JP2002062588A - Smoothing optical element and illumination optical system - Google Patents

Smoothing optical element and illumination optical system

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JP2002062588A
JP2002062588A JP2000252122A JP2000252122A JP2002062588A JP 2002062588 A JP2002062588 A JP 2002062588A JP 2000252122 A JP2000252122 A JP 2000252122A JP 2000252122 A JP2000252122 A JP 2000252122A JP 2002062588 A JP2002062588 A JP 2002062588A
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JP
Japan
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optical system
smoothing element
face
light
light beam
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Application number
JP2000252122A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshito Soma
祥人 相馬
Shigeru Sawamura
滋 澤村
Katsuhiro Takamoto
勝裕 高本
Yuichiro Otoshi
祐一郎 大利
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Minolta Co Ltd
Original Assignee
Minolta Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the formation of a shape by the chipping at the edge of an exit end face of a columnar smoothing element which smoothes the intensity distribution of an exit luminous flux by reflecting an incident optical flux at its flank and the foreign matter on the exit end face and to make the F-number of the exit luminous flux larger than the F-number of the incident optical flux. SOLUTION: The smoothing element is composed of a packing section made of glass and a cylindrical hollow section continuous therewith and is so formed as to totally reflect the luminous flux at the flank of the packing section and to reflect the luminous flux at the flank on the inner side of the hollow section as well. The end face of the packing section is formed as an incident end face and the end face of the hollow section as the exit end face, by which the possibility of the occurrence of the chipping at the exit end face and the adhesion of the foreign matter thereto is completely obviated. The F-number of the exit luminous flux is increased by providing the flank with a microstructure to make the reflection angle larger than the incident angle.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光束の強度分布を
平滑化する平滑化光学素子、および平滑化光学素子を備
えた照明光学系に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a smoothing optical element for smoothing the intensity distribution of a light beam, and an illumination optical system having the smoothing optical element.

【0002】[0002]

【従来の技術】LCD(Liquid Crystal Display:液晶
表示器)、DMD(Digital Micromirror Device:デジ
タルマイクロミラー素子)等の表示素子に照明光を導
き、表示素子に表示した映像によって照明光を変調し
て、変調後の光を投射光学系で投射することによりスク
リーン上に映像を表示する投射型映像表示装置がある。
投射型映像表示装置では、明るさにむらのない映像を提
供するために、強度分布が均一な光束で表示素子を照明
する必要がある。ところが、一般に、光源から射出され
る光束の強度は、中央部で高く周辺部で低くなり、均一
な分布にはならない。このため、照明光を表示素子に供
給する照明光学系には、光源からの光束の強度分布を平
滑化(均一化)するための平滑化光学系が備えられる。
2. Description of the Related Art Illumination light is guided to a display element such as an LCD (Liquid Crystal Display) or a DMD (Digital Micromirror Device), and the illumination light is modulated by an image displayed on the display element. There is a projection-type image display device that displays an image on a screen by projecting light after modulation by a projection optical system.
In a projection-type image display device, it is necessary to illuminate a display element with a light beam having a uniform intensity distribution in order to provide an image with uniform brightness. However, generally, the intensity of the light beam emitted from the light source is high at the center and low at the peripheral portions, and does not have a uniform distribution. For this reason, the illumination optical system that supplies illumination light to the display element includes a smoothing optical system for smoothing (uniformizing) the intensity distribution of the light flux from the light source.

【0003】平滑化光学系にはいくつかの方式がある
が、インテグレータロッドと呼ばれるものが最も簡素な
構成であり、多用されている。インテグレータロッドは
透明な角柱状の素子で、一端面(入射端面)に収束光を
与えられ、入射した光束を側面で全反射して他端面(出
射端面)に導いて、発散光として出射させる。側面での
全反射の回数は入射端面への入射角に応じて異なり、出
射端面上のどの部位にも様々な反射回数の光が到来す
る。すなわち、出射端面では入射前の光束の中央部の光
と周辺部の光が混じり合うことになり、これにより光束
の強度分布が均一になる。
There are several types of smoothing optical systems, and the so-called integrator rod has the simplest configuration and is frequently used. The integrator rod is a transparent prismatic element that is provided with convergent light on one end face (incident end face), totally reflects the incident light beam on the side face, guides it to the other end face (emission end face), and emits it as divergent light. The number of times of total reflection on the side surface varies depending on the angle of incidence on the incident end face, and light having various numbers of reflections arrives at any position on the exit end face. In other words, the light at the central portion and the light at the peripheral portion of the light beam before incidence are mixed at the exit end face, whereby the intensity distribution of the light beam becomes uniform.

【0004】出射端面より出射する光束に含まれる光が
インテグレータロッドの光軸(入射端面の中心と出射端
面の中心を結ぶ直線)に対して成す角は、入射前の各光
が光軸に対して成す角と等しい。したがって、出射端面
の同一点から出た光は光軸に対する角度の違いにより分
離することになり、出射端面上で均一になった強度分布
は出射端面から離れるほど不均一になってしまう。
The angle formed by the light contained in the light beam emitted from the exit end face with respect to the optical axis of the integrator rod (a straight line connecting the center of the incident end face and the center of the exit end face) is as follows. Angle equal to Therefore, light emitted from the same point on the exit end face is separated due to a difference in angle with respect to the optical axis, and the uniform intensity distribution on the exit end face becomes more non-uniform as the distance from the exit end face increases.

【0005】そこで、インテグレータロッドは、出射端
面と表示素子とを共役な関係にして、出射端面から出た
光束を表示素子を含む平面上に結像させるリレー光学系
と組み合わせて使用される。出射端面の同一点から出た
光は、光軸に対する角度にかかわらず、表示素子の同一
点に入射することになり、これにより表示素子上でも光
束の強度分布は均一になる。
[0005] Therefore, the integrator rod is used in combination with a relay optical system that forms a conjugate relationship between the emission end face and the display element and forms an image of a light beam emitted from the emission end face on a plane including the display element. Light emitted from the same point on the emission end face is incident on the same point on the display element regardless of the angle with respect to the optical axis, whereby the intensity distribution of the light beam becomes uniform on the display element.

【0006】明るい映像を表示するために、インテグレ
ータロッドには強度の高い光束が与えられる。このた
め、インテグレータロッドは耐熱性に優れたガラスで作
製される。ところが、このようなガラスは機械的衝撃に
弱いため、インテグレータロッドのエッジには欠けが生
じ易い。出射端面のエッジに欠けが生じると、出射端面
と表示素子が共役な位置関係にあるため、その欠けが表
示素子上で明確な影を形成してしまう。この影は投射さ
れたスクリーン上でも明確な影となって現れることにな
る。
[0006] In order to display a bright image, the integrator rod is given a high intensity light beam. Therefore, the integrator rod is made of glass having excellent heat resistance. However, since such glass is vulnerable to mechanical shock, the edge of the integrator rod is likely to be chipped. If the edge of the emission end face is chipped, the chip forms a clear shadow on the display element because the emission end face and the display element are in a conjugate positional relationship. This shadow will appear as a clear shadow on the projected screen.

【0007】この不都合を解消する方法として提案され
ている構成を図10に示す。図10において、71はイ
ンテグレータロッド、72は光源である。光源72は、
ランプ72aとリフレクタ72bより成る。リフレクタ
72bは回転楕円面鏡であり、その第1焦点にランプ7
2aが配置されている。インテグレータロッド71は、
その入射端面71aがリフレクタ72bの第2焦点上に
位置するように配置されており、光源72からの収束光
を与えられる。
FIG. 10 shows a configuration proposed as a method for solving this inconvenience. In FIG. 10, 71 is an integrator rod, and 72 is a light source. The light source 72
It comprises a lamp 72a and a reflector 72b. The reflector 72b is a spheroidal mirror, and has a lamp 7 at its first focal point.
2a is arranged. The integrator rod 71
The incident end face 71a is arranged so as to be located on the second focal point of the reflector 72b, and receives convergent light from the light source 72.

【0008】出射端面71bには出射端面71bよりも
小さい開口を有するマスク73が備えられており、出射
端面71bから出る光束のうち周辺部はマスク73によ
って遮られる。マスク73の開口の大きさは表示素子の
大きさに対応するように設定されており、マスク73を
通過した光束は表示素子の全面に結像する。したがっ
て、出射端面71bのエッジに欠けがあっても、表示素
子上に影を形成することはない。
[0010] A mask 73 having an opening smaller than the emission end face 71 b is provided on the emission end face 71 b, and a peripheral portion of the light flux emitted from the emission end face 71 b is blocked by the mask 73. The size of the opening of the mask 73 is set so as to correspond to the size of the display element, and the light beam passing through the mask 73 forms an image on the entire surface of the display element. Therefore, even if the edge of the emission end face 71b is chipped, no shadow is formed on the display element.

【0009】LCD、DMD等の表示素子による照明光
の変調は、照明光のF数が大きいほど、すなわち照明光
が平行光線に近いほど、効率および精度がよい。また、
変調後の光束を投射するための投射光学系は、光束のF
数が大きいほど口径を小さくすることができる。このた
め、リレー光学系はF数の大きな光束を表示素子に導く
ように設定されており、リレー光学系が取り込み得る光
束のF数には実質的に下限が存在する。
The efficiency and accuracy of modulation of illumination light by a display element such as an LCD or DMD increases as the F-number of the illumination light increases, that is, as the illumination light approaches parallel rays. Also,
The projection optical system for projecting the modulated light beam has the F
The larger the number, the smaller the caliber can be. For this reason, the relay optical system is set so as to guide a light beam having a large F number to the display element, and the F number of the light beam that can be captured by the relay optical system has a substantially lower limit.

【0010】表示素子を明るく照明するためには、イン
テグレータロッドからの光束を表示素子のみに導き、表
示素子の傍らを通過する部分がないようにしなければな
らない。したがって、リレー光学系には、表示素子の大
きさとインテグレータロッドの出射端面の大きさの比で
定まる倍率をもたせる必要がある。しかし、取り込み得
る光束のF数に下限があるため、リレー光学系の倍率を
あまり自由に設定することはできず、その結果、インテ
グレータロッドの出射端面の大きさには上限が生じる。
In order to brightly illuminate the display element, the light beam from the integrator rod must be guided only to the display element so that there is no portion passing beside the display element. Therefore, the relay optical system needs to have a magnification determined by the ratio of the size of the display element to the size of the exit end face of the integrator rod. However, since there is a lower limit to the F number of the light beam that can be captured, the magnification of the relay optical system cannot be set very freely, and as a result, the upper limit is imposed on the size of the exit end face of the integrator rod.

