JP7446432B2 - light source device - Google Patents
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Description
本開示は光源装置に関し、特に光利用効率を高めた光源装置に関する。 The present disclosure relates to a light source device, and particularly to a light source device with improved light utilization efficiency.
投射型表示装置等に用いられる固体光源において、高出力化と結合効率の向上が課題となっている。例えば、特許文献1には、複数の発光点を備える光源と、光源からの出射光を平行化するコリメートレンズと、主面に対して異なる傾斜角を有し、かつ複数の出射光それぞれに対する複数の入射面を有する光学素子と、で構成された光源ユニットが開示されている。特許文献1には、特に、光源ユニットの小型化を実現するために、光学素子が、入射面を備えたミラーを複数有する構成が図16等に開示されている。
In solid-state light sources used in projection display devices and the like, increasing output and improving coupling efficiency are issues. For example,
特許文献1のようにミラーを利用した構成では、コリメートレンズから出射される平行化後の光線の光量分布が光軸に対して不均一となると、光軸上の光利用効率が低下してしまうなどの課題が生じるが、特許文献1では光源が見かけ上傾くことによる光軸上の光利用効率の低下等に関して何ら考慮されていない。
In a configuration using a mirror as in
本開示は上記のような問題を解決するためになされたものであり、光軸上の光利用効率を高めた光源装置を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in order to solve the above problems, and aims to provide a light source device that improves the efficiency of using light on the optical axis.
本開示に係る光源装置は、X軸、Y軸およびZ軸を含むXYZ座標系におけるZ軸方向の照射対象に光を照射する光源装置であって、前記XYZ座標系におけるY軸方向に離間して配置され、前記Y軸方向の発散角が前記XYZ座標系におけるX軸方向の発散角よりも小さい光を発する第1光源および第2光源を含み、光束を発する光源群と、前記光源群が発する前記光束を平行化する平行化レンズと、前記Z軸方向において前記光源群と前記平行化レンズとの間に配置され、前記第1光源が発する光を偏向する平面の第1光学面および前記第2光源が発する前記光を偏向する平面の第2光学面を用いて前記Z軸方向の前記照射対象に向けて凹型に構成され、前記光源群から発せられた前記光束を偏向して前記平行化レンズに入射させる光偏向素子と、を備え、前記第1光源は、前記Z軸方向で前記第1光学面に対向するように配置され、前記第2光源は、前記Z軸方向で前記第2光学面に対向するように配置される。
A light source device according to the present disclosure is a light source device that irradiates light to an irradiation target in a Z-axis direction in an XYZ coordinate system including an a first light source and a second light source that are arranged such that the divergence angle in the Y-axis direction is smaller than the divergence angle in the X-axis direction in the XYZ coordinate system; a collimating lens that collimates the emitted light flux; a first optical surface of a plane that is disposed between the light source group and the collimating lens in the Z-axis direction and deflects the light emitted by the first light source; A second optical surface of a plane that deflects the light emitted by a second light source is configured to have a concave shape toward the irradiation target in the Z-axis direction, and deflects the light flux emitted from the light source group to a light deflecting element that causes the light to be incident on the optical lens, the first light source is arranged to face the first optical surface in the Z-axis direction, and the second light source is arranged to face the first optical surface in the Z-axis direction. The two optical surfaces are arranged to face each other.
本開示の光源装置によれば、光軸上の光利用効率が高い光源装置を提供できる。 According to the light source device of the present disclosure, it is possible to provide a light source device with high light utilization efficiency on the optical axis.
<実施の形態1>
図1および図2を用いて実施の形態1の光源装置100の概略構成を説明する。図1はYZ平面を-X軸側から観察した図を示し、図2はZX平面を+Y軸方向側から観察した図を示している。図1および図2に示されるように光源装置100は、光源群1、光偏向素子2および平行化レンズ3を備え、光源群1と平行化レンズ3との間に光偏向素子2が配置されている。光偏向素子2は、光偏向用の光学面21および22が光出射側に設けられており、当該光学面21および22は、平行化レンズ3の中心を通る光軸C1に向けて共に傾斜している。光源群1は、図1に示されるようにY軸方向に配列された光源1aおよび光源1bを有している。
<
A schematic configuration of
<座標の設定>
本実施の形態では、説明を容易にするために、以下に示す図においてXYZ座標を用い、+Z軸方向に光が進行するものとする。また、X軸中心の右回りの回転を+RX、Y軸中心の右回りの回転を+RY、Z軸中心の右回りの回転を+RZとする。
<Coordinate settings>
In this embodiment, for ease of explanation, XYZ coordinates are used in the figures shown below, and light travels in the +Z-axis direction. Further, clockwise rotation about the X-axis center is +RX, clockwise rotation about the Y-axis center is +RY, and clockwise rotation about the Z-axis center is +RZ.
<光源1a、光源1b>
光源1aおよび光源1bはX軸方向の発散角とY軸方向の発散角が異なる固体光源であり、例えば、レーザーダイオードである。ここで、光源1aおよび光源1bのXY平面を発光面とし、Y軸方向の辺がX軸方向の辺より長く、Y軸方向の発散角(±RX方向の角度)は、X軸方向の発散角(±RY方向の角度)より小さいものとする。例えば、光源1aおよび1bのY軸方向の長さは70μmであり、X軸方向の長さは1μmである。以下、発散角の小さいY軸方向を第1の方向、X軸方向を第2の方向とも呼ぶ。
<
The
<光源1a、光源1bの配光特性>
光源1aおよび光源1bから出射される光の配光特性を図3に示す。図3において縦軸は相対光強度(任意単位)を示し、横軸は、光の発散角度(°)を示す。実線で示す特性301は、X軸方向(±RY方向)に発散する光の配光特性を示しており、一点鎖線で示す特性302は、Y軸方向(±RX方向)に発散する光の配光特性を示している。上述したように、Y軸方向の発散角は、X軸方向の発散角よりも小さい。
<Light distribution characteristics of
FIG. 3 shows the light distribution characteristics of the light emitted from the
なお、破線303は相対光強度が1/e2となる位置、つまり相対光強度が約0.135の位置を示している。一般的にレーザーダイオードの発散角の仕様は、相対光強度が1/e2となる位置の角度で表示することが多く、光の拡がりの目安となる。ここでは、特性301の1/e2となる位置の角度は±約37°、特性302の1/e2となる位置の角度は±約5°となる。以降、光源1aおよび光源1bの発散角の範囲といった場合、相対光強度が1/e2となる位置を基準とした角度範囲を示すものとする。
Note that the
<光源1aと光源1bの間隔>
光源1aおよび光源1bは、例えば、中心波長638nmの赤色の光を発する。複数の光源を隣接配置して高出力化を行う際に、中心波長が例えば、450nmの青色の光を発する光源および中心波長が例えば、525nmの緑色の光を発する光源と比較して、赤色の光を発する光源は、温度に対して感度が高く、温度が高くなると発光効率の低下および波長シフトが発生する。従って、冷却を考慮すると、光源1aと光源1bの配列間隔、すなわち配列方向の間隔、本実施の形態ではY軸方向の間隔は、広い方が好ましい。しかし、一般的に光源1aと光源1bの配列間隔が拡がるに従って、光軸C1上の光利用効率が低下するため、光利用効率を向上させるためには、光源1aおよび光源1bは光軸C1の近くに配置されることが好ましい。
<Distance between
The
<光源1aと光源1bの間隔と光利用効率との関係>
光偏向素子2を配置しない場合、つまり、光源群1と平行化レンズ3のみの場合、光源1aから出射した光と光源1bから出射した光は、平行化レンズ3で屈折後、光軸C1を境に徐々に離れていく。そのため、平行化レンズ3の後段で集光レンズを配置し、複数の光源装置100から出射した光を光軸C1上に集光する際に、集光レンズの光軸C1上に集光する光の効率が低くなる。
<Relationship between the distance between the
When the
図4は、光線追跡の一例を示す図である。図4においては光源群1および平行化レンズ3のみで構成される光学系を示しており、光源群1および平行化レンズ3を含む領域“A”の拡大図を併せて示している。
FIG. 4 is a diagram showing an example of ray tracing. FIG. 4 shows an optical system composed only of the
図4に示されるように、光源1aの中央部から出射した光線401を実線で、光源1bの中央部から出射した光線402を一点鎖線で示す。なお、各光線のY軸方向の拡がりは、図3を用いて説明したように±5°とした。平行化レンズ3を出射した光線401および光線402は光源の配列方向において、徐々に光軸C1から離れる方向、より具体的には光線401は-Y軸方向、光線402は+Y軸方向に進行していることが確認できる。これにより、光源の配列方向において、光源群1からの光は光軸C1から離れていくこととなり、光軸C1上の光利用効率が低下することとなる。ここで、光軸C1から各光源の出射位置までの配列間隔を像高とすると、平行化レンズ3の焦点距離が短くなるほど、到達面、すなわち任意のZ軸方向位置での像高が高くなり、光軸C1から離れた位置に光線が到達することとなる。一方、光軸C1上を出射した光線は到達面でも光軸C1付近に到達する。ここで、付近とは、光源の発散角の影響により光線が±Y軸方向に幅を有するため、到達面には光軸C1と平行な光線も到達することとなり、±Y軸方向の幅を有することを鑑みて「付近」とした。
As shown in FIG. 4, a
<光偏向素子>
図5は光偏向素子2の作用を説明する概念図であり、図5を用いて光偏向素子2の特徴を説明する。光偏向素子2を光源1aと平行化レンズ3(図1)の間に配置することによって、光偏向素子2の偏向作用により光源1aの中央部から出射した光線501ccが光軸C1に対して+Y軸方向に角度α1を有して平行化レンズ3に入射させることが可能となる。角度α1で+Z軸方向に進行した光線が平行化レンズ3で光軸C1に対して平行な光線となって出射することにより、光軸C1上の光利用効率の低下を抑制できる。光源1bに対しても光軸C1を線対称にして同様に作用する。すなわち、光偏向素子2を配置することによって、光源1aおよび光源1bの中央部から出射した光軸C1と平行な光線を、屈折後に+Y軸方向および-Y軸方向に偏向させることにより、光軸C1から±Y軸方向に離れて配置された光源を光軸C1上あるいは、光軸C1方向に平行移動した位置に配置されたかのような振る舞いをさせることが可能となる。
<Light deflection element>
FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the action of the
例えば、図5に示されるように、光源1aのY軸方向長さy1aを70μmとし、光源1bのY軸方向長さy1bを70μmとし、光源1aの中央部と光軸C1とのY軸方向の間隔y1acを105μmとし、光源1aの-Y軸方向端部と光源1bの+Y軸方向端部の間隔y1cを140μmとし、光源1aの中央部と光源1bの中央部の間隔y1dを210μmとする。また、光源1aおよび光源1bの発光面と光偏向素子2の光入射面までの間隔D1を350μm、光偏向素子2の最小部分の厚みT1を280μmとする。また、光源1aの中央部から出射した光のうち光軸C1と平行な光線と光偏向素子2の光入射面との交点をP50とし、光源1aの中央部から出射した光のうち光軸C1と平行な光線と光偏向素子2の出射面側の交点をP51とした場合、P50とP51との間隔D2を約315μmとする。
For example, as shown in FIG. 5, the length y1a in the Y-axis direction of the
ここで、光偏向素子2の材質は例えば、HOYA株式会社のBSC7であり、波長638nmでの屈折率は約1.515である。
Here, the material of the
<光線の振る舞い>
図5に示されるように、光線501cuは光源1aの中央部から角度α2=-5°で出射した光線の軌跡を示し、光線501ccは光源1aの中央部から角度0°で出射した光線、すなわち、光軸C1と平行な光線の軌跡を示し、光線501cdは光源1aの中央部から角度α5=+5°で出射した光線の軌跡を示す。
<Behavior of light rays>
As shown in FIG. 5, the light ray 501cu shows the locus of the light ray emitted from the center of the
光線501ccは、光源1aの中央部を出射し、光偏向素子2に角度0°で入射する。光偏向素子2の出射面に到達後、屈折し、角度α1で+Z軸方向に進行する。角度α1はスネルの法則を用いて、以下の数式(1)で算出される。なお、角度は絶対値として計算する。
The light beam 501cc exits from the center of the
1.515×sin(|α8|)=sin(|α1|+|α8|)・・・(1)
ここで、光偏向素子2の出射面のXY平面に対するY軸方向(+RX方向)の傾き角度α8を+18.81°とすると、角度α1は以下の数式(2)で算出される。なお、角度は絶対値で計算する。
1.515×sin(|α8|)=sin(|α1|+|α8|)...(1)
Here, if the inclination angle α8 of the exit surface of the
1.515×sin(18.81°)=sin(|α1|+18.81°)・・・(2)
上記数式(2)より|α1|=10.43°となり、出射方向を考慮するとα1=-10.43°となる。なお、屈折率および角度を四捨五入により概略値として算出しているため、算出した角度において、誤差は生じる。
1.515×sin(18.81°)=sin(|α1|+18.81°)...(2)
From the above equation (2), |α1|=10.43°, and considering the emission direction, α1=−10.43°. Note that since the refractive index and angle are calculated as approximate values by rounding, errors occur in the calculated angle.
光線501cuは、光源1aの中央部を出射し、光偏向素子2に角度α2=-5°で入射する。入射した光は屈折し、角度α3となって光偏向素子2の出射面に進行する。光偏向素子2の出射面では、屈折後、角度α4で+Z軸方向に進行する。
The light ray 501cu exits from the center of the
角度α3は以下の数式(3)で算出される。なお、角度は絶対値で計算する。 The angle α3 is calculated using the following formula (3). Note that angles are calculated using absolute values.
sin(|α2|)=1.515×sin(|α3|)・・・(3)
上記数式(3)より|α3|=3.3°となり、出射方向を考慮するとα3=-3.3°となる。
sin(|α2|)=1.515×sin(|α3|)...(3)
According to the above formula (3), |α3|=3.3°, and considering the emission direction, α3=−3.3°.
角度α4は以下の数式(4)で算出される。なお、角度は絶対値で計算する。 The angle α4 is calculated using the following formula (4). Note that angles are calculated using absolute values.
