WO2013118272A1 - 照明光学系および投写型表示装置 - Google Patents

照明光学系および投写型表示装置 Download PDF

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reflecting mirror
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政美 高内
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Ｎｅｃディスプレイソリューションズ株式会社
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    • G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
    • G03B21/2013—Plural light sources
    • G—PHYSICS
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    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2066—Reflectors in illumination beam

Definitions

  • the present invention relates to an illumination optical system including a parabolic reflector that collects light beams emitted from a plurality of solid state light sources, and a projection display device including the illumination optical system.
  • a discharge lamp such as a high-pressure mercury lamp or a xenon lamp is mainly used as a light source of an illumination optical system.
  • the discharge lamp has an advantage that a high-luminance light beam can be obtained with a point light source.
  • the life of the discharge lamp is about several thousand hours, and it is necessary to replace the discharge lamp periodically. Therefore, in recent years, solid light sources such as light emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs) have attracted attention.
  • a projector using a solid light source Since the wavelength range of light emitted from a solid light source is limited, a projector using a solid light source has an advantage of high color reproducibility of images. Further, the solid light source has an advantage that the response time for lighting is short. On the other hand, since the luminance of light emitted from a single solid light source is relatively small, for example, when used in a projector, several to several tens of solid light sources are used.
  • a plurality of solid state light sources are generally arranged on a substrate that controls power supply and lighting.
  • Some projectors use light pipes to make the illuminance distribution of the illumination light uniform.
  • the illumination optical system when the light beam diameter of the light emitted from the illumination optical system is large, it is necessary to increase the incident surface of the light pipe, and the illumination optical system becomes large.
  • the incident surface of the light pipe is smaller than the beam diameter, a part of the light cannot enter the light pipe, and the light use efficiency of the illumination optical system is lowered. Therefore, it is desirable that an illumination optical system having a plurality of solid light sources arranged includes an optical system that condenses light emitted from the solid light sources to reduce the beam diameter.
  • FIG. 1 shows an illumination optical system including a condensing lens that collects light beams emitted from a plurality of solid state light sources.
  • the plurality of solid light sources 110 are arranged on the substrate 112 in order to control power supply and lighting thereof. Each light emitted from each solid light source 110 is condensed on the incident surface of the light pipe 126 by the condenser lens 120.
  • the distance from the solid light source 110 to the focal point of the condenser lens 120 is the sum of the distance from the solid light source 110 to the condenser lens 120 and the distance from the condenser lens 120 to the focal point. Therefore, a light path for traveling this distance must be ensured, and there is a limit to downsizing the illumination optical system.
  • the illumination optical system in order to improve the light utilization efficiency of the illumination optical system, it is necessary to reduce the light divergence angle or the convergence angle so that most of the light beam can enter the light pipe 126.
  • the light divergence angle or the converging angle is reduced by the condensing lens 120, it is necessary to increase the distance between the condensing lens 120 and the focal point of the condensing lens 120. In this case, the illumination optical system becomes large.
  • the illumination optical system described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-216503 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-12620 (Patent Document 2) includes a parabolic reflector that collects light emitted from a plurality of solid light sources. ing.
  • this illumination optical system light emitted from a plurality of solid-state light sources arranged on a plane is reflected by a parabolic reflecting mirror and collected at the focal point of the parabolic reflecting mirror.
  • the traveling direction of the light reflected by the parabolic reflector is bent. Even in this case, it is necessary to secure a light path from the solid light source to the parabolic reflector and a light path from the parabolic reflector to the focal point. There is a limit.
  • FIG. 6 of Patent Document 2 it is described that a plurality of solid light sources are arranged on a spherical surface so that light beams emitted from the solid light sources are directly collected at one point.
  • arranging a plurality of solid-state light sources on a spherical surface is difficult in manufacturing and causes an increase in manufacturing cost.
  • the solid light sources are arranged on the substrate for power supply and lighting control, it is desirable that the plurality of solid light sources be arranged on a plane from the viewpoint of ease of manufacturing and / or cost reduction.
  • an illumination optical system that includes a parabolic reflecting mirror that collects light beams emitted from a plurality of solid-state light sources, and that can be easily manufactured and reduced in size.
  • An illumination optical system includes a parabolic reflecting mirror having a rotating parabolic reflecting portion, a flat substrate having a window portion through which light passes on the rotation axis of the emitting surface reflecting mirror, a window A plurality of solid-state light sources arranged on a substrate around the part and emitting light parallel to the rotation axis toward the radiation surface reflecting mirror, the light emitting point being between the focal point of the reflecting part and the reflecting part A plurality of solid-state light sources disposed on the optical system, and an optical system that changes the traveling direction of the light reflected by the reflecting portion and passing through the focal point for each of the emitted lights of the plurality of solid-state light sources.
  • a projection display device of the present invention includes the illumination optical system described above.
  • the illumination optical system and the projection display device having the above-described configuration have advantages that they are easy to manufacture and can be miniaturized.
  • FIG. 2 shows the configuration of the illumination optical system in the first embodiment.
  • the illumination optical system includes a plurality of solid light sources 10 and a parabolic reflecting mirror 16. Several to several tens of solid light sources 10 may be arranged on the substrate around the window portion 14 that transmits light formed on the flat substrate 12.
  • the window part 14 may be a hollow part or may be a transparent member that transmits light. LD or LED can be used for the solid light source 10.
  • the substrate 12 is preferably an electronic substrate that supplies power to the plurality of solid-state light sources 10 and controls lighting thereof.
  • the substrate 12 lead wires for supplying power to the solid light source 10 are formed.
  • the window portion 14 may be a through hole formed in the substrate 12.
