WO2009119476A1 - ライトパイプ、照明光学系及び画像投影装置 - Google Patents

ライトパイプ、照明光学系及び画像投影装置 Download PDF

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WO2009119476A1
WO2009119476A1 PCT/JP2009/055588 JP2009055588W WO2009119476A1 WO 2009119476 A1 WO2009119476 A1 WO 2009119476A1 JP 2009055588 W JP2009055588 W JP 2009055588W WO 2009119476 A1 WO2009119476 A1 WO 2009119476A1
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WO
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light
incident
illumination optical
optical system
divided
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/055588
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English (en)
French (fr)
Inventor
池田優二
早川和弘
Original Assignee
ブラザー工業株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0096—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the lights guides being of the hollow type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0994—Fibers, light pipes
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/208—Homogenising, shaping of the illumination light

Definitions

  • the present invention relates to a light pipe that introduces light from one end and emits the light from the other end, and an illumination optical system and an image projection apparatus using the light pipe.
  • Image projection apparatuses that irradiate light modulation elements such as liquid crystal display elements and DMD (digital micromirror device) elements with light from a light source and project an image on a screen have become widespread.
  • a halogen lamp, a high pressure mercury lamp, or the like has been used as a light source for irradiating the light modulation element.
  • these light sources require a large amount of electric power, and since a temperature rises and requires a cooling device, the weight and volume increase, which hinders the compact construction of the entire device.
  • the brightness and light emission efficiency of light emitting diodes (LEDs) have been improved. Since the LED has a low driving voltage and is small and lightweight, if the LED can be used as a light source of an image projection apparatus, the entire apparatus can be reduced in size and weight.
  • Patent Document 1 is intended to improve such a problem by using a rod integrator (hereinafter referred to as a light pipe).
  • FIG. 7 shows a cross-sectional structure of the illumination light source device 50 described in Patent Document 1.
  • the illumination light source device 50 includes a light pipe 51 and a white LED 52 provided in a light incident opening 54 of the light pipe 51.
  • the white LED 52 can set the light emitting point 53 inside the light guide path 56 from the end of the light pipe 51, and can efficiently guide the light emitted from the light emitting point 53 to the light exit opening 55.
  • the light pipe 51 has a hollow cylindrical shape, the number of times of internal reflection of light is increased as compared with the case where a solid columnar light pipe is used. Therefore, when light is emitted from the light emission opening 55, illumination light with a more uniform intensity can be obtained.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional structure of the illumination device 60 described in Patent Document 2.
  • a rod 64 that gathers the exit side openings of the plurality of taper rods 63
  • LEDs 68R, 68G, 68B and LEDs installed at the bottom of each mortar-shaped taper rod 63
  • the LED array 62 is composed of the substrate 67.
  • the light emitted from each LED 68R, 68G, 68B is reflected by the wall surface of the taper rod 63, the emission angle becomes narrow, and is emitted from the exit end of the rod 64.
  • the light of each color emitted from the plurality of light sources of the LEDs 68R, 68G, and 68B is combined, and white light with higher directivity can be emitted.
  • the emission angle of light emitted from the light emitting point 53 of the white LED 52 is ⁇ .
  • the light emitted from the light emitting point 53 is repeatedly reflected by the inner surface 57 of the light pipe 51 and proceeds to the light exit opening 55.
  • the incident angle and the reflection angle are equal. That is, when the light emitted from the white LED 52 is emitted from the light emission opening 55, the emission angle is maintained. Therefore, if the emission angle of light emitted from the light emission opening 55 is ⁇ , the emission angle ⁇ is almost the same as the emission angle ⁇ . Therefore, in the illumination light source device 50 shown in FIG.
  • the directivity of the light emitted from the light pipe 51 is not so different from the directivity of the light emitted from the LED 52 as the light source. Therefore, additional devices are required to prevent the light utilization efficiency from being lowered.
  • the allowable incident angle of the projection lens is smaller than the light emission angle of the LED, light emitted from the light pipe at an emission angle larger than the allowable incident angle is not projected from the projection lens and is lost. .
  • the angle dependency of the emission light emitted from the rod 64 is maintained as it is and appears as uneven color in the projected image.
  • the emission colors are different between the LEDs 68R, 68G, 68B, there is a possibility that a color distribution is generated in the light emitted from the rod 64.
  • the quality of the projected image is deteriorated. Therefore, it is necessary to take measures such as further providing a light mixing means between the rod 64 and the light modulation element.
  • a side wall surface is formed of a cylindrical light guide having a reflecting surface, and light is introduced from an incident end and repeatedly reflected on the side wall surface to be emitted.
  • the light guide is configured with a light-transmitting partition that partitions at least the internal space on the incident end side of the light guide in the longitudinal direction of the light guide.
  • a diffractive part is formed on the surface of the entrance end side region of the partition, and an exit angle of light emitted from the exit end is smaller than an incident angle of light introduced from the entrance end; did.
  • the partition section has a cross shape so that two light-transmitting plates are orthogonal to each other, and the internal space is divided into four parts. You may make it the structure currently formed in the surface of a translucent board.
  • the diffractive portion may have a plurality of grooves, and the interval between the plurality of grooves may be narrowed toward the incident end.
  • the light incident on the incident end region of the light pipe enters the diffraction section near the incident end as the emission angle from the light emitting element increases.
  • the diffractive portion near the incident end is diffracted by receiving a stronger diffractive action because the groove interval is narrower than that of the diffractive portion on the exit end side. That is, as the light beam has a larger emission angle, it can be subjected to a large declination action that approximates to parallel light, and as a result, the directivity of the emitted light can be further increased.
  • the diffractive portion may have a plurality of grooves, and the intervals between the plurality of grooves may be different from each other in the two translucent plates orthogonal to each other.
  • An illumination optical system including the light pipe and a light emitting element installed at the incident end of the light pipe may be used.
  • Such a configuration makes it possible to irradiate light that is small and light, has high directivity, and has little luminance unevenness.
  • the incident end may be divided by the partition, and a plurality of the light emitting elements may be installed corresponding to the divided incident ends.
  • the shape of the light emitting surface of the light emitting element may be substantially the same as the shape surrounded by the side wall surface and the partition at the incident end.
  • the area of the light pipe exit surface can be minimized, and the utilization efficiency of light emitted from the light emitting element can be improved.
  • the incident end is divided into four by the partition, and light emitting elements of emission colors of red, green, blue, and white are installed at the four divided incident ends. It may be configured.
  • the incident end is divided into four by the partition, and light emitting elements of emission colors of red, green, green, and blue are installed at the four divided incident ends. It may be configured.
  • the image projection apparatus may include the illumination optical system, a light modulation unit that converts illumination light emitted from the illumination optical system into image light, and a projection unit that projects the image light.
  • a light-weight and small-sized image projection device can be configured.
  • the illumination optical system corresponds to each of the three primary colors, and a light combining unit that combines light emitted from each of the illumination optical systems, and the light combined by the light combining unit is modulated.
  • the light modulation unit may be configured to include the projection unit that projects the light modulated by the light modulation unit.
