JP2006189538A - Illuminating optical system and projection type display device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an illuminating optical system and a projection type display device that can be downsized and reduced in imaging magnification. <P>SOLUTION: The optical system of the illuminating optical system 1B composing the projection type lighting system has, along its optical system, a first relay lens 3, a second relay lens 4 and a field lens 5 with a diaphragm function. The lens back face 4b of the second relay lens 4 is formed as a mirror face. A luminous flux emitted from a light source section is made incident on the lens surface 4a of the second relay lens 3 after transmitted through a rod integrator 2 and the first relay lens 3. Then, it is reflected from the lens back face 4b and emitted from the lens surface 4a. A luminous flux emitted from the second relay lens 4 is made incident on the surface of a DMD section 6 after transmitted through the field lens 5. Since the lens back face 4b of the second relay lens is a reflecting face, an optical path between the second relay lens 4 and the field lens 5 can be shortened. This constitution makes it possible to downsize the illuminating optical system 1B and projection type lighting system despite the reduction in imaging magnification. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、照明光学系に関し、特に照明光学系を用いた投射型表示装置に関する。   The present invention relates to an illumination optical system, and more particularly to a projection display device using the illumination optical system.

現在、反射型表示素子であるDigital Micro Mirror Device(以下、DMDと称する。)を用いたDigital Light Processing(登録商標)方式(以下、「DLP方式」と称する。)プロジェクタが普及している。DLP方式の中でも最もコンパクトなタイプである単板式DLP方式の投射型表示装置(プロジェクタ)において、フィールドレンズを用いた照明光学系が用いられている。   Currently, a digital light processing (registered trademark) method (hereinafter referred to as “DLP method”) projector using a digital micro mirror device (hereinafter referred to as DMD), which is a reflective display element, has become widespread. An illumination optical system using a field lens is used in a projection display device (projector) of a single plate type DLP system which is the most compact type among DLP systems.

図10に、従来の単板式DLP方式の投射型表示装置、および従来の投射型表示装置に用いられる、フィールドレンズを用いた従来の照明光学系を示す。従来の投射型表示装置100Aは、楕円リフレクター102の一方の焦点部に白色光を発する超高圧水銀ランプ等からなるランプを配置した光源部101と、照明光学系100Bと、画像をスクリーンに拡大投射する投射レンズ109とを有する。照明光学系100Bは、光源部101から発せられた光束を取り込み射出面での照度ムラを低減させるインテグレータ部103と、インテグレータ部103の出射面近傍に配置され、光源部からの白色光を光の3原色である赤、青、緑に時分割するカラーホイール104と、インテグレータ部103の出射面と結像面が共役になるように設計されるリレーレンズ部の第1レンズ部としての第1リレーレンズ部105a、第2レンズ部としての第2リレーレンズ部105bと、光束の進行方向を変更するミラー部106と、リレーレンズ部の1部であり、第1リレーレンズ部105a、第2リレーレンズ部105bから入射した光束を光軸と該平行(以下「テレセントリック」と称する。)にして出射させ、反射型表示素子部としてのDMD部108から入射した光束を光軸方向に収束させて出射する第3レンズ部としてのフィールドレンズ部107と、微細なマイクロミラーの角度を高速揺動し投射レンズ109に出射される主光束量を制御するDMD部108とを有する(たとえば、非特許文献1参照)。図10に示す照明光学系100Bにおいては、インテグレータ部103の出射面の像に対するDMD部108の表面に結像する像の倍率を結像倍率とした場合、光の利用効率を高くするために結像倍率を等倍よりも大きくする(通常3倍程度)のが一般的であった。   FIG. 10 shows a conventional single-plate DLP projection display apparatus and a conventional illumination optical system using a field lens used in a conventional projection display apparatus. A conventional projection display device 100A includes a light source unit 101 in which a lamp made of an ultrahigh pressure mercury lamp or the like that emits white light is disposed at one focal point of an elliptical reflector 102, an illumination optical system 100B, and an image on a screen in an enlarged manner. Projecting lens 109. The illumination optical system 100B is arranged in the vicinity of the light exiting surface of the integrator unit 103 and the integrator unit 103 that takes in a light beam emitted from the light source unit 101 and reduces unevenness of illumination on the exit surface, and emits white light from the light source unit. The first relay as a first lens unit of a color wheel 104 that is time-divided into three primary colors, red, blue, and green, and a relay lens unit that is designed so that the exit surface and the imaging surface of the integrator unit 103 are conjugate. The lens unit 105a, the second relay lens unit 105b as the second lens unit, the mirror unit 106 that changes the traveling direction of the light beam, and a part of the relay lens unit, the first relay lens unit 105a and the second relay lens A DMD unit serving as a reflective display element unit emits a light beam incident from the unit 105b in parallel with the optical axis (hereinafter referred to as "telecentric"). Controls the amount of main light beam emitted from the projection lens 109 by swinging the angle of a fine micromirror at a high speed with the field lens unit 107 as a third lens unit that converges and emits the light beam incident from 08. DMD unit 108 (see, for example, Non-Patent Document 1). In the illumination optical system 100B shown in FIG. 10, when the magnification of the image formed on the surface of the DMD unit 108 with respect to the image of the exit surface of the integrator unit 103 is the imaging magnification, the result is increased in order to increase the light use efficiency. It has been common to increase the image magnification to the same magnification (usually about 3 times).

一方、近年は画像表示素子の製造技術の向上によりDMD部のパネルサイズの小型化が進み、照明光学系の結像倍率を従来よりも小さく(すなわち等倍に近く)する必要が生じている。
ウシオ電機株式会社“新しい表示デバイスによるプロジェクタの現状と動向(図3-32,図3-33)” ウシオ技術情報誌 ライフエッジ2000年7月[online][平成16年10月22日検索]、インターネット、<URL: http://www1.ushio.co.jp/tech/le/le19/19_03_05.html>
On the other hand, in recent years, the panel size of the DMD portion has been reduced due to the improvement of the manufacturing technology of the image display element, and it has become necessary to make the imaging magnification of the illumination optical system smaller (that is, close to the same magnification) as before.
USHIO INC. “Current Status and Trends of Projectors with New Display Devices (Figure 3-32, Figure 3-33)” USHIO Technical Information Magazine Life Edge July 2000 [online] [searched October 22, 2004], Internet, <URL: http://www1.ushio.co.jp/tech/le/le19/19_03_05.html>

しかしながら、図11の光学系のレンズにおける焦点距離と結像倍率との関係の原理図に示すように、3枚のレンズ(光束の入射側から第1レンズ111、第2レンズ112、第3レンズ113とする)で光路を形成する照明光学系においては、インテグレータ部(図11に図示せず)側もDMD部(図11に図示せず)側もテレセントリックである光学系(以下「両側テレセントリック」と称する。)とした場合、第1レンズ111と第2レンズ112との距離Lが第1レンズの焦点距離fにほぼ等しくなるように配置され、第2レンズ112と第3レンズ113との距離Lが第3レンズ113の焦点距離fにほぼ等しくなるように配置される。第1レンズ111に光束を入射するインテグレータ部(図11に図示せず)の光束出射面における像と第3レンズ113から出射する光束を受光するDMD部(図11に図示せず)の表面に結像する像との倍率を結像倍率とすると、結像倍率はf/fであり、結像倍率は第1レンズ111と第2レンズ112との距離L、および第2レンズ112と第3レンズ113との距離Lの比L/Lに近くなるため、結像倍率が等倍に近づくと光学系の中心付近にレンズが配置されることとなる。 However, as shown in the principle diagram of the relationship between the focal length and the imaging magnification in the lens of the optical system in FIG. 11, the three lenses (first lens 111, second lens 112, third lens from the incident side of the luminous flux). 113), an optical system in which the integrator section (not shown in FIG. 11) side and the DMD section (not shown in FIG. 11) side are telecentric (hereinafter referred to as “both side telecentric”). In this case, the distance L 1 between the first lens 111 and the second lens 112 is approximately equal to the focal length f 1 of the first lens, and the second lens 112 and the third lens 113 distance L 2 is arranged to be approximately equal to the focal length f 3 of the third lens 113. On the surface of the DMD unit (not shown in FIG. 11) that receives the image on the light beam exit surface of the integrator unit (not shown in FIG. 11) that enters the first lens 111 and the light beam emitted from the third lens 113. Assuming that the magnification with the image to be formed is the imaging magnification, the imaging magnification is f 3 / f 1 , the imaging magnification is the distance L 1 between the first lens 111 and the second lens 112, and the second lens 112. And the third lens 113 are close to the ratio L 2 / L 1 of the distance L 2 , the lens is arranged near the center of the optical system when the imaging magnification approaches the same magnification.