  • the parabolic reflecting mirror 16 is arranged so that the rotating parabolic reflecting portion faces the solid light sources 10. Light emitted from the plurality of solid state light sources 10 is reflected by the parabolic reflecting mirror 16. The light reflected by the parabolic reflecting mirror 16 is collected at the focal point of the parabolic reflecting mirror 16. The focal point of the parabolic reflecting mirror 16 is preferably located on the rotation axis of the parabolic reflecting mirror 16 and farther from the emission point of the solid light source. Further, the focal point of the parabolic reflecting mirror 16 is more preferably located near or inside the window portion 14 formed on the rotation axis of the parabolic reflecting mirror 16 of the substrate 12. The light reflected by the parabolic reflecting mirror 16 travels toward the window portion 14. The light reflected by the parabolic reflecting mirror 16 passes through the window portion 14.
  • the focal point of the parabolic reflecting mirror 16 is located in the window portion 14, the diameter of the light beam at the window portion 16 becomes as small as possible, so that the opening diameter of the window portion 14 can be reduced.
  • An optical system 20 that captures light reflected by the parabolic reflector 16 is provided on the side opposite to the parabolic reflector 16 with respect to the window portion 14.
  • the optical system 20 is a collimator that converts light reflected by the parabolic reflecting mirror 16 into parallel light.
  • the optical system 20 is not limited to this, and any optical system 20 may be used as long as the convergence angle or the divergence angle of the light reflected by the parabolic reflecting mirror 16 is reduced. That is, the optical system 20 changes the traveling direction of the light reflected by the reflecting portion and passed through the focal point for each of the emitted lights of the plurality of solid state light sources, and generates light having a small divergence angle or convergence angle.
  • the illumination optical system since the plurality of solid light sources 10 are arranged on the flat substrate 12, the illumination optical system can be easily manufactured. Further, the light emitted from the plurality of solid state light sources 10 is folded back by the ellipsoidal reflecting mirror 16 and collected at the focal point of the ellipsoidal reflecting mirror 16. The light path from the ellipsoidal reflecting mirror 16 to its focal point almost overlaps the light path from the solid light source 10 to the ellipsoidal reflecting mirror 16. Thereby, an illumination optical system can be reduced in size.
  • the illumination optical system is Further downsizing can be achieved.
  • FIG. 3 shows a configuration of an illumination optical system in a first modification obtained by improving the illumination optical system shown in FIG.
  • the illumination optical system shown in FIG. 3 includes the solid-state light source 10 and the parabolic reflector 16 shown in FIG. 2 and a light pipe 26 that makes the illuminance distribution of light uniform.
  • the light that has passed through the window 14 passes through the collimator 20, the reflecting mirror 22, and the condenser lens system 24, and is condensed on the incident surface of the light pipe 26.
  • the condensing lens system 24 condenses the light that has passed through the window portion 14 on the incident surface of the light pipe 26.
  • the condenser lens system 24 may be composed of one lens or a plurality of lenses.
  • the light incident on the light pipe 26 is reflected a plurality of times inside the light pipe 26, and light having a uniform illuminance distribution is formed on the exit surface of the light pipe 26.
  • the reflecting plate 22 which changes the advancing direction of light toward the light pipe 26 may be provided.
  • FIG. 4 shows a configuration of an illumination optical system in a second modification obtained by improving the illumination optical system shown in FIG.
  • the illumination optical system shown in FIG. 4 includes the solid-state light source 10 and the parabolic reflector 16 shown in FIG. 2 and a pair of fly-eye lenses 30 and 32.
  • the optical system provided on the back side of the solid light source 10 has a collimator 20 that converts light that has passed through the window portion 14 into parallel light.
  • This optical system has a reflecting mirror 22 that guides parallel light to the fly-eye lens 30.
  • the illumination optical system using the fly-eye lenses 30 and 32 is preferably used for a projector using a transmissive display element such as an LCD.
  • FIG. 5 shows an illumination optical system that emits a light beam composed of light of three primary colors (red, blue, and green).
  • This illumination optical system has two illumination optical systems shown in FIG.
  • the first illumination optical system 40a emits green light. That is, the solid light source 10 provided in the first illumination optical system 40a may be a laser light source that emits green light. Since green light has high visibility and greatly affects the measured brightness value, it is preferable to use a larger number of solid light sources than solid light sources that emit blue light.
  • the solid-state light source 10 provided in the second illumination optical system 40b may be a laser light source that emits blue light.
  • the blue laser light sources that are currently commonly used are energy efficient and may be relatively few.
  • an LED can be used as the light source 42 that emits red light.
  • the red LED currently in general use can emit light with sufficient luminance.
  • an illumination optical system having a solid light source that emits red light and having the same configuration as that of FIG. 2 may be used.
  • the illumination optical system shown in FIG. 5 includes a first dichroic mirror 44 and a second dichroic mirror 46.
  • the first dichroic mirror 44 transmits red light and reflects green light.
  • the second dichroic mirror 46 transmits red and green light and reflects blue light.
  • the green light emitted from the first illumination optical system 40 a and the red light emitted from the light source 42 are combined via the first dichroic mirror 44.
  • Green light and red light synthesized by the first dichroic mirror 44 and blue light emitted from the second illumination optical system 40 b are synthesized by the second dichroic mirror 46. Accordingly, the illumination optical system can emit white light in which the three primary colors are combined. What is necessary is just to adjust suitably the kind and quantity of the light source of each color according to the use, purpose, etc. of an illumination optical system.
  • the illumination optical system that synthesizes the light of the three primary colors and emits white light has been described.
  • the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to an illumination optical system that combines light of two or more colors.
