進む光線が光学的鏡面2bの界面で全反射する全反射面として作用する。そして、固体発光素子1、凹面反射面2a、及び光学的鏡面2bは、固体発光素子1の位置と凹面反射面2aの放物面の焦点2cとが光学的鏡面2bに関して略共役な位置関係になるように配置される。
A light source device according to
また、第1の光学素子2の中央部分には、固体発光素子1側から第2の光学素子3側へと貫通する、固体発光素子1を頂点とする円錐状の空間2dが開けられており、その円錐の頂角の半分の大きさαは、第1の光学素子2と空気との界面、即ち光学的鏡面2bでの臨界角θの大きさ以上となっている。また、第1の光学素子2には、固体発光素子1を覆うように、固体発光素子1を中心とした球面状の界面2eが設けられている。
In addition, a
一方、第2の光学素子3の中央はレンズ作用を持つレンズ領域3aとなっており、レンズ領域3aのレンズ面は両面非球面で構成され、レンズ領域3aの焦点はおよそ固体発光素子1の位置と略一致するようになっている。また、レンズ領域3aの直径Dは、凹面反射面2aの放物面の頂点曲率をc、及び前述の臨界角θを使って、次式を満たすようになっている。なお、この直径Dの大きさの意味については後述する。
On the other hand, the center of the second
また、固体発光素子1はいわゆる面光源としての出射特性を持つものである。面光源を含む光学系は光源を単一の点光源として扱えない難しさがあるので、面光源を含む光学系の特性についてここで説明する。図2は(a)点光源の出射光が片面レンズを透過した場合と、(b)面光源の出射光が片面レンズを透過した場合とについて、光線の経路を示した説明図である。なお、面光源は複数の点光源が面的に分布したものとみなせるが、図においては煩雑さを避ける為に、2つの点光源で近似して示してある。図2からわかるように、点光源の出射光を平行化することができる片面レンズを用いても、面光源の出射光全体を完全に平行化することはできないことがわかる。また、図3は面光源からの出射光のうち、同一の発散角内にふくまれる出射光を異なる大きさのレンズ径をもつレンズを用いて略平行光化した場合を示したものである。図3からわかるように、レンズ径が大きいレンズを用いたほうがより平行度が高い略平行光を得ることができることがわかる。
The solid-state
なお、本発明の動作を説明する図においては、図が煩雑になることを避けるために面光源である固体発光素子1を1つの点光源とみなした場合の光線の経路のみを示すが、本発明の光学的作用を理解する上では前述の面光源としての特殊性を念頭において、固体発光素子1が面光源であるという前提で考える必要がある。
In the figure for explaining the operation of the present invention, only the ray path when the solid-state light-emitting
次に、以上述べた構成を有する本発明の動作について、固体発光素子1から出射した光に対する作用に着目して、図4に基づいて説明する。図4は図1に示した光源装置における光線の経路を詳しく書いたものである。従って、光源装置の構成としては図1の光源装置と同一であるので、符号は一部省略してある。なお、前述したように固体発光素子1からの出射光は面光源からの出射光として捉える必要があるが、図4においては固体発光素子1を1つの点光源とみなした場合の光線の経路のみを示している。
Next, the operation of the present invention having the above-described configuration will be described with reference to FIG. 4, focusing on the effect on the light emitted from the solid state
固体発光素子1から出射した光は、その光軸を中心とした半球状に広がって進むが、第1の光学素子2の内部には頂角の半分の大きさがαである円錐状の空間2dが設けられている為、固体発光素子1の出射光のうち、光軸に対する発散角がおよそα以内の光は円錐状の空間2dを通り抜け、第2の光学素子3のレンズ領域3aに直接入射する。そして、レンズ領域3aに入射した光はレンズ領域3aのレンズ作用を受け、略平行光化されて出射する。
The light emitted from the solid-state