そして、図10に示す照明光学系100Bにおいては第2リレーレンズ部105b(図11の第2レンズ112に対応)とフィールドレンズ部107(図11の第3レンズ113に対応)との間にミラー部106を設けるため、距離Lが長くなり、結像倍率を小さくして等倍に近づけると距離Lも長くなり、照明光学系1Aの光軸方向の大きさが長大化して装置が大型化してしまう。 In the illumination optical system 100B shown in FIG. 10, a mirror is provided between the second relay lens portion 105b (corresponding to the second lens 112 in FIG. 11) and the field lens portion 107 (corresponding to the third lens 113 in FIG. 11). for providing the part 106, the distance L 2 becomes longer, the closer to the magnification by reducing the imaging magnification distance L 1 becomes longer, the illumination optical system 1A of the optical axis of the magnitude apparatus and lengthening a large It will become.

また、近年は光源部にRED(以下Rと記載)、GREEN(以下Gと記載)、BLUE(以下Bと記載)の単色の発光ダイオード(以下LEDと記載)を用いた投射型表示装置や、LEDの光源部から供給された光束を用いる照明光学系が提案されている。しかし一般にLEDの輝度は超高圧水銀ランプ等よりも劣るので、スクリーンを十分な明るさで照らすためには各LEDの発光面の面積を大きくしなければならず、光源部は必然的にある程度の大きさが必要になる。したがって、図10に示す投射型照明装置1Aおよび照明光学系1Bにおいて光源部にLEDを用いても、結像倍率を小さくすれば装置が大型化する問題を解消することはできない。   In recent years, a projection display device using a single-color light emitting diode (hereinafter referred to as LED) of RED (hereinafter referred to as R), GREEN (hereinafter referred to as G), BLUE (hereinafter referred to as B) in the light source section, An illumination optical system using a light beam supplied from a light source unit of an LED has been proposed. However, in general, the brightness of LEDs is inferior to that of ultra-high pressure mercury lamps, etc. Therefore, in order to illuminate the screen with sufficient brightness, the area of the light emitting surface of each LED must be increased, and the light source section is inevitably limited to some extent Size is required. Therefore, even if an LED is used for the light source unit in the projection illumination apparatus 1A and the illumination optical system 1B shown in FIG. 10, the problem that the apparatus becomes large cannot be solved if the imaging magnification is reduced.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の上記目的は、小型に形成でき、かつ小さい結像倍率を得ることができる照明光学系および投射型表示装置を提供するものである。   The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to provide an illumination optical system and a projection display device that can be formed in a small size and can obtain a small imaging magnification. .

本発明の上記課題は、光源部から発せられた光束を受け入射した前記光束の光量分布を均一化させて出射するインテグレータ部と、前記インテグレータ部から出射された前記光束を導光する光学系と、前記光学系により導光された前記出射光束の照射を受ける照射面を備えた反射型表示素子部とを有する照明光学系において、前記光学系は複数のレンズ部を備え、前記複数のレンズ部のうち少なくとも1つのレンズ部は、表面側から入射した前記光束を反射する反射手段を裏面側に備え、前記反射手段により反射された前記光束を表面側から出射するミラーレンズ部である照明光学系によって達成される。   The above-described problems of the present invention include an integrator unit that receives a light beam emitted from a light source unit and emits the light beam with a uniform light amount distribution, and an optical system that guides the light beam emitted from the integrator unit. And an illumination optical system having a reflective display element unit having an irradiation surface that receives the irradiation of the emitted light beam guided by the optical system, wherein the optical system includes a plurality of lens units, and the plurality of lens units At least one lens unit includes a reflecting unit that reflects the light beam incident from the front surface side on the back surface side, and an illumination optical system that is a mirror lens unit that emits the light beam reflected by the reflecting unit from the front surface side Achieved by:

そして、照明光学系を形成する複数のレンズ部のうち1つのレンズ部をミラーレンズによって形成することにより、レンズ部と別個にミラー部を設ける必要がなくなって、結像倍率を小さくした場合であっても光学系における光路を短くすることができる。   In addition, by forming one lens portion of the plurality of lens portions forming the illumination optical system with a mirror lens, there is no need to provide a mirror portion separately from the lens portion, and the imaging magnification is reduced. However, the optical path in the optical system can be shortened.

また、本発明の上記課題は、光源部と、前記光源部から発せられた光束を導光する光路の一部にレンズ表面から入射した光束をレンズ裏面で反射し前記レンズ表面から出射させるミラーレンズ部を設けた光学系と、前記光学系により導光された前記光束の照射を受ける照射面を備えた反射型表示素子部とを有する投射型表示装置によって達成される。   The above-described problems of the present invention include a light source unit and a mirror lens that reflects a light beam incident from the lens surface to a part of an optical path that guides the light beam emitted from the light source unit, and then emits the light beam from the lens surface. This is achieved by a projection display device having an optical system provided with a portion and a reflective display element portion having an irradiation surface that receives the light beam guided by the optical system.

そして、投射型表示装置にミラーレンズを用いた照明光学系を用いることにより、投射型表示装置を構成する光学系を、結像倍率を小さくしつつ光路を短くすることができる。   By using an illumination optical system using a mirror lens for the projection display device, the optical path of the optical system constituting the projection display device can be shortened while reducing the imaging magnification.

本発明によれば、照明光学系自体の大きさを小さく形成し、かつ小さい結像倍率を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to reduce the size of the illumination optical system itself and obtain a small imaging magnification.

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。図1に、本発明の一実施の形態に係る投射型表示装置の構成概略図を示す。投射型表示装置1Aは、光源部1と、本発明に係る照明光学系1Bと、投射レンズ7とを有している。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a projection display device according to an embodiment of the present invention. The projection display device 1A includes a light source unit 1, an illumination optical system 1B according to the present invention, and a projection lens 7.

図2に、本発明の一実施の形態に係る照明光学系1Bの上面図および右側面図の構成概略図を示す。照明光学系1Bは、インテグレータ部としてのロッドインテグレータ2と、第1レンズ部としての第1リレーレンズ部3と、第2レンズ部としての第2リレーレンズ部4と、第3レンズ部としてのフィールドレンズ部5と、反射型表示素子部としてのDMD部6とを有している。第1リレーレンズ部3および第2リレーレンズ部4およびフィールドレンズ部5は、図2に示す照明光学系1Bにおいて光学系を形成している。   FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of a top view and a right side view of the illumination optical system 1B according to the embodiment of the present invention. The illumination optical system 1B includes a rod integrator 2 as an integrator unit, a first relay lens unit 3 as a first lens unit, a second relay lens unit 4 as a second lens unit, and a field as a third lens unit. It has a lens unit 5 and a DMD unit 6 as a reflective display element unit. The first relay lens unit 3, the second relay lens unit 4, and the field lens unit 5 form an optical system in the illumination optical system 1B shown in FIG.

図1に示す光源部1はLED光源であって、立方体形状のクロスプリズム12の三方に光の3原色である赤(R)に発光するRのLED9、同じく緑(G)に発光するGのLED10、同じく青(B)に発光するBのLED11が設けられている。   A light source unit 1 shown in FIG. 1 is an LED light source, and an R LED 9 that emits red (R), which is the three primary colors of light, on three sides of a cube-shaped cross prism 12, and G that emits green (G). The LED 10 is also provided with a B LED 11 that emits blue (B) light.