【0011】一方、インテグレータロッドから出射する
光束のF数は、インテグレータロッドに入射する前の光
束、つまり光源が射出する光束のF数に等しい。ところ
が、光源が射出する光束のF数を大きくすると、光束全
体をインテグレータロッドに入射させるためには、光源
からインテグレータロッドまでの距離を大きくする必要
が生じて、構成が大型化する。
On the other hand, the F number of the light beam emitted from the integrator rod is equal to the F number of the light beam before entering the integrator rod, that is, the F number of the light beam emitted from the light source. However, if the F number of the light beam emitted from the light source is increased, it is necessary to increase the distance from the light source to the integrator rod in order to make the entire light beam incident on the integrator rod, and the configuration becomes large.

【0012】また、高出力の光源は、発光部が大きいた
め収束性能があまり高くなく、収束位置においても光束
径は大きい。したがって、明るい映像を表示するために
高出力の光源を使用すると、光源からの光束全体をイン
テグレータロッドに入射させることができなくなって光
量損失が生じてしまう。
A high-output light source has a large light-emitting portion and thus does not have very high convergence performance, and has a large light beam diameter even at the convergence position. Therefore, if a high-output light source is used to display a bright image, the entire light flux from the light source cannot be incident on the integrator rod, and a light amount loss occurs.

【0013】出射端面の大きさに上限があるという制約
のもとで、光源からの光束をできるだけ多くインテグレ
ータロッドに入射させる方法として、図11に示すよう
に、インテグレータロッドを、入射端面側で幅が広く出
射端面側で幅の狭いテーパー状とすることが提案されて
いる。このようにすると、光源72をインテグレータロ
ッド71から大きく離間させなくてもF数の大きな光束
全体をインテグレータロッドに入射させることができる
し、収束性能の低い高出力の光源からの光束全体を入射
させることもできる。
Under the restriction that there is an upper limit to the size of the exit end face, as a method of causing the light flux from the light source to enter the integrator rod as much as possible, as shown in FIG. It has been proposed to form a tapered shape having a large width at the emission end face side. In this way, the entire light beam with a large F number can be made incident on the integrator rod without causing the light source 72 to be largely separated from the integrator rod 71, and the entire light beam from a high-output light source with low convergence performance can be made incident. You can also.

【0014】また、インテグレータロッドから出射する
光束のF数を光源からの光束のF数よりも大きくする方
法として、図12に示すように、インテグレータロッド
を、入射端面側で幅が狭く中央部で幅の広いテーパー部
を有する形状とすることが提案されている。この構成で
は、インテグレータロッド71に入射した光はテーパー
部の側面で全反射されるごとに光軸に対して平行に近づ
いていき、出射する光束のF数は大きくなる。
As a method of making the F-number of the light beam emitted from the integrator rod larger than the F-number of the light beam from the light source, as shown in FIG. It has been proposed to adopt a shape having a wide taper portion. In this configuration, each time the light incident on the integrator rod 71 is totally reflected by the side surface of the tapered portion, the light approaches parallel to the optical axis, and the F number of the emitted light flux increases.

【0015】明るい映像を表示するために、光源を2つ
備えることも提案されている。この構成を図13に示
す。2つの光源72はインテグレータロッド71の光軸
に関して対称に配置されており、いずれも光軸に対して
斜めの方向から光束をインテグレータロッド71に与え
る。
It has also been proposed to provide two light sources to display a bright image. This configuration is shown in FIG. The two light sources 72 are arranged symmetrically with respect to the optical axis of the integrator rod 71, and both supply a light beam to the integrator rod 71 from a direction oblique to the optical axis.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】インテグレータロッド
の出射端面にマスクを備える図10の構成は、出射端面
のエッジの欠けが表示素子上に影を形成するのを防止す
ることができる。しかし、インテグレータロッドから出
射する光束の一部をマスクで遮るため、光量損失が生じ
ることは避けられない。しかも、出射端面では強度分布
が均一になっているため失われる光量は多く、明るい映
像を表示するために好ましい構成とはいえない。さら
に、エッジの欠けだけでなく、出射端面に付着した埃等
の異物も表示素子上に明確な影を形成するが、図10の
構成では異物の影を防止することはできない。
The configuration shown in FIG. 10 in which the mask is provided on the emission end face of the integrator rod can prevent the lack of the edge of the emission end face from forming a shadow on the display element. However, since a part of the light beam emitted from the integrator rod is blocked by the mask, it is inevitable that a light amount loss occurs. In addition, since the intensity distribution is uniform at the exit end face, a large amount of light is lost, which is not a preferable configuration for displaying a bright image. Further, not only chipping of the edge but also foreign matter such as dust attached to the emission end face forms a clear shadow on the display element. However, the configuration of FIG. 10 cannot prevent the shadow of the foreign matter.

【0017】インテグレータロッドをテーパー状にした
図11の構成では、光源からの光束全体をインテグレー
タロッドに入射させることは可能である。しかし、光は
側面で反射させるごとに光軸に対する角度が大きくなっ
ていくから、出射する光束のF数は光源からの光束のF
数よりも小さくなり、リレー光学系に取り込まれない光
が生じる。このため、明るい映像を表示する効果は少な
い。
In the configuration shown in FIG. 11 in which the integrator rod is tapered, it is possible to cause the entire light beam from the light source to enter the integrator rod. However, since the angle of the light beam with respect to the optical axis increases each time the light is reflected by the side surface, the F number of the emitted light beam is equal to the F number of the light beam from the light source.
Light that is smaller than the number and is not taken into the relay optical system occurs. Therefore, the effect of displaying a bright image is small.

【0018】図12のテーパー部を有するインテグレー
タロッドでは、出射する光束のF数を光源からの光束の
F数よりも大きくすることは可能であるものの、入射端
面が小さくなるため、光源の収束性能がよくないと光量
損失が生じる。すなわち、入射端面からではなくテーパ
ー部の側面から入射する光が生じ、この光は入射時の屈
折により光軸に対する角度が大きくなって、出射後はリ
レー光学系に取り込まれなくなる。したがって、明るい
映像を表示するために高出力の光源を使用しても、その
性能を十分に生かすことができなくなる。
In the integrator rod having a tapered portion shown in FIG. 12, although the F number of the emitted light beam can be made larger than the F number of the light beam from the light source, the convergence performance of the light source is reduced because the incident end face becomes smaller. If it is not good, light quantity loss occurs. That is, light is incident not from the incident end face but from the side face of the tapered portion, and the angle of this light with respect to the optical axis becomes large due to refraction at the time of incidence, and is not taken into the relay optical system after emission. Therefore, even if a high-output light source is used to display a bright image, its performance cannot be fully utilized.

【0019】図13のように、光源を2つ備える構成
は、明るい映像を表示するのに有効である。しかし、各
光源はインテグレータロッドの光軸に対して斜めの方向
から光束を与えるため、出射する光束のF数が光源の離
間方向について小さくなり、リレー光学系に取り込まれ
ない光が生じる。このため、光源を1つ備える構成の2
倍の明るさの映像を表示することはできない。
As shown in FIG. 13, the configuration having two light sources is effective for displaying a bright image. However, since each light source gives a light beam from a direction oblique to the optical axis of the integrator rod, the F number of the emitted light beam becomes smaller in the direction away from the light source, and light that is not taken into the relay optical system occurs. For this reason, 2 of the configuration provided with one light source
It is not possible to display an image with twice the brightness.

【0020】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、出射端面のエッジの欠けや出射端面に付着
した異物の影響のない平滑化素子、および出射後の光束
のF数を入射前の光束のF数よりも大きくし得る平滑化
素子を提供することを目的とする。また、照明対象面に
影を形成することのない照明光学系、および光量損失の
少ない照明光学系を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and has a smoothing element which is not affected by chipping of an edge of an emission end face or a foreign substance attached to the emission end face, and an F number of a light flux after emission. It is an object of the present invention to provide a smoothing element that can be made larger than the F number of a light beam before incidence. It is another object of the present invention to provide an illumination optical system that does not form a shadow on a surface to be illuminated and an illumination optical system with a small loss of light amount.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、柱状の外形を有し、一端面より入射す
る光束を側面で反射して他端面に導き、強度分布が平滑
化した光束として出射させる平滑化素子を、透光性の材
料で充たされ、側面で光を全反射する柱状の充填部と、
充填部に連なり、内側を向いた側面で光を反射する筒状
の中空部とで構成する。
According to the present invention, in order to achieve the above object, the present invention has a columnar outer shape and reflects a light beam incident from one end face to a side face and guides it to the other end face, thereby smoothing the intensity distribution. A smoothing element that emits as a light beam, filled with a translucent material, and a column-shaped filling portion that totally reflects light on the side surface;
It is composed of a cylindrical hollow portion that is continuous with the filling portion and reflects light on the side facing inward.

【0022】この平滑化素子は、従来のインテグレータ
ロッドと同様の充填部に、中空部を付加した構成であ
る。この平滑化素子は、光束を充填部側から入射させて
中空部側から出射させる形態で使用することができる。
この使用形態では、中空部の縁で囲まれた空気の範囲が
平滑化素子の出射端面となり、ここに異物が付着するこ
とはないし、そのエッジに欠けが生じることもない。し
たがって、出射端面から出射する光束を結像させるリレ
ー光学系と組み合わせても、結像面上に異物や欠けの影
が生じるおそれがない。逆に、光束を中空部側から入射
させて充填部側から出射させる形態で使用してもよい。
This smoothing element has a configuration in which a hollow portion is added to a filling portion similar to the conventional integrator rod. This smoothing element can be used in a form in which a light beam is made incident from the filling portion side and emitted from the hollow portion side.
In this use mode, the area of the air surrounded by the edge of the hollow portion becomes the emission end face of the smoothing element, and no foreign matter adheres to the smoothing element, and chipping does not occur at the edge. Therefore, even when combined with a relay optical system that forms an image of a light beam emitted from the emission end face, there is no possibility that a shadow of a foreign substance or a chip will occur on the image formation surface. Conversely, it may be used in a form in which a light beam is made incident from the hollow part side and emitted from the filling part side.

