JPH03278027A - Illuminator - Google Patents

Illuminator

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JPH03278027A
JPH03278027A JP2076643A JP7664390A JPH03278027A JP H03278027 A JPH03278027 A JP H03278027A JP 2076643 A JP2076643 A JP 2076643A JP 7664390 A JP7664390 A JP 7664390A JP H03278027 A JPH03278027 A JP H03278027A
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JP
Japan
Prior art keywords
transparent body
light
light source
lighting device
prism structure
Prior art date
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Pending
Application number
JP2076643A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Amako
淳 尼子
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KOUDO EIZOU GIJUTSU KENKYUSHO KK
Original Assignee
KOUDO EIZOU GIJUTSU KENKYUSHO KK
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain an illuminator that the use efficiency of light is high without using a complicated means by providing a light source and a transparent body having micro prism structure and outputting the light emitted from the light source through the transparent body. CONSTITUTION:The illuminator is constituted of the light source 101 and the transparent body 103 having the micro prism structure. Then, the light emitted from the light source 101 is condensed by a lens 102 and made to be incident almost perpendicularly on the transparent body 103 having the fine prism structure. At this time, the light is bent almost at a right angle by the action of the fine prism structure 106 and emitted from the transparent body 103. Thereafter, it is condensed by a lens 104 and it arrives at a substance to be illuminated 105. Thus, the illuminator having the use efficiency of light which is almost double in comparison with conventional practice is obtained by the simple means.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は、オーバーへッドブロジエクタや液8カラープ
ロジェクタ等に使用するのが好適な照明装置に関するも
のである。
The present invention relates to an illumination device suitable for use in overhead projectors, liquid 8 color projectors, and the like.

【発明の概要〕[Summary of the invention]

従来から知られている照明装置は、■凹面ミラーと凸レ
ンズの組み合せたものからなるため、レンズやミラーだ
けでは面状の発光領域から光束を効率よく被照明体へ導
く事が困難であり、■また。液晶プロジェクタ−などに
用いた場合には、片方の偏光成分しか利用できないため
、暗いという問題があったことに鑑みて。 本発明では、光源と微小プリズム構造からなる照明装置
を提供している。更に本発明においては、これら両者の
中間に偏光分離素子と局波長板とミラーを配置した事に
より、高効率で明るい照明装置を実現することができる
。 本発明に係る照明装置は、殊に投射型表示装置に適用す
るのが好適である。 本発明を実施することにより、長方形の試料にも効率よ
く照明ができるようになるほか、偏光合成の一手段とし
て用いる事が可能となる。 〔従来の技術〕 従来の照明装置の構成を第4図(A)および第4図(B
)に示す、ここで、第4図(A)は、凹面ミラー401
と凸レンズ402を組み合わせた構造である。これらの
中央(焦点位置)に光源403がある。 【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、従来の照明装置には、光の利用効率が低
いという問題点があった。これでは、表示用途へは使い
にくいことになる。このように光の利用効率が低い理由
は、レンズやミラーだけでは、面状の発光領域を有する
光源(例えば、白色放電灯)から出た光束を、効率良(
、被照明体へ導くことが困難だからである。 さらに、液晶プロジェクタのように、片方の偏光成分し
た使わない用途については、本発明は、このような問題
点を解決するものであって、その目的は、複雑な手段を
用いることな(、光の利用効率が高い照明装置を提供す
ることにある。
Conventionally known lighting devices consist of a combination of a concave mirror and a convex lens, so it is difficult to efficiently guide the luminous flux from a planar light-emitting area to an illuminated object using lenses and mirrors alone. Also. Considering that when used in liquid crystal projectors, etc., there was a problem that only one polarized light component could be used, resulting in darkness. The present invention provides an illumination device including a light source and a micro prism structure. Furthermore, in the present invention, by arranging the polarization splitting element, the local wavelength plate, and the mirror between these two, it is possible to realize a highly efficient and bright illumination device. The lighting device according to the present invention is particularly suitable for application to a projection display device. By implementing the present invention, not only can rectangular samples be efficiently illuminated, but also it can be used as a means of polarization synthesis. [Prior art] The configuration of a conventional lighting device is shown in Fig. 4 (A) and Fig. 4 (B).
), where FIG. 4(A) shows a concave mirror 401
This structure is a combination of a convex lens 402 and a convex lens 402. A light source 403 is located at the center of these (focal position). [Problems to be Solved by the Invention] However, conventional lighting devices have a problem of low light utilization efficiency. This makes it difficult to use for display purposes. The reason for this low light utilization efficiency is that lenses and mirrors alone cannot efficiently convert the luminous flux emitted from a light source with a planar light emitting area (for example, a white discharge lamp).
This is because it is difficult to guide the light to the object to be illuminated. Furthermore, for applications where one polarization component is not used, such as a liquid crystal projector, the present invention is intended to solve these problems, and its purpose is to The object of the present invention is to provide a lighting device with high utilization efficiency.