図4に、図1に示す光源部1の拡大図を示す。光源部1のクロスプリズム12は、RのLED9との対向面の一端側からBのLED11との対向面の他端側にかけて設けられた第1傾斜面12aと、RのLED9との対向面の他端側からBのLED11との対向面の一端側にかけて設けられた第2傾斜面12bとを内部に設け、GのLED10の対向面に光束が外部に向けて出射される出射部12cを設けている。第1傾斜面12aには複数の誘電体の交互膜で構成されRの波長の光を反射するR反射の誘電体多層膜がコートされ、第2傾斜面12bには複数の誘電体の交互膜で構成されBの波長の光を反射するB反射の誘電体多層膜がコートされている。   FIG. 4 shows an enlarged view of the light source unit 1 shown in FIG. The cross prism 12 of the light source unit 1 includes a first inclined surface 12 a provided from one end of the surface facing the R LED 9 to the other end of the surface facing the B LED 11, and a surface facing the R LED 9. A second inclined surface 12b provided from the other end side to one end side of the surface facing the B LED 11 is provided inside, and an emitting portion 12c is provided on the facing surface of the G LED 10 to emit a light beam to the outside. ing. The first inclined surface 12a is coated with an R-reflecting dielectric multi-layer film that is composed of alternating films of a plurality of dielectrics and reflects light having an R wavelength, and the second inclined surface 12b is coated with a plurality of alternating films of dielectrics. And a B-reflection dielectric multilayer film that reflects light having a wavelength of B is coated.

図1および図2に示すとおり、ロッドインテグレータ2は、四角柱状の筒内面を反射面に形成した構造を有し、光源部1の光束出射部12cに対向する一端面に光束を入射する入射面2aを有し、他端面に光束を出射する出射面2bを有する。   As shown in FIGS. 1 and 2, the rod integrator 2 has a structure in which a rectangular columnar cylindrical inner surface is formed as a reflection surface, and an incident surface on which a light beam is incident on one end surface of the light source unit 1 facing the light beam emitting unit 12 c. 2a, and an exit surface 2b for emitting a light beam on the other end surface.

第1リレーレンズ部3は透明ガラスなどの透明体によって形成された両面が凸状の凸レンズであり、光軸をロッドインテグレータ2の出射面2bの中心部にほぼ一致させた状態に設けられている。第1リレーレンズ部3の両面は表面を球の一部を切り取って形成した曲面に形成した球面レンズ(以下「球面レンズ」と称する。)の形状であってもよいし、球面以外の曲面に形成したレンズ(以下「非球面レンズ」と称する。)の形状であってもよい。   The first relay lens portion 3 is a convex lens having a convex surface formed by a transparent body such as transparent glass, and is provided in a state in which the optical axis is substantially coincident with the central portion of the exit surface 2 b of the rod integrator 2. . Both surfaces of the first relay lens unit 3 may have the shape of a spherical lens (hereinafter, referred to as “spherical lens”) formed on a curved surface formed by cutting out a part of a sphere, or may be a curved surface other than a spherical surface. The shape of the formed lens (hereinafter referred to as “aspheric lens”) may be used.

第2リレーレンズ部4は、第1リレーレンズ部3の光軸上であってレンズ表面4bが第1リレーレンズ部3の焦点位置とほぼ一致する位置に、レンズ表面4aの光軸方向を第1リレーレンズ部3とフィールドレンズ部5との間隙方向に向けた状態で設けられている。第2リレーレンズ部4は透明ガラスなどの透明体によって形成されており、レンズ表面4aが凸状の曲面形状に形成され、レンズ表面4bが凹状の曲面形状に形成されている。第2リレーレンズ部4のレンズ表面4bは、アルミニウムやクロムや銀などの金属を蒸着したミラー面に形成されている。なお、第2リレーレンズ部4はレンズ表面4aが第1リレーレンズ部3やフィールドレンズ部5の光軸に対して斜め方向に向いており収差の影響が大きくあらわれる傾向があるので、収差を抑止できる形状である非球面レンズの形状とすることが望ましい。また上記レンズ表面bは本実施の形態に係る光学照明系1Bにおいて開口絞りの機能を有する。   The second relay lens unit 4 has the optical axis direction of the lens surface 4a on the optical axis of the first relay lens unit 3 so that the lens surface 4b substantially coincides with the focal position of the first relay lens unit 3. 1 The relay lens unit 3 and the field lens unit 5 are provided in a state of being directed toward the gap. The second relay lens portion 4 is formed of a transparent body such as transparent glass, the lens surface 4a is formed in a convex curved surface shape, and the lens surface 4b is formed in a concave curved surface shape. The lens surface 4b of the second relay lens unit 4 is formed on a mirror surface on which a metal such as aluminum, chromium or silver is deposited. The second relay lens unit 4 suppresses the aberration because the lens surface 4a is oriented obliquely with respect to the optical axis of the first relay lens unit 3 and the field lens unit 5 and the influence of the aberration tends to appear greatly. It is desirable to have a shape of an aspheric lens that can be formed. The lens surface b has a function of an aperture stop in the optical illumination system 1B according to the present embodiment.

フィールドレンズ部5は、光軸であるレンズ面の法線方向がロッドインテグレータ2および第1リレーレンズ部3の延長線と直角方向に向いた状態で設けられている。   The field lens unit 5 is provided in a state in which the normal direction of the lens surface that is the optical axis is oriented in a direction perpendicular to the extension lines of the rod integrator 2 and the first relay lens unit 3.

フィールドレンズ部5は、透明ガラス等の透明体によって形成され、レンズ表面5aが凸状の曲面形状に形成されるとともにレンズ裏面5bが平面に形成されており、レンズ表面5aまたはレンズ裏面5bから入射した光束を収束させてレンズ裏面5bまたはレンズ表面5aから出射する。レンズ表面5a、レンズ表面5bは、球面レンズの形状であっても非球面レンズの形状であってもよい。   The field lens unit 5 is formed of a transparent material such as transparent glass, the lens surface 5a is formed in a convex curved surface shape, and the lens back surface 5b is formed in a plane, and is incident from the lens surface 5a or the lens back surface 5b. The converged light flux is converged and emitted from the lens back surface 5b or the lens surface 5a. The lens surface 5a and the lens surface 5b may have a spherical lens shape or an aspheric lens shape.

DMD部6は、入射した光束を所定の方向に反射する画像表示素子である。   The DMD unit 6 is an image display element that reflects an incident light beam in a predetermined direction.

図3にDMD部6を側面から見た状態の概略を示す部分拡大図を示す。図3においては、右側がDMD部6の表面側であり、左側がDMD部6の裏面側である。DMD部6は、CMOS等で形成されたメモリ半導体部6aの表面部に、ヒンジで回転可能に軸支された角13.7μmあるいは角16.2μmのマイクロミラーが必要な解像度の数だけ2次元方向に並べられている。図3には例示のため2枚のマイクロミラー60、61のみを示してある。CMOSメモリ半導体部6aに導電するとマイクロミラー60、61と基板部6aとの間には静電引力が働きマイクロミラー60、61はそれぞれ水平位置から±12°(または±10°)の間の角度に揺動する。   FIG. 3 is a partially enlarged view showing an outline of a state where the DMD unit 6 is viewed from the side. In FIG. 3, the right side is the front side of the DMD unit 6, and the left side is the back side of the DMD unit 6. The DMD unit 6 is two-dimensionally provided in the number of resolutions required for a 13.7 μm corner or 16.2 μm micromirror that is pivotally supported by a hinge on the surface of a memory semiconductor unit 6 a formed of CMOS or the like. It is arranged in the direction. FIG. 3 shows only two micromirrors 60 and 61 for illustration. When conducting electricity to the CMOS memory semiconductor portion 6a, electrostatic attraction acts between the micromirrors 60 and 61 and the substrate portion 6a, and the micromirrors 60 and 61 each have an angle of ± 12 ° (or ± 10 °) from the horizontal position. Rocks.

図1に戻り、投射レンズ7は、例えば、複数のレンズ群や、レンズ群にカム作用を及ぼしてレンズ相互間の距離を相対的に変動させるカム筒や、カム筒を回転駆動するモータなどをレンズ鏡胴に内蔵した構成である。レンズ相互間の距離が変動することにより、出射される光束の焦点位置やスクリーン(図示せず)に投影される画像の倍率などを調整できる。   Returning to FIG. 1, the projection lens 7 includes, for example, a plurality of lens groups, a cam cylinder that exerts a cam action on the lens groups to relatively change the distance between the lenses, a motor that rotationally drives the cam cylinder, and the like. It is the structure built in the lens barrel. By changing the distance between the lenses, the focal position of the emitted light beam, the magnification of the image projected on the screen (not shown), and the like can be adjusted.

