JP2021089302A - Light source device and image projection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画像投射装置(以下、プロジェクタという)に好適な光源装置に関する。 The present invention relates to a light source device suitable for an image projection device (hereinafter referred to as a projector).
プロジェクタには、その光源として半導体レーザ素子を用いるものがある。特許文献1〜3には、レーザ光がコヒーレント光であることを利用して、光源からの光路上に回折光学素子等の微細構造素子を配置したプロジェクタが開示されている。
Some projectors use a semiconductor laser element as the light source.
微細構造素子は、その微細構造面の向きによって効率が変わる。しかしながら、特許文献1〜3には微細構造面の向きについては記載がない。
The efficiency of the microstructure element varies depending on the orientation of the microstructure surface. However,
本発明は、微細構造面の向きを適切に設定することで、より効率が高い光源装置およびこれを用いたプロジェクタを提供する。 The present invention provides a more efficient light source device and a projector using the light source device by appropriately setting the orientation of the microstructure surface.
本発明の一側面としての光源装置は、光源と、該光源からの光が照射される光学素子と、光源と光学素子との間に配置され、光源からの光に対して作用する微細構造面を有する微細構造素子とを含む。微細構造素子は、微細構造面が光学素子側を向くように配置されていることを特徴とする。なお、上記光源装置を用いた画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。 The light source device as one aspect of the present invention is a microstructure surface that is arranged between a light source, an optical element irradiated with light from the light source, and the light source and the optical element, and acts on the light from the light source. Includes microstructured elements with. The microstructure element is characterized in that the microstructure surface is arranged so as to face the optical element side. An image projection device using the light source device also constitutes another aspect of the present invention.
本発明によれば、微細構造素子における微細構造面の向きを適切に設定したことで、より効率が高い光源装置を実現することができる。 According to the present invention, a more efficient light source device can be realized by appropriately setting the orientation of the microstructure surface in the microstructure element.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1である光源装置100を備えたプロジェクタ(画像投射装置)の構成を示している。光源装置100は、複数のレーザ光源101、複数のコリメータレンズ(コリメート素子)A102、複数の微細構造素子103、波長変換素子(光学素子)としての複数の蛍光体104および複数のコリメータレンズB105により構成されている。なお、複数の微細構造素子103に代えて、1つの微細構造素子を設け、該1つの微細構造素子における複数の領域に複数のレーザ光源101からの光が入射するように構成してもよい。同様に、複数の蛍光体104に代えて、1つの蛍光体を設け、該1つの蛍光体における複数の領域に複数のレーザ光源101からの光が入射するように構成してもよい。
FIG. 1 shows the configuration of a projector (image projection device) including the
複数のレーザ光源101はそれぞれ、青色のレーザ光(以下、単に光または青色光という)を発する。レーザ光源101から発せられた拡散光は、コリメータレンズA102により一点鎖線で示す光軸が延びる方向(以下、光軸方向という)に進む平行光に近づけられて微細構造素子103に入射する。微細構造素子103は、図2に示すように、基板1031における一方の面が微細構造面1032で、他方(反対側)の面が平面1033として形成された素子である。
Each of the plurality of
