JP6790170B2 - Light source optical system and projection type display device using this - Google Patents
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Description
本発明は、光源光学系およびこれを用いた投射型表示装置に関する。 The present invention relates to a light source optical system and a projection type display device using the same.
近年、高出力レーザーダイオード(以後、LD)から発する光束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光として用いるプロジェクターが開発されている。このようなプロジェクターではLDの個数を増やしたり、出力を上げたりすることによりプロジェクターとしての明るさを上げることが可能である。 In recent years, a projector has been developed in which a phosphor is irradiated with a light beam emitted from a high-power laser diode (hereinafter, LD) as excitation light and the wavelength-converted fluorescent light is used as a light source. In such a projector, it is possible to increase the brightness of the projector by increasing the number of LDs or increasing the output.
しかしながら、明るさを上げるために蛍光体への入射光の強度を高めると、蛍光体面上に形成される光源スポットの光密度が高くなる。その結果、輝度飽和現象によって光変換効率が下がるといった問題が生じ、LDの出力上昇に比例した明るさを得ることができない。 However, if the intensity of the incident light on the phosphor is increased in order to increase the brightness, the light density of the light source spot formed on the phosphor surface is increased. As a result, there is a problem that the light conversion efficiency is lowered due to the brightness saturation phenomenon, and it is not possible to obtain the brightness proportional to the increase in the output of the LD.
このような問題を解決する技術として特許文献1に記載の技術が知られている。特許文献1は、複数のLDからの光束を圧縮する光学系の後に2枚のフライアイレンズを設ける構成を開示している。このような構成によって蛍光体上に形成される光源スポットの光密度を均一にして光密度が極端に高くなる領域が出来てしまうことを抑制し、前述の光変換効率の低下を抑制することができる。 The technique described in Patent Document 1 is known as a technique for solving such a problem. Patent Document 1 discloses a configuration in which two fly-eye lenses are provided after an optical system that compresses light fluxes from a plurality of LDs. With such a configuration, it is possible to make the light density of the light source spot formed on the phosphor uniform, suppress the formation of a region where the light density becomes extremely high, and suppress the above-mentioned decrease in the light conversion efficiency. it can.
近年は、蛍光体の光変換効率の低下のさらなる抑制が求められている。 In recent years, further suppression of a decrease in the light conversion efficiency of a phosphor has been required.
そこで、本発明は、波長変換素子の光変換効率の低下を抑制することが可能な光源光学系およびこれを用いた投射型表示装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a light source optical system capable of suppressing a decrease in light conversion efficiency of a wavelength conversion element and a projection type display device using the same.
光源からの光束を波長変換素子に導く光源光学系であって、
複数の第1のレンズ面を備える第1のレンズ面アレイと、
複数の第2のレンズ面を備え、前記第1のレンズ面アレイからの光束を受光する第2のレンズ面アレイと、
前記第2のレンズ面アレイからの光束を前記波長変換素子に導くとともに、正のパワーを有する集光光学系と、
前記第2のレンズ面アレイからの光束を、前記集光光学系を介して前記波長変換素子に導く導光面を備え、
前記第2のレンズ面アレイからの光束の光束径は、前記集光光学系から前記導光面に導かれる光束の光束径よりも小さく、
前記集光光学系の焦点距離を前記第2のレンズ面アレイから前記導光面に導かれる光束の光束径で除した値を励起光路のFナンバーFLD 、前記波長変換素子上に形成される光源スポットの1辺の長さをdphosとするとき、
を満足することを特徴とする。
A light source optical system that guides the luminous flux from a light source to a wavelength conversion element.
A first lens plane array with a plurality of first lens planes,
A second lens surface array having a plurality of second lens surfaces and receiving a light flux from the first lens surface array,
A condensing optical system that guides the luminous flux from the second lens surface array to the wavelength conversion element and has positive power,
A light guide surface for guiding a light flux from the second lens surface array to the wavelength conversion element via the condensing optical system is provided.
The luminous flux diameter of the light flux from the second lens surface array is smaller than the luminous flux diameter of the light flux guided from the condensing optical system to the light guide surface.
F-number F LD of the light converging optical system divided by the beam diameter of the light beam guided to the focal length to the light guide surface from said second lens surface array excitation light path of, is formed on the wavelength converting element When the length of one side of the light source spot is dphos ,
It is characterized by satisfying.
本発明によれば、波長変換素子の光変換効率の低下を抑制することが可能な光源光学系およびこれを用いた投射型表示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 optical system capable of suppressing a decrease in light conversion efficiency of a wavelength conversion element and a projection type display device using the same.
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の相対配置などは、この発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。すなわち、本発明は後述の実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で様々な変形及び変更が可能である。 Preferred embodiments of the present invention will be exemplified below with reference to the drawings. However, the relative arrangement of the components described in this embodiment should be appropriately changed depending on the configuration of the apparatus to which the present invention is applied and various conditions. That is, the present invention is not limited to the embodiments described later, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist thereof.
以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
〔第1実施例〕
(光源光学系および光源装置の構成)
図1は、本発明の第1実施例としての光源装置の構成を示す構成図である。図1において後述の集光レンズユニット8の光軸と平行な方向をX軸方向とし、X軸方向および後述のダイクロイックミラー7の法線に平行な面がXZ断面になるような方向をZ軸方向とし、X軸方向およびZ軸方向と直交する方向をY軸方向とする。つまり、図1は、図面内に図示されている座標軸にあるようにXZ断面の図になっている。
[First Example]
(Structure of light source optical system and light source device)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a light source device as a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the direction parallel to the optical axis of the condensing lens unit 8 described later is the X-axis direction, and the direction in which the X-axis direction and the plane parallel to the normal of the dichroic mirror 7 described later are the XZ cross section is the Z axis. The direction is defined as the direction orthogonal to the X-axis direction and the Z-axis direction as the Y-axis direction. That is, FIG. 1 is a cross-sectional view of the XZ as shown in the coordinate axes shown in the drawing.
本実施例で示す光源装置は、光源1とコリメータレンズ2と蛍光体9と光源光学系とを備えている。ここでいう光源光学系は、マイクロレンズアレイ63、ダイクロイックミラー7(導光素子)、集光レンズユニット8(集光光学系)と、導光光学系のことをいう。導光光学系とは、ひとつひとつが異なる曲率半径及び頂点座標を有する放物面からなる複数のミラーからなる放物ミラーアレイ3と、平面ミラー4と、凹レンズ5のことをいう。 The light source device shown in this embodiment includes a light source 1, a collimator lens 2, a phosphor 9, and a light source optical system. The light source optical system referred to here refers to a microlens array 63, a dichroic mirror 7 (light guide element), a condenser lens unit 8 (condensing optical system), and a light guide optical system. The light guide optical system refers to a parabolic mirror array 3 composed of a plurality of mirrors each having a different radius of curvature and apex coordinates, a flat mirror 4, and a concave lens 5.
(光源1から照明光学系までの光路)
光源1は青色光を発するLDである。光源1から射出された光束は発散光束であり、光源1からの光束の進行方向には光源1と同数のコリメータレンズ2が設けられている。コリメータレンズ2は光源1からの発散光束を平行光束にする正レンズである。
(Optical path from light source 1 to illumination optical system)
The light source 1 is an LD that emits blue light. The luminous flux emitted from the light source 1 is a divergent luminous flux, and the same number of collimator lenses 2 as the light source 1 are provided in the traveling direction of the luminous flux from the light source 1. The collimator lens 2 is a positive lens that converts the radiated luminous flux from the light source 1 into a parallel luminous flux.
コリメータレンズ2を射出した後の複数の光束はZ軸方向に向けて進行したのち放物ミラーアレイ3によって互いの距離を縮めながら平面ミラー4へ向かう。平面ミラー4によって反射された光束は凹レンズ5に入射する。凹レンズ5は、その焦点位置を放物ミラーアレイ3の焦点と共有しているため、凹レンズ5は平行光束として光束を射出する。 After ejecting the collimator lens 2, the plurality of luminous fluxes travel in the Z-axis direction and then head toward the plane mirror 4 while shortening the distance between them by the parabolic mirror array 3. The luminous flux reflected by the plane mirror 4 is incident on the concave lens 5. Since the concave lens 5 shares the focal position with the focal point of the radial mirror array 3, the concave lens 5 emits a light flux as a parallel light flux.