光吸収板8はDMD部6から投射レンズ7にいたる光路の周辺に設けられており、表面に入射した光束を吸収する素材により形成されている。   The light absorbing plate 8 is provided around the optical path from the DMD unit 6 to the projection lens 7 and is formed of a material that absorbs the light beam incident on the surface.

図1に示す本実施の形態における投射型表示装置1A、および図2に示す本実施の形態に係る照明光学系1Bの光学的な作用を説明する。説明には図3および図4も使用する。   The optical action of the projection display device 1A in the present embodiment shown in FIG. 1 and the illumination optical system 1B according to the present embodiment shown in FIG. 2 will be described. 3 and 4 are also used for the description.

図1の投射型表示装置1Aを形成する光源部1は、図4に示すとおり、RのLED9から発せられた光束が第1傾斜面12aで反射して光束出射部12c方向に進み、BのLED10から発せられた光束が第2傾斜面12bで反射して光束出射部12c方向に進み、GのLED11から発せられた光束が第1傾斜面12aおよび第2傾斜面12bを透過して光束出射部12c方向に進む。光源部1の光束出射部12cからはRGBの光が混色された白色光の光束が出射される。   As shown in FIG. 4, the light source unit 1 that forms the projection display device 1A of FIG. 1 reflects the light beam emitted from the R LED 9 by the first inclined surface 12a and proceeds in the direction of the light beam output unit 12c. The light beam emitted from the LED 10 is reflected by the second inclined surface 12b and travels in the direction of the light beam emitting portion 12c, and the light beam emitted from the G LED 11 is transmitted through the first inclined surface 12a and the second inclined surface 12b to emit the light beam. Proceed in the direction of part 12c. A light beam of white light in which RGB light is mixed is emitted from the light beam emitting unit 12 c of the light source unit 1.

図1に示すとおり、光源部1の光束出射部12cから出射した光束は、ロッドインテグレータ2の入射面2aに入射する。ロッドインテグレータ2は、入射面2aから入射した光束を内面で複数回反射させる。ロットインテグレータ2の出射面2bでは、照度分布が均一となり照度が均一となった光束が一定角度範囲に向けて出射される。   As shown in FIG. 1, the light beam emitted from the light beam emitting portion 12 c of the light source unit 1 enters the incident surface 2 a of the rod integrator 2. The rod integrator 2 reflects the light beam incident from the incident surface 2a a plurality of times on the inner surface. On the exit surface 2b of the lot integrator 2, the luminous flux having a uniform illuminance distribution and uniform illuminance is emitted toward a certain angle range.

図2に示すとおり、ロットインテグレータ2の出射面2bから出射された光束は第1リレーレンズ部3に入射する。第1リレーレンズ部3は入射した軸外主光線を光軸方向に屈折させて、収束する光束として出射する。   As shown in FIG. 2, the light beam emitted from the emission surface 2 b of the lot integrator 2 enters the first relay lens unit 3. The first relay lens unit 3 refracts the incident off-axis principal ray in the optical axis direction and emits it as a convergent light beam.

第1リレーレンズ部3から出射された光束は第2リレーレンズ部4に入射する。第2リレーレンズ部4は、レンズ表面4aから入射した光束をレンズ内部を透過させてレンズ表面4bのミラー面に反射させ、反射した光束を再びレンズ内部を透過させ、レンズ表面4aからフィールドレンズ部5方向に発散光として出射させる。   The light beam emitted from the first relay lens unit 3 enters the second relay lens unit 4. The second relay lens unit 4 transmits the light beam incident from the lens surface 4a through the inside of the lens and reflects it to the mirror surface of the lens surface 4b, and transmits the reflected light beam again through the lens surface, and from the lens surface 4a to the field lens unit. The light is emitted as diverging light in five directions.

第2リレーレンズ部4から出射した光束はフィールドレンズ部5のレンズ表面5aに入射する。フィールドレンズ部5は、レンズ表面5aから入射した軸外光線を光軸方向に収束させてレンズ裏面5bから出射する。なお、DMD部6のマイクロミラー60、61にあたる光束の角度をほぼ均一とし、光束照射面におけるコントラストムラを排除するため、フィールドレンズ部5のレンズ裏面5bから出射する光束はテレセントリックであることが望ましい。   The light beam emitted from the second relay lens unit 4 enters the lens surface 5 a of the field lens unit 5. The field lens unit 5 converges off-axis rays incident from the lens surface 5a in the optical axis direction and emits them from the lens back surface 5b. In addition, in order to make the angles of the light beams corresponding to the micromirrors 60 and 61 of the DMD unit 6 substantially uniform and eliminate contrast unevenness on the light beam irradiation surface, the light beams emitted from the lens back surface 5b of the field lens unit 5 are desirably telecentric. .

フィールドレンズ部5のレンズ裏面5bから出射された光束はDMD部6に入射し、DMD部6の表面部に設けられたマイクロミラー60、61には、ロッドインテグレータ2の出射面2bの像が結像し、光束が反射される。   The light beam emitted from the lens back surface 5 b of the field lens unit 5 enters the DMD unit 6, and an image of the output surface 2 b of the rod integrator 2 is formed on the micromirrors 60 and 61 provided on the surface of the DMD unit 6. The light beam is reflected.

図3に示すとおり、DMD部6のCMOSメモリ半導体部6aの表面に設けられたマイクロミラー60、61の揺動角度が+12度の場合(図3におけるマイクロミラー60の傾斜状態)においては、フィールドレンズ部5から入射した入射光束は、図3に示すマイクロミラー60の角度に規制されて法線方向に反射し、反射した光束は図1に示す投射レンズ7に取り込まれる。揺動角度が−12度の場合(図3におけるマイクロミラー61の傾斜状態)においては、入射光束は図3に示すマイクロミラー61の角度に規制されて反射し、反射した光束は投射レンズ7の外に反射され図3に示す光吸収板8に吸収される。   As shown in FIG. 3, when the swing angle of micromirrors 60 and 61 provided on the surface of CMOS memory semiconductor portion 6a of DMD portion 6 is +12 degrees (the tilted state of micromirror 60 in FIG. 3), the field The incident light beam incident from the lens unit 5 is regulated by the angle of the micromirror 60 shown in FIG. 3 and reflected in the normal direction, and the reflected light beam is taken into the projection lens 7 shown in FIG. When the swing angle is −12 degrees (the tilted state of the micromirror 61 in FIG. 3), the incident light beam is reflected by being restricted by the angle of the micromirror 61 shown in FIG. It is reflected outside and absorbed by the light absorbing plate 8 shown in FIG.

したがって、マイクロミラー60、61を高速動作させて法線方向に反射する光束の量を変えることにより、投射レンズ7に入射する光束の量が制御される。   Therefore, the amount of light incident on the projection lens 7 is controlled by operating the micromirrors 60 and 61 at high speed and changing the amount of light reflected in the normal direction.

図3に示すとおり、DMD部6のマイクロミラー60、61が反射した光束のうち、法線方向に反射された光束はフィールドレンズ部5のレンズ裏面5bに入射する。フィールドレンズ部5は、レンズ裏面5bから入射した軸外光線を光軸方向に収束させてレンズ表面5aから出射し、図1に示す投射レンズ7に入射させる。投射レンズ7に入射した光束は、内部のレンズ郡(図示せず)を透過して外部に射出される。   As shown in FIG. 3, among the light beams reflected by the micromirrors 60 and 61 of the DMD unit 6, the light beam reflected in the normal direction enters the lens back surface 5 b of the field lens unit 5. The field lens unit 5 converges off-axis rays incident from the lens back surface 5b in the direction of the optical axis, emits the light from the lens surface 5a, and enters the projection lens 7 shown in FIG. The light beam incident on the projection lens 7 passes through an internal lens group (not shown) and is emitted to the outside.

