JP2022072582A - Light source device and image projector with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源装置及びそれを有する画像投写装置に関する。 The present invention relates to a light source device and an image projection device having the same.
近年、画像投写装置(プロジェクター)では、長寿命かつ高付加価値等の観点から、高出力レーザーダイオード(励起光源)からの光を励起光として蛍光体に照射し、波長変換された蛍光光を光源として用いる方式が注目されている。 In recent years, in an image projection device (projector), from the viewpoint of long life and high added value, light from a high-power laser diode (excitation light source) is irradiated to a phosphor as excitation light, and wavelength-converted fluorescent light is used as a light source. Attention is being paid to the method used as.
高出力レーザーダイオードの発光点は光密度が高く、励起光を直接、波長変換デバイスに入射させると、輝度飽和により励起光の光量に応じた蛍光光を得ることができない。特許文献1には、光密度を低減するために、蛍光体上の照射分布を均一化する光源装置が開示されている。
The emission point of the high-power laser diode has a high light density, and when the excitation light is directly incident on the wavelength conversion device, fluorescence light corresponding to the amount of the excitation light cannot be obtained due to luminance saturation.
しかしながら、特許文献1の光源装置は、部品点数が多く、大型化してしまう。
However, the light source device of
本発明は、小型でありながら、高効率な光源装置及びそれを有する画像投写装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a light source device having high efficiency while being small in size and an image projection device having the same.
本発明の一側面としての光源装置は、複数の光源及び複数の光源からの光束を平行光束化するコリメータレンズを備える光源部と、光源部からの光とは特性が異なる光を生成する光特性変換素子と、光源部からの光を光特性変換素子に照射する光学系とを有し、光学系は、光源部の側から光特性変換素子の側に順に配置された、光源部からの光を分割する分割素子及び分割素子により分割された複数の光を集光する集光素子とを含み、分割素子の焦点距離をf、分割素子と集光素子との間の距離をLとするとき、
f/L≧1.0
なる条件式を満足することを特徴とする。
The light source device as one aspect of the present invention has a light source unit including a plurality of light sources and a collimeter lens that converts light rays from the plurality of light sources into parallel light sources, and light characteristics that generate light having different characteristics from the light from the light source unit. It has a conversion element and an optical system that irradiates the light characteristic conversion element with light from the light source unit, and the optical system is arranged in order from the light source unit side to the optical characteristic conversion element side, and the light from the light source unit. When the focal distance of the dividing element is f and the distance between the dividing element and the condensing element is L, which includes a dividing element for dividing the light and a condensing element for condensing a plurality of lights divided by the dividing element. ,
f / L ≧ 1.0
It is characterized by satisfying the conditional expression.
また、本発明の他の側面としての光源装置は、複数の光源及び複数の光源からの光束を平行光束化するコリメータレンズを備える光源部と、光源部からの光とは特性が異なる光を生成する光特性変換素子と、光源部からの光を光特性変換素子に照射する光学系とを有し、光学系は、光源部の側に光源部からの光を分割する第1の光学面を備えると共に、光特性変換素子の側に第1の光学面で分割された複数の光を集光する第2の光学面を備える光学素子を含むことを特徴とする。 Further, the light source device as another aspect of the present invention generates light having different characteristics from the light from the light source unit and the light source unit including the collimeter lens that converts the light rays from the plurality of light sources and the light sources into parallel light sources. It has an optical characteristic conversion element and an optical system that irradiates the optical characteristic conversion element with light from the light source unit, and the optical system has a first optical surface that divides the light from the light source unit on the side of the light source unit. It is characterized by including an optical element provided with a second optical surface for condensing a plurality of lights divided by the first optical surface on the side of the optical characteristic conversion element.
本発明によれば、小型でありながら、高効率な光源装置及びそれを有する画像投写装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a light source device having high efficiency while being small in size and an image projection device having the same.
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same member is given the same reference number, and duplicate description is omitted.
以下で説明する図面では、見やすくするために、部材の個数、寸法、及び比率等を適宜異ならせている。 In the drawings described below, the number, dimensions, ratios, etc. of the members are appropriately different for easy viewing.
