JP4909546B2 - Illumination device, light modulation device, and projection display device - Google Patents
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Description
本発明は、照明装置、光変調装置及び投射型表示装置に関し、特に、発光ダイオードを光源とした照明装置、光変調装置及び投射型表示装置に関する。 The present invention relates to an illumination device, a light modulation device, and a projection display device, and more particularly to an illumination device, a light modulation device, and a projection display device that use light emitting diodes as light sources.
近年、ノートブック型パソコンに代表されるようなモバイル機器の小型・軽量化が進み、機器の持ち運びが簡便になったことから、プロジェクターを用いたプレゼンテーションが広く普及しており、プロジェクターの小型・軽量化も進められている。しかし、プロジェクターに通常利用されるハロゲンランプやメタルハライドランプなどの光源ランプは、比較的大型で重いものである。そこで、ハロゲンランプやメタルハライドランプに換わる光源ランプとして、発光ダイオード(light emitting diode:以下、LED)が挙げられている。 In recent years, mobile devices such as notebook computers have become smaller and lighter, and the devices have become easier to carry, so presentations using projectors have become widespread. Progress is also being made. However, light source lamps such as halogen lamps and metal halide lamps that are normally used in projectors are relatively large and heavy. Therefore, light emitting diodes (hereinafter referred to as LEDs) are cited as light source lamps that can replace halogen lamps and metal halide lamps.
近年、LEDの開発は活発に行われており、LED素子の発光効率が急速に改良されつつあり、従来最も高効率といわれている放電タイプの高圧水銀ランプや蛍光灯ランプの発光効率を越えるのは時間の問題と言われている。LEDは、一般的に長寿命、高効率、高耐G性、単色発光などの利点を有しており、多くの照明分野への応用が期待されている。LEDを光源に用いたプロジェクターは種々提案されている。例えば、発光素子アレイ・フライアイレンズ・液晶パネル・投射レンズ系からなる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。プロジェクターの照明装置部分に注目すると、発光素子の出射光を直接フライアイレンズに入射させている。また、発光素子アレイ・マイクロレンズアレイ・縮小光学器ダイクロイックミラー・2次元マイクロ偏向ミラーアレイ・投射光学系からなる技術も提案されている(例えば、特許文献2参照)。プロジェクターの照明装置部分に注目すると、発光素子の出射光をマイクロレンズアレイによって整形しているものの、整形後は、光束幅を絞っただけで、そのまま2次元マイクロ偏向ミラーアレイに導光している。また、光利用効率と小型化を目指した画像投射装置も提案されている(例えば、特許文献3参照)。
しかしながら、上記のような技術には、以下の問題点がある。 However, the above techniques have the following problems.
一般にLEDの出射光は、出射角度ごとの放射強度が異なり、この強度分布は配光分布と呼ばれている。上述のような構成を用いた場合、LEDの配光分布特性が、液晶パネルや2次元マイクロ偏向ミラーアレイ上で照度ムラとなって表れることは明白である。仮に、上記発光素子アレイ・フライアイレンズ・液晶パネル・投射レンズ系からなる技術の構成で、光源に砲弾型LEDを用い、出射光の指向性を高め光の発散度を下げる事で配光分布特性の影響を下げたとしても、フライアイレンズのNA(開口数:numerical aperture)が小さくなりすぎてしまい、液晶パネル全体を照らすことができない。 In general, the emitted light of an LED has different radiant intensity for each outgoing angle, and this intensity distribution is called a light distribution. When the configuration as described above is used, it is obvious that the light distribution characteristic of the LED appears as uneven illuminance on the liquid crystal panel or the two-dimensional micro deflection mirror array. Temporarily, with the technology configuration consisting of the above light emitting element array, fly-eye lens, liquid crystal panel, and projection lens system, using a bullet-type LED as the light source, increasing the directivity of the emitted light and lowering the divergence of the light, the light distribution Even if the influence of the characteristics is lowered, the NA (numerical aperture) of the fly-eye lens becomes too small to illuminate the entire liquid crystal panel.