図3は、微細構造面1032の8位相分の構成を概略的に示している。微細構造面1032には、光軸方向に交差(図では光軸方向に直交)する端面1032aおよび光軸方向に延びる(図では光軸方向に平行な)側面1032bをそれぞれ複数含む微細構造(複数の凸部と凹部)が形成されている。微細構造面1032には、高さ1,000nm内に8つの端面1032a(125nmずつの段差)が設けられている。そして本実施例では、微細構造素子103は、図2に示すように平面1033が入射面となるようにレーザ光源101側を向き、微細構造面1032が蛍光体104側(光学素子側)を向くように配置されている。
FIG. 3 schematically shows the configuration of eight phases of the
なお、後述する実施例2のように微細構造素子103と蛍光体104との間に反射面が含まれていてもよい。この場合、該反射面での反射を含む屈曲光路を直線光路に展開したときに微細構造面1032が蛍光体104側を向いていればよく、言い換えれば微細構造素子103において微細構造面1032が出射側にあればよい。同様にレーザ光源101と微細構造素子103との間に反射面が含まれていてもよく、そこでの反射を含む屈曲光路を直線光路に展開したときに平面1033がレーザ光源101側を向いていればよく、言い換えれば微細構造素子103において平面1033が入射側にあればよい。
A reflective surface may be included between the
微細構造素子103に平面1033から入射した光は、微細構造面1032で回折されて蛍光体104に照射され(入射し)、蛍光体104上に所定の光強度分布を形成する。すなわち、微細構造面1032は、入射する光に作用してその光の強度分布、言い換えれば光軸に直交する断面形状の縦横比を変換する。例えば、図4は、微細構造素子103に入射する光の平面1033上での光強度分布(断面形状)を示す。図5は、微細構造面1032の光学作用である回折作用によって蛍光体104上に形成された光強度分布を示す。
The light incident on the
蛍光体104は、入射した青色光の一部を黄色光に波長変換し、残りを波長変換せずに出射させる。黄色光と波長変換されなかった青色光とが合成されることで白色光が生成される。蛍光体104から拡散光としての出射した白色光は、コリメータレンズB105で再び平行光に近づけられて光源装置100から出射し、後段の照明光学系に入射する。
The
照明光学系は、2つのフライアイレンズにより構成される光分割光学系200とコンデンサレンズ300により構成されている。光分割光学系200は、入射した光を複数の光に分割する。該複数の光はコンデンサレンズ300によって光変調素子400上にて互いに重ね合わせられるように集光される。これにより、光変調素子400の変調面が均一な光強度で照明される。
The illumination optical system is composed of an optical division
光変調素子400は、液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス等により構成され、入射した光(照明光)をプロジェクタに外部から入力された映像信号に応じて変調する。光変調素子400から出射した変調光(画像光)は、投射光学系500によりスクリーン(被投射面)600に拡大投射される。これによりスクリーン600上に投射画像が表示される。
The
次に、微細構造素子103を微細構造面1032が蛍光体104側を向くように配置した理由を、図6を用いて説明する。
Next, the reason why the
コリメータレンズA102を通過した光は、レーザ光源101の発光部が有限の大きさを有していることや各光学素子の配置誤差等もあるため完全な平行光とはならず、わずかに拡散または収束している。微細構造素子103は、図3に示す微細構造のピッチや段差(高さ)によって図4に示す光強度分布を図5に示す光強度分布に変換するように設計されるが、このとき側面1032bに当たる光は想定されていない。わずかに拡散または収束した光は、その拡散または収束の光軸に対する角度αに応じて図6の左側に示すように微細構造面1032の側面1032bに当たる。
The light that has passed through the collimator lens A102 is not completely parallel light due to the fact that the light emitting portion of the
しかし、図6の右側に示すように微細構造面1032が出射側(蛍光体104側)であると、レーザ光源101側の入射面(平面)1033への入射による屈折によって光の光軸に対する角度βがαより小さくなる。この結果、光が側面1032bに当たる率(量)が下がり、図5に示す想定(理想)に近い光強度分布が蛍光体104上で得られる。これにより、後段の照明光学系において高い照明効率と均一な照度分布を実現することが容易となる。
However, as shown on the right side of FIG. 6, when the
このように本実施例によれば、微細構造素子103における微細構造面1032の向きを適切に設定したことで、より効率が高い光源装置100、さらにはプロジェクタを実現することができる。
As described above, according to the present embodiment, by appropriately setting the orientation of the
図7は、本発明の実施例2である光源装置110を備えたプロジェクタのうち光源装置110、照明光学系および光変調素子400を示している。光源装置110は、複数のレーザ光源111(111R,111G,111B)、複数のコリメータレンズA112(112R,112G,112B)、複数の微細構造素子113(113R,113G,113B)、複数の拡散板(光学素子としての拡散素子)114および複数のコリメータレンズB115により構成されている。符号に付されたR,GおよびBはそれぞれ、赤色光、緑色光および青色光用の構成要素であることを示している。