図1は、本発明の実施形態に係る光源装置100を有するプロジェクター(画像投写装置)の構成図である。光源装置100から射出された白色光100aは、照明光学系200により照明光200aに変換されて光変調素子300に入射する。照明光学系200は、光源装置100からの無偏光光としての白色光100aを直線偏光に変換したり、光変調素子300上に均一な明るさの照射領域を形成する光に変換したり、RGBの3色の光に分離したりして照明光200aを生成する。
FIG. 1 is a block diagram of a projector (image projection device) having a
光変調素子300は、透過型又は反射型の液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス等により構成される。駆動回路600は、外部から入力された画像信号に応じて光変調素子300を駆動する。光変調素子300は、照明光200aを画像信号に応じて変調して画像光300aを生成する。画像光300aは、投写光学系400を介してスクリーン等の被投写面500に投写される。投写光学系400は、色分離されていた画像光300aを合成したり、画像光300aを拡大したりする。これにより、カラー画像としての投写画像が表示される。
The
図2は、本実施例の光源装置100の構成図である。光源装置100は、光源部10、光学系、及び波長変換素子(光特性変換素子)20を有する。
FIG. 2 is a block diagram of the
光源部10は、複数の光源1b及びコリメータレンズ2を有する。複数の光源1bは、励起光として青色光を射出する。コリメータレンズ2は、正のパワーを持ち、複数の光源1bからの光束を平行光束化する。コリメータレンズ2は、単レンズであってもよいし、アレイ状の一体レンズであってもよい。
The
光学系は、光源部10の側から波長変換素子20の側に配置された、レンズアレイ素子(分割素子)3及びコンデンサレンズ(集光素子)4を有する。レンズアレイ素子3は、複数の要素レンズから構成され、光源部10からの平行光束を分割する。コンデンサレンズ4は、レンズアレイ素子3により分割された光束を、コンデンサレンズ4の光軸上の焦点位置に集光する。このような光学系を有することで、光源部10からの平行光束の輝度分布が均一化される。したがって、波長変換素子20をコンデンサレンズ4の光軸上の焦点位置に配置することで、波長変換素子20上に均一な輝度分布の光束を形成することが可能となる。なお、波長変換素子20は、透過型であってもよいし、反射型であってもよい。
The optical system includes a lens array element (dividing element) 3 and a condenser lens (condensing element) 4 arranged from the
以下、レンズアレイ素子3の機能について詳細を説明する。図3乃至図5は、光学原理を示す図であり、レンズアレイ素子3とコンデンサレンズ4が対向して配置される所謂タンデム光学系を模式的に示している。タンデム光学系では、レンズアレイ素子3の前側焦点位置に物体を配置した場合の波長変換素子20上に結像される像の倍率は、図4に示されるように二つのレンズ系の距離Lに依存することなく、2つのレンズ系の焦点距離の比(-f1/f2’)によって決定される。ここで、f1及びf2’はそれぞれ、レンズアレイ素子3及びコンデンサレンズ4の焦点距離である。すなわち、本実施例では、図5に示されるように、レンズアレイ素子3の焦点距離をf、レンズアレイ素子3とコンデンサレンズ4との間隔をLとするとき、以下の関係を満足する。
Hereinafter, the function of the
f/L≧1.0
上記関係を満足することで、光源装置100を大幅に小型化することが可能である。
f / L ≧ 1.0
By satisfying the above relationship, the
また、結像倍率はレンズアレイ素子3の焦点距離により決定されるので、レンズアレイ素子3は図6に示されるように焦点距離が一定で一方の面のみが集光作用を持つように構成されてもよい。
Further, since the imaging magnification is determined by the focal length of the
なお、図3に示されるように、波長変換素子20に結像している物体は光源部10からの光の空中断面である。すなわち、波長変換素子20は、光源部10からの光の空中断面と共役関係である。光源部10からの平行光束の平行度が高い場合、像の形状はレンズアレイ素子3の要素レンズの形状と相似形となる。光源部10とレンズアレイ素子3との間に圧縮光学系等を設けると、レンズアレイ素子3に入射する光束の平行度が低下する。この場合、図7に示されるように波長変換素子20上に結像される像は、平行な光線とは異なる位置に結像されるため、図8に示されるように均一な分布ではなくなる。レンズアレイ素子3に入射する光束の平行度が低い場合、レンズアレイ素子3を二枚一対で使用することで波長変換素子20上に均一な輝度分布を形成することができるが、光源装置100が大型化してしまう。
As shown in FIG. 3, the object imaged on the