  • the present invention it is possible to emit light with higher directivity than incident light and improved luminance uniformity at the exit end, and as a result, improve light utilization efficiency. Can do.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing a configuration of a light pipe 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the light pipe 1 is composed of a light guide 2 having a cylindrical shape.
  • a translucent partition 12 is formed in the inner space of the light guide 2.
  • the side wall surface 3 of the light guide 2 is constituted by a reflection surface that reflects light.
  • the light guide 2 receives light from the incident end 5 and emits the incident light from the exit end 6.
  • a diffractive portion 4 is formed on the upper surface of the partition portion 12 on the incident end 5 side. Light incident at an incident angle ⁇ is transmitted to the exit end 6 side in the diffraction section 4.
  • the diffractive portion 4 according to the transmission conditions of the diffractive portion 4, light of several orders among the light incident at the incident angle ⁇ 1 can be transmitted at the transmission angle ⁇ 2 having an angle larger than the incident angle ⁇ 1. .
  • the incident angle ⁇ 3 and the transmission angle ⁇ 4 are equal.
  • the incident angle and the reflection angle of the light incident on the side wall surface 3 of the light guide 2 are equal.
  • the emission angle ⁇ becomes smaller than the incident angle ⁇ .
  • the maximum angle of the light flux that enters with a spread is referred to as an incident angle ⁇
  • the maximum angle of the light flux that exits with a spread is referred to as an emission angle ⁇ .
  • an inorganic material such as glass, a resin material such as plastic, a metal material, ceramics, or the like is used.
  • a metal film such as Ag or Al or a reflective film of a dielectric film is provided.
  • the reflective film may be provided on the outer surface of the light guide 2, and part of the incident light incident on the light guide 2 is reflected by the inner surface, and the light transmitted through the inner surface is reflected by the reflective film on the outer surface. Reflected.
  • the partition portion 12 provided inside the light guide 2 can use an inorganic material such as translucent glass or a resin material such as translucent plastic.
  • the light guide 2 may have a cylindrical shape or a polygonal cylindrical shape.
  • the partition part 12 may be one sheet or a large number of sheets.
  • the cross section may be a cross shape so that the two translucent plates are orthogonal to each other, or the cross section may be a * shape.
  • the partition portion 12 may not be extended from the entrance end 5 to the exit end 6 but may be formed halfway.
  • the shape is set according to an apparatus that requires a uniform surface light source. For example, when irradiating light to a light modulation element whose display effective surface is a quadrangle, the cross section in the short direction of the light guide 2 is made a quadrangle. Thereby, the emitted light with high directivity and high uniformity of in-plane luminance distribution can be obtained.
  • the diffraction part 4 is formed in a region on the incident end 5 side of the partition part 12.
  • the diffractive portion 4 is formed on either one or both of the upper surface and the lower surface of the partition portion 12, and is constituted by a concave or V-shaped groove, or a convex or cross-shaped protrusion having a triangular or sawtooth shape.
  • the shape of the diffractive portion 4 is preferably determined so as to maximize the efficiency of one or more orders to be used.
  • These grooves and protrusions can be a diffraction grating or a hologram pattern.
  • a thin metal film or the like is provided on the surface of the partition portion 12 where the diffractive portion 4 is formed so as to be semi-transmissive so that a part of the light is transmitted and diffracted by the diffractive portion 4 and the remaining light is reflected and diffracted. May be.
  • FIG. 2A and FIG. 2B are explanatory diagrams showing the diffraction section 4 of the light pipe 1 according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a schematic partial cross-sectional view of a region on the incident end 5 side of the light pipe 1
  • FIG. 2B is a schematic perspective view of a region on the incident end 5 side of the light pipe 1.
  • the light pipe 1 is composed of a light guide 2 having a rectangular cylindrical shape. Inside the light guide 2, a partition portion 12 having a cross-shaped cross section is installed so that the two substrates of the lateral translucent plate 13 a and the longitudinal translucent plate 13 b are orthogonal to each other.
  • the side wall surface 3 of the light guide 2 is constituted by a reflecting surface.
  • a diffractive portion 4 is formed on the upper surface and the side surface (hereinafter collectively referred to as one surface) of the region on the incident end 5 side of the lateral light transmitting plate 13a and the vertical light transmitting plate 13b.
  • the diffractive portion 4 is composed of a large number of grooves 15.
  • the groove 15 is formed in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the light guide 2.
  • the interval between the grooves 15 is smaller in the interval P1 on the incident end 5 side than on the interval P2 on the exit end 6 side. That is, the interval between the grooves 15 becomes narrower as the incident end 5 is approached.
  • a large incident angle ⁇ also referred to as a light emission angle from the light emitting element
  • the transmission angle transmitted through the lateral translucent plate 13a and the longitudinal translucent plate 13b increases. Then, it is converted into transmitted light that is nearly parallel to the longitudinal direction of the light guide 2. That is, the light is emitted from the emission end 6 at an emission angle ⁇ smaller than the incident angle ⁇ .
  • the light incident on the incident end 5 of the light guide 2 is incident on the diffraction section 4 near the incident end 5 as the incident angle ⁇ increases.
  • the diffractive portion 4 near the incident end 5 is diffracted by a stronger diffracting action because the diffraction groove 15 has a narrower interval than the diffractive portion 4 on the exit end 6 side, and is bent more greatly on the exit end 6 side. That is, as the light beam has a larger emission angle, it can be subjected to a larger declination effect that approaches the substantially parallel light.
  • LG W / (tan ( ⁇ / 2)) where LG is the length of the diffractive portion 4 in the longitudinal direction of the light guide 2 and W is the width of one incident end among the incident ends 5. In this case, light incident at an angle larger than the emission angle ⁇ is always incident on the diffraction section 4, and can be emitted from the emission end 6 at a small emission angle ⁇ .
  • the cross-sectional area in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the light guide 2 need not be increased on the incident end 5 side and increased on the exit end 6 side, and the exit area of the exit end 6 can be reduced. It is possible to emit light with high directivity that is close to a point light source and has a uniform luminance distribution on the exit surface, and as a result, the light use efficiency can be improved.
  • the partition part 12 is formed so as to have a cross shape from the lateral translucent plate 13a and the longitudinal translucent plate 13b, and the diffraction part 4 is formed on the surfaces of the both translucent plates 13a and 13b, 4 Even when light of different colors is incident on the divided internal space, the light of each color can be transmitted to and mixed with other regions, and light with high directivity can be emitted.
  • the grooves 15 are formed at the same pitch in the horizontal translucent plate 13a and the vertical translucent plate 13b.
  • the present invention is not limited to this.
  • the pitch of the grooves 15 formed in the lateral translucent plate 13a and the pitch of the grooves 15 formed in the vertical translucent plate 13b can be different.
  • the groove 15 can be a hologram diffraction pattern instead of a parallel groove.
  • FIG. 3 is a schematic longitudinal sectional view showing the configuration of a light pipe 1 according to another embodiment of the present invention.
  • a partition 12 ′ is formed from the entrance end 5 toward the exit end 6 to the middle of the light guide 2.
  • Other configurations are the same as those of the light pipe 1 shown in FIG.