  • a dichroic mirror that combines light emitted from the illumination optical system shown in FIG. 2 and light emitted from a light source that emits light having a wavelength different from the wavelength of the light may be used.
  • FIG. 6 shows an example of the configuration of a projection display device including the illumination optical system shown in FIG.
  • the projection display device includes a light pipe 50, a color wheel 51, mirrors 52 and 55, lenses 54 and 56, a reflective display element 59, and a projection lens 58.
  • the white light emitted from the illumination optical system 40 is collected on the incident surface of the light pipe 50.
  • the light pipe 50 makes the illuminance distribution of the incident light uniform.
  • a light tunnel or a rod lens can be used as the light pipe 50.
  • the inside of the light tunnel is hollow, and the inner surface of the light tunnel is a mirror.
  • the rod lens is a prism made of a transparent material such as glass, and is formed so that light is totally reflected on the side surface of the prism.
  • a reflective film may be provided on the side surface of the prism.
  • the light beam emitted from the light pipe 50 is time-divided by the rotating color wheel 51.
  • the color wheel 51 includes a filter in which a wavelength component that is transmitted in accordance with a color component of a display image is adjusted. That is, in the color wheel 51, filters that transmit red, blue, and green are arranged side by side in the rotation direction.
  • the size of the illumination range of the light beam transmitted through the color wheel 51 is adjusted by the lenses 54 and 56. Further, the mirrors 52 and 55 irradiate the reflective display element 59 with light by changing the traveling direction of the light.
  • the reflective display element 59 has a function of switching image information in accordance with the color component of light transmitted through the color wheel 51.
  • the light beam that has captured the image information of the reflective display element 59 is projected onto a screen or the like by the projection lens 58.
  • FIG. 7 shows the configuration of the illumination optical system of the second embodiment.
  • the illumination optical system of this embodiment includes a solid light source 10 and a parabolic reflecting mirror 16.
  • the configurations of the solid-state light source 10 and the parabolic reflecting mirror 16 are the same as those of the illumination optical system shown in FIG.
  • the lens 60 is disposed in the window portion 14.
  • the lens 60 receives the light reflected by the parabolic reflecting mirror 16, reduces the light divergence angle, and guides the light to the collimator 62.
  • the lens 60 reduces the divergence angle of the light reflected by the radiation surface reflecting mirror 16. That is, the lens 60 travels the light reflected by the radiation reflector 16 so as to reduce the angle between the travel direction of the light reflected by the radiation reflector 16 and the rotation axis of the radiation reflector 16. change.
  • the light utilization efficiency is improved in the optical system disposed after the lens 60. can do.
  • the illumination optical system of the present embodiment is particularly effective when a large number of solid light sources 10 are provided on the substrate 12.
  • the focusing angle of the light condensed on the window portion 14 is increased. Even in this case, there is an advantage that the divergence angle of the light passing through the lens 60 can be reduced by arranging the lens 60 in the window portion 14.
  • FIG. 8 shows the configuration of the illumination optical system of the third embodiment.
  • the illumination optical system of this embodiment includes a solid light source 10 and a parabolic reflecting mirror 16.
  • the configurations of the solid-state light source 10 and the parabolic reflecting mirror 16 are the same as those of the illumination optical system shown in FIG.
  • the illumination optical system of this embodiment includes a cylindrical light shielding plate 66 that is disposed coaxially with the rotation axis of the radiation surface reflecting mirror 16 and surrounds the window portion 14. It is preferable that the cylindrical light shielding plate 66 protrudes toward the parabolic reflecting mirror 16 rather than one surface of the substrate 12 on which the solid light source 10 is provided.
  • the light shielding plate 66 prevents the light reflected by the parabolic reflecting mirror 16 from irradiating the solid light source 10 by being shifted from the window portion 14. Thereby, the heat_generation
  • FIG. 9 shows the configuration of the illumination optical system of the fourth embodiment.
  • the illumination optical system of this embodiment includes a solid light source 10 and a parabolic reflecting mirror 16.
  • the configurations of the solid-state light source 10 and the parabolic reflecting mirror 16 are the same as those of the illumination optical system shown in FIG.
  • the heat sink 72 is provided on the opposite side of the substrate 12 from the surface on which the solid light source 10 is disposed. Since the solid light source 10 generates heat when it is turned on, the cooling efficiency of the solid light source 10 is improved by the heat sink 72.
  • the distance from the solid light source 10 to the collimator 20 is increased, so that the diameter of the collimator 20 that captures the light that has passed through the window portion 14 is increased.
  • a light pipe 70 penetrating the window portion 14 along the rotation axis of the radiation surface reflecting mirror 16 is provided.
  • the light pipe 70 makes the illuminance distribution of the light reflected by the radiation surface reflecting mirror 16 uniform, and emits light with the uniform illuminance distribution.
  • the light pipe 70 takes in the light collected by the parabolic reflector 16 and guides the light to the collimator 20. Therefore, most of the light can be used without increasing the effective diameter of the collimator 20 that takes in the light that has passed through the window portion 14. Thereby, the fall of the light utilization efficiency of the illumination optical system after the collimator 20 can be suppressed.
  • the heat sink 72 is provided on the back side of the solid light source 10, but the light pipe 70 that penetrates the window portion 14 is also provided when components other than the heat sink are provided on the back side of the solid light source 10. It is preferable.
  • FIG. 10 shows the configuration of the illumination optical system of the fifth embodiment.
  • the illumination optical system of this embodiment includes a solid light source 10 and a parabolic reflecting mirror 86.
  • the configurations of the solid-state light source 10 and the parabolic reflecting mirror 86 are substantially the same as those of the illumination optical system shown in FIG.
