JP2020052148A - Illumination device and projection type video display device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、例えば投写型映像表示装置に使用される照明装置に関する。 The present disclosure relates to a lighting device used for, for example, a projection display apparatus.
特許文献1には、蛍光体ホイールに設けた蛍光体を励起光源によって励起して得られる光を照明光として用いるようにした投写型映像表示装置が開示されている。 Patent Literature 1 discloses a projection display apparatus in which light obtained by exciting a phosphor provided on a phosphor wheel with an excitation light source is used as illumination light.
本開示は、表示素子への照明光を伝搬させるプリズム素子を小型にし、光の利用効率を低下させることなく、装置を小型化にする照明装置及び投写型映像表示装置を提供する。 The present disclosure provides an illumination device and a projection-type image display device in which the size of a prism element that propagates illumination light to a display element is reduced and the device is reduced in size without lowering light use efficiency.
本開示における照明装置は、光源と、光源から出射される照明光の光軸上に配置された、一枚、または、複数枚のレンズからなるレンズ部と、レンズ部を通過した照明光が光入射面に入射される全反射プリズムと、全反射プリズムに入射された照明光が照射される表示素子と、を備え、全反射プリズムの光入射面に照明光を出射するよう光入射面の直前に配置されるレンズ部のレンズの主平面は、光入射面とは非平行で、光軸に対して傾斜して配置されている。 The illumination device according to the present disclosure includes a light source, a lens unit disposed on an optical axis of illumination light emitted from the light source, one or more lenses, and illumination light passing through the lens unit. A total reflection prism incident on the incident surface, and a display element illuminated with illumination light incident on the total reflection prism, and immediately before the light incident surface so as to emit illumination light to the light incident surface of the total reflection prism. The main plane of the lens of the lens unit disposed at the position is not parallel to the light incident surface and is inclined with respect to the optical axis.
本開示は、プリズムへの照明光をプリズム面に対し斜めに照射した場合でも、照明装置の光の利用効率を低下させることなく、照明装置の小型化するのに有効である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present disclosure is effective in reducing the size of an illumination device without lowering the light use efficiency of the illumination device even when the illumination light to the prism is irradiated obliquely to the prism surface.
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, an unnecessary detailed description may be omitted. For example, a detailed description of a well-known item or a redundant description of substantially the same configuration may be omitted. This is to prevent the following description from being unnecessarily redundant and to facilitate understanding by those skilled in the art.
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
(実施の形態)
以下、図1〜図5を用いて、実施の形態を説明する。
The accompanying drawings and the following description are provided to enable those skilled in the art to fully understand the present disclosure, and are not intended to limit the claimed subject matter.
(Embodiment)
Hereinafter, an embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
[1.全体の構成]
図1は、本開示の照明装置を搭載した投写型映像表示装置1の光学系の構成を説明するための図である。以下の説明の便宜上、図1〜図4では図中に示すXYZ直交座標系をとるものする。
[1. Overall configuration]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of an optical system of a projection display apparatus 1 equipped with the illumination device of the present disclosure. For convenience of the following description, FIGS. 1 to 4 assume an XYZ orthogonal coordinate system shown in the drawings.