【0023】本発明では、また、柱状の外形を有し、一
端面より入射する光束を側面で反射して他端面に導き、
強度分布が平滑化した光束として出射させる平滑化素子
において、側面の少なくとも一部が、反射角を入射角よ
りも大きくする微細構造を有するものとする。
According to the present invention, a light beam having a columnar outer shape, which is incident from one end face, is reflected by the side face and guided to the other end face,
In the smoothing element that emits a light beam having a smoothed intensity distribution, at least a part of the side surface has a fine structure that makes the reflection angle larger than the incident angle.

【0024】光は微細構造を有する側面で反射されるご
とに、平滑化素子の光軸に対して平行に近づいていく。
したがって、テーパー状の外形とすることなく、出射す
る光束のF数を入射する光束のF数よりも大きくするこ
とができる。
Each time light is reflected by the side surface having the fine structure, it approaches parallel to the optical axis of the smoothing element.
Therefore, the F number of the outgoing light beam can be made larger than the F number of the incoming light beam without having a tapered outer shape.

【0025】前記目的を達成するために、本発明ではま
た、充填部と中空部とを備える上記の平滑化素子と、平
滑化素子の一端面近傍を収束位置とする光束を平滑化素
子に与える光源と、平滑化素子の他端面から出射する光
束を平面上に結像させるリレー光学系とで照明光学系を
構成する。平滑化素子は充填部が光源側に位置するよう
に配置することも、中空部が光源側に位置するように配
置することもできる。
In order to achieve the above object, the present invention also provides the above-described smoothing element having a filling portion and a hollow portion, and a light beam having a converging position near one end face of the smoothing element to the smoothing element. An illumination optical system is configured by a light source and a relay optical system that forms a light flux emitted from the other end surface of the smoothing element on a plane. The smoothing element may be arranged so that the filling portion is located on the light source side, or may be arranged such that the hollow portion is located on the light source side.

【0026】充填部が光源側に、中空部がリレー光学系
側に位置するように平滑化素子を配置すると、光束を充
填部側から平滑化素子に入射させて中空部側から出射さ
せる形態となり、照明対象面である平面に平滑化素子の
出射端面のエッジの欠けや異物の影のない照明光を導く
ことができる。
When the smoothing element is arranged so that the filling portion is located on the light source side and the hollow portion is located on the relay optical system side, a light beam enters the smoothing element from the filling portion side and is emitted from the hollow portion side. In addition, it is possible to guide the illuminating light to the flat surface to be illuminated without chipping of the edge of the emission end face of the smoothing element and shadow of the foreign matter.

【0027】この配置では、平滑化素子の全長をL0、
平滑化素子の中空部の長さをL1、平滑化素子の充填部
の幅をd、平滑化素子の充填部の屈折率をn、光源が平
滑化素子に与える光束のF数をF1で表すとき、式1〜
式3の関係を満たすようにするとよい。 d・(4・n2・F12−1)1/2≦L0≦10・d・(4・n2・F12−1)1/2 …式1 (1/4)・d・(4・n2・F12−1)1/2≦L1≦(1/2)・L0 …式2 0.8≦F1≦2.0 …式3
In this arrangement, the total length of the smoothing element is L0,
The length of the hollow part of the smoothing element is represented by L1, the width of the filling part of the smoothing element is represented by d, the refractive index of the filling part of the smoothing element is represented by n, and the F number of the light beam given to the smoothing element by the light source is represented by F1. When Equation 1
It is preferable to satisfy the relationship of Expression 3. d · (4 · n 2 · F1 2 -1) 1/2 ≦ L0 ≦ 10 · d · (4 · n 2 · F1 2 -1) 1/2 ... Formula 1 (1/4) · d · ( 4 · N 2 · F 1 2 -1) 1/2 ≤ L 1 ≤ (1/2) · L 0 ... Equation 2 0.8 ≤ F 1 ≤ 2.0 ... Equation 3

【0028】式1は、光源からの光束の最外部の光が、
平滑化素子の側面で1回以上かつ10回以下反射される
ことを保証する。式2は、中空部がある程度以上の長さ
を有するが、平滑化素子の全長の半分以下であることを
規定する。式3は、一般的な光源からの光束のF数の範
囲を示す。これらの式を満たすことで、光束の強度分布
の平滑化と照明対象面に影を生じさせないことを実現し
つつ、中空部の側面での不完全な反射による光量損失を
抑えることができる。
Equation 1 shows that the outermost light of the light flux from the light source is
It is ensured that the light is reflected once or more and not more than 10 times on the side surface of the smoothing element. Equation 2 stipulates that the hollow portion has a certain length or more, but not more than half of the entire length of the smoothing element. Equation 3 shows the range of the F number of a light beam from a general light source. By satisfying these expressions, it is possible to suppress the light amount loss due to incomplete reflection on the side surface of the hollow portion while realizing the smoothing of the intensity distribution of the light beam and the prevention of the shadow on the illumination target surface.

【0029】平滑化素子の側面の少なくとも一部が、反
射角を入射角よりも大きくする微細構造を有する構成と
するとよい。光源からの光束のF数が小さくても、平滑
化素子を出射した光束のF数を大きくすることができ
て、光束全体をリレー光学系に取り込ませることが容易
になる。反射角を入射角よりも大きくする微細構造とし
ては、例えば回折格子がある。
It is preferable that at least a part of the side surface of the smoothing element has a fine structure that makes the reflection angle larger than the incident angle. Even if the F number of the light beam from the light source is small, the F number of the light beam emitted from the smoothing element can be increased, and the entire light beam can be easily taken into the relay optical system. As a microstructure for making the reflection angle larger than the incident angle, for example, there is a diffraction grating.

【0030】平滑化素子の微細構造を有する側面は、充
填部の側面であってもよいし、中空部の側面であっても
よい。
The side surface having the fine structure of the smoothing element may be the side surface of the filling portion or the side surface of the hollow portion.

【0031】前記目的を達成するために、本発明ではさ
らに、側面の少なくとも一部が反射角を入射角よりも大
きくする微細構造を有する前述の平滑化素子と、平滑化
素子の一端面近傍を収束位置とする光束を平滑化素子に
与える光源と、平滑化素子の他端面から出射する光束を
平面上に結像させるリレー光学系とで照明光学系を構成
する。
In order to achieve the above object, the present invention further provides a smoothing element as described above, wherein at least a part of the side surface has a fine structure that makes the reflection angle larger than the incident angle, and the vicinity of one end face of the smoothing element. An illumination optical system is composed of a light source that supplies a light beam at a converging position to the smoothing element and a relay optical system that forms a light beam emitted from the other end surface of the smoothing element on a plane.

【0032】この照明光学系では、平滑化素子から出射
する光束のF数を光源からの光束のF数よりも大きくす
ることができて、光束全体をリレー光学系に取り込ませ
ることが容易になる。また、リレー光学系の倍率を高め
て、平滑化素子の出射端面と入射端面とを大きくするこ
とが可能になり、光源として収束性能の低い高出力のも
のを使用しても、その光源からの光束全体を容易に平滑
化素子に入射させることができる。
In this illumination optical system, the F-number of the light beam emitted from the smoothing element can be made larger than the F-number of the light beam from the light source, and the entire light beam can be easily taken into the relay optical system. . Also, by increasing the magnification of the relay optical system, it is possible to increase the output end face and the input end face of the smoothing element, and even if a light source having a low convergence performance and a high output is used, the light from the light source can be reduced. The entire light beam can be easily incident on the smoothing element.

【0033】ここで、平滑化素子の全長をL0、平滑化
素子の側面の微細構造を有する部位の長さをL2、平滑
化素子の幅をd、平滑化素子の屈折率をn、光源が平滑
化素子に与える光束のF数をF1、リレー光学系が取り
込み得る光束の最小のF数をF2で表すとき、式4〜式
6の関係を満たすようにするとよい。 d・(4・n2・F22−1)1/2≦L0≦10・d・(4・n2・F22−1)1/2 …式4 (1/4)・d・(4・n2・F12−1)1/2≦L2≦L0 …式5 0.8≦F2≦2.0 …式6
Here, the total length of the smoothing element is L0, the length of the side having the fine structure on the side surface of the smoothing element is L2, the width of the smoothing element is d, the refractive index of the smoothing element is n, and the light source is When the F number of the light beam given to the smoothing element is represented by F1 and the minimum F number of the light beam that can be captured by the relay optical system is represented by F2, it is preferable to satisfy the relations of Expressions 4 to 6. d · (4 · n 2 · F 2 2 −1) 1/2 ≦ L0 ≦ 10 · d · (4 · n 2 · F 2 2 −1) 1/2 Equation 4 (1/4) · d · (4 · N 2 · F 1 2 -1) 1/2 ≤ L2 ≤ L0 ... Equation 5 0.8 ≤ F2 ≤ 2.0 ... Equation 6

【0034】式4は、リレー光学系が取り込む光束の最
外部の光が、平滑化素子の側面で1回以上かつ10回以
下反射されたものであることを保証する。式5は、側面
の微細構造を有する部位の長さが、光源からの光束の最
外部の光を1回反射する長さの1/4以上であることを
規定する。また、式6は一般的なリレー光学系が取り込
み得る光束のF数の範囲を示す。これらの式を満たすこ
とで、光束の強度分布を平滑化しつつ、光束全体をリレ
ー光学系に入射させることを実現することができる。
Equation 4 guarantees that the outermost light of the light beam taken in by the relay optical system is reflected at least once and at most 10 times on the side surface of the smoothing element. Equation 5 specifies that the length of the portion having the fine structure on the side surface is equal to or more than 1 / of the length of once reflecting the outermost light of the light flux from the light source. Equation 6 shows the range of the F number of the light beam that can be captured by a general relay optical system. By satisfying these equations, it is possible to realize that the entire light beam is incident on the relay optical system while smoothing the intensity distribution of the light beam.