1.515×sin(|α8|+|α3|)=sin(|α8|+|α4|)・・・(4)
数式(4)に既知の角度を代入すると以下の数式(5)となる。
1.515×sin(|α8|+|α3|)=sin(|α8|+|α4|)...(4)
Substituting the known angle into equation (4) results in equation (5) below.
1.515×sin(22.11°)=sin(18.81°+|α4|)・・・(5)
数式(5)より|α4|=15.96°となり、出射方向を考慮するとα4=-15.96°となる。
1.515×sin(22.11°)=sin(18.81°+|α4|)...(5)
From formula (5), |α4|=15.96°, and considering the emission direction, α4=−15.96°.
光線501cdは、光源1aの中央部を出射し、光偏向素子2に角度α5=+5°で入射する。入射した光は屈折し、角度α6となって光偏向素子2の出射面に進行する。光偏向素子2の出射面では、屈折後、角度α7で+Z軸方向に進行する。
The light ray 501cd exits from the center of the
角度α6は以下の数式(6)で算出される。なお、角度は絶対値で計算する。 The angle α6 is calculated using the following formula (6). Note that angles are calculated using absolute values.
sin(|α5|)=1.515×sin(|α6|)・・・(6)
数式(6)より|α6|=3.3°となり、出射方向を考慮すると、α6=+3.3°となる。
sin(|α5|)=1.515×sin(|α6|)...(6)
From formula (6), |α6|=3.3°, and considering the emission direction, α6=+3.3°.
角度α7は以下の数式(7)で算出される。なお、角度は絶対値で計算する。 The angle α7 is calculated using the following formula (7). Note that angles are calculated using absolute values.
1.515×sin(|α8|-|α6|)=sin(|α8|+|α7|)・・・(7)
数式(7)に既知の角度を代入すると以下の数式(8)となる。
1.515×sin(|α8|-|α6|)=sin(|α8|+|α7|)...(7)
Substituting the known angle into Equation (7) results in Equation (8) below.
1.515×sin(15.51°)=sin(18.81°+|α7|)・・・(8)
数式(8)より|α7|=5.09°となり、出射方向を考慮すると、α7=-5.09°となる。
1.515×sin(15.51°)=sin(18.81°+|α7|)...(8)
From equation (8), |α7|=5.09°, and considering the emission direction, α7=−5.09°.
光線501ddは、光源1aの-Y軸方向端部から出射した光軸C1と角度α5=+5度傾いた光線の軌跡を示している。光線501ddは、光利用効率を考慮すると、光軸C1と光偏向素子2の出射面との交点P52より+Y軸方向を通過することが好ましい。
A light ray 501dd shows a trajectory of a light ray that is emitted from the end of the
光線501ddは、角度α5=+5°で光源1aの-Y軸方向端部を出射後、光偏向素子2の光入射面に到達し、屈折後、角度α6=+3.3°で+Z軸方向に進行する。さらに光偏向素子2の出射面で屈折して角度α7=-5.09°で+Z軸方向に進行する。光線501ddと光偏向素子2の出射面側の交点P53が、点P52より+Y軸方向に位置することが光利用効率の観点から好ましい。なお、光線501cdと光線501ddは、平行な関係にある。なお、光源1bからの光については、光軸C1に対して光源1aからの光と線対称の関係になる。
The light ray 501dd exits the end of the
このように、光偏向素子2は、光源の配列方向において、光軸C1より+側に配置された光源、本実施の形態では、光源1aからの光に対しては、配光方向+側(+Y軸方向)に偏向して出射する機能、および光軸C1より-側に配置された光源、本実施の形態では、光源1bからの光に対しては、配光方向-側(-Y軸方向)に偏向して出射する機能を有する。これにより、見かけ上の光源1aおよび光源1bのY軸方向の位置を光軸C1方向に移動できる。その結果、見かけ上の光源全体のY軸方向の長さを短くできる。
In this way, the
<見かけ上の光源1aの位置>
光線501cu、光線501ccおよび光線501cdより、光源1aの中央部から出射した光線が平行化レンズ3に進行する際の光軸C1に対する角度を算出した。すなわち、平行化レンズ3に進行する光線501cu、光線501ccおよび光線501cdに関して、光偏向素子2を配置せずに同様の光線が出射されたと仮定した場合の-Z軸方向における光線の振る舞いを、図5においては光線502cu、光線502ccおよび光線502cdで表している。つまり、光線501cu、光線501ccおよび光線501cdに関して、-Z軸方向の構成をブラックボックス化した際の-Z軸方向での光線の振る舞いを光線502cu、光線502ccおよび光線502cdで表している。この処理により、光源1aの中央部が図5中のP54の位置に移動した場合と同様の光線の振る舞いをしていることが判る。
<Apparent position of
From the light ray 501cu, the light ray 501cc, and the light ray 501cd, the angle with respect to the optical axis C1 when the light ray emitted from the center of the
ここで、位置P54のY軸方向長さy1pは21μmであり、光源1aと位置P54のZ軸方向の間隔D3は214μmである。なお、光偏向素子2の影響により収差が発生するため、位置P54は概略位置となる。
Here, the length y1p in the Y-axis direction of the position P54 is 21 μm, and the distance D3 in the Z-axis direction between the
すなわち、光軸C1に対する実際の光源1aの像高がy1ac=105μmであるのに対し、光偏向素子2を挿入することにより、光軸C1に対する見かけ上の光源1aの像高である仮想像高y1pを21μmとすることが可能となる。つまり、平行化レンズ3を出射後の像高を1/5とすることが可能となる。このように、光偏向素子2を用いることにより、見かけ上の像高を低くすることが可能となる。これによって、光軸C1付近の光利用効率を向上させることが可能となる。
That is, while the actual image height of the
ここで、光源1aの中央部から出射する光線501ccの光偏向素子2を出射する角度α1に関しては、後段に配置される平行化レンズ3の小径化を考慮すると、できる限り小さいことが好ましい。平行化レンズ3は、XY平面から観察すると円形のため、Y軸方向に光線が移動すると、光源1aのX軸方向(±RY方向)への発散角が±37°であることを想定すると、平行化レンズ3に入射する光量が減少する可能性が高くなるからである。
Here, the angle α1 at which the light beam 501cc emitted from the center of the
また、上述したように、見かけ上の光源位置P54は、実際の光源位置よりも+Z軸方向に214μm移動している。これに伴い、平行化レンズ3の焦点距離を214μm短くする必要性が発生する。そのため、集光位置での光源像が少し大きくなる。例えば、6.5mmの焦点距離の平行化レンズが6.3mmの焦点距離の平行化レンズになった場合、像高が21μmの場合、平行化レンズ3から2000mm遠方の像高は、光偏向素子2がない場合の6.46mmから少し大きくなって、6.67mmとなる。つまり、1.03倍となる。しかし、このような倍率(1.03倍)の影響は、像高を低くする効果すなわち1/5倍にする効果に比べて十分小さいといえる。以下、算出式を示す。
Further, as described above, the apparent light source position P54 is moved by 214 μm in the +Z-axis direction from the actual light source position. Accordingly, it becomes necessary to shorten the focal length of the
6.5mmの焦点距離の場合、像高=21μm×2000mm/6.5mm≒6.46mmとなる。 In the case of a focal length of 6.5 mm, image height=21 μm×2000 mm/6.5 mm≈6.46 mm.
6.3mmの焦点距離の場合、像高=21μm×2000mm/6.3mm≒6.67mmとなる。 In the case of a focal length of 6.3 mm, image height=21 μm×2000 mm/6.3 mm≈6.67 mm.
<他の構成例>
例えば、図5に示す構成では、隣接する光源の端部間距離(間隔y1c)を140μmとしたが、間隔y1cを70μmとしても同様の効果が得られる。その場合、間隔D1を350μmから150μmとすることができる。
<Other configuration examples>
For example, in the configuration shown in FIG. 5, the distance between the ends of adjacent light sources (interval y1c) is 140 μm, but the same effect can be obtained even if the distance y1c is 70 μm. In that case, the distance D1 can be set from 350 μm to 150 μm.
この場合において、光源1aの-Y軸方向端部から角度α5で+Z軸方向に進行する光線、すなわち図5における光線501ddが、P52より+Y軸方向を進行するように、光偏向素子2の位置を+Z軸方向に移動させることができる。光源1aのY軸方向長さy1aが長くなった場合も同様に、光源1aの-Y軸方向端部から角度α5で+Z軸方向に進行する光線が、P52より-Y軸方向を進行する場合は、光偏向素子2の位置を-Z軸方向に移動させることができる。
In this case, the position of the
なお、光偏向素子2の材料を屈折率の高い硝子材等に変更することにより、間隔D1を長くすることは可能である。その際には、角度α8を変更する。例えば、光偏向素子2をHOYA株式会社のFD60で作製した場合、波長638nmでの屈折率は1.80となる。この場合、角度α1が10.43°となるように、角度α8を設定すればよく、具体的には角度α8を12.5°とすることができる。また、屈折率差によるバックフォーカス長の変化を考慮し、間隔D1を380μmとすることができる。なお、厳密には、光偏向素子2を+Z軸方向に移動、また角度α8を変更すると、見かけ上の光源位置P54のY軸方向およびZ軸方向位置が変わるため、その場合は平行化レンズ3のZ軸方向位置および焦点を変更する必要が生じる。なお、見かけ上の光源位置P54のY軸方向およびZ軸方向位置が変わらないように、間隔D1、光偏向素子2の最小部の厚みT1、また角度α8を設定すると、平行化レンズ3のZ軸方向位置および焦点を変更する必要がなくなる。
Note that it is possible to lengthen the distance D1 by changing the material of the
<ミラーでの代用>
ここで、例えば、光偏向素子2と同等の機能を2枚のミラーを用いて実現することができる。この場合、α1=10.43°とすると、ミラーを、光軸C1に対して±10.43/2≒5.22°傾ける。より具体的には、+Y軸側に配置される光源1aの光に対しては-5.22°、-Y軸側に配置される光源1bの光に対しては+5.22°傾ける。
<Substitute with mirror>
Here, for example, the same function as the
光源1aの発散角が±5°である場合、-5°で出射した光の一部はミラーに到達することなく平行化レンズ3に到達する可能性がある。これは、光源が配列方向であるY軸方向に長さを有することから、ミラーの幅、すなわちZ軸方向の長さを平行化レンズ3までの距離よりも長くしないと、光源の端部、例えば、+Y軸側に配置される光源1aであれば+Y軸方向の端部から出射した光がミラーに到達しない場合があるためである。
When the divergence angle of the
<実施の形態2:ミラーを用いた場合の一例>
図6は、実施の形態2として光偏向素子2をミラーで代用する場合の概略構成を示す。便宜上、図5と同様に光源1aの光線の振る舞いのみを示す。光源1aのY軸方向長さy1aは70μm、光源1aの中央部と光軸C1とのY軸方向の間隔y1acは105μmとし、図5の例と同一とする。角度α2、角度α5も図5の例と同様である。なお、ミラーMの傾き角α9は-8°とした。
<Embodiment 2: An example of using a mirror>
FIG. 6 shows a schematic configuration of a second embodiment in which the
光源1aの中央部から光軸C1に平行に出射する光線503ccは、ミラーMの反射面で反射された後、光軸C1に対して角度α11=-16°で+Z軸方向に進行する。光源1aの中央部から角度α2=-5°で出射する光線503cuは、ミラーMを反射後、光軸C1に対して角度α12=-11°(-(16°-5°))で+Z軸方向に進行する。光源1aの中央部から角度α5=+5°で出射する光線503cdは、ミラーMを反射後、光軸C1に対して角度α10=-21°(-(16°+5°))で+Z軸方向に進行する。
A light ray 503cc emitted from the center of the
また、図6において、-Z軸方向の光線の振る舞いとして、光源1aから光軸C1に平行な光線503ccに対応する光線を光線504cc、光源1aの中央部から角度α2=-5°で出射する光線503cuに対応する光線を光線504cu、光源1aの中央部から角度α5=+5°で出射する光線503cdに対応する光線を光線504cdで示す。図6に示すように、本構成では、見かけ上、位置P55cにある発光点から光線が出射しているような振る舞いをしていることが確認できる。また、光源1aの+Y軸方向の端部から出射される光に注目すると、光軸C1に平行に出射する光線503uc、角度α2=-5°で出射する光線503uu、角度α5=+5°で出射する光線503udについて、それぞれの-Z軸方向の光線を、光線504uc、504uu、504udで表すと、位置P55uにある発光点から出射しているような振る舞いをしていることが確認できる。
In addition, in FIG. 6, as for the behavior of the light ray in the -Z-axis direction, a light ray 504cc corresponding to the light ray 503cc parallel to the optical axis C1 is emitted from the
同様に、光源1aの-Y軸方向の端部から出射される光に注目すると、光軸C1に平行に出射する光線503dc、角度α2=-5°で出射する光線503du、角度α5=+5°で出射する光線503ddについて、それぞれの-Z軸方向の光線を、光線504dc、504du、504ddで表すと、位置P55dにある発光点から出射しているような振る舞いをしていることが確認できる。
Similarly, looking at the light emitted from the end of the
これらより、光源1aは、見かけ上、発光面がXY平面に対して角度α13=-16°傾いて配置されているように振る舞うこととなる。従って、後段に平行化レンズ3を配置して光軸C1に対して光線を平行光とする際に、発光面の傾きの影響により、-Y軸方向と+Y軸方向で光線幅が異なることとなり、発光面の傾きによる像ボケが発生する。ただし、平行化レンズ3を調整することにより像ボケの影響を低減できる。
As a result, the
ところで、ミラーMを用いて光源1aの集光効率を向上させる場合、以下の数式(9)を満たす場合が最も集光効果が高くなる。以下は、位置P55cを光軸C1上とする場合の条件式である。
By the way, when improving the light collection efficiency of the
y1ac/D4=sin(2×|α9|)・・・(9)
例えば、間隔y1ac=105μm、ミラーMの傾き角α9=-8°の場合、光源1aの中央部とミラーMの反射面との間隔D4は、約381μmとなる。なお、実装される間隔D4は例えば、381μm±10%(38μm)の誤差が許容される。
y1ac/D4=sin(2×|α9|)...(9)
For example, when the distance y1ac is 105 μm and the inclination angle α9 of the mirror M is −8°, the distance D4 between the center of the
なお、図6に示すように、ミラーMの傾き角α9が小さいと、光源1aの+Y軸方向端部、すなわち光軸C1から離れる方向の端部から外向き、すなわち光軸C1から離れる方向に角度α2で出射した光線503uuは、ミラーMに到達しにくい。このようにミラーMを用いた場合、見かけ上の像高を低くする効果ひいては光軸C1付近の光利用効率を向上させる効果は得られるが、ミラーMの角度精度が要求されると共に、次のような懸念がある。すなわち、図5の角度α1に相当する角度α11を大きくする必要があり、このため後段の平行化レンズ3の大径化あるいは、平行化レンズ3への到達効率が低下する懸念がある。
As shown in FIG. 6, when the tilt angle α9 of the mirror M is small, the
ただし、平行化レンズ3の大径化が許容されるのであれば、ミラーMによる光偏向素子2の代用も除外されない。ミラーMを用いることにより、光の進行方向を+Z軸方向から±X軸方向などに変えることができる。従って、ミラーMの傾きまたは光源1aおよび光源1bから平行化レンズまでの距離を調整することで、光軸上の光利用効率の低下を抑止するという効果に加えて、部品配置の自由度を向上できる。
However, if it is permissible to increase the diameter of the
ただし、±X軸方向などに光の進行方向を変更する場合は、ミラー面が2軸に傾くため、ミラーの回転中心によって出射する光線の傾向が変化する。図6とは異なり、ミラー反射後は反射前の光線の拡がりを維持することなく、X軸方向に進行することとなる。 However, when changing the traveling direction of light, such as in the ±X-axis directions, the mirror surface is tilted in two axes, so the tendency of the emitted light rays changes depending on the rotation center of the mirror. Unlike in FIG. 6, after reflection by the mirror, the light beam does not maintain its spread before reflection and travels in the X-axis direction.