凹レンズ5を射出した平行光束は、マイクロレンズアレイ63の面のうち凹レンズ5側の面である第1のレンズ面アレイ61に入射し、複数の光束に分割されて第2のレンズ面アレイ62に入射する。つまり、第2のレンズ面アレイ62は第1のレンズ面アレイ61からの光束を受光する位置に設けられている。 The parallel light flux ejected from the concave lens 5 is incident on the first lens surface array 61, which is the surface on the concave lens 5 side of the surface of the microlens array 63, and is divided into a plurality of light beams into the second lens surface array 62. Incident. That is, the second lens surface array 62 is provided at a position where the light flux from the first lens surface array 61 is received.
第2のレンズ面アレイ62を射出した分割光束は、ダイクロイックミラー7により反射されて集光レンズユニット8に向かう。ダイクロイックミラー7は第2のレンズ面アレイ62からの光束を反射する必要最小限の大きさになっており、その表面には光源1からの青色光は反射するが、後述の蛍光光の波長は透過する特性の誘電体多層膜(ダイクロイック膜)がコーティングされている。 The divided light beam emitted from the second lens surface array 62 is reflected by the dichroic mirror 7 and heads toward the condenser lens unit 8. The dichroic mirror 7 has a minimum size necessary to reflect the light beam from the second lens surface array 62, and the blue light from the light source 1 is reflected on the surface thereof, but the wavelength of the fluorescent light described later is A dielectric multilayer film (dichroic film) with permeable properties is coated.
(ダイクロイックミラー7の構成)
ダイクロイックミラー7の詳細な構成は図2に示すとおりである。図1に示したダイクロイックミラー7は図2(a)に示す構成になっている。具体的には、光源1からの青色光を反射して緑色光および赤色光を含む蛍光光を透過させる導光面であるダイクロイック面71のy軸方向左右に、波長に依らずに光を透過させる透過面72が設けられた構成になっている。
(Structure of dichroic mirror 7)
The detailed configuration of the dichroic mirror 7 is as shown in FIG. The dichroic mirror 7 shown in FIG. 1 has the configuration shown in FIG. 2 (a). Specifically, light is transmitted to the left and right in the y-axis direction of the dichroic surface 71, which is a light guide surface that reflects blue light from the light source 1 and transmits fluorescent light including green light and red light, regardless of wavelength. It has a structure in which a transparent surface 72 is provided.
なお、ダイクロイックミラー7は図2(a)に示す構成に限定されず、例えば図2(b)に示すように、ダイクロイック面71の周囲に透過面72が設けられている構成などであってもよい。さらに、ダイクロイック面71の少なくとも一辺が透過面72のある一辺と重なっている構成であってもよく、透過面72は透明な基板上の面であっても、反射防止コーティングが施された面であってもよい。 The dichroic mirror 7 is not limited to the configuration shown in FIG. 2A, and even if the dichroic mirror 7 is provided with a transmission surface 72 around the dichroic surface 71, for example, as shown in FIG. 2B. Good. Further, at least one side of the dichroic surface 71 may overlap with one side having the transmission surface 72, and the transmission surface 72 may be a surface on a transparent substrate or a surface provided with an antireflection coating. There may be.
また、ダイクロイック面71の法線が、ダイクロイック面71の法線と平行で集光レンズユニット8の光軸を含む断面に含まれない場合、この断面にダイクロイック面71を垂直に投影した面で後述の幅Ddを定義すればよい。 If the normal of the dichroic surface 71 is parallel to the normal of the dichroic surface 71 and is not included in the cross section including the optical axis of the condenser lens unit 8, the surface obtained by vertically projecting the dichroic surface 71 onto this cross section will be described later. The width D d of may be defined.
ダイクロイックミラー7で反射された分割光束は正のパワーを有する集光レンズユニット8によって蛍光体9上に集光および重畳される。その結果、蛍光体9上に光源スポットが形成される。蛍光体9上に形成される光源スポットは、第1のレンズ面アレイ61の各レンズセル(レンズ面)と共役であるため、矩形で均一な分布になっている。 The divided light flux reflected by the dichroic mirror 7 is focused and superimposed on the phosphor 9 by the condenser lens unit 8 having a positive power. As a result, a light source spot is formed on the phosphor 9. Since the light source spots formed on the phosphor 9 are conjugate to each lens cell (lens surface) of the first lens surface array 61, they have a rectangular and uniform distribution.
(蛍光体9の光変換効率の低下を抑制する構成)
ここで、図3を用いてマイクロレンズアレイ63を設けることで蛍光体9の光変換効率の低下を抑制することが可能な理由について説明する。
(Structure that suppresses the decrease in the light conversion efficiency of the phosphor 9)
Here, the reason why the decrease in the light conversion efficiency of the phosphor 9 can be suppressed by providing the microlens array 63 with reference to FIG. 3 will be described.
図3は、図1に示した第1レンズ面アレイ61、第2レンズ面アレイ62、集光レンズユニット8、蛍光体9の光学的関係を簡略化して示した図である。第1のレンズ面アレイ61は61’、第2のレンズ面アレイ62は62’、集光レンズユニット8は8’、蛍光体9は9’にそれぞれ対応している。 FIG. 3 is a simplified view showing the optical relationship between the first lens surface array 61, the second lens surface array 62, the condenser lens unit 8, and the phosphor 9 shown in FIG. The first lens surface array 61 corresponds to 61', the second lens surface array 62 corresponds to 62', the condenser lens unit 8 corresponds to 8', and the phosphor 9 corresponds to 9', respectively.
蛍光体9’は第2のレンズ面アレイ62’と集光レンズユニット8’によって第1のレンズアレイ61’の各レンズセルと略共役の位置に配置されており、第1のレンズ面アレイ61’と蛍光体9’面は結像関係にある。したがって、蛍光体9’上には第1のレンズ面アレイ61’の各レンズセル上に形成されている光分布に対応した光源像が形成される。また、その像の大きさはレンズセルのピッチ(レンズセルの幅)と結像系の倍率によって決まる。さらに、各レンズセル上に形成されている光源像は集光レンズユニット8‘を介して蛍光体9’上で重畳するように配置されている。 The phosphor 9'is arranged at a position substantially conjugate with each lens cell of the first lens array 61'by the second lens surface array 62'and the condensing lens unit 8', and the first lens surface array 61' 'And the 9'plane of the phosphor are in an imaging relationship. Therefore, a light source image corresponding to the light distribution formed on each lens cell of the first lens surface array 61'is formed on the phosphor 9'. The size of the image is determined by the pitch of the lens cell (width of the lens cell) and the magnification of the imaging system. Further, the light source images formed on each lens cell are arranged so as to be superimposed on the phosphor 9'via the condenser lens unit 8'.
図3左側に示すように第1のレンズ面アレイ61’に入射する光束が不均一な輝度分布を持っていたとしても、上記理由から各レンズセル上に形成される光分布はレンズセル数だけ平均化される。このため、図3右側に示すように蛍光体9’面上では均一な分布の光源像を形成することができる。 As shown on the left side of FIG. 3, even if the luminous flux incident on the first lens surface array 61'has a non-uniform luminance distribution, the light distribution formed on each lens cell is limited to the number of lens cells for the above reason. To be averaged. Therefore, as shown on the right side of FIG. 3, a light source image having a uniform distribution can be formed on the 9'plane of the phosphor.