一方、固体発光素子1の出射光のうち、およそ発散角がα以上の光は、第1の光学素子2の球面状の界面2eを介して第1の光学素子2内に入射する。この際、固体発光素子1は球面状の界面2eの球面中心に位置するので、第1の光学素子2に入射した光は、球面状の界面2eでその光線の進行方向をほとんど変えずに、第1の光学素子2内に入射する。そして、第1の光学素子2内に入射したほぼすべての光は、α以上の入射角を持って光学的鏡面2bに到達し、光学的鏡面2bにてほぼすべて全反射して、凹面反射面2aに向かう。ここで、固体発光素子1の配置位置と凹面反射面2aの放物面の焦点2cは、光学的鏡面2に関して略共役な位置関係にあるので、固体発光素子1から出射し光学的鏡面2bで全反射した光は、図4に示すように、仮に凹面反射面2aの放物面の焦点2cに置かれた光源から放出される光と同じ光線方向を持つので、凹面反射面2aで反射した後は平行度の高い略平行光となって第1の光学素子2の外部に出射される。
On the other hand, light having a divergence angle of α or more out of the light emitted from the solid-state
このように、固体発光素子1の出射光はすべて平行度の高い略平行光となって、光源装置外部に出射される。なお、前述の(式1)で示したレンズ領域3aの直径Dの値は、レンズ領域3aの直径Dが凹面反射面2aで反射した略平行光が通過する環状領域の内側部分の直径とほぼ等しい値になるように導いたものである。従って、レンズ領域3aの直径Dが(式1)を満たすことにより、レンズ領域3aを透過した出射光の領域と凹面反射面2aで反射した出射光の領域との間に、光の通過しない暗い領域を生じないようにすることができる。これにより、本発明の光源装置からの出射光全体が連続した滑らかな強度分布を持つことができる。
In this way, all the emitted light from the solid state light emitting
以上のように本発明によれば、レンズ領域を有する第2の光学素子3は第1の光学素子2とは独立しているので、第2の光学素子3のレンズ領域3aの形状及び大きさを自由に設定できる。これにより、レンズ領域3aを両面レンズにし、レンズ領域3aを大きくすることができるので、より多くの光学作用面を用いて、面光源である固体発光素子1の出射光を、収差が小さく、平行度が高い略平行光に効率よく変換することが可能となる。
As described above, according to the present invention, since the second
さらに、第2の光学素子3のレンズ領域3aの直径は、凹面反射面2aで反射した光が通過する環状領域の内側全域をほぼ占める大きさにしたので、出射光全体で連続した滑らかな強度分布を持つ略平行光束が得られる。
Furthermore, since the diameter of the
さらに、第1の光学素子内2に入射した固体発光素子1の光は球面上の界面2eでその光線方向を変えない為、第1の光学素子2内に入射した光をほぼすべて略平行化できるので、光の利用効率を高めることができる。また、固体発光素子1の出射光のうち、直接第2の光学素子3に向かう光は、第1の光学素子2内の円錐状の空間2dを通過するので、光の損失なく第2の光学素子3に入射させることができるので、光の利用効率を高めることができる。
Furthermore, since the light of the solid-state
また、第1の光学素子2と第2の光学素子3とを独立した構成にしたことにより、全反射面として作用する第1の光学素子2の光学的鏡面2bは単純に平面として形成すればよく、特別な加工を必要とせずに製作することができるので、光源装置をより安価に製作できるという効果がある。
Further, since the first
また、固体発光素子1、第1の光学素子2、並びに第2の光学素子3がそれぞれ独立した構成なので、固体発光素子等個々の構成要素の交換が容易であり、光源装置の維持管理費に係るコストを少なくできるという利点もある。
In addition, since the solid-state light-emitting
なお、本実施の形態においては、凹面反射面2aの形状を放物面としたが、放物面以外の形状を用いても良い。また、レンズ領域3aの形状を両面非球面としたが、球面、平面などを組み合わせた構成にしても良い。また、第2の光学素子3を2枚以上のレンズで構成してもよい。
In the present embodiment, the shape of the concave reflecting
このような各種変形した構成においても、固体発光素子1、第1の光学素子2及び第2の光学素子3のそれぞれの配置位置や、第1の光学素子2の光学的鏡面2b及び凹面反射面2aの形状、及び第2の光学素子3のレンズ領域3aの形状、大きさを、前述した方法と同様な方法で調整することが可能である。
Even in such various modified configurations, the arrangement positions of the solid-state light-emitting
実施の形態2.