  • the illumination optical system in the present embodiment is a second paraboloidal reflector that includes a rotating paraboloidal reflector that reflects the light reflected by the paraboloidal reflector 86 toward the paraboloidal reflector 86. 80.
  • the second parabolic reflecting mirror 80 is preferably disposed behind the window portion 14 with respect to the parabolic reflecting mirror 86.
  • the parabolic reflector 86 has a window portion 84 that allows the light reflected by the second paraboloid reflector 80 to pass on the rotation axis of the paraboloid reflector 86. Thereby, the light from the plurality of solid state light sources 10 is finally emitted from the window portion 84 of the parabolic reflecting mirror 86.
  • a reflecting plate 82 that changes the traveling direction of the light emitted from the window portion 84 is provided outside the window portion 84 of the parabolic reflector 86.
  • the second paraboloid reflecting mirror 80 is arranged so that its focal point substantially coincides with the focal point of the first parabolic reflecting mirror 86. Thereby, the light reflected by the second paraboloid reflecting mirror 80 is substantially converted into parallel light.
  • the distance between the second parabolic reflector 80 and its focal point is preferably smaller than the distance between the first parabolic reflector 86 and its focal point. Therefore, light having a light beam diameter smaller than the light beam diameter of the whole light beam emitted from the plurality of solid state light sources 10 can be obtained.
  • the illumination optical system of the present embodiment is advantageous when it is difficult to arrange various optical systems behind the plurality of solid light sources 10.
  • FIG. 11 shows the configuration of the illumination optical system of the sixth embodiment.
  • an ellipse provided with a spheroidal reflecting section instead of the second parabolic reflector 80 in the illumination optical system (see FIG. 10) of the fifth embodiment.
  • a surface reflecting mirror 90 is provided.
  • the focal point of the parabolic reflector 86 and the position of the first focal point of the ellipsoidal reflector 90 are substantially the same.
  • the second focal point of the ellipsoidal reflecting mirror 90 is preferably located farther than the window portion 84 of the parabolic reflecting mirror 86. Thereby, the light reflected by the ellipsoidal reflecting mirror 90 is collected on the back side of the parabolic reflecting mirror 86.
  • a concave lens 92 for converting the condensed light reflected by the ellipsoidal reflecting mirror 90 into parallel light is provided on the back side of the parabolic reflecting mirror 86.
  • an arbitrary reflecting plate 82 that changes the traveling direction of the light emitted from the window portion 84 is provided outside the window portion of the parabolic reflecting mirror 86.
  • the ellipsoidal reflecting mirror 90 can be arranged at a location further away from the focal position of the parabolic reflecting mirror 86. is there.