説明を図1に戻すと、凹レンズ5によって平行光化された光束は第1のレンズ面アレイ61に入射した時点では、各光源1からの光束が間隔をあけて並んだ離散的間な光分布である。しかしながら、上記の経路により分割および重畳されることによって、蛍光体9上で第1のレンズ面アレイ61の各レンズセル形状と相似形で均一な光分布の光源像を形成する。このため、蛍光体9上において光源1からの光束が1点へ集中することを抑制し、輝度飽和現象による発光効率の低下を抑制することができる。 Returning to FIG. 1, when the luminous flux collimated by the concave lens 5 is incident on the first lens surface array 61, the luminous fluxes from the respective light sources 1 are arranged at intervals in the discrete light distribution. Is. However, by dividing and superimposing by the above path, a light source image having a uniform light distribution similar to the shape of each lens cell of the first lens surface array 61 is formed on the phosphor 9. Therefore, it is possible to suppress the concentration of the luminous flux from the light source 1 on the phosphor 9 to one point, and to suppress the decrease in luminous efficiency due to the luminance saturation phenomenon.
(小型化を実現する構成)
蛍光体9に入射した光源1からの青色光は、赤色光および緑色光のスペクトルを主とする蛍光光(変換光)に変換される。蛍光体9は、高反射率のアルミ基板上に蛍光体層を塗布して形成されており、青色光から蛍光変換された蛍光光はアルミ基板で集光レンズユニット8へ向かって反射される。また、一部の青色光は蛍光変換されることなく同じ波長のままアルミ基板で反射される。
(Configuration to achieve miniaturization)
The blue light from the light source 1 incident on the phosphor 9 is converted into fluorescent light (converted light) mainly having spectra of red light and green light. The phosphor 9 is formed by coating a phosphor layer on a high-reflectance aluminum substrate, and the fluorescent light converted from blue light to fluorescence is reflected by the aluminum substrate toward the condenser lens unit 8. In addition, some blue light is reflected by the aluminum substrate with the same wavelength without being fluorescently converted.
こうして赤色光および緑色光を含む蛍光光と非変換の青色光で構成される白色光束が蛍光体9から射出され、集光レンズユニット8によって集光および平行光化され不図示の照明光学系に向かう。 In this way, a white light beam composed of fluorescent light including red light and green light and unconverted blue light is emitted from the phosphor 9, and is condensed and parallelized by the condenser lens unit 8 to form an illumination optical system (not shown). Head.
このとき、集光レンズユニット8からの白色光束の光束径に対して、ダイクロイックミラー7の幅、より詳細にはダイクロイック面71の幅が充分に大きい場合を考える。この場合、ダイクロイック面71を通る白色光束のうち青色光はダイクロイック面71で反射されて光源1側に戻ってしまい、照明光学系へ向かうことができない。 At this time, consider the case where the width of the dichroic mirror 7, more specifically, the width of the dichroic surface 71 is sufficiently larger than the diameter of the white light flux from the condenser lens unit 8. In this case, of the white light flux passing through the dichroic surface 71, the blue light is reflected by the dichroic surface 71 and returns to the light source 1 side, and cannot go to the illumination optical system.
つまり、ダイクロイック面71の幅が大きいほど青色光を減損することになってしまう。このような青色光の減損に対する解決手段として特許文献1に記載のように、励起光を発する光源1とは別に青色光源を備えた構成が考えられるが、この構成では装置全体が大型化してしまう。そこで、本実施例においては減損される青色光を極力減じるために、ダイクロイックミラー7の面積をできるだけ小さくすることを考えた。 That is, the larger the width of the dichroic surface 71, the more the blue light is impaired. As a solution to such impairment of blue light, as described in Patent Document 1, a configuration in which a blue light source is provided in addition to the light source 1 that emits excitation light can be considered, but in this configuration, the entire device becomes large. .. Therefore, in this embodiment, in order to reduce the impaired blue light as much as possible, it is considered to make the area of the dichroic mirror 7 as small as possible.
具体的には、本実施例においてはダイクロイック面71の幅Ddと集光レンズユニット8の幅Dcを次の条件を満たすように設定している。すなわち、ダイクロイックミラー7の法線と平行で集光レンズユニット8の光軸を含む断面(XZ断面)での集光レンズユニット8の光軸と直交する方向(Z軸方向)において、ダイクロイック面71の幅Ddは集光レンズユニット8の幅Dcよりも狭い。 Specifically, in this embodiment sets the width D c of the width D d and the condenser lens unit 8 dichroic surface 71 so as to satisfy the following condition. That is, the dichroic surface 71 is in a direction (Z-axis direction) parallel to the normal line of the dichroic mirror 7 and orthogonal to the optical axis of the condenser lens unit 8 in a cross section (XZ cross section) including the optical axis of the condenser lens unit 8. The width D d of is narrower than the width D c of the condenser lens unit 8.
このような構成では、集光レンズユニット8からの白色光束のうちダイクロイック面71を通る光束に含まれる青色光は光源1側に戻ってしまうが、ダイクロイックミラー7を通らない光束はそのまま照明光学系に導かれる。つまり、励起光用の光源とは別に青色光源とその周辺の光学系を設けなくても白色光束を照明光学系に導くことが可能となり、小型な光源光学系を実現することができる。 In such a configuration, the blue light contained in the light flux passing through the dichroic surface 71 among the white light flux from the condenser lens unit 8 returns to the light source 1, but the light flux not passing through the dichroic mirror 7 remains as it is in the illumination optical system. Guided to. That is, it is possible to guide the white luminous flux to the illumination optical system without providing the blue light source and the optical system around it separately from the light source for the excitation light, and it is possible to realize a compact light source optical system.
なお、ダイクロイックミラー7が図2(a)に示した構成である場合には、ダイクロイックミラー7のZ軸方向の幅をDdと定義すればよい。一方、図2(b)に示した構成のように、XZ断面にダイクロイック面71以外にも透過面72が存在する場合には、ダイクロイック面71のZ軸方向の幅をDdとしてもよい。 When the dichroic mirror 7 has the configuration shown in FIG. 2A, the width of the dichroic mirror 7 in the Z-axis direction may be defined as D d . On the other hand, as in the configuration shown in FIG. 2B, when the transmission surface 72 is present in the XZ cross section in addition to the dichroic surface 71, the width of the dichroic surface 71 in the Z-axis direction may be D d .
(光束径の定義)
幅Ddを幅Dcよりも狭くすることは、光束径を用いてマイクロレンズアレイ63から射出する励起光の光束径DLDを集光レンズユニット8からの白色光束の光束径Dphosよりも小さくすることと言い換えることができる。ここでいう光束径の定義について図4を用いて説明する。
(Definition of luminous flux diameter)
Making the width Dd narrower than the width Dc makes the luminous flux diameter D LD of the excitation light emitted from the microlens array 63 smaller than the luminous flux diameter D phos of the white light flux from the condenser lens unit 8 by using the luminous flux diameter. In other words, that. The definition of the luminous flux diameter referred to here will be described with reference to FIG.
図4(a)は第2のレンズ面アレイ62上に形成される励起光の光源像の輝度断面図を示している。前述のとおり、第2のレンズアレイ62面上には第1のレンズアレイ61面で分割された光束が集光され、集光点ではLDの発光点の像が形成される。 FIG. 4A shows a luminance cross-sectional view of a light source image of excitation light formed on the second lens surface array 62. As described above, the light flux divided by the 61st surface of the first lens array is focused on the 62nd surface of the second lens array, and an image of the light emitting point of the LD is formed at the condensing point.
したがって、図4(a)に示す輝度断面図は、第1のレンズ面アレイ61のレンズセルピッチに対応した数の輝度ピークが並んだ離散的な分布となっている。この場合、マイクロレンズアレイ63からの励起光の光束径DLDは、輝度断面の包絡線Eにおける半値半幅、すなわち最大輝度Iの1/2の輝度が得られる幅とする。 Therefore, the luminance cross-sectional view shown in FIG. 4A has a discrete distribution in which a number of luminance peaks corresponding to the lens cell pitch of the first lens surface array 61 are arranged. In this case, the luminous flux diameter D LD of the excitation light from the microlens array 63 is set to be a half-value half width in the envelope E of the luminance cross section, that is, a width in which half the luminance of the maximum luminance I can be obtained.
