JP2019174743A - Optical integrator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光インテグレータに関するものである。 The present invention relates to an optical integrator.
投写型表示装置では、光源から出射された光をデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）や液晶パネル等からなる画像形成素子により変調して画像光を形成し、スクリーン上に投写する。明るさにムラの無い投写画像光を形成するためには、光軸に垂直な面内における強度分布が均一な光束を画像形成素子に導く必要がある。しかし、一般に、光源が発する光束には中央部と周辺部とで大きな強度差が存在する。このような光源からの光束の強度分布を均一化する光学素子として例えば光インテグレータがある。
光インテグレータにはロッドインテグレータとフライアイインテグレータとがある。ロッドインテグレータは、フライアイインテグレータに比べて、投写型表示装置の小型化に対応しやすいといった利点を有し、発光素子を光源とする投写型表示装置に適している。以下、本明細書において、光インテグレータとはロッドインテグレータを意味する。
In a projection display device, light emitted from a light source is modulated by an image forming element such as a digital micromirror device (DMD) or a liquid crystal panel to form image light and projected onto a screen. In order to form projected image light with no unevenness in brightness, it is necessary to guide a light beam having a uniform intensity distribution in a plane perpendicular to the optical axis to the image forming element. However, in general, there is a large intensity difference between the central portion and the peripheral portion of the luminous flux emitted from the light source. For example, there is an optical integrator as an optical element that makes the intensity distribution of the light flux from the light source uniform.
Optical integrators include rod integrators and fly eye integrators. The rod integrator has an advantage that it can easily cope with the miniaturization of the projection display device as compared with the fly eye integrator, and is suitable for a projection display device using a light emitting element as a light source. Hereinafter, in this specification, the optical integrator means a rod integrator.
光インテグレータは、一般に、ガラス製の中実なロッドプリズムにより構成される。光源から出射された光は、収束光束として光インテグレータの入射面に導かれ、光インテグレータの内部に入射し、入射角に応じた回数だけ側面で反射される。側面での光の反射には、ガラスと空気の屈折率の差による全反射を利用するのが一般的である。これにより、光インテグレータ内に入射した光が伝播する間に光束の中央部の光と周辺部の光が交じり合い、出射面上において均一な強度分布を持った光束が得られる。 The optical integrator is generally composed of a solid rod prism made of glass. The light emitted from the light source is guided as a convergent light beam to the incident surface of the optical integrator, enters the inside of the optical integrator, and is reflected from the side surface a number of times according to the incident angle. For reflection of light on the side surface, it is common to use total reflection due to the difference in refractive index between glass and air. As a result, the light in the central part and the light in the peripheral part of the light beam intersect while the light incident on the optical integrator propagates, and a light beam having a uniform intensity distribution on the exit surface is obtained.
上記のような光インテグレータを有する投写型表示装置として、例えば、特許文献１には、光インテグレータと、光インテグレータから出射された光をＤＭＤへ導くための照明レンズとを含む照明系とを備え、ＤＭＤが照明系の光軸に対して傾くように配された投写型表示装置が開示されている。ここでは、光インテグレータの出射面が照明レンズに対して傾斜する構成とされている。そして、このような構成とすることにより、照明光の結像面とＤＭＤの面とが一致し、結像性能が向上すると記載されている。 As a projection display device having the above-described optical integrator, for example, Patent Document 1 includes an illumination system including an optical integrator and an illumination lens for guiding light emitted from the optical integrator to the DMD. A projection display device is disclosed in which the DMD is disposed so as to be inclined with respect to the optical axis of the illumination system. Here, the exit surface of the optical integrator is inclined with respect to the illumination lens. In addition, it is described that with such a configuration, the imaging surface of the illumination light matches the surface of the DMD, and the imaging performance is improved.
しかし、上記構成のように、光インテグレータの出射面を傾斜させた場合、実際には、光源から出射される光のうち、中心角度成分の光が、傾いた出射面で屈折して光軸から反れる方向へと進み、ＤＭＤに十分照射されなくなる惧れがある。 However, when the exit surface of the optical integrator is tilted as in the above configuration, the light of the central angle component is actually refracted by the tilted exit surface from the light axis. There is a risk that the DMD will not be sufficiently irradiated as it goes in the direction of warping.
本発明は、このような課題を解消するためになされたものであり、光変調素子に対する光の利用効率の向上を図ることを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to improve the light use efficiency for the light modulation element.
上記のような問題を解決するため、本発明者らは鋭意検討した結果、複数の所定形状の凸部を、光インテグレータの出射面に、所定のピッチで形成することにより上記の目的を達成できることを見出し、本発明を完成させた。 In order to solve the above problems, the present inventors have conducted intensive studies, and as a result, can achieve the above object by forming a plurality of convex portions having a predetermined shape on the light exit surface of the optical integrator at a predetermined pitch. The present invention was completed.
本発明は、以下の［１］〜［６］を提供する。
［１］光源から供給される光が入射される入射面と、前記入射面に対向し、前記光を出射する出射面を有し、前記出射面に、円錐形状及び多角錐形状の少なくとも何れかの形状を有する凸部が、平均ピッチ１０μｍ以上１００μｍ以下で、複数形成された、光インテグレータ。
［２］前記凸部が、ピラミッド形状からなる、［１］に記載の光インテグレータ。
［３］前記凸部の頂角が、８０度以上１００度以下である、［１］又は［２］に記載の光インテグレータ。
［４］前記複数の凸部からなる領域を、前記出射面の５０％以上の領域に形成した、［１］〜［３］の何れかに記載の光インテグレータ。
［５］出射面から出射される出射光の拡散角度が７０〜９０°である、［１］〜［４］の何れかに記載の光インテグレータ。
The present invention provides the following [1] to [6].
[1] An incident surface on which light supplied from a light source is incident and an exit surface that faces the incident surface and emits the light. The exit surface has at least one of a conical shape and a polygonal pyramid shape. An optical integrator in which a plurality of convex portions having a shape of 1 is formed with an average pitch of 10 μm to 100 μm.
[2] The optical integrator according to [1], wherein the convex portion has a pyramid shape.