  • the farther from the focal position of the parabolic reflector 86 the larger the beam diameter of the light incident on the ellipsoidal reflector 90.
  • the light reflected by the ellipsoidal reflector 90 becomes condensed light, so The beam diameter of incident light can be reduced. As a result, the beam diameter of the light finally emitted from the illumination optical system can be reduced.
  • the illumination optical system of the present embodiment is advantageous when it is difficult to arrange various optical systems on the back surface of the plurality of solid-state light sources 10 as in the fifth embodiment.

Abstract

　本発明の目的は、製造が容易で小型化が可能な照明光学系を提供することにある。照明光学系は、回転放物面状の反射部を備えた放物面反射鏡と、放射面反射鏡の回転軸上に光を通す窓部が形成された平板の基板と、窓部周りの基板上に配置され、回転軸と平行に光を出射する複数の固体光源であって、発光点が反射部の焦点より放射面反射鏡の近くに配置された複数の固体光源と、窓部に対して放物面反射鏡とは反対側に配置され、窓部を通過した光の収束角または発散角を放物面反射鏡で反射した光の収束角または発散角よりも小さくする光学系と、を備えている。

Description

照明光学系および投写型表示装置
　本発明は、複数の固体光源から出射した光線を集光する放物面反射鏡を備えた照明光学系、および当該照明光学系を備えた投写型表示装置に関する。
　プロジェクタのような投写型表示装置では、照明光学系の光源として、主に高圧水銀ランプやキセノンランプ等の放電ランプが用いられている。放電ランプは、点光源で高輝度の光線が得られるという利点を有する。しかしながら、放電ランプの寿命は数千時間程度であり、定期的に放電ランプを交換する必要がある。そこで、近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の固体光源が注目されている。
　固体光源から出射した光線の波長域は限定されているため、固体光源を用いたプロジェクタでは、映像の色再現性が高いという利点がある。また、固体光源は、点灯に関する応答時間が短いという利点も有している。一方、単一の固体光源から出射した光線の輝度は比較的小さいため、例えばプロジェクタで利用する場合、数個～数十個の固体光源が用いられる。
　複数の固体光源は、一般に電力の供給及び点灯の制御を行う基板上に配列される。各々の固体光源の周りには、固体光源に電力を供給するリード線やその他の構造物などが存在する。そのため、互いに隣接する固体光源の間の間隔を小さくすることは困難である。したがって、複数の固体光源から発せられた光線全体からなる光束径は大きくなる。光束径が大きいと、その光束を取り込む光学系のサイズは大きくなってしまう。
　プロジェクタには、照明光の照度分布を均一化するためにライトパイプを用いたものがある。このような構成では、照明光学系から出射した光の光束径が大きい場合、ライトパイプの入射面を大きくする必要があり、照明光学系が大型化してしまう。ライトパイプの入射面が光束径よりも小さい場合には、一部の光がライトパイプに入射することができず、照明光学系の光利用効率が低下する。したがって、複数配列された固体光源を有する照明光学系は、固体光源から出射した光を集光して光束径を小さくする光学系を備えていることが望ましい。
　図１は、複数の固体光源が出射した光線を集光する集光レンズを含む照明光学系を示している。複数の固体光源１１０は、電力供給やその点灯を制御するために基板１１２上に配列されている。各固体光源１１０から出射した各光は集光レンズ１２０によってライトパイプ１２６の入射面に集光されている。
　固体光源１１０から集光レンズ１２０の焦点までの距離は、固体光源１１０から集光レンズ１２０までの距離と、集光レンズ１２０からその焦点までの距離との和になる。したがって、この距離を進むための光の経路を確保しなければならず、照明光学系の小型化には限界がある。
　また、照明光学系の光利用効率を向上させるためには、光束の大部分がライトパイプ１２６に入射できるように光の発散角または収束角を小さくする必要がある。しかしながら、集光レンズ１２０によって光の発散角または集束角を小さくする場合、集光レンズ１２０と当該集光レンズ１２０の焦点との間の距離を長くする必要がある。この場合、照明光学系が大型化してしまう。
　特開２００２－２１６５０３号（特許文献１）および特開２００４－１２６２０号（特許文献２）に記載の照明光学系は、複数の固体光源から出射した光を集光する放物面反射鏡を備えている。この照明光学系では、平面上に配置された複数の固体光源から出射した光は、放物面反射鏡で反射し、放物面反射鏡の焦点に集光される。放物面反射鏡で反射した光の進行方向は曲げられている。この場合においても、固体光源から放物面反射鏡までの光の経路と、放物面反射鏡からその焦点までの光の経路とを確保しなければならず、照明光学系の小型化には限界がある。
　また、特許文献２の図６には、固体光源から出射した光線が一点に直接集まるように、複数の固体光源を球面上に配列することが記載されている。しかしながら、複数の固体光源を球面上に配列することは、製造上困難であり、製造コストの増大を招いてしまう。特に、固体光源は電力供給や点灯制御のために基板に配置されるため、製造の容易性および／または低コスト化の観点から、複数の固体光源は平面上に配列されることが望ましい。
　したがって、複数の固体光源から出射した光線を集光する放物面反射鏡を備えた照明光学系であって、製造が容易で小型化が可能な照明光学系が望まれる。
特開２００２－２１６５０３号 特開２００４－１２６２０号
　本発明の照明光学系は、回転放物面状の反射部を備えた放物面反射鏡と、放射面反射鏡の回転軸上に光を通す窓部が形成された平板の基板と、窓部周りの基板上に配置され、放射面反射鏡に向けて上記回転軸と平行に光を出射する複数の固体光源であって、発光点が反射部の焦点と反射部との間となるように配置された複数の固体光源と、複数の固体光源のそれぞれの出射光について、反射部にて反射されて焦点を通過した光の進行方向を変える光学系と、を備えている。