  • the same reference numerals are assigned to the same parts or parts having the same function.
  • the light pipe 1 is composed of a light guide 2 having a cylindrical shape.
  • a translucent partition portion 12 ′ is formed in the internal space of the light guide 2.
  • the partition portion 12 ′ is formed partway from the incident end 5 side of the light guide 2 toward the exit end 6. That is, the inner space on the incident end 5 side of the light guide 2 is formed so as to be partitioned in the longitudinal direction of the light guide 2.
  • the side wall surface 3 of the light guide 2 is constituted by a reflection surface that reflects light.
  • the light guide 2 receives light from the incident end 5 and emits the incident light from the exit end 6.
  • a diffractive portion 4 is formed on the upper surface of the partition portion 12 on the incident end 5 side. Light incident at an incident angle ⁇ is transmitted to the exit end 6 side in the diffraction section 4.
  • the diffractive part 4 In the diffractive part 4, according to the transmission conditions of the diffractive part 4, light of a specific order among the light incident at the incident angle ⁇ 1 is transmitted at a transmission angle ⁇ 2 having an angle larger than the incident angle ⁇ 1.
  • the incident angle ⁇ 3 and the reflection angle ⁇ 4 In the partition part 12 ′ other than the diffraction part 4 and the side wall surface 3 of the light guide 2, the incident angle ⁇ 3 and the reflection angle ⁇ 4 (when light passes through the region where the diffraction part 4 of the partition part 12 ′ is not formed). Is equal to the transmission angle ⁇ 4).
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the illumination optical system 10 according to the embodiment of the present invention.
  • 4A is a schematic longitudinal sectional view showing the illumination optical system 10
  • FIGS. 4B to 4D are plan views showing layouts of the light emitting elements 11.
  • FIG. The same portions or portions having the same function are denoted by the same reference numerals.
  • a light emitting element 11 is installed at an incident end 5 of a light pipe 1 made of a light guide 2.
  • the space surrounded by the side wall surface 3 of the light guide 2 has substantially the same cross-sectional shape in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the light guide 2.
  • At least the internal space on the incident end 5 side of the light guide 2 is divided into two by a translucent partitioning portion 12.
  • the light pipe 1 is the same as that described in FIG. 1 or FIG.
  • the partition portion 12 may be formed partway along the light guide 2, and an interval may be provided between the end portion of the partition portion 12 and the exit end 6.
  • the light emitting element 11 is composed of a base 8 and LEDs 7a and 7b installed on the base 8.
  • the light exit surface 9 a of the LED 7 a has substantially the same shape as the shape of the lower incident end 5 a divided by the partition portion 12, and the light exit surface 9 b of the LED 7 b is the upper portion divided by the partition portion 12.
  • the incident end 5b has substantially the same shape.
  • the exit surfaces 9a and 9b of the LEDs 7a and 7b are installed in close contact with the upper and lower incident ends 5a and 5b, respectively. Therefore, the light emitted from each of the emission surfaces 9a and 9b is introduced into the light guide 2 without leaking outside.
  • the light introduced into the light guide 2 is transmitted to the exit end 6 side by the diffractive portion 4 and is converted into exit light having high directivity and a uniform luminance distribution at the exit end 6.
  • the exit light since light having a wide directivity from the exit surfaces 9a and 9b can also be used as the exit light, the light use efficiency can be improved.
  • FIG. 4A is a case where the internal space of the light guide 2 is divided into two by the partitioning section 12, but instead of this, it is divided into four or even more divided as shown in FIG. It may be a thing. Further, the LED 7a and the LED 7b may have the same or different emission colors. Moreover, the partition part 12 installed inside the light guide 2 is divided into four when the cross section as shown in FIG. 2 has a cross shape and the inner space of the light guide 2 is divided into four. Four LEDs emitting the same color may be installed at the incident end, or LEDs emitting different colors may be installed. With this configuration, light with high directivity and high luminance can be obtained by arranging light emitting elements of the same color, and light with high directivity and low luminance unevenness can be obtained by installing light emitting elements of different colors. Can be irradiated.
  • FIG. 4B is a plan view of the light emitting element 11 viewed from the light guide 2 side when the internal space of the light guide 2 is divided into two by a partition portion 12 made of a single translucent plate.
  • the light emitting element 11 includes an LED 7 a and an LED 7 b installed on the base 8.
  • the light emission surfaces of the LEDs 7 a and 7 b have substantially the same shape as the divided incident ends 5 a and 5 b of the light guide 2. If the LEDs 7a and 7b have a complementary color relationship such as blue and yellow, white light can be emitted from the emission end 6.
  • FIGS. 4C and 4D are viewed from the light guide 2 side when the internal space on the incident end 5 side of the light guide 2 is divided into four by a partition portion 12 made of a translucent plate having a cross-shaped cross section.
  • 3 is a plan view of the light emitting element 11.
  • the light emitting element 11 is provided with a red light emitting LED 7R, a green light emitting LED 7G, and a blue light emitting LED 7B installed on the base 8.
  • the light emission surfaces of the LEDs 7R, 7G, and 7B have substantially the same shape as the four divided incident ends of the light guide 2. All the colors can be emitted by the light emission of the three primary colors of the LEDs 7R, 7G, and 7B. Further, by using the two green LEDs 7G, it is possible to emit light that matches the visibility characteristic.
  • a red light emitting LED 7R, a green light emitting LED 7G, a blue light emitting LED 7B, and a white light emitting LED 7W can be installed on the base 8. While white light is obtained by additive color mixture of red, green, and blue, and a white light emitting LED 7W is provided, all colors can be emitted, and bright white light can be obtained.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the image projector 20 according to the embodiment of the present invention.
  • the image projection device 20 includes a light combining unit 22, three light modulation units 21 R, 21 G, and 21 B provided on three sides of the light combination unit 22, and three light modulation units 21 R, 21 G, and 21 B.
  • the light combining unit 22 is configured by a dichroic prism.
  • the light modulator 21R is a liquid crystal display element that displays a red image
  • the light modulator 21G is a liquid crystal display element that displays a green image
  • the light modulator 21B is a liquid crystal display element that displays a blue image.
  • Each of the three illumination optical systems 10R, 10G, and 10B has a red light emitting element 11R composed of LEDs 7a and 7b emitting red light and a green light emitting element composed of LEDs emitting green light at the incident end 5 of the light pipe 1 composed of the light guide 2.
  • An element 11G and a blue light emitting element 11B including a blue light emitting LED are provided.
  • the projection unit 23 includes a projection lens system for projecting an image.
  • each illumination optical system 10R, 10G, 10B has a surface shape similar to the shape of the display effective area of each light modulator 21R, 21G, 21B.
  • the display effective area of each of the light modulation units 21R, 21G, and 21B has a quadrangle, and the ratio of the length and width of the quadrangle is, for example, 3 to 4
  • each of the illumination optical systems 10R, 10G, and 10B also has a quadrangle.
  • the aspect ratio of the rectangular injection end 6 is also set to 3 to 4.
  • a partition portion 12 having a cross-shaped cross section is installed inside the light guide 2, and a diffraction portion 4 including a plurality of grooves is formed on the surface of the incident end 5 of the partition portion 12.