一方、図4(b)には集光レンズユニット8からの白色光束の光分布の輝度断面図を示す。蛍光体9からの蛍光光は全方位に発光する一方、蛍光体9の表面から面発光をするので完全拡散面光源ととらえることもできる。したがって、蛍光光束の輝度断面は光軸近傍で一番輝度が強く、集光レンズユニット8による蛍光光の取り込み角度の余弦に対応して光軸から離れるに従って輝度が弱くなっているが、集光レンズの有効径で決まる取り込み角の限界点で輝度が0になっている。この場合、蛍光光の光束径つまり集光レンズユニット8からの白色光束の光束径Dphosは輝度が0になる位置の幅とする。 On the other hand, FIG. 4B shows a luminance cross-sectional view of the light distribution of the white luminous flux from the condenser lens unit 8. While the fluorescent light from the phosphor 9 emits light in all directions, it also emits surface light from the surface of the phosphor 9, so that it can be regarded as a completely diffused surface light source. Therefore, the luminance cross section of the fluorescent light beam has the strongest luminance near the optical axis, and the luminance becomes weaker as the distance from the optical axis corresponds to the cosine of the fluorescence light capture angle by the condenser lens unit 8. The brightness is 0 at the limit point of the capture angle determined by the effective diameter of the lens. In this case, the luminous flux diameter of the fluorescent light, that is, the luminous flux diameter D phos of the white luminous flux from the condenser lens unit 8 is the width of the position where the brightness becomes 0.
以上より、本実施例の構成によって蛍光体の光変換効率の低下を抑制することができる。さらに、光源装置の小型化も達成することができる。 From the above, it is possible to suppress a decrease in the light conversion efficiency of the phosphor by the configuration of this example. Further, the miniaturization of the light source device can be achieved.
(励起光の光束径を小さくすることによる課題)
ここで、前述のダイクロイックミラー7が大きいことによる青色光の減損を抑制するために、ダイクロイックミラー7の面積を更に小さくすることを考える。ダイクロイックミラーの面積を更に小さくする場合には第2のレンズ面アレイ62から射出される励起光の光束径を更に小さくする必要がある。しかしながら、励起光の光束径を小さくすると次のような課題が生じる。以下、図5および図6を用いてその課題について説明する。
(Issues by reducing the luminous flux diameter of the excitation light)
Here, in order to suppress the impairment of blue light due to the large size of the dichroic mirror 7, it is considered to further reduce the area of the dichroic mirror 7. When the area of the dichroic mirror is further reduced, it is necessary to further reduce the luminous flux diameter of the excitation light emitted from the second lens surface array 62. However, if the luminous flux diameter of the excitation light is reduced, the following problems occur. Hereinafter, the problem will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
図5は本実施例における第1および第2のレンズ面アレイ61、62を拡大して図示したものである。図5(a)のように第1のレンズ面アレイ61によって分割された平行光束は、第1のレンズ面アレイ61の各レンズセルによってそれぞれ対応した第2のレンズ面アレイ62の各レンズセルに集光する。この結果、第2のレンズ面アレイ62の各レンズセルには、光源1の光源像が形成される。 FIG. 5 is an enlarged view of the first and second lens surface arrays 61 and 62 in this embodiment. As shown in FIG. 5A, the parallel light flux divided by the first lens surface array 61 is applied to each lens cell of the second lens surface array 62 corresponding to each lens cell of the first lens surface array 61. Condensing. As a result, a light source image of the light source 1 is formed in each lens cell of the second lens surface array 62.
仮に、この光源像の大きさがレンズセルのピッチよりも大きくなると、対応したレンズセルに対して隣接したレンズセルに光束の一部が入射してしまう。このような成分は蛍光体9上で所定の光源スポットの位置に対して隣接した位置に結像されてしまい、後段に配置される照明光学系中の光学素子でけられてしまって有効に利用されない光、つまり損失となる。その結果、光利用効率を落とすことになる。 If the size of this light source image is larger than the pitch of the lens cell, a part of the luminous flux is incident on the lens cell adjacent to the corresponding lens cell. Such a component is imaged on the phosphor 9 at a position adjacent to the position of a predetermined light source spot, and is effectively used because it is eclipsed by an optical element in the illumination optical system arranged in the subsequent stage. Light that is not done, that is, loss. As a result, the light utilization efficiency is reduced.
一方、図5(b)には前述のようにダイクロイックミラー7の面積を小さくするために、励起光の光束径をより小さくした場合を示す。図5(b)では第2のレンズ面アレイ62の各レンズセルに形成される光源像がレンズセルの大きさを超えてしまい、上記のような対応するレンズセルに対して隣接したレンズセルに光束が入射することによって光利用効率がより低下してしまう。これは第1のレンズ面アレイ61に入射する励起光の光束径を小さくすることで、励起光束の平行光束としての角度ばらつきが大きくなっているためである。 On the other hand, FIG. 5B shows a case where the luminous flux diameter of the excitation light is made smaller in order to reduce the area of the dichroic mirror 7 as described above. In FIG. 5B, the light source image formed in each lens cell of the second lens surface array 62 exceeds the size of the lens cell, and the lens cell adjacent to the corresponding lens cell as described above is formed. The incident light beam further reduces the light utilization efficiency. This is because by reducing the luminous flux diameter of the excitation light incident on the first lens surface array 61, the angular variation of the excitation light flux as a parallel luminous flux becomes large.
(励起光の光束径の角度ばらつき)
図6を用いてその原理を説明する。図6は光源1から凹レンズ5までの各光学素子の光学的関係を簡略化して示した図である。1’は光源1、2’および3’は正のパワーを持つ素子でそれぞれコリメータレンズ2と放物ミラーアレイ3の各ミラーに対応している。5’は負のパワーを持つ素子で凹レンズ5を示している。
(Agular variation in luminous flux diameter of excitation light)
The principle will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a simplified view showing the optical relationship of each optical element from the light source 1 to the concave lens 5. 1'is a light source 1, 2'and 3'is an element having a positive power, and corresponds to each mirror of the collimator lens 2 and the parabolic mirror array 3, respectively. 5'is an element having a negative power and indicates a concave lens 5.
前述のように放物ミラーアレイ3と凹レンズ5はその焦点を共有しており、所謂アフォーカル系を形成している。従って、両者に対応する素子3’と5’もアフォーカル系Aを形成する。光源1’を射出した光はコリメータレンズ2’によって平行光化され、アフォーカル系Aに入射し、所定の倍率で光束が圧縮される。 As described above, the parabolic mirror array 3 and the concave lens 5 share the same focus, forming a so-called afocal system. Therefore, the elements 3'and 5'corresponding to both also form the afocal system A. The light emitted from the light source 1'is collimated by the collimator lens 2', is incident on the afocal system A, and the luminous flux is compressed at a predetermined magnification.
このとき、光源1’の発光点が無限に小さければコリメートレンズ2’によって完全な平行光になるが、LDの発光点は有限の大きさを持っているので、その大きさに対応した角度ばらつきθ1を有する平行光束となる。なお、角度ばらつきθ1はコリメータレンズ2’の焦点距離fcoliと発光点の大きさLを用いてθ=atan(L/fcoli)で表わされる。 At this time, if the light emitting point of the light source 1'is infinitely small, it becomes completely parallel light by the collimated lens 2', but since the light emitting point of the LD has a finite size, the angle variation corresponding to the size. It becomes a parallel light source having θ 1 . The angle variation θ 1 is expressed by θ = atan (L / f coli ) using the focal length f coli of the collimator lens 2'and the size L of the light emitting point.
このようにアフォーカル系Aに入射する平行光束は発光点の有限の大きさに対応した角度ばらつきθ1を有するが、平行光がアフォーカル系Aに入射して光束径が変化する際に角度ばらつきがθ2へ変化する。今、アフォーカル系Aの入射前後の平行光束の径をそれぞれ、D1、D2とすると、角倍率の関係より以下の式が成り立つ。 In this way, the parallel light flux incident on the afocal system A has an angle variation θ 1 corresponding to the finite size of the light emitting point, but the angle when the parallel light is incident on the afocal system A and the luminous flux diameter changes. The variation changes to θ 2 . Now, assuming that the diameters of the parallel luminous flux before and after the incident of the afocal system A are D 1 and D 2 , respectively, the following equation holds from the relationship of the angular magnification.