[3] The optical integrator according to [1] or [2], wherein an apex angle of the convex portion is not less than 80 degrees and not more than 100 degrees.
[4] The optical integrator according to any one of [1] to [3], wherein the region including the plurality of convex portions is formed in a region of 50% or more of the emission surface.
[5] The optical integrator according to any one of [1] to [4], wherein a diffusion angle of outgoing light emitted from the outgoing surface is 70 to 90 °.
本発明によれば、光インテグレータの出射面から出射される出射光の拡散を抑制して集光性を高め、光変調素子に対する光の利用効率の向上を図ることができる。また、本発明によれば、明暗差の少ない出射光を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the condensing property can be improved by suppressing the spreading | diffusion of the emitted light radiate | emitted from the output surface of an optical integrator, and the utilization efficiency of the light with respect to a light modulation element can be aimed at. Further, according to the present invention, it is possible to obtain outgoing light with little difference in brightness.
以下、本発明の一実施形態における光インテグレータについて詳述する。
［光インテグレータ］
図1に示すように、光インテグレータ２は、偏光を発する偏光光源１とともに、光照射装置を構成する。偏光光源１は、発光点が１つでもよく、同じ偏光成分を有する２つ以上の発光点であってもよい。
本実施形態の光インテグレータ２は、偏光光源１からの入射光ＰＬ１を入射する入射面２１を有し、入射面２１に対向し、入射光ＰＬ１を出射光ＰＬ２として出射する出射面２２を有する。
Hereinafter, an optical integrator in one embodiment of the present invention will be described in detail.
[Optical integrator]
As shown in FIG. 1, the optical integrator 2 constitutes a light irradiation device together with a polarized light source 1 that emits polarized light. The polarized light source 1 may have one emission point or two or more emission points having the same polarization component.
Light integrator 2 of the present embodiment has an incident surface 21 that enters the incident light PL 1 from the polarized light source 1, and faces the entrance surface 21, exit surface 22 for emitting incident light PL 1 as outgoing light PL 2 Have
光インテグレータ２に入射した光は、入射面２１側から出射面２２方向へ伝播すると共に、伝播する光の一部が側面２３で反射し、出射面２２へと導光される。
光インテグレータ２の入射面２１に２つ以上の発光点を有する偏光光源１からの光が入射されると、光が散乱しながら出射面２２方向へ伝播することになるので、内部で光が広がり混色性と均質性の高い光が出射面２２から出射される。
The light incident on the optical integrator 2 propagates from the incident surface 21 side toward the exit surface 22, and part of the propagating light is reflected by the side surface 23 and guided to the exit surface 22.
When light from the polarized light source 1 having two or more light emitting points is incident on the incident surface 21 of the optical integrator 2, the light propagates toward the exit surface 22 while being scattered, so that the light spreads inside. Light with high color mixing and homogeneity is emitted from the emission surface 22.
図1に示すように、出射面２２は、複数の円錐形状及び/又は多角錐形状の凸部２４を備えている。これら複数の凸部２４は、出射面２２と同一部材で一体に形成されている。これら複数の凸部２４を出射面２２と一体に形成することで、光のフレネル損失が軽減され、光を効率良く集光および導光することができる。具体的には、例えば、本発明においてインテグレータの出射面に形成したものと同一形状のプリズムシートを作成し、出射面がフラットな光インテグレータと組合せて使用した場合、光インテグレータの出射面とプリズムシート間に空気層が入るため、出射面から空気層に光が出る際に４〜５%、空気層からプリズムシートに光が入る際に４〜５%のフレネル損失が生じて輝度が低下するが、本発明によればこの問題を回避することができる。
なお、上記の「円錐形状、多角錐形状」には、空間内の一点から放射状に伸びる直線によって形作られる錐状の立体図形以外に、頂角の曲率半径（Ｒ）が１００ｎｍ以上１００μｍ以下である略錐状の立体図形も含まれるものとする。
As shown in FIG. 1, the emission surface 22 includes a plurality of conical and / or polygonal pyramid-shaped convex portions 24. The plurality of convex portions 24 are integrally formed of the same member as the emission surface 22. By forming the plurality of convex portions 24 integrally with the emission surface 22, the Fresnel loss of light can be reduced, and the light can be condensed and guided efficiently. Specifically, for example, when a prism sheet having the same shape as that formed on the output surface of the integrator in the present invention is created and used in combination with an optical integrator having a flat output surface, the output surface of the optical integrator and the prism sheet are used. Since an air layer is inserted in between, the light is reduced by 4 to 5% when light exits from the exit surface to the air layer, and by 4 to 5% when light enters the prism sheet from the air layer. According to the present invention, this problem can be avoided.
In the above “conical shape, polygonal pyramid shape”, the radius of curvature (R) of the apex angle is not less than 100 nm and not more than 100 μm in addition to the cone-shaped solid figure formed by a straight line extending radially from one point in the space. A substantially conical solid figure is also included.
出射面２２に形成された複数の凸部２４は、入射面２１側から出射面２２へと導光された光を光の導光軸(導光方向の中心軸)ｚｏ方向に集光させる機能を有する。
この機能により、入射面２１には光の導光軸ｚｏに対して広角度の光が入射しても、出射面２２からは導光軸ｚｏに対する角度が縮小された光が多く出射されるようになる。つまり、入射面２１からは広角度の入射光も導入できる一方、出射面２２から角度の広がりが抑制された出射光を得ることができる。これにより、光源から光を入射させるための大きな集光反射鏡や、出射光を集光するレンズに頼らずに、光を効率良く集光および導光することができ、また、コリメート光学系を設置しなくても、射出光の方向均一性を高めることができる。このことは、高い光利用効率を確保しつつ、投写型表示装置全体を小型化および低コスト化するのに非常に有効である。
The plurality of convex portions 24 formed on the exit surface 22 has a function of condensing light guided from the entrance surface 21 side to the exit surface 22 in the light guide axis (the central axis in the light guide direction) zo direction. Have
With this function, even if light having a wide angle with respect to the light guide axis zo is incident on the incident surface 21, a large amount of light with a reduced angle with respect to the light guide axis zo is emitted from the exit surface 22. become. In other words, incident light with a wide angle can be introduced from the incident surface 21, while outgoing light with a suppressed angular spread can be obtained from the output surface 22. This makes it possible to efficiently collect and guide the light without relying on a large condensing reflector for making the light incident from the light source and a lens for condensing the emitted light, and the collimating optical system Even if it is not installed, the direction uniformity of the emitted light can be improved. This is very effective for reducing the size and cost of the entire projection display device while ensuring high light utilization efficiency.