  • the pitch of many grooves becomes narrower as it approaches the incident end 5 side.
  • a large number of grooves formed on the surface of the translucent plate 13a constituting the cross shape of each illumination optical system 10R, 10G, and 10B, and a large number of grooves formed on the surface of the vertical translucent plate 13b Are different in the interval between adjacent grooves.
  • the groove intervals are formed in accordance with the emission colors of the light emitting elements 11R, 11G, and 11B.
  • each of the illumination optical systems 10R, 10G, and 10B is substantially parallel or matched with the numerical aperture of the projection lens via the relay lenses 24R, 24G, and 24B, and the light modulators 21R and 21G. , 21B.
  • Each of the light modulation units 21R, 21G, and 21B converts incident illumination light into image light corresponding to each color.
  • Image light emitted from each of the light modulation units 21R, 21G, and 21B is additively mixed by the light combining unit 22 and projected onto a screen or the like via the projection unit 23.
  • the relay lenses 24R, 24G, and 24B are provided between the illumination optical systems 10R, 10G, and 10B and the light modulators 21R, 21G, and 21B.
  • the relay lenses 24R, 24G, and 24B can be removed, and the light modulation units 21R, 21G, and 21B corresponding to the illumination optical systems 10R, 10G, and 10B can be disposed close to each other.
  • the shape of the exit end 6 of each of the illumination optical systems 10R, 10G, and 10B and the shape of the effective display area of each of the light modulators 21R, 21G, and 21B can be made substantially the same surface shape.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an image projection apparatus 20 according to another embodiment of the present invention.
  • the image projection apparatus 20 includes an illumination optical system 10, a relay lens 24, a reflective light modulation unit 21, and a projection unit 23 that projects image light reflected from the light modulation unit 21.
  • the illumination optical system 10 includes a light guide 2, a partition 12 provided in the light guide 2, and a light emitting element 11 provided at the incident end 5 of the light guide 2.
  • the light emitting element 11 includes a base body 8, a red light emitting LED 7R provided on the base body 8, a green light emitting LED 7G (not shown), and a blue light emitting LED 7B.
  • the LEDs 7R, 7G, and 7B are integrated and installed on the base 8, and the entire light emitting surface of the LEDs 7R, 7G, and 7B has substantially the same shape as the incident surface of the incident end 5, and the end of the light guide 2 It is installed in close contact with. Therefore, the light of each LED 7R, 7G, 7B does not leak outside.
  • the light of the colors of the LEDs 7R, 7G, and 7B is repeatedly reflected on the diffraction portion 4 and the side wall surface 3 of the partitioning portion 12, and is converted into emitted light having a uniform luminance distribution and high directivity on the exit surface of the exit end 6.
  • the light modulator 21 is composed of a DMD element.
  • the DMD element is configured such that a large number of micromirrors can rotate according to an image signal.
  • the light emitted from the illumination optical system 10 is irradiated onto the DMD element via the relay lens 24, reflected according to the display image by a large number of micromirrors of the DMD element, and via the projection unit 23 configured by the lens system. Projected onto a screen or the like.
  • the DMD element operates as follows.
  • a light source driving circuit that drives the light emitting element 11 drives each of the LEDs 7R, 7G, and 7B in a time-sharing manner to sequentially emit red, green, and blue light.
  • a display driving circuit that drives the DMD element sequentially displays a red image, a green image, and a blue image on the DMD element in synchronization with the time-division driving.
  • red, green, and blue images are sequentially projected from the projection unit 23, and the observer views these colors as time-averaged images.
  • As a light color mixing method as shown in FIG.