また、上記光利用効率と小型化を目指した画像投射装置の技術でも、照度ムラについては検討されていない。 Further, the illumination unevenness has not been studied even in the technology of the image projection apparatus aiming at the light use efficiency and downsizing.
本発明はこのような問題を解決するものであり、液晶パネル等のライトバルブ上で照度ムラが少なく、ライトバルブ全体を効率よく照らすことができる照明装置、光変調装置、および投射型表示装置を提供するものである。 The present invention solves such a problem, and provides an illumination device, a light modulation device, and a projection display device that can efficiently illuminate the entire light valve with little illuminance unevenness on a light valve such as a liquid crystal panel. It is to provide.
かかる目的を達成するために、本発明は、以下の特徴を有する。In order to achieve this object, the present invention has the following features.
本発明にかかる照明装置は、 The lighting device according to the present invention is
1又は複数の発光素子と、少なくとも1枚のコンデンサーレンズ系と、少なくとも1枚のフィールドレンズ系と、を有する照明装置であって、 An illumination device having one or more light emitting elements, at least one condenser lens system, and at least one field lens system,
前記発光素子の出射光の強度は、光出射方向正面から角度を持つにつれて弱くなり、前記発光素子の出射光は、前記コンデンサーレンズ系で一度収束され、前記フィールドレンズ系に入射し、前記フィールドレンズ系によって略平行光にされ、被照明面を照明し、 The intensity of the light emitted from the light emitting element becomes weaker with an angle from the front of the light emitting direction, and the light emitted from the light emitting element is once converged by the condenser lens system and incident on the field lens system. The light is made almost parallel by the system and illuminates the illuminated surface.
前記コンデンサーレンズ系は、光線の通過領域が光軸から離れるほど大きくなるような球面収差を有することを特徴とする。 The condenser lens system is characterized by having a spherical aberration such that the passing region of the light beam increases as the distance from the optical axis increases.
本発明にかかる光変調装置は、The light modulation device according to the present invention includes:
上記記載の照明装置について、光変調手段を備えたことを特徴とする。 The illumination device described above is characterized by comprising light modulation means.
本発明にかかる投射型表示装置は、The projection display device according to the present invention is
上記記載の光変調装置を備えた投射型表示装置であって、 A projection type display device comprising the light modulation device described above,
各発光素子は、発光素子単体で複数色の色光を出射する第1の出射手段と、 Each light emitting element includes a first emitting unit that emits light of a plurality of colors by a single light emitting element,
前記発光素子から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動されるライトバルブからなる光変調手段と、 A light modulator comprising a light valve driven in a time-sharing manner in synchronization with the emission timing of each color light emitted sequentially from the light emitting element;
前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を備えることを特徴とする。 Projection means for projecting light modulated by the light modulation means.
また、上記記載の光変調装置を備えた投射型表示装置であって、 Moreover, it is a projection type display device provided with the light modulation device described above,
各発光素子は、発光素子単体では一色の色光を出射する第2の出射手段と、 Each light emitting element includes a second emitting unit that emits one color of light in a single light emitting element,
互いに色光が異なる発光素子を三種類以上出射する第3の出射手段と、 A third emitting means for emitting three or more types of light emitting elements having different color lights;
前記発光素子から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動されるライトバルブからなる光変調手段と、 A light modulator comprising a light valve driven in a time-sharing manner in synchronization with the emission timing of each color light emitted sequentially from the light emitting element;
前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を備えることを特徴とする。 Projection means for projecting light modulated by the light modulation means.