【課題を解決するための手段] 本発明の第1の照明装置は、光源と微小プリズム構造を
有する透明体とから成ることを特徴とする。 本発明の第2の照明装置は、前記微小プリズム構造を有
する透明体の形状はほぼ三角柱であって、該三角柱を形
成する5つの水平のうちのひとつが微小プリズム構造を
有し、かつ、該微小プリズム構造を有する平面と面法線
が同じ平面内にある2つの平面の一方が前記光源に対向
していることを特徴とする。 本発明の第3の照明装置は、前記第1又は第2の照明装
置において、光源から前記微小プリズム構造を有する透
明体に至る光路の途中に、偏光分離素子と2分の1波長
板とミラーを、該2分の1波長板と該ミラーが同じ光路
上にくるように配置したことを特徴とする。 本発明の第4の照明装置は、前記第1又は第2の照明装
置において、光源から前記微小プリズム構造を有する透
明体に至る光路の途中に、偏光分離素子と2分の1波長
板とミラーを、該2分の1波長板と該ミラーが異なる光
路上にくるように配置したことを特徴とする。 本発明の第5の照明装置は、前記第1ないし第4のいず
れかの照明装置において、光源が2次元的に配置された
複数の光源から成ることを特徴とする。 本発明の第6の照明装置は、前記第1ないし第5のいず
れかの照明装置であって、ライトバブルを有する投射型
表示装置において、ライトバブルを照明するために用い
ることを特徴とする。 【実施例】 以下、実施例に基づき、本発明の内容を詳しく説明する
。 第1図(A)および第1図(B)は、本発明の一実施例
を示す。これら第1図(A)および第1図(B)は、ひ
とつの照明装置をそれぞれ異なる方向から眺めた時の斜
視図である。 光源101から出た光は、レンズ102により集光され
、微小プリズム構造を有する透明体103へほぼ垂直に
入射する。そして、微小プリズム構造106の作用によ
り、はぼ直角に曲げられて透明体103より出射する。 このあと、レンズ104により集光されて、被照明体1
05へ至る。透明体103の形状はほぼ三角柱であり、
面103aと面103bは直交している。 なお、レンズ102の代わりに、非球面ミラーを光源1
01の後に置いて使うこともできる。 また、レンズ104は必ずしも必要ではなく、この代わ
りに、透明体103の光線出射面上に形成されたフレネ
ルレンズを使っても良い。 第3図に、透明体103が有する微小プリズム構造10
6の断面形状を示す。透明体103の頂角をa、入射光
線301と出射光線302が微小プリズム構造106を
有する面の法線303に対してなす角度をそれぞれθ1
.θ、とする[第3図(A)]、また、微小プリズムの
頂角なβ、周期なp、高さをhとする[第3図(B)】
。 入射光線301は微小プリズム面で全反射して出射光線
302となる。これらが直交するためには。 微小プリズムの頂角βを次式で与えれば良い。 β:π/4−a  ・・・(1) (1)式より、微小プリズムの高さhと周期pの関係は
次式で与えられる。 h=ptan(x/4−a)  −(2)また、入射光
線301の束と出射光線の束の面積比rは次式で与えら
れる。 r=cosθ、/ cosθ+=tanα ・・・(3
)第1図で被照明体105の形状が長方形の場合には、
(3)式の面積比rを小さ(とれば、効率の良い照明が
できる。そのためには、透明体の頂角aを小さくすれば
良い。透明体の頂角αがきまれば、微小プリズムの頂角
βが(1)式から決まる。 微小プリズムの周期pは、影の影響が大きくあられれな
いように、かつ、回折の影響が太き(あられれないよう
に定める。なお、光線の入出射条件に応じて、高反射性
の金属膜または誘電体膜を透明体と周囲(空気)の界面
304へ形成する。 このような微小プリズム構造を有する透明体を使うこと
により、光源から出た光を効率良く、被照明体へ導(こ
とができる。 第2図に、本発明の別の実施例を示す。第2図(A)お
よび第2図(B)は、それぞれ構成の異なる照明装置の
斜視図である。 第2図(Alにおいて、光源101から出た光は不定偏
光な光であり、レンズ102により集光された後、偏光
ビームスプリッタ201の作用により互いに直交する2
つの直線偏光光に分けられる。これらのうち片方の偏光
光は、2分のl波長板202とミラー203を経た後、
微小プリズム構造を有する透明体103へ入射する。も
う片方の偏光光は、そのまま透明体103へ入射する。 そして1両方の光とも、微小プリズム構造の作用により
入射方向に対してほぼ直角に曲げられて、透明体103
より出射する。この時、2つの直線偏光光の偏光方向は
そろっている。このあと、レンズ104により集光され
て、被照明体105へ至る。 透明体103の形状及び構造は、第3図に示したものと
同じである。 第2図(B)においては、各要素の配置が第2図(A)
と異なる。しかし、光源101から出た不定偏光な光を
直線偏光光に変換するという基本的な機能は、第2図(
^)の場合と同じである。 このような照明装置を、液晶プロジェクタのような直線
偏光光を利用する用途へ使った場合、従来技術(第4図
参照)に比べて、約2倍の明るさが得られる。 なお、ここでは単一光源の場合について実施例を示した
が、2次元的に配置された複数光源の場合でも同様の効
果を得ることができる。
[Means for Solving the Problems] A first lighting device of the present invention is characterized by comprising a light source and a transparent body having a micro prism structure. In the second lighting device of the present invention, the shape of the transparent body having the micro prism structure is approximately a triangular prism, and one of the five horizontal sides forming the triangular prism has the micro prism structure; The light source is characterized in that one of the two planes whose surface normal line is in the same plane as the plane having the microprism structure faces the light