  • the illumination optical system 10 of different colors for example, each of the illumination optical systems 10 of red, green, and blue, is combined and mixed by the light combining unit 22,
  • the combined light may be applied to the reflective light modulation unit 21 via the relay lens 24, and image light may be projected by the projection unit 23 that projects the light modulated by the light modulation unit 21.
  • the relay lens 24 is provided in the gap between the illumination optical system 10 and the light modulation unit 21, but the relay lens 24 can be omitted.
  • a reflective liquid crystal display element can be used instead of the DMD element.

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Abstract

　光源からの光を入射端５から入射し、側壁面３で繰り返して反射して射出端６から射出するライトパイプ１において、光の指向性が高く、輝度分布の均一な照明光を、光の利用効率を向上させて射出する。 　導光体２には、導光体２の長手方向に導光体２の内部空間を仕切る透光性の仕切り部１２が構成され、仕切り部１２の入射端５側の領域の表面に回折部４が形成され、射出端６から射出される光の射出角度βが、入射端５から導入される光の入射角度αよりも小さくなるようにした。

Description

ライトパイプ、照明光学系及び画像投影装置
　本発明は、一端から光を導入し、他端からその光を射出するライトパイプ、及びこれを用いた照明光学系及び画像投影装置に関する。
　光源からの光を液晶表示素子やＤＭＤ（ｄｉｇｉｔａｌ　ｍａｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　ｄｅｖｉｃｅ）素子等の光変調素子に照射し、スクリーン上に画像を投影する画像投影装置が普及している。光変調素子に照射する光源として、ハロゲンランプや高圧水銀ランプ等が用いられてきた。しかし、これらの光源は大電力が必要なことや、温度が上昇するので冷却装置が必要であるために、重量や体積が大きくなり、装置全体をコンパクトに構成することの妨げとなった。一方、近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）の輝度及び発光効率が向上している。ＬＥＤは、駆動電圧が低く、小型軽量であるために、画像投影装置の光源に利用できれば、装置全体の小型化、軽量化を図ることができる。
　しかし、ＬＥＤから射出される光は指向性が低く、リフレクタや集光レンズ系が必要なことや、光が射出される方向の輝度は必ずしも均一ではない。射出光の指向性が低いと、画像投影に利用できる光の割合が低下し、投影面が暗くなる。また、射出方向に対して輝度むらが存在すると、投影面に輝度むらが生じて、画像品質が低下する。特許文献１は、このような不具合を、ロッドインテグレータ（以下、ライトパイプという。）を用いて改善しようというものである。
　図７は、特許文献１に記載される照明用光源装置５０の断面構造を示す。照明用光源装置５０は、ライトパイプ５１と、ライトパイプ５１の光入射開口５４に設けた白色ＬＥＤ５２とから構成されている。白色ＬＥＤ５２は、ライトパイプ５１の端部よりも発光点５３を光案内通路５６の内側に設置し、発光点５３から発光する光を効率よく光射出開口５５まで導くことができる。また、ライトパイプ５１を中空の筒状としたので、中実の柱状のライトパイプを用いる場合よりも、光の内面反射の回数が増える。そのため、光が光射出開口５５から射出される際に、より均一な強度の照明光を得ることができる、というものである。
　図８は、特許文献２に記載される照明装置６０の断面構造を示す。複数のテーパロッド６３と、その先に、これらの複数のテーパロッド６３の射出側開口部を集合したロッド６４と、すり鉢状の各テーパロッド６３の底に設置されるＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂ及び各ＬＥＤを搭載した基板６７とからなるＬＥＤアレイ６２から構成されている。各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂで発光した光は、テーパロッド６３の壁面により反射されて射出角が狭くなり、ロッド６４の射出端から射出される。ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂの複数の光源から発光した各色の光が合成されて、より指向性の高い白色光を射出させることができる、というものである。
特開２００５－２８３９１８号公報 特開２００３－３３０１０９号公報
　特許文献１に記載される照明用光源装置５０において、例えば、白色ＬＥＤ５２の発光点５３において発光した光の射出角をθとする。発光点５３で発光した光は、ライトパイプ５１の内表面５７で繰り返して反射され、光射出開口５５に進む。しかし、内表面５７で光が反射する場合、入射角と反射角は等しい。即ち、白色ＬＥＤ５２から射出された光が光射出開口５５から射出するときは、上記射出角が維持される。従って、光射出開口５５から射出される光の射出角をφとすると、この射出角φは発光角θとほとんど同じとなる。従って、図７に示される照明用光源装置５０では、ライトパイプ５１から射出する光の指向性は、光源であるＬＥＤ５２から射出する光の指向性とさほど変わらない。従って、光の利用効率を低下させないための追加の工夫も必要となる。特に、プロジェクタに用いた場合、投影レンズの許容入射角はＬＥＤの発光角より小さいため、許容入射角より大きな射出角でライトパイプから射出された光は、投影レンズから投影されず、損失となる。
　特許文献２に記載される照明装置６０では、各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂで発光した光は、リフレクタの機能を有するテーパロッド６３により指向性が高くなって射出される。しかし、各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂにおいて発光した光は各テーパロッド６３内で繰り返し反射されず、また、テーパロッド６３の先に設けたロッド６４は口径が大きいので、テーパロッド６３から射出された光の繰り返し反射回数は少ない。例えば各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂから射出された光に射出角依存性がある場合は、ロッド６４から射出される射出光の角度依存性がそのまま保持され、投影される画像に色むらとして現れる。同様に、各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂ間で発光色が異なる場合、ロッド６４から射出される光に色分布が発生する恐れがある。色分布が発生すると投影画像の品質が低下するので、ロッド６４と光変調素子との間に、光混合手段を更に設ける等の対策が必要となる。
　上記目的を達成するために、本発明の一つの観点によれば、側壁面が反射面の筒状の導光体からなり、入射端から光を導入し前記側壁面で繰り返して反射させて射出端から前記光を射出するライトパイプにおいて、前記導光体には、前記導光体の少なくとも前記入射端側の内部空間を前記導光体の長手方向に仕切る透光性の仕切り部が構成され、前記仕切り部の前記入射端側の領域の表面に回折部が形成され、前記射出端から射出される光の射出角が、前記入射端から導入される光の入射角よりも小さくなることとした。
　このように構成することにより、入射した光の指向性よりも高い指向性を付与し、射出端における輝度の均一性を向上させた光を射出させることができ、結果として光の利用効率を向上させることができる。
　上記ライトパイプにおいては、前記仕切り部は、２枚の透光性板が直交するように断面が十字形状を有し、前記内部空間を４分割しており、前記回折部は、前記２枚の透光性板の表面に形成されている構成にしてもよい。
　このように構成することにより、４分割された内部空間に異なる色の光が入射した場合でも、各色の光は互いに他の領域に透過して混合され、かつ、指向性の高い光を射出することができる。
　上記ライトパイプにおいては、前記回折部は複数の溝を有し、前記複数の溝の間隔は、前記入射端に近づくほど狭くなる構成にしてもよい。
　このように構成することにより、ライトパイプの入射端の領域に入射した光は、発光素子からの発光角が大きいほど入射端近くの回折部に入射する。入射端近くの回折部は、射出端側の回折部よりも溝の間隔が狭いため、より強い回折作用を受けて回折される。つまり、発光角の大きな光線ほど、略平行光に近づく大きな偏角作用を受けることができるので、結果的に射出光の指向性をより高めることができる。
　上記ライトパイプにおいては、前記回折部は複数の溝を有し、前記複数の溝の間隔は、前記直交する２枚の透光性板において、互いに異なる構成にしてもよい。