<実施の形態1および実施の形態2に適用する平行化レンズ>
実施の形態1において平行化レンズ3は、光偏向素子2から出射した光を光軸C1に対して平行な光とする。平行化レンズ3は例えば、非球面形状で形成されている。非球面形状は、X軸方向とY軸方向で形状が異なるトロイダル形状とすることができる。また、光入射面は凸形状とすることもでき、凹形状とすることもできる。
<Collimating lens applied to
In the first embodiment, the
実施の形態2において、平行化レンズ3は、ミラーMで反射した光を光軸C1に対して平行な光とする。平行化レンズ3は例えば、非球面形状で形成されている。非球面形状は、X軸方向とY軸方向で形状が異なるトロイダル形状とすることができる。また、光入射面は凸形状とすることもでき、凹形状とすることもできる。
In the second embodiment, the
また、光源1aの中央部および光源1bの中央部から出射した光線に対して、光軸C1に対して平行な光とすることが好ましい。これにより、光線の到達位置では、光軸C1付近に光源1aの中央部および光源1bの中央部から出射した光線が到達し、到達した光源像を最も小さくすることが可能となる。
Furthermore, it is preferable that the light rays emitted from the central portion of the
<実施の形態1の光偏向素子の光線追跡結果>
図7は実施の形態1における光源1aから出射した光線の光線追跡結果を示す図である。図7においては光源群1および光偏向素子2を含む領域“B”の拡大図と、平行化レンズ3の出射面の領域“C”の拡大図を併せて示している。なお、光源1aから光偏向素子2の位置関係等は図5に準じる。また、光偏向素子2の+Z軸方向側に平行化レンズ3を配置している。平行化レンズの焦点距離は約6.5mmである。
<Results of ray tracing of the optical deflection element of
FIG. 7 is a diagram showing the ray tracing results of the light rays emitted from the
図7の領域“B”の拡大図に示されるように、光源1aからは、±5°の拡がりを持った光線が+Z軸方向に出射している。光源1aの+Y軸方向端部から出射した光線601u、光源1aの中央部から出射した光線601c、光源1aの-Y軸方向端部から出射した光線601dの光線追跡結果を示している。
As shown in the enlarged view of region "B" in FIG. 7, light rays with a spread of ±5° are emitted from the
図7の領域“C”の拡大図に示されるように、平行化レンズ3を出射する光線601u、光線601c、光線601dは、概ね光軸C1と平行な光線となっている。
As shown in the enlarged view of region "C" in FIG. 7, the
<実施の形態1および実施の形態2の効果の確認>
図8は、実際に光源1aから出射される光線の光軸C1に対する傾き角度を説明する図である。なお、平行化レンズ3は仮想の薄肉レンズ703とし、焦点距離F7は6.5mmである。光源1aの中央部が光軸C1に位置するように光源1aを移動した場合を仮定している。図8では、光源1aの+Y軸方向端部から出射した光線701uおよび光源1aの-Y軸方向端部から出射した光線701dの光線の振る舞いを示す。薄肉レンズ703を出射した光線701uおよび光線701dの光軸C1に対する角度βuおよび角度-βdは、以下の数式(10)で表される。
<Confirmation of effects of
FIG. 8 is a diagram illustrating the inclination angle of the light beam actually emitted from the
βu=-βd=atan((y1a/2)/F7)
=atan(35μm/6500μm)
≒0.31°・・・(10)
角度βuおよび角度βdの結果から、光源1aの中央部から出射した光線が角度0°、光源1aの+Y軸方向端部から出射した光線701uおよび-Y軸方向端部から出射した光線701dが、角度0.31°で平行化レンズ3を出射する場合、光源1aが光軸C1から出射していると仮定できる。
βu=-βd=atan((y1a/2)/F7)
= atan (35μm/6500μm)
≒0.31°...(10)
From the results of angle βu and angle βd, the angle of the light ray emitted from the center of the
上記仮定を検証するため、図5の構成を用いて逆光線追跡を行った結果を図9に示す。図9においては光源群1および光偏向素子2を含む領域“D”の拡大図と、平行化レンズ3の出射面の領域“E”の拡大図を併せて示している。ここでは、平行化レンズ3の+Z軸方向から-Z軸方向に進行する光線の逆光線追跡を行い、結像位置を確認することにより、上記仮定を確認する。
In order to verify the above assumption, FIG. 9 shows the results of reverse ray tracing using the configuration shown in FIG. FIG. 9 shows an enlarged view of a region "D" including the
図9では、実施の形態1における光線801u、光線801c、光線801dの逆光線追跡結果を示しており、光線801dは、光軸C1に対して-0.31°の角度を有して平行化レンズ3に入射し、光線801cは、光軸C1に対して平行で平行化レンズ3に入射し、光線801uは、光軸C1に対して+0.31°の角度を有して平行化レンズ3に入射している。
FIG. 9 shows the back ray tracing results of the
光源1a上の光線を確認すると、光線801uは、光源1aの+Y軸方向端部に集光(結像)し、光線801cは、光源1aの中央部に集光(結像)し、光線801dは、光源1aの-Y軸方向端部に集光(結像)していることが確認できる。つまり、光偏向素子2を挿入することにより、光源1aが光軸C1上にある場合と同様の光線の振る舞いをしていることが確認できる。このように、光偏向素子2を用いることで、光軸C1付近の光利用効率が向上する効果が得られる。
When checking the light rays on the
なお、上記では、光線801cがY軸方向において光源1aの中央部に集光する例であるが、平行化レンズ3の+Z軸方向側から平行光を入射した場合の平行化レンズ3および光偏向素子2を含む光学系による平行光の集光位置は、光源1aおよび光源1bの各々の発光面に厳密に位置してなくともよい。すなわち光源1aおよび光源1bの各々の中央部とは、光源1aの場合、Y軸方向において、中心から±y1a/3の範囲内、かつZ軸方向において、光源1aの発光面から±30μm、より好ましくは±10μm以下を含んでもよい。
In the above example, the
ここで、図5に示したように、位置P54のY軸方向位置が光源1aの像高位置となるが、図9では光源1aの中央部が光軸C1上に位置するような光線の振る舞いをしている。これは、平行化レンズ3に+Z軸方向から光軸C1と平行な光線を入射させた際に、位置P54で光線が集中するように平行化レンズ3の形状を設定しているためである。平行化レンズ3の焦点位置は位置P54より-Z軸方向となるが、光軸C1に光源1aの中央部が配置されている光線の振る舞いをさせることが可能となる。
Here, as shown in FIG. 5, the position P54 in the Y-axis direction is the image height position of the
<実施の形態1の平行化レンズの特徴>
図10は、平行化レンズ3の+Z軸方向から光軸C1と平行な光線を入射させた場合の逆光線追跡結果を示す図である。図10においては光源群1を含む領域“F”の拡大図を併せて示している。図10に示されるように、平行化レンズ3の集光点P80は、光源1aより+Z軸方向側かつ光軸C1より+Y軸方向側であることが判る。また、平行化レンズ3の焦点位置P80fは、集光点P80より-Z軸方向側であることが判る。焦点位置P80fが光源1aより+Z軸側に位置するのは、光学素子である光偏向素子2の影響により、平行化レンズ3のバックフォーカスが短くなるからである。また、光線を偏向したことによる角度α1の影響もあると考えられる。なお、図10の例では集光点P80と焦点位置P80fのZ軸方向の間隔は約140μmである。
<Characteristics of the collimating lens of
FIG. 10 is a diagram showing the results of reverse ray tracing when a ray parallel to the optical axis C1 is incident on the
図10において、平行化レンズ3の+Z軸側から平行光束を-Z軸方向に入射した場合の集光点P80上および、焦点位置P80f上の照度分布を、それぞれ図11および図12に示す。図11および図12では、横軸にX軸(mm)を、縦軸にY軸(mm)を示し、光の強度を5階調に分けて表している。なお、最も明るい白色が強度100%を表している。
In FIG. 10, the illuminance distributions on the condensing point P80 and on the focal point P80f when a parallel light beam is incident in the −Z-axis direction from the +Z-axis side of the
図11に示されるように、集光点P80上では中心が空洞化したリング状の照度分布となっており、半径20μmの領域付近において強度が強くなっていることが判る。また、図12に示されるように、焦点位置P80f上では、同心円状の照度分布となって小さな集光スポットが形成されて、焦点位置となっていることが判る。 As shown in FIG. 11, on the condensing point P80, there is a ring-shaped illuminance distribution with a hollow center, and it can be seen that the intensity is strong near an area with a radius of 20 μm. Further, as shown in FIG. 12, it can be seen that on the focal position P80f, a concentric illuminance distribution is formed and a small condensed spot is formed, which is the focal position.
このように、焦点位置より+Z軸方向側において、リング状の光強度の強い領域を形成することにより、仮想光源位置が+Y軸側に位置していても、光軸C1から出射した場合と同様の光線の振る舞いをさせることが可能となる。 In this way, by forming a ring-shaped region with strong light intensity on the +Z-axis direction side from the focal point position, even if the virtual light source position is located on the +Y-axis side, it is the same as when emitted from the optical axis C1. It becomes possible to make the rays behave as follows.