【0035】平滑化素子の側面が反射角を入射角よりも
大きくする微細構造を有する照明光学系では、光源を2
つ以上備えて、各光源が平滑化素子の一端面の中心と他
端面の中心を結ぶ直線に対して斜めの方向から、平滑化
素子に光束を与える構成としてもよい。光源が平滑化素
子の光軸に対して斜め方向から光束を与えると、そのF
数は小さくなるが、平滑化素子は微細構造によりF数を
大きくすることができるから、光束全体をリレー光学系
に取り込ませることが可能である。
In an illumination optical system having a fine structure in which the side surface of the smoothing element makes the reflection angle larger than the incident angle, the light source is
It is also possible to provide a configuration in which each light source provides a light flux to the smoothing element from a direction oblique to a straight line connecting the center of the one end face and the center of the other end face of the smoothing element. When the light source gives a light beam obliquely to the optical axis of the smoothing element, the F
Although the number decreases, the F number can be increased by the fine structure of the smoothing element, so that the entire light beam can be taken into the relay optical system.

【0036】この場合、平滑化素子の側面には、平滑化
素子の一端面の中心と他端面の中心を結ぶ直線と光源と
を含む平面に対して垂直な平面が含まれており、この平
面のみが微細構造を有する構成としてもよい。F数の小
さい方向だけに微細構造を設けることになり、平滑化素
子の作製が容易になる。
In this case, the side surface of the smoothing element includes a plane perpendicular to a plane including a straight line connecting the center of one end face of the smoothing element and the center of the other end face and the light source. Only one of them may have a fine structure. Since the fine structure is provided only in the direction in which the F number is small, the manufacture of the smoothing element becomes easy.

【0037】また、少なくとも1対の光源が、平滑化素
子の一端面の中心と他端面の中心を結ぶ直線に関して互
いに逆の方向から、平滑化素子に光束を与える構成とす
ることもできる。すなわち、対を成す光源を、平滑化素
子の光軸を含む平面上に、かつ光軸に関して反対側に配
置することができる。
Also, at least one pair of light sources may be configured to apply a light beam to the smoothing element from directions opposite to each other with respect to a straight line connecting the center of the one end face and the center of the other end face of the smoothing element. That is, the paired light sources can be arranged on a plane including the optical axis of the smoothing element and on the opposite side with respect to the optical axis.

【0038】[0038]

【発明の実施の形態】以下、本発明の平滑化光学素子お
よび照明光学系の実施形態について、図面を参照しなが
ら説明する。第1の実施形態の照明光学系1の要部を図
1に示す。照明光学系1は、平滑化素子11、光源1
2、およびリレー光学系(不図示)を備えている。光源
12は、ランプ12aとリフレクタ12bより成る。リ
フレクタ12bは回転楕円面鏡であり、その第1焦点に
ランプ12aが配置されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a smoothing optical element and an illumination optical system according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a main part of an illumination optical system 1 according to the first embodiment. The illumination optical system 1 includes a smoothing element 11, a light source 1,
2, and a relay optical system (not shown). The light source 12 includes a lamp 12a and a reflector 12b. The reflector 12b is a spheroidal mirror, and the lamp 12a is disposed at the first focal point.

【0039】平滑化素子11は、断面が長方形の四角柱
状であり、充填部11fと中空部11eより成る。充填
部11fは透明なガラス製であり、ガラス材料で充たさ
れている。中空部11eもガラス製であるが、内部はガ
ラス材料で充たされておらず、筒状である。充填部11
fと中空部11eは連続しており、中空部11eの内側
の側面11c’は、充填部11fの側面11cの延長上
にある。中空部11eの側面11c’の全体には反射膜
が設けられている。
The smoothing element 11 has a rectangular column shape with a rectangular cross section, and includes a filling portion 11f and a hollow portion 11e. The filling portion 11f is made of transparent glass and is filled with a glass material. Although the hollow portion 11e is also made of glass, the inside is not filled with a glass material and has a cylindrical shape. Filling section 11
f and the hollow portion 11e are continuous, and the inner side surface 11c 'of the hollow portion 11e is on the extension of the side surface 11c of the filling portion 11f. A reflection film is provided on the entire side surface 11c 'of the hollow portion 11e.

【0040】充填部11fの2つの端面11a、11b
は側面11cに対して垂直である。端面11aの中心と
端面11bの中心を結ぶ直線を平滑化素子11の光軸A
xという。平滑化素子11は、光軸Axがリフレクタ1
2bの光軸(回転軸)に一致し、かつ、充填部11の端
面11aがリフレクタ12bの第2焦点上に位置するよ
うに配置されている。充填部11fの端面11aが平滑
化素子11の入射端面であり、中空部11eの端部の縁
で囲まれた空気のみが存在する面11dが平滑化素子1
1の出射端面である。
The two end surfaces 11a and 11b of the filling portion 11f
Is perpendicular to the side surface 11c. A straight line connecting the center of the end face 11a and the center of the end face 11b is defined as the optical axis A of the smoothing element 11.
It is called x. The smoothing element 11 is such that the optical axis Ax is
It is arranged so as to coincide with the optical axis (rotation axis) of 2b and the end face 11a of the filling portion 11 is located on the second focal point of the reflector 12b. The end face 11a of the filling portion 11f is the entrance end face of the smoothing element 11, and the face 11d where only air surrounded by the edge of the end of the hollow section 11e exists is the smoothing element 1
1 is an emission end face.

【0041】ランプ12aが発した光はリフレクタ12
bによって反射され、充填部11fの端面11aの中心
を収束位置とする収束光束となって、充填部11fに入
射する。端面11aより充填部11fに入射した光束に
含まれる光は、側面11cで全反射されながら端面11
bに達し、これを透過して中空部11eに入る。中空部
11eに入った光は、側面11c’で反射されながら中
空部11の端面11dに達し、平滑化素子11より発散
光束として出射する。
The light emitted from the lamp 12a is reflected by the reflector 12
b, and becomes a convergent light flux having the center of the end face 11a of the filling portion 11f as a converging position and enters the filling portion 11f. The light included in the light beam incident on the filling portion 11f from the end face 11a is totally reflected by the side face 11c while being reflected on the end face 11c.
b, and penetrates into the hollow portion 11e. The light entering the hollow portion 11e reaches the end face 11d of the hollow portion 11 while being reflected by the side surface 11c ', and is emitted from the smoothing element 11 as a divergent light beam.

【0042】端面11dのどの部位にも側面11c、1
1c’による反射の回数が異なる様々な光が達して、強
度分布が不均一であった光源12からの光束は、端面1
1d上では強度分布が平滑化された光束となる。端面1
1dより出射した光束は、不図示のリレー光学系によっ
て、端面11dと共役な平面上に結像させられる。この
平面が照明対象面であり、照明対象面は、端面11dと
相似形でリレー光学系の倍率に応じた大きさの範囲を均
一に照明されることになる。
The side surface 11c, 1
Various light beams having different numbers of reflections by 1c ′ arrive, and the light beam from the light source 12 having the non-uniform intensity distribution
On 1d, the light flux has a smoothed intensity distribution. End face 1
The light beam emitted from 1d is imaged by a relay optical system (not shown) on a plane conjugate with the end face 11d. This plane is the surface to be illuminated, and the surface to be illuminated has a shape similar to that of the end face 11d and is uniformly illuminated in a range of a size corresponding to the magnification of the relay optical system.

【0043】充填部11fのエッジには欠けが生じ易い
が、たとえ端面11bのエッジに欠けがあったとして
も、端面11bは照明対象面と共役ではないから、照明
対象面に欠けの影は現れない。また、端面11bに埃等
の異物が付着しても、同じ理由で、照明対象面に異物の
影は現れない。出射端面11dには空気が存在するのみ
で、ここに異物が付着したり欠けが生じたりすることは
ないから、照明対象面に影が形成される可能性はない。
The edge of the filling portion 11f is easily chipped, but even if the edge of the end face 11b is chipped, the end face 11b is not conjugate to the surface to be illuminated. Absent. Even if foreign matter such as dust adheres to the end face 11b, no shadow of the foreign matter appears on the illumination target surface for the same reason. Since only air is present on the emission end face 11d, there is no possibility that foreign matter will adhere or chip there, and there is no possibility that a shadow will be formed on the illumination target surface.

【0044】平滑化素子11は、次の式1〜式3の関係
を満たすように設定するのが好ましい。 d・(4・n2・F12−1)1/2≦L0≦10・d・(4・n2・F12−1)1/2 …式1(再掲) (1/4)・d・(4・n2・F12−1)1/2≦L1≦(1/2)・L0 …式2(再掲) 0.8≦F1≦2.0 …式3(再掲)
The smoothing element 11 is preferably set so as to satisfy the following equations (1) to (3). d · (4 · n 2 · F 1 2 -1) 1/2 ≦ L0 ≦ 10 · d · (4 · n 2 · F 1 2 -1) 1/2 Equation 1 (represented) (1/4) · d · (4 · n 2 · F1 2 -1) 1/2 ≤ L1 ≤ (1/2) · L0 ... Equation 2 (reprinted) 0.8 ≤ F1 ≤ 2.0 ... Equation 3 (reprinted)

【0045】ここで、L0は充填部11fと中空部11
eを含む平滑化素子11の全長、L1は中空部11eの
長さ、dは充填部11fの幅(太さ)、nは充填部11
fの屈折率、F1は光源12が平滑化素子11に与える
光束のF数である。
Here, L0 is the filling portion 11f and the hollow portion 11f.
e, the total length of the smoothing element 11 including e, L1 is the length of the hollow part 11e, d is the width (thickness) of the filling part 11f, and n is the filling part 11
The refractive index of f, F1, is the F number of the light beam provided by the light source 12 to the smoothing element 11.