また、上記記載の光変調装置を備えた投射型表示装置であって、 Moreover, it is a projection type display device provided with the light modulation device described above,
各発光素子は、互いに異なる色の色光を出射可能な複数の面光源手段と、 Each light emitting element has a plurality of surface light source means capable of emitting different color lights,
前記面光源手段から出射される各色光を変調するライトバルブからなる複数の光変調手段と、 A plurality of light modulation means comprising light valves for modulating each color light emitted from the surface light source means;
前記複数の光変調手段により変調された色光を合成する色合成手段と、 Color synthesizing means for synthesizing the color lights modulated by the plurality of light modulating means;
前記色合成手段により合成された光を投射する投射手段と、を備えることを特徴とする。 Projecting means for projecting the light synthesized by the color synthesizing means.
また、上記記載の光変調装置を備えた投射型表示装置であって、 Moreover, it is a projection type display device provided with the light modulation device described above,
発光素子は白色LEDであり、LEDから出射される白色光を複数の色に変換するカラーフィルターが備えられたカラーフィルター光変調手段と、 The light emitting element is a white LED, color filter light modulation means provided with a color filter that converts white light emitted from the LED into a plurality of colors, and
前記カラーフィルター光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を備えることを特徴とする。 Projecting means for projecting light modulated by the color filter light modulating means.
本発明によれば、液晶パネル等のライトバルブ上で照度ムラが少なく、ライトバルブ全体を効率よく照らすことができる照明装置、光変調装置、および投射型表示装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an illuminating device, a light modulation device, and a projection display device that can illuminate the entire light valve efficiently with little illuminance unevenness on a light valve such as a liquid crystal panel.
本発明においては、LEDと、少なくとも1枚のコンデンサーレンズ系と、少なくとも1枚のフィールドレンズ系の順に配置される照明装置において、コンデンサーレンズ系の有する球面収差を利用して、LEDの配光分布特性を打ち消すことを特徴とする。以下に、本発明の実施形態に係る画像形成装置及び検索方法を、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種種の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。 In the present invention, in an illuminating device arranged in the order of an LED, at least one condenser lens system, and at least one field lens system, the light distribution of the LED is utilized by utilizing the spherical aberration of the condenser lens system. It is characterized by canceling the characteristics. Hereinafter, an image forming apparatus and a search method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below are preferred embodiments of the present invention, and therefore technically preferable various kinds of limitations are given. However, the scope of the present invention is not limited to the following description. As long as there is no description which limits, it is not restricted to these aspects.
まず、フィールドレンズ2が充分な開口径を有しているとすれば、フィールドレンズ2の焦平面上から出射される光は、図1の領域全面を照明する。ここで、aは焦平面を示し、bは被照明面を示す。本発明の実施形態に係る照明装置は、図2に示すように、LED2の出射光を一度コンデンサーレンズ3で収束し、その収束点を図1で説明した焦平面a上に配置する。コンデンサーレンズ3が無収差レンズであれば、図の領域で照度ムラがない。しかし、本発明の実施形態に係るコンデンサーレンズ3には、図3に示すように、光線の通過領域が光軸から離れるほど大きくなるような球面収差を持たせる。図4に示すように、光軸付近を通過する光線の収束点をフィールドレンズ2の焦点に配置すると、フィールドレンズ2を通過した光線は平行光となって出射される。しかし、コンデンサーレンズ3が図3のような球面収差を持つ場合には、光軸から離れた領域を通過した光線は平行光とならず、収束性を持った光線となって出射される。これは、光軸から離れた領域を通過した光線が、フィールドレンズ2の焦点よりもコンデンサーレンズ3側に収束することによるものである。図4のような構成に、全方位一様な光をコンデンサーレンズ3に入射すれば、図の被照明領域は、図に示すように、領域の中心から周辺にむかって徐々に照度が上がる分布になる。
First, if the