図5は本発明の実施の形態2による光源装置の断面図である。実施の形態2による光源装置を図面に基づいて説明する。本発明の光源装置は固体発光素子11と、固体発光素子11の前方に配置する第1の光学素子12と、第1の光学素子12の前方に配置する第2の光学素子13とから構成されている。第1の光学素子12は光軸に対称な楕円面形状を有し、楕円リフレクタとして作用する凹面反射面12aと平面状の光学的鏡面12bを一体形成したものである。光学的鏡面12bは、第1の光学素子12内を進む光線が光学的鏡面12bの界面で全反射する全反射面として作用する。そして、固体発光素子11、凹面反射面12a、及び光学的鏡面12bは、固体発光素子11の位置と凹面反射面12aの楕円面の2つの焦点のうちの固体発光素子11側の焦点12c(第1焦点)が光学的鏡面12bに関して略共役な位置関係になるよう配置される。また、実施の形態1と同様に、第1の光学素子12の中央部には固体発光素子11側から第2の光学素子13側へと貫通する円錐状の空間と、固体発光素子11を中心とした球面状の界面とが設けられている。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a light source device according to
第2の光学素子13は、その中央部に位置する中央レンズ領域13aと、前記中央レンズ領域の周囲を環状に取り巻く外周レンズ領域13bとから構成される。中央レンズ領域13aは両面凸レンズとして作用するレンズであり、外周レンズ領域13bは両面凹レンズとして作用するレンズである。中央レンズ領域13aの直径は、凹面反射面12aで反射した光が通過する環状の領域の内側全域をほぼ占めるような大きさになっている。また、中央レンズ領域13aのレンズは両面非球面で構成され、固体発光素子11から出射する光のうち、光軸となす角がα以内の光を略平行光化するように形状および配置がなされており、その焦点はおよそ固体発光素子11の位置と略一致するようになっている。なお、αは第1の光学素子12と空気との界面、即ち光学的鏡面12bでの臨界角の大きさ以上の値とする。外周レンズ領域13bは凹面反射面12aで反射した光がほぼすべて通過し、凹レンズの作用を受けるように配置されている。
The second
次に、以上に述べた構成を有する本発明の動作について、固体発光素子11から出射した光に対する作用に着目して、図6に基づいて説明する。図6は図5に示した光源装置における光線の経路を詳しく書いたものである。従って、光源装置の構成としては図5の光源装置と同一であるので、符号は一部省略してある。
Next, the operation of the present invention having the above-described configuration will be described with reference to FIG. 6 while focusing on the action on the light emitted from the solid state light emitting
固体発光素子11から出射した光のうち、光軸に対する発散角がおよそα以内の光は、実施の形態1の場合と同様に、第1の光学素子12の中央部に空けた円錐状の空間を通り抜け、第2の光学素子13の中央レンズ領域13aに直接入射する。そして、中央レンズ領域13aに入射した光は凸レンズ作用を受け、略平行光化されて出射する。
Of the light emitted from the solid-state
一方、固体発光素子11の出射光のうち、およそ発散角がα以上の光は、第1の光学素子12の球面状の界面から第1の光学素子12内に入射し、光学的鏡面12bにてほぼすべて全反射して、凹面反射面12aに向かい、凹面反射面12aで再度反射する点は実施の形態1の場合と同様である。ここで、実施の形態2においては、凹面反射面12aの形状が楕円面であり、かつ固体発光素子11の位置と楕円面の第1焦点12cが光学的鏡面12bに関して略共役な位置関係にあるので、光学的鏡面12bで全反射した後の光は、仮に楕円面の第1焦点12cに置かれた光源から出射した光と同じ光線方向を有することになる。この為、凹面反射面12aに入射した光は凹面反射面12aで反射後は、楕円面の他方の焦点(第2焦点)に向かって集光しながら第1の光学素子12を出射する。第1の光学素子12を出射した光は、第2の光学素子13の外周レンズ領域13bに入射し、外周レンズ領域13bの凹レンズ作用を受けて略平行光化されて、第2の光学素子13の外部に出射される。
On the other hand, of the light emitted from the solid state
以上のように本発明によれば、第2の光学素子13は中央レンズ領域13aと外周レンズ領域13bの2つのレンズ領域を有し、第1の光学素子12の凹面反射面12aでの反射光が外周レンズ領域13bを通過するようにしたので、固体発光素子11から出射した光のうち、第1の光学素子12内に入射した光を凹面反射面12aと外周レンズ領域13bの2つの光学作用面で略平行化することになる。この為、実施の形態1の場合と比較して、作用する光学作用面が増加するので、より収差が少なく、より平行度の高い略平行光束を効率よく得ることができる。また、外周レンズ領域13bを設けたことにより、凹面反射面12aの形状がより自由に設定できるため、凹面反射面12aへの光取り込み光束が増し、光の利用効率を向上させることもできる。
As described above, according to the present invention, the second
さらに、第2の光学素子13の中央レンズ領域13aの直径は、凹面反射面12aで反射した光が通過する環状領域の内側全域をほぼ占める大きさにしたので、出射光全体が連続した滑らかな強度分布を持つ略平行光束が得られる。
Furthermore, since the diameter of the