ここでγは角倍率である。前述の第1のレンズ面アレイ61に入射する励起光の光束径をより小さくすることは、アフォーカル系Aから射出する光束径D2をより小さくすることに等しい。光束径D2を小さくすると角倍率γが大きくなり、これにしたがい左辺の項の数値が大きくなるのでθ2が大きくなる。 Here, γ is an angular magnification. Making the luminous flux diameter of the excitation light incident on the first lens surface array 61 smaller is equivalent to making the luminous flux diameter D 2 emitted from the afocal system A smaller. When the luminous flux diameter D2 is reduced, the angular magnification γ is increased, and the numerical value of the term on the left side is increased accordingly, so that θ 2 is increased.
したがって、アフォーカル系から出射する光束の径を小さくすると角度バラツキθ2が大きくなり、その後段では第1のレンズ面アレイ61へ入射する平行光束の角度ばらつきθ2も大きくなる。すると、図5(b)に示したように第2のレンズ面アレイ62上の光源像の大きさが大きくなる。つまり、青色光の減損を抑制する目的でダイクロイックミラー7の面積を小さくして励起光の光束径を小さくしすぎると、第2のレンズ面アレイ62に形成される光源像の大きさがレンズセルのピッチよりも大きくなって光利用効率が低下するため好ましくない。 Therefore, if the diameter of the light flux emitted from the afocal system is reduced, the angle variation θ 2 becomes large, and in the subsequent stage, the angle variation θ 2 of the parallel light flux incident on the first lens surface array 61 also becomes large. Then, as shown in FIG. 5B, the size of the light source image on the second lens surface array 62 becomes large. That is, if the area of the dichroic mirror 7 is made small and the luminous flux diameter of the excitation light is made too small for the purpose of suppressing the deterioration of the blue light, the size of the light source image formed on the second lens surface array 62 becomes the lens cell. It is not preferable because it becomes larger than the pitch of and the light utilization efficiency is lowered.
ここで、蛍光体9上に形成される光源スポットを小さくする場合を考える。これは、蛍光体9と結像関係にある第1のレンズ面アレイ61のレンズセルのピッチを小さくすることを意味する。第1のレンズ面アレイ61のレンズセルのピッチを小さくするのに合わせて第2のレンズ面アレイ62のレンズセルのピッチも小さくすると、レンズセルの大きさに対する光源像の大きさが相対的に大きくなる。その結果、上記と同様に光利用効率が低下してしまうため好ましくない。 Here, consider a case where the light source spot formed on the phosphor 9 is reduced. This means that the pitch of the lens cells of the first lens surface array 61 having an imaging relationship with the phosphor 9 is reduced. When the pitch of the lens cells of the second lens surface array 62 is also reduced in accordance with the reduction of the pitch of the lens cells of the first lens surface array 61, the size of the light source image is relative to the size of the lens cells. growing. As a result, the light utilization efficiency is lowered as described above, which is not preferable.
(より好ましい形態)
このような損失を抑制しつつ本実施例の構成をとるためには、励起光路の光束径と蛍光体9上の光源スポットの大きさが下記の条件であることが望ましい。なお、下記の説明では集光レンズユニット8の焦点距離fcを光束径で除した値をFナンバーとし、光束径をFナンバーで代用して説明しているが、その理由は次のとおりである。
(More preferred form)
In order to adopt the configuration of this embodiment while suppressing such loss, it is desirable that the luminous flux diameter of the excitation optical path and the size of the light source spot on the phosphor 9 are the following conditions. Incidentally, in the description below and the values focal length of f c divided by the beam diameter of the focusing lens unit 8 and F-number, although the beam diameter is described by substituting the F-number, because as follows is there.
本実施例における集光レンズユニット8の焦点距離はfc=15mmであるが、集光レンズユニット8の焦点距離は設計自由度がある。このため、照明光学系中の各光学素子の有効径が大きい場合はその分焦点距離を比例倍して、取り込み角度を維持したまま蛍光光の光束径を大きくしてもよい。この場合、集光レンズの焦点距離に比例して励起光の光束径も変化してしまうが、各光束径を集光レンズの焦点距離で除することにより、光束径を一般化できるので計算上都合が良い。 Focal length of the condensing lens unit 8 in this embodiment is a f c = 15 mm, the focal length of the condenser lens unit 8 may design freedom. Therefore, when the effective diameter of each optical element in the illumination optical system is large, the focal length may be proportionally multiplied to increase the luminous flux diameter of the fluorescent light while maintaining the capture angle. In this case, the luminous flux diameter of the excitation light changes in proportion to the focal length of the condenser lens, but the luminous flux diameter can be generalized by dividing each luminous flux diameter by the focal length of the condenser lens, so that the calculation is performed. convenient.
本実施例における集光レンズユニット8からの白色光束の光束径をDphos=30mmとすると、fc=15mmであるためにFナンバーは、 When the beam diameter of the white light beam from the condenser lens unit 8 in this embodiment and D phos = 30 mm, F-number in order to be f c = 15 mm, the
である。一方、マイクロレンズアレイ63からの励起光の光束径をDLD=15mmするとFナンバーは、 Is. On the other hand, when the luminous flux diameter of the excitation light from the microlens array 63 is D LD = 15 mm, the F number becomes
である。 Is.
つまり、本実施例においては、図7(a)に示すように蛍光光が集光レンズユニット8によって集光される光路である蛍光光路のFナンバーに対して、励起光が蛍光体9に集光される光路である励起光路のFナンバーは大きい。 That is, in this embodiment, as shown in FIG. 7A, the excitation light is collected in the phosphor 9 with respect to the F number of the fluorescent optical path, which is the optical path in which the fluorescent light is condensed by the condenser lens unit 8. The F number of the excitation optical path, which is the optical path to be illuminated, is large.
仮に、蛍光光路のFナンバーと励起光路のFナンバーがほぼ等しい場合を考える。この場合は図7(b)に示すように、集光レンズユニット8からの非変換光の全てあるいはほとんどがダイクロイックミラー7によって反射されて照明光学系に導かれずに損失が増大するため好ましくない。したがって、図7(a)に示す関係であることが好ましい。 Suppose that the F number of the fluorescence optical path and the F number of the excitation optical path are almost equal. In this case, as shown in FIG. 7B, all or most of the unconverted light from the condenser lens unit 8 is reflected by the dichroic mirror 7 and is not guided to the illumination optical system, which is not preferable because the loss increases. Therefore, the relationship shown in FIG. 7A is preferable.
より好ましくは、条件式(2)で定義される蛍光光路のFナンバーをFphosとし、条件式(3)で定義される蛍光光路のFナンバーをFLDとするとき、光源光学系は、 More preferably, the F-number of the fluorescent light path defined by the conditional expression (2) and F phos, when the conditional expression (3) fluorescence light path F-number of which is defined by the F LD, the light source optical system,
を満足するとよい。 You should be satisfied.
条件式(4)の下限値を逸脱することは励起光路のFナンバーFLDを大きくする、つまり励起光の光束径DLDを小さくすることを意味する。励起光の光束径DLDを小さくしすぎると、前述の通り第2のレンズ面アレイ62に形成される光源像の大きさがレンズセルのピッチよりも大きくなって光利用効率が低下するため好ましくない。 Is to increase the F-number F LD excitation optical path going beyond the lower limit of conditional expression (4), that means to reduce the beam diameter D LD excitation light. When the beam diameter D LD excitation light is too small, preferably to lower the light use efficiency size of the light source image formed as described above the second lens surface array 62 is larger than the pitch of the lens cells Absent.
一方、条件式(4)の上限値を逸脱することは、蛍光光路のFナンバーFphosと励起光路のFナンバーFLDが近くなること意味し、この場合は図7(b)に示したように損失が増大するために好ましくない。 On the other hand, as going beyond the upper limit of conditional expression (4) means that the F-number F LD with F-number F phos fluorescence light path excitation light path are close, in this case shown in FIG. 7 (b) It is not preferable because the loss increases.