これに対し、図5に示すように、無収差のコンデンサーレンズ3と、光出射方向正面から角度を持つにつれて徐々に弱くなる特性を持ったLED1を配置すると、図のように、被照明領域の照度分布は、LED1の配光分布特性の影響をそのまま受けてしまう。本発明の実施形態に係る照明装置は、図6に示すように、上述したような特性を持つLED1に対して、図3に示すような球面収差を持ったコンデンサーレンズ3を配置することによって、LEDの配光分布特性を打ち消すことを狙いとしたものである。
On the other hand, as shown in FIG. 5, when an aberration-
すなわち、上記実施形態により、光出射方向正面から角度を持つにつれて徐々に弱くなる特性を持ったLED1に対して、光線の通過領域が光軸から離れるほど大きくなるような球面収差を持ったコンデンサーレンズ3を配置することによって、LEDの配光分布特性を打ち消すことを狙い、液晶パネル等のライトバルブ上で照度ムラが少なく、ライトバルブ全体を効率よく照らすことができる。
That is, according to the above-described embodiment, a condenser lens having a spherical aberration in which the light passing region becomes larger as the distance from the optical axis increases with respect to the
また、本発明の他の実施形態に係る照明装置では、LED一個の光量で不足する場合に対応し、図7に示すようにLEDを複数個配列している。光源側から被照明面側に向けて、LED複数個(LEDアレイ5)、コンデンサーレンズ複数枚(レンズアレイ6)、フィールドレンズ2(1枚)の順に並べられている。LED1の出射光に所望の球面収差特性を与え、なおかつ効率良く光を取り出すために、LED一個一個に対してコンデンサーレンズ3を配置することが望ましい。この場合、フィールドレンズ2の収差量を考慮し(一般に光軸上の収差よりも光軸外の収差の方が大きい)、光軸上のコンデンサーレンズ3の球面収差によって得られた効果と同じ効果を得るために、光軸上と光軸外でコンデンサーレンズ3の収差量を変化させることが望ましい。
In addition, in a lighting device according to another embodiment of the present invention, a plurality of LEDs are arranged as shown in FIG. 7 in response to a case where the amount of light of one LED is insufficient. A plurality of LEDs (LED array 5), a plurality of condenser lenses (lens array 6), and a field lens 2 (one) are arranged in this order from the light source side to the illuminated surface side. In order to give desired spherical aberration characteristics to the light emitted from the
さらに、フィールドレンズ2の像面湾曲が大きい場合には、図8に示すように、コンデンサーレンズ3の作る2次光源を、像面湾曲曲線7に近似した傾きで配置することも考えられる。
Furthermore, when the field curvature of the
以上説明したような照明装置を用いた投射型表示装置でカラー表示を行う方法は種々考えられる。大別すると、ライトバルブを細工することでカラー表示を行う方法と、光源を含んだ照明光学系で複数の色光を混合してカラー表示を行う方法である。ライトバルブを細工する方法には、例えば、カラーフィルターを用いる方法一個のマイクロレンズに赤/緑/青の3個のサブピクセルを対応させる方法(テレビジョン学会技術報告VOL.19,NO.8,IDY95-41)があるが、明るさや解像度を犠牲にするものである。光源を含んだ照明光学系で複数の色光を混合する方法としては、各LEDがライトバルブ全体を照明しているので、赤/緑/青それぞれのチップを一つの素子中に含んだLEDを用いる方法。赤/緑/青、それぞれの色を出射するLEDを配列し、ライトバルブ上で混色する方法や、赤/緑/青、各色のLEDごとに配列し、赤色の面光源、緑色の面光源、青色の面光源を作り、それぞれの出射光をプリズム等で混色する方法がある。 Various methods for performing color display on the projection display device using the illumination device as described above are conceivable. Broadly speaking, there are a method of performing color display by crafting a light valve and a method of performing color display by mixing a plurality of color lights with an illumination optical system including a light source. As a method of crafting a light valve, for example, a method using a color filter, a method in which three subpixels of red / green / blue are made to correspond to one microlens (Television Society Technical Report VOL.19, NO.8, IDY95-41), but at the expense of brightness and resolution. As a method of mixing multiple colored lights with an illumination optical system that includes a light source, each LED illuminates the entire light valve, so use an LED that contains red / green / blue chips in one element. Method. Red / green / blue LEDs that emit each color are arranged and mixed on the light valve, or red / green / blue, each LED is arranged for each color, red surface light source, green surface light source, There is a method in which a blue surface light source is made and each emitted light is mixed with a prism or the like.