　このように構成することにより、例えば、十字形の仕切り部の垂直方向と水平方向の光の透過条件を個別に設定することが可能となり、垂直方向と水平方向に異なった射出角を与えつつ指向性を高めた光を射出することができる。
　上記ライトパイプと、前記ライトパイプの前記入射端に設置された発光素子とを備える照明光学系とすることもできる。
　このように構成することにより、小型軽量であり、指向性が高く、輝度むらの少ない光を照射することができる。
　上記照明光学系において、前記入射端は前記仕切り部により分割されており、前記分割された夫々の入射端に対応して、複数の前記発光素子が設置されている構成にしてもよい。
　このように構成することにより、同一色の発光素子を配置すれば指向性の高い輝度の高い光を、異なる色の発光素子を設置すれば、加法混色された指向性の高い輝度むらの少ない光を照射することができる。
　上記照明光学系において、前記発光素子の発光面の形状は、前記入射端において、前記側壁面と前記仕切り部で囲まれた形状と略同一である構成にしてもよい。
　このように構成することにより、ライトパイプの射出面の面積を必要最小限とすることができ発光素子から射出される光の利用効率を向上させることができる。
　上記照明光学系においては、前記入射端は前記仕切り部により４分割されており、前記分割された４つの入射端には赤、緑、青、白の各発光色の発光素子が設置されている構成にしてもよい。
　このように構成することにより、強い白色光の光とともに、全ての色の光を照射することができる。
　上記照明光学系においては、前記入射端は前記仕切り部により４分割されており、前記分割された４つの入射端には赤、緑、緑、青の各発光色の発光素子が設置されている構成にしてもよい。
　このように構成することにより、視感度特性に合致したすべての色の光を照射することができる。
　上記照明光学系と、前記照明光学系から射出される照明光を画像光に変換する光変調部と、前記画像光を投影する投影部を備える画像投影装置とすることもできる。
　このように構成することにより、軽量、小型の画像投影装置を構成することができる。
　上記画像投影装置においては、前記照明光学系は、３原色に夫々対応して有し、前記夫々の照明光学系から射出される光を合成する光合成部と、前記光合成部により合成した光を変調する前記光変調部と、前記光変調部により変調した光を投影する前記投影部と、を有する構成にしてもよい。
　本発明によれば、入射した光の指向性よりも高い指向性を付与し、射出端における輝度の均一性を向上させた光を射出させることができ、結果として光の利用効率を向上させることができる。
本発明の実施形態に係るライトパイプの模式的な縦断面図である。 本発明の実施形態に係るライトパイプの説明図である。 本発明の実施形態に係るライトパイプの説明図である。 本発明の実施形態に係るライトパイプの模式的な縦断面図である。 本発明の実施形態に係る照明光学系の説明図である。 本発明の実施形態に係る照明光学系の説明図である。 本発明の実施形態に係る照明光学系の説明図である。 本発明の実施形態に係る照明光学系の説明図である。 本発明の実施形態に係る画像投影装置の模式的な断面図である。 本発明の実施形態に係る画像投影装置の模式的な断面図である。 従来公知の照明用光源装置の断面図である。 従来公知の照明光学系の断面図である。
符号の説明
１　ライトパイプ
２　導光体
３　側壁面
４　回折部
５　入射端
６　射出端
７　ＬＥＤ
８　基体
９　射出面
１０　照明光学系
２０　画像投影装置
　以下、本発明の構成を、図面を用いて詳細に説明する。
　図１は、本発明の実施形態に係るライトパイプ１の構成を表す模式的な縦断面図である。ライトパイプ１は、筒型の形状を有する導光体２から構成されている。導光体２の内部空間には透光性の仕切り部１２が形成されている。導光体２の側壁面３は光を反射する反射面により構成されている。導光体２は、入射端５から光を入射し、射出端６から当該入射した光を射出する。仕切り部１２の入射端５側の上面には、回折部４が形成されている。入射角度αで入射した光は、回折部４において射出端６側に透過する。この回折部４においては、回折部４の透過条件に従って、入射角γ１で入射した光のうち、幾つかの次数の光は、入射角γ１よりも大きな角度の透過角γ２で透過させることができる。回折部４以外の仕切り部１２では、入射角γ３と透過角γ４とは等しい。また、導光体２の側壁面３に入射した光の入射角と反射角とは等しい。これにより、射出角度βは入射角度αよりも小さくなる。なお、以下、広がりを持って入射する光束のうちの最大角度を入射角度αとし、広がりを持って射出する光束のうちの最大角度を射出角度βとする。
　導光体２として、ガラス等の無機材料や、プラスチック等の樹脂材料、金属材料、セラミックス等を使用する。導光体２の側壁面３には、例えばＡｇやＡｌ等の金属膜や誘電体膜の反射膜を設けている。なお、反射膜は導光体２の外表面に設けても良く、導光体２に入射した入射光の一部は内表面で反射され、内表面を透過した光は外表面の反射膜で反射される。導光体２の内部に設けた仕切り部１２は、透光性のガラス等の無機材料や透光性のプラスチック等の樹脂材料を使用することができる。導光体２は、円筒形の形状であってもよいし、多角の筒状形状であってもよい。仕切り部１２は、１枚であっても、多数枚であってもよい。また、２枚の透光性板が直交するように断面が十字形状であってもよいし、断面が＊形状であってもよい。仕切り部１２は、入射端５から射出端６まで延在する場合の他に、入射端５から射出端６まで延在せず、途中まで形成するものであってもよい。また、均一な面光源が必要な装置に応じて、その形状を設定する。例えば、表示有効面が四角形の光変調素子に光を照射する場合には、導光体２の短手方向の断面を四角形にする。これにより、指向性が高く面内輝度分布の均一性の高い射出光を得ることができる。
　回折部４は、仕切り部１２の入射端５側の領域に形成する。回折部４は、仕切り部１２の上面又は下面のいずれか一方、又は両面に形成し、凹形状やＶ字形状の溝、或いは凸形状や断面が三角形或いは鋸歯状の突条により構成する。回折部４の形状は、利用したい一つもしくは複数の次数の効率を最も高めるように決めるのが好ましい。これらの溝や突条は、回折格子やホログラムのパターンとすることができる。また、回折部４が形成される仕切り部１２の表面に薄い金属膜等を設けて半透過性とし、回折部４において一部の光が透過回折され、残りの光が反射回折されるようにしてもよい。
　図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の実施形態に係るライトパイプ１の回折部４を表す説明図である。図２Ａは、ライトパイプ１の入射端５側の領域の模式的な部分断面図であり、図２Ｂは、ライトパイプ１の入射端５側の領域の模式的な斜視図である。
　図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ライトパイプ１は四角形の筒形状からなる導光体２により構成されている。導光体２の内部には、横透光性板１３ａ及び縦透光性板１３ｂの２枚の基板が直交するように断面が十字形状の仕切り部１２が設置されている。導光体２の側壁面３は反射面により構成されている。横透光性板１３ａ及び縦透光性板１３ｂの入射端５側の領域の上面及び側面（以下、まとめて一方の表面という。）には回折部４が形成されている。回折部４は、多数の溝１５から構成されている。溝１５は、導光体２の長手方向に直交する方向に形成されている。溝１５の間隔は、射出端６側の間隔Ｐ２よりも入射端５側の間隔Ｐ１のほうが狭い。つまり、溝１５の間隔は、入射端５に近づくほど狭くなる。これにより、入射端５の近傍において、大きな入射角度α（所謂、発光素子からの発光角ともいう）で入射した光は直接、もしくは反射面３で反射された後に横透光性板１３ａ及び縦透光性板１３ｂに入射するが、入射端５から離れるに従い、より大きな回折が得られるため、横透光性板１３ａ及び縦透光性板１３ｂを透過する透過角が大きくなる。そして、導光体２の長手方向により平行に近い透過光に変換される。即ち、射出端６から入射角度αよりも小さな射出角度βで射出される。
　特に、導光体２の入射端５に入射する光のうち、入射角度αが大きいほど入射端５近くの回折部４に入射する。入射端５近くの回折部４は、射出端６側の回折部４よりも回折溝１５の間隔が狭いので、より強い回折作用を受けて回折され、射出端６側により大きく曲げられる。つまり、発光角の大きな光線ほど、略平行光に近づく大きな偏角作用を受けることができる。なお、導光体２の長手方向における回折部４の長さをＬＧとし、入射端５のうち分割された１つの入射端の幅をＷとして、ＬＧ＝Ｗ／（ｔａｎ（β／２））とすれば、射出角度βより大きい角度で入射した光は必ず回折部４に入射するので、射出端６から、小さな射出角度βで射出させることができる。
　従って、導光体２の長手方向に直交する方向の断面積を、入射端５側で小さく、射出端６側で大きくする必要がなく、射出端６の射出面積を小さく構成することができるので、点光源に近く、かつ、射出面において輝度分布が均一な指向性の高い光を射出することができ、結果として光の利用効率を向上させることができる。また、横透光性板１３ａと縦透光性板１３ｂとから十字形状となるように仕切り部１２を形成し、両透光性板１３ａ，１３ｂの表面に回折部４を形成したので、４分割された内部空間に異なる色の光が入射した場合でも、各色の光は互いに他の領域に透過して混合され、かつ、指向性の高い光を射出することができる。