さらに、第1の光学素子内12に入射した固体発光素子11の光は球面上の界面でその光線方向を変えない為、第1の光学素子12内に入射した光をほぼすべて略平行化できるので、光の利用効率を高めることができる。また、固体発光素子11の出射光のうち、直接第2の光学素子13に向かう光は、第1の光学素子12内の円錐状の空間を通過するので、光の損失なく第2の光学素子13に入射させることができるので、光の利用効率を高めることができる。
Furthermore, since the light of the solid state
なお、本実施の形態においては、凹面反射面12aの形状を楕円面としたが、楕円面以外の形状を用いても良い。また、レンズ領域13aの形状を両面非球面としたが、球面、平面などを組み合わせた構成にしても良い。また、第2の光学素子13を2枚以上のレンズで構成してもよい。
In the present embodiment, the concave reflecting
実施の形態3.
実施の形態1又は実施の形態2で示した光源装置を用いて映像表示装置を構成することができる。図7は実施の形態1で示した光源装置を用いた映像表示装置の構成を示す図である。以下、図7に基づいて本実施の形態における映像表示装置について説明する。光源装置20r、20g、20bはそれぞれ実施の形態1で示した光源装置であり、固体発光素子、第1の光学素子、及び第2の光学素子から構成されている。但し、固体発光素子は光源装置毎に異なり、光源装置20rは赤色光を出射する固体発光素子21rを備え、光源装置20gは緑色光を出射する固体発光素子21gを備え、光源装置20bは青色光を出射する固体発光素子21bを備えている。
An image display device can be formed using the light source device described in
まず、各固体発光素子から出射する光の経路について説明する。実施の形態1において説明したように、光源装置20rの固体発光素子21rから放出された赤色光は第1の光学素子及び第2の光学素子の作用を受けて略平行光束となって光源装置20rの外部へと出射される。同様にして、光源装置20gからは略平行光束となった緑色光が出射し、光源装置20bからは略平行光束となった青色光が出射する。
First, the path | route of the light radiate | emitted from each solid light emitting element is demonstrated. As described in the first embodiment, the red light emitted from the solid state
光源装置20rから出射した略平行の赤色光は、ハーフミラー22rによって90度進行方向を曲げられ、ハーフミラー22gを透過し、ハーフミラー22bで反射し、フライアイレンズ23に導かれる。ここでハーフミラー22rは赤色光を反射し、ハーフミラー22gは赤色光を透過し緑色光を反射し、ハーフミラー22bは青色光を透過し緑色光と赤色光を反射するようにそれぞれ異なった透過・反射特性を有するものである。光源装置20gから出射した略平行の緑色光は、ハーフミラー22gで反射して90度進行方向を曲げられ、ハーフミラー22bで再度反射し、フライアイレンズ23に導かれる。光源装置20bから出射した略平行の青色光は、ハーフミラー22bを透過し、フライアイレンズ23へ導かれる。
The substantially parallel red light emitted from the
フライアイレンズ23に導かれた光は、フライアイレンズ23の入射面で多分割されてフライアイレンズ23の出射面で結像し、光を集光する機能を持つコンデンサーレンズ24、及びフライアイレンズ23の出射面での像をライトバルブ26上に結像するフィールドレンズ25を介してライトバルブ26を均一に照明する。ライトバルブ26は反射型ライトバルブであり、後述する制御装置27が出力するライトバルブ駆動信号27aに基づいて、ライトバルブ26に照明された各色光を時間分割制御で空間的に変調する。そして、空間的に変調された光は、全反射プリズム28を経由して投射レンズ29に入射し、拡大投影されることにより映像が表示される。
The light guided to the fly-
ライトバルブ26及び固体発光素子21r、21g、21bは連係動作するように制御される。次に、その制御方法について説明する。まず映像信号処理装置30は外部から入力した映像信号31から赤、緑、青の各色成分に対応した信号を作成して、映像信号処理装置30内の図示していないメモリに映像フレーム単位に書き込む。その後、映像信号処理装置30は映像フレーム内で順次切り替えて前記メモリ内の各色成分の信号をRGB信号30aとして出力する。制御装置27はRGB信号30aに基づき、固体発光素子21r、21g、21bをそれぞれ制御するLED駆動信号27r、27g、27bとライトバルブ26を駆動するライトバルブ駆動信号27aを制御する。具体的には、固体発光素子21r、21g、21bが時分割で順次点灯するようにLED駆動信号27r、27g、27bが駆動され、これにより各色の光が順次ライトバルブ26を照射する。ライトバルブ駆動信号27aはLED駆動信号27r、27g、27bに同期して制御されることにより、ライトバルブ26は固体発光素子21r、21g、21bの各点灯タイミングと同期して、各色成分の空間的変調を行う。このようにしてライトバルブ26と固体発光素子21r、21g、21bの連係動作が可能となり、赤、青、緑の各色の画像が映像フレーム内で順次切り替えられて投射され、カラー映像として鑑賞することができる。
The