なお、実施の形態1では、光偏向素子2の光出射側に光偏向用の光学面21および22を設けているが、光入射側に光偏向用の光学面21および22を設けた場合も同様の効果が得られる。なお、リング状の光強度の強い領域を形成しなくとも、光軸C1上の光利用効率を向上させる効果は得られる。また、図6に示した実施の形態2のミラーMを用いた構成においても、リング状の照度分布を形成することができる。
In the first embodiment, the
<実施の形態2のミラーを用いた場合の特徴>
図6に示した実施の形態2のミラーMを用いた構成の逆光線追跡を行った結果を図13に示す。図13においては光源群1およびミラーMを含む領域“G”の拡大図と、平行化レンズ3の出射面の領域“F”の拡大図を併せて示している。
<Characteristics when using the mirror of
FIG. 13 shows the results of reverse ray tracing of the configuration using the mirror M of the second embodiment shown in FIG. FIG. 13 shows an enlarged view of a region "G" including the
図13では、平行化レンズ3の+Z軸方向から光線1101u、光線1101c、光線1101dを入射させた場合の逆光線追跡結果を示している。なお、光線1101uは、光軸C1に対して角度-0.31°で平行化レンズ3に入射し、光線1101cは、光軸C1に対して平行で平行化レンズ3に入射し、光線1101dは、光軸C1に対して角度+0.31°で平行化レンズ3に入射している。
FIG. 13 shows the results of reverse ray tracing when a
図13より、光線1101uは、光源1aの+Y軸方向端部に集光(結像)し、光線1101cは、光源1aの中央部に集光(結像)し、光線1101dは、光源1aの-Y軸方向端部に集光(結像)していることが判る。
From FIG. 13, the
また、光線1101uは、光線1101cの集光位置と比較して-Z軸方向に集光していることが判る。また、光線1101dは、光線1101cの集光位置と比較して+Z軸方向に集光していることが判る。つまり、光偏向素子2を用いた場合と比較して、Y軸方向の集光位置がZ軸方向にずれるため、光源1aから出射する光線において、平行化レンズ3出射後の任意の到達面での光線幅がY軸方向で不均一となることが判る。
It can also be seen that the
<実施の形態1および実施の形態2の光偏向素子とミラーとの比較>
実施の形態1の図5の構成を用いて逆光線追跡を行った結果である図9、および実施の形態2の図6の構成を用いて逆光線追跡を行った結果である図13において、光源1aから2000mm遠方における評価面(XY平面)における、光源1aから出射した光の照度分布を図14~図16に示す。なお、光源1aの発散角は、図3より、X軸方向(RY方向)の1/e2は±約37°、Y軸方向(RX方向)の1/e2は±約5°とした。図14~図16においては、横軸にX軸(mm)を、縦軸にY軸(mm)を示し、光の強度を5階調に分けて表している。なお、最も明るい白色が強度100%を表している。
<Comparison between the optical deflection element and mirror of
In FIG. 9, which is the result of performing reverse ray tracing using the configuration shown in FIG. 5 of the first embodiment, and FIG. 13, which is the result of performing reverse ray tracing using the configuration shown in FIG. FIGS. 14 to 16 show the illuminance distribution of the light emitted from the
図14は光偏向素子2を用いた実施の形態1の場合、図15はミラーMを用いた実施の形態2の場合の光の照度分布を示している。図14より、Y軸方向において光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%(最大光強度を100%として80%)以上の領域が-8.4mmから+10.1mm(18.5mm)の範囲に均一に光が到達していることが判る。また、光強度が最大光強度を100%として20%以上の領域は、-10.3mmから+12.3mm(22.6mm)の範囲であることが判る。これより、20%以上の光強度の領域に対する80%以上の均一な領域のY軸方向の範囲の比率は、は約81.9%(18.5mm/22.6mm)となる。
14 shows the illuminance distribution of light in the case of the first embodiment using the
また、図8に示した構成において、焦点距離F7を6.5mm、仮想の薄肉レンズ703(平行化レンズ3)から評価面までの距離を1993.5mmとすると、光源1aの像高は以下の数式(11)で表される。
Furthermore, in the configuration shown in FIG. 8, if the focal length F7 is 6.5 mm and the distance from the virtual thin lens 703 (collimating lens 3) to the evaluation surface is 1993.5 mm, the image height of the
(y1a/2)×(1993.5mm/6.5mm)=10.7mm・・・(11)
図14の照度分布によれば、Y軸方向の照度範囲は20%以上の光強度の領域から+側が+10.7mmに少し収まっていないが、-側は-10.7mmに収まっている。また、80%以上の光強度の領域が±10.7mmに収まっており、20%以上の光強度の領域に対する80%の光強度の領域のY軸方向の範囲の比率を考慮すると光軸C1上に光源1aがある場合と概ね同等の結果が得られていると考えられる。
(y1a/2)×(1993.5mm/6.5mm)=10.7mm...(11)
According to the illuminance distribution in FIG. 14, the illuminance range in the Y-axis direction is slightly below +10.7 mm on the + side from the region of light intensity of 20% or more, but is within -10.7 mm on the - side. Furthermore, the area with a light intensity of 80% or more is within ±10.7 mm, and considering the ratio of the range in the Y-axis direction of the area with a light intensity of 80% to the area with a light intensity of 20% or more, the optical axis C1 It is considered that almost the same results as in the case where the
一方、図15より、Y軸方向の照度分布は、Y軸方向において、80%以上の光強度の領域が-9.3mmから-6.9mm(2.4mm)の範囲であることが判る。光強度が高い領域が光軸C1から離れた位置にあることが判る。また、80%以上の光強度の領域の範囲が狭いことから、光強度の強い光が集中していることが判る。さらに、20%以上の光強度は、-10.2mmから+12.8mm(22.8mm)の範囲であることが判る。40%以上の光強度が±10.7mmの範囲に収まっていることから、±10.7mmに概ね収まっていると考えられる。これにより、光軸C1付近の光利用効率の向上効果は確認できるものの、光軸C1上の光強度はピーク位置と比較すると低く、見かけ上の光源1aが傾いていることが影響していると考えられる。
On the other hand, from FIG. 15, it can be seen that the illuminance distribution in the Y-axis direction has a region of 80% or more light intensity in the range of -9.3 mm to -6.9 mm (2.4 mm). It can be seen that the region with high light intensity is located away from the optical axis C1. Furthermore, since the range of the region with the light intensity of 80% or more is narrow, it can be seen that the light with high light intensity is concentrated. Furthermore, it can be seen that the light intensity of 20% or more is in the range of -10.2 mm to +12.8 mm (22.8 mm). Since 40% or more of the light intensity is within the range of ±10.7 mm, it is considered that the range is approximately within ±10.7 mm. As a result, although the effect of improving light utilization efficiency near the optical axis C1 can be confirmed, the light intensity on the optical axis C1 is lower than the peak position, and it is thought that the apparent tilting of the
図16は、比較例として光偏向素子2およびミラーMを配置しない図4の構成の場合の照度分布を示す図である。図16より、Y軸方向において光軸C1上を0mmとした場合、20%以上の光強度の領域が、-42.7mmから-20.7mm(22.0mm)の範囲に概ね均一に光が到達していることが判る。つまり、光軸C1上には光線が到達していないことが判る。以上からも、光偏向素子2またはミラーMを用いることで、光軸C1上の光利用効率が向上する効果が確認できる。つまり、実施の形態1および実施の形態2の光軸C1上の光利用効率向上の効果が判る。
FIG. 16 is a diagram showing the illuminance distribution in the case of the configuration of FIG. 4 in which the
また、光源1aおよび光源1bの両方を点灯させた場合の光源1aおよび光源1bから2000mm遠方における評価面における光の照度分布を図17~図19に示す。なお、光源1aおよび光源1bの発散角は、何れも図3より、X軸方向(RY方向)の1/e2は±約37°、Y軸方向(RX方向)の1/e2は±約5°とした。図17~図19においては、横軸にX軸(mm)を、縦軸にY軸(mm)を示し、光の強度を5階調に分けて表している。なお、最も明るい白色が強度100%を表している。
Further, FIGS. 17 to 19 show the illuminance distribution of light on the evaluation surface at a distance of 2000 mm from the
図17は光偏向素子2を用いた実施の形態1の場合、図18はミラーMを用いた実施の形態2の場合、図19は実施の形態2のミラーMを用いて平行化レンズ3の焦点位置を+Z軸方向に15μm移動した場合の照度分布を示している。
17 shows the case of the first embodiment using the
図17より、Y軸方向において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-8.9mmから+8.9mm(17.8mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-11.5mmから+11.6mm(23.1mm)の範囲であることが判る。これより、20%以上の光強度の領域に対する80%以上の均一な領域のY軸方向の範囲の比率は、約77.1%(17.8mm/23.1mm)となる。つまり、約77.1%の範囲で、ピークの山がなく光強度が均一に分布していることが判る。 From FIG. 17, in the Y-axis direction, when the optical axis C1 is 0 mm, the area where the light intensity is 80% or more is uniformly illuminated in the range of -8.9 mm to +8.9 mm (17.8 mm). It can be seen that has been reached. Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of -11.5 mm to +11.6 mm (23.1 mm). From this, the ratio of the range in the Y-axis direction of the 80% or more uniform region to the 20% or more light intensity region is approximately 77.1% (17.8 mm/23.1 mm). In other words, it can be seen that within a range of approximately 77.1%, the light intensity is uniformly distributed without any peaks.
図18より、基準位置(光軸C1位置)に対して+Y軸側と-Y軸側に2つのピーク位置が存在しており、図15に比べて光軸C1を中心とした不均一さが低減されていることが判る。Y軸方向において、光強度が80%以上の領域が-9.4mmから-5.5mm(3.9mm)の範囲および+5.6mmから+9.3mm(3.7mm)の範囲で2つあることが判る。また、光強度が20%以上の領域が-12.0mmから+12.0mm(24.0mm)の範囲であることが判る。 From FIG. 18, there are two peak positions on the +Y-axis side and the -Y-axis side with respect to the reference position (optical axis C1 position), and compared to FIG. 15, the nonuniformity around the optical axis C1 is It can be seen that it has been reduced. In the Y-axis direction, there are two areas where the light intensity is 80% or more in the range of -9.4 mm to -5.5 mm (3.9 mm) and the range of +5.6 mm to +9.3 mm (3.7 mm). I understand. It can also be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of -12.0 mm to +12.0 mm (24.0 mm).
また、図19では、光強度が80%以上の領域が-2.7mmから+2.7mm(5.4mm)の範囲であることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-10.8mmから+10.7mm(21.5mm)の範囲であることが判る。これより、20%以上の光強度の領域に対する80%以上の光強度が高い領域のY軸方向の範囲の比率は、は約25.1%(5.4mm/21.5mm)となる。つまり、約25.1%の範囲に光強度が80%以上の領域が集中しており、光軸C1上の光利用効率が高いことが判る。換言すると、光軸C1上の光強度が強くなっており、光軸C1方向の光利用効率を図18の場合より向上させることが可能となることが判る。これは、平行化レンズ3の設計を工夫し、逆光線追跡した光線1101uが、図13に示す光源1aの+Y軸方向端面付近に集光するようにすることで、光軸C1方向の光利用効率を向上させることが可能となることを意味する。ここで、逆光線追跡した光線1101uが光源1aの+Y軸方向端面付近に集光するとは、換言すれば、図13の集光位置(平行化レンズ3の焦点位置)が+Z軸方向に移動することを意味している。
Further, in FIG. 19, it can be seen that the region where the light intensity is 80% or more is in the range of −2.7 mm to +2.7 mm (5.4 mm). Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of -10.8 mm to +10.7 mm (21.5 mm). From this, the ratio of the range in the Y-axis direction of the region where the light intensity is 80% or more to the region where the light intensity is 20% or more is about 25.1% (5.4 mm/21.5 mm). In other words, the area where the light intensity is 80% or more is concentrated in a range of about 25.1%, indicating that the light utilization efficiency on the optical axis C1 is high. In other words, it can be seen that the light intensity on the optical axis C1 is stronger, and it is possible to improve the light utilization efficiency in the optical axis C1 direction than in the case of FIG. 18. This improves the light utilization efficiency in the optical axis C1 direction by devising the design of the
なお、図19はミラーMを用いて平行化レンズ3の焦点位置を+Z軸方向に15μm移動した例であるが、図18相当以上の光軸C1上の光利用効率とする構成としては、平行化レンズ3の焦点位置を+Z軸方向に15μm±15μm移動した構成でもよい。
Although FIG. 19 shows an example in which the focal position of the
また、光強度が80%以上の領域においてY軸方向の幅を確認すると、図19が5.4mm(±2.7mm)、図17が17.8mm(±8.9mm)となる。従って、反射型の光偏向素子であるミラーMを用いた図19が透過型の光偏向素子2を用いた図17より光軸C1上の光利用効率が高い。なお、図17はミラーMの反射率による光損失がないため、全体として光利用効率が高く、評価面上での光利用効率が高い。
Further, when confirming the width in the Y-axis direction in a region where the light intensity is 80% or more, the width in FIG. 19 is 5.4 mm (±2.7 mm), and the width in FIG. 17 is 17.8 mm (±8.9 mm). Therefore, the light utilization efficiency on the optical axis C1 is higher in FIG. 19 using the mirror M which is a reflection type optical deflection element than in FIG. 17 using the transmission type
以上より、実施の形態1において好適に設計された光偏向素子2を用いることで、20%以上の光強度の領域に対する80%以上の光強度が高い領域のY軸方向の範囲の比率を75%以上とすることができ、光軸C1上の光利用効率を高めつつ、均一な光を光軸C1上に集めることができる。一例として、光強度均一素子、例えば、ロッドレンズおよびライトパイプにおいて、素子内の反射回数を減らせるため、光学系のサイズ(長さ)を短くすることが可能となる。また、実施の形態2において好適に設計されたミラーMを含む光学系を用いることで、20%以上の光強度の領域に対する80%以上の光強度が高い領域のY軸方向の範囲の比率を30%以下とすることができ、光軸C1上の光利用効率をさらに高めることができる。一例として、光強度均一素子、例えば、ロッドレンズおよびやライトパイプの開口サイズが小さい場合に、高い光利用効率で光学系に取り込むことが可能となる。
From the above, by using the
ここで、好適に設計されたミラーMを含む光学系の例としては、上述のように平行化レンズ3の焦点位置を調整したものが含まれる。平行化レンズ3の焦点位置の調整方法としては、平行化レンズ3を+Z軸方向に移動する、あるいは光源群を-Z軸方向に移動する方法が挙げられる。
Here, an example of an optical system including a suitably designed mirror M includes one in which the focal position of the
<実施の形態3:光偏向素子の反転配置の例>
図20は実施の形態3の光源装置2101の概略構成を示す図である。図1の光源装置100とは光偏向素子2の構成および平行化レンズ3のZ軸方向位置が異なる点以外は実施の形態1と同様のため、説明を適宜省略する。実施の形態3の光偏向素子212においては、入射した光を偏向する光偏向用の光学面2121および2122を-Z軸方向側に有している点で図1の構成と異なる。光学面2121および2122は、平行化レンズ3の中心を通る光軸C1に向けて共に傾斜している。
<Embodiment 3: Example of inverted arrangement of optical deflection elements>
FIG. 20 is a diagram showing a schematic configuration of a
<実施の形態3の光偏向素子212>
光偏向素子212の作用を説明する概念図を図21に示す。光源1a、光源1b、間隔y1d、間隔y1ac、間隔y1c、長さy1a、長さy1bは図5と同様のため説明を省略する。光偏向素子212の最小部分の厚みT1は、図5と同じ280μmとする。また、光源1aと光偏向素子212の凹部との間隔D1aは、520μmとする。ここで、光偏向素子212の材質は例えば、HOYA株式会社のBSC7であり、波長638nmでの屈折率は約1.515である。
<
A conceptual diagram illustrating the action of the
また、光偏向素子2(図1)および光偏向素子212の製造方法において、例えば、+Y軸方向側を切削と研磨により作製し、光軸C1を含むZX平面を接着界面として接合してもよい。つまり、2つの同形状の台形状四角柱の素子を接合して1つの光偏向素子2あるいは光偏向素子212としてもよい。なお、接合を用いずに、成型により光偏向素子2あるいは光偏向素子212を作製してもよい。
In addition, in the manufacturing method of the optical deflection element 2 (FIG. 1) and the
<実施の形態3の光線の振る舞い>
光線2101uuは光源1aの+Y軸方向端部から角度α2=-5°で出射した光線の軌跡を示し、光線2101ucは光源1aの+Y軸方向端部から角度0°で出射した光線、すなわち、光軸C1と平行な光線の軌跡を示し、光線2101udは光源1aの+Y軸方向端部から角度α5=+5°で出射した光線の軌跡を示す。
<Behavior of light rays in
The light ray 2101uu shows the locus of the light ray emitted from the end of the
光線2101cuは光源1aの中央部から角度α2=-5°で出射した光線の軌跡を示し、光線2101ccは光源1aの中央部から角度0°で出射した光線、すなわち、光軸C1と平行な光線の軌跡を示し、光線2101cdは光源1aの中央部から角度α5=+5°で出射した光線の軌跡を示す。
A light ray 2101cu indicates a trajectory of a ray emitted from the center of the
光線2101duは光源1aの-Y軸方向端部から角度α2=-5°で出射した光線の軌跡を示し、光線2101dcは光源1aの-Y軸方向端部から角度0°で出射した光線、すなわち、光軸C1と平行な光線の軌跡を示し、光線2101ddは光源1aの-Y軸方向端部から角度α5=+5°で出射した光線の軌跡を示す。
The light ray 2101du shows the locus of the light ray emitted from the end of the
<光線2101cu、光線2101cc、光線2101cdの軌跡>
光線2101uu、光線2101duの軌跡において、光線2101cuの光線が光偏向素子212に入射して進行する角度α2a、また、光偏向素子212を出射して進行する角度α2bが等しいため、光線2101cuの光の軌跡に関してのみ説明する。また、光線2101uc、光線2101dcは光線2101ccの光線が光偏向素子212に入射して進行する角度α1a、また、光偏向素子212を出射して進行する角度α1bが等しいため、光線2101ccの光の軌跡に関してのみ説明する。そして、光線2101ud、光線2101ddは、光線2101cdの光線が光偏向素子212に入射して進行する角度α5a、また、光偏向素子212を出射して進行する角度α5bが等しいため、光線2101cdの光の軌跡に関してのみ説明する。
<Trajectories of ray 2101cu, ray 2101cc, and ray 2101cd>
In the trajectory of the light ray 2101uu and the light ray 2101du, the angle α2a at which the light ray 2101cu enters the
<光線2101cuの振る舞い>
光線2101cuは、光源1aの中央部から角度α2=-5°で出射した後、光偏向素子212で屈折してα2aで+Z軸方向に進行する。角度α2aはスネルの法則を用いると、以下の数式(12)で算出される。なお、角度は絶対値で計算する。
<Behavior of ray 2101cu>
The light ray 2101cu is emitted from the center of the
sin(|α8|-|α2|)=1.515×sin(|α8|-|α2a|)・・・(12)
α8を例えば、+18.81°とすると、α2a=-9.74°となる。なお、計算誤差が生じること等は実施の形態1と同じであり、以下の計算においても同じである。
sin(|α8|-|α2|)=1.515×sin(|α8|-|α2a|)...(12)
For example, if α8 is +18.81°, α2a=−9.74°. Note that the occurrence of calculation errors is the same as in the first embodiment, and is also the same in the following calculations.