また、本実施例においては8個のLDをユニット化したものを計4ユニット、つまり計32個のLDを光源として用いており、蛍光体9上に形成される光源スポットは1辺約1.0〜1.5mmの略正方形形状である。これは、前述の通り蛍光体9上の光源スポットの光密度が高くなると、輝度飽和現象によって光変換効率が下がる、あるいは蛍光体9がより早く劣化してしまうためである。 Further, in this embodiment, a total of 4 units of 8 LDs are used as a light source, that is, a total of 32 LDs are used as a light source, and the light source spot formed on the phosphor 9 is about 1. It has a substantially square shape of 0 to 1.5 mm. This is because, as described above, when the light density of the light source spot on the phosphor 9 becomes high, the light conversion efficiency decreases due to the luminance saturation phenomenon, or the phosphor 9 deteriorates faster.
仮に蛍光体9上の光源像を小さくする、つまりレンズアレイのピッチをさらに小さくすると、レンズセルに形成される光源像の大きさは変わらずに、対応するレンズセルの外形が相対的に小さくなるので前述の光利用効率の低下が生じるために好ましくない。 If the light source image on the phosphor 9 is made smaller, that is, the pitch of the lens array is made smaller, the size of the light source image formed in the lens cell does not change, and the outer shape of the corresponding lens cell becomes relatively small. Therefore, it is not preferable because the above-mentioned decrease in light utilization efficiency occurs.
上記の関係を考慮して励起光路のFナンバーをFLD、光源スポットの1辺の長さをdphosとすると、光源光学系は下記の条件式を満足することが好ましい。 F-number F LD excitation optical path in consideration of the above relationship, when the length of one side of the light source spot and d phos, the light source optical system preferably satisfies the following conditional expression.
上記の条件式(5)は、本実施例のように励起光路のFナンバーFLDが1.0の場合には光源スポットの面積が1.0mm2よりも大きい方が好ましいことを意味している。これは、前述の通り蛍光体9上の光源スポットの光密度の増大によって光変換効率の低下といった問題が生じるためである。 The above conditional expression (5) means that when the F number FLD of the excitation optical path is 1.0 as in this embodiment, the area of the light source spot is preferably larger than 1.0 mm 2. There is. This is because, as described above, an increase in the light density of the light source spot on the phosphor 9 causes a problem such as a decrease in light conversion efficiency.
さらに条件式(5)は、光源スポットの面積が1.0mm2よりも大きい場合には、励起光路のFナンバーFLDを大きくする、つまり励起光の光束径DLDを小さくすることを意味する。これにより、ダイクロイックミラー7の面積を小さくして集光レンズユニット8からの非変換光をより多く照明光学系に導くことが可能となる。 Further conditional expression (5), when the area of the light source spot is greater than 1.0 mm 2, the larger the F-number F LD excitation light path, that is meant to reduce the beam diameter D LD excitation light .. This makes it possible to reduce the area of the dichroic mirror 7 and guide more unconverted light from the condenser lens unit 8 to the illumination optical system.
ただし、励起光の光束径DLDを小さくしすぎる、つまり励起光路のFナンバーFLDを大きくしすぎると、条件式(5)の下限値を逸脱してしまう。励起光の光束径DLDを小さくしすぎると前述の通り第2のレンズ面アレイ62に形成される光源像の大きさがレンズセルのピッチよりも大きくなって光利用効率が低下するため好ましくない。 However, the beam diameter D LD excitation light is too small, that is, when the F-number F LD excitation optical path too large, thereby deviate the lower limit of the condition (5). Undesirably lowers the light utilization efficiency size of the light source image formed with the light flux diameter D LD excitation light too small as previously described second lens plane array 62 is larger than the pitch of the lens cells ..
ただし、光源スポットの面積が大きすぎると点光源としての性能が低下してしまう。さらに励起光路のFナンバーFLDが小さすぎる、つまり励起光の光束径DLDが大きすぎるとダイクロイックミラー7が大型化してしまい、集光レンズユニット8からの非変換光を照明光学系に導くことが困難になってしまう。このため、光源光学系は、 However, if the area of the light source spot is too large, the performance as a point light source deteriorates. Further F-number F LD excitation optical path is too small, i.e. when the beam diameter D LD excitation light is too large dichroic mirror 7 is increased in size, to guide the non-converted light from the condenser lens unit 8 to the illumination optical system Becomes difficult. Therefore, the light source optical system is
を満足するとより好ましい。 Is more preferable.
本実施例では、条件式(5)を満たすことで光源スポットの大きさと励起光のFナンバーFLD、つまり励起光の光束径DLDとを適切な関係に設定している。これにより、蛍光体9上の光源スポットの光密度による影響を抑制しつつ、ダイクロイックミラー7の大型化を抑制することで、集光レンズユニット8からの非変換光をより多く照明光学系に導くことが可能となる。さらに、励起光の光束径DLDを小さくしすぎることによって第2レンズ面アレイ63上の光源像が大きくなって光利用効率が低下することを抑制することが可能となる。 In this embodiment, the set condition of the light source spot by satisfying (5) the size and the excitation light of the F-number F LD, i.e. the beam diameter D LD excitation light to the appropriate relationship. As a result, while suppressing the influence of the light density of the light source spot on the phosphor 9, the enlargement of the dichroic mirror 7 is suppressed, so that more unconverted light from the condenser lens unit 8 is guided to the illumination optical system. It becomes possible. Furthermore, light utilization efficiency becomes a light source image on the second lens surface array 63 is large by too small a beam diameter D LD of the excitation light can be suppressed from being lowered.
なお、本発明の数値実施例は下記の通りである。 Numerical examples of the present invention are as follows.
〔第2実施例〕
図8は本発明の第2実施例としての光源装置の構成を示す図である。前述の第1実施例と本実施例との違いは、ダイクロイックミラー7の構成と、ダイクロイックミラー7に対する集光レンズユニット8および蛍光体9の位置関係である。
[Second Example]
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a light source device as a second embodiment of the present invention. The difference between the first embodiment and the present embodiment is the configuration of the dichroic mirror 7 and the positional relationship between the condenser lens unit 8 and the phosphor 9 with respect to the dichroic mirror 7.
前述の第1実施例におけるダイクロイックミラー7は、光源1からの励起光を反射して蛍光体9からの蛍光光を透過させる特性のダイクロイック面71と、波長によらずに光を透過させる透過面72とを備えた構成だった。 The dichroic mirror 7 in the first embodiment described above has a dichroic surface 71 having a characteristic of reflecting excitation light from a light source 1 and transmitting fluorescent light from a phosphor 9, and a transmitting surface that transmits light regardless of wavelength. It was a configuration with 72.
一方、本実施例におけるダイクロイックミラー7は、光源1からの励起光を透過させて蛍光体9からの蛍光光を反射する特性のダイクロイック面73と、波長によらずに光を反射する反射面74を備えた構成である。このような構成のダイクロイックミラー7を用いる場合には、光源1からの光束を進む方向にダイクロイックミラー7、集光レンズユニット8、蛍光体9が並んでいる必要がある。 On the other hand, the dichroic mirror 7 in this embodiment has a dichroic surface 73 having a characteristic of transmitting excitation light from the light source 1 and reflecting fluorescent light from the phosphor 9, and a reflecting surface 74 that reflects light regardless of wavelength. It is a configuration equipped with. When the dichroic mirror 7 having such a configuration is used, the dichroic mirror 7, the condenser lens unit 8, and the phosphor 9 need to be arranged in the direction in which the light flux from the light source 1 travels.
このような構成であっても、励起光用の光源とは別に青色光を設けなくても白色光束を照明光学系に導くことが可能となり、小型な光源光学系を実現することができる。さらに、マイクロレンズアレイ63によって蛍光体9の光変換効率の低下を抑制することができる。 Even with such a configuration, it is possible to guide the white luminous flux to the illumination optical system without providing blue light separately from the light source for excitation light, and a compact light source optical system can be realized. Further, the microlens array 63 can suppress a decrease in the light conversion efficiency of the phosphor 9.