　なお、上記実施形態においては、溝１５は横透光性板１３ａと縦透光性板１３ｂにおいて同一のピッチで形成したが、これに限定されない。例えば、横透光性板１３ａに形成する溝１５のピッチと、縦透光性板１３ｂに形成する溝１５のピッチとを異なるように形成することができる。このように構成することにより、十字形の仕切り部１２の垂直方向と水平方向の光の透過条件を個別に設定することが可能となり、垂直方向と水平方向に異なった射出角を与えつつ指向性を高めた光を射出することができる。また、溝１５として、平行な溝に代えて、ホログラムの回折パターンとすることができる。特に、入射端５から入射する光が点光源のような、放射方向の強度分布を有する場合に有効である。また、例えば回折格子のピッチの例としては、入射角度αが８０°で入射端へ入射する光を射出端より射出する角度として射出角度βを１５°以下に指向性を高めたい場合、屈折率ｎを１、壁面への入射角度をθｉｎ、壁面での反射角度をθとするならばｐ（ｎｓｉｎθ－ｓｉｎθｉｎ) =ｍλ（ｍは整数）の式よりｍを１として０．６７μｍ程度のピッチサイズが必要になる。さらに数回の回折による反射が行われる場合、数回の回折による反射の合計にて射出角１５°以下になるようにピッチを施してもよい。
　図３は、本発明の他の実施形態に係るライトパイプ１の構成を表す模式的な縦断面図である。図１と異なる部分は、仕切り部１２'が、入射端５から射出端６に向けて導光体２の途中まで形成されている点である。その他の構成は図１に示したライトパイプ１と同様である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付した。
　ライトパイプ１は、筒型の形状を有する導光体２から構成されている。導光体２の内部空間には透光性の仕切り部１２'が形成されている。仕切り部１２'は、導光体２の入射端５側から射出端６に向けて途中まで形成されている。つまり、導光体２の入射端５側の内部空間を導光体２の長手方向に仕切るように形成されている。導光体２の側壁面３は光を反射する反射面により構成されている。導光体２は、入射端５から光を入射し、射出端６から当該入射した光を射出する。仕切り部１２の入射端５側の上面には、回折部４が形成されている。入射角度αで入射した光は、回折部４において射出端６側に透過する。この回折部４においては、回折部４の透過条件に従って、入射角γ１で入射した光のうち、ある特定の次数の光は、入射角γ１よりも大きな角度の透過角γ２で透過する。回折部４以外の仕切り部１２'や、導光体２の側壁面３においては、入射角γ３と反射角γ４（仕切り部１２'の回折部４が形成されていない領域を光が透過する場合には透過角γ４）とは等しい。
　その他の構成は図１又は図２と同様なので、説明を省略する。ライトパイプ１をこのように構成することにより、射出端６からは、指向性が高く、輝度分布の均一性の高い光を射出させることができる。特に、射出端６から仕切り部１２'の端部が離れているので、射出光は仕切り部１２'の端部の影響を受け難く、輝度分布の均一性を向上させることができる。また、ライトパイプ１の重量を軽くすることができる。
　図４は、本発明の実施形態に係る照明光学系１０の説明図である。図４Ａは、照明光学系１０を表す模式的な縦断面図であり、図４Ｂ～図４Ｄは、発光素子１１のレイアウトを表す平面図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
　図４Ａに示すように、導光体２からなるライトパイプ１の入射端５に発光素子１１を設置している。導光体２の側壁面３により囲まれる空間は、導光体２の長手方向に直交する方向においてほぼ同一の断面形状を備えている。導光体２の少なくとも入射端５側の内部空間は、透光性の仕切り部１２により２分割されている。なお、ライトパイプ１は図１又は図２において説明したと同様なので、説明を省略する。また、ライトパイプ１は図３において説明したと同様に、仕切り部１２を導光体２の途中まで形成し、仕切り部１２の端部と射出端６との間に間隔を設けてもよい。このように構成することにより、小型軽量であり、指向性が高く、輝度むらの少ない光を照射することができる。
　発光素子１１は、基体８と、基体８に設置されたＬＥＤ７ａとＬＥＤ７ｂとから構成されている。ＬＥＤ７ａの光の射出面９ａは、仕切り部１２により分割された下側の入射端５ａの形状と略同一の形状を有し、ＬＥＤ７ｂの光の射出面９ｂは、仕切り部１２により分割された上側の入射端５ｂの形状と略同一の形状を有している。各ＬＥＤ７ａ、７ｂの各射出面９ａ、９ｂは夫々上下の入射端５ａ、５ｂに密着して設置されている。そのために、各射出面９ａ、９ｂから射出される光は、外部に漏れることなく導光体２の内部に導入される。導光体２の内部に導入された光は、回折部４により射出端６側に透過し、指向性が高く、かつ、射出端６において輝度分布の均一な射出光に変換される。また、射出面９ａ、９ｂから指向性の広い領域の光も射出光として利用できるので、光の利用効率を向上させることができる。
　図４Ａに示す本実施形態は、仕切り部１２により導光体２の内部空間が２分割される場合であるが、これに代えて、図２に示したような、４分割或いは更に多分割するものであってもよい。また、ＬＥＤ７ａとＬＥＤ７ｂとは発光色が同色でも異なるものであってもよい。また、導光体２の内部に設置する仕切り部１２が、図２に示すような断面が十字形状を有し、導光体２の内部空間を４分割する場合に、４つに分割された入射端に、同色発光の４つのＬＥＤを設置してもよいし、互いに異なる発光色のＬＥＤを設置してもよい。このように構成することにより、同一色の発光素子を配置すれば指向性の高い輝度の高い光を、異なる色の発光素子を設置すれば、加法混色された指向性の高い輝度むらの少ない光を照射することができる。
　図４Ｂは、導光体２の内部空間を１枚の透光性板からなる仕切り部１２により２分割した場合の、導光体２側から見た発光素子１１の平面図である。発光素子１１は、基体８の上に設置したＬＥＤ７ａとＬＥＤ７ｂが設置されている。各ＬＥＤ７ａ、７ｂの光の射出面は、導光体２の分割された入射端５ａ、５ｂと略同一の形状を有している。ＬＥＤ７ａ、７ｂの発光を青色と黄色などの補色関係とすれば、射出端６から白色光を射出させることができる。
　図４Ｃ及び図４Ｄは、導光体２の入射端５側の内部空間を断面が十字形状を有する透光性板からなる仕切り部１２により４分割した場合の、導光体２側から見た発光素子１１の平面図である。図４Ｃに示すように、発光素子１１は、基体８の上に設置した、赤色発光のＬＥＤ７Ｒ、緑色発光のＬＥＤ７Ｇ、青色発光のＬＥＤ７Ｂが設置されている。各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂの光の射出面は、導光体２の分割された４つの入射端と略同一の形状を有している。各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂの３原色の発光により、全ての色を射出させることができる。また、２個の緑色発光のＬＥＤ７Ｇを使用することにより、視感度特性に合致した光を射出させることができる。
　また、図４Ｄに示すように、基体８に、赤色発光のＬＥＤ７Ｒ、緑色発光のＬＥＤ７Ｇ、青色発光のＬＥＤ７Ｂ、白色発光のＬＥＤ７Ｗを設置することができる。赤色、緑色、青色加法混色により白色光を得るとともに、更に白色発光のＬＥＤ７Ｗを設置しているので、全ての色を射出することができる事に加えて、明るい白色光を得ることができる。
　図５は、本発明の実施形態に係る画像投影装置２０を表す模式的な断面図である。画像投影装置２０は、光合成部２２と、光合成部２２の３つの辺に設けた光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂと、３つの光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの夫々に対応して設けた３つのリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂと、この３つのリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂの夫々に対応して設けた３つの照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと、投影部２３から構成されている。ここで、光合成部２２はダイクロイックプリズムにより構成されている。光変調部２１Ｒは赤色の画像を表示する液晶表示素子、光変調部２１Ｇは緑色の画像を表示する液晶表示素子、光変調部２１Ｂは青色の画像を表示する液晶表示素子により構成されている。３つの照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの夫々は、導光体２からなるライトパイプ１の入射端５に、赤色発光のＬＥＤ７ａ、７ｂからなる赤色発光素子１１Ｒ、緑色発光のＬＥＤからなる緑色発光素子１１Ｇ、及び、青色発光のＬＥＤからなる青色発光素子１１Ｂを備えている。投影部２３は、画像投影用の投影レンズ系により構成されている。
