JP5872639B2 - Illumination light source device - Google Patents
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Description
本発明は、液晶表示素子等の映像表示素子を使用して投写面に映像を投影する投写型映像表示装置と、複数の光源を使用し、1つの光束に集光した後、後段の照明光学系に照射する光源に関するものであり、光源装置の大型化を招くことなく、高効率な投写型映像表示装置を提供する技術に関する。 The present invention relates to a projection-type image display device that projects an image on a projection surface using an image display element such as a liquid crystal display element, and a plurality of light sources, condenses them into one light beam, and then illuminates in the subsequent stage. The present invention relates to a light source for irradiating a system, and relates to a technique for providing a high-efficiency projection display apparatus without causing an increase in size of the light source device.
例えば、反射型あるいは透過型の液晶パネルや微小ミラーを複数個配列した構造の映像表示素子の表示画面を投写面であるスクリーンやボード等に拡大表示する投写型映像表示装置においては、投写面で十分な大きさと明るさを有する拡大像が得られるように照明光学系の工夫がなされてきた。 For example, in a projection-type image display apparatus that enlarges and displays a display screen of an image display element having a structure in which a plurality of reflective or transmissive liquid crystal panels or micromirrors are arranged on a screen or board as a projection surface, The illumination optical system has been devised so that an enlarged image having sufficient size and brightness can be obtained.
特に映像表示素子を複数個用いる方式においてはカラー映像の白バランスの劣化や色むらを抑える種々の照明光学系の提案がなされている。例えば特開平10−171045号公報(特許文献1)に開示された投写型映像表示装置の照明光学系に使用する光源としては入力電力当たりの発光効率が高い(70lm/W)超高圧水銀ランプが主流となっている。 In particular, in a system using a plurality of video display elements, various illumination optical systems have been proposed that suppress the deterioration of white balance and color unevenness of a color video. For example, as a light source used in the illumination optical system of a projection display apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-171045 (Patent Document 1), an ultra-high pressure mercury lamp having high luminous efficiency per input power (70 lm / W) is used. It has become mainstream.
また、第1アレイレンズや第2アレイレンズでの光線通過率を向上させるために電極間距離の短縮が大きな開発課題となっている。また超高圧水銀ランプは紫外線を大量に発生させるため照明光学系を構成する液晶ライドバルブや偏光板など有機物に大きなストレスを与えるため寿命を損なうなどのほかに自身も電極の磨耗や発光管の白濁による失透によって明るさ低下が短い時間で発生するなど抱える問題が大きい。 In addition, in order to improve the light beam passing rate in the first array lens and the second array lens, shortening the distance between the electrodes is a major development subject. In addition, ultra-high pressure mercury lamps generate a large amount of ultraviolet rays, so they impose significant stress on organic substances such as the liquid crystal bulbs and polarizing plates that make up the illumination optical system. There is a big problem that brightness decrease occurs in a short time due to devitrification due to.
このため新たな光源として、赤、緑、青の発光ダイオードや有機EL等の固体発光素子を用いた投写型映像表示装置の開発が行われ多くの提案がなされている。例えば特開2004−341105号公報(特許文献2)では固体光源から出射する紫外光を可視光に変換する蛍光体層と透明基材と固体光源から成る光源装置が提案されている。 Therefore, as a new light source, a projection display apparatus using solid light emitting elements such as red, green and blue light emitting diodes and organic EL has been developed and many proposals have been made. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-341105 (Patent Document 2) proposes a light source device including a phosphor layer that converts ultraviolet light emitted from a solid light source into visible light, a transparent substrate, and a solid light source.
更にこの特許文献2の課題を解決するために例えば特開2009−277516号公報(特許文献3)に示すように固体光源から出射する励起光を可視光としても高効率で発光する光源装置が提案されている。
Furthermore, in order to solve the problem of
更に、発光原理が異なる方式の光源を組み合わせて投写型映像表示装置の光源とする提案例えば特開2009−259583号公報(特許文献4)もなされている。 Further, a proposal has been made for combining a light source of a different light emission principle to be a light source of a projection display apparatus, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-259583 (Patent Document 4).
特許文献2に開示された技術では固体光源から射出する紫外光を可視光に変換する蛍光体層と透明基材と固体光源から成る光源装置について開示されている。この技術は、エネルギーの高い紫外光を励起光とする励起光源を用いているため紫外光が照射される光学部品は損傷を受けやすく、光学部品の長期性能確保が困難となる。このため、特許文献3では紫外光よりエネルギーの低い可視光を励起光として蛍光体に照射することが提案されている。
The technique disclosed in
一方、特許文献4に開示されたように投写型映像表示装置の新光源として発光方式の異なる複数種の光源を組み合わせる方式の提案もなされている。この提案では、所定波長の光を出射する発光ダイオードまたは固体発光素子である第一の光源と励起光を出射する発光ダイオードまたは固体発光素子である第二の光源と第二の光源からの励起光を励起エネルギーとして第一の光源と同じ波長域の光を発光する第三の光源から構成されている。 On the other hand, as disclosed in Patent Document 4, a method of combining a plurality of types of light sources having different light emission methods has been proposed as a new light source of a projection display apparatus. In this proposal, excitation light from a first light source that is a light emitting diode or solid light emitting element that emits light of a predetermined wavelength, a second light source that is light emitting diode or solid light emitting element that emits excitation light, and a second light source. And a third light source that emits light in the same wavelength region as the first light source.