〔第3実施例〕
図9は第1実施例で示した光源光学系および光源装置を搭載したプロジェクター(投射型表示装置)の構成を示す図である。
[Third Example]
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a projector (projection type display device) equipped with the light source optical system and the light source device shown in the first embodiment.
100は第1実施例で示した光源装置である。もちろん、第2実施例で示した光源装置を図9中の光源装置100として用いても良い。 Reference numeral 100 denotes a light source device shown in the first embodiment. Of course, the light source device shown in the second embodiment may be used as the light source device 100 in FIG.
200は光源装置100からの光束を用いて後述の液晶パネル20(光変調素子)を照明する照明光学系である。照明光学系200は、第3のフライアイレンズ13a、第4のフライアイレンズ13b、偏光変換素子14、コンデンサーレンズ15を備えている。 Reference numeral 200 denotes an illumination optical system that illuminates the liquid crystal panel 20 (light modulation element) described later using the light flux from the light source device 100. The illumination optical system 200 includes a third fly-eye lens 13a, a fourth fly-eye lens 13b, a polarization conversion element 14, and a condenser lens 15.
光源装置100からの光束は第3のフライアイレンズ13aによって複数の光束に分割して第4のフライアイレンズ13bと偏光変換素子14との間に光源像を形成する。偏光変換素子14は入射した光束の偏光方向を所定の方向に揃えるように構成されており、偏光変換素子14からの光束はコンデンサーレンズ15によって色分離合成部300に導かれる。 The luminous flux from the light source device 100 is divided into a plurality of luminous fluxes by the third fly-eye lens 13a to form a light source image between the fourth fly-eye lens 13b and the polarization conversion element 14. The polarization conversion element 14 is configured to align the polarization directions of the incident light flux in a predetermined direction, and the light flux from the polarization conversion element 14 is guided to the color separation / combining unit 300 by the condenser lens 15.
色分離合成部300は、偏光板16、ダイクロイックミラー17、波長選択性位相差板18、赤色用液晶パネル20r、緑色用液晶パネル20g、青色用液晶パネル20bを備えており、各液晶パネル20r、20g、20bをまとめて液晶パネル20とする。さらに、赤色用λ/4板19r、緑色用λ/4板19g、青色用λ/4板19b、第1の偏光ビームスプリッター21a、第2の偏光ビームスプリッター21b、合成プリズム22を備えている。赤色用λ/4板19r、緑色用λ/4板19g、青色用λ/4板19bをまとめてλ/4板19とする。また、色分離合成部300のうち液晶パネル20を除く部分を色分離合成系とする。 The color separation / synthesizing unit 300 includes a polarizing plate 16, a dichroic mirror 17, a wavelength-selective retardation plate 18, a red liquid crystal panel 20r, a green liquid crystal panel 20g, and a blue liquid crystal panel 20b. 20g and 20b are collectively referred to as a liquid crystal panel 20. Further, it includes a red λ / 4 plate 19r, a green λ / 4 plate 19g, a blue λ / 4 plate 19b, a first polarization beam splitter 21a, a second polarization beam splitter 21b, and a composite prism 22. The red λ / 4 plate 19r, the green λ / 4 plate 19g, and the blue λ / 4 plate 19b are collectively referred to as the λ / 4 plate 19. Further, the portion of the color separation / synthesis unit 300 excluding the liquid crystal panel 20 is used as the color separation / synthesis system.
偏光板16は偏光変換素子14によって整えられた偏光方向の光のみを透過する偏光板であり、ダイクロイックミラー17によって偏光板16からの光のうち青色光および赤色光は第2の偏光ビームスプリッター21bの方向に導かれる。一方、緑色光は第1の偏光ビームスプリッター21aの方向に導かれる。 The polarizing plate 16 is a polarizing plate that transmits only light in the polarization direction prepared by the polarization conversion element 14, and blue light and red light among the light from the polarizing plate 16 by the dichroic mirror 17 are the second polarization beam splitter 21b. Is guided in the direction of. On the other hand, the green light is directed in the direction of the first polarization beam splitter 21a.
第1の偏光ビームスプリッター21aおよび第2の偏光ビームスプリッター21bは偏光方向に応じてダイクロイックミラー17からの光を液晶パネル20に導くとともに、液晶パネル20からの光を合成プリズム22へ導くように構成されている。また、λ/4板19は、液晶パネル20での反射による往復においてλ/2の位相差を与えることで、検光効果を高める作用を有する。 The first polarization beam splitter 21a and the second polarization beam splitter 21b are configured to guide the light from the dichroic mirror 17 to the liquid crystal panel 20 and the light from the liquid crystal panel 20 to the synthesis prism 22 according to the polarization direction. Has been Further, the λ / 4 plate 19 has an effect of enhancing the light detection effect by giving a phase difference of λ / 2 in the round trip due to reflection by the liquid crystal panel 20.
合成プリズム22は、第2の偏光ビームスプリッター21aからの青色光および赤色光と、第2の偏光ビームスプリッター21bからの緑色光を合成して投射光学系23へ導く。 The synthetic prism 22 synthesizes blue light and red light from the second polarizing beam splitter 21a and green light from the second polarizing beam splitter 21b and guides them to the projection optical system 23.
このような構成により、図8に示すプロジェクターはカラー画像をスクリーン等の被投射面に投射することが可能となる。 With such a configuration, the projector shown in FIG. 8 can project a color image onto a projected surface such as a screen.
なお、光源装置100、照明光学系200、色分離合成部300、投射光学系23の互いの位置関係は図8に示す関係でなくてもよい。具体的には、図8においては集光レンズユニット8の光軸、コンデンサーレンズ15の光軸、液晶パネル20の面法線、投射レンズ23の光軸の全てが同一の面内に存在している。しかしながら、必ずしも各軸は同一の面内に存在している必要はなく、ミラーなどを用いて軸によって存在する面が異なるように適宜変更してもよい。 The positional relationship between the light source device 100, the illumination optical system 200, the color separation / combining unit 300, and the projection optical system 23 does not have to be the relationship shown in FIG. Specifically, in FIG. 8, the optical axis of the condenser lens unit 8, the optical axis of the condenser lens 15, the surface normal of the liquid crystal panel 20, and the optical axis of the projection lens 23 all exist in the same plane. There is. However, each axis does not necessarily have to exist in the same plane, and may be appropriately changed so that the existing plane differs depending on the shaft using a mirror or the like.
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although the preferred examples of the present invention have been described above, it goes without saying that the present invention is not limited to these examples, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist thereof.
(他の実施形態)
前述の各実施例においては、マイクロレンズアレイ63の凹レンズ5側の面が第1のレンズ面アレイ61であり、ダイクロイックミラー7側の面が第2のレンズ面アレイ62である構成を例示した。このような構成は、両レンズ面アレイの相対的なズレを抑制することができるために好ましい。
(Other embodiments)
In each of the above-described embodiments, the configuration in which the surface of the microlens array 63 on the concave lens 5 side is the first lens surface array 61 and the surface on the dichroic mirror 7 side is the second lens surface array 62 is illustrated. Such a configuration is preferable because the relative displacement of both lens surface arrays can be suppressed.
しかしながら、本発明は上記の構成に限定されず、マイクロレンズアレイ63の代わりに、凹レンズ5側から順に第1のレンズ面アレイ61を備える第1のフライアイレンズと、第2のレンズ面アレイ62を備える第2のフライアイレンズを設けても良い。この場合は硝子成型時の体積を減じることができるので、成型時間を短縮できる。 However, the present invention is not limited to the above configuration, and instead of the microlens array 63, a first fly-eye lens including a first lens surface array 61 in order from the concave lens 5 side and a second lens surface array 62. A second fly-eye lens may be provided. In this case, the volume at the time of glass molding can be reduced, so that the molding time can be shortened.