　また、本発明の投射型表示装置は、上記の照明光学系を備えている。
　上記構成の照明光学系および投射型表示装置は、製造が容易であり、小型化が可能であるという利点を有している。
関連技術に関する照明光学系の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態における照明光学系の構成を示す図である。 図２に示す照明光学系を改良した第１の変形例における照明光学系の構成を示す図である。 図２に示す照明光学系を改良した第２の変形例における照明光学系の構成を示す図である。 三原色の光が合成された白色光を出射する照明光学系の構成を示す図である。 図５に示す照明光学系を含む投射型表示装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態における照明光学系の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態における照明光学系の構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態における照明光学系の構成を示す図である。 本発明の第５の実施形態における照明光学系の構成を示す図である。 本発明の第６の実施形態における照明光学系の構成を示す図である。
　次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
　図２は第１の実施形態における照明光学系の構成を示している。照明光学系は、複数の固体光源１０と放物面反射鏡１６を備えている。固体光源１０は、平板の基板１２上に形成された光を通す窓部１４の周りの当該基板上に数個から数十個配置されていて良い。窓部１４は、空洞部であって良く、あるいは光を透過する透明部材であっても良い。固体光源１０は、ＬＤやＬＥＤを用いることができる。
　基板１２は、複数の固体光源１０に電力を供給し、その点灯の制御を行う電子基板であることが好ましい。基板１２には、固体光源１０に電力を供給するリード線などが形成されている。この場合、窓部１４は、基板１２に形成された貫通穴であって良い。
　放物面反射鏡１６は、回転放物面状の反射部が複数の固体光源１０に対向するように配置されている。複数の固体光源１０から出射した光は放物面反射鏡１６で反射する。放物面反射鏡１６で反射した光は、放物面反射鏡１６の焦点に集光する。放物面反射鏡１６の焦点は、放物面反射鏡１６の回転軸上に位置しており、固体光源の発光点よりも遠方に位置していることが好ましい。また、放物面反射鏡１６の焦点は、基板１２の、放物面反射鏡１６の回転軸上に形成された窓部１４の近傍または内部に位置していることがより好ましい。放物面反射鏡１６で反射した光は窓部１４に向けて進む。放物面反射鏡１６で反射した光は窓部１４を通り抜ける。
　放物面反射鏡１６の焦点が窓部１４内に位置していると、窓部１６での光束径が出来るだけ小さくなるため、窓部１４の開口径を小さくすることができる。
　窓部１４に対して放物面反射鏡１６とは反対側には、放物面反射鏡１６で反射した光を取り込む光学系２０が設けられている。この光学系２０は、図２では、放物面反射鏡１６で反射した光を平行光に変換するコリメータである。これに限らず、光学系２０は、放物面反射鏡１６で反射した光の収束角または発散角を小さくするものであれば良い。つまり、光学系２０は、複数の固体光源のそれぞれの出射光について、反射部にて反射されて焦点を通過した光の進行方向を変え、発散角または収束角の小さい光を生成する。光学系２０により光束径の拡大を抑制または防止することで、光学系２０から出射した光を取り込む別の光学系のサイズを抑制したり、光利用効率の低下を抑制したりすることができる。
　上記構成の照明光学系では、複数の固体光源１０は平板の基板１２上に配列されているため、当該照明光学系の製造が容易である。また、複数の固体光源１０から出射した光は楕円面反射鏡１６で折り返し、楕円反射鏡１６の焦点に集光する。楕円面反射鏡１６からその焦点までの光の経路は、固体光源１０から楕円面反射鏡１６までの光の経路とほとんど重複している。これにより、照明光学系を小型化することができる。
　また、放物面反射鏡１６の焦点付近、つまり窓部１４付近のスペースであって光の進行に影響を与えないデッドスペースに、複数の固体光源１０が配置されているため、照明光学系をさらに小型化することができる。
　図３は、図２に示す照明光学系を改良した第１の変形例における照明光学系の構成を示している。図３に示す照明光学系は、図２に示す固体光源１０および放物面反射鏡１６と、光の照度分布を均一にするライトパイプ２６と、を有している。
　窓部１４を通り抜けた光は、コリメータ２０，反射鏡２２および集光レンズ系２４を通過して、ライトパイプ２６の入射面に集光する。集光レンズ系２４は、窓部１４を通過した光をライトパイプ２６の入射面に集光させる。集光レンズ系２４は、１つのレンズから構成されていてもよく、複数のレンズから構成されていても良い。
　ライトパイプ２６に入射した光はライトパイプ２６の内部で複数回反射し、ライトパイプ２６の出射面で均一な照度分布を有する光が形成される。なお、図３に示すように、ライトパイプ２６に向けて、光の進行方向を変える反射板２２が設けられていても良い。
　図４は、図２に示す照明光学系を改良した第２の変形例における照明光学系の構成を示している。図４に示す照明光学系は、図２に示す固体光源１０および放物面反射鏡１６と、一対のフライアイレンズ３０，３２と、を有している。
　固体光源１０の裏側に設けられた光学系は、窓部１４を通り抜けた光を平行光に変換するコリメータ２０を有している。この光学系は、平行光をフライアイレンズ３０へ導く反射鏡２２を有している。フライアイレンズ３０，３２を用いた照明光学系は、ＬＣＤなどの透過型表示素子を用いたプロジェクタに好適に用いられる。
　図５は、三原色（赤色、青色および緑色）の光が合成された光線を出射する照明光学系を示している。この照明光学系は、図２に示す照明光学系を２つ有している。第１の照明光学系４０ａは緑色の光を出射する。つまり、第１の照明光学系４０ａに備えられた固体光源１０は、緑色の光を射出するレーザ光源であって良い。緑色の光は被視感度が高く、明るさの測定値に影響が大きいため、青色光を出射する固体光源よりも多数の固体光源を用いることが好ましい。
　第２の照明光学系４０ｂに備えられた固体光源１０は、青色の光を射出するレーザ光源であって良い。現在一般に利用されている青色のレーザ光源は、エネルギー効率が高く、比較的少数であって良い。
　赤色の光を照射する光源４２としては、ＬＥＤを用いることができる。現在一般に利用されている赤色のＬＥＤは、十分な輝度の光を出射できる。なお、図５に示すＬＥＤ光源に代えて、赤色の光を射出する固体光源を備えた照明光学系であって図２と同様の構成を有する照明光学系を用いても良い。