凸部２４の形状は、ピラミッド形状からなることが好ましい。
凸部２４の頂角（図３の「ａ」）は、８０度以上１００度以下であることが好ましく、８５度以上９５度以下であることがより好ましく、９０度であることが最も好ましい。
凸部２４の頂角を上記範囲とすることで、出射光の拡散を抑制して、集光性を高めることができる。
The shape of the convex portion 24 is preferably a pyramid shape.
The apex angle ("a" in FIG. 3) of the convex portion 24 is preferably 80 degrees or more and 100 degrees or less, more preferably 85 degrees or more and 95 degrees or less, and most preferably 90 degrees.
By making the apex angle of the convex part 24 into the above range, it is possible to suppress the diffusion of the emitted light and improve the light condensing property.
凸部２４の平均ピッチ（図３に「ｘ」で示す距離、即ち、隣り合う凸部２４の各頂点の直線距離）は、１０μｍ以上であることが好ましい。ピラミッド形状の凸部の平均ピッチを１０μｍ以上とすることで、集光性を高める効果が明確に得られる。
なお、本発明者らは平均ピッチを大きくすると、各凸部のパターンが、光の明暗差で目立つようになるが、ピラミッド形状の凸部の平均ピッチを１００μｍ以下とすることで、明暗差を目立たないようにすることができることを見出した。
すなわち、ピラミッド形状の凸部の平均ピッチを１０μｍ以上１００μｍ以下とすることで、出射光の集光性を高め、かつ、明暗差を抑制することができる。
The average pitch of the convex portions 24 (the distance indicated by “x” in FIG. 3, that is, the linear distance between the vertices of adjacent convex portions 24) is preferably 10 μm or more. By setting the average pitch of the pyramid-shaped convex portions to 10 μm or more, the effect of improving the light collecting property can be clearly obtained.
Note that when the average pitch is increased, the pattern of each convex portion becomes conspicuous due to the difference in brightness of light, but by setting the average pitch of the pyramid-shaped convex portions to 100 μm or less, the difference in brightness is reduced. I found that it can be made inconspicuous.
That is, by setting the average pitch of the pyramid-shaped convex portions to 10 μm or more and 100 μm or less, it is possible to improve the condensing property of the emitted light and suppress the difference in brightness.
複数の凸部からなる領域を、出射面２２の少なくとも５０％以上の領域に設けることが好ましく、出射面の全面に設けることがより好ましい。
複数の凸部からなる領域を、出射面２２の少なくとも５０％以上の領域に設けることで、出射面から出射される出射光の拡散角度を７０〜９０°の範囲とすることができる。
複数の凸部からなる領域は、用途に応じて、出射面の中央部を除く周縁部に設けたり、出射面の中央部にのみ設けたり、適宜最適なパターンを選択することもできる。
A region composed of a plurality of convex portions is preferably provided in a region of at least 50% or more of the emission surface 22, and more preferably provided over the entire emission surface.
By providing a region composed of a plurality of convex portions in a region of at least 50% or more of the emission surface 22, the diffusion angle of the emitted light emitted from the emission surface can be in the range of 70 to 90 °.
A region composed of a plurality of convex portions can be provided on the peripheral edge except the central portion of the emission surface, or only on the central portion of the emission surface, or an optimum pattern can be selected as appropriate according to the application.
光インテグレータ２は、導光部材３０と、導光部材３０に保持される散乱粒子３１とを備えることが好ましい。導光部材３０の屈折率Ｎ１は、散乱粒子３１の屈折率Ｎ２と異なることが好ましい。
光インテグレータ２に入射された光は、スネルの法則によれば、屈折率の異なる媒質を通過するときに、入射する角度とは異なる角度で出射する。散乱粒子３１は、スネルの法則に従って、進行する光線の角度を変更させることで散乱させる機能を有する。導光部材３０の屈折率Ｎ１と散乱粒子３１の屈折率Ｎ２の関係は、スネルの法則に従って、差が大きくなることでより大きな拡散機能が得られるので差が大きい関係であることが好ましい。
The optical integrator 2 preferably includes a light guide member 30 and scattering particles 31 held by the light guide member 30. The refractive index N 1 of the light guide member 30 is preferably different from the refractive index N 2 of the scattering particles 31.
According to Snell's law, the light incident on the optical integrator 2 is emitted at an angle different from the incident angle when passing through a medium having a different refractive index. The scattering particles 31 have a function of scattering by changing the angle of the traveling light beam according to Snell's law. Relationship of the refractive index N 2 of the refractive index N 1 and scattering particles 31 of the light guide member 30, according to Snell's law, and the difference is a large difference relationship because greater diffusion function is obtained by increased .