まず、投写型映像表示装置1の光源光学系20について説明する。励起光源であるレーザ光源201は、青色半導体レーザであり、高輝度の照明装置を実現するために、複数の半導体レーザにより構成されている。図1では例示的に5個の青色半導体レーザが並置されて図示されているが、複数の青色半導体レーザがマトリックス状に平面上に配置される。レーザ光源201は、光源の一例である。それぞれのレーザ光源201から出射された励起光であるレーザ光は、それぞれ対応するコリメートレンズ202によってコリメートされる。コリメートレンズ202を出射した光は、略平行光になっている。この平行光はレンズ203によって、その全体光束が集光され、拡散板204を通過した後、レンズ205によって、再び略平行光化される。レンズ205で略平行光化されたレーザ光束は、その光軸に対して略45度傾斜して配置されたダイクロイックミラー206に入射する。 First, the light source optical system 20 of the projection display 1 will be described. The laser light source 201, which is an excitation light source, is a blue semiconductor laser, and includes a plurality of semiconductor lasers to realize a high-luminance lighting device. In FIG. 1, for example, five blue semiconductor lasers are illustrated side by side, but a plurality of blue semiconductor lasers are arranged on a plane in a matrix. The laser light source 201 is an example of a light source. The laser light, which is the excitation light emitted from each laser light source 201, is collimated by the corresponding collimating lens 202. The light emitted from the collimating lens 202 is substantially parallel light. The entire light flux of the parallel light is condensed by the lens 203, passes through the diffusion plate 204, and is then converted into substantially parallel light again by the lens 205. The laser beam that has been made substantially parallel by the lens 205 enters a dichroic mirror 206 that is arranged at an angle of about 45 degrees with respect to the optical axis.
拡散板204はガラス平板であり、片面には微細な凹凸が施された拡散面が形成されている。また、ダイクロイックミラー206は、青色半導体レーザの波長域の光を反射し、それ以外の波長域の光を透過する特性を有している。 The diffusion plate 204 is a glass flat plate, and has a diffusion surface provided with fine irregularities on one surface. Further, the dichroic mirror 206 has a characteristic of reflecting light in the wavelength range of the blue semiconductor laser and transmitting light in other wavelength ranges.
ダイクロイックミラー206に図中の−X方向へ入射したレーザ光は、ダイクロイックミラー206で反射し、図中−Z方向へ出射する。その後、レーザ光はレンズ207、レンズ208によって集光され、蛍光体ホイール装置10に形成された蛍光体を励起する。 The laser light incident on the dichroic mirror 206 in the −X direction in the figure is reflected by the dichroic mirror 206 and emitted in the −Z direction in the figure. Thereafter, the laser light is condensed by the lenses 207 and 208 to excite the phosphor formed on the phosphor wheel device 10.
蛍光体ホイール装置10は、図2(a)の側面図に示すように、モータ101と、モータ101の回転軸を中心に回転駆動される円盤状の板体からなる回転基材102とで構成される。 As shown in the side view of FIG. 2A, the phosphor wheel device 10 includes a motor 101 and a rotating base member 102 formed of a disk-shaped plate that is driven to rotate about the rotation axis of the motor 101. Is done.
回転基材102には、図2(b)の正面図に示すように蛍光体ホイールの回転軸中心Aから距離R1隔てられた円周上において、この円周の内外に所定の幅Wをもって赤色蛍光体部103と緑色蛍光体部104と開口部105が形成されている。 As shown in the front view of FIG. 2 (b), the rotating base material 102 has a predetermined width W inside and outside the circumference on the circumference at a distance R1 from the rotation axis center A of the phosphor wheel. A phosphor section 103, a green phosphor section 104, and an opening 105 are formed.
レーザ光源201からのレーザ光が蛍光体ホイール装置10の赤色蛍光体部103に集光すると、赤色蛍光体部103は励起され、赤色光を発光する。また、レーザ光源201からのレーザ光が蛍光体ホイール装置10の緑色蛍光体部104に集光すると、緑色蛍光体部104は励起され、緑色光を発光する。さらに、蛍光体ホイール装置10の開口部105に集光するレーザ光源201からのレーザ光は、蛍光体ホイール装置10の回転基材102を透過する。 When the laser light from the laser light source 201 is focused on the red phosphor section 103 of the phosphor wheel device 10, the red phosphor section 103 is excited and emits red light. When the laser light from the laser light source 201 is focused on the green phosphor part 104 of the phosphor wheel device 10, the green phosphor part 104 is excited and emits green light. Further, laser light from the laser light source 201 condensed on the opening 105 of the phosphor wheel device 10 passes through the rotating base 102 of the phosphor wheel device 10.