　図５に示す照明光学系は、第１のダイクロイックミラー４４および第２のダイクロイックミラー４６を備えている。第１のダイクロイックミラー４４は、赤色の光を透過し、緑の光を反射する。第２のダイクロイックミラー４６は、赤色および緑色の光を透過し、青色の光を反射する。これにより、第１の照明光学系４０ａから出射した緑色光と光源４２から出射した赤色光とは、第１のダイクロイックミラー４４を経由して合成される。第１のダイクロイックミラー４４によって合成された緑色光および赤色光と、第２の照明光学系４０ｂから出射した青色光とが、第２のダイクロイックミラー４６によって合成される。これにより、照明光学系は、三原色の光が合成された白色光を出射することができる。各色の光源の種類や数量は、照明光学系の用途や目的などに応じて適宜調節すれば良い。
　図５に示す例では三原色の光を合成して白色光を出射する照明光学系について説明した。これに限らず、本発明は２以上の色の光を合成する照明光学系に適用できる。この場合、図２に示す照明光学系から出射した光と、当該光の波長とは異なる波長の光を出射する光源から出射した光とを合成するダイクロイックミラーを用いれば良い。
　図６は、図５に示す照明光学系を備えた投射型表示装置の構成の一例を示している。投射型表示装置は、ライトパイプ５０、カラーホイール５１、ミラー５２，５５、レンズ５４，５６、反射型表示素子５９および投射レンズ５８を備えている。
　照明光学系４０から出射した白色光はライトパイプ５０の入射面に集光する。ライトパイプ５０は、入射した光の照度分布を均一化する。ライトパイプ５０としては、ライトトンネルやロッドレンズを用いることができる。ライトトンネルの内部は中空であり、ライトトンネルの内側面はミラーとなっている。ロッドレンズは、ガラス等の透明な物質からなる角柱であり、角柱の側面で光が全反射するように形成されている。または、角柱の側面に反射膜が施されていても良い。
　ライトパイプ５０から出射した光線は、回転するカラーホイール５１によって時分割される。カラーホイール５１は、表示画像の色成分に合わせて透過する波長成分が調整されたフィルターを備えている。つまり、カラーホイール５１には、赤色、青色および緑色を透過するフィルターが回転方向に並んで配置されている。
　カラーホイール５１を透過した光線の照明範囲の大きさは、レンズ５４，５６により調整される。また、ミラー５２，５５は、光の進行方向を変えて、反射型表示素子５９に光を照射する。反射型表示素子５９は、カラーホイール５１を透過する光の色成分に合わせて画像情報を切り替える機能を備えている。反射型表示素子５９の画像情報を取り込んだ光線は、投写レンズ５８によりスクリーン等に投写される。
　図７は、第２の実施形態の照明光学系の構成を示している。本実施形態の照明光学系は、固体光源１０および放物面反射鏡１６を備えている。固体光源１０や放物面反射鏡１６の構成は、図２に示す照明光学系と同様である。
　本実施形態の照明光学系では、窓部１４内にレンズ６０が配置されている。レンズ６０は、放物面反射鏡１６で反射した光を受け、光の発散角を小さくした上で光をコリメータ６２へ導く。レンズ６０は、放射面反射鏡１６で反射した光の発散角を小さくする。つまり、レンズ６０は、放射面反射鏡１６で反射した光の進行方向と放射面反射鏡１６の回転軸との間の角度を小さくするように、放射面反射鏡１６で反射した光の進行方向を変える。
　このように、窓部１４の通過した後に入射される光学系、ここではコリメータ６２へ入射する光の発散角を小さくすることで、レンズ６０より後に配置された光学系での光利用効率を向上することができる。
　本実施形態の照明光学系は、特に、基板１２上に多数の固体光源１０が設けられている場合に有効である。多数の固体光源１０により光線全体の光束径が大きくなった場合、窓部１４へ集光する光の集束角は大きくなる。この場合でも、窓部１４内にレンズ６０を配置することで、レンズ６０を通りすぎた光の発散角を小さくすることができるという利点がある。
　図８は、第３の実施形態の照明光学系の構成を示している。本実施形態の照明光学系は、固体光源１０および放物面反射鏡１６を備えている。固体光源１０や放物面反射鏡１６の構成は、図２に示す照明光学系と同様である。
　本実施形態の照明光学系は、放射面反射鏡１６の回転軸と同軸に配置され、窓部１４を取り囲む筒状の遮光板６６を備えている。筒状の遮光板６６は、固体光源１０が設けられた基板１２の一面よりも放物面反射鏡１６側に突出していることが好ましい。遮光板６６は、放物面反射鏡１６で反射した光が、窓部１４からずれて固体光源１０に照射することを防ぐ。これにより、固体光源１０が光を吸収することによる発熱を防ぐことができる。
　図９は、第４の実施形態の照明光学系の構成を示している。本実施形態の照明光学系は、固体光源１０および放物面反射鏡１６を備えている。固体光源１０や放物面反射鏡１６の構成は、図２に示す照明光学系と同様である。
　本実施形態の照明光学系では、基板１２の、固体光源１０が配置された面とは反対側にヒートシンク７２が設けられている。固体光源１０は点灯時に発熱するため、ヒートシンク７２によって固体光源１０の冷却効率を向上させている。
　このように、基板１２の裏側にヒートシンク７２などの部品が設けられている場合、固体光源１０からコリメータ２０までの距離が大きくなるため、窓部１４を通過した光を取り込むコリメータ２０の径を大きくする必要がある。このような場合に、放射面反射鏡１６の回転軸に沿って窓部１４を貫通するライトパイプ７０が設けられることが好ましい。
　ライトパイプ７０は、放射面反射鏡１６で反射した光の照度分布を均一にし、照度分布が均一化された光を出射する。ライトパイプ７０は、放物面反射鏡１６により集光した光を取り込み、その光をコリメータ２０へ導く。そのため、窓部１４を通過した光を取り込むコリメータ２０の有効径を大きくすることなく、光の大部分を利用することができる。これにより、コリメータ２０以降の照明光学系の光利用効率の低下を抑制することができる。
　図９では、固体光源１０の裏側にヒートシンク７２が設けられているが、ヒートシンク以外の部品が固体光源１０の裏側に設けられている場合にも、窓部１４を貫通するライトパイプ７０が設けられることが好ましい。
　図１０は、第５の実施形態の照明光学系の構成を示している。本実施形態の照明光学系は、固体光源１０および放物面反射鏡８６を備えている。固体光源１０や放物面反射鏡８６の構成は、図２に示す照明光学系と概ね同様である。
　本実施形態における照明光学系は、放物面反射鏡８６で反射した光を放物面反射鏡８６へ向けて反射する回転放物面状の反射部を備えた第２の放物面反射鏡８０を備えている。第２の放物面反射鏡８０は、放物面反射鏡８６に対して窓部１４の背後に配置されていることが好ましい。