散乱粒子３１の形状は、特に限定されないが、例えば、球状、円柱状、楕円柱状及び多角柱状とすることが好ましい。なかでも、入手のしやすさの観点及びコストの観点から、球状がより好ましい。
散乱粒子３１を球状とした場合は、その粒径（粒子の直径）が小さいほど光線を曲げる角度が大きくなり、高い散乱性能が得られる。散乱粒子３１の粒径は、入射する光線の波長より大きく、その波長の１０倍以下にすることが好ましい。散乱粒子３１の直径が波長より小さいと、大きな散乱が得られる。しかし、散乱粒子３１に光線が当たる確立が小さくなるため、均質性を確保するため、散乱粒子３１の充填率を増やすことになるが、効率の低下が問題となる。逆に、散乱粒子３１の粒径が波長の１０倍以上になると、進行する光線の角度を変更できる角度が小さくなり、所望の混色性と均質性を得るため光インテグレータ２を長くすることになるが、目的とする小型化に寄与できなくなる。
散乱粒子３１を球状以外であっても、表面に凹凸が無い場合は、概ね上記と同じことがいえる。
もちろん、散乱粒子３１の表面に波長オーダーの微細構造を設けてもよい。この場合は、形状を任意にして、散乱粒子３１の粒径を大きくしても、大きな散乱効果が得られることが期待できる。
以上の観点を考慮し、散乱粒子３１の形状、大きさ、体積比率を適宜調整すればよい。
散乱粒子３１は、光と衝突した回数に依存して透過率及び偏光維持率を低下させる。つまり、散乱粒子３１の存在率は、光と散乱粒子３１の衝突する平均的な距離である平均自由行程とに反比例する。また、光の透過率及び偏光維持率は、光と散乱粒子３１が衝突した回数分落ちるため、光と散乱粒子３１の衝突する平均的な距離である平均自由行程とに比例する。すなわち、散乱粒子３１の存在率は、明るさ及び偏光度に反比例する。散乱粒子３１の存在率が高いと、光の利用効率が落ちるため、混色性及び均質性と効率を考慮して、散乱粒子３１の充填量を適宜決めるとよい。
Although the shape of the scattering particle 31 is not specifically limited, For example, it is preferable to set it as spherical shape, a cylindrical shape, elliptical column shape, and polygonal column shape. Of these, spherical shape is more preferable from the viewpoint of availability and cost.
When the scattering particles 31 are spherical, the smaller the particle size (particle diameter), the larger the angle at which the light beam is bent, and high scattering performance can be obtained. The particle diameter of the scattering particles 31 is preferably larger than the wavelength of incident light and not more than 10 times the wavelength. When the diameter of the scattering particles 31 is smaller than the wavelength, large scattering can be obtained. However, since the probability that a light beam hits the scattering particles 31 is reduced, the filling rate of the scattering particles 31 is increased in order to ensure homogeneity, but a decrease in efficiency becomes a problem. Conversely, when the particle size of the scattering particles 31 is 10 times or more of the wavelength, the angle at which the angle of the traveling light beam can be changed becomes small, and the optical integrator 2 is lengthened in order to obtain a desired color mixing property and homogeneity. However, it cannot contribute to the target size reduction.
Even if the scattering particles 31 are other than spherical, the same can be said if there are no irregularities on the surface.
Of course, a fine structure of wavelength order may be provided on the surface of the scattering particle 31. In this case, it can be expected that a large scattering effect can be obtained even if the shape is arbitrarily set and the particle diameter of the scattering particles 31 is increased.
In consideration of the above viewpoint, the shape, size, and volume ratio of the scattering particles 31 may be appropriately adjusted.
The scattering particles 31 reduce the transmittance and the polarization maintaining rate depending on the number of times of collision with light. That is, the abundance ratio of the scattering particles 31 is inversely proportional to the mean free path, which is the average distance at which the light and the scattering particles 31 collide. Further, the light transmittance and the polarization maintenance factor are reduced by the number of times the light and the scattering particles 31 collide, and thus are proportional to an average free path that is an average distance of collision between the light and the scattering particles 31. That is, the presence rate of the scattering particles 31 is inversely proportional to the brightness and the degree of polarization. When the presence ratio of the scattering particles 31 is high, the light use efficiency is lowered. Therefore, the filling amount of the scattering particles 31 may be appropriately determined in consideration of color mixing property, homogeneity, and efficiency.
光インテグレータ２の外形は、図１に示すように、略四角柱形状であることが好ましい。
入射面２１及び出射面２２の面積（高さＨ×幅Ｗ）は、入射する光の利用効率を良好とする観点から、入射面２１に入射する光が形成する面積と略同等とすることが好ましく、少なくとも取り付けの公差を考慮した最小のサイズとすることがより好ましい。入射面２１及び出射面２２の高さＨ、幅Ｗは、入射する光線と略同等とする場合は、取り付けの公差を考慮して、組立て時に調整することが好ましい。
入射面２１の面積（高さＨ×幅Ｗ）は、光線の取り込みを良好にする観点から、入射面２１に入射する光が形成する面積と略同等であることが好ましく、同等以上であることがより好ましい。
The outer shape of the optical integrator 2 is preferably a substantially quadrangular prism shape as shown in FIG.
The area (height H × width W) of the entrance surface 21 and the exit surface 22 is approximately equal to the area formed by the light incident on the entrance surface 21 from the viewpoint of improving the utilization efficiency of the incident light. It is more preferable to set the minimum size in consideration of at least mounting tolerance. When the height H and the width W of the incident surface 21 and the exit surface 22 are substantially equal to the incident light beam, it is preferable to adjust during assembly in consideration of mounting tolerances.
The area (height H × width W) of the incident surface 21 is preferably substantially the same as or larger than the area formed by the light incident on the incident surface 21 from the viewpoint of improving the light beam capture. Is more preferable.
出射面２２を出射する光線の輝度は、入射面２１に入射する光が形成する面積に対して、出射面２２の面積が反比例する。つまり、入射面２１に入射する光が形成する面積に対し、出射面２２の面積を２倍にすると、出射面２２を出射する光線の輝度が半分になる。また、出射面２２の面積を大きくすると閉じ込めの効果が落ち、混色性能も小さくなる。このため、散乱粒子３１の存在率を増加する必要があり、光の利用効率及び輝度がさらに劣化する。
出射面２２の面積は、入射面２１に入射する光が形成する面積と略同等にして調整するか、組立ての公差を考慮して少なくとも２倍以下に設定することが好ましい。
The luminance of the light beam emitted from the emission surface 22 is such that the area of the emission surface 22 is inversely proportional to the area formed by the light incident on the incident surface 21. That is, if the area of the exit surface 22 is doubled with respect to the area formed by the light incident on the entrance surface 21, the brightness of the light beam exiting the exit surface 22 is halved. Further, when the area of the emission surface 22 is increased, the confinement effect is reduced and the color mixing performance is also reduced. For this reason, it is necessary to increase the abundance ratio of the scattering particles 31, and the light use efficiency and luminance are further deteriorated.