図1に示す投射レンズ7から外部に出射された光束は、スクリーン(図示せず)にて投射される。スクリーン(図示せず)上の画像の明るさは、DMD部6のマイクロミラー60、61が投射レンズ7方向に反射した光束の量に依存して変化するため階調表現が可能となる。   A light beam emitted to the outside from the projection lens 7 shown in FIG. 1 is projected on a screen (not shown). Since the brightness of the image on the screen (not shown) changes depending on the amount of the light beam reflected by the micromirrors 60 and 61 of the DMD unit 6 in the direction of the projection lens 7, gradation expression is possible.

ここで、本実施の形態に係る照明光学系1Bを構成する第2リレーレンズ部4のレンズ表面4aおよびレンズ表面4bの曲率半径について検討する。   Here, the curvature radii of the lens surface 4a and the lens surface 4b of the second relay lens unit 4 constituting the illumination optical system 1B according to the present embodiment will be examined.

一般に光学系において、光軸と主光線を含む面をメリジオナル面、主光線を含みメリジオナル面に垂直な面をサジタル面という。メリジオナル面、サジタル面の結像位置が異なることを非点収差といい、1点の像が1点に集まらず2焦点に集まってしまう。   In general, in an optical system, a surface including an optical axis and a principal ray is referred to as a meridional surface, and a surface including the principal ray and perpendicular to the meridional surface is referred to as a sagittal surface. The difference in the image formation position between the meridional surface and the sagittal surface is called astigmatism, and one point image is not collected at one point but at two focal points.

メリジオナル面での物体距離tと像距離t’との間には式(1)の関係が成立する。   The relationship of the formula (1) is established between the object distance t on the meridional surface and the image distance t ′.

Figure 2006189538
Figure 2006189538

また、サジタル面での物体距離sと像距離s’との間には式(2)の関係が成立する。   In addition, the relationship of Expression (2) is established between the object distance s and the image distance s ′ on the sagittal plane.

Figure 2006189538
Figure 2006189538

式(1)および式(2)において、Iは曲面への入射角度、I’は曲面からの射出角度、nは物体面と曲面との間の媒質の屈折率、n’は曲面と像面との間の媒質の屈折率を示す。式(1)および式(2)において、I=I’=0のときに上2式は同一式となるため、サジタル像距離とメリジオナル像距離が同一となり、非点収差が発生しないことが分かる。   In Expressions (1) and (2), I is the incident angle to the curved surface, I ′ is the exit angle from the curved surface, n is the refractive index of the medium between the object surface and the curved surface, and n ′ is the curved surface and the image surface. The refractive index of the medium between is shown. In the formulas (1) and (2), when I = I ′ = 0, the above two formulas are the same formula, so that the sagittal image distance and the meridional image distance are the same, and astigmatism does not occur. .

ここで、本実施の形態に係る照明光学系1Bにおいては、第2リレーレンズ部4には光軸に対して斜め方向から入射した光束を受け、入射した光束を略90度方向に反射して光束に対して斜め方向に出射する構造であるため、上記(1)式および(2)式のIおよびI’の値は0にはならない。したがって第2リレーレンズ部4から出射する光束に基づいて結像した像には非点収差が発生しやすい。非点収差が生ずると結像ボケが発生し、結像した画像における面内照度が不均一となり、光の利用効率も低下するので、本実施の形態においても、第2リレーレンズ部4の非点収差を低減する必要がある。   Here, in the illumination optical system 1B according to the present embodiment, the second relay lens unit 4 receives a light beam incident from an oblique direction with respect to the optical axis, and reflects the incident light beam in a direction of approximately 90 degrees. Since the structure emits the light beam in an oblique direction, the values of I and I ′ in the expressions (1) and (2) do not become zero. Therefore, astigmatism is likely to occur in an image formed based on the light beam emitted from the second relay lens unit 4. When astigmatism occurs, image blurring occurs, the in-plane illuminance in the image formed becomes non-uniform, and the light utilization efficiency also decreases. It is necessary to reduce the point aberration.

上記するように非点収差を低減するためには、レンズの曲面に対する入射角度、射出角度をなるべく小さくするのが良い。   As described above, in order to reduce astigmatism, it is preferable to make the incident angle and the exit angle with respect to the curved surface of the lens as small as possible.

本実施の形態においては、図1および図2に示すように第2リレーレンズ部4の光束入射面であるレンズ表面4aの曲率半径RをR>0としたほうが光束の入射角度が小さくなる、また、第2リレーレンズ部4においてミラー蒸着が施されるレンズ裏面4bの曲率半径RもR>0とした方が光束の入射角度が小さくなる。 In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the incident angle of the light beam is smaller when the radius of curvature R 1 of the lens surface 4a that is the light beam incident surface of the second relay lens unit 4 is R 1 > 0. made, also, who curvature radius R 2 of the rear surface 4b of the mirror deposition is performed in the second relay lens unit 4 also has a R 2> 0 is the incident angle of the light beam becomes small.

しかし、第2リレーレンズ部4はレンズ全体として正の集光力としてのパワー(以下「パワー」と称する。)を有する必要がある。一方、レンズ表面4bに大きな正のパワーを持たせると第2リレーレンズ部4に大きな非点収差が発生してしまう。   However, the second relay lens unit 4 needs to have a power (hereinafter referred to as “power”) as a positive light condensing power as a whole lens. On the other hand, if the lens surface 4b has a large positive power, a large astigmatism occurs in the second relay lens unit 4.

したがって、第2リレーレンズ部4のレンズ表面4bの曲率半径Rを大きくし、第2リレーレンズ部4の正のパワーは基本的には光束の入射面であるレンズ表面4aの曲率半径Rに大きく依存するようにすれば、大きな非点収差は発生しない。 Therefore, a curvature radius R 2 of the second lens surface 4b of the relay lens unit 4 is increased, the radius of curvature R 1 of the second lens surface 4a is the positive power of the relay lens unit 4 is a plane of incidence of the light beam is basically Large astigmatism does not occur.

これより、曲率半径Rと曲率半径Rとの間には
>R>0・・・(3)
という関係が成立することが必要になる。
Thus, R 2 > R 1 > 0 (3) between the curvature radius R 1 and the curvature radius R 2.
It is necessary to establish the relationship.

ただし設計によっては、曲率半径Rにややパワーが必要となる場合がある。その場合には曲率半径Rに負のパワーを持たせ、
|R|>R>0・・・(4)
となるように曲率半径R、曲率半径Rを決定すれば、大きな非点収差を生ずることなく曲率半径Rにパワーを持たせることが可能になる。
However, some power may be required for the radius of curvature R 2 depending on the design. In that case, give the curvature radius R 2 negative power,
| R 2 |> R 1 > 0 (4)
If the radius of curvature R 1 and the radius of curvature R 2 are determined so as to satisfy, it is possible to give power to the radius of curvature R 2 without causing large astigmatism.

以上により、本実施の形態に係る照明光学系1Bを構成する第2リレーレンズ部4のレンズ表面4aの曲率半径Rおよびレンズ表面4bの曲率半径Rの間には、上記(4)式の関係が成立することが望ましい。 Thus, during the curvature radius R 2 of curvature R 1 and a lens surface 4b of the second lens surface 4a of the relay lens unit 4 constituting the illumination optical system 1B according to this embodiment, equation (4) It is desirable that this relationship is established.

図5から図7に、焦点距離を同一にして曲率半径R、曲率半径Rを変化させたときの、非点収差と、DMD部6の表面部に結像した像面の照度分布を示す。 5 to 7 show the astigmatism and the illuminance distribution of the image plane imaged on the surface portion of the DMD portion 6 when the curvature radius R 1 and the curvature radius R 2 are changed with the same focal length. Show.