　また、放物面反射鏡８６は、放物面反射鏡８６の回転軸上に、第２の放物面反射鏡８０で反射した光を通過させる窓部８４を有している。これにより、複数の固体光源１０からの光は、最終的に放物面反射鏡８６の窓部８４から出射する。図１０では、放物面反射鏡８６の窓部８４の外側に、窓部８４から出射した光の進行方向を変える反射板８２が設けられている。
　第２の放物面反射鏡８０は、その焦点が第１の放物面反射鏡８６の焦点と実質的に一致するように配置されていることが好ましい。これにより、第２の放物面反射鏡８０で反射した光は、実質的に平行光に変換される。
　また、第２の放物面反射鏡８０とその焦点との間の距離は、第１の放物面反射鏡８６とその焦点との間の距離よりも小さいことが好ましい。これにより、複数の固体光源１０から発させられた光線全体の光束径よりも小さい光束径の光を得ることができる。
　本実施形態の照明光学系は、複数の固体光源１０の背後に様々な光学系を配置することが困難な場合に有利である。
　図１１は、第６の実施形態の照明光学系の構成を示している。第６の実施形態の照明光学系では、第５の実施形態の照明光学系（図１０参照）における第２の放物面反射鏡８０の代わりに、回転楕円面状の反射部を備えた楕円面反射鏡９０が設けられている。
　放物面反射鏡８６の焦点と楕円面反射鏡９０の第一焦点の位置は、実質的に同じであることが好ましい。また、楕円面反射鏡９０の第二焦点は、放物面反射鏡８６の窓部８４よりも遠くに位置していることが好ましい。これにより、楕円面反射鏡９０で反射した光は放物面反射鏡８６の背面側に集光する。
　また、放物面反射鏡８６の背面側には、楕円面反射鏡９０で反射した集光光を平行光に変換する凹レンズ９２が設けられていることが好ましい。なお、図１１では、放物面反射鏡８６の窓部の外側に、窓部８４から出射した光の進行方向を変える任意の反射板８２が設けられている。
　楕円面反射鏡９０で反射した光は、集光する光に変換されるため、楕円面反射鏡９０が放物面反射鏡８６の焦点位置からより離れた場所に配置することができるという利点がある。放物面反射鏡８６の焦点位置から離れるほど、楕円面反射鏡９０に入射する光の光束径は拡大するが、楕円面反射鏡９０で反射した光は集光光となるため、凹レンズ９２に入射する光の光束径を小さくすることができる。その結果、最終的に照明光学系から出射する光の光束径を小さくすることができる。
　また、本実施形態の照明光学系は、第５の実施形態と同様に、複数の固体光源１０の背面に様々な光学系を配置することが困難な場合に有利である。
　以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。
１０　固体光源
１２　基板
１４　窓部
１６　放物面反射鏡
２０　コリメータ
２２　反射鏡
２４　集光レンズ系
２６　ライトパイプ
３０　フライアイレンズ
３２　フライアイレンズ
６０　レンズ
６６　遮光板
７０　ライトパイプ
７２　ヒートシンク
８０　放物面反射鏡
８２　反射板
８４　窓部
８６　放物面反射鏡
９０　楕円面反射鏡

Claims (10)

  1. 　回転放物面状の反射部を備えた放物面反射鏡と、
    　前記放射面反射鏡の回転軸上に光を通す窓部が形成された平板の基板と、
    　前記窓部周りの前記基板上に配置され、前記放射面反射鏡に向けて前記回転軸と平行に光を出射する複数の固体光源であって、発光点が前記反射部の焦点と前記反射部との間となるように配置された複数の固体光源と、
    　前記複数の固体光源のそれぞれの出射光について、前記反射部にて反射されて前記焦点を通過した光の進行方向を変える光学系と、を備えた照明光学系。
  2. 　前記放物面反射鏡の前記反射部の焦点が前記窓部内に位置している、請求項１に記載の照明光学系。
  3. 　請求項１または２に記載の照明光学系であって、
    　光の照度分布を均一にするライトパイプと、
    　前記光学系を通過した光を前記ライトパイプの入射面に集光させる集光レンズ系と、を有する、照明光学系。
  4. 　請求項１または２に記載の照明光学系であって、
    　前記コリメータで平行光にされた光の照度分布を均一にする一対のフライアイレンズを有し、
    　前記光学系は前記焦点を通過した光を平行光に変換するコリメータである、照明光学系。
  5. 　請求項１から４のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
    　前記放射面反射鏡の前記回転軸と同軸に配置され、前記窓部を取り囲む筒状の遮光板を有し、
    　前記遮光板は、前記複数の固体光源が設けられている前記基板の一面から突出している、照明光学系。
  6. 　請求項１から５のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
    　前記窓部に配置され、前記放射面反射鏡で反射した光の進行方向と前記放射面反射鏡の前記回転軸との間の角度を小さくするように前記放射面反射鏡で反射した光の進行方向を変えるレンズを有している、照明光学系。
  7. 　請求項１から５のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
    　前記放射面反射鏡の前記回転軸に沿って前記窓部を貫通して設けられ、前記放射面反射鏡で反射した光の照度分布を均一にし、照度分布が均一化された光を出射するライトパイプを有する、照明光学系。
  8. 　請求項１から５のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
    　前記光学系は、前記放物面反射鏡で反射した光を該放物面反射鏡へ向けて反射する回転放物面状の反射部を備えた他の放物面反射鏡を有し、
    　前記他の放物面反射鏡の焦点の位置は前記放物面反射鏡の前記焦点の位置と一致しており、
    　前記放物面反射鏡は、該放物面反射鏡の回転軸上に前記他の放物面反射鏡で反射した光を通過させる窓部を有している、照明光学系。
  9. 　請求項１から５のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
    　前記光学系は、前記放物面反射鏡で反射した光を該放物面反射鏡へ向けて反射する回転楕円面状の反射部を備えた楕円面反射鏡を有し、
    　前記楕円反射鏡の第一焦点の位置は前記放物面反射鏡の前記焦点の位置と一致しており、前記楕円反射鏡の第二焦点の位置は前記放物面反射鏡よりも遠方に位置しており、
    　前記放物面反射鏡は、該放物面反射鏡の回転軸上に前記楕円面反射鏡で反射した光を通過させる窓部を有している、照明光学系。
  10. 　請求項１から９のいずれか１項に記載の照明光学系を備えている投射型表示装置。
     
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