本実施例では、光源1bは、理想的な点光源に近い。すなわち、コリメータレンズ2にて平行化され、光源部10から射出される光束の平行度はかなり高い。そこで、光源部10からの光の幅をA、レンズアレイ素子3に入射する光の幅をBとするとき、以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
In this embodiment, the
0.90≦B/A≦1.10 (1)
条件式(1)を満足することで、波長変換素子20上に均一な輝度分布を形成することができる。
0.90 ≤ B / A ≤ 1.10 (1)
By satisfying the conditional expression (1), a uniform luminance distribution can be formed on the
光源部10からの光の平行度は、製造過程においてバラツキを有する。波長変換素子20上に結像される像の面積が増減すると、射出される蛍光光の光量が変化するため、光源部10とレンズアレイ素子3との間隔を極力短くすることが望ましい。そのため、条件式(1)の数値範囲を以下の条件式(1a)の数値範囲とすることが好ましい。
The parallelism of the light from the
0.95≦B/A≦1.05 (1a)
また、重ね合わせによる色ムラを考慮すると、条件式(1)の数値範囲を以下の条件式(1b)の数値範囲とすることが更に望ましい。
0.95 ≤ B / A ≤ 1.05 (1a)
Further, considering the color unevenness due to superposition, it is more desirable to set the numerical range of the conditional expression (1) to the numerical range of the following conditional expression (1b).
0.98≦B/A≦1.02 (1b)
なお、光源装置100における光学系は、本実施例ではレンズアレイ素子3とコンデンサレンズ4を含むが、図9に示されるようにこれらの素子の機能を備える光学素子5を含んでいてもよい。光学素子5は、光源部10の側に光源部10からの光を分割するレンズアレイ面(第1の光学面)を備えると共に、波長変換素子20の側にレンズアレイ面で分割された光を集光するコンデンサレンズ面(第2の光学面)を備える。レンズアレイ素子3とコンデンサレンズ4を設ける代わりに、2つの素子の機能を備える光学素子5を設けることで、光源装置100の更なる小型化が可能となる。
0.98 ≤ B / A ≤ 1.02 (1b)
The optical system in the
また、光源装置100は、本実施例では1つの光源部10を有するが、図10に示されるように2つの光源部10a,10bを有してもよい。この場合、光源装置100は、光束合成素子30を有する。図11に示されるように、光源1bの一つの面からZ方向に沿って光が出射する。射出された光は、直線偏光からなり、X方向とY方向で異なる発散角を有するので、Z軸に対し垂直なXY断面の光束断面は楕円形である。楕円形の光束断面を同一のコリメータレンズ2にて平行化するため、図12に示されるようにYZ断面とXZ断面の光束幅は異なる。このとき、2つの光源部10a,10bをそれぞれの光射出軸を基準に90度位相をずらすことで、図10に示されるように、光源部10bからの幅の狭い光束を光源部10aからの幅の広い光束内に包含することができる。すなわち、各光源部からの光束を、光束幅を広げることなくレンズアレイ素子3に入射させることができる。なお、光束合成素子30は、櫛歯状のミラーであってもよいし、櫛歯状のダイクロミラーであってもよいし、PBS(Polarizing Beam Splitter)であってもよい。
Further, although the
プロジェクターでは、sRGBやDCI等の色規格に基づく色再現が求められる場合がある。ただし、蛍光体の材料として適切な発光スペクトルを持つ材料がいまだ実用化されていない。そこで、図13に示されるように、演色性を向上させるために、光源部10bが青色光を射出する光源1bの代わりに、補助光源として緑色光を射出する光源1g及び赤色光を射出する光源1rを有することが有用である。このような構成を有することで、図14に示されるスペクトルを取得することができる。波長変換素子20は励起光の波長のみに吸収スペクトルを有するので、光源1bからの青色光以外の色光は吸収されずに透過及び反射する。そのため、励起光により波長変換された蛍光光と光源1g,1rからの色光を重畳利用することができる。
In a projector, color reproduction based on a color standard such as sRGB or DCI may be required. However, a material having an appropriate emission spectrum as a material for a phosphor has not yet been put into practical use. Therefore, as shown in FIG. 13, in order to improve the color rendering property, instead of the