図1に戻り、蛍光体ホイール装置10で得られる赤色光及び緑色光は、蛍光体ホイール装置10から+Z方向に出射される。赤色蛍光体部103と緑色蛍光体部104で−Z方向に出射された蛍光光は回転基材102で反射して+Z方向に出射される。これら赤色光、緑色光はレンズ208、207によって平行化されダイクロイックミラー206を透過し、集光レンズ217で集光されてロッドインテグレータ218に入射する。 Returning to FIG. 1, the red light and the green light obtained by the phosphor wheel device 10 are emitted from the phosphor wheel device 10 in the + Z direction. The fluorescent light emitted in the −Z direction by the red phosphor section 103 and the green phosphor section 104 is reflected by the rotating base 102 and emitted in the + Z direction. These red light and green light are collimated by the lenses 208 and 207, pass through the dichroic mirror 206, are condensed by the condenser lens 217, and enter the rod integrator 218.
一方、開口部105を通過した青色半導体レーザの青色光は、レンズ209、レンズ210、ミラー211、レンズ212、ミラー213、レンズ214、ミラー215、レンズ216の経路で進み、ダイクロイックミラー206で反射し、集光レンズ217で集光されてロッドインテグレータ218に入射する。レンズ212、214、216はリレーレンズとして機能する。 On the other hand, the blue light of the blue semiconductor laser that has passed through the opening 105 travels along the path of the lens 209, the lens 210, the mirror 211, the lens 212, the mirror 213, the lens 214, the mirror 215, and the lens 216, and is reflected by the dichroic mirror 206. Are condensed by the condenser lens 217 and enter the rod integrator 218. The lenses 212, 214, and 216 function as relay lenses.
ロッドインテグレータ218から出射された光は、照明光学系30の、レンズ230、レンズ231、レンズ232を通して、第一のプリズム233と第二のプリズム234の一対のプリズムからなるTIR(内部全反射)プリズム235に入射し、光変調素子であるDMD(Digital Micromirror Device)236で、映像信号によって入射光が変調され、映像光Pとして出射される。レンズ230、231、232はリレー光学系のレンズ群であり、ロッドインテグレータ218の出射面の光をDMD236に結像させる機能を有する。レンズ230、231、232からなるリレー光学系のレンズ群は、レンズ部の一例である。 Light emitted from the rod integrator 218 passes through a lens 230, a lens 231, and a lens 232 of the illumination optical system 30, and a TIR (total internal reflection) prism including a pair of a first prism 233 and a second prism 234. The incident light is incident on the optical modulator 235, and the incident light is modulated by a video signal by a DMD (Digital Micromirror Device) 236, which is a light modulation element, and emitted as the video light P. The lenses 230, 231, and 232 are a lens group of a relay optical system, and have a function of forming an image of light on the emission surface of the rod integrator 218 on the DMD 236. The lens group of the relay optical system including the lenses 230, 231, and 232 is an example of a lens unit.
DMD236からの出射光は投写レンズ237に入射され、投写レンズ237からの出射光が映像光Pとしてスクリーンに拡大投写される。 The light emitted from the DMD 236 enters the projection lens 237, and the light emitted from the projection lens 237 is enlarged and projected as image light P on a screen.
[2.要部の構成]
照明光学系30の要部の構成について、図3及び図4を用いて説明する。図3に示すように、ロッドインテグレータ218から出射される光源からの照明光は、その光軸上に配置された3枚のレンズ230、231、232からなるレンズ群400によって転写され、第一のプリズム233の光入射面233aに入射し、第一のプリズム233と第二のプリズム234の突合せ部235aに形成された微小ギャップで全反射されてDMD236へ出射する。
[2. Configuration of main part]
The configuration of the main part of the illumination optical system 30 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 3, the illumination light from the light source emitted from the rod integrator 218 is transferred by a lens group 400 including three lenses 230, 231, and 232 arranged on the optical axis, and is transferred to the first lens group. The light enters the light incident surface 233a of the prism 233, is totally reflected by a minute gap formed at the abutting portion 235a of the first prism 233 and the second prism 234, and is emitted to the DMD 236.