光偏向素子212内を進行した光線2101cuは、光偏向素子212の出射面で屈折し、角度α2bで+Z軸方向に進行する。角度α2bは、以下の数式(13)で算出される。なお、角度は絶対値で計算する。
The light beam 2101cu that has traveled inside the
1.515×sin(|α2a|)=sin(|α2b|)・・・(13)
α2a=-9.74°として計算すると、α2b=-14.85°となる。
1.515×sin(|α2a|)=sin(|α2b|)...(13)
If α2a=-9.74°, then α2b=-14.85°.
<光線2101ccの振る舞い>
光線2101ccは、光源1aの中央部から角度0°で出射した後、光偏向素子212で屈折してα1aで+Z軸方向に進行する。α1aは以下の数式(14)で算出される。なお、角度は絶対値で計算する。
<Behavior of 2101cc light beam>
The light beam 2101cc is emitted from the center of the
sin(|α8|)=1.515×sin(|α8|-|α1a|)・・・(14)
α8を例えば、+18.81°とすると、α1a=-6.52°となる。
sin(|α8|)=1.515×sin(|α8|-|α1a|)...(14)
For example, if α8 is +18.81°, α1a=−6.52°.
光偏向素子212内を進行した光線2101ccは、光偏向素子212の出射面で屈折し、角度α1bで+Z軸方向に進行する。角度α1bは、以下の数式(15)で算出される。なお、角度は絶対値で計算する。
The light beam 2101cc that has traveled inside the
1.515×sin(|α1a|)=sin(|α1b|)・・・(15)
α1a=-6.52°として計算すると、α1b=-9.91°となる。
1.515×sin(|α1a|)=sin(|α1b|)...(15)
If α1a=-6.52°, then α1b=-9.91°.
<光線2101cdの振る舞い>
光線2101cdは、光源1aの中央部から角度α5=+5°で出射した後、光偏向素子212で屈折してα5aで+Z軸方向に進行する。α5aは以下の数式(16)で算出される。なお、角度は絶対値で計算する。
<Behavior of ray 2101cd>
The light ray 2101cd exits from the center of the
sin(|α8|+|α5|)=1.515×sin(|α8|-|α2a|)・・・(16)
α8を例えば、+18.81°とすると、α5a=-3.36°となる。
sin(|α8|+|α5|)=1.515×sin(|α8|-|α2a|)...(16)
For example, if α8 is +18.81°, α5a=−3.36°.
光偏向素子212内を進行した光線2101cdは、光偏向素子212の出射面で屈折し、角度α5bで+Z軸方向に進行する。角度α5bは、以下の数式(17)で算出される。なお、角度は絶対値で計算する。
The light beam 2101cd that has traveled inside the
1.515×sin(|α5a|)=sin(|α5b|)・・・(17)
α5a=-3.36°として計算すると、α5b=-5.09°となる。
1.515×sin(|α5a|)=sin(|α5b|)...(17)
If α5a=−3.36°, then α5b=−5.09°.
<見かけ上の光源1aの位置>
光線2101cu、光線2101ccおよび光線2101cdより、光源1aの中央部から出射した光線が平行化レンズ3に進行する際の光軸C1に対する角度を算出した。ここで、平行化レンズ3に進行する光線2101cu、光線2101ccおよび光線2101cdに関して、光偏向素子212を配置せずに同様の光線が出射されたと仮定した場合の-Z軸方向における光線の振る舞いを、図21においては破線で表している。つまり、光線2101cu、光線2101ccおよび光線2101cdに関して、-Z軸方向の構成をブラックボックス化した際の-Z軸方向での光線の振る舞いを破線で表している。光源1aの+Y軸方向端部から出射した光線2101uu、光線2101uc、光線2101udに関しても同様である。また、光源1aの-Y軸方向端部から出射した光線2101du、光線2101dc、光線2101ddに関しても同様である。この処理により、光源1aの中央部が図21中のP21cの位置に移動した場合、光源1aの+Y軸方向端部が図21中のP21uの位置に移動した場合、光源1aの-Y軸方向端部が図21中のP21dの位置に移動した場合、と同様の光線の振る舞いをしていることが判る。
<Apparent position of
From the light ray 2101cu, the light ray 2101cc, and the light ray 2101cd, the angle with respect to the optical axis C1 at which the light ray emitted from the center of the
このように、実施の形態3の光偏向素子212は、図5と同様に光源の配列方向において、光軸C1より+側に配置された光源、すなわち光源1aからの光に対しては、配光方向+側(+Y軸方向)に偏向して出射する機能、および光軸C1より-側に配置された光源、すなわち光源1bからの光に対しては、配光方向-側(-Y軸方向)に偏向して出射する機能を有する。これにより、見かけ上の光源1aおよび光源1bのY軸方向の位置を光軸C1方向に移動できる。その結果、見かけ上の光源全体のY軸方向の長さを短くできる。
As described above, the
また、図21から判るように、光源1aの見かけ上の位置は、光源1aに対して角度α21傾いていることが判る。角度α21は例えば7°である。ただし、図6のミラーを用いた場合と比較して傾きが小さく、像ボケの影響は限定的である。後述する図22の逆光線追跡結果から、像ボケの影響が小さいことが想定される。
Further, as can be seen from FIG. 21, the apparent position of the
ここで、位置P21cの光軸C1からのY軸方向長さy1paは17μmであり、光源1aと位置P21cのZ軸方向の間隔D3aは97μmであり、図5の間隔D3より短くなっていることが判る。なお、光偏向素子212の影響により収差が発生するため、位置P21u、位置P21c、位置P21dは概略位置となる。
Here, the length y1pa of the position P21c in the Y-axis direction from the optical axis C1 is 17 μm, and the distance D3a in the Z-axis direction between the
<逆光線追跡によるY軸方向の集光位置の確認>
図22に実施の形態3の光源装置2101の逆光線追跡結果を示す。図22においては光源群1および光偏向素子212を含む領域“I”の拡大図と、平行化レンズ3の出射面の領域“J”の拡大図を併せて示している。ここでは、平行化レンズ3の+Z軸方向から-Z軸方向に進行する光線の逆光線追跡を行い、結像位置を確認する。
<Confirming the focus position in the Y-axis direction by back ray tracing>
FIG. 22 shows the back ray tracing results of the
図22では、光線2301u、光線2301c、光線2301dの逆光線追跡結果を示しており、光線2301dは、光軸C1に対して-0.31°の角度を有して平行化レンズ3に入射し、光線2301cは、光軸C1に対して平行で平行化レンズ3に入射し、光線2301uは、光軸C1に対して+0.31°の角度を有して平行化レンズ3に入射している。
FIG. 22 shows the results of reverse ray tracing of a
光源1a上の光線を確認すると、光線2301uは、光源1aの+Y軸方向端部に集光(結像)し、光線2301cは、光源1aの中央部に集光(結像)し、光線2301dは、光源1aの-Y軸方向端部に集光(結像)していることが確認できる。つまり、光偏向素子212を挿入することにより、光源1aが光軸C1上にある場合と同様の光線の振る舞いをしていることが確認できる。このように、光偏向素子212を用いることで、光軸C1付近の光利用効率が向上する効果が得られる。また、図21に確認された見かけ上の光源像の傾きα23は約3°であり、照度分布への影響は概ねないと想定される。これは、平行化レンズ3の収差により傾き角度が軽減されているためであると想定される。
When checking the light rays on the
<平行化レンズ3と光偏向素子212の関係>
図23は、平行化レンズ3の+Z軸方向から光軸C1と平行な光線を入射させた場合の逆光線追跡結果を示す図である。図23においては光源群1を含む領域“K”の拡大図を併せて示している。図23に示されるように、平行化レンズ3の焦点位置P240fは、光源1aより-Z軸方向側であることが判る。それに対し、図10の平行化レンズ3の焦点位置P80fが光源1aより+Z軸側に位置する点でも実施の形態1と異なる。後述するが、これは、平行化レンズ3の形状は実施の形態1と同様であるが、-Z軸方向に100μm移動させているためである。なお、図23の光源1aの発光面と焦点位置P240fとのZ軸方向の間隔D24は33μmであり、図10の光源1aの発光面と焦点位置P80fとのZ軸方向の間隔は67μmである。つまり、焦点位置を100μm移動させていることとなる。図22に示す逆光線追跡におけるY軸方向の集光位置を光源1aの発光面付近に合わせるため平行化レンズ3を-Z軸方向に100μm移動させている。
<Relationship between the
FIG. 23 is a diagram showing the results of reverse ray tracing when a ray parallel to the optical axis C1 is incident on the
<実施の形態3の照度分布>
図24に光偏向素子212を用いて光源1aおよび光源1bの両方を点灯させた場合の光源1aおよび光源1bから2000mm遠方における評価面(XY平面)における光の照度分布を示す。なお、光源1aおよび光源1bの発散角は、何れも図3より、X軸方向(RY方向)の1/e2は±約37°、Y軸方向(RX方向)の1/e2は±約5°とした。図24においては、横軸にX軸(mm)を、縦軸にY軸(mm)を示し、光の強度を5階調に分けて表している。なお、最も明るい白色が強度100%を表している。
<Illuminance distribution of
FIG. 24 shows the illuminance distribution of light on the evaluation plane (XY plane) at a distance of 2000 mm from the
X軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、光強度が80%以上の領域が-7.2mmから+7.2mm(14.4mm)の範囲で0mmを中心に分離して到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-11.5mmから+11.4mm(22.9mm)の範囲であることが判る。図17の実施の形態1の照度分布と比較してX軸方向幅の拡がりが広くなっていることが確認できる。
In the illuminance distribution in the X-axis direction, if the optical axis C1 is 0 mm, the area where the light intensity is 80% or more is separated from -7.2 mm to +7.2 mm (14.4 mm) around 0 mm. It turns out that it has arrived. Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of -11.5 mm to +11.4 mm (22.9 mm). It can be confirmed that the width in the X-axis direction is wider than the illuminance distribution of
また、Y軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-10.5mmから+10.3mm(20.8mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-11.9mmから+12.0mm(23.9mm)の範囲であることが判る。 In addition, in the illuminance distribution in the Y-axis direction, when the optical axis C1 is set to 0 mm, the continuous area where the light intensity is 80% or more is uniform in the range of -10.5 mm to +10.3 mm (20.8 mm). It can be seen that the light is reaching. Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of -11.9 mm to +12.0 mm (23.9 mm).
図17と比較して、Y軸方向への照度分布の拡がり(光強度が20%以上の領域)は少し広くなっているが、光軸C1上の光利用効率が向上する効果が確認できる。また、図17よりX軸方向に照度分布が拡がっていることが確認できる。これは、+Z軸方向から-Z軸方向に光軸C1と平行な光線を入射した際に、Y軸方向は光源1aの発光面で集光するのに対し、X軸方向は光源1aの発光面で集光していない、すなわち発光面より-Z軸方向で集光していることを意味している。つまり、X軸方向の光線とY軸方向の光線に対する集光位置が異なっていることを示している。従って、光偏向素子212の傾斜面を-Z軸方向としたことにより、X軸方向の光線とY軸方向の光線に対する集光位置が照度分布に影響するほどに異なるという新たな課題が発生したと考えられる。ただし、例えば、実施の形態3の光源装置2101を用いて、スクリーン上へ投射する画面サイズが横:縦=4:3のように正方形に近い場合はスクリーンの横を光源装置のY軸方向に対応させ、スクリーンの縦を光源装置のX軸方向に対応させることにより、効率の低下を抑制してスクリーンに光を導くことが可能となる。X軸方向の光強度が20%以上の領域が22.9mm、Y軸方向の光強度が20%以上の領域が23.9mmより、X:Y=1:1.04となり、横:縦=4:3との対応が比較的好ましい。
Compared to FIG. 17, the spread of the illuminance distribution in the Y-axis direction (area where the light intensity is 20% or more) is a little wider, but the effect of improving the light utilization efficiency on the optical axis C1 can be confirmed. Furthermore, it can be confirmed from FIG. 17 that the illuminance distribution spreads in the X-axis direction. This means that when a ray of light parallel to the optical axis C1 is incident from the +Z-axis direction to the -Z-axis direction, the light is focused on the light emitting surface of the
ここで、投射装置は一般的に、光源装置と照明光学系と投射光学系から構成され、光源装置の光の強度分布を均一化する光強度均一化素子に光源装置の光を集光し、光強度均一化素子で均一化された光を照明光学系で表示デバイスに転送し、表示デバイスで形成された画像を投射光学系でスクリーンへ拡大投射する。 Here, the projection device is generally composed of a light source device, an illumination optical system, and a projection optical system, and focuses the light of the light source device on a light intensity equalizing element that equalizes the intensity distribution of the light of the light source device. The light uniformized by the light intensity equalizing element is transferred to the display device by the illumination optical system, and the image formed by the display device is enlarged and projected onto the screen by the projection optical system.