以上説明したように、映像表示装置で使用する光源装置20r、20g、20bとして実施の形態1で示した光源装置を用いたので、光源装置20r、20g、20bからの出射光は収差が小さくかつ平行度の高い略平行光束となり、これによりハーフミラー22r、22g、22bにおける反射作用及び透過作用における光の損失が少なくできるとともに、フライアイレンズ23における透過率も高くなる。したがって、映像表示装置全体としての光の利用効率が高くなり、より明るい映像を得ることができるという効果がある。
As described above, since the light source device shown in the first embodiment is used as the
また、赤色、青色、緑色の3原色の固体発光素子21r、21g、21bを用いて、これを時分割点灯するように制御したので、固体発光素子21r、21g、21bの駆動にかかわる電力を削減することができ、省電力化を図ることができる。また、各色の固体発光素子21r、21g、21bの波長を適宜選択することにより、光の合成により再現する色範囲を広くすることが可能であり、色再現性のよい映像を得ることもできる。
In addition, since the three primary
実施の形態4.
図8は実施の形態1で示した光源装置を用いた別の形態の映像表示装置の構成を示したものである。なお、図8において図7と同一部分には同一符号を付して、説明を省略する。以下、図8に基づいて実施の形態4における映像表示装置について説明する。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 8 shows a configuration of another type of video display device using the light source device shown in the first embodiment. In FIG. 8, the same parts as those in FIG. Hereinafter, the video display apparatus according to Embodiment 4 will be described with reference to FIG.
光源装置20r、20g、20bはそれぞれ赤色、緑色、青色の固体発光素子21r、21g、21bを備えた実施の形態1で示した光源装置である。まず、各固体発光素子から出射する光の経路について説明する。光源装置20rの固体発光素子21rから放出された赤色光は第1の光学素子及び第2の光学素子の作用を受けて略平行光束となって光源装置20rから出射する。光源装置20rから出射した略平行な赤色光は、フライアイレンズ23rに入射して光の強度分布が一様化された後、コンデンサーレンズ24rおよびフィールドレンズ25rを介してライトバルブ26rを均一に照明する。ライトバルブ26rは透過型ライトバルブであり、ライトバルブ26rで空間的に変調された赤色光は合成プリズム40に入射する。同様にして、光源装置20g、20bから出射する略平行な緑色光、青色光もフライアイレンズ23g、23b及びコンデンサーレンズ24g、24b及びフィールドレンズ24g、24bをそれぞれ経由して、ライトバルブ26g、26bを均一に照射する。ライトバルブ26g、26bで空間的に変調された緑色光および青色光は合成プリズム40に入射し、合成プリズム40で赤色、緑色、及び青色の3色の光が色合成された後、投射レンズ29に入射し、拡大投影されることにより映像が表示される。
The
次に、制御動作について説明する。映像信号処理装置30は外部から入力した映像信号31から赤、緑、青の各色成分に対応した信号を作成して、映像信号処理装置30内の図示していないメモリに映像フレーム単位に書き込。その後、映像信号処理装置30は映像フレーム内で順次切り替えて前記メモリ内の各色成分の信号をRGB信号30aとして出力する。制御装置41は固体発光素子21r、21g、21bを常時点灯するようにLED駆動信号41r、41g、41bを駆動するとともに、RGB信号30aに基づいてライトバルブ駆動信号42r、42g、42bを制御する。これにより、ライトバルブ26r、26g、26bは映像信号31に同期して、各色光に対して空間的変調を与えることができる。
Next, the control operation will be described. The video
以上説明したように、映像表示装置で使用する光源装置20r、20g、20bとして実施の形態1で示した光源装置を用いたので、実施の形態3で述べた映像表示装置と同様な効果を得ることができる。
As described above, since the light source device shown in the first embodiment is used as the
なお、実施の形態3ないし4においては、各色の光源として、光源装置を1個用いる場合について示したが、それに限るものではなく、光源装置内の固体発光素子の光強度に応じて、光源装置を2個以上用いてもよい。また、実施の形態3ないし4においては、実施の形態1の光源装置を用いて説明したが、それに限るものではなく、本発明による光源装置を用いた映像表示装置であれば、同様の効果を有する。また、ライトバルブとしては実施の形態の説明の中で用いたものに限るものではなく、光を空間的に変調させる機能を有すればそれ以外のものでもよい。 