source. A third lighting device of the present invention is characterized in that, in the first or second lighting device, a polarization splitting element, a half-wave plate, and a mirror are provided in the middle of the optical path from the light source to the transparent body having the micro prism structure. is characterized in that the half-wave plate and the mirror are arranged on the same optical path. A fourth lighting device of the present invention is characterized in that, in the first or second lighting device, a polarization splitting element, a half-wave plate, and a mirror are provided in the middle of the optical path from the light source to the transparent body having the micro prism structure. is characterized in that the half-wave plate and the mirror are arranged on different optical paths. A fifth lighting device of the present invention is characterized in that, in any one of the first to fourth lighting devices, the light source is composed of a plurality of light sources arranged two-dimensionally. A sixth lighting device of the present invention is any one of the first to fifth lighting devices, and is characterized in that it is used to illuminate a light bubble in a projection display device having a light bubble. [Examples] Hereinafter, the content of the present invention will be explained in detail based on Examples. FIG. 1(A) and FIG. 1(B) show an embodiment of the present invention. FIG. 1(A) and FIG. 1(B) are perspective views of one lighting device viewed from different directions. Light emitted from a light source 101 is condensed by a lens 102 and almost perpendicularly enters a transparent body 103 having a micro prism structure. Then, due to the action of the micro prism structure 106, the light is bent at a nearly right angle and exits from the transparent body 103. Thereafter, the light is focused by the lens 104 and
Reaching 05. The shape of the transparent body 103 is approximately a triangular prism,
Surface 103a and surface 103b are perpendicular to each other. Note that instead of the lens 102, an aspherical mirror is used as the light source 1.
It can also be used after 01. Further, the lens 104 is not necessarily required, and a Fresnel lens formed on the light emitting surface of the transparent body 103 may be used instead. FIG. 3 shows a micro prism structure 10 that the transparent body 103 has.
6 is shown. The apex angle of the transparent body 103 is a, and the angle that the incident light ray 301 and the outgoing light ray 302 make with respect to the normal 303 of the surface having the micro prism structure 106 is θ1, respectively.
.. Let θ be [Figure 3 (A)], and let β be the apex angle of the microprism, p be the period, and h be the height [Figure 3 (B)]