The area of the exit surface 22 is preferably adjusted to be approximately the same as the area formed by the light incident on the entrance surface 21 or set to at least twice or less in consideration of assembly tolerances.
入射面２１及び出射面２２の幅Ｗと高さＨの関係が幅Ｗ＞高さＨである場合、混色性及び均質性を向上させる観点から、長さＬは、幅Ｗの３倍以上とすることが好ましく、幅Ｗの４倍以上とすることがより好ましく、幅Ｗの５倍以上とすることがさらに好ましい。幅Ｗの３倍を越える長さＬに設定した場合は、散乱粒子３１の存在率を減らす調整をすることで、混色性及び均質性を満たしたままで光の利用効率を維持できる。 When the relationship between the width W and the height H of the entrance surface 21 and the exit surface 22 is width W> height H, the length L is 3 times or more the width W from the viewpoint of improving color mixing and homogeneity. It is preferable to set the width W to be 4 times or more, more preferably 5 times or more the width W. When the length L is set to be longer than three times the width W, the efficiency of use of light can be maintained while satisfying the color mixing property and the homogeneity by adjusting to reduce the existence ratio of the scattering particles 31.
入射面２１及び出射面２２は、略平行にすることが好ましい。入射面２１及び出射面２２が略平行であることにより、入射面２１に垂直に入射する光の平均角度を保ったまま光の入出射が可能となり、光の利用効率を維持することができる。 The entrance surface 21 and the exit surface 22 are preferably substantially parallel. Since the entrance surface 21 and the exit surface 22 are substantially parallel, it is possible to enter and exit light while maintaining the average angle of light perpendicularly incident on the entrance surface 21, and to maintain the light utilization efficiency.
光インテグレータ２の外周面（側面２３）は、入射光ＰＬ１の偏光方向に対するなす角が０度以上３０度以下であることが好ましい。光インテグレータ２の外周面（側面２３）が上記範囲であることで、入射光ＰＬ１の偏光を維持した出射光ＰＬ２とすることができ、０度以上２０度以下であることがより好ましく、０度以上１０度以下であることがさらに好ましく、０度であることが特に好ましい。
光インテグレータ２の外周面（側面２３）は、入射光ＰＬ１の偏光方向と略平行である平行面と、入射光ＰＬ１の偏光方向と略直角である直角面とを有することが特に好ましい。ここで、「略平行」とは、光インテグレータ２の外周面（側面２３）のいずれかと入射光ＰＬ１の偏光方向が実質的に平行になっているとみなすことができることをいう。また、「略直交」とは、「略平行」とは、光インテグレータ２の外周面（側面２３）のいずれかと入射光ＰＬ１の偏光方向が実質的に垂直になっているとみなすことができることをいう。
The outer peripheral surface of the optical integrator 2 (side 23) is preferably an angle with respect to the polarization direction of the incident light PL 1 is less than 30 degrees 0 degrees. When the outer peripheral surface (side surface 23) of the optical integrator 2 is in the above range, it can be the outgoing light PL 2 that maintains the polarization of the incident light PL 1 , and is more preferably 0 ° or more and 20 ° or less. The angle is more preferably 0 degree or more and 10 degrees or less, and particularly preferably 0 degree.
The outer peripheral surface of the optical integrator 2 (side 23) has a polarization direction parallel plane is substantially parallel incident light PL 1, particularly preferably has a perpendicular surface that is substantially the polarization direction of the incident light PL 1 right angle. Here, "substantially parallel", or the polarization direction of the incident light PL 1 of the outer peripheral surface of the optical integrator 2 (side 23) means that it can be regarded that become substantially parallel. Further, "substantially orthogonal", and "approximately parallel" means that either the polarization direction of the incident light PL 1 of the outer peripheral surface of the optical integrator 2 (side 23) can be regarded as substantially perpendicular Say.
光インテグレータ２の外形は、略錐台形状とすることもできる。ここでの略錐台形状とは、多角錐台及び円錐台等をいう。なお、四角錐台形状の対向する斜面が、１組平行であっても広義に略錐台形状とする。光インテグレータ２の外形は、略錐台形状のなかでも入射面２１の幅Ｗ１と出射面２２の幅Ｗ２の関係が幅Ｗ１＜幅Ｗ２であり、入射面２１の高さＨ１と出射面２２の高さＨ２の関係が高さＨ１＜高さＨ２である略四角錐台形状であることで、光インテグレータ２の外周面（側面２３）からの光漏れ防止ができ、出射光を集光して出射する狭角化をすることができるため好ましい。 The outer shape of the optical integrator 2 may be a substantially frustum shape. Here, the substantially frustum shape means a polygonal frustum, a truncated cone and the like. In addition, even if one pair of opposing inclined faces of the quadrangular pyramid shape is parallel, it has a substantially frustum shape in a broad sense. The outer shape of the optical integrator 2 is the width W 1 and the width W 2 of the relationship the width W 1 of the exit surface 22 <the width W 2 of the incident surface 21 Among Ryakukiridai shape, the height H 1 of the incident surface 21 And the height H 2 of the emission surface 22 are substantially square frustum shapes with height H 1 <height H 2 , so that light leakage from the outer peripheral surface (side surface 23) of the optical integrator 2 can be prevented. It is preferable because it can narrow the angle at which the emitted light is collected and emitted.
光インテグレータ２は、例えば、以下に説明する材料及び製造方法によって得ることができる。 The optical integrator 2 can be obtained by, for example, a material and a manufacturing method described below.