また、前述の各実施例においては詳細に述べていないが、光源1とコリメータレンズ2は別々の保持部材に保持されていても、同一の保持部材に保持されていてもよい。例えば、8個の光源1と8枚のコリメータレンズ2が一体となったLDバンクを用いても良い。 Further, although not described in detail in each of the above-described embodiments, the light source 1 and the collimator lens 2 may be held by separate holding members or may be held by the same holding member. For example, an LD bank in which eight light sources 1 and eight collimator lenses 2 are integrated may be used.
また、前述の各実施例で示した平面ミラー4の代わりにプリズムを用いて放物面ミラーアレイ3からの光束を凹レンズ5に導いても良い。 Further, instead of the plane mirror 4 shown in each of the above-described embodiments, a prism may be used to guide the light flux from the parabolic mirror array 3 to the concave lens 5.
また、前述の各実施例では第1のレンズ面アレイ61によって第2のレンズ面アレイ62上に光源像が形成される構成を例示したが、光源像が第2のレンズ面アレイ62の近傍に形成されればよい。言い換えれば、光源像は第2のレンズ面アレイ62と蛍光体9との間あるいは、第2のレンズ面アレイ62とダイクロイックミラー7との間に形成されればよい。 Further, in each of the above-described embodiments, the configuration in which the light source image is formed on the second lens surface array 62 by the first lens surface array 61 is illustrated, but the light source image is in the vicinity of the second lens surface array 62. It only needs to be formed. In other words, the light source image may be formed between the second lens surface array 62 and the phosphor 9, or between the second lens surface array 62 and the dichroic mirror 7.
また、前述の各実施例においては高反射率のアルミ基板上に蛍光体層を塗布した蛍光体9の構成を例示したが、より具体的には円形のアルミ基板上に周方向に連続して蛍光体層を塗布したホイールをモーターによって回転させる構成であってもよい。このような構成によって蛍光体層上の光源1からのレーザー光が集光する位置が変わり、蛍光体層の劣化を抑制することが可能となる。 Further, in each of the above-described embodiments, the configuration of the phosphor 9 in which the phosphor layer is coated on the aluminum substrate having high reflectance is illustrated, but more specifically, it is continuously continuous in the circumferential direction on the circular aluminum substrate. A wheel coated with a phosphor layer may be rotated by a motor. With such a configuration, the position where the laser light from the light source 1 is focused on the phosphor layer changes, and deterioration of the phosphor layer can be suppressed.
また、前述の各実施例では、導光面としてダイクロイック面71を設けた構成を例示したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。複数の光源1からの光束を所定の偏光方向に揃え、ダイクロイック面71の代わりに導光面として偏光分離面を設けた構成等であってもよい。蛍光体9からの光束は偏光方向が乱れた状態で出射するため、偏光分離面では光源1からの光束と波長が同じ光束も照明光学系に導くことが可能となる。 Further, in each of the above-described embodiments, a configuration in which a dichroic surface 71 is provided as a light guide surface is illustrated, but the present invention is not limited to such a configuration. The light fluxes from the plurality of light sources 1 may be aligned in a predetermined polarization direction, and a polarization separation surface may be provided as a light guide surface instead of the dichroic surface 71. Since the luminous flux from the phosphor 9 is emitted in a state where the polarization direction is disturbed, it is possible to guide the luminous flux having the same wavelength as the luminous flux from the light source 1 to the illumination optical system on the polarization separation surface.
1 光源
8 集光レンズユニット(集光光学系)
9 蛍光体(波長変換素子)
61 第1のレンズ面アレイ
62 第2のレンズ面アレイ
71 ダイクロイック面(導光面)
1 Light source 8 Condensing lens unit (condensing optical system)
9 Fluorescent material (wavelength conversion element)
61 First lens surface array 62 Second lens surface array 71 Dichroic surface (light guide surface)
Claims (7)
複数の第1のレンズ面を備える第1のレンズ面アレイと、
複数の第2のレンズ面を備え、前記第1のレンズ面アレイからの光束を受光する第2のレンズ面アレイと、
前記第2のレンズ面アレイからの光束を前記波長変換素子に導くとともに、正のパワーを有する集光光学系と、
前記第2のレンズ面アレイからの光束を、前記集光光学系を介して前記波長変換素子に導く導光面を備え、
前記第2のレンズ面アレイからの光束の光束径は、前記集光光学系から前記導光面に導かれる光束の光束径よりも小さく、
前記集光光学系の焦点距離を前記第2のレンズ面アレイから前記導光面に導かれる光束の光束径で除した値を励起光路のFナンバーFLD 、前記波長変換素子上に形成される光源スポットの1辺の長さをdphosとするとき、
を満足することを特徴とする光源光学系。 A light source optical system that guides the luminous flux from a light source to a wavelength conversion element.
A first lens plane array with a plurality of first lens planes,
A second lens surface array having a plurality of second lens surfaces and receiving a light flux from the first lens surface array,
A condensing optical system that guides the luminous flux from the second lens surface array to the wavelength conversion element and has positive power,
A light guide surface for guiding a light flux from the second lens surface array to the wavelength conversion element via the condensing optical system is provided.
The luminous flux diameter of the light flux from the second lens surface array is smaller than the luminous flux diameter of the light flux guided from the condensing optical system to the light guide surface.
F-number F LD of the light converging optical system divided by the beam diameter of the light beam guided to the focal length to the light guide surface from said second lens surface array excitation light path of, is formed on the wavelength converting element When the length of one side of the light source spot is dphos ,
A light source optical system characterized by satisfying.
を満足することを特徴とする請求項2に記載の光源光学系。 The fluorescent light path F-number F phos, the F-number of the excitation light path when the F LD,
The light source optical system according to claim 2, wherein the light source optical system is characterized in that.
前記導光面は、前記光源からの光束を反射して前記波長変換素子に導くとともに、前記波長変換素子からの光束のうち前記光源からの光束とは波長が異なる光束を前記光源とは異なる方向に透過させるダイクロイック面であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光源光学系。 Further comprising a light guide element having the light guide surface and a transmission surface for transmitting the light flux from the wavelength conversion element regardless of the wavelength.
The light guide surface reflects the luminous flux from the light source and guides it to the wavelength conversion element, and the luminous flux from the wavelength conversion element having a wavelength different from that from the light source is in a direction different from that of the light source. light source optical system according to any one of claims 1 to 3, wherein the dichroic surface der Turkey for transmitting to.
前記導光面は、前記光源からの光束を透過させて前記波長変換素子に導くとともに、前記波長変換素子からの光束のうち前記光源からの光束とは波長が異なる光束を反射して前記光源とは異なる方向に導くダイクロイック面であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光源光学系。 A light guide element having the light guide surface and a reflection surface that reflects the light flux from the wavelength conversion element regardless of the wavelength is further provided.
The light guide surface transmits the luminous flux from the light source and guides it to the wavelength conversion element, and reflects the luminous flux from the wavelength conversion element whose wavelength is different from that from the light source to the light source. light source optical system according to any one of claims 1 to 3, wherein the dichroic surface der Turkey leading to different directions.
をさらに満足することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光源光学系。
Further satisfaction to the light source optical system according to any one of claims 1 to 5, wherein the Turkey.
前記光源からの光束の進行方向に設けられた正レンズと、
前記波長変換素子と、
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の光源光学系と、
光変調素子と、
前記光源光学系からの光束を用いて前記光変調素子を照明する照明光学系と、
前記光源光学系からの光束を前記光変調素子に導くとともに、前記光変調素子からの光束を投射光学系に導く色分離合成系を備えることを特徴とする投射型表示装置。 With the light source
A positive lens provided in the traveling direction of the luminous flux from the light source and
With the wavelength conversion element
The light source optical system according to any one of claims 1 to 6 .
Light modulation element and
An illumination optical system that illuminates the light modulation element using a luminous flux from the light source optical system,
Wherein the light beam from the light source optical system and guides the light modulation element, a projection type display device comprising a benzalkonium comprises a color separating and synthesizing system for guiding the projection optical system the light beam from the optical modulator.
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