以上述べた特許文献2から特許文献4において開示された従来技術は、光源の大きさに関する記載が無いが、実際には、励起光源を複数配列する場合に、光源装置が大型化するという問題が生じる。また、複数配列した場合、蛍光体に励起光を集光するレンズが大型化するため、レンズの球面収差が増大し、所望の照射形状で蛍光体に照射できないという問題も発生する。
Although the prior art disclosed in
以下、超高圧水銀ランプを使用しない新しい光源として、励起光源で蛍光体を励起した光を光源とした際に、照明光学装置が有する課題について、図を参照して説明する。なお、各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。また、以降の説明を容易とするために、直交座標系を導入する。照明光軸方向をZ軸とし、Z軸に直交する面内で映像表示素子の矩形照射有効領域の長辺に平行な方向の軸をY軸とし、矩形有効表示領域の短辺に平行な方向の軸をX軸とする。すなわち、第1アレイレンズ、第2アレイレンズを構成するレンズセルは、X軸,Y軸方向の両方向に配列されているものとする。 Hereinafter, as a new light source that does not use an ultra-high pressure mercury lamp, a problem that the illumination optical device has when using light excited by a phosphor as an excitation light source will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same part and the description is abbreviate | omitted about what was once demonstrated. In order to facilitate the following description, an orthogonal coordinate system is introduced. The direction of the illumination optical axis is the Z axis, the axis parallel to the long side of the rectangular irradiation effective area of the image display element in the plane orthogonal to the Z axis is the Y axis, and the direction parallel to the short side of the rectangular effective display area This axis is taken as the X axis. That is, the lens cells constituting the first array lens and the second array lens are arranged in both the X-axis and Y-axis directions.
図3(a)は、偏光変換インテグレータを用いた投射型液晶表示装置における、光源から液晶表示素子までの照明光学系の光路上の各光学素子を簡易的に図示したものであり、X軸方向から見た照明光軸を含むYZ断面での照明光学系の要部構成部である。 FIG. 3 (a) schematically shows each optical element on the optical path of the illumination optical system from the light source to the liquid crystal display element in the projection type liquid crystal display device using the polarization conversion integrator. It is the principal part structure part of the illumination optical system in the YZ cross section containing the illumination optical axis seen from.
図3(a)において、照明光源装置300は、Y軸方向に8個配列された青色励起光源1と各々の発散光を平行化する平行化レンズ2からなる。青色励起光源1から発光した光は、各々の平行化レンズ2により略平行となり、集光レンズ14により、透明基材19に集光される。透明基材19の入射側は反射防止膜が蒸着されており、出射側は2つセグメントから構成されており、青色を励起光として、黄色を発光する黄色蛍光体のセグメントと、青色を拡散する拡散層のセグメントからなる。
In FIG. 3A, the illumination
図3(b)においてX軸方向から見たYZ断面図、Z軸方向から見たXY断面図を示す。黄色蛍光体のセグメントには、青色光を透過、黄色光(緑色及び赤色)を反射するダイクロイックコート191が蒸着されており、その上に、黄色の蛍光体192が塗布されている。青色励起光が、黄色蛍光体192と反応するため、黄色光が全方位に発光するが、透明基材19の入射側への黄色発散光はダイクロイックコート191で反射されるため、全ての黄色光が、平行化レンズ20の方向に発散する。
FIG. 3B shows a YZ sectional view seen from the X-axis direction and an XY sectional view seen from the Z-axis direction. A
また、青色を拡散する拡散層193のセグメントでは、青色光が拡散し、平行化レンズ20の方向に発散する。透明基材19の回転速度が十分に速ければ、人間の目には青色と黄色が合成された、白色光が透明基材19より、発光していると見える。つまり、透明基材19に照射された青色励起光の照射エリアが、白色光光源として白色を発光している考えることができる。透明基材19から発散した黄色光および青色光は、平行化レンズ20で平行となり、偏光変換インテグレータに入射する。
In the segment of the
偏光変換インテグレータは、第1アレイレンズ3と第2アレイレンズ4とからなる均一照明を行うオプチカルインテグレータと、偏光方向を所定偏光方向に変更、揃える偏光変換素子5とを含んでいる。
The polarization conversion integrator includes an optical integrator that includes the first array lens 3 and the second array lens 4 that performs uniform illumination, and a
第1アレイレンズ3は、入射した光をマトリクス状に配設された複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第2アレイレンズ4と偏光変換素子5を通過するように導く。即ち、第1アレイレンズ3は透明基材19上の照射像と第2アレイレンズ4の各レンズセルとが互いに物体と像の関係(共役関係)となる。第1アレイレンズ3の各レンズセルを通過した光は、対向する第2アレイレンズ4のセルに入射する必要がある。
The first array lens 3 divides incident light into a plurality of lights by a plurality of lens cells arranged in a matrix and efficiently guides the light to pass through the second array lens 4 and the
第1アレイレンズ3と同様に、マトリクス状に配設された複数のレンズセルを持つ第2アレイレンズ4は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第1アレイレンズ3のレンズセルの形状を液晶表示素子18に投影する。
Similar to the first array lens 3, the second array lens 4 having a plurality of lens cells arranged in a matrix form a liquid crystal display of the shape of the lens cell of the first array lens 3 corresponding to each of the constituting lens cells. Project onto the
この時、偏光変換素子5で第2アレイレンズ4からの光は所定の偏光方向に変更、揃えられ、そして、第1アレイレンズ3の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ6、およびコンデンサレンズ13を介して、液晶表示素子18上に重ね合わせられる。
At this time, the light from the second array lens 4 is changed and aligned in a predetermined polarization direction by the
なお、第2アレイレンズ4とこれに近接して配設される集光レンズ6とは、第1アレイレンズ3と映像表示素子18とが、互いに物体と像の関係(共役関係)になるので、第1アレイレンズ3で複数に分割された光束は、第2アレイレンズ4と集光レンズ6によって、液晶表示素子18上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。
The second array lens 4 and the
ここで、透明基材19に照射される青色励起光の照射形状について考える。透明基材19に照射する青色励起光の照射エリアが、照明光学系に入射する光源像となるため、照明光学系で捕獲できる、青色励起光の照射エリアは一律決まっている。そこで、集光レンズ14の収差の影響が少なくなるように、透明基材19に青色励起光を集光する必要がある。そのためには、集光レンズ14と透明基材19の距離を離し、透明基材19に入射する斜め光を低減する必要がある。
Here, the irradiation shape of the blue excitation light irradiated to the
一方、集光レンズ14は8個配列された青色励起光源1から射出され平行化レンズ2で平行光となった青色光の全てを捕捉する必要があるため、青色励起光源1を配列した分の大きさが必要であるため、集光レンズ14と透明基材19の距離をかなり長くする必要が生じる。従って、光源装置全体のサイズが大きくなるという課題が生じる。
On the other hand, since the
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の光源を使用し、1つの光束に集光した後、後段の照明光学系に照射する光源装置を使用した際に、従来よりも光源装置の大型化を招くことなく、高効率な投写型映像表示装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to use a light source device that uses a plurality of light sources, condenses them into one light beam, and then irradiates a subsequent illumination optical system. An object of the present invention is to provide a high-efficiency projection-type image display device without causing an increase in the size of the light source device as compared with the prior art.