導光部材３０の材質としては、光を伝搬する観点から、透明度の高い材料であれば特に限定はなく、例えば、アクリル系の光硬化樹脂、エポキシ系の熱硬化性樹脂、アクリル及びポリカーボネイト等の熱可塑性樹脂、ガラス等を使用することができる。導光部材３０の材質としては、固形の散乱粒子３１を使用する際に散乱粒子３１との混合が容易である観点、硬化後に冷却及び乾燥等の工程を必要としないため作業効率が向上する観点、所定の形状に加工しやすい観点から、なかでも光硬化性樹脂が好ましい。また、導光部材３０の材質として、アクリル系の光硬化樹脂を使用すると透過率が高く、光の利用効率を高めることが可能となるためより好ましい。 The material of the light guide member 30 is not particularly limited as long as it is a highly transparent material from the viewpoint of propagating light. For example, an acrylic photo-curing resin, an epoxy-based thermosetting resin, acrylic, polycarbonate, etc. A thermoplastic resin, glass, etc. can be used. As a material of the light guide member 30, when using solid scattering particles 31, a viewpoint of easy mixing with the scattering particles 31, a viewpoint of improving work efficiency because steps such as cooling and drying are not required after curing. From the viewpoint of easy processing into a predetermined shape, a photocurable resin is particularly preferable. Moreover, it is more preferable to use an acrylic photo-curing resin as the material of the light guide member 30 because the transmittance is high and the light use efficiency can be increased.
散乱粒子３１の材質としては、透明度の高い材料であれば特に限定はなく、例えば、架橋ポリスチレン粒子、プラスチック粒子及びガラス粒子等を使用することができる。
散乱粒子３１は、導光部材３０中に、導光部材３０と異なる屈折率の粒子を混合させることによって効率良く得ることができる。
The material of the scattering particles 31 is not particularly limited as long as it is a highly transparent material. For example, crosslinked polystyrene particles, plastic particles, glass particles, and the like can be used.
The scattering particles 31 can be efficiently obtained by mixing particles having a refractive index different from that of the light guide member 30 in the light guide member 30.
散乱粒子３１は、光を散乱させるために、導光部材３０と屈折率差があることを要し、光の利用効率の低下を抑制して散乱の効果も得やすいという観点から、導光部材３０と散乱粒子３１との間で屈折率差が０．００１以上であることが好ましく、０．００３以上であることがより好ましく、０．００５以上あることがさらに好ましい。また、散乱粒子３１は、導光部材３０との比重を近接させやすくなり、導光部材３０に混合させるのが容易である観点から、導光部材３０と散乱粒子３１との間で屈折率差が０．０１５以下であることが好ましく、０．０１３以下であることがより好ましく、０．０１０以下であることがさらに好ましい。ここで、導光部材３０と散乱粒子３１の屈折率を比較したときに、どちらの屈折率が大きくてもよい。 In order to scatter light, the scattering particles 31 need to have a difference in refractive index from the light guide member 30, and from the viewpoint that it is easy to obtain a scattering effect by suppressing a decrease in light use efficiency. The refractive index difference between 30 and the scattering particles 31 is preferably 0.001 or more, more preferably 0.003 or more, and further preferably 0.005 or more. In addition, the scattering particle 31 has a refractive index difference between the light guide member 30 and the scattering particle 31 from the viewpoint that the specific gravity with the light guide member 30 can be easily approached and can be easily mixed with the light guide member 30. Is preferably 0.015 or less, more preferably 0.013 or less, and even more preferably 0.010 or less. Here, when the refractive indexes of the light guide member 30 and the scattering particles 31 are compared, either refractive index may be large.
散乱粒子３１の粒径は、光の散乱を抑制して、光の取り出し効率の低下を抑制する観点から、０．３μｍ以上であることが好ましく、０．５μｍ以上であることがより好ましく、０．８μｍ以上であることがさらに好ましい。また、散乱粒子３１の粒径は、適切な光の散乱及び偏光を維持する観点から、５．０μｍ以下であることが好ましく、４．５μｍ以下であることがより好ましく、４．０μｍ以下であることがさらに好ましい。
散乱粒子３１の粒径は、略均一である方が望ましいが、９０％以上の粒子が上記粒径範囲内に含まれていれば所望の効果を得られるため問題ない。
なお、平均粒径とは、マイクロトラックＵＰＡ（粒度分析計、Ｌｅｅｄｓ ＆ Ｎｏｒｔｈｒｕｐ社製、「ＭＩＣＲＯＴＲＡＣ」及び「ＵＰＡ」は登録商標）を用いて、レーザ光法（ダイナミックレーザ光散乱）によって測定され得る体積平均粒径（ｄ５０値）を意味する。
The particle diameter of the scattering particles 31 is preferably 0.3 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, from the viewpoint of suppressing light scattering and suppressing reduction in light extraction efficiency. More preferably, it is 8 μm or more. The particle size of the scattering particles 31 is preferably 5.0 μm or less, more preferably 4.5 μm or less, and 4.0 μm or less from the viewpoint of maintaining appropriate light scattering and polarization. More preferably.
Although it is desirable that the particle size of the scattering particles 31 is substantially uniform, there is no problem because a desired effect can be obtained if 90% or more of the particles are included in the particle size range.
The average particle diameter can be measured by a laser beam method (dynamic laser light scattering) using Microtrac UPA (particle size analyzer, manufactured by Lees & Northrup, “MICROTRAC” and “UPA” are registered trademarks). It means volume average particle diameter (d50 value).
導光部材３０と散乱粒子３１を一体化する工法の一例を以下に示す。
まず、液状の導光部材３０を用意する。次いで、導光部材３０と散乱粒子３１を混合させ、それを所定の形状に成形し光硬化させることで得られる。その他の工法としては、熱プレス、射出成形及び削りだし等の工法でも製作可能である。
上記製造時に出射面側に複数の凸部を有する金型を使用して、本発明の光インテグレータを作製することができる。あるいは、硬化後に出射面側に複数の凸部を加工して、本発明の光インテグレータを作製することができる。
液状の導光部材３０を用いると、散乱粒子３１を容易に混合させることができるため好ましく、導光部材３０に散乱粒子３１を混合させた状態も液状であると、所定の形状に加工しやすいためより好ましい。
製品形状作製時には、製品の高さの板を製作後に外周を切断して製品サイズにしてもよいし、製品サイズの空間を持つ型を製作して、型に樹脂を流し込んで硬化させて製作してもよい。
An example of a method for integrating the light guide member 30 and the scattering particles 31 is shown below.