. The incident light ray 301 is totally reflected on the micro prism surface and becomes the output light ray 302. For these to be orthogonal. The apex angle β of the micro prism can be given by the following equation. β: π/4-a (1) From equation (1), the relationship between the height h and the period p of the micro prism is given by the following equation. h=ptan(x/4-a)-(2) Furthermore, the area ratio r between the bundle of incident light rays 301 and the bundle of output light rays is given by the following equation. r=cosθ, /cosθ+=tanα...(3
) If the shape of the illuminated object 105 is rectangular in FIG. 1,
If the area ratio r in equation (3) is small (taken), efficient illumination can be achieved.To do this, the apex angle a of the transparent body can be made small.Once the apex angle α of the transparent body is determined, the micro prism The apex angle β is determined from equation (1). The period p of the microprism is determined so that the influence of shadows is not large and the influence of diffraction is large. Depending on the emission conditions, a highly reflective metal film or dielectric film is formed on the interface 304 between the transparent body and the surroundings (air). By using a transparent body with such a micro prism structure, the light emitted from the light source Light can be efficiently guided to the object to be illuminated. Fig. 2 shows another embodiment of the present invention. Fig. 2 (A) and Fig. 2 (B) respectively show illumination with different configurations. Fig. 2 is a perspective view of the apparatus.
It is divided into two linearly polarized lights. One of these polarized lights passes through a half-wave plate 202 and a mirror 203, and then
The light enters a transparent body 103 having a micro prism structure. The other polarized light enters the transparent body 103 as it is. Both lights are bent almost perpendicularly to the direction of incidence by the action of the micro prism structure, and are reflected in the transparent body 103.
Emits more light. At this time, the polarization directions of the two linearly polarized lights are the same. Thereafter, the light is focused by the lens 104 and reaches the object 105 to be illuminated. The shape and structure of the transparent body 103 are the same as those shown in FIG. In Figure 2 (B), the arrangement of each element is as shown in Figure 2 (A).
different from. However, the basic function of converting the irregularly polarized light emitted from the light source 101 into linearly polarized light is shown in Figure 2 (
The same is true for ^). When such a lighting device is used in an application that utilizes linearly polarized light, such as a liquid crystal projector, it can provide about twice the brightness as compared to the conventional technology (see FIG. 4). Note that although the embodiment has been described here with respect to a single light source, similar effects can be obtained even in the case of a plurality of light sources arranged two-dimensionally.