上記課題を解決するために、本発明の投射型映像表示装置は、照明光源装置と、映像表示素子と、前記照明光源装置からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、を有する投射型映像表示装置において、前記照明光学系は、複数の矩形開口形状のレンズ素子をマトリックス状に配列した第1アレイレンズ及び第2アレイレンズを有し、前記照明光源装置は、偏光度が50%より大きい1つ以上の光源と、一方の偏光光を透過し、一方の偏光光を反射する1つ以上の偏光子を有し、前記光源の少なくとも1組以上が偏光度の高い偏光方向が直交するように配置されており、前記偏光子により光束が合成され、光束を集光する集光手段により光束が1つの領域に集光された後、後段に配置された照明光学系に向かって照射する構成とする。 In order to solve the above problems, a projection-type image display device of the present invention is formed of an illumination light source device, an image display element, and a plurality of optical elements that irradiate the image display element with light from the illumination light source device. The projection optical display device includes an illumination optical system and a projection lens that magnifies and projects an optical image formed by the video display element. The illumination optical system includes a plurality of rectangular aperture lens elements. The illumination light source device includes one or more light sources having a degree of polarization greater than 50%, one polarized light, and one polarized light. The first and second array lenses are arranged in a matrix. And at least one pair of the light sources is arranged so that the polarization directions with high polarization degree are orthogonal to each other, and the light beams are synthesized by the polarizers to collect the light beams. Condensing hand After the light beam is focused on one area by, a configuration for irradiating toward the illumination optical system disposed in the later stage.
また、照明光源装置と、映像表示素子と、前記照明光源装置からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、を有する投射型映像表示装置において、前記照明光学系は、複数の矩形開口形状のレンズ素子をマトリックス状に配列した第1アレイレンズ及び第2アレイレンズを有し、前記照明光源装置は、偏光度が50%より大きい1つ以上の光源と、一方の偏光光を透過し、一方の偏光光を反射する1つ以上の偏光子と、1つ以上の偏光変換素子を有し、前記光源の少なくとも1組以上が偏光度の高い方向が直交するように配置されており、前記偏光子により、光束が合成され、合成された光束の偏光方向が、前記偏光変換素子により変更、揃えられた照明光源装置において、前記照明光源装置を2組有し、前記偏光変換素子で変更、揃えられる偏光方向が直交しており、前記2組の照明光源装置の後段に設けられた前記偏光子により、光束が合成され、光束を集光する集光手段により光束が1つの領域に集光された後、後段に配置された照明光学系に向かって照射する構成とする。 An illumination optical system formed by an illumination light source device, an image display element, a plurality of optical elements that irradiate the image display element with light from the illumination light source device, and an optical image formed by the image display element The projection optical display device includes a projection lens that magnifies and projects a projection lens, and the illumination optical system includes a first array lens and a second array lens in which a plurality of rectangular aperture lens elements are arranged in a matrix. The illumination light source device includes one or more light sources having a degree of polarization greater than 50%, one or more polarizers that transmit one polarized light and reflect one polarized light, and one or more polarized lights. A conversion element, wherein at least one set of the light sources is arranged so that directions of high degree of polarization are orthogonal to each other, a light beam is combined by the polarizer, and a polarization direction of the combined light beam is the polarization For conversion element In the illumination light source devices that have been changed and aligned, two sets of the illumination light source devices are provided, and the polarization directions that are changed and aligned by the polarization conversion elements are orthogonal to each other, and are provided downstream of the two sets of illumination light source devices. Further, the light beams are combined by the polarizer, and the light beams are collected in one region by the light collecting means for collecting the light beams, and then irradiated to the illumination optical system disposed in the subsequent stage.
また、照明光源装置と、映像表示素子と、前記照明光源装置からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、を有する投射型映像表示装置において、前記照明光源装置からの光束を集光する集光手段を設け、前記集光手段により光束を四面の反射面を有するライトトンネルの入射側開口部に集光し、前記ライトトンネルに入射させ、前記ライトトンネル出射側開口部から出射した光束をレンズ素子により、映像信号に対応して入射光の強度を変調する光変調手段に投写する構成とし、前記照明光源装置は、偏光度が50%より大きい1つ以上の光源と、一方の偏光光を透過し、一方の偏光光を反射する1つ以上の偏光子を有し、前記光源の少なくとも1組以上が偏光度の高い偏光方向が直交するように配置されており、前記偏光子により光束が合成され、光束を集光する集光手段により光束が1つの領域に集光された後、後段に配置された照明光学系に向かって照射する構成とする。 An illumination optical system formed by an illumination light source device, an image display element, a plurality of optical elements that irradiate the image display element with light from the illumination light source device, and an optical image formed by the image display element A projection lens that projects a magnified image of the light source, and includes a light condensing unit that condenses the light flux from the illumination light source device, and the light having a four-surface reflecting surface by the light condensing unit. Light modulating means for condensing the incident light into the light tunnel, making it incident on the light tunnel, and modulating the intensity of the incident light corresponding to the video signal by the lens element by the light beam emitted from the light tunnel exit side opening The illumination light source device has one or more light sources having a degree of polarization greater than 50%, and one or more polarizers that transmit one polarized light and reflect one polarized light. ,Previous At least one set of light sources is arranged so that the polarization directions with a high degree of polarization are orthogonal to each other, the light beams are combined by the polarizer, and the light beams are collected in one region by the light collecting means for collecting the light beams. Then, it is set as the structure irradiated toward the illumination optical system arrange | positioned in the back | latter stage.