First, a liquid light guide member 30 is prepared. Next, the light guide member 30 and the scattering particles 31 are mixed, formed into a predetermined shape, and photocured. As other methods, it can also be produced by methods such as hot pressing, injection molding, and cutting.
The optical integrator of the present invention can be manufactured by using a mold having a plurality of convex portions on the exit surface side during the manufacturing. Alternatively, the optical integrator of the present invention can be manufactured by processing a plurality of convex portions on the exit surface side after curing.
When the liquid light guide member 30 is used, it is preferable because the scattering particles 31 can be easily mixed. When the light scattering member 31 is mixed with the light guide member 30, the liquid light guide member 30 can be easily processed into a predetermined shape. Therefore, it is more preferable.
At the time of product shape production, after manufacturing the product height plate, the outer periphery may be cut to the product size, or the mold with the product size space is produced, and the resin is poured into the mold and cured. May be.
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施例に限定されない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.
［光インテグレータの作製］
透明度の高い屈折率１．４９である導光部材を用いて、外径：４０ｍｍ角、厚み：１ｍｍで、出射面の１０ｍｍ角の範囲に複数の凸部（ピラミッド形状）からなるパターンを形成した光インテグレータ（実施例１、比較例４、５）と、複数のピラミッド形状からなるパターンを形成していない他は実施例と同様の光インテグレータ（比較例１〜３）を作成した。
光インテグレータには、透明度の高い屈折率１．５９である散乱粒子３１を散在させた。散乱粒子３１の体積は、光インテグレータ２の体積に対して０．６％とした。
導光部材３０として、日立化成株式会社製ヒタロイド９５０１（商品名、「ヒタロイド」は登録商標。）を使用した。これは、ウレタンアクリレート系の光硬化樹脂である。
散乱粒子３１として、積水化成品工業株式会社製テクポリマーＳＳＸ−３０２ＡＢＥ（商品名、「テクポリマー」は登録商標。）を使用した。これは、架橋ポリスチレン樹脂でできた微粒子であり、形状は球形、平均粒径は２μｍで、全体の略９５％の粒子が平均粒径と０．５μｍ以内の差である単分散粒子である。
[Production of optical integrator]
Using a light-guiding member having a high refractive index of 1.49, a pattern composed of a plurality of convex portions (pyramid shapes) was formed in a range of 10 mm square on the exit surface with an outer diameter of 40 mm square and a thickness of 1 mm. An optical integrator (Comparative Examples 1 to 3) similar to the Example was prepared except that the optical integrator (Example 1, Comparative Examples 4 and 5) and a pattern having a plurality of pyramid shapes were not formed.
In the optical integrator, scattering particles 31 having a high refractive index of 1.59 were scattered. The volume of the scattering particles 31 was 0.6% with respect to the volume of the optical integrator 2.
As the light guide member 30, Hitachi Chemical 951 (trade name, “Hitaroid” is a registered trademark) was used. This is a urethane acrylate-based photo-curing resin.
As the scattering particles 31, Sekisui Plastics Co., Ltd. Techpolymer SSX-302ABE (trade name, “Techpolymer” is a registered trademark) was used. This is a fine particle made of a crosslinked polystyrene resin, which is a monodisperse particle having a spherical shape and an average particle diameter of 2 μm, and approximately 95% of the particles are within a difference of 0.5 μm from the average particle diameter.
実施例１、比較例４、５の光インテグレータ２は以下の方法で作製した。
底面及び側面を金属板で囲むことにより、外径：７０ｍｍ角、厚み：１ｍｍの空隙を作り、そこに導光部材３０となる光硬化樹脂を流し込み、上からガラス板を被せた。このとき、内部に空気が入らないようにした。
その後、ガラス板越しにＵＶ（Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）ランプを照射させ、光硬化樹脂である導光部材３０を十分に硬化させた。
その後、硬化した製品を取り出して、接着層付き透明基板（接着材厚み；３０μｍ、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、フィルム厚み；１００μｍの積層体）に貼り付け、リング状のＳＵＳ４０３からなる枠冶具を貼り付けた後、ダイサー（ＤＡＣ５５２、株式会社ディスコ製）にて、外径：４０ｍｍ角、厚み：１ｍｍに切り出した。ダイサーで側面を加工するときには、長さ方向に平行に刃を送り加工した。側面は、粒径；＃５０００のダイシングブレードを用い、回転数；３０，０００ｒｐｍ（３０，０００ｍｉｎ−１）、切削速度；０．５ｍｍ／ｓの条件で加工し、光入出力面は、粒径；＃３０００のダイシングブレードを用い、回転数；３０，０００ｒｐｍ（３０，０００ｍｉｎ−１）、切削速度；０．５ｍｍ／ｓの条件で加工した。
その後、頂角９０°のブレードを用いて、一方向に連続のV溝加工を実施し、さらにその後、同一のブレードを用いて前記加工方向と略直交方向に前記V溝と略同一深さで連続のV溝加工を行い、出射面の１０ｍｍ角の範囲に複数のピラミッド形状（頂角９０度）からなるパターンを形成した。
ピラミッド形状の凸部の平均ピッチはそれぞれ以下の通りとした。実施例１＝５０μｍ、比較例４＝１１５μｍ、比較例５＝２３０μｍ。
比較例１〜３の光インテグレータ２は、出射面のパターン形成以外は上記同様に作成した。比較例２、３は、出謝面側に、ストライプ状のプリズムシート（平均ピッチ５０μｍ）を組合わせて使用した。
The optical integrator 2 of Example 1 and Comparative Examples 4 and 5 was produced by the following method.
By surrounding the bottom and side surfaces with a metal plate, a void having an outer diameter of 70 mm square and a thickness of 1 mm was formed, and a photo-curing resin serving as the light guide member 30 was poured therein, and a glass plate was covered from above. At this time, air was prevented from entering the inside.
Then, UV (Ultra Violet) lamp was irradiated through the glass plate, and the light guide member 30 which is photocuring resin was fully hardened.