【0046】式1は平滑化素子11の全長を規定するも
のである。光源12からの光束の最外部の光が1回も反
射されないほど短ければ、平滑化素子11は強度分布を
平滑化する機能を発揮できない。d・(4・n2・F12
1)1/2は、光源12からの光束の最外部の光が、端面
11aのエッジ付近に入射して、反対側の側面11cに
達するまでの光軸Ax方向の距離である。したがって、
左の不等号は、光源12からの光束の最外部の光が、端
面11aのどこに入射しても側面11c、11c’によ
って少なくとも1回反射されることを示す。これにより
平滑化機能が確保される。一方、最外部の光が10回も
反射されるほど長ければ、強度分布は十分に均一になる
から、平滑化素子11をそれ以上長くすることに意味は
ない。右の不等号は反射回数を10以下に抑えることを
示す。
Equation 1 defines the total length of the smoothing element 11. If the outermost light of the light beam from the light source 12 is short enough not to be reflected at all, the smoothing element 11 cannot exhibit the function of smoothing the intensity distribution. d ・ (4 ・ n 2・ F1 2
1) 1/2 is the distance in the direction of the optical axis Ax until the outermost light of the light flux from the light source 12 enters near the edge of the end face 11a and reaches the opposite side face 11c. Therefore,
The inequality sign on the left indicates that the outermost light of the light beam from the light source 12 is reflected at least once by the side surfaces 11c and 11c 'regardless of where the light enters the end face 11a. This ensures a smoothing function. On the other hand, if the outermost light is long enough to be reflected ten times, the intensity distribution becomes sufficiently uniform, and it is meaningless to make the smoothing element 11 longer than that. The inequality sign on the right indicates that the number of reflections is suppressed to 10 or less.

【0047】式2は中空部11eの長さを規定する。中
空部11があまり短ければ、充填部11fの端面11b
が照明対象面と共役な位置に近くなり、エッジの欠けや
異物の影が照明対象面に現れ易くなる。中空部11eの
長さが、最外部の光が少なくとも1回反射される距離の
1/4以上であれば、そのような事態は生じない。左の
不等号はこれを下限として定めたものものである。中空
部11eの側面11c’に設けられている反射膜は、高
い反射率を有するように設定されているが、光を全反射
する充填部11fの側面11cほど反射率は高くない。
したがって、中空部11eが長くなるほど光量損失が大
きくなる。右側の不等式は、これを避けるために、中空
部11eの長さを平滑化素子11の全長の半分以下に制
限することを示す。
Equation 2 defines the length of the hollow portion 11e. If the hollow portion 11 is too short, the end surface 11b of the filling portion 11f
Becomes closer to a position conjugate with the illumination target surface, and chipped edges and shadows of foreign substances easily appear on the illumination target surface. Such a situation does not occur if the length of the hollow portion 11e is equal to or more than 1 / of the distance at which the outermost light is reflected at least once. The inequality sign on the left sets this as the lower limit. Although the reflective film provided on the side surface 11c 'of the hollow portion 11e is set to have a high reflectance, the reflectance is not as high as the side surface 11c of the filling portion 11f that totally reflects light.
Therefore, the longer the hollow portion 11e, the greater the light amount loss. The inequality on the right indicates that the length of the hollow portion 11e is limited to less than half of the entire length of the smoothing element 11 to avoid this.

【0048】式3は一般的な光源が射出する光束のF数
の範囲を示す。したがって、光源12として特殊なもの
を使用しない限り、平滑化素子11が式1〜式3の関係
を満たす照明光学系1は、強度分布を平滑化することと
照明対象面に影を形成しないことを両立させつつ、平滑
化素子11内での光量損失をきわめて低く抑えることが
できる。
Equation 3 shows the range of the F number of the light beam emitted by a general light source. Therefore, unless a special light source is used as the light source 12, the illumination optical system 1 in which the smoothing element 11 satisfies the relations of Expressions 1 to 3 should smooth the intensity distribution and not form a shadow on the illumination target surface. And the loss of light quantity in the smoothing element 11 can be suppressed to an extremely low level.

【0049】第2の実施形態の照明光学系2の要部を図
2に示す。この照明光学系2は、上記の照明光学系1の
平滑化素子11に代えて、平滑化素子21を備えたもの
である。平滑化素子21は、平滑化素子11と同様に充
填部21fと中空部21eより成るが、向きを逆にして
配置されており、中空部21eの端部の縁で囲まれた端
面21dがリフレクタ12bの第2焦点上に位置する。
また、中空部21eの側面21c’の全体には、反射膜
が設けられているだけでなく、反射角を入射角よりも大
きくする微細構造が形成されている。この微細構造は、
バイナリ型、ブレーズ型等の回折格子である。
FIG. 2 shows a main part of the illumination optical system 2 according to the second embodiment. The illumination optical system 2 includes a smoothing element 21 instead of the smoothing element 11 of the illumination optical system 1 described above. Like the smoothing element 11, the smoothing element 21 includes a filling portion 21f and a hollow portion 21e, but is arranged in the opposite direction, and an end face 21d surrounded by an edge of an end of the hollow portion 21e is a reflector. 12b is located on the second focal point.
The entire side surface 21c 'of the hollow portion 21e is not only provided with a reflective film but also formed with a fine structure that makes the reflection angle larger than the incident angle. This microstructure is
It is a diffraction grating of a binary type or a blazed type.

【0050】端面21dより中空部21eに入射した光
束に含まれる光は、側面21c’で反射され、その微細
構造によって、光軸Axに対して平行に近づけられる。
この光は端面21bから充填部21fに入射し、側面2
1cで全反射されて端面21aに達する。端面21a上
での光束の強度分布は平滑化される。側面21c’で反
射されたことにより、端面21aから出射する光束のF
数は、端面21dに入射する前の光束のF数よりも大き
くなっている。したがって、リレー光学系としては、照
明光学系1のリレー光学系よりも、取り込み得る最小の
F数が小さいものを使用することができる。
The light contained in the light beam incident on the hollow portion 21e from the end face 21d is reflected by the side face 21c ', and is brought closer to the optical axis Ax by its fine structure.
This light enters the filling portion 21f from the end face 21b,
The light is totally reflected at 1c and reaches the end face 21a. The intensity distribution of the light beam on the end face 21a is smoothed. The F of the light beam emitted from the end face 21a is reflected by the side face 21c '.
The number is larger than the F number of the light beam before entering the end face 21d. Therefore, as the relay optical system, a relay optical system having a smaller minimum F-number than the relay optical system of the illumination optical system 1 can be used.

【0051】第3の実施形態の照明光学系3の要部を図
3に示す。この照明光学系3は、リレー光学系の倍率を
照明光学系2よりも高くするとともに、平滑化素子21
に代えて、充填部31fと中空部31eの幅を広くした
平滑化素子31を備えたものである。中空部31eの側
面31c’に反射角を入射角よりも大きくする微細構造
が形成されていることは同様である。
FIG. 3 shows a main part of the illumination optical system 3 of the third embodiment. The illumination optical system 3 has a magnification of the relay optical system higher than that of the illumination optical system 2 and a smoothing element 21.
Instead of this, a smoothing element 31 having a wider width between the filling portion 31f and the hollow portion 31e is provided. Similarly, a microstructure for increasing the reflection angle to the incident angle is formed on the side surface 31c 'of the hollow portion 31e.

【0052】微細構造により端面31aから出射する光
束のF数を大きくすることができるため、照射対象面へ
の光束のF数を保ったままでリレー光学系の倍率を高く
することが可能になっている。その結果、平滑化素子3
1の幅を広くして、出射端面31aと共に入射端面31
dを大きくすることも可能になっている。
Since the F number of the light beam emitted from the end face 31a can be increased by the fine structure, it is possible to increase the magnification of the relay optical system while maintaining the F number of the light beam to the irradiation target surface. I have. As a result, the smoothing element 3
1, the width of the incident end face 31 together with the exit end face 31a is increased.
It is also possible to increase d.

【0053】入射端面31dの大きい平滑化素子31を
備える照明光学系3では、光源12として収束性能が低
く収束位置での光束径の大きい高出力のものを使用して
も、その光束全体を平滑化素子31に入射させることが
できる。したがって、広い範囲を明るく照明することが
可能である。
In the illumination optical system 3 including the smoothing element 31 having a large incident end face 31d, even if a light source 12 having a low convergence performance and a high output having a large luminous flux diameter at the convergence position is used, the entire luminous flux is smoothed. Incident on the chemical element 31. Therefore, it is possible to brightly illuminate a wide range.

【0054】第4の実施形態の照明光学系4の要部を図
4に示す。この照明光学系4は、第2の実施形態の照明
光学系2に光源12を1つ追加したものである。図4に
おいて(a)、(b)は直交する2方向についての断面
図である。
FIG. 4 shows a main part of an illumination optical system 4 according to the fourth embodiment. This illumination optical system 4 is obtained by adding one light source 12 to the illumination optical system 2 of the second embodiment. 4A and 4B are cross-sectional views in two orthogonal directions.

【0055】2つの光源12は同一の構成であり、平滑
化素子21の光軸Axに関して対象に配置されている。
したがって、光源12は光軸Axに対して斜めの方向か
ら、光束を平滑化素子21に与える。平滑化素子21
は、4つの側面11cのうち対向する1組が、光軸Ax
とランプ12aを含む平面に対して垂直になり、他の1
組が平行になるように配置されている。
The two light sources 12 have the same configuration and are arranged symmetrically with respect to the optical axis Ax of the smoothing element 21.
Therefore, the light source 12 gives a light beam to the smoothing element 21 from a direction oblique to the optical axis Ax. Smoothing element 21
Of the four side surfaces 11c is such that the opposing set is the optical axis Ax
Perpendicular to the plane containing the lamp 12a and the other 1
The pairs are arranged in parallel.

【0056】この構成では、平滑化素子21に入射する
光源から光束のF数は、光源12の離間方向(図4のX
方向)について、これと直交する方向(図4のY方向)
の半分以下になる。しかし、中空部21eの側面21
c’に形成された微細構造によって出射する光束のF数
を大きくすることができるため、出射する光束の全体を
リレー光学系に取り込ませることが可能である。したが
って、光量損失はなく、光源12を2つ備えることの効
果が少しも減じることはない。
In this configuration, the F number of the light beam from the light source incident on the smoothing element 21 depends on the direction of separation of the light source 12 (X in FIG. 4).
Direction), a direction orthogonal to this (Y direction in FIG. 4)
Less than half. However, the side surface 21 of the hollow portion 21e
Since the F number of the emitted light beam can be increased by the fine structure formed in c ′, the entire emitted light beam can be taken into the relay optical system. Therefore, there is no light quantity loss, and the effect of providing two light sources 12 is not reduced at all.