また、波長変換素子20上に結像される像は、本実施例では1つであるが、本発明はこれに限定されない。図15(a)に示されるように、複数のコンデンサレンズ4a,4b,4cを配置することで、波長変換素子20上に複数の像を結像させてもよい。波長変換素子20上に結像される像を1つでなく、複数にすることで熱源を分散することができる。なお、図15では波長変換素子20は1つの部材として構成されているが、複数の部材により構成されていてもよい。また、図15(b)に示されるように、光源1bと波長変換素子20上に結像される像の数に制約はない。また、図15(c)に示されるように、コンデンサレンズ4a,4bの光軸を偏心させることで熱源を更に離間させることも可能である。
Further, the image formed on the
また、図15の構成においてレンズアレイ素子3とコンデンサレンズ4を設ける代わりに、図16に示されるようにレンズアレイ素子3とコンデンサレンズ4の機能を備える光学素子6を設けてもよい。光学素子6は、光源部10の側に光源部10からの光を分割するレンズアレイ面(第1の光学面)を備えると共に、波長変換素子20の側にレンズアレイ面で分割された光を集光するレンズアレイ面(第2の光学面)を備える。光を分割するレンズアレイ面の要素レンズ数をα、集光するレンズアレイ面の要素レンズ数をβとするとき、α>βなる関係を満足する。レンズアレイ素子3とコンデンサレンズ4を設ける代わりに、2つの素子の機能を備える光学素子6を設けることで、光源装置100の更なる小型化が可能となる。
Further, instead of providing the
図17は、本実施例の表示装置700の構成図である。表示装置700は、光源装置100A、照明光学系200A、及び光変調素子300を有する。表示装置700では、光源装置100Aからの光で光変調素子300が直接照明される。
FIG. 17 is a configuration diagram of the
光源装置100Aは、青色光を射出する光源1B、緑色光を射出する光源1G、及び赤色光を射出する光源1Rを有する。複数の光源から射出された光は、コリメータレンズ2に入射する。コリメータレンズ2は、単レンズであってもよいし、アレイ状の一体レンズであってもよいし、各光源の波長に応じて位置や焦点距離を変えてもよい。
The
光源装置100Aから射出された平行光束100bは、照明光学系200A内に配置され、複数の要素レンズから構成されるレンズアレイ素子3に入射する。レンズアレイ素子3は、平行光束100bを分割する。レンズアレイ素子3により分割された光束は、コンデンサレンズ4により、コンデンサレンズ4の光軸上の焦点位置に集光される。これにより、平行光束100bの輝度分布が均一化される。光変調素子300をコンデンサレンズ4の光軸上の焦点位置に配置することで、光変調素子300上に均一な輝度分布の光束を形成することが可能となる。照明光学系200Aは、光変調素子300の特性により、平行光束100bの偏光方向を制御してもよいし、平行光束100bをRGBの3色の光に分離してもよい。光変調素子300は、透過型又は反射型の液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス等により構成される。
The parallel
なお、照明光学系200Aは、本実施例ではレンズアレイ素子3とコンデンサレンズ4を含むが、実施例1の図9に示される、これらの素子の機能を備える光学素子5を含んでいてもよい。光学素子5は、光源装置100Aの側に光源装置100Aからの光を分割するレンズアレイ面(第1の光学面)を備えると共に、光変調素子300の側にレンズアレイ面で分割された光を集光するコンデンサレンズ面(第2の光学面)を備える。レンズアレイ素子3とコンデンサレンズ4を設ける代わりに、2つの素子の機能を備える光学素子5を設けることで、表示装置700の更なる小型化が可能となる。
Although the illumination
図18は、表示装置700を有するプロジェクター(画像投写装置)の構成図である。駆動回路600は、外部から入力された画像信号に応じて光変調素子300を駆動する。光変調素子300は、照明光200aを画像信号に応じて変調して画像光300aを生成する。画像光300aは、投写光学系400を介してスクリーン等の被投写面500に投写される。投写光学系400は、色分離されていた画像光300aを合成したり、画像光300aを拡大したりする。これにより、カラー画像としての投写画像が表示される。
FIG. 18 is a block diagram of a projector (image projection device) having a
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。 Although the preferred embodiments and examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments and examples, and various combinations, modifications and modifications can be made within the scope of the gist thereof.