また、照明光源装置と、映像表示素子と、前記照明光源装置からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、を有する投射型映像表示装置において、前記照明光源装置からの光束を集光する集光手段を設け、前記集光手段により光束を四面の反射面を有するライトトンネルの入射側開口部に集光し、前記ライトトンネルに入射させ、前記ライトトンネル出射側開口部から出射した光束をレンズ素子により、映像信号に対応して入射光の強度を変調する光変調手段に投写する構成とし、前記照明光源装置は、偏光度が50%より大きい1つ以上の光源と、一方の偏光光を透過し、一方の偏光光を反射する1つ以上の偏光子と、1つ以上の偏光変換素子を有し、前記光源の少なくとも1組以上が偏光度の高い方向が直交するように配置されており、前記偏光子により、光束が合成され、合成された光束の偏光方向が、前記偏光変換素子により変更、揃えられた照明光源装置において、前記照明光源装置を2組有し、前記偏光変換素子で変更、揃えられる偏光方向が直交しており、前記2組の照明光源装置の後段に設けられた前記偏光子により、光束が合成され、光束を集光する集光手段により光束が1つの領域に集光された後、後段に配置された照明光学系に向かって照射する構成とする。 An illumination optical system formed by an illumination light source device, an image display element, a plurality of optical elements that irradiate the image display element with light from the illumination light source device, and an optical image formed by the image display element A projection lens that projects a magnified image of the light source, and includes a light condensing unit that condenses the light flux from the illumination light source device, and the light having a four-surface reflecting surface by the light condensing unit. Light modulating means for condensing the incident light into the light tunnel, making it incident on the light tunnel, and modulating the intensity of the incident light corresponding to the video signal by the lens element by the light beam emitted from the light tunnel exit side opening The illumination light source device includes one or more light sources having a degree of polarization greater than 50%, one or more polarizers that transmit one polarized light and reflect one polarized light, and 1 After And at least one set of the light sources is arranged so that directions with high degree of polarization are orthogonal to each other, a light beam is combined by the polarizer, and a polarization direction of the combined light beam is In the illumination light source device modified and aligned by the polarization conversion element, the illumination light source device includes two sets of the illumination light source devices, and the polarization directions changed and aligned by the polarization conversion element are orthogonal to each other. A configuration in which the light beam is synthesized by the polarizer provided in the subsequent stage, and the light beam is condensed in one region by the condensing unit that collects the light beam, and then irradiated to the illumination optical system disposed in the subsequent stage And
本発明によれば、複数の光源を使用し、1つの光束に集光した後、後段の照明光学系に照射する光源装置を使用した際に、従来よりも光源装置の大型化を招くことなく、高効率な投写型映像表示装置を提供することができる。 According to the present invention, when a light source device that uses a plurality of light sources, condenses into one light beam, and irradiates the illumination optical system at the subsequent stage is used, the size of the light source device is not increased compared to the conventional case. A highly efficient projection display apparatus can be provided.
以下、本発明の最良の実施形態について、図を参照して説明する。なお、各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。ここでも、説明を容易とするために、課題の項と同様に、照明光軸をZ軸とする直交座標を導入する。すなわち、Z軸に直交する面内で、映像表示素子の矩形照射有効領域の長辺に平行な方向の軸をY軸とし、矩形有効表示領域の短辺に平行な方向の軸をX軸とする。 Hereinafter, the best embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same part and the description is abbreviate | omitted about what was once demonstrated. Also here, in order to facilitate the explanation, orthogonal coordinates with the illumination optical axis as the Z axis are introduced as in the problem section. That is, in the plane orthogonal to the Z axis, the axis in the direction parallel to the long side of the rectangular irradiation effective area of the image display element is the Y axis, and the axis in the direction parallel to the short side of the rectangular effective display area is the X axis. To do.
図1は、本発明による一実施形態に係わる照明光源装置と照明光源装置を用いた投射型液晶表示装置の光学系の概略構成図である。図1(a)は、X軸方向から見た照明光軸を含むYZ断面での投射型液晶表示装置の要部構成図であり、図1(b)は、X軸方向から見た照明光軸を含むYZ断面での、照明光学装置の要部構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical system of an illumination light source device and a projection type liquid crystal display device using the illumination light source device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a main part configuration diagram of a projection type liquid crystal display device in a YZ section including an illumination optical axis viewed from the X-axis direction, and FIG. 1B is an illumination light viewed from the X-axis direction. It is a principal part block diagram of the illumination optical apparatus in the YZ cross section containing an axis | shaft.