また、本発明の実施形態に係る照明装置を用いれば、投射型表示装置以外にも、小型な表示装置を構成できる。最も簡単な構成としては、本発明の照明装置に液晶ライトバルブを組み合わせただけの、シンプルな表示装置である。 Moreover, if the illuminating device which concerns on embodiment of this invention is used, a small display apparatus can be comprised besides a projection type display apparatus. The simplest configuration is a simple display device in which a liquid crystal light valve is combined with the illumination device of the present invention.
これにより、液晶板の画像を読み取ることができ、また、虫眼鏡のような取り外し可能な拡大鏡や、目に直接装着できる接眼光学系と組み合わせることもできる。 As a result, the image on the liquid crystal plate can be read, and a magnifying glass such as a magnifying glass or an eyepiece optical system that can be directly attached to the eyes can be combined.
図9は、本発明の他の実施形態に係る照明装置の概略図である。光源側から被照明面側に向けて、LED1(1個)、コンデンサーレンズ群8(凸レンズ3枚)、フィールドレンズ2(1枚)、液晶ライトバルブ10の順に並べられている(図9)。LED1の出射光を効率良く取り出すには、コンデンサーレンズ群8のNA(開口数)を明るく設定する必要があるため、コンデンサーレンズ群8は図のような3枚構成を用いた。LED1の位置を物点とした時のコンデンサーレンズ群8の球面収差は、図10のように徐々に物点側に収束点がずれていくようなものとする。LEDの出射光のうち、近軸光線は図9のフィールドレンズ9の焦平面に、周辺光線は焦平面よりもコンデンサーレンズ群8側に収束し、フィールドレンズ9に入射した後、液晶ライトバルブ9に導かれる。この時、フィールドレンズ9の最周縁を通る光は、上述したようにフィールドレンズ9によって光軸方向に弱く収束する作用を受けているので、フィールドレンズ9によって照明される範囲のうち、最周縁は著しく暗くなる。図4に示したレンズ系で、これを示すと、図11のようになる。照度分布曲線4からわかるように、液晶面の端で照度落ちがある。従って、この最周縁の範囲に液晶ライトバルブが入らないように配置することで、液晶ライトバルブ全面にムラのない照明を行うことが可能となる。
FIG. 9 is a schematic view of a lighting device according to another embodiment of the present invention. From the light source side to the surface to be illuminated, the LEDs 1 (one), the condenser lens group 8 (three convex lenses), the field lens 2 (one), and the liquid crystal
図12は、本発明の他の実施形態に係る照明装置の概略図である。本実施形態では、液晶ライトバルブ上の照度向上を目的とし、LEDは5行1列に配列されている。本実施形態の構成は、光源側から被照明面側に向けて、LEDアレイ5、コンデンサーレンズ群アレイ群(各コンデンサーレンズ群8は凸レンズ3枚)、リレーレンズ10(1枚)、フィールドレンズ2(1枚)、液晶ライトバルブ9の順に並べたものである。リレーレンズ10を配置することで、フィールドレンズ2の光軸外に配置されたLED光を効率良く取り出すことが可能となる(図12)。各コンデンサーレンズ群8の球面収差特性は、上記図9を用いて説明した実施形態と同じものとする。
FIG. 12 is a schematic view of a lighting device according to another embodiment of the present invention. In the present embodiment, for the purpose of improving the illuminance on the liquid crystal light valve, the LEDs are arranged in 5 rows and 1 column. In this embodiment, the
以上に説明した照明光学系に投影光学系を組み合わせることによって、小型で省エネルギーであり、なおかつ照度ムラの少ない投射型表示装置を構成することができる。 By combining the projection optical system with the illumination optical system described above, it is possible to configure a projection display device that is small in size and saves energy and has little illuminance unevenness.