【0057】なお、この構成では、反射角を入射角より
も大きくする微細構造を、中空部21eの4つの側面2
1c’全てに設ける必要はなく、光源12からの光束の
F数が小さい方向(X方向)に対して垂直な側面のみに
設ければよい。そのようにすると、平滑化素子21の作
製が容易になる上、出射する光束のF数を直交する2方
向について同程度にすることができる。
In this configuration, a fine structure that makes the reflection angle larger than the incident angle is formed by the four side surfaces 2 of the hollow portion 21e.
It is not necessary to provide it on all of 1c ', and it is sufficient to provide it only on the side surface perpendicular to the direction (X direction) where the F number of the light beam from the light source 12 is small. This makes it easy to manufacture the smoothing element 21 and makes it possible to make the F number of the emitted light beam the same in two orthogonal directions.

【0058】第5の実施形態の照明光学系5の要部を図
5に示す。この照明光学系5は、照明光学系4に光源1
2をさらに2つ追加したものである。図5において
(a)、(b)は直交する2方向についての断面図であ
る。
FIG. 5 shows a main part of an illumination optical system 5 according to the fifth embodiment. The illumination optical system 5 includes a light source 1
2 is obtained by adding two more. 5A and 5B are cross-sectional views in two orthogonal directions.

【0059】追加した2つの光源12は他の2つの光源
12を平滑化素子21の光軸Axに関して90°回転し
た位置に配置されている。反射角を入射角よりも大きく
する微細構造は4つの側面21c’全てに設けられてい
る。照明光学系5においても、平滑化素子21から出射
する光束全体をリレー光学系に取り込ませることが可能
であり、光量損失はない。
The added two light sources 12 are arranged at positions where the other two light sources 12 are rotated by 90 ° with respect to the optical axis Ax of the smoothing element 21. Microstructures that make the reflection angle larger than the incident angle are provided on all four side surfaces 21c '. Also in the illumination optical system 5, the entire light beam emitted from the smoothing element 21 can be taken into the relay optical system, and there is no light amount loss.

【0060】第6の実施形態の照明光学系6の要部を図
6に示す。この照明光学系6は、第4の実施形態の照明
光学系4の平滑化素子21に代えて、別の平滑化素子4
1を備えたものである。平滑化素子41は、ガラス製の
充填部のみを有し、その側面41cの一部41pに反射
角を入射角よりも大きくする微細構造が形成されてい
る。微細構造が形成されているのは、光源12の離間方
向に対して垂直な2つの側面だけである。
FIG. 6 shows a main part of an illumination optical system 6 according to the sixth embodiment. This illumination optical system 6 is different from the illumination optical system 4 of the fourth embodiment in that the smoothing element 21 is replaced with another smoothing element 4.
1 is provided. The smoothing element 41 has only a filling part made of glass, and a fine structure that makes the reflection angle larger than the incident angle is formed on a part 41p of the side surface 41c. The microstructure is formed only on the two side surfaces perpendicular to the direction in which the light source 12 is separated.

【0061】照明光学系6も、微細構造によって平滑化
素子41から出射する光束のF数を大きくすることがで
きる。このため、出射する光束全体をリレー光学系に取
り込ませることが可能であり、光量損失はない。
The illumination optical system 6 can also increase the F number of the light beam emitted from the smoothing element 41 by the fine structure. For this reason, the entire emitted light beam can be taken into the relay optical system, and there is no light amount loss.

【0062】平滑化素子41は、次の式4〜式6の関係
を満たすように設定するのが好ましい。 d・(4・n2・F22−1)1/2≦L0≦10・d・(4・n2・F22−1)1/2 …式4(再掲) (1/4)・d・(4・n2・F12−1)1/2≦L2≦L0 …式5(再掲) 0.8≦F2≦2.0 …式6(再掲)
It is preferable that the smoothing element 41 be set so as to satisfy the following equations (4) to (6). d · (4 · n 2 · F 2 2 -1) 1/2 ≦ L0 ≦ 10 · d · (4 · n 2 · F 2 2 −1) 1/2 Equation 4 (represented) (1/4) · d · (4 · n 2 · F 1 2 -1) 1/2 ≤ L 2 ≤ L 0 ... Equation 5 (represented) 0.8 ≤ F 2 ≤ 2.0 ... Equation 6 (represented)

【0063】ここで、L2は側面41cの微細構造を有
する部位41pの長さ、F2はリレー光学系が取り込み
得る光束の最小のF数である。また、L0、d、nはそ
れぞれ、前述のように、平滑化素子41の全長、幅、屈
折率である。なお、F1は2つの光源12が平滑化素子
41に与える光束全体のF数である。
Here, L2 is the length of the portion 41p having the fine structure of the side surface 41c, and F2 is the minimum F number of the light beam that can be captured by the relay optical system. L0, d, and n are the overall length, width, and refractive index of the smoothing element 41, respectively, as described above. Note that F1 is the F number of the entire light beam that the two light sources 12 give to the smoothing element 41.

【0064】式4は、平滑化素子41の全長を規定する
ものであり、リレー光学系に取り込まれる光束の最外部
の光が側面41cで1回以上かつ10回以下反射された
ものであることを示す。式5は、側面41cの微細構造
を有する部位41pの長さが、光源12からの光束の最
外部の光を少なくとも1回反射する長さの1/4以上で
あることを規定する。また、式6は一般的なリレー光学
系が取り込み得る光束のF数の範囲を示す。これらの式
を満たすことで、光束の強度分布を平滑化しつつ、光束
全体をリレー光学系に取り込ませることを実現すること
ができる。
Equation 4 defines the total length of the smoothing element 41, and the outermost light of the light beam taken into the relay optical system is reflected once or more and not more than 10 times on the side surface 41c. Is shown. Equation 5 specifies that the length of the portion 41p having the fine structure of the side surface 41c is equal to or more than 4 of the length of reflecting the outermost light of the light beam from the light source 12 at least once. Equation 6 shows the range of the F number of the light beam that can be captured by a general relay optical system. By satisfying these expressions, it is possible to realize that the entire light beam is taken into the relay optical system while smoothing the intensity distribution of the light beam.

【0065】なお、ここでは、入射端面41aに近い部
位に微細構造を設けているが、微細構造は、入射端面4
1aから出射端面41bまでの間のどこに設けてもよ
い。また、式5の右の等号が示すように、入射端面41
aから出射端面41bに至る全範囲にわたって微細構造
を設けるようにしてもよい。
Here, the fine structure is provided in a portion near the incident end face 41a.
It may be provided anywhere between 1a and the emission end face 41b. Also, as shown by the equal sign on the right side of Equation 5, the incident end face 41
A fine structure may be provided over the entire range from a to the emission end face 41b.

【0066】第7の実施形態の照明光学系7の要部を図
7に示す。この照明光学系7は、第4の実施形態の照明
光学系4の平滑化素子21の向きを逆にして、充填部2
1fの端面21aが光源12の第2焦点上に位置するよ
うにしたものである。微細構造は、中空部21eの4つ
の側面21c’のうち、2つの光源12の離間方向(X
方向)に対して垂直な側面のみに設けられている。
FIG. 7 shows a main part of an illumination optical system 7 according to the seventh embodiment. The illumination optical system 7 is configured such that the direction of the smoothing element 21 of the illumination optical system 4 of the fourth embodiment is reversed,
The end face 21a of 1f is located on the second focal point of the light source 12. The microstructure has a separation direction (X) between the two light sources 12 among the four side surfaces 21c 'of the hollow portion 21e.
Direction) is provided only on the side surface perpendicular to the direction.

【0067】照明光学系7は、2つの光源12からの光
束を全てリレー光学系に取り込ませることができるとい
う照明光学系4の特長に加えて、充填部21fの端面2
1bの異物やそのエッジの欠けの影が照射対象面に形成
されないという照明光学系1の特長も備えることにな
る。
The illumination optical system 7 has the feature of the illumination optical system 4 that all the light beams from the two light sources 12 can be taken into the relay optical system, as well as the end face 2 of the filling portion 21f.
The feature of the illumination optical system 1 is that the foreign matter 1b or the shadow of the chipped edge is not formed on the irradiation target surface.

【0068】第8の実施形態である投射型映像表示装置
8の構成を図8に示す。映像表示装置8は、第7の実施
形態の照明光学系7、平面ミラー51、2つのプリズム
52、53、表示素子54、および投射光学系55より
成る。照明光学系7には、平滑化素子21、光源12の
ほか、リレー光学系13を成す2つの凸レンズ13a、
13bが含まれている。
FIG. 8 shows the configuration of a projection type video display device 8 according to the eighth embodiment. The image display device 8 includes the illumination optical system 7, the plane mirror 51, the two prisms 52 and 53, the display element 54, and the projection optical system 55 of the seventh embodiment. The illumination optical system 7 includes a smoothing element 21, a light source 12, and two convex lenses 13 a forming a relay optical system 13.
13b is included.

【0069】ミラー51は、レンズ13a、13bの間
で、平滑化素子21からの光束を反射して、その光路を
折曲げる。ミラー51は全体構成を小型化するために備
えられたもので、省略することも可能である。
The mirror 51 reflects the light beam from the smoothing element 21 between the lenses 13a and 13b and bends the optical path. The mirror 51 is provided to reduce the size of the entire configuration, and may be omitted.

【0070】表示素子54は角度可変の微小なミラー素
片が2次元に多数配列されたDMDである。各ミラー素
片は、その角度に応じて、照明光を所定の2方向のいず
れかに択一的に反射する。個々のミラー素片を画素とし
て、各ミラー素片の角度を映像を表す信号に応じて制御
することにより、DMD上に映像が表示される。照明光
は2方向に反射されることにより変調され、一方の反射
光が映像を表す光となり、他方の反射光は不要光とな
る。
The display element 54 is a DMD in which a large number of minute mirror elements whose angles are variable are arranged two-dimensionally. Each mirror element selectively reflects the illumination light in one of two predetermined directions according to its angle. An image is displayed on the DMD by controlling the angle of each mirror element according to a signal representing the image, with each mirror element as a pixel. The illumination light is modulated by being reflected in two directions, one of which becomes light representing an image, and the other of which becomes unnecessary light.