第一のプリズム233の光入射面233aの直前に配置されたレンズ232の主平面232a(破線で図示)は光軸Lに対し、光軸角α1の角度で傾斜して配置されている。また、第一のプリズム233の光入射面233aは、光軸Lに対し光軸角α2の角度で傾斜配置される。 A main plane 232a (shown by a broken line) of the lens 232 disposed immediately before the light incident surface 233a of the first prism 233 is inclined with respect to the optical axis L at an optical axis angle α1. Further, the light incident surface 233a of the first prism 233 is arranged to be inclined at an optical axis angle α2 with respect to the optical axis L.
そして、光軸と光入射面の直前に配置されるレンズ部のレンズの主平面とのなす角度である光軸角α1と、光軸と全反射プリズムの光入射面とのなす角度である光軸角α2とは、α1≠α2の関係にあり、レンズ232の主平面232aと第一のプリズムの光入射面は非平行に配置される。尚、レンズ232は平凸レンズであるので、レンズ232の主平面232aとレンズ232の平面232bとは平行な関係にあるので、図3では光軸Lと平面232bがなす角度を光軸角α1として図示している。 Then, an optical axis angle α1 which is an angle between the optical axis and the main plane of the lens of the lens unit disposed immediately before the light incident surface, and a light which is an angle between the optical axis and the light incident surface of the total reflection prism. The axis angle α2 has a relationship of α1 ≠ α2, and the main plane 232a of the lens 232 and the light incident surface of the first prism are arranged non-parallel. Since the lens 232 is a plano-convex lens, the main plane 232a of the lens 232 and the plane 232b of the lens 232 are in a parallel relationship. Therefore, in FIG. 3, the angle between the optical axis L and the plane 232b is defined as the optical axis angle α1. It is illustrated.
図4は本実施の形態の比較例を説明するための図であって、第一のプリズム233の光入射面233aが光軸に対し垂直に配置される場合のプリズム形状は図中破線で示すようにプリズム領域300が追加された形になり、本実施の形態のプリズムよりも大型となる。 FIG. 4 is a diagram for explaining a comparative example of the present embodiment, in which the prism shape when the light incident surface 233a of the first prism 233 is arranged perpendicular to the optical axis is indicated by a broken line in the figure. Thus, the prism area 300 is added, and the prism area 300 is larger than the prism of the present embodiment.
本実施の形態では、照明光学系は3枚のリレーレンズからなるレンズ部を備えるが、このレンズ部は1枚のレンズから構成されても良い。 In the present embodiment, the illumination optical system includes a lens unit including three relay lenses, but this lens unit may include a single lens.
[3.効果等]
本実施の形態の形態では、図4の比較例に比してプリズム領域300が無いので第一のプリズム233は小型になる。
[3. Effects]
In the present embodiment, the first prism 233 is smaller because there is no prism area 300 as compared with the comparative example of FIG.
図5は、本実施の形態において、DMD236の表示面上における、ロッドインテグレータ218の出射面の光が転写した時のスポットダイアグラムである。図6はレンズ232の主平面232aが光軸に対して傾いておらず、垂直な関係にある場合における、DMD236の表面上でのロッドインテグレータ218の出射面の光が転写した時のスポットダイアグラムである。 FIG. 5 is a spot diagram when light from the exit surface of rod integrator 218 is transferred onto the display surface of DMD 236 in the present embodiment. FIG. 6 is a spot diagram when the light from the exit surface of the rod integrator 218 is transferred onto the surface of the DMD 236 when the main plane 232a of the lens 232 is not inclined with respect to the optical axis and has a vertical relationship. is there.