Then, the cured product is taken out and attached to a transparent substrate with an adhesive layer (adhesive thickness: 30 μm, PET (Polyethylene Terephthalate), film thickness: 100 μm laminate), and a frame jig made of ring-shaped SUS403 is attached. After that, it was cut out with a dicer (DAC552, manufactured by DISCO Corporation) into an outer diameter of 40 mm square and a thickness of 1 mm. When processing the side surface with a dicer, the blade was fed in parallel to the length direction. The side surface is processed using a # 5000 dicing blade, rotating speed: 30,000 rpm (30,000 min −1 ), cutting speed: 0.5 mm / s. Using a # 3000 dicing blade, and processed under the conditions of rotation speed: 30,000 rpm (30,000 min −1 ), cutting speed: 0.5 mm / s.
Thereafter, continuous V-groove processing is performed in one direction using a blade having an apex angle of 90 °, and thereafter, using the same blade, the V-groove is approximately the same depth as the V-groove in a direction substantially orthogonal to the processing direction. Continuous V-groove processing was performed, and a pattern composed of a plurality of pyramid shapes (vertical angle 90 degrees) was formed in the range of 10 mm square on the exit surface.
The average pitch of the pyramid-shaped convex portions was as follows. Example 1 = 50 μm, Comparative Example 4 = 115 μm, Comparative Example 5 = 230 μm.
The optical integrators 2 of Comparative Examples 1 to 3 were formed in the same manner as described above except for the patterning of the emission surface. In Comparative Examples 2 and 3, a striped prism sheet (average pitch 50 μm) was used in combination on the surface to be paid out.
［輝度測定］
図４に示すように、ＬＥＤ光源（非偏光光源１１）、偏光フィルタ（偏光子１２）及び拡散シート１３からなる偏光光源１から発する偏光を有する光を、上記で得られた光インテグレータ２に入射し、測定用偏光子４０へ出射光を出射させ、測定用偏光子４０を透過した光を、輝度計５０で測定した。
光インテグレータ２と偏光光源１は、回転ステージ６０の上に配置した。
輝度計５０は、コニカミノルタ株式会社製「ＣＡ−１５００（商品名）」を使用した。
[Brightness measurement]
As shown in FIG. 4, the light having the polarization emitted from the polarized light source 1 including the LED light source (non-polarized light source 11), the polarizing filter (polarizer 12) and the diffusion sheet 13 is incident on the optical integrator 2 obtained above. Then, the emitted light was emitted to the measurement polarizer 40, and the light transmitted through the measurement polarizer 40 was measured with the luminance meter 50.
The optical integrator 2 and the polarized light source 1 are disposed on the rotary stage 60.
As the luminance meter 50, “CA-1500 (trade name)” manufactured by Konica Minolta Co., Ltd. was used.
θ＝０°で輝度測定を行い比較例１の測定結果を１００として換算した結果と、出射光の半値全幅(ＦＷＨＭ)を求めた結果を下記表１に示し、測定用偏光子４０に照射された光の発光状態を示す写真を図５に示す。 Table 1 below shows the results obtained by measuring the luminance at θ = 0 ° and converting the measurement result of Comparative Example 1 as 100, and the full width at half maximum (FWHM) of the emitted light. A photograph showing the light emission state is shown in FIG.
表１に示すように、出射面に複数の凸部からなるパターンを設けることにより、光インテグレータの出射面から出射される出射光の拡散を抑制して集光性を高めることができる。 As shown in Table 1, by providing a pattern composed of a plurality of convex portions on the emission surface, it is possible to suppress the diffusion of the emitted light emitted from the emission surface of the optical integrator and improve the light condensing property.
図５に示すように、平均ピッチを大きくすると、各凸部のパターンが、光の明暗差で目立つようになるが、ピラミッド形状の凸部の平均ピッチを１００μｍ以下とした実施例１では、この明暗差が目立たなくなることが確認された。 As shown in FIG. 5, when the average pitch is increased, the pattern of each convex portion becomes conspicuous due to the difference in brightness of light, but in Example 1 in which the average pitch of the pyramidal convex portions is 100 μm or less, It was confirmed that the difference in brightness was inconspicuous.
出射面から出射される出射光の拡散を抑制して集光性を高め、光変調素子に対する光の利用効率の向上を図ることができると同時に、出射光における明暗差の発生を抑制できる本発明の光インテグレータは、光源ユニット、照明、ヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、ビューファインダー、画像投影装置、各種光学装置などの幅広い分野に適用可能である。 The present invention can suppress the diffusion of the outgoing light emitted from the outgoing surface, improve the light collecting property, improve the light utilization efficiency for the light modulation element, and at the same time, suppress the occurrence of light and dark differences in the outgoing light The light integrator can be applied to a wide range of fields such as a light source unit, illumination, a head-up display, a head-mounted display, a viewfinder, an image projection device, and various optical devices.
１…偏光光源
１１…非偏光光源
１２…偏光子
１３…拡散シート
２…光インテグレータ
２１…入射面
２２…出射面
２３…側面
２４…凸部
３０…導光部材
３１…散乱粒子
４０…測定用偏光子
５０…輝度計
６０…回転ステージ
ZO…導光軸（導光方向の中心軸）
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Polarized light source 11 ... Non-polarized light source 12 ... Polarizer 13 ... Diffusion sheet 2 ... Optical integrator 21 ... Incident surface 22 ... Output surface 23 ... Side surface 24 ... Convex part 30 ... Light guide member 31 ... Scattering particle 40 ... Polarization for measurement Child 50 ... Luminance meter 60 ... Rotary stage
ZO: Light guide axis (center axis in the light guide direction)
Claims (5)
前記出射面に、円錐形状及び多角錐形状の少なくとも何れかの形状を有する凸部が、平均ピッチ１０μｍ以上１００μｍ以下で、複数形成された、光インテグレータ。 An incident surface on which light supplied from a light source is incident; and an exit surface that faces the incident surface and emits the light;
An optical integrator in which a plurality of convex portions having at least one of a conical shape and a polygonal pyramid shape are formed on the emission surface with an average pitch of 10 μm to 100 μm.
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