In the third to fourth embodiments, the case where one light source device is used as the light source for each color has been described. However, the present invention is not limited to this, and the light source device is selected according to the light intensity of the solid state light emitting element in the light source device. Two or more may be used. In the third to fourth embodiments, the light source device according to the first embodiment has been described. However, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained if the video display device uses the light source device according to the present invention. Have. Further, the light valve is not limited to that used in the description of the embodiment, and any other light valve may be used as long as it has a function of spatially modulating light.
1、11、21r、21g、21b ・・・・ 固体発光素子
2、12 ・・・・ 第1の光学素子
2a、12a ・・・・ 凹面反射面
2b、12b ・・・・ 光学的鏡面
2c、12c・・・・ 凹面反射面の焦点
3、13 ・・・・ 第2の光学素子
3a・・・・ 第2の光学素子のレンズ領域
13a・・・・ 第2の光学素子の中央レンズ領域
13b・・・・ 第2の光学素子の外周レンズ領域
1, 11, 21 r, 21 g, 21 b... Solid
Claims (10)
前記固体発光素子の前方に設置され、前記固体発光素子の光の全反射面として作用する平面状の光学的鏡面と前記光学的鏡面での全反射光を反射し略平行光として出射する凹面反射面とを一体形成した第1の光学素子と、
前記第1の光学素子の前方に設置され、前記固体発光素子からの光を直接入射光とし略平行光として出射する中央レンズ領域を有する第2の光学素子と
を備え、
前記第1の光学素子は、
前記固体発光素子を頂点とする円錐状をなす、前記固体発光素子側から前記第2の光学素子の前記中央レンズ領域側へと貫通する貫通空間と、
前記貫通空間以外の領域で前記固体発光素子を覆う、前記固体発光素子からの光が入射される入射界面と
を有し、
前記第2の光学素子は、前記中央レンズ領域の周囲を環状に取り巻き、前記凹面反射面での反射光を通過させる環状領域を有し、
前記中央レンズ領域は、前記環状領域の内側を占める
ことを特徴とする光源装置。 A solid state light emitting device;
A planar optical mirror surface installed in front of the solid state light emitting element and acting as a total reflection surface of the light of the solid state light emitting element, and a concave reflection that reflects the total reflection light on the optical mirror surface and emits it as substantially parallel light A first optical element integrally formed with the surface;
A second optical element installed in front of the first optical element and having a central lens region that emits light from the solid-state light emitting element as direct incident light and substantially parallel light ;
The first optical element includes:
A penetrating space penetrating from the solid light emitting element side to the central lens region side of the second optical element, having a conical shape with the solid light emitting element as a vertex;
An incident interface that covers the solid-state light-emitting element in a region other than the through space and is incident with light from the solid-state light-emitting element;
Have
The second optical element has an annular region that surrounds the periphery of the central lens region in an annular shape and allows light reflected by the concave reflecting surface to pass through.
Said central lens region, a light source device according to claim Rukoto occupy the interior of the annular region.