図5と図6を比較すると、図5のスポットダイアグラムの光の集光点の散布が小さく、効率良く光が伝搬されていることが分かる。 A comparison between FIG. 5 and FIG. 6 shows that the scatter of light converging points in the spot diagram of FIG. 5 is small, and that light is efficiently propagated.
以上のように、本実施の形態において、レンズ232を、その主平面が光軸に対し傾斜するように配置し、第一のプリズム233の光入射面233aを光軸に対し斜めに配置して、レンズ232の主平面232aと第一のプリズム233の光入射面233aを非平行に配置することにより、光の利用効率を低下することなく、照明装置を小型化することができる。
本出願において開示する技術の例示として、実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
As described above, in the present embodiment, the lens 232 is disposed so that its main plane is inclined with respect to the optical axis, and the light incident surface 233a of the first prism 233 is disposed obliquely with respect to the optical axis. By arranging the main plane 232a of the lens 232 and the light incident surface 233a of the first prism 233 in a non-parallel manner, the size of the illumination device can be reduced without lowering the light use efficiency.
The embodiments have been described as examples of the technology disclosed in the present application. However, the technology in the present disclosure is not limited to this, and can be applied to embodiments in which changes, replacements, additions, omissions, and the like are made. Further, it is also possible to form a new embodiment by combining the components described in the above embodiment.
本開示は、光源装置またはプロジェクタなどの投写型映像表示装置に適用可能である。 The present disclosure is applicable to a projection-type image display device such as a light source device or a projector.
1 投写型映像表示装置
10 蛍光体ホイール装置
20 光源光学系
30 照明光学系
101 モータ
102 回転基材
103 赤色蛍光体部
104 緑色蛍光体部
105 開口部
201 レーザ光源
202 コリメートレンズ
203、205、207、208、209、210、212、214、216 レンズ
232、230、231 レンズ
232a 主平面
232b 平面
204 拡散板
206 ダイクロイックミラー
211、213、215 ミラー
218 ロッドインテグレータ
233 第一のプリズム
233a 光入射面
234 第二のプリズム
235 TIRプリズム
236 DMD
237 投写レンズ
300 プリズム領域
400 レンズ群
α1、α2 光軸角
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Projection type video display apparatus 10 Phosphor wheel apparatus 20 Light source optical system 30 Illumination optical system 101 Motor 102 Rotating base material 103 Red phosphor part 104 Green phosphor part 105 Opening 201 Laser light source 202 Collimating lens 203, 205, 207, 208, 209, 210, 212, 214, 216 Lens 232, 230, 231 Lens 232a Main plane 232b Plane 204 Diffusion plate 206 Dichroic mirror 211, 213, 215 Mirror 218 Rod integrator 233 First prism 233a Light incidence surface 234 Second Prism 235 TIR prism 236 DMD
237 Projection lens 300 Prism area 400 Lens group α1, α2 Optical axis angle
Claims (4)
前記光源から出射される照明光の光軸上に配置された、一枚、または、複数枚のレンズからなるレンズ部と、
前記レンズ部を通過した前記照明光が光入射面に入射される全反射プリズムと、
前記全反射プリズムに入射された照明光が照射される表示素子と、を備え、
前記全反射プリズムの光入射面に照明光を出射するよう前記光入射面の直前に配置される前記レンズ部のレンズの主平面は、前記光入射面とは非平行で、前記光軸に対して傾斜して配置されている、照明装置。 A light source and a lens unit including one or a plurality of lenses disposed on the optical axis of the illumination light emitted from the light source;
A total reflection prism in which the illumination light passing through the lens unit is incident on a light incident surface,
A display element to which illumination light incident on the total reflection prism is applied,
The principal plane of the lens of the lens unit disposed immediately before the light incident surface so as to emit illumination light to the light incident surface of the total reflection prism is non-parallel to the light incident surface, and with respect to the optical axis. Lighting device that is arranged at an angle.
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