図1(a)において、照明光源装置200(詳細は後述する)から発光した光は、平行化レンズ20により略平行となり、偏光変換インテグレータに入射する。偏光変換インテグレータは、第1アレイレンズ3と第2アレイレンズからなる均一照明行うオプチカルインテグレータと、偏光方向を所定偏光方向に変更、揃える偏光変換素子5とで構成される。
In FIG. 1A, light emitted from an illumination light source device 200 (details will be described later) is made substantially parallel by the collimating
第1アレイレンズ3は、照明光軸方向から見て液晶表示素子とほぼ相似な矩形形状を有する複数のレンズセルがマトリクス(2次元)状に配設されたもので、光源から入射した光を複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第2アレイレンズ4と偏光変換素子5を通過するように導く。即ち、第1アレイレンズ3は照明光源装置200の透明基材190上の形成された発光面と第2アレイレンズ4の各レンズセルとが光学的に共役な関係になるように設計されている。
The first array lens 3 is formed by arranging a plurality of lens cells having a rectangular shape substantially similar to a liquid crystal display element when viewed from the illumination optical axis direction in a matrix (two-dimensional) shape. The light is divided into a plurality of light by a plurality of lens cells and guided so as to pass through the second array lens 4 and the
第1アレイレンズ3と同様に、照明光軸方向から見て矩形形状の複数のレンズセルがマトリクス状に配設された構成を有する第2アレイレンズ4は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第1アレイレンズ3のレンズセルの形状を液晶表示素子18に投影(写像)する。
Similar to the first array lens 3, the second array lens 4 having a configuration in which a plurality of rectangular lens cells as viewed from the illumination optical axis direction is arranged in a matrix form corresponds to each of the constituent lens cells. The shape of the lens cell of one array lens 3 is projected (mapped) onto the liquid
この時、偏光変換素子5で第2アレイレンズ4からの光は所定の偏光方向に変更、揃えられ、そして、第1アレイレンズ3の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ6、およびコンデンサレンズ13,14,第1リレーレンズ15,第2リレーレンズ16,第3リレーレンズ17により各液晶表示素子18上に重ね合わせられる。
At this time, the light from the second array lens 4 is changed and aligned in a predetermined polarization direction by the
なお、第2アレイレンズ4とこれに近接して配設される集光レンズ6とは、第1アレイレンズ3の各レンズセルと液晶表示素子18とが、光学的に共役な関係になるように設計されているので、第1アレイレンズ3で複数に分割された光束は、第2アレイレンズ4と集光レンズ6によって、液晶表示素子18上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。
It should be noted that the second array lens 4 and the condensing
以上述べたように、第1アレイレンズ3,第2アレイレンズ4,偏光変換素子5とで構成された偏光変換インテグレータは、光源からの偏光方向がランダムな光を所定偏光方向に変更、揃えながら、液晶表示素子を均一照明することができる。
As described above, the polarization conversion integrator including the first array lens 3, the second array lens 4, and the
その過程で、ダイクロイックミラー11により、例えばB光(青色帯域の光)は反射され、G光(緑色帯域の光)およびR光(赤色帯域の光)は透過されて2色の光に分離され、更に、G光とR光はダイクロイックミラー12によりG光とR光に分離される。例えば、G光はダイクロイックミラー12で反射され、R光はダイクロイックミラー12を透過して3色の光に分離される。この光の分離の仕方は種々考えられ、ダイクロイックミラー11でR光を反射させ、G光及びB光を透過させてもよいし、G光を反射させ、R光及びB光を透過させてもよい。
In the process, for example, B light (blue band light) is reflected by the
ダイクロイックミラー11を反射したB光は、反射ミラー10を反射し、コンデンサレンズ13Bを通してB光用の液晶表示素子18Bを透過して光合成プリズム21に入射する。
The B light reflected by the
一方、ダイクロイックミラー11を透過したG光及びR光の内、G光はダイクロイックミラー12を反射して、コンデンサレンズ13Gを通してG光用液晶表示素子18Gに入射し、この液晶表示素子18Gを透過して光合成プリズム21に入射する。また、R光はダイクロイックミラー12を透過し、第1リレーレンズ15で集光され、更に反射ミラー8で反射され、第2リレーレンズ16で更に集光され、反射ミラー9で反射された後、第3リレーレンズ17で更に集光されてR光用の液晶表示素子18Rに入射する。液晶表示素子18Rを透過したR光は光合成プリズム21に入射する。
On the other hand, of the G light and R light transmitted through the
各液晶表示素子を透過したB光、G光、R光は、光合成プリズム21によってカラー映像として合成された後、例えばズームレンズであるような投射レンズ22を通過し、スクリーン7に到達する。液晶表示素子18上に光強度変調で形成された光学像は、投射レンズ22によりスクリーン上に拡大投影され表示装置として機能するものである。
The B light, G light, and R light transmitted through each liquid crystal display element are combined as a color image by the
なお、第1の光路(B光)と第2の光路(G光)にはリレーレンズは使用されていないが、第3の光路(R光)にはB光、G光と光路長を等しくするためのリレーレンズ15、16が使用されている。
Note that a relay lens is not used for the first optical path (B light) and the second optical path (G light), but the optical path lengths of the B light and G light are the same for the third optical path (R light).