図5は第2リレーレンズ部4のレンズ表面4bをミラー面に形成したときの、レンズ表面4aおよびレンズ表面4bの形状、および第2リレーレンズ部4に入射および出射する光束の光路のシミュレーション図である。図5−1は第2リレーレンズ部4のレンズ表面4aを凸状に、レンズ表面4bを平面状に形成し、レンズ表面4aの曲率半径R(以下単に「R」と称する。)>0かつレンズ表面4bの曲率半径R(以下単に「R」と称する。)=∞、すなわちR>R>0である場合の光路のシミュレーション図である。図5−2は第2リレーレンズ部4のレンズ表面4aとレンズ表面4bが同一の曲率半径である凸レンズに形成し、−R=R>0である場合の光路のシミュレーション図である。図5−3は、第2リレーレンズ部4のレンズ裏面を凸状に、レンズ表面4aを平面状に形成し、R=∞かつR<0の場合の光路のシミュレーション図である。図5−1から図5−3までにおいて、第1端面部41は第2リレーレンズ部4に入射する光束の出射される面を模式化したものであり、第2端面部42は第2リレーレンズ部4から出射される光束の照射される面を模式化したものである。すなわち図5−1から図5−3に示す第1端面部41は図1におけるロッドインテグレータ2の出射面2bに対応し、図5−1から図5−3に示す第2端面部42は図1におけるDMD部6の表面部に対応する。また、第1端面部41上の3点からは第2リレーレンズ部4に向けて出射光束43が出射され、第2端面部42上の4点には第2リレーレンズ部4で反射された入射光束44が入射する。なお、図5−1から図5−3の第2リレーレンズ部4の厚み方向(図5−1から図5−3までの左右方向)は最適化されているため、第2リレーレンズ部4の厚さおよび第1端面部41と第2端面部42との間隔はそれぞれ異なった状態で表示されている。 FIG. 5 is a simulation diagram of the shape of the lens surface 4a and the lens surface 4b and the optical path of the light beam incident on and emitted from the second relay lens unit 4 when the lens surface 4b of the second relay lens unit 4 is formed on the mirror surface. It is. 5A, the lens surface 4a of the second relay lens unit 4 is formed in a convex shape, the lens surface 4b is formed in a flat shape, and the curvature radius R 1 of the lens surface 4a (hereinafter simply referred to as “R 1 ”)> FIG. 6 is a simulation diagram of an optical path when 0 and the radius of curvature R 2 of the lens surface 4b (hereinafter simply referred to as “R 2 ”) = ∞, that is, R 2 > R 1 > 0. FIG. 5B is a simulation diagram of the optical path when the lens surface 4a and the lens surface 4b of the second relay lens unit 4 are formed on a convex lens having the same radius of curvature, and −R 2 = R 1 > 0. FIG. 5C is a simulation diagram of the optical path when the rear surface of the second relay lens unit 4 is convex and the lens surface 4a is planar, and R 1 = ∞ and R 2 <0. In FIGS. 5A to 5C, the first end surface portion 41 is a schematic view of the surface from which the light beam incident on the second relay lens portion 4 is emitted, and the second end surface portion 42 is the second relay. This is a schematic view of a surface irradiated with a light beam emitted from the lens unit 4. That is, the first end surface portion 41 shown in FIGS. 5-1 to 5-3 corresponds to the emission surface 2b of the rod integrator 2 in FIG. 1, and the second end surface portion 42 shown in FIGS. 1 corresponds to the surface portion of the DMD portion 6 in FIG. Further, the emitted light beam 43 is emitted from the three points on the first end surface portion 41 toward the second relay lens portion 4, and is reflected by the second relay lens portion 4 on the four points on the second end surface portion 42. An incident light beam 44 enters. Since the thickness direction of the second relay lens unit 4 in FIGS. 5-1 to 5-3 (the horizontal direction from FIGS. 5-1 to 5-3) is optimized, the second relay lens unit 4 is optimized. The thickness and the distance between the first end surface portion 41 and the second end surface portion 42 are displayed in different states.

図5−1から図5−3を対比すると、図5−1においては、入射光束44はいずれも第2端面部42上で略一点にほぼ収束しているのに対し、図5−2および図5−3においては、入射光束44は第2端面部42上で略一点に収束していない(特に一番下および下から3番目の入射光束44に顕著にみられる。)。したがって、図5−1から図5−3までに示すシミュレーション結果においては、図5−1の状態が第2端面部42における非点収差が生じにくいことが判る。   When comparing FIG. 5A to FIG. 5C, in FIG. 5A, the incident light beam 44 is almost converged at one point on the second end face portion 42, whereas FIG. In FIG. 5C, the incident light beam 44 is not converged to substantially one point on the second end face portion 42 (particularly seen in the third and lowermost incident light beam 44 from the bottom). Therefore, in the simulation results shown in FIG. 5A to FIG. 5C, it can be seen that the state of FIG. 5A hardly causes astigmatism in the second end face portion 42.

図6は、第2リレーレンズ部4のレンズ表面4bをミラー面に形成したときの、レンズ表面4aおよびレンズ表面4bの形状と、メリジオナル面およびサジタル面の結像位置とを示すシミュレーション図である。図6−1は、第2リレーレンズ部4の曲率半径が図6−1の場合と同じくR>R>0である場合のメリジオナル面およびサジタル面の結像位置を示すシミュレーション図であり、図6−2は第2リレーレンズ部4の曲率半径が図5−2の場合と同じく−R=R>0である場合のメリジオナル面およびサジタル面の結像位置を示すシミュレーション図であり、図6−3は第2リレーレンズ部4の曲率半径が図5−3の場合と同じくR=∞かつR<0である場合のメリジオナル面およびサジタル面の結像位置を示すシミュレーション図である。図6−1から図6−3までにおいては、x軸(横軸)のパラメータは第2リレーレンズ部4の光軸方向の距離をあらわし、y軸(縦軸)のパラメータは第2リレーレンズ部4の光軸に対し垂直方向の距離をあらわしている。図6−1から図6−3において、メリジオナル面の値とサジタル面の値とが一致していれば、結像した像には非点収差が発生しないことを示し、メリジオナル面の値とサジタル面の値との間にずれが生じていれば、結像した像にはずれの大きさに依存した非点収差が生じていることを示している。 FIG. 6 is a simulation diagram illustrating the shapes of the lens surface 4a and the lens surface 4b and the image formation positions of the meridional surface and the sagittal surface when the lens surface 4b of the second relay lens unit 4 is formed as a mirror surface. . FIG. 6A is a simulation diagram illustrating the image formation positions of the meridional surface and the sagittal surface when the radius of curvature of the second relay lens unit 4 is R 2 > R 1 > 0 as in FIG. 6A. FIG. 6B is a simulation diagram showing the imaging positions of the meridional surface and the sagittal surface when the radius of curvature of the second relay lens unit 4 is −R 2 = R 1 > 0 as in FIG. 5B. FIG. 6-3 is a simulation showing the image formation positions of the meridional surface and the sagittal surface when the radius of curvature of the second relay lens unit 4 is R 1 = ∞ and R 2 <0, as in FIG. 5-3. FIG. In FIGS. 6A to 6C, the x-axis (horizontal axis) parameter represents the distance in the optical axis direction of the second relay lens unit 4, and the y-axis (vertical axis) parameter represents the second relay lens. The distance in the direction perpendicular to the optical axis of the portion 4 is shown. In FIGS. 6A to 6C, if the value of the meridional surface and the value of the sagittal surface coincide with each other, it indicates that astigmatism does not occur in the formed image, and the value of the meridional surface and the sagittal surface If there is a deviation from the surface value, it indicates that the image formed has astigmatism depending on the magnitude of the deviation.

図6−1から図6−3までを対比すると、図6−1においてはメリジオナル面の曲線とサジタル面の曲線とはほぼ同一の形状であってほぼ完全に重なっているのに対し、図6−2および図6−3においてはメリジオナル面の曲線とサジタル面の曲線とはx軸方向およびy軸方向の値の大きさに依存してずれが生じ曲線同士が徐々に離間していく形状を呈している。したがって、図6−1から図6−3に示すシミュレーション結果においては、図6−1の状態が最もメリジオナル面とサジタル面との光束のずれが少なく、非点収差が少ないことが判る。   Comparing FIGS. 6-1 to 6-3, in FIG. 6-1, the curve of the meridional surface and the curve of the sagittal surface have almost the same shape and almost completely overlap, whereas FIG. -2 and 6-3, the meridional surface curve and the sagittal surface curve are shifted depending on the magnitudes of the values in the x-axis direction and the y-axis direction, and the curves are gradually separated from each other. Presents. Accordingly, in the simulation results shown in FIGS. 6A to 6C, it can be seen that the state of FIG. 6A has the least deviation of the luminous flux between the meridional surface and the sagittal surface and the least astigmatism.