光強度均一化素子と表示デバイスの縦横比は概ね等しくなるため、例えば、画面解像度がXGA(eXtended Graphics Array)の場合等は4:3、およびフルHD(フルハイビジョン)の場合は16:9の縦横比となる。なお、16:9の縦横比となる場合、図24の照度分布よりX軸方向の照度分布の拡がりが狭い方が好ましい。 Since the aspect ratios of the light intensity equalizing element and the display device are approximately equal, for example, the screen resolution is 4:3 when the screen resolution is XGA (eXtended Graphics Array), and 16:9 when the screen resolution is full HD (full high definition). This is the aspect ratio. Note that when the aspect ratio is 16:9, it is preferable that the spread of the illuminance distribution in the X-axis direction is narrower than the illuminance distribution in FIG. 24.
<X軸方向とY軸方向で集光位置が異なることの説明>
図25および図26を用いて光源群1と平行化レンズ3の位置関係を説明する。図25は、実施の形態1で示した図7と同様の図であり、光源1aの+Y軸方向端部、中心および-Y軸方向端部から±5°の拡がりをもって+Z軸方向に光線が進行した場合の光線追跡結果を示す。また、図26は、実施の形態3の光源1aの+Y軸方向端部、中心および-Y軸方向端部から±5°の拡がりをもって+Z軸方向に光線が進行した場合の光線追跡結果を示す。
<Explanation of the difference in focusing position in the X-axis direction and Y-axis direction>
The positional relationship between the
後に説明するX軸方向の光線の逆光線追跡を行うにあたり、Y軸方向位置を決めるため、平行化レンズ3を出射した時点のY軸方向高さを確認する。図25より、-5°で出射した光線が平行化レンズ3を出射する高さと光軸C1の間隔y26t1は1.8mm、+5°で出射した光線が平行化レンズ3を出射する高さと光軸C1の間隔y26b1は0.5mmとなる。また、図26より、-5°で出射した光線が平行化レンズ3を出射する高さと光軸C1の間隔y26t2は1.7mm、+5°で出射した光線が平行化レンズ3を出射する高さと光軸C1の間隔y26b2は0.5mmとなる。
When performing reverse ray tracing of a light beam in the X-axis direction, which will be described later, the height in the Y-axis direction at the time of exit from the
なお、図25の光源1aの発光面と平行化レンズ3の+Z軸方向端部のZ軸方向間隔D261は、8.14mm、図26の光源1aの発光面と平行化レンズ3の+Z軸方向端部のZ軸方向間隔D262は、8.04mmであり、平行化レンズ3の位置が100μm異なる。
In addition, the distance D261 in the Z-axis direction between the light emitting surface of the
<実施の形態1のX軸方向の逆光線追跡>
図27に実施の形態1のX軸方向の逆光線追跡結果を示す。図27では光源1aを含む領域“L”の拡大図として、図25に示したY軸方向位置が間隔y26b1に相当する光軸C1から+Y軸方向に0.5mmの高さで光線が入射する場合と、Y軸方向位置が間隔y26t1に相当する光軸C1から+Y軸方向に1.8mmの高さで光線が入射する場合の拡大図を示す。図27より、間隔y26b1の場合には、集光位置の範囲は、光源1aの発光面に対して、-Z軸方向側にDz1m=41.9μm、+Z軸方向側にDz1p=47.3μm、つまり-41.9μm~+47.3μmの範囲内に集光することが判る。また、間隔y26t1の場合には、集光位置の範囲は、光源1aの発光面に対して、-Z軸方向側にDz2m=9.8μm、+Z軸方向側にDz2p=14.6μm、つまり-9.8μm~+14.6μmの範囲内に集光することが判る。Y軸方向位置が低いと集光範囲が広くなることが確認できる。また、平均で考えると集光位置が+Z軸方向に少しずれていることが確認できる。
<Reverse ray tracing in the X-axis direction of
FIG. 27 shows the results of back ray tracing in the X-axis direction of the first embodiment. In FIG. 27, as an enlarged view of region "L" including the
<実施の形態3のX軸方向の逆光線追跡>
図28に実施の形態3のX軸方向の逆光線追跡結果を示す。図28では光源1aを含む領域“M”の拡大図として、図26に示したY軸方向位置が間隔y26b2に相当する光軸C1から+Y軸方向に0.5mmの高さで光線が入射する場合と、Y軸方向位置が間隔y26t2に相当する光軸C1から+Y軸方向に1.7mmの高さで光線が入射する場合の拡大図を示す。図28より、間隔y26b2の場合には、集光位置の範囲は、光源1aの発光面に対して、-Z軸方向側にDz3m=142μm、Dz3p=52.8μm、つまり-142μm~-52.8μmの範囲内に集光することが判る。また、間隔y26t2の場合には、集光位置の範囲は、光源1aの発光面に対して、-Z軸方向側にDz4m=111.9μm、Dz4p=85.7μm、つまり-111.9μm~-85.7μmの範囲内に集光することが判る。Y軸方向位置が低いと集光範囲が広くなることが確認できる。また、平均で考えると集光位置が光源1aの発光面に対して、-Z軸方向に50μm以上、約98μm移動した位置になっていることが判る。-Z軸方向に約98μm集光位置が移動していることから、光源1aの中心からX軸方向に拡がって出射した光線が平行化レンズ3を出射後に、実施の形態1より角度を有して、すなわち平行度が低く出射することが、図24に示すようにX軸方向に照度分布が拡がる要因であると考えられる。
<Reverse ray tracing in the X-axis direction in
FIG. 28 shows the results of back ray tracing in the X-axis direction of the third embodiment. FIG. 28 is an enlarged view of the region "M" including the
<平行化レンズ3と光偏向素子212を移動させた場合の照度分布>
図29および図30に、実施の形態3の光源1aおよび光源1bの両方を点灯させた場合の光源1aおよび光源1bから2000mm遠方における評価面における光の照度分布を示す。図29は実施の形態3の平行化レンズ3と光偏向素子212を+Z軸方向に150μm移動させた場合の照度分布を示す。図30は実施の形態3の平行化レンズ3と光偏向素子212を+Z軸方向に100μm移動させた場合の照度分布を示す。なお、光源1aおよび光源1bの発散角は、何れも図3より、X軸方向(RY方向)の1/e2は±約37°、Y軸方向(RX方向)の1/e2は±約5°とした。図29および図30においては、横軸にX軸(mm)を、縦軸にY軸(mm)を示し、光の強度を5階調に分けて表している。なお、最も明るい白色が強度100%を表している。
<Illuminance distribution when moving the
29 and 30 show the illuminance distribution of light on the evaluation surface at a distance of 2000 mm from the
ここで、図17に示した実施の形態1のX軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-0.6mmから+0.6mm(1.2mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-1.8mmから+1.8mm(3.6mm)の範囲であることが判る。
Here, in the illuminance distribution in the X-axis direction of
一方、図30のX軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-0.8mmから+0.8mm(1.6mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-1.9mmから+1.9mm(3.8mm)の範囲であることが判る。図17の照度分布と比較して、X軸方向幅の拡がりがわずかに広くなっていることが確認できる。また、図30のY軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-10.0mmから+10.0mm(20.0mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-12.3mmから+12.4mm(24.7mm)の範囲であることが判る。これより、図17の照度分布と比較して少し、Y軸方向幅の拡がりが広くなっていることが確認できる。 On the other hand, in the illuminance distribution in the X-axis direction in FIG. 30, when the optical axis C1 is set to 0 mm, the continuous region where the light intensity is 80% or more is in the range of -0.8 mm to +0.8 mm (1.6 mm). It can be seen that the light reaches the image evenly. Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of -1.9 mm to +1.9 mm (3.8 mm). It can be confirmed that the width in the X-axis direction is slightly wider than the illuminance distribution in FIG. 17 . In addition, in the illuminance distribution in the Y-axis direction in FIG. 30, if the optical axis C1 is 0 mm, the continuous region where the light intensity is 80% or more is in the range of -10.0 mm to +10.0 mm (20.0 mm). It can be seen that the light reaches the image evenly. Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of -12.3 mm to +12.4 mm (24.7 mm). From this, it can be confirmed that the width in the Y-axis direction is slightly wider than the illuminance distribution in FIG. 17.
なお、図30のX軸方向の照度分布から判るように、平行化レンズ3と光偏向素子212を+Z軸方向に100μm移動させることで、光源1aの発光面にX軸方向の焦点位置が概ね一致するため、X軸方向の焦点位置が光源1aの発光面に対して-Z軸方向に約100μm移動している図24と比較して照度分布のX軸方向の拡がりが小さくなっていることが確認できる。このことから、光源の発散角が大きいX軸方向の焦点位置を光源の発光面に合わせることが好ましいと考えられる。つまり、発散角度が小さいY軸方向は発散角度が大きいX軸方向より焦点深度が深くなり、焦点位置に対する感度が低くなり、照度分布への影響が小さくなるため、発散角度が大きいX軸方向の焦点位置に合わせることが好ましいと考えられる。
As can be seen from the illuminance distribution in the X-axis direction in FIG. 30, by moving the
また、図29から、実施の形態3の平行化レンズ3と光偏向素子212を+Z軸方向にさらに50μm移動させると、光強度が20%以上の領域がX軸方向で広がることが確認でき、X軸方向の焦点位置をY軸方向の焦点位置より優先することが好ましいことが判る。
Furthermore, from FIG. 29, it can be confirmed that when the
<X軸方向とY軸方向の集光位置の補正>
以上説明したように、入射面に傾斜を有する光偏向素子212を用いた場合は、X軸方向とY軸方向で平行化レンズ3に+Z軸方向から-Z軸方向に光線を入射する逆光線追跡をした際に焦点位置が異なり、Y軸方向の焦点を合わせるとX軸方向が評価面でボケることが判る。X軸方向とY軸方向の焦点位置の差異に関しては、平行化レンズ3の+Z軸方向側の面をZ軸に対して回転対称な非球面ではなく、YZ平面の曲率よりZX平面の曲率を大きくすることにより、X軸方向の焦点位置を+Z軸方向に移動することが可能となり、Y軸方向の焦点位置に近づけることが可能となると想定される。つまり、平行化レンズ3の+Z軸方向側の面をアナモフィック非球面とするとよいと考えられる。例えば、平行化レンズ3の+Z軸方向側の面で、ZX平面において、YZ平面と同様のコーニック定数、非球面係数とし、曲率のみ大きくすればよい。例えば、YZ平面の曲率半径を4.90mm、ZX平面の曲率半径を4.81mmとしてもよい。なお、入射面すなわち-Z軸方向側の面はZ軸中心に回転対称な形状でよい。例えば、曲率半径が43.7mmの球面の凹形状でもよい。
<Correction of focus position in X-axis direction and Y-axis direction>
As explained above, when the
<実施の形態4:アナモフィック非球面を用いた場合の照度分布>
図31は、実施の形態4の光源装置として、平行化レンズ3の+Z軸方向側の面をアナモフィック非球面とした場合の照度分布を示す。すなわち、図31には、平行化レンズ3の+Z軸方向の面において、YZ平面の曲率よりZX平面の曲率を大きくしたアナモフィック非球面、例えばYZ平面の曲率半径を4.90mm、ZX平面の曲率半径を4.81mmとし、光源1aおよび光源1bの両方を点灯させた場合の光源1aおよび光源1bから2000mm遠方における評価面における光の照度分布を示す。なお、光源1aおよび光源1bの発散角は、何れも図3より、X軸方向(RY方向)の1/e2は±約37°、Y軸方向(RX方向)の1/e2は±約5°とした。図31においては、横軸にX軸(mm)を、縦軸にY軸(mm)を示し、光の強度を5階調に分けて表している。なお、最も明るい白色が強度100%を表している。
<Embodiment 4: Illuminance distribution when using anamorphic aspheric surface>
FIG. 31 shows the illuminance distribution when the +Z-axis direction side surface of the
図31のX軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-0.4mmから+0.5mm(0.9mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-1.5mmから+1.5mm(3.0mm)の範囲であることが判る。図17の照度分布と比較してX軸方向幅の拡がりが少し狭くなっていることが確認できる。 In the illuminance distribution in the X-axis direction in Fig. 31, when the optical axis C1 is set to 0 mm, the continuous area where the light intensity is 80% or more is uniform in the range of -0.4 mm to +0.5 mm (0.9 mm). It can be seen that the light is reaching . Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of -1.5 mm to +1.5 mm (3.0 mm). It can be confirmed that the width in the X-axis direction is slightly narrower than the illuminance distribution in FIG. 17.
また、Y軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-9.9mmから+9.9mm(19.8mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-12.5mmから+12.6mm(25.1mm)の範囲であることが判る。これより、図17の照度分布と比較して、Y軸方向幅の拡がりが少し広くなっていることが確認できる。 In addition, in the illuminance distribution in the Y-axis direction, if the optical axis C1 is 0 mm, the continuous area where the light intensity is 80% or more is uniform in the range of -9.9 mm to +9.9 mm (19.8 mm). It can be seen that the light is reaching. Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of -12.5 mm to +12.6 mm (25.1 mm). From this, it can be confirmed that the width in the Y-axis direction is slightly wider than the illuminance distribution in FIG. 17.