FIG. 7 shows the
なお、複数の微細構造素子113R,113G,113Bのそれぞれに代えて、微細構造素子を1つずつ設け、該1つずつの微細構造素子における複数の領域に複数のレーザ光源111R,111G,111Bからの光が入射するように構成してもよい。同様に、複数の拡散板114に代えて、1つの拡散板を設け、該1つの拡散板における複数の領域に後述する白色光が入射するように構成してもよい。
In addition, instead of each of the plurality of
複数のレーザ光源111Rは赤色(R)光を発し、複数のレーザ光源111Gは緑色(G)光を発する。複数のレーザ光源111Bは青色(B)光を発する。各レーザ光源111からの拡散光は、コリメータレンズA112により一点鎖線で示す光軸が延びる方向(光軸方向)に進む平行光に近づけられて微細構造素子113に入射する。微細構造素子113は、実施例1と同様に構成されたものであり、その平面が入射面となるようにレーザ光源111側を向き、微細構造面が拡散板114側(光学素子側)を向くように配置されている。なお、ここにいう微細構造面が拡散板114側を向くとは、実施例1でも説明したように、ダイクロイックミラーA116,B117での反射を含む屈曲光路を直線光路に展開したときに微細構造面が拡散板114側を向いているという意味である。 The plurality of laser light sources 111R emit red (R) light, and the plurality of laser light sources 111G emit green (G) light. The plurality of laser light sources 111B emit blue (B) light. The diffused light from each laser light source 111 is brought close to the parallel light traveling in the direction in which the optical axis indicated by the one-point chain line extends (optical axis direction) by the collimator lens A112, and is incident on the microstructure element 113. The microstructure element 113 is configured in the same manner as in the first embodiment, and the plane thereof faces the laser light source 111 side so that the plane thereof becomes the incident surface, and the microstructure surface faces the diffuser plate 114 side (optical element side). It is arranged like this. It should be noted that the fact that the microstructure surface referred to here faces the diffuser plate 114 side means that the microstructure surface is developed into a straight optical path when the bent optical path including reflection by the dichroic mirrors A116 and B117 is developed as described in the first embodiment. Means that is facing the diffuser plate 114 side.
微細構造素子113にその平面から入射した光(図4に示すような光強度分布を有する光)は、微細構造面で回折されてダイクロイックミラーA116,B117を介して拡散板114に照射され(入射し)、拡散板114上に図5に示したような所定の光強度分布を形成する。言い換えれば、実施例1と同様に、微細構造面はその光学作用としての回折作用によって、入射した光の光軸に直交する断面形状の縦横比を変換する。 The light incident on the microstructure element 113 from its plane (light having a light intensity distribution as shown in FIG. 4) is diffracted on the microstructure surface and irradiated to the diffuser plate 114 via the dichroic mirrors A116 and B117 (incident). However, a predetermined light intensity distribution as shown in FIG. 5 is formed on the diffuser plate 114. In other words, as in the first embodiment, the microstructure surface transforms the aspect ratio of the cross-sectional shape orthogonal to the optical axis of the incident light by the diffraction action as its optical action.