【0071】2つのプリズム52、53は、照明光学系
7からの光を表示素子54に導くとともに、表示素子5
4からの映像を表す反射光を投射光学系55に導く。プ
リズム52、53は各々の対向する面52a、53aが
間に微小な間隙を形成するように配置されており、照明
光学系7からの光を面52aで全反射することにより表
示素子54に導き、表示素子54からの反射光を面52
aを透過させることにより投射光学系55に導く。
The two prisms 52 and 53 guide the light from the illumination optical system 7 to the display element 54 and
The reflected light representing the image from 4 is guided to the projection optical system 55. The prisms 52 and 53 are arranged such that the opposing surfaces 52a and 53a form a minute gap therebetween, and guide the light from the illumination optical system 7 to the display element 54 by totally reflecting the light from the surface 52a. The reflected light from the display element 54 is
The light is guided to the projection optical system 55 by transmitting a.

【0072】投射光学系55は、プリズム52、53を
透過した表示素子55からの映像を表す反射光を、図外
のスクリーンに向けて投射し、スクリーン上に結像させ
る。プリズム52、53は表示素子54からの不要光も
透過させるが、不要光は投射光学系55には向かわず、
捨てられる。
The projection optical system 55 projects the reflected light, which has passed through the prisms 52 and 53 and represents the image from the display element 55, toward a screen (not shown) and forms an image on the screen. Although the prisms 52 and 53 also transmit unnecessary light from the display element 54, the unnecessary light does not go to the projection optical system 55,
Discarded.

【0073】映像表示装置8でカラー映像を表示する場
合、赤色光、緑色光、青色光を選択的に透過させるカラ
ーフィルターを備えたカラーホイールを、平滑化素子2
1の入射端面または出射端面近傍に配置して、表示素子
54を照明する光を切り換えるようにする。また、表示
素子54には、映像の赤色成分、緑色成分、青色成分の
うち照明光に応じたものを、照明光の切り換えに同期し
て表示させるようにする。
When a color image is displayed on the image display device 8, a color wheel having a color filter for selectively transmitting red light, green light and blue light is mounted on the smoothing element 2.
The light is illuminated on the display element 54 by being arranged near one of the entrance end face or the exit end face. In addition, the display element 54 displays a red component, a green component, and a blue component of the image corresponding to the illumination light in synchronization with the switching of the illumination light.

【0074】平滑化素子21の出射端面21dと表示素
子54はリレー光学系13により共役な位置関係にあ
り、表示素子54は出射端面21dにおける強度分布と
同じ均一な強度分布の光束で、影なく照明される。しか
も、照明光学系7は光源12を2つ備えており、表示素
子54は明るく照明される。また、照明光のF数が大き
いため、映像を表す光と不要光は確実に分離され、表示
素子による変調の精度は高い。さらに、投射光学系55
に導かれる光束のF数も大きいから、投射光学系55と
しては口径の小さな小型のものを用いることができる。
このように、映像表示装置8は、小型の構成ながら、明
るく質の高い映像を提供することが可能である。
The output end face 21d of the smoothing element 21 and the display element 54 are in a conjugate positional relationship by the relay optical system 13, and the display element 54 is a light beam having the same uniform intensity distribution as the intensity distribution at the output end face 21d, without shadow. Illuminated. Moreover, the illumination optical system 7 includes two light sources 12, and the display element 54 is brightly illuminated. Further, since the F number of the illumination light is large, light representing an image and unnecessary light are reliably separated, and the modulation accuracy by the display element is high. Further, the projection optical system 55
Since the F number of the light flux guided to the projection optical system 55 is also large, a small projection optical system 55 having a small aperture can be used.
Thus, the image display device 8 can provide a bright and high-quality image despite its small size.

【0075】第9の実施形態である投射型映像表示装置
9の構成を図9に示す。映像表示装置9は、第7の実施
形態の照明光学系7、偏光分離(PBS)プリズム5
6、表示素子57、および投射光学系55より成る。
FIG. 9 shows the configuration of a projection display 9 according to a ninth embodiment. The image display device 9 includes the illumination optical system 7 and the polarization separation (PBS) prism 5 of the seventh embodiment.
6, a display element 57, and a projection optical system 55.

【0076】表示素子57は反射型のLCDであり、照
明光として与えられる直線偏光を、液晶層に表示した映
像によって部分的に90°回転させることにより、変調
する。
The display element 57 is a reflection type LCD, and modulates linearly polarized light given as illumination light by partially rotating it by 90 ° according to the image displayed on the liquid crystal layer.

【0077】PBSプリズム56は2つの三角プリズム
を接合して作製されており、接合面にPBS膜56aが
設けられている。PBS膜56aは、S偏光として入射
する偏光成分を反射し、P偏光として入射する偏光成分
を透過させるように設定されている。PBSプリズム5
6は、照明光学系7からの無偏光の光のうち、PBS膜
56aに対してS偏光となる直線偏光を反射して表示素
子57に導くとともに、表示素子57によって反射され
た光のうち、PBS膜56aに対してP偏光となる直線
偏光を透過させて投射光学系55に導く。
The PBS prism 56 is manufactured by joining two triangular prisms, and a PBS film 56a is provided on the joining surface. The PBS film 56a is set so as to reflect a polarized light component incident as S-polarized light and transmit a polarized light component incident as P-polarized light. PBS prism 5
6 reflects linearly polarized light that becomes S-polarized light with respect to the PBS film 56a among the unpolarized light from the illumination optical system 7 and guides the linearly polarized light to the display element 57, and among the light reflected by the display element 57, The linearly polarized light serving as the P-polarized light is transmitted through the PBS film 56a and guided to the projection optical system 55.

【0078】投射光学系55は、PBSプリズム56を
透過した表示素子57からの映像を表す反射光を、図外
のスクリーンに向けて投射し、スクリーン上に結像させ
る。映像表示装置9でも、前述のようにしてカラー映像
を表示することができる。小型の構成ながら、明るく質
の高い映像を提供することができることは、映像表示装
置8と同様である。
The projection optical system 55 projects the reflected light representing the image from the display element 57 transmitted through the PBS prism 56 toward a screen (not shown) and forms an image on the screen. The video display device 9 can also display a color video as described above. As with the image display device 8, it is possible to provide a bright and high-quality image despite its small size.

【0079】なお、第8、第9の実施形態では照明光学
系7を備える構成を例として掲げたが、照明光学系1〜
6のいずれを備えてもよいことは言うまでもない。ま
た、ここでは表示素子として反射型のものを使用してい
るが、透過型のLCDを使用することもできる。その場
合、照明光学系と投射光学系の間にLCDを配置し、照
明光学系とLCDの間およびLCDと投射光学系の間
に、偏光板を配置すればよい。
In the eighth and ninth embodiments, the configuration including the illumination optical system 7 has been described as an example.
Needless to say, any of the above 6 may be provided. Further, although a reflective type is used as the display element here, a transmissive type LCD may be used. In that case, an LCD may be arranged between the illumination optical system and the projection optical system, and a polarizing plate may be arranged between the illumination optical system and the LCD and between the LCD and the projection optical system.

【0080】[0080]

【発明の効果】充填部と中空部とを備える本発明の平滑
化素子では、光束を充填部側から入射させて中空部側か
ら出射させる形態で使用することにより、出射端面のエ
ッジに欠けが生じたり出射端面に異物が付着したりする
恐れがなくなり、強度分布が均一なだけでなく、欠けや
異物の影響のない光束を提供することができる。また、
中空部の側面に所定の機能をもたせることも可能であ
り、光束を中空部側から入射させて充填部側から出射さ
せる形態で使用するときでも有用である。
According to the smoothing element of the present invention having the filling portion and the hollow portion, the light beam is made incident on the filling portion side and emitted from the hollow portion side, so that the edge of the output end face is not chipped. It is possible to provide a light flux which not only has a uniform intensity distribution but also is not affected by chipping or foreign matter. Also,
It is also possible to provide a predetermined function to the side surface of the hollow portion, and it is useful even when the light beam is incident on the hollow portion side and emitted from the filling portion side.

【0081】側面の少なくとも一部が反射角を入射角よ
りも大きくする微細構造を有する本発明の平滑化素子で
は、入射した光束に含まれる光を光軸に対して平行に近
づけることが可能であり、入射端面と出射端面が同じ大
きさであっても、出射後の光束のF数を入射前の光束の
F数よりも大きくすることができる。
In the smoothing element of the present invention in which at least a part of the side surface has a fine structure in which the reflection angle is larger than the incident angle, it is possible to make the light contained in the incident light flux close to parallel to the optical axis. That is, even if the entrance end face and the exit end face have the same size, the F number of the light flux after emission can be made larger than the F number of the light flux before incidence.

【0082】このような特長を有する平滑化素子と、光
源と、リレー光学系とを備える本発明の照明光学系は、
照明対象面に影のない光束を導いたり、F数の大きな光
束を導いたりすることができる。したがって、投射型映
像表示装置の表示素子の照明に適する。
The illumination optical system of the present invention including the smoothing element having such features, a light source, and a relay optical system includes:
A light beam having no shadow on the illumination target surface or a light beam having a large F number can be guided. Therefore, it is suitable for illumination of the display element of the projection type video display device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 第1の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a main part of an illumination optical system according to a first embodiment.

【図2】 第2の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a main part of an illumination optical system according to a second embodiment.

【図3】 第3の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a main part of an illumination optical system according to a third embodiment.

【図4】 第4の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a main part of an illumination optical system according to a fourth embodiment.

【図5】 第5の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。
FIG. 5 is a sectional view showing a schematic configuration of a main part of an illumination optical system according to a fifth embodiment.

【図6】 第6の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。
FIG. 6 is a sectional view illustrating a schematic configuration of a main part of an illumination optical system according to a sixth embodiment.

【図7】 第7の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。
FIG. 7 is a sectional view showing a schematic configuration of a main part of an illumination optical system according to a seventh embodiment.

【図8】 第8の実施形態の投射型映像表示装置の概略
構成を示す断面図。
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a projection display apparatus according to an eighth embodiment.