以上より、光偏向素子2を用いた実施の形態1の光源装置100の図17の照度分布と概ね同様の照度分布が得られることが確認できる。これにより、アナモフィック非球面の効果が確認できた。また、図30に示したデフォーカスした場合の照度分布と比較すると、照度分布のX軸方向の拡がりがさらに抑制されていることが確認できる。なお、平行化レンズ3において、ZX平面およびYZ平面において非球面形状であることが好ましく、どちらか一方が球面となる場合、例えば、トロイダル面では、X軸方向の拡がりが抑制されるものの、収差の影響が大きく、評価面の光軸C1付近に到達する光の利用効率が低下する。
From the above, it can be confirmed that an illuminance distribution substantially similar to the illuminance distribution shown in FIG. 17 of the
本実施の形態4で説明しているアナモフィック非球面は、YZ平面とZX平面のコーニック定数、非球面係数が等しく、曲率半径のみ異なる場合を示している。なお、YZ平面とZX平面のコーニック定数、非球面係数を異なる形状としてもよいが、形状が複雑化し加工性への影響が懸念される。 The anamorphic aspherical surface described in the fourth embodiment shows a case where the conic constant and aspherical coefficient of the YZ plane and the ZX plane are the same, and only the radius of curvature is different. Note that although the conic constant and aspherical coefficient of the YZ plane and the ZX plane may have different shapes, there is a concern that the shapes will become complicated and affect workability.
また、平行化レンズ3の+Z軸側の面形状に関して説明したが、+Z軸側の面形状をZ軸中心に回転対称な非球面形状とし、-Z軸方向の面に対して、ZX平面の曲率をYZ平面の曲率より大きくしてもよい。例えば、+Z軸側の面は、+Z軸側の面形状の曲率半径を4.90mmとしたZ軸中心に回転対称な非球面とし、-Z軸側の面は、-Z軸側の面形状のYZ平面の曲率半径を43.7mm、ZX平面の曲率半径を70mmとした凹形状のトロイダル面でもよい。-Z軸側の面形状は凹面、すなわち負の曲率のため、曲率は、YZ平面よりZX平面の方が大きい。なお、曲率は曲率半径の逆数である。
In addition, although we have explained the surface shape of the parallelizing
<-Z軸方向の面がトロイダル面の場合>
図32は、実施の形態4の光源装置の変形例として、平行化レンズ3の-Z軸方向側の面をトロイダル面とした場合の照度分布を示す。すなわち、図32には、平行化レンズ3の-Z軸側の面においてYZ平面の曲率半径を43.7mm、ZX平面の曲率半径を70mmとした凹形状のトロイダル面とし、+Z軸方向側の面形状を回転対称の非球面とし、光源1aおよび光源1bの両方を点灯させた場合の光源1aおよび光源1bから2000mm遠方における評価面における光の照度分布を示す。なお、光源1aおよび光源1bの発散角は、何れも図3より、X軸方向(RY方向)の1/e2は±約37°、Y軸方向(RX方向)の1/e2は±約5°とした。図32においては、横軸にX軸(mm)を、縦軸にY軸(mm)を示し、光の強度を5階調に分けて表している。なお、最も明るい白色が強度100%を表している。
<When the surface in the -Z axis direction is a toroidal surface>
FIG. 32 shows an illuminance distribution when the −Z-axis side surface of the
図32のX軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-0.4mmから+0.4mm(0.8mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-1.3mmから+1.3mm(2.6mm)の範囲であることが判る。図17の照度分布と比較して、X軸方向幅の拡がりが少し狭くなっていることが確認できる。 In the illuminance distribution in the X-axis direction in Fig. 32, when the optical axis C1 is set to 0 mm, the continuous area where the light intensity is 80% or more is uniform in the range of -0.4 mm to +0.4 mm (0.8 mm). It can be seen that the light is reaching . Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of −1.3 mm to +1.3 mm (2.6 mm). It can be confirmed that the width in the X-axis direction is slightly narrower than the illuminance distribution in FIG. 17 .
また、Y軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-10.1mmから+10.0mm(20.1mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-12.5mmから+12.5mm(25.0mm)の範囲であることが判る。これより、図17の照度分布と比較して少し、Y軸方向幅の拡がりが広くなっていることが確認できる。 In addition, in the illuminance distribution in the Y-axis direction, if the optical axis C1 is 0 mm, the continuous area where the light intensity is 80% or more is uniform in the range of -10.1 mm to +10.0 mm (20.1 mm). It can be seen that the light is reaching. Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of -12.5 mm to +12.5 mm (25.0 mm). From this, it can be confirmed that the width in the Y-axis direction is slightly wider than the illuminance distribution in FIG. 17.
以上より、光偏向素子2を用いた実施の形態1の光源装置100の図17の照度分布と概ね同様の照度分布が得られることが確認できる。これにより、トロイダル面の効果が確認できた。また、図30に示したデフォーカスした場合の照度分布と比較すると、照度分布のX軸方向の拡がりがさらに抑制されていることが確認できる。
From the above, it can be confirmed that an illuminance distribution substantially similar to the illuminance distribution shown in FIG. 17 of the
ここで実施の形態4においては、平行化レンズ3の-Z軸方向側の面と+Z軸方向側の面とで異なる形状を示しているが、これに限定されるものではなく、平行化レンズ3において、ZX平面の曲率がYZ平面の曲率より大きくなればよい。
Here, in the fourth embodiment, the −Z-axis direction side surface of the
実施の形態4の変形例において効果を示すトロイダル面は、ZX平面およびYZ平面において、コーニック定数=0と非球面係数=0の場合を示している。コーニック定数と非球面係数を有していると、形状が複雑化するという懸念がある。つまり、ZX平面およびYZ平面は球面の曲率または曲率半径が異なるトロイダル面となる。なお、実施の形態1より実施の形態3の方が、平行化レンズ3の+Z軸方向側の面をアナモフィック非球面にする、あるいは-Z軸方向側の面をトロイダル面にする効果が大きい。しかし、図17の照度分布のように、+Z軸方向側に光偏向素子2の傾斜面を有している場合においてもX軸方向側の光線の集光位置とY軸方向側の集光位置は異なっており、平行化レンズ3の+Z軸方向側の面をアナモフィック非球面にすることにより、X軸方向の評価面での照度分布幅を狭くしてもよい。また、平行化レンズ3の-Z軸方向側の面をトロイダル面としてもよい。
The toroidal surface exhibiting the effect in the modification of the fourth embodiment shows the case where the conic constant=0 and the aspherical coefficient=0 in the ZX plane and the YZ plane. There is a concern that having a conic constant and an aspherical coefficient will complicate the shape. In other words, the ZX plane and the YZ plane are toroidal surfaces having different spherical curvatures or radii of curvature. Note that the third embodiment has a greater effect than the first embodiment in that the +Z-axis side surface of the
<実施の形態1にアナモフィック非球面を適用した場合>
実施の形態1の光源装置100の平行化レンズ3を+Z軸方向側の面で、ZX平面において、YZ平面と同様のコーニック定数、非球面係数とし、曲率のみ大きくしてアナモフィック非球面としてもよい。例えば、YZ平面の曲率半径を4.90mm、ZX平面の曲率半径を4.895mmとする。なお、入射面すなわち-Z軸方向側の面はZ軸中心に回転対称な形状でよい。例えば、曲率半径が43.7mmの球面の凹形状でもよい。
<When anamorphic aspheric surface is applied to
The
図33に光源1aおよび光源1bの両方を点灯させた場合の光源1aおよび光源1bから2000mm遠方における評価面における光の照度分布を示す。なお、光源1aおよび光源1bの発散角は、何れも図3より、X軸方向(RY方向)の1/e2は±約37°、Y軸方向(RX方向)の1/e2は±約5°とした。図33においては、横軸にX軸(mm)を、縦軸にY軸(mm)を示し、光の強度を5階調に分けて表している。なお、最も明るい白色が強度100%を表している。
FIG. 33 shows the illuminance distribution of light on the evaluation surface at a distance of 2000 mm from the
図33のX軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-0.5mmから+0.5mm(1.0mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-1.8mmから+1.8mm(3.6mm)の範囲であることが判る。図17と比較して、光強度が80%以上の領域のX軸方向幅の拡がりが若干狭くなっていることが確認できる。 In the illuminance distribution in the X-axis direction in Fig. 33, when the optical axis C1 is set to 0 mm, the continuous area where the light intensity is 80% or more is uniform in the range of -0.5 mm to +0.5 mm (1.0 mm). It can be seen that the light is reaching . Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of −1.8 mm to +1.8 mm (3.6 mm). As compared with FIG. 17, it can be confirmed that the spread of the width in the X-axis direction of the region where the light intensity is 80% or more is slightly narrower.
また、Y軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-8.8mmから+8.8mm(17.6mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-11.5mmから+11.5mm(23.0mm)の範囲であることが判る。これより、図17の照度分布と比較して、Y軸方向幅の拡がりが概ね等しいことが確認できる。 In addition, in the illuminance distribution in the Y-axis direction, when the optical axis C1 is set to 0 mm, the continuous area where the light intensity is 80% or more is uniform in the range of -8.8 mm to +8.8 mm (17.6 mm). It can be seen that the light is reaching. Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of -11.5 mm to +11.5 mm (23.0 mm). From this, it can be confirmed that the spread of the width in the Y-axis direction is approximately equal when compared with the illuminance distribution in FIG. 17.
以上より、実施の形態1の光源装置100の平行化レンズ3にアナモフィック非球面を適用した場合、アナモフィック非球面を適用していない場合の図17の照度分布と比較して、X軸方向の照度分布が若干ではあるが狭くなることが確認できる。これにより、アナモフィック非球面の効果が確認できた。
From the above, when an anamorphic aspherical surface is applied to the
なお、実施の形態4と同様の効果が得られる実施の形態1の光源装置100の平行化レンズ3に適用するアナモフィック非球面は、YZ平面とZX平面のコーニック定数、非球面係数が等しく、曲率半径のみ異なる場合を示している。
Note that the anamorphic aspheric surface applied to the
また、図27を用いて説明したように、実施の形態1の光源装置100においては、X軸方向の光線の集光位置が光源の発光面より+Z軸方向側に位置すると想定されるが、図33の照度分布の結果から光源の強度分布(配光)を考慮すると、X軸方向の光線の集光位置が発光面より-Z軸方向側に位置すると考えられるため、ZX平面の曲率をYZ平面の曲率より大きくすることで効果が得られたと考えられる。
Furthermore, as explained using FIG. 27, in the
<実施の形態1にトロイダル面を適用した場合>
実施の形態1の光源装置100の平行化レンズ3を+Z軸側の面形状をZ軸中心に回転対称な非球面形状とし、-Z軸方向の面に対して、ZX平面の曲率をYZ平面の曲率より大きくしてトロイダル面としてもよい。例えば、+Z軸側の面は、+Z軸側の面の曲率半径を4.90mmとしたZ軸中心に回転対称な非球面とし、-Z軸側の面は、-Z軸側の面のYZ平面の曲率半径を43.7mm、ZX平面の曲率半径を50mmとした凹形状のトロイダル面でもよい。-Z軸側の面形状は凹面、すなわち負の曲率のため、曲率は、YZ平面よりZX平面の方が大きい。
<When toroidal surface is applied to
The
図34に光源1aおよび光源1bの両方を点灯させた場合の光源1aおよび光源1bから2000mm遠方における評価面における光の照度分布を示す。なお、光源1aおよび光源1bの発散角は、何れも図3より、X軸方向(RY方向)の1/e2は±約37°、Y軸方向(RX方向)の1/e2は±約5°とした。図34においては、横軸にX軸(mm)を、縦軸にY軸(mm)を示し、光の強度を5階調に分けて表している。なお、最も明るい白色が強度100%を表している。
FIG. 34 shows the illuminance distribution of light on the evaluation surface at a distance of 2000 mm from the
図34のX軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-0.3mmから+0.3mm(0.6mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-1.3mmから+1.3mm(2.6mm)の範囲であることが判る。図17の照度分布と比較して、X軸方向幅の拡がりが狭くなっていることが確認できる。 In the illuminance distribution in the X-axis direction in Fig. 34, when the optical axis C1 is set to 0 mm, the continuous area where the light intensity is 80% or more is uniform in the range of -0.3 mm to +0.3 mm (0.6 mm). It can be seen that the light is reaching . Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of -1.3 mm to +1.3 mm (2.6 mm). It can be confirmed that the width in the X-axis direction is narrower than the illuminance distribution in FIG. 17.
また、Y軸方向の照度分布において、光軸C1上を0mmとした場合、連続して光強度が80%以上の領域が-9.1mmから+9.0mm(18.1mm)の範囲で均一に光が到達していることが判る。また、光強度が20%以上の領域は、-11.3mmから+11.3mm(22.6mm)の範囲であることが判る。これより、図17の照度分布と比較して、Y軸方向幅の拡がりが概ね等しいことが確認できる。 In addition, in the illuminance distribution in the Y-axis direction, when the optical axis C1 is set to 0 mm, the continuous area where the light intensity is 80% or more is uniform in the range of -9.1 mm to +9.0 mm (18.1 mm). It can be seen that the light is reaching. Furthermore, it can be seen that the region where the light intensity is 20% or more is in the range of −11.3 mm to +11.3 mm (22.6 mm). From this, it can be confirmed that the spread of the width in the Y-axis direction is approximately equal when compared with the illuminance distribution in FIG. 17.