ダイクロイックミラーA116はG光とB光を透過してR光を反射し、ダイクロイックミラーB117はB光を反射してG光とR光を透過させる。微細構造素子113Rから出射してダイクロイックミラーA116により反射されたR光、微細構造素子113Gから出射してダイクロイックミラーA116,B117を透過したG光および微細構造素子113Bから出射してダイクロイックミラーB117により反射されたB光は、互いに合成されて白色光を形成する。拡散板114に入射いて拡散光となった白色光は、コリメータレンズB115で再び光軸方向に進む平行光に近づけられて光源装置110から出射し、後段の照明光学系に入射する。
The dichroic mirror A116 transmits G light and B light and reflects R light, and the dichroic mirror B117 reflects B light and transmits G light and R light. R light emitted from the
照明光学系は、実施例1と同様に2つのフライアイレンズにより構成される光分割光学系200とコンデンサレンズ300により構成され、入射した光を複数の光に分割してこれらを光変調素子400上で重ね合わせるように集光する。
The illumination optical system is composed of an optical division
本実施例でも、微細構造素子113を微細構造面が出射側(拡散板114側)に向くように配置したことで、微細構造素子113に入射した光が微細構造の側面に当たる率(量)が下がり、図5に示すような想定(理想)に近い光強度分布が拡散板114上で得られる。これにより、後段の照明光学系において高い照明効率と均一な照度分布を実現することが容易となる。 Also in this embodiment, by arranging the microstructure element 113 so that the microstructure surface faces the exit side (diffusion plate 114 side), the rate (amount) of the light incident on the microstructure element 113 hitting the side surface of the microstructure is increased. A light intensity distribution close to the assumption (ideal) as shown in FIG. 5 is obtained on the diffuser plate 114. This makes it easy to realize high lighting efficiency and a uniform illuminance distribution in the subsequent illumination optical system.
本実施例によれば、微細構造素子113における微細構造面の向きを適切に設定したことで、より効率が高い光源装置110、さらにはプロジェクタを実現することができる。
According to this embodiment, by appropriately setting the orientation of the microstructure surface of the microstructure element 113, a more efficient
図8は、実施例1で説明した光源装置100を備えたプロジェクタのうち光源装置100、照明光学系および光変調素子400を示している。本実施例のプロジェクタは、照明光学系が光分割光学系200を有さない点で実施例1と異なる。本実施例では、実施例1と同様に、蛍光体104上に図5に示すような光強度分布が形成され、その光強度分布をコリメータレンズB105とコンデンサレンズ300によって光変調素子400上に投影する。
FIG. 8 shows the
このように光分割光学系200を有さないプロジェクタにも、微細構造素子103の微細構造面を蛍光体104側に向けた実施例1の光源装置100を用いることができる。
As described above, the
なお、上記各実施例ではプロジェクタに用いられる光源装置について説明したが、各実施例の光源装置をプロジェクタ以外の装置に用いてもよい。 Although the light source device used for the projector has been described in each of the above embodiments, the light source device of each embodiment may be used for a device other than the projector.
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。 Each of the above-described examples is only a representative example, and various modifications and changes can be made to each of the examples in carrying out the present invention.
101,111 レーザ光源
103,113 微細構造素子
104 蛍光体
114 拡散板
101,111 Laser light source 103,113
Claims (9)
該光源からの光が照射される光学素子と、
前記光源と前記光学素子との間に配置され、前記光源からの光に対して作用する微細構造面を有する微細構造素子とを含み、
前記微細構造素子は、前記微細構造面が前記光学素子側を向くように配置されていることを特徴とする光源装置。 Light source and
An optical element irradiated with light from the light source and
Includes a microstructure element that is disposed between the light source and the optical element and has a microstructure surface that acts on the light from the light source.
The microstructure element is a light source device characterized in that the microstructure surface is arranged so as to face the optical element side.
該複数の光源に対して、少なくとも1つの微細構造素子が設けられていることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の光源装置。 Having a plurality of the light sources
The light source device according to any one of claims 1 to 7, wherein at least one microstructure element is provided for the plurality of light sources.
該光源装置から出射した光を変調する光変調素子とを有し、
前記光変調素子からの光を投射して画像を表示することを特徴とする画像投射装置。 The light source device according to any one of claims 1 to 8.
It has a light modulation element that modulates the light emitted from the light source device.
An image projection device characterized by projecting light from the light modulation element to display an image.
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