1b,1r,1g 光源
2 コリメータレンズ
3 レンズアレイ素子(分割素子)
4 コンデンサレンズ(集光素子)
10 光源部
20 波長変換素子(光特性変換素子)
100 光源装置
1b, 1r,
4 Condenser lens (condensing element)
10
100 light source device
Claims (7)
前記光源部からの光とは特性が異なる光を生成する光特性変換素子と、
前記光源部からの光を前記光特性変換素子に照射する光学系とを有し、
前記光学系は、前記光源部の側から前記光特性変換素子の側に順に配置された、前記光源部からの光を分割する分割素子及び前記分割素子により分割された複数の光を集光する集光素子を含み、
前記分割素子の焦点距離をf、前記分割素子と前記集光素子との間の距離をLとするとき、
f/L≧1.0
なる条件式を満足することを特徴とする光源装置。 A light source unit including a plurality of light sources and a collimator lens for converting light fluxes from the plurality of light sources into parallel light flux, and a light source unit.
An optical characteristic conversion element that generates light having characteristics different from those of the light from the light source unit,
It has an optical system that irradiates the optical characteristic conversion element with light from the light source unit.
The optical system collects a dividing element that divides the light from the light source unit and a plurality of light divided by the dividing element, which are arranged in order from the side of the light source unit to the side of the optical characteristic conversion element. Including light source
When the focal length of the dividing element is f and the distance between the dividing element and the condensing element is L,
f / L ≧ 1.0
A light source device characterized by satisfying the conditional expression.
0.90≦B/A≦1.10
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1に記載の光源装置。 When the width of the light from the light source unit is A and the width of the light incident on the dividing element is B,
0.90 ≤ B / A ≤ 1.10
The light source device according to claim 1, wherein the light source device satisfies the conditional expression.
前記光源部からの光とは特性が異なる光を生成する光特性変換素子と、
前記光源部からの光を前記光特性変換素子に照射する光学系とを有し、
前記光学系は、前記光源部の側に前記光源部からの光を分割する第1の光学面を備えると共に、前記光特性変換素子の側に前記第1の光学面で分割された複数の光を集光する第2の光学面を備える光学素子を含むことを特徴とする光源装置。 A light source unit including a plurality of light sources and a collimator lens for converting light fluxes from the plurality of light sources into parallel light flux, and a light source unit.
An optical characteristic conversion element that generates light having characteristics different from those of the light from the light source unit,
It has an optical system that irradiates the optical characteristic conversion element with light from the light source unit.
The optical system includes a first optical surface that divides the light from the light source unit on the side of the light source unit, and a plurality of light divided by the first optical surface on the side of the optical characteristic conversion element. A light source device comprising an optical element comprising a second optical surface for condensing light.
0.90≦B/A≦1.10
なる条件式を満足する満たすことを特徴とする請求項3に記載の光源装置。 When the width of the light from the light source unit is A and the width of the light incident on the first optical surface is B,
0.90 ≤ B / A ≤ 1.10
The light source device according to claim 3, wherein the conditional expression is satisfied.
前記光源装置からの光を用いて被投写面に画像を投写する投写光学系とを有することを特徴とする画像投写装置。
The light source device according to any one of claims 1 to 6.
An image projection device comprising a projection optical system for projecting an image on a projected surface using light from the light source device.
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