　各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの射出端６は、各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの表示有効領域の形状と相似する面形状を有している。各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの表示有効領域が四角形を有し、当該四角形の縦横の長さの比が例えば３対４の場合には、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂも四角形を有し、当該四角形の射出端６の縦横比も３対４に設定されている。導光体２の内部には断面が十字形状の仕切り部１２が設置され、当該仕切り部１２の入射端５の表面には多数の溝からなる回折部４が形成されている。多数の溝のピッチは入射端５側に近づくにつれて狭くなる。また、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの十字形状を構成する横透光性板１３ａの表面に形成される多数の溝と、縦透光性板１３ｂの表面に形成される多数の溝とは、隣り合う溝の間隔が異なる。また、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂにおいても、各発光素子１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの発光色に合わせて、溝の間隔は異なるように形成されている。
　各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの夫々から射出された光は、各リレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを介して略平行もしくは投影レンズの開口数にマッチングさせた光束として各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに照射される。各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、入射した照明光を各色に対応する画像光に変換する。各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂから射出された画像光は、光合成部２２により加法混色され、投影部２３を介して、スクリーン等に投影される。このように構成することにより、光効率が高く、軽量でコンパクトな画像投影装置２０を構成することが可能となる。
　なお、上記実施形態においては、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂと間にリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを設けたが、これらのリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを除去して、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂに対応する各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに近接配置することができる。この場合は、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの射出端６の形状と各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの有効表示領域の形状とをほぼ同じ面形状とすることができる。また、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの導光体２内の仕切り部１２は、その端部と射出端６との間に間隔を設けるようにしてもよい。
　図６は、本発明の他の実施形態に係る画像投影装置２０を表す模式的な断面図である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。図６において、画像投影装置２０は、照明光学系１０と、リレーレンズ２４と、反射型の光変調部２１と、光変調部２１から反射される画像光を投影する投影部２３から構成されている。照明光学系１０は、導光体２と、導光体２内に設けた仕切り部１２と、導光体２の入射端５に設けた発光素子１１から構成されている。発光素子１１は、基体８と、基体８の上に設けた赤色発光のＬＥＤ７Ｒと、緑色発光のＬＥＤ７Ｇ（図示しない）と、青色発光のＬＥＤ７Ｂから構成されている。各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂは基体８に集積して設置され、ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂの全体の発光面は、入射端５の入射面の形状とほぼ同じ形状を備え、導光体２の端部に密着設置されている。そのため、各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂの光は、外部に漏れない。各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂの色の光は、仕切り部１２の回折部４及び側壁面３において反射を繰り返し、射出端６の射出面では、輝度分布が均一で指向性の高い射出光に変換される。
　光変調部２１は、ＤＭＤ素子により構成されている。ＤＭＤ素子は、多数のマイクロミラーが画像信号に応じて回転可能に構成されている。照明光学系１０から射出された光は、リレーレンズ２４を介してＤＭＤ素子に照射され、ＤＭＤ素子の多数のマイクロミラーにより表示画像に応じて反射され、レンズ系から構成される投影部２３を介してスクリーン等に投影される。
　ＤＭＤ素子は次の様に動作する。発光素子１１を駆動する光源駆動回路は、各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂを時分割駆動して、赤色、緑色、青色の光を順次発光させる。ＤＭＤ素子を駆動する表示駆動回路は、上記時分割駆動に同期して、ＤＭＤ素子に赤色の画像、緑色の画像、青色の画像を順次表示させる。これにより、投影部２３からは、赤色、緑色、青色の各画像が順次投影され、観察者はこれら各色を時間平均された画像としてみることになる。なお、光の混色方法として、図５に示すように、異なる色の照明光学系１０、例えば赤色、緑色及び青色の各照明光学系１０を用いて、光合成部２２により合成して混色し、この合成した光を、リレーレンズ２４を介して反射型の光変調部２１に照射し、光変調部２１により変調した光を投影する投影部２３により画像光を投影するようにしてもよい。また、図６において、照明光学系１０と光変調部２１との間隙にリレーレンズ２４を設けたが、これリレーレンズ２４を省くことができる。また、光変調部２１として、ＤＭＤ素子に代えて、反射型液晶表示素子を使用することができる。

Claims (11)

  1. 　側壁面が反射面の筒状の導光体からなり、入射端から光を導入し前記側壁面で繰り返して反射させて射出端から前記光を射出するライトパイプにおいて、
    　前記導光体には、前記導光体の少なくとも前記入射端側の内部空間を前記導光体の長手方向に仕切る透光性の仕切り部が構成され、
    　前記仕切り部の前記入射端側の領域の表面に回折部が形成され、
    　前記射出端から射出される光の射出角が、前記入射端から導入される光の入射角よりも小さくなることを特徴とするライトパイプ。
  2. 　前記仕切り部は、２枚の透光性板が直交するように断面が十字形状を有し、前記内部空間を４分割しており、
    　前記回折部は、前記２枚の透光性板の表面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のライトパイプ。
  3. 　前記回折部は複数の溝を有し、
    　前記複数の溝の間隔は、前記入射端に近づくほど狭くなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のライトパイプ。
  4.   前記回折部は複数の溝を有し、
    　前記複数の溝の間隔は、前記直交する２枚の透光性板において、互いに異なることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のライトパイプ。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載のライトパイプと、前記ライトパイプの前記入射端に設置された発光素子とを備えた照明光学系。
  6. 　前記入射端は前記仕切り部により分割されており、
    　前記分割された夫々の入射端に対応して、複数の前記発光素子が設置されていることを特徴とする請求項５に記載の照明光学系。
  7. 　前記発光素子の発光面の形状は、前記入射端において、前記側壁面と前記仕切り部で囲まれた形状と略同一であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の照明光学系。
  8. 　前記入射端は前記仕切り部により４分割されており、前記分割された４つの入射端には赤、緑、青、白の各発光色の発光素子が設置されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の照明光学系。
  9. 　前記入射端は前記仕切り部により４分割されており、前記分割された４つの入射端には赤、緑、緑、青の各発光色の発光素子が設置されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の照明光学系。
  10. 　前記請求項５～９のいずれか１項に記載される照明光学系と、前記照明光学系から射出される照明光を画像光に変換する光変調部と、前記画像光を投影する投影部を備えた画像投影装置。
  11. 　前記照明光学系は、３原色に夫々対応して有し、
    　前記夫々の照明光学系から射出される光を合成する光合成部と、
    　前記光合成部により合成した光を変調する前記光変調部と、
    　前記光変調部により変調した光を投影する前記投影部と、を有する請求項１０に記載の画像投影装置。
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