以下、本実施形態により、小型な照明光源装置を提供できる理由を、図1(b)を用いて説明する。図1(b)において、照明光源装置200は、光源ユニット300P、光源ユニット300S、偏光子23、集光レンズ140、透明基材190からなる。光源ユニット300PはY軸方向に4つ配列された光源1Pと光源1Pを発光した光を平行にする、平行化レンズ2からなり、光源ユニット300SはZ軸方向に4つ配列された光源1Sと光源1Sを発光した光を平行にする、平行化レンズ2からなる。
Hereinafter, the reason why a small illumination light source device can be provided according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 1B, the illumination
光源1は特定の方向の偏光度が高くなっている。ここで、X軸方向の偏光をS偏光、X軸方向と照明光軸と直交する方向の偏光をP偏光とし、光源1SはS偏光の割合が50%より大きく、光源1PはP偏光の割合が50%より大きいとする。偏光度の高い光源としては、レーザーが有名であるが、LED等の無偏光光源の出射直後に、一方の直線偏光光のみを透過する偏光子を配置し、一方の直線偏光光のみを取り出す構成の光源でもよい。レーザー光源であれば、S偏光光を得るために、直線偏光方向がX軸と平行になるように配置し、P偏光を得るためには、前記S偏光用のレーザーとは90度直交した状態で配置すればよい。
The
また、無偏光光源を偏光子で片方の偏光のみを取り出す構成では、偏光子の配置方向を90度直交させればよい。光源ユニット300Pから射出した光は、P偏光光の割合が50%より大きい、平行光であり、光源ユニット300Sから射出した光は、S偏光光の割合が50%より大きい、平行光となり、偏光子23に入射する。偏光子23は、P偏光を透過、S偏光を反射する素子であり、三角柱を2面貼り合わせたプリズム形状でもよい。
In the configuration in which the non-polarized light source uses a polarizer to extract only one polarized light, the arrangement direction of the polarizers may be 90 degrees orthogonal. The light emitted from the
従って、光源ユニット300Pから射出した光の内、P偏光光が偏光素子23を透過し、光源ユニット300Sから射出した光の内、S偏光光が偏光素子23を反射し、集光レンズ140に入射する。光源1の偏光度が50%より大きいため、例えば、単純に4つの光源1Pを集光レンズ140に入射した場合よりも、大きな光束を得ることができる。集光レンズ140に入射した光は、透明基材190に集光し、1つの照射領域を形成する。
Accordingly, among the light emitted from the
ここで、透明基材190は、光源1を青色励起光源とすれば、前述の透明基材19と同様、青色拡散光と黄色蛍光体の2つのセグメントを有する構成とできる。また、光源1が青色、緑色、赤色を含む光源、例えば、8つの光源1の内、2つが赤色光源、4つが緑色光源、2つが青色光源であれば、透明基材190は、入射した光線を拡散する拡散層のみを有する構成とできる。透明基材190を通過した光は、透明基材190上の光源1の照射領域が1つの白色光源の発光像として、後段の照明光学系に導かれる。
Here, if the
上記のとおり照明光源装置用部材を配置することにより、集光レンズ140は4個配列された光源1から射出され、平行化レンズ2で平行光となった光のみを捕捉すればよいため、つまり、光束幅が従来の2分の1になっているため、集光レンズ140を小さくできる。従って、透明基材190での投影像の収差を増大させることなく、集光レンズ140と透明基材190の距離も短くすることができる。
By arranging the illumination light source device member as described above, it is only necessary to capture only the light that is emitted from the four
次に、更に光束幅を低減し、小型化を実現する手法について、図2を用いて説明する。図2は、本発明による一実施形態に係わる照明光源装置の光学系の概略構成図である。図2(a)は、X軸方向から見た照明光軸を含むYZ断面での、照明光学装置の要部構成図であり、図2の(b)、(c)は、照明光学装置を構成する装置の1部である。 Next, a method for further reducing the beam width and realizing miniaturization will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an optical system of an illumination light source apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2A is a main part configuration diagram of the illumination optical device in the YZ section including the illumination optical axis viewed from the X-axis direction, and FIGS. 2B and 2C show the illumination optical device. It is a part of the apparatus which comprises.
図2(a)において、照明光源装置201は、光源ユニット301P、光源ユニット301S、光源ユニット302P、光源ユニット302S、偏光子23、偏光プリズム24、集光レンズ141、透明基材190からなる。照明光源装置201は光源ユニット301からなる光源部と光源ユニット302からなる光源部より構成されており、図2(b)、図2(c)に示される。
2A, the illumination
図2(b)は、光源ユニット301を含む装置である。光源ユニット301Pは、Y軸方向に2つ配列された光源1Pと、光源1Pから発光した光を平行にする平行化レンズ2からなり、光源ユニット301Sは、Z軸方向に2つ配列された光源1Sと、光源1Sから発光した光を平行にする、平行化レンズ2からなる。
FIG. 2B is an apparatus including the light source unit 301. The
光源ユニット301Pの射出光は、P偏光光の割合が50%より大きい平行光であり、光源ユニット301Sの射出光は、S偏光光の割合が50%より大きい平行光となり、偏光プリズム24に入射する。偏光プリズム24はP偏光を透過、S偏光を反射する素子であり、出射側に、短冊状にλ/2板241が配置されている。
The light emitted from the
光源ユニット301Pの射出光のうち、P偏光光は偏光プリズム24を透過し、出射面に到達する。このとき、光源ユニット301Pの射出光が、λ/2板241が配置されていない領域を通過するように、光源ユニット301Pを配置するため、光源ユニット301Pの射出光は、P偏光のまま、偏光プリズム24を通過する。
Of the light emitted from the
また、光源ユニット301Sの射出光のうち、S偏光光は偏光プリズム24の反射面で反射し、出射面に到達する。このとき、光源ユニット301Sの射出光が、λ/2板241が配置された領域を通過するように、光源ユニット301Sを配置するため、光源ユニット301Sの射出光は、λ/2板241により、S偏光からP偏光に変換され、偏光プリズム24を通過する。つまり、光源ユニット301Pの射出光、光源ユニット301Sの射出光ともに、P偏光の光束として、偏光プリズム24から射出する。
Of the light emitted from the
次に、もう1つの光源ユニットについて説明する。図2(c)は、光源ユニット302を含む装置である。光源ユニット302Sは、Y軸方向に2つ配列された光源1Sと、光源1Sから発光した光を平行にする平行化レンズ2からなり、光源ユニット302Pは、Z軸方向に2つ配列された光源1Pと、光源1Pから発光した光を平行にする、平行化レンズ2からなる。
Next, another light source unit will be described. FIG. 2C shows an apparatus including the light source unit 302. The
光源ユニット302Pの射出光は、P偏光光の割合が50%より大きい平行光であり、光源ユニット302Sの射出光は、S偏光光の割合が50%より大きい平行光となり、偏光プリズム24に入射する。偏光プリズム24はP偏光を透過、S偏光を反射する素子であり、出射側に、短冊状にλ/2板241が配置されている。光源ユニット302Sの射出光のうち、S偏光光は偏光プリズム24の反射面で反射し、出射面に到達する。
The light emitted from the