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種種変更可能であることは言うまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the above, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
1 LED
2 フィールドレンズ
3 コンデンサーレンズ
4 照度分布曲線
5 LEDアレイ
6 レンズアレイ
7 フィールドレンズの像面湾曲曲線
8 コンデンサーレンズ群
9 液晶ライトバルブ
10 リレーレンズ
a 焦平面
b 被照明面
1 LED
2
Claims (12)
前記発光素子の出射光の強度は、光出射方向正面から角度を持つにつれて弱くなり、前記発光素子の出射光は、前記コンデンサーレンズ系で一度収束され、前記フィールドレンズ系に入射し、前記フィールドレンズ系によって略平行光にされ、被照明面を照明し、
前記コンデンサーレンズ系は、光線の通過領域が光軸から離れるほど大きくなるような球面収差を有することを特徴とする照明装置。 One or a plurality of light emitting elements, a lighting device comprising at least one condenser lens system, and at least one field lens system, and
The intensity of the light emitted from the light emitting element is weakened as an angle from the light emitting direction front, the light emitted from the light emitting element, the once converged by the condenser lens system is incident on the field lens system, the field lens The light is made almost parallel by the system and illuminates the illuminated surface .
The condenser lens system has a spherical aberration such that a light passing region increases as the distance from the optical axis increases .
各発光素子は、発光素子単体で複数色の色光を出射する第1の出射手段と、
前記発光素子から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動されるライトバルブからなる光変調手段と、
前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を備えることを特徴とする投射型表示装置。 A projection type display device comprising the light modulation device according to claim 6 ,
Each light emitting element includes a first emitting unit that emits light of a plurality of colors by a single light emitting element,
A light modulator comprising a light valve driven in a time-sharing manner in synchronization with the emission timing of each color light emitted sequentially from the light emitting element;
And a projection unit that projects the light modulated by the light modulation unit.
各発光素子は、発光素子単体では一色の色光を出射する第2の出射手段と、
互いに色光が異なる発光素子を三種類以上出射する第3の出射手段と、
前記発光素子から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動されるライトバルブからなる光変調手段と、
前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を備えることを特徴とする投射型表示装置。 A projection type display device comprising the light modulation device according to claim 6 ,
Each light emitting element includes a second emitting unit that emits one color of light in a single light emitting element,
A third emitting means for emitting three or more types of light emitting elements having different color lights;
A light modulator comprising a light valve driven in a time-sharing manner in synchronization with the emission timing of each color light emitted sequentially from the light emitting element;
And a projection unit that projects the light modulated by the light modulation unit.
各発光素子は、互いに異なる色の色光を出射可能な複数の面光源手段と、
前記面光源手段から出射される各色光を変調するライトバルブからなる複数の光変調手段と、
前記複数の光変調手段により変調された色光を合成する色合成手段と、
前記色合成手段により合成された光を投射する投射手段と、を備えることを特徴とする投射型表示装置。 A projection type display device comprising the light modulation device according to claim 6 ,
Each light emitting element has a plurality of surface light source means capable of emitting different color lights,
A plurality of light modulation means comprising light valves for modulating each color light emitted from the surface light source means;
Color synthesizing means for synthesizing the color lights modulated by the plurality of light modulating means;
Projection display device characterized by and a projection means for projecting the synthesized light by the color synthesizing means.
発光素子は白色LEDであり、LEDから出射される白色光を複数の色に変換するカラーフィルターが備えられたカラーフィルター光変調手段と、
前記カラーフィルター光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を備えることを特徴とする投射型表示装置。 A projection type display device comprising the light modulation device according to claim 6 ,
The light emitting element is a white LED, color filter light modulation means provided with a color filter that converts white light emitted from the LED into a plurality of colors, and
Projection means for projecting light modulated by the color filter light modulation means.
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