【図9】 第9の実施形態の投射型映像表示装置の概略
構成を示す断面図。
FIG. 9 is a sectional view illustrating a schematic configuration of a projection display apparatus according to a ninth embodiment;

【図10】 インテグレータロッドを備える従来の照明
光学系の要部の概略構成を示す断面図。
FIG. 10 is a sectional view showing a schematic configuration of a main part of a conventional illumination optical system including an integrator rod.

【図11】 インテグレータロッドを備える従来の他の
照明光学系の要部の概略構成を示す断面図。
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a main part of another conventional illumination optical system including an integrator rod.

【図12】 インテグレータロッドを備える従来のさら
に他の照明光学系の要部の概略構成を示す断面図。
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a main part of still another conventional illumination optical system including an integrator rod.

【図13】 インテグレータロッドを備える従来のさら
に他の照明光学系の要部の概略構成を示す断面図。
FIG. 13 is a sectional view showing a schematic configuration of a main part of another conventional illumination optical system including an integrator rod.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1〜7 照明光学系 8、9 投射型映像表示装置 11、21、31、41 平滑化素子 11f、21f、31f 充填部 11e、21e、31e 中空部 11a、21a、31a 充填部端面 11b、21b、31b 充填部端面 11c、21c、31c、41c 充填部側面 11c’、21c’、31c’ 中空部側面 11d、21d、31d 中空部端面 12 光源 12a ランプ 12b リフレクタ 13 リレー光学系 13a、13b 凸レンズ 51 ミラー 52、53 プリズム 54 DMD(表示素子) 55 投射光学系 56 PBSプリズム 56a PBS膜 57 LCD(表示素子) 1-7 Illumination optical system 8,9 Projection type video display device 11,21,31,41 Smoothing element 11f, 21f, 31f Filling part 11e, 21e, 31e Hollow part 11a, 21a, 31a Filling part end face 11b, 21b, 31b Filling part end face 11c, 21c, 31c, 41c Filling part side face 11c ', 21c', 31c 'Hollow part side face 11d, 21d, 31d Hollow part end face 12 Light source 12a Lamp 12b Reflector 13 Relay optical system 13a, 13b Convex lens 51 Mirror 52 , 53 prism 54 DMD (display element) 55 projection optical system 56 PBS prism 56 a PBS film 57 LCD (display element)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高本 勝裕 大阪市中央区安土町二丁目3番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 大利 祐一郎 大阪市中央区安土町二丁目3番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 Fターム(参考) 2H038 AA54 BA07 BA08 2H052 BA02 BA03 BA07 BA09 BA14 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Katsuhiro Takamoto 2-3-1-13 Azuchicho, Chuo-ku, Osaka City Inside Osaka International Building Minolta Co., Ltd. (72) Yuichiro Otori 2-3-3 Azuchicho, Chuo-ku, Osaka City No. 13 Osaka International Building Minolta Co., Ltd. F-term (reference) 2H038 AA54 BA07 BA08 2H052 BA02 BA03 BA07 BA09 BA14

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 柱状の外形を有し、一端面より入射する
光束を側面で反射して他端面に導き、強度分布が平滑化
した光束として出射させる平滑化素子において、 透光性の材料で充たされ、側面で光を全反射する柱状の
充填部と、 充填部に連なり、内側を向いた側面で光を反射する筒状
の中空部とを備えることを特徴とする平滑化素子。
1. A smoothing element having a columnar outer shape, which reflects a light beam incident from one end surface on a side surface, guides the light beam to the other end surface, and emits the light beam as a light beam having a smoothed intensity distribution. A smoothing element comprising: a column-shaped filling portion that is filled and totally reflects light on a side surface; and a cylindrical hollow portion connected to the filling portion and reflecting light on a side surface facing inward.
【請求項2】 柱状の外形を有し、一端面より入射する
光束を側面で反射して他端面に導き、強度分布が平滑化
した光束として出射させる平滑化素子において、 側面の少なくとも一部が、反射角を入射角よりも大きく
する微細構造を有することを特徴とする平滑化素子。
2. A smoothing element which has a columnar outer shape, reflects a light beam incident from one end surface on a side surface, guides the light beam to the other end surface, and emits the light beam as a light beam having a smoothed intensity distribution. A smoothing element having a fine structure that makes the reflection angle larger than the incident angle.
【請求項3】 請求項1に記載の平滑化素子と、 平滑化素子の一端面近傍を収束位置とする光束を平滑化
素子に与える光源と、 平滑化素子の他端面から出射する光束を平面上に結像さ
せるリレー光学系とを備えることを特徴とする照明光学
系。
3. A smoothing element according to claim 1, a light source for supplying a light beam having a convergence position near one end face of the smoothing element to the smoothing element, and a light beam emitted from the other end face of the smoothing element as a plane. An illumination optical system comprising: a relay optical system that forms an image on the illumination optical system.
【請求項4】 平滑化素子は、充填部が光源側に、中空
部がリレー光学系側に位置するように配置されており、 平滑化素子の全長をL0、平滑化素子の中空部の長さを
L1、平滑化素子の充填部の幅をd、平滑化素子の充填
部の屈折率をn、光源が平滑化素子に与える光束のF数
をF1で表すとき、 d・(4・n2・F12−1)1/2≦L0≦10・d・(4・n2
F12−1)1/2 (1/4)・d・(4・n2・F12−1)1/2≦L1≦(1/
2)・L0 0.8≦F1≦2.0 の関係を満たすことを特徴とする請求項3に記載の照明
光学系。
4. The smoothing element is arranged such that the filling portion is located on the light source side and the hollow portion is located on the relay optical system side, and the total length of the smoothing element is L0, and the length of the hollow portion of the smoothing element is L0. Where L1 is the width of the filling portion of the smoothing element, d is the refractive index of the filling portion of the smoothing element, and F1 is the F number of the light beam given to the smoothing element by the light source. 2 · F1 2 -1) 1/2 ≦ L0 ≦ 10 ・ d ・ (4 ・ n 2
F1 2 -1) 1/2 (1/4) · d · (4 · n 2 · F1 2 -1) 1/2 ≦ L1 ≦ (1 /
2) The illumination optical system according to claim 3, wherein a relationship of L0 0.8 ≦ F1 ≦ 2.0 is satisfied.
【請求項5】 平滑化素子の側面の少なくとも一部が、
反射角を入射角よりも大きくする微細構造を有すること
を特徴とする請求項3または請求項4に記載の照明光学
系。
5. At least a part of the side surface of the smoothing element is:
5. The illumination optical system according to claim 3, wherein the illumination optical system has a fine structure that makes the reflection angle larger than the incident angle.
【請求項6】 平滑化素子の微細構造を有する側面が、
中空部の側面であることを特徴とする請求項5に記載の
照明光学系。
6. A side face having a fine structure of a smoothing element,
The illumination optical system according to claim 5, wherein the illumination optical system is a side surface of the hollow portion.
【請求項7】 請求項2に記載の平滑化素子と、 平滑化素子の一端面近傍を収束位置とする光束を平滑化
素子に与える光源と、 平滑化素子の他端面から出射する光束を平面上に結像さ
せるリレー光学系とを備えることを特徴とする照明光学
系。
7. A smoothing device according to claim 2, a light source for providing a light beam having a convergence position near one end surface of the smoothing device to the smoothing device, and a light beam emitted from the other end surface of the smoothing device as a plane. An illumination optical system comprising: a relay optical system that forms an image on the illumination optical system.
【請求項8】 平滑化素子の全長をL0、平滑化素子の
側面の微細構造を有する部位の長さをL2、平滑化素子
の幅をd、平滑化素子の屈折率をn、光源が平滑化素子
に与える光束のF数をF1、リレー光学系が取り込み得
る光束の最小のF数をF2で表すとき、 d・(4・n2・F22−1)1/2≦L0≦10・d・(4・n2
F22−1)1/2 (1/4)・d・(4・n2・F12−1)1/2≦L2≦L0 0.8≦F2≦2.0 の関係を満たすことを特徴とする請求項7に記載の照明
光学系。
8. The total length of the smoothing element is L0, the length of the side of the smoothing element having a fine structure is L2, the width of the smoothing element is d, the refractive index of the smoothing element is n, and the light source is smooth. When the F number of the luminous flux given to the optical element is represented by F1, and the minimum F number of the luminous flux that can be captured by the relay optical system is represented by F2, d · (4 · n 2 · F 2 2 −1) 1/2 ≦ L0 ≦ 10 · d ・ (4 ・ n 2
F2 2 -1) 1/2 (1/4) · d · (4 · n 2 · F1 2 -1) 1/2 ≤ L2 ≤ L0 0.8 ≤ F2 ≤ 2.0 The illumination optical system according to claim 7, wherein
【請求項9】 光源を2つ以上備え、各光源が平滑化素
子の一端面の中心と他端面の中心を結ぶ直線に対して斜
めの方向から、平滑化素子に光束を与えることを特徴と
する請求項5ないし請求項8のいずれか1項に記載の照
明光学系。
9. A light source comprising two or more light sources, wherein each light source applies a light beam to the smoothing element from a direction oblique to a straight line connecting the center of the one end face and the center of the other end face of the smoothing element. The illumination optical system according to any one of claims 5 to 8, wherein:
【請求項10】 平滑化素子の側面には、平滑化素子の
一端面の中心と他端面の中心を結ぶ直線と光源とを含む
平面に対して垂直な平面が含まれており、この平面のみ
が微細構造を有することを特徴とする請求項9に記載の
照明光学系。
10. A side surface of the smoothing element includes a plane perpendicular to a plane including a straight line connecting the center of one end face of the smoothing element and the center of the other end face and the light source, and only this plane is included. 10. The illumination optical system according to claim 9, wherein has a fine structure.
【請求項11】 少なくとも1対の光源が、平滑化素子
の一端面の中心と他端面の中心を結ぶ直線に関して互い
に逆の方向から、平滑化素子に光束を与えることを特徴
とする請求項9または請求項10に記載の照明光学系。
11. The smoothing element according to claim 9, wherein at least one pair of light sources applies a light beam to the smoothing element from directions opposite to each other with respect to a straight line connecting the center of the one end face and the center of the other end face of the smoothing element. Alternatively, the illumination optical system according to claim 10.
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