【発明の効果】【Effect of the invention】

以上述べたように、本発明を適用した照明装置によれば
、きわめて簡便な手段により従来比で約2倍の光利用効
率を実現できる。
As described above, according to the lighting device to which the present invention is applied, it is possible to achieve light utilization efficiency approximately twice as high as that of the conventional method using extremely simple means.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図(A)および第1図(B)は本発明の一実施例に
よる照明装置の斜視図、 第2図(A)および第2図(B)はそれぞれ本発明の別
の実施例による照明装置の斜視図、第3図(A)および
第3図(B)は本発明の照明装置の主構成要素である透
明体の構造を示す断面図、 第4図(A)および第4図(B)はそれぞれ従来の照明
装置の平面図である。 101・・・光源、 102・・・レンズ、 103・・・透明体、 103B・・・面、 103b・・・面、 104・・・レンズ、 105・・・被照明体、 106・・・微小プリズム構造。 201・・・偏光ビームスプリッタ、 2θ2・・・2分の1波長板、 203・・・ミラー 210・・・不定偏光、 211・・・偏光、 212・・・偏光、 301・・・入射光線、 302・・・出射光線、 303・・・面の法線、 304・・・界面、 401・・・凹面ミラー 402・・・凸レンズ。 403・・・光源、 404・・・楕円ミラー 第 図 (B) 第 図 (A) 第2図 <8> σ 第3図 (8) 03 第 図 (8) 401:凹面ミラー 402:凸レンズ
1(A) and 1(B) are perspective views of a lighting device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2(A) and FIG. 2(B) are respectively according to another embodiment of the present invention. 3(A) and 3(B) are perspective views of the lighting device, and FIG. 4(A) and FIG. (B) is a plan view of each conventional lighting device. 101... Light source, 102... Lens, 103... Transparent body, 103B... Surface, 103b... Surface, 104... Lens, 105... Illuminated object, 106... Minute Prism structure. 201... Polarizing beam splitter, 2θ2... Half wavelength plate, 203... Mirror 210... Undefined polarization, 211... Polarized light, 212... Polarized light, 301... Incident light beam, 302... Outgoing ray, 303... Normal to surface, 304... Interface, 401... Concave mirror 402... Convex lens. 403... Light source, 404... Elliptical mirror Figure (B) Figure (A) Figure 2 <8> σ Figure 3 (8) 03 Figure (8) 401: Concave mirror 402: Convex lens

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)光源と、微小プリズム構造を有する透明体とを備え
、前記光源からの射出光を前記透明体を介して出力する
ことを特徴とする照明装置。 2)前記微小プリズム構造を有する透明体の形状はほぼ
三角柱であって、該三角柱を形成する5つの水平のうち
のひとつが当該微小プリズム構造を有し、かつ、当該微
小プリズム構造を有する平面と面法線が同じ平面内にあ
る2つの平面の一方が前記光源に対向していることを特
徴とする請求項1に記載の照明装置。 3)前記光源から前記微小プリズム構造を有する透明体
に至る光路の途中に、偏光分離素子と2分の1波長板と
ミラーを、該2分の1波長板と該ミラーが同じ光路上に
くるように配置したことを特徴とする請求項1又は請求
項2に記載の照明装置。 4)前記光源から前記微小プリズム構造を有する透明体
に至る光路の途中に、偏光分離素子と2分の1波長板と
ミラーを、該2分の1波長板と該ミラーが異なる光路上
にくるように配置したことを特徴とする請求項1又は請
求項2に記載の照明装置。 5)前記光源として、2次元的に配置された複数の光源
を用いることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか
に記載の照明装置。 6)前記透明体からの出力光を、投射型表示装置のライ
トバブルを照明するために用いることを特徴とする請求
項1ないし5のいずれかに記載の照明装置。
Claims: 1) An illumination device comprising a light source and a transparent body having a micro prism structure, and outputting light emitted from the light source through the transparent body. 2) The shape of the transparent body having the micro prism structure is approximately a triangular prism, and one of the five horizontal planes forming the triangular prism has the micro prism structure, and a flat surface having the micro prism structure. The lighting device according to claim 1, wherein one of the two planes whose surface normals lie within the same plane faces the light source. 3) A polarization separation element, a 1/2 wavelength plate, and a mirror are placed in the middle of the optical path from the light source to the transparent body having the micro prism structure, and the 1/2 wavelength plate and the mirror are placed on the same optical path. The lighting device according to claim 1 or 2, characterized in that the lighting device is arranged as follows. 4) A polarization separation element, a half-wave plate, and a mirror are placed in the middle of the optical path from the light source to the transparent body having the micro-prism structure, and the half-wave plate and the mirror are placed on different optical paths. The lighting device according to claim 1 or 2, characterized in that the lighting device is arranged as follows. 5) The lighting device according to claim 1, wherein a plurality of two-dimensionally arranged light sources are used as the light source. 6) The lighting device according to claim 1, wherein the light output from the transparent body is used to illuminate a light bubble of a projection display device.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6223022A (en) * 1985-07-23 1987-01-31 Canon Inc Lighting device
JPS63121821A (en) * 1986-11-12 1988-05-25 Hitachi Ltd Liquid crystal display device

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