図7は、第2リレーレンズ部4のレンズ表面4bをミラー面に形成したときの、レンズ表面4aおよびレンズ表面4bの形状と、DMD部6の表面部に結像する像の面内照度分布とを示すシミュレーション図である。図7において、太い実線は第2リレーレンズ部4が図5−1および図6−1に示す場合と同様にR>R>0である場合のDMD部6の面内照度分布を示し、点線は第2リレーレンズ部4が図5−2および図6−2に示す場合と同様に−R=R>0である場合のDMD部6の面内照度分布を示し、細い実線は第2リレーレンズ部4が図5−3および図6−3に示す場合と同様にR<0かつR=∞である場合のDMD部6の面内照度分布を示している。図7においては、横軸が基準点(光束が照射されるDMD部6の略中央部分)からの距離を−1<x<1の間で正規化した値を示し、縦軸がDMD部6における照度を0<y<1の間で正規化した値を示している。面内照度分布を示す線は、線の立ち上がりと立ち下がりが垂直に近いほど面内照度分布が均一に近く、照度ムラが生じていないことを示している。 7 shows the shape of the lens surface 4a and the lens surface 4b and the in-plane illuminance distribution of the image formed on the surface portion of the DMD portion 6 when the lens surface 4b of the second relay lens portion 4 is formed on the mirror surface. FIG. In FIG. 7, the thick solid line shows the in-plane illuminance distribution of the DMD unit 6 when the second relay lens unit 4 is R 2 > R 1 > 0 as in the case of FIGS. 5A and 5B. The dotted line shows the in-plane illuminance distribution of the DMD unit 6 when the second relay lens unit 4 is −R 2 = R 1 > 0, as in the case shown in FIGS. Shows the in-plane illuminance distribution of the DMD unit 6 when the second relay lens unit 4 is R 2 <0 and R 1 = ∞ as in the cases shown in FIGS. 5-3 and 6-3. In FIG. 7, the horizontal axis indicates a value obtained by normalizing the distance from the reference point (substantially central portion of the DMD unit 6 to which the light beam is irradiated) between −1 <x <1, and the vertical axis indicates the DMD unit 6. The value obtained by normalizing the illuminance at 0 <y <1 is shown. The line indicating the in-plane illuminance distribution indicates that the in-plane illuminance distribution is more uniform and the illuminance unevenness does not occur as the rise and fall of the line are closer to the vertical.

図7においては、R>R>0の場合の面内照度分布の曲線が、最も立ち上がりと立ち下がりが垂直に近く、−R=R>0である場合、R=∞かつR<0である場合の順に立ち上がりと立ち下がりが垂直でなくなっている。図7に示すシミュレーション結果により、第2リレーレンズ部4がR>R>0の場合すなわち(4)式の関係を満たす場合にDMD部6の面内照度分布が最も均一化し、照度ムラが生じないことが判る。 In FIG. 7, the curve of the in-plane illuminance distribution in the case of R 2 > R 1 > 0 shows that when the rising and falling edges are almost vertical and −R 2 = R 1 > 0, R 1 = ∞ and The rise and fall are not vertical in the order of R 2 <0. According to the simulation results shown in FIG. 7, the in-plane illuminance distribution of the DMD unit 6 is most uniform when the second relay lens unit 4 satisfies R 2 > R 1 > 0, that is, when the relationship of the expression (4) is satisfied. It turns out that does not occur.

図5から図7までの結果からも、第2リレーレンズ部4において上記(4)式の関係が成立するように曲率半径R、Rを決定したほうが、非点収差の影響が少なく、かつDMD部6の表面部における像面の照度分布が良くなることが確認できる。 From the results of FIG. 5 to FIG. 7 also, it is less influenced by astigmatism when the curvature radii R 1 and R 2 are determined so that the relationship of the above expression (4) is established in the second relay lens unit 4. In addition, it can be confirmed that the illuminance distribution on the image plane in the surface portion of the DMD portion 6 is improved.

なお、上記(4)式は光学的見地のみに基づく結果であり、実際の光学照明系においては光学系以外の要因が加味され上記(4)式が修正されて適用される場合もある。たとえば第2リレーレンズ部4のレンズ表面4bにダイクロイックミラーを蒸着してミラー面を形成する場合には、蒸着面にカーブがあるよりも平面である方が膜厚ムラなどの問題が生じることなく高品位のミラー面を形成できるため、R=∞かつR>0であることが品質の高い照明光学系を形成するうえで最適となる。 Note that the above formula (4) is a result based only on the optical viewpoint, and in the actual optical illumination system, the above formula (4) may be modified and applied in consideration of factors other than the optical system. For example, when a dichroic mirror is vapor-deposited on the lens surface 4b of the second relay lens unit 4 to form a mirror surface, a flat surface rather than a curve on the vapor-deposited surface causes no problems such as film thickness unevenness. Since a high-quality mirror surface can be formed, R 2 = ∞ and R 1 > 0 is optimal for forming a high-quality illumination optical system.

ここで、本実施の形態に係る照明光学系1Bの結像倍率と光路長との関係について検討する。   Here, the relationship between the imaging magnification and the optical path length of the illumination optical system 1B according to the present embodiment will be examined.

図8に、図1に示す本発明の本実施の形態に係る照明光学系1Bの結像倍率に対する光路長と、図10に示す従来の照明光学系100Bにおける結像倍率に対する光路長とのシミュレーション結果を示す。図8においては、横軸が結像倍率を示し、縦軸が光路長を示し、点線のグラフは従来の照明光学系100Bのシミュレーション結果を示し、実線のグラフは本発明に係る照明光学系1Bのシミュレーション結果を示している。なお、図8においては、両グラフは図10に示す従来の照明光学系100Bの結像倍率β=1のときの光路長を1に規格化した値として示されている。   FIG. 8 shows a simulation of the optical path length with respect to the imaging magnification of the illumination optical system 1B according to the present embodiment shown in FIG. 1 and the optical path length with respect to the imaging magnification in the conventional illumination optical system 100B shown in FIG. Results are shown. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the imaging magnification, the vertical axis indicates the optical path length, the dotted line graph indicates the simulation result of the conventional illumination optical system 100B, and the solid line graph indicates the illumination optical system 1B according to the present invention. The simulation results are shown. In FIG. 8, both graphs are shown as values obtained by normalizing the optical path length to 1 when the imaging magnification β = 1 of the conventional illumination optical system 100B shown in FIG.

図8のシミュレーション結果によると、本発明に係る照明光学系1Bは、結像倍率をβとしたとき、β≦1.5のときに従来の照明光学系100Bよりも光路長が短くなっている。したがって、本発明に係る照明光学系1Bの装置の大きさは、結像倍率β≦1.5のときに従来の照明光学系100Bよりも小型に形成できることがわかる。   According to the simulation result of FIG. 8, the illumination optical system 1B according to the present invention has an optical path length shorter than that of the conventional illumination optical system 100B when β ≦ 1.5, when the imaging magnification is β. Therefore, it can be seen that the size of the illumination optical system 1B according to the present invention can be made smaller than the conventional illumination optical system 100B when the imaging magnification β ≦ 1.5.

以上、本実施の形態に係る照明光学系1Bにおいては、第1リレーレンズ部3、第2リレーレンズ部4、フィールドレンズ部5の3枚のレンズから構成し、そのうち光路上2番目のレンズである第2リレーレンズ部4をミラーレンズ部とすることにより、ロッドインテグレータ2からDMD部6の表面部に対する結像倍率が低くても、レンズ相互間の焦点距離を短く形成することができ、投射型照明装置1Aや照明光学系1Bの装置を小型に形成することができる。   As described above, the illumination optical system 1B according to the present embodiment includes the three lenses of the first relay lens unit 3, the second relay lens unit 4, and the field lens unit 5, of which the second lens on the optical path is the second lens. By using a certain second relay lens unit 4 as a mirror lens unit, the focal length between the lenses can be shortened even when the imaging magnification from the rod integrator 2 to the surface of the DMD unit 6 is low. The device of the mold illumination device 1A and the illumination optical system 1B can be formed in a small size.