前記光学的鏡面は、前記入射界面を介して前記第1の光学素子に入射した光を前記凹面反射面の方向へ全反射させ、前記凹面反射面で反射し略平行光として出射された光を前記環状領域の方向へ透過させる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光源装置。 The incident interface is a spherical interface centered on the solid state light emitting device ,
The optical mirror surface totally reflects light incident on the first optical element via the incident interface in the direction of the concave reflecting surface, and reflects the light reflected by the concave reflecting surface and emitted as substantially parallel light. The light source device according to claim 1 or 2, wherein the light source device transmits light in a direction of the annular region .
前記固体発光素子と前記放物面の焦点は、前記第1の光学素子の光学的鏡面に関して略共役の位置関係にあり、
前記第2の光学素子の当該中央レンズ領域は凸レンズである
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光源装置。 Concave reflecting surface of the first optical element is a paraboloid,
Focal point of the solid the paraboloid and the light emitting element is in a positional relationship of substantially conjugate with respect to the optical mirror of the first optical element,
5. The light source device according to claim 1, wherein the central lens region of the second optical element is a convex lens. 6.
前記固体発光素子の前方に設置され、前記固体発光素子の光の全反射面として作用する平面状の光学的鏡面と前記光学的鏡面での全反射光を反射する凹面反射面とを一体形成した第1の光学素子と、
前記第1の光学素子の前方に設置され、前記固体発光素子からの光を直接入射光とし略平行光として出射する中央レンズ領域及び前記中央レンズ領域の周囲を環状に取り巻き、前記第1の光学素子の凹面反射面での反射光を入射し略平行光として出射する外周レンズ領域の2つのレンズ領域を有する第2の光学素子と
を備え、
前記第1の光学素子は、
前記固体発光素子を頂点とする円錐状をなす、前記固体発光素子側から前記第2の光学素子の前記中央レンズ領域側へと貫通する貫通空間と、
前記貫通空間以外の領域で前記固体発光素子を覆う、前記固体発光素子からの光が入射される入射界面と
を有し、
前記中央レンズ領域は、前記外周レンズ領域の内側を占める
ことを特徴とする光源装置。 A solid state light emitting device;
A flat optical mirror surface that is installed in front of the solid light emitting element and functions as a total reflection surface of light of the solid light emitting element and a concave reflection surface that reflects the total reflection light on the optical mirror surface are integrally formed. A first optical element;
A central lens region that is installed in front of the first optical element and emits light from the solid state light emitting device as direct incident light and substantially parallel light, and surrounding the central lens region in an annular shape, A second optical element having two lens regions of an outer peripheral lens region that receives reflected light from the concave reflecting surface of the optical element and emits the light as substantially parallel light ;
The first optical element includes:
A penetrating space penetrating from the solid light emitting element side to the central lens region side of the second optical element, having a conical shape with the solid light emitting element as a vertex;
An incident interface that covers the solid-state light-emitting element in a region other than the through space and is incident with light from the solid-state light-emitting element;
Have
Said central lens region, a light source device according to claim Rukoto occupy the interior of the peripheral lens area.
前記光学的鏡面は、前記入射界面を介して前記第1の光学素子に入射した光を前記凹面反射面の方向へ全反射させ、前記凹面反射面での反射光を前記外周レンズ領域の方向へ透過させる
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の光源装置。 The incident interface is a spherical interface centered on the solid state light emitting device ,
The optical mirror surface totally reflects light incident on the first optical element through the incident interface toward the concave reflecting surface, and reflects light from the concave reflecting surface toward the outer lens region. The light source device according to claim 6 or 7, wherein the light source device transmits light.
前記固体発光素子と前記楕円面の2つの焦点のうち前記固体発光素子側の焦点は、前記第1の光学素子の前記光学的鏡面に関して略共役の位置関係にあり、
前記第2の光学素子のレンズ領域のうち、前記中央レンズ領域は凸レンズ、前記外周レンズ領域は凹レンズである
ことを特徴とする請求項6から8のいずれかに記載の光源装置。 The concave reflecting surface of the first optical element is ellipsoidal,
The focus of the solid state light emitting element side of the two foci of the elliptical surface and the solid-state light-emitting element is in a positional relationship of substantially conjugate with respect to the optical mirror surface of the first optical element,
Of the lens region of said second optical element, wherein the central lens region is convex, the peripheral lens area light source device according to claim 6, wherein 8 to be a concave lens.
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