このとき、光源ユニット302Sの射出光が、λ/2板241が配置されていない領域を通過するように、光源ユニット302Sを配置するため、光源ユニット302Sの射出光は、S偏光のまま、偏光プリズム24を通過する。
At this time, since the
また、光源ユニット302Pの射出光のうち、P偏光光は偏光プリズム24を通過し、出射面に到達する。このとき、光源ユニット302Pの射出光が、λ/2板241が配置された領域を通過するように、光源ユニット302Pを配置するため、光源ユニット302Pの射出光は、λ/2板241により、P偏光からS偏光に変換され、偏光プリズム24を通過する。
Of the light emitted from the
つまり、光源ユニット302Sの射出光、光源ユニット302Pの射出光ともに、S偏光の光束として、偏光プリズム24から射出する。偏光プリズム24はλ/2板を含む1つの構成としたが、偏光を合成する偏光子と、偏光を回転するλ/2板部が別体であってもよい。
That is, both the light emitted from the
図2(a)において、偏光子23は、P偏光を透過、S偏光を反射する素子である。従って、光源ユニット301の射出光は、前述したとおり、P偏光光として偏光素子23に入射するため、偏光素子23を透過し、集光レンズ141に入射する。また、光源ユニット302の射出光は、前述したとおり、S偏光光として偏光素子23に入射するため、偏光素子23で反射し、集光レンズ141に入射する。集光レンズ141に入射した光は、透明基材190に集光し、1つの照射領域を形成する。
In FIG. 2A, a
以上のように、照明光源装置用部材を配置することにより、集光レンズ141は2個配列された光源1から射出され、平行化レンズ2で平行光となった光のみを捕捉すればよいため、つまり、光束幅が従来の4分の1になっているため、集光レンズ141を小さくできる。従って集光レンズ141と透明基材190の距離も短くすることができる。
As described above, by arranging the illumination light source device member, the condensing
以上、光源1を8個配列した場合について説明したが、8個以外でもよい。また、平行化レンズ2は、光源の配置方向、光源色、等により、各々最適なサイズ、曲率半径、硝材に変更してもよい。
Although the case where eight
以上のように、本発明によれば、複数の光源を使用し、1つの光束に集光した後、後段の照明光学系に照射する光源装置を使用した際に、光源装置の大型化を招くことなく、高効率な投写型映像表示装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, when a light source device that uses a plurality of light sources and focuses a single light beam and then irradiates a subsequent illumination optical system is used, the size of the light source device is increased. Therefore, a highly efficient projection display apparatus can be provided.
上記では、複数の光源を使用し、1つの光束に集光した後、後段の照明光学系に照射する光源装置を使用した際に、従来よりも光源装置の大型化を招くことなく高効率な投写型映像表示装置を提供することができる手法について、光線図を用いて概念的に説明した。 In the above, when a light source device that uses a plurality of light sources, condenses into one light beam, and irradiates a subsequent illumination optical system is used, the light source device is more efficient than the conventional one without causing an increase in size. A technique capable of providing a projection display apparatus has been conceptually described with reference to light diagrams.
次に、本実施形態において、透明基材への照射領域に求められる精度を決定する一実施例について、図4を用いて述べる。図4(a)は、X軸方向から見た照明光軸を含むYZ断面での投射型液晶表示装置の要部構成図であり、図4(b)は、X軸方向から見た照明光軸を含むYZ断面での照明光源装置の要部拡大図であり、図4(c)は、Y軸方向から見た照明光軸を含むXZ断面での、照明光学装置からライトトンネルまでの要部構成図である。 Next, an example of determining the accuracy required for the irradiation region on the transparent substrate in the present embodiment will be described with reference to FIG. 4A is a main part configuration diagram of a projection type liquid crystal display device in a YZ section including an illumination optical axis viewed from the X-axis direction, and FIG. 4B is an illumination light viewed from the X-axis direction. FIG. 4C is an enlarged view of a main part of the illumination light source device in the YZ section including the axis, and FIG. 4C is a view from the illumination optical device to the light tunnel in the XZ section including the illumination optical axis viewed from the Y axis direction. FIG.
照明光源装置としては、照明光源装置201を使用し、後段の照明光学系に関しては、微小ミラーを複数個配列した構造の映像表示素子(DMD素子)を用いた照明光学系とする。
The illumination
図4(c)において、照明光源装置のX軸方向の配置を示す。ここでの照明光源装置201はX軸方向にも光源1と平行化レンズ2が2個ずつ配置されており、計16個の光源1と平行化レンズ2を有するとする。
FIG. 4C shows the arrangement of the illumination light source device in the X-axis direction. Here, it is assumed that the illumination
図4(a)において、照明光源装置201から発光した光は、集光レンズ25により集光し、ライトトンネル26の入射側開口部に入射する。集光レンズ25は透明基材19上に形成された、光源1の照射領域33から発散した光が、ライトトンネル26の入射側で集光するため、ライトトンネル26の入射面に、透明基材19上に形成された、光源1の照射領域33が拡大投影される。
In FIG. 4A, the light emitted from the illumination
ライトトンネル26は内部の四面に反射面を有し、前記ライトトンネル26の出射側開口部に到達するまでに、入射光線が複数回反射することで、ライトトンネル26の出射側には、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布が得られる。ライトトンネル26から出射した光束は、反射ミラー28を介して、レンズ素子27により、映像信号に対応して入射光の強度を変調するDMD素子29上に拡大投影される。
The
DMD素子29に入射した光束は、映像信号に応じて、投写レンズ30に入射し、スクリーン31に到達する。ライトトンネル26の直前には、白色光を色分離するカラーホイール32が配置されているが、照明光源装置201で色の時分割が可能な場合は、カラーホイール32は不要である。
The light beam incident on the
図4(b)において、具体的に、照射領域33に求められる精度について、説明する。光源1は青色レーザーであるとし、透明基材19の蛍光体を励起するとする。光源1の外形がφ6mm、発光サイズがφ0.02mm、光線射出半角が20度であるとする。
In FIG. 4B, the accuracy required for the
偏光プリズム24の外形は光源1の約2個分のサイズであるため、12mm幅となる。偏光プリズム24の出射面の幅12mmを光源1の4個分の光束が通過するため、光源1からの射出した光束は、3mm以下にする必要がある。光源1の光線射出半角は20度なので、平行化レンズ2の焦点距離は約4mmとなる。