以上より、光源装置100の平行化レンズ3にトロイダル面を適用した場合、トロイダル面を適用していない場合の図17の照度分布と比較して、X軸方向の照度分布が狭くなることが確認できる。これにより、トロイダル面の効果が確認できた。
From the above, it is confirmed that when a toroidal surface is applied to the
なお、実施の形態4と同様の効果が得られる実施の形態1の光源装置100の平行化レンズ3に適用するトロイダル面は、ZX平面およびYZ平面において、コーニック定数=0と非球面係数=0の場合を示している。コーニック定数と非球面係数を有していると、形状が複雑化するという懸念がある。つまり、ZX平面およびYZ平面は球面の曲率(または曲率半径)が異なるトロイダル面となる。
Note that the toroidal surface applied to the
また、図27を用いて説明したように、実施の形態1の光源装置100においては、X軸方向の光線の集光位置が光源の発光面より+Z軸方向側に位置すると想定されるが、図34の照度分布の結果からも光源の強度分布(配光)を考慮すると、X軸方向の光線の集光位置が発光面より-Z軸方向側に位置すると考えられるため、ZX平面の曲率をYZ平面の曲率より大きくすることで効果が得られたと考えられる。
Furthermore, as explained using FIG. 27, in the
<実施の形態3の傾斜面が曲面の場合>
図20に示した実施の形態3の光源装置2101の光偏向素子212の-Z軸方向側の傾斜面が平面ではなく曲面の場合は、例えば、光軸C1より+Y軸方向側の曲面が、光源1aの中心部より+Y軸方向に曲率中心が位置する球面あるいは非球面となり、光源1aから出射した光線を+Y軸方向に偏向して出射することとなる。この際、曲率が大きいほど偏向による影響が強くなる。この対策の一例として、平行化レンズ3出射後の光線を光軸C1と平行とするために、例えば、平行化レンズ3において、光軸C1より+Y軸方向側の曲面に対して、平行化レンズ3の曲率中心を-Y軸方向とすることで、+Y軸方向に進行していた光線を-Y軸方向に偏向させることにより、光軸C1と平行な光線とすることが可能となる。
<When the inclined surface in
If the inclined surface on the −Z-axis direction side of the
つまり、平行化レンズ3を、光軸C1より+Y軸方向側の曲面に対して、平行化レンズ3の曲率中心を-Y軸方向とし、光軸C1より-Y軸方向側の曲面に対して、平行化レンズ3の曲率中心を+Y軸方向とし、曲率中心位置が異なる2つのレンズを一体化することにより、図17の照度分布と同様にY軸方向の見かけ上の光源の長さを短くすることが可能となる。
In other words, the
なお、光偏向素子212の-Z軸方向側の傾斜面を曲面にすることによる製造コストと、曲率中心が異なるレンズを一体化する製造コストを考慮すると、実施の形態1、実施の形態3あるいは実施の形態4方が好ましいと考えられる。 Note that considering the manufacturing cost of making the -Z-axis direction side inclined surface of the optical deflection element 212 a curved surface and the manufacturing cost of integrating lenses with different centers of curvature, the first embodiment, the third embodiment, or Embodiment 4 is considered to be more preferable.
<実施の形態5:3つ以上の光源数の例>
図35は実施の形態5の光源装置100Aの概略構成を示す図である。図35に示されるように、光源の数を3つ以上にすることが可能である。図35に示す例では、光軸C1に対して対象に配置される光源14a(第1の光源)、光源14b(第2の光源)に加えて、光軸C1上にさらに光源14c(第3の光源)を配置している。このような光源群14を用いる場合、図35に示すような光偏向素子20を用いることができる。図35に示す光偏向素子20は、光軸C1上に光軸C1と垂直な基準平面(XY平面)に対して傾斜を有しない第1の光学面20cと、その両側に、規準平面に対して傾斜を有する第2の光学面20aおよび第3の光学面20bを含んでいる。第1の光学面20cは、光源14cから出射した光線を同一の角度で光偏向素子20から+Z軸方向に出射する。第2の光学面20aは、光源14aから出射した光線を例えば、図5の光線501ccのように+Y軸方向に角度を有して+Z軸方向に出射する。第3の光学面20bは、光源14bから出射した光線を-Y軸方向に角度を有して+Z軸方向に出射する。なお、第2の光学面20aにより、光源14aの仮想的な集光点は+Z軸方向に移動し、第3の光学面20bにより、光源14bの仮想的な集光点は、+Z軸方向に移動する。従って、両者の仮想的な集光点にZ軸方向位置を合わせるように次のような調整をしてもよい。すなわち、第1の光学面20cを+Z軸方向に移動させて、空気換算長を調整してもよい。また、光源14cを+Z軸方向に移動させてもよい。
<Embodiment 5: Example of three or more light sources>
FIG. 35 is a diagram showing a schematic configuration of a
このような構成を採ることによって、光軸C1付近の光利用効率をさらに向上させることが可能となる。 By adopting such a configuration, it becomes possible to further improve the light utilization efficiency near the optical axis C1.
なお、図35に示す例では、光入射側に光偏向用の光学面を配置する例を示したが、該光学面を光出射側に設けることも可能である。このような構成を採ることによって、光軸C1付近の光利用効率をさらに向上させることが可能となる。 Although the example shown in FIG. 35 shows an example in which the optical surface for light deflection is arranged on the light incidence side, it is also possible to provide the optical surface on the light exit side. By adopting such a configuration, it becomes possible to further improve the light utilization efficiency near the optical axis C1.
また、ミラーを用いて同様の偏向機能を代替することも可能である。この場合、図35に示した光偏向素子20の代替とする場合には、傾斜を有しない第1の光学面20cに対応する部分にはミラーを設けず、第2の光学面20aおよび第3の光学面20bに対応する部分にはミラーを設けることとなる。また、図35の場合と同様に光源14aおよび光源14bの仮想的な集光点のZ軸方向位置に合わせるように光源14cを+Z軸方向に移動してもよい。従って、本開示では広義の「光偏向素子」には、反射を用いて光を偏向させることにより光源の配列方向での見かけ上の光源全体のY軸方向の長さを調整する部材(本例では上記ミラー)も含まれるものとする。なお、本実施の形態5の効果を得るためには、光源数を2つ以上とした構成が好ましい。また、実施の形態4の平行化レンズ3を用いることにより、実施の形態4の効果を得ることが可能である。
It is also possible to substitute a similar deflection function using a mirror. In this case, when replacing the
本開示は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、本開示がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本開示の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。 Although the present disclosure has been described in detail, the above description is illustrative in all aspects, and the present disclosure is not limited thereto. It is understood that countless variations not illustrated can be envisioned without departing from the scope of this disclosure.
なお、本開示は、その開示の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 Note that within the scope of the disclosure, the embodiments of the present disclosure can be freely combined, or the embodiments can be modified or omitted as appropriate.
Claims (10)
前記XYZ座標系におけるY軸方向に離間して配置され、前記Y軸方向の発散角が前記XYZ座標系におけるX軸方向の発散角よりも小さい光を発する第1光源および第2光源を含み、光束を発する光源群と、
前記光源群が発する前記光束を平行化する平行化レンズと、
前記Z軸方向において前記光源群と前記平行化レンズとの間に配置され、前記第1光源が発する光を偏向する平面の第1光学面および前記第2光源が発する前記光を偏向する平面の第2光学面を用いて前記Z軸方向の前記照射対象に向けて凹型に構成され、前記光源群から発せられた前記光束を偏向して前記平行化レンズに入射させる光偏向素子と、を備え、前記第1光源は、前記Z軸方向で前記第1光学面に対向するように配置され、前記第2光源は、前記Z軸方向で前記第2光学面に対向するように配置される、光源装置。 A light source device that irradiates light to an irradiation target in a Z-axis direction in an XYZ coordinate system including an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis,
a first light source and a second light source that are arranged apart in the Y-axis direction in the XYZ coordinate system and emit light whose divergence angle in the Y-axis direction is smaller than the divergence angle in the X-axis direction in the XYZ coordinate system; a group of light sources that emit a luminous flux;
a collimating lens that collimates the light flux emitted by the light source group;
A first optical surface that is arranged between the light source group and the collimating lens in the Z-axis direction and is a plane that deflects the light emitted by the first light source, and a plane that deflects the light that is emitted by the second light source. an optical deflection element configured to have a concave shape toward the irradiation target in the Z-axis direction using a second optical surface, and deflect the light beam emitted from the light source group to make it enter the collimating lens. , the first light source is arranged to face the first optical surface in the Z-axis direction, and the second light source is arranged to face the second optical surface in the Z-axis direction. Light source device.
前記第1光源および前記第2光源の各々から発せられた前記光を透過し、屈折させて前記平行化レンズの前記Z軸方向から離れる方向に偏向する、請求項1記載の光源装置。 The optical deflection element is
The light source device according to claim 1, wherein the light emitted from each of the first light source and the second light source is transmitted, refracted, and deflected in a direction away from the Z-axis direction of the collimating lens.
前記Y軸方向に拡がりを有して前記平行化レンズに入射した前記光は、前記平行化レンズにより前記Z軸方向に対して平行となり出射する、請求項1または請求項2記載の光源装置。 The light emitted from the first light source and the second light source with an extension in the Y-axis direction exits the light deflection element with an extension in the Y-axis direction,
3. The light source device according to claim 1, wherein the light that has spread in the Y-axis direction and enters the collimating lens becomes parallel to the Z-axis direction and is emitted by the collimating lens.
前記第1光源および前記第2光源の各々から発せられた前記光を反射させて前記平行化レンズの前記Z軸方向から離れる方向に偏向する、請求項1記載の光源装置。 The optical deflection element is
The light source device according to claim 1, wherein the light emitted from each of the first light source and the second light source is reflected and deflected in a direction away from the Z-axis direction of the collimating lens.
前記第1光源および前記第2光源の中の1つの光源の中央部と前記Z軸との距離を間隔y1acとし、
前記1つの光源の前記中央部と前記反射面との距離を間隔D4とし、
前記反射面の前記Z軸に対する傾き角をα9とした場合に、
前記間隔D4は、
y1ac/D4=sin(2×|α9|)の関係式に基づいて設定され、
前記間隔D4は、±10%の誤差が許容される、請求項4記載の光源装置。 The light deflection element has a light reflecting surface,
The distance between the center of one light source among the first light source and the second light source and the Z axis is an interval y1ac,
The distance between the central part of the one light source and the reflective surface is a distance D4,
When the inclination angle of the reflective surface with respect to the Z axis is α9,
The distance D4 is
It is set based on the relational expression y1ac/D4=sin(2×|α9|),
5. The light source device according to claim 4, wherein an error of ±10% is allowed for the distance D4.
前記光偏向素子は、
前記第1光源および前記第2光源の前記Y軸方向において、前記第1光源および前記第2光源の各々から発せられた前記光を前記Z軸から離れる方向に偏向する、請求項1から請求項7の何れか1項に記載の光源装置。 further comprising a third light source disposed on the Z axis,
The optical deflection element is
In the Y-axis direction of the first light source and the second light source, the light emitted from each of the first light source and the second light source is deflected in a direction away from the Z-axis. 7. The light source device according to any one of 7.
前記平行化レンズの光軸から離れる方向に互いに離間して配置される複数の光源を含み、全体として互いに直交する前記光軸から離れる方向に平行な第1の方向と第2の方向とで発散角が異なる光束を発する光源群と、
前記光軸の方向において前記光源群と前記平行化レンズとの間に配置され、前記第1の方向および前記第2の方向のうち、前記光源群の前記発散角が小さい前記第1の方向において、前記複数の光源の各々から発せられた光を前記光軸から離れる方向に偏向して前記平行化レンズに入射させる光偏向素子と、を備え、
前記光偏向素子は、
光の反射面を有し、
前記複数の光源の各々から発せられた前記光を反射させて前記光軸から離れる方向に偏向し、
前記複数の光源の中の1つの光源の中央部と前記光軸との距離を間隔y1acとし、
前記1つの光源の前記中央部と前記反射面との距離を間隔D4とし、
前記反射面の前記光軸に対する傾き角をα9とした場合に、
前記間隔D4は、
y1ac/D4=sin(2×|α9|)の関係式に基づいて設定され、
前記間隔D4は、±10%の誤差が許容される、光源装置。 A collimating lens that collimates the incident light;
The light source includes a plurality of light sources arranged apart from each other in a direction away from the optical axis of the collimating lens, and diverges in a first direction and a second direction parallel to the direction away from the optical axis, which are orthogonal to each other as a whole. A group of light sources that emit light beams with different angles,
disposed between the light source group and the collimating lens in the direction of the optical axis, and in the first direction of the first direction and the second direction, the divergence angle of the light source group is smaller. , an optical deflection element that deflects the light emitted from each of the plurality of light sources in a direction away from the optical axis and causes it to enter the collimating lens,
The optical deflection element is
Has a light reflective surface,
reflecting the light emitted from each of the plurality of light sources and deflecting it in a direction away from the optical axis;
The distance between the center of one light source among the plurality of light sources and the optical axis is defined as an interval y1ac,
The distance between the central part of the one light source and the reflective surface is a distance D4,
When the inclination angle of the reflective surface with respect to the optical axis is α9,
The distance D4 is
It is set based on the relational expression y1ac/D4=sin(2×|α9|),
The distance D4 is a light source device in which an error of ±10% is allowed.
前記平行化レンズの光軸から離れる方向に互いに離間して配置される複数の光源を含み、全体として互いに直交する前記光軸から離れる方向に平行な第1の方向と第2の方向とで発散角が異なる光束を発する光源群と、
前記光軸の方向において前記光源群と前記平行化レンズとの間に配置され、前記第1の方向および前記第2の方向のうち、前記光源群の前記発散角が小さい前記第1の方向において、前記複数の光源の各々から発せられた光を前記光軸から離れる方向に偏向して前記平行化レンズに入射させる光偏向素子と、を備え、
前記光偏向素子は、
光の反射面を有し、
前記複数の光源の各々から発せられた前記光を反射させて前記光軸から離れる方向に偏向し、
前記光軸に沿った方向において前記光源群とは反対側から前記平行化レンズに平行光を入射した場合に、前記平行化レンズおよび前記光偏向素子を含む光学系による前記平行光の集光位置が、前記複数の光源と前記光偏向素子の間に位置する、光源装置。 A collimating lens that collimates the incident light;
The light source includes a plurality of light sources arranged apart from each other in a direction away from the optical axis of the collimating lens, and diverges in a first direction and a second direction parallel to the direction away from the optical axis, which are orthogonal to each other as a whole. A group of light sources that emit light beams at different angles,
disposed between the light source group and the collimating lens in the direction of the optical axis, and in the first direction of the first direction and the second direction, the divergence angle of the light source group is smaller. , an optical deflection element that deflects the light emitted from each of the plurality of light sources in a direction away from the optical axis and causes it to enter the collimating lens,
The optical deflection element is
Has a light reflective surface,
reflecting the light emitted from each of the plurality of light sources and deflecting it in a direction away from the optical axis;
When parallel light enters the collimating lens from the side opposite to the light source group in the direction along the optical axis, the collimating position of the collimated light by the optical system including the collimating lens and the light deflection element. is located between the plurality of light sources and the light deflection element.
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