Since the outer shape of the
ここで、光源1の発光面像が、透明基材19上に形成される照射領域33として、拡大投影されるが、拡大率はおよそ、集光レンズ141の焦点距離と平行化レンズ2の焦点距離の比となる。照射領域33が後段の照明光学系の光源サイズとなるが、従来の超高圧水銀ランプのアーク像は1mm程度なので、照射領域33の大きさも1mm以下とする必要ある。光源1の発光サイズはφ0.02mmなので、拡大率は約50倍以下にする必要あり、余裕を見て、拡大率5倍とする。
Here, the light emitting surface image of the
このとき、集光レンズ141の焦点距離は20mmとなり、光源1の発光面拡大像としては、φ0.1mm程度となる。
At this time, the focal length of the condensing
図5において、上記条件で光源1から射出した光線の透明基材19上に形成される照射領域33でのスポット図を確認する。集光レンズ141として、安価な球面レンズを使用している。このとき、スポットサイズはφ0.3mm程度であり、拡大像φ0.1mmを含めても、1mm以下に抑えられており、後段の照明光学系にとって、高効率な照明光源といえる。
In FIG. 5, the spot figure in the irradiation area |
1…光源、2…平行化レンズ、3…第1アレイレンズ、4…第2アレイレンズ、5…偏光変換素子、6…集光レンズ、7…スクリーン、8…反射ミラー、9…反射ミラー、10…反射ミラー、11…ダイクロイックミラー、12…ダイクロイックミラー、13…コンデンサレンズ、14…集光レンズ、15…第1リレーレンズ、16…第2リレーレンズ、17…第3リレーレンズ、18…液晶表示素子、19…透明基材、20…平行化レンズ、21…光合成プリズム、22…投射レンズ、23…偏光子、24…偏光プリズム、25…集光レンズ、26…ライトトンネル、27…レンズ素子、28…反射ミラー、29…DMD素子、30…投射レンズ、31…スクリーン、32…カラーホイール、33…照射領域、140…集光レンズ、141…集光レンズ、190…透明基材、191…黄色蛍光体、192…ダイクロイックコート、193…拡散層、200…照明光源装置、201…照明光源装置、241…λ/2板、300…光源ユニット、301…光源ユニット、302…光源ユニット
DESCRIPTION OF
Claims (3)
偏光度が50%より大きい第1の励起光を出射する第1のユニット、及び、前記第1の励起光と垂直な方向の偏光度が50%より大きい第2の励起光を出射する第2のユニットを備える第1の光源と、
偏光度が50%より大きい第3の励起光を出射する第3のユニット、及び、前記第3の励起光と垂直な方向の偏光度が50%より大きい第4の励起光を出射する第4のユニットを備える第2の光源と、
前記第1の励起光を透過し、前記第4の励起光を反射すると共に当該反射した第4の励起光の偏光方向を前記第1の励起光の偏光方向に揃える第1の偏光子と、
前記第2の励起光を反射し、前記第3の励起光を透過すると共に当該透過した第3の励起光の偏光方向を前記第2の励起光の偏光方向に揃える第2の偏光子と、
前記第1の偏光子からの第5の励起光を透過し、前記第2の偏光子からの第6の励起光を反射することにより、前記第5及び第6の励起光を合成する第3の偏光子と、
前記第3の偏光子に合成された励起光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズに集光された励起光に励起されて蛍光光を発生する蛍光体と、を備え、
前記第1及び第2の光源は、それぞれ、前記第1の光源の光軸と前記第2の光源の光軸が直交するように配置されている、照明光源装置。 An illumination light source device,
A first unit that emits first excitation light having a degree of polarization greater than 50%, and a second unit that emits second excitation light having a degree of polarization greater than 50% in a direction perpendicular to the first excitation light. A first light source comprising:
A third unit that emits third excitation light having a degree of polarization greater than 50%, and a fourth unit that emits fourth excitation light having a degree of polarization greater than 50% in a direction perpendicular to the third excitation light. A second light source comprising the unit of
A first polarizer that transmits the first excitation light, reflects the fourth excitation light, and aligns the polarization direction of the reflected fourth excitation light with the polarization direction of the first excitation light;
A second polarizer that reflects the second excitation light, transmits the third excitation light, and aligns the polarization direction of the transmitted third excitation light with the polarization direction of the second excitation light;
The third excitation light is synthesized by transmitting the fifth excitation light from the first polarizer and reflecting the sixth excitation light from the second polarizer, thereby synthesizing the fifth and sixth excitation lights. With a polarizer
A condenser lens for condensing the excitation light synthesized in the third polarizer;
A phosphor that is excited by the excitation light collected by the condenser lens to generate fluorescent light, and
The illumination light source device, wherein the first and second light sources are arranged so that an optical axis of the first light source and an optical axis of the second light source are orthogonal to each other.
前記光源はレーザーである、照明光源装置。 The illumination light source device according to claim 1,
The illumination light source device, wherein the light source is a laser.
前記蛍光体にて発生した蛍光光及び前記蛍光体に励起されなかった励起光は、混色して略白色光となる、照明光源装置。 The illumination light source device according to claim 1 or 2,
The illumination light source device, wherein the fluorescent light generated by the phosphor and the excitation light not excited by the phosphor are mixed to become substantially white light.
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JP2014126859A JP5872639B2 (en) | 2014-06-20 | 2014-06-20 | Illumination light source device |
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