本実施の形態に係る照明光学系1Bにおいては、第2リレーレンズ部4のレンズ表面4aの曲率半径をRとし、レンズ表面4bの曲率半径をRとしたとき、|R|>R>0とすることにより、非点収差の発生を防止し、輝度ムラやコントラストムラの発生を防止してDMD部6の表面部やスクリーンなど光束照射面における照度ムラの発生を防止することができる。また、|R|>R>0とすることにより、少ないレンズ枚数でも結像性能を向上させることができるので、照明光学系1Bや投射型照明装置1Aの装置を小型化するために有利になる。 In the illumination optical system 1B according to this embodiment, the radius of curvature of the second lens surface 4a of the relay lens unit 4 and R 1, when the radius of curvature of the lens surface 4b was R 2, | R 2 |> R By setting 1 > 0, it is possible to prevent the generation of astigmatism, the generation of luminance unevenness and contrast unevenness, and the generation of uneven illumination on the light beam irradiation surface such as the surface of the DMD unit 6 or the screen. it can. Also, by setting | R 2 |> R 1 > 0, the imaging performance can be improved even with a small number of lenses, which is advantageous for downsizing the illumination optical system 1B and the projection illumination device 1A. become.

本実施の形態に係る照明光学系1Bにおいては、結像倍率βをβ≦1.5とすることにより、照明光学系1Bの光路長を従来の照明光学系100Bよりも短く形成することができ、照明光学系1Bや投射型照明装置1Aの装置の光路長方向の大きさを小型に形成することができる。   In the illumination optical system 1B according to the present embodiment, by setting the imaging magnification β to β ≦ 1.5, the optical path length of the illumination optical system 1B can be formed shorter than that of the conventional illumination optical system 100B. The size of the optical system 1B and the projection illumination device 1A in the optical path length direction can be reduced.

本実施の形態に係る照明光学系1Bにおいては、絞り位置を光路上2番目のレンズである第2リレーレンズ部4の近傍に設けることにより、レンズ相互間の焦点距離を短く形成し照明光学系1Bおよび投射型照明装置1Aを小型に形成することが可能になる。   In the illumination optical system 1B according to the present embodiment, the diaphragm position is provided in the vicinity of the second relay lens unit 4 which is the second lens on the optical path, so that the focal distance between the lenses is shortened, and the illumination optical system. 1B and the projection type illumination device 1A can be formed in a small size.

なお、図1に示す本実施の形態に係る照明光学系1Bにおいては、第2リレーレンズ部4のレンズ表面4aをすべて同一の曲率半径に形成したが、これに限定されず、図9に示すように、第2リレーレンズ部4における光束の入射位置と光束の出射位置とを完全に分離し、レンズ表面4aの表面形状を、光束が入射する光束入射面4cと光束が出射する光束出射面4dとが異なる曲率半径を有する複合曲面に形成することもできる。   In the illumination optical system 1B according to the present embodiment shown in FIG. 1, the lens surfaces 4a of the second relay lens unit 4 are all formed to have the same radius of curvature. However, the present invention is not limited to this and is shown in FIG. As described above, the incident position of the light beam and the emission position of the light beam in the second relay lens unit 4 are completely separated, and the surface shape of the lens surface 4a is changed to the light beam incident surface 4c where the light beam is incident and the light beam output surface where the light beam is emitted. It can also be formed as a compound curved surface having a curvature radius different from 4d.

図9に示すように、レンズ表面4aの曲率半径を光束入射面4cと光束出射面4dとで異ならせることにより、第2リレーレンズ部4における非点収差などの各種収差の抑止効果を高めることができる。また、レンズ表面が均等な曲率半径である場合よりも光を集光するパワーを自由に調整できるので、第2リレーレンズ部4を形成する材料に一層の選択の幅を持たせることができる。   As shown in FIG. 9, the effect of suppressing various aberrations such as astigmatism in the second relay lens unit 4 is enhanced by making the curvature radius of the lens surface 4a different between the light beam incident surface 4c and the light beam output surface 4d. Can do. In addition, since the power for condensing light can be freely adjusted as compared with the case where the lens surface has a uniform curvature radius, the material forming the second relay lens portion 4 can have a further selection range.

なお、図1に示す、本実施の形態に係る投射型表示装置1Aにおいては光源部1にLEDを用いた光源を用いたが、これに限定されず、図2に示す従来例と同様に、白色光を発する超高圧水銀ランプ等を光源部に用いてもよい。   In the projection display device 1A according to the present embodiment shown in FIG. 1, a light source using LEDs is used for the light source unit 1, but the present invention is not limited to this, as in the conventional example shown in FIG. An ultra-high pressure mercury lamp that emits white light may be used for the light source unit.

また、図1および図2に示す、本実施の形態に係る照明光学系1Bにおいては、第2レンズ部のミラー面は第2リレーレンズ部4のレンズ裏面4bに金属を蒸着して形成したが、ミラー面は第2リレーレンズ部4に接合されていなくてもよく、第2リレーレンズ部4と別個にミラー面が設けられた構成とし、第2リレーレンズ部4のレンズ表面4aから入射した光束がレンズ裏面4bから出射してミラー面に反射するものとしてもよい。   In the illumination optical system 1B according to the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the mirror surface of the second lens unit is formed by vapor-depositing metal on the lens back surface 4b of the second relay lens unit 4. The mirror surface does not have to be joined to the second relay lens unit 4, and the mirror surface is provided separately from the second relay lens unit 4, and is incident from the lens surface 4 a of the second relay lens unit 4. The light beam may be emitted from the lens back surface 4b and reflected on the mirror surface.

また、図1および図2に示す、本実施の形態に係る照明光学系1Bにおいては、ロッドインテグレータ2の出射面2bにRGBのカラーホイールを設けない構成としたが、図2に示す従来例と同様にカラーホイールを設けた構成としてもよい。特に光源部に白色光を用いる場合には、図2に示す従来例と同様にカラーホイールを設けた方が光束の量やRGBごとの階調の制御を容易に行える点で望ましい。   In addition, in the illumination optical system 1B according to the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the RGB color wheel is not provided on the exit surface 2b of the rod integrator 2, but the conventional example shown in FIG. Similarly, a configuration in which a color wheel is provided may be employed. In particular, when white light is used for the light source unit, it is desirable to provide a color wheel as in the conventional example shown in FIG. 2 because the amount of light flux and gradation for each RGB can be easily controlled.

本発明は、投射型表示装置に利用可能である。   The present invention is applicable to a projection display device.

本発明の一実施の形態に係る投射型表示装置の構成概略図である。1 is a schematic configuration diagram of a projection display device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態に係る照明光学系の上面図および右側面図の構成概略図である。It is the structure schematic of the top view and right view of the illumination optical system which concerns on one embodiment of this invention. 同上照明光学系のDMD部の概略を示す部分拡大図である。It is the elements on larger scale which show the outline of DMD part of an illumination optical system same as the above. 本発明の一実施の形態に係る投射型表示装置の光源部の拡大図である。It is an enlarged view of the light source part of the projection type display apparatus which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る照明光学系において、第2リレーレンズ部のレンズ表面およびレンズ表面の形状と、第2リレーレンズ部に入射および出射する光束の光路のシミュレーション図である。In the illumination optical system according to an embodiment of the present invention, the lens surface of the second relay lens unit and the shape of the lens surface, and a simulation diagram of the optical path of the light beam entering and exiting the second relay lens unit. 同上照明光学系において、第2リレーレンズ部のレンズ表面およびレンズ表面の形状と、メリジオナル面およびサジタル面の結像位置とを示すシミュレーション図である。FIG. 6 is a simulation diagram showing the lens surface of the second relay lens unit and the shape of the lens surface and the image formation positions of the meridional surface and the sagittal surface in the illumination optical system. 同上照明光学系において、レンズ表面およびレンズ表面の形状と、DMD部の表面部に結像する像の面内照度分布を示すシミュレーション図である。FIG. 3 is a simulation diagram showing the lens surface, the shape of the lens surface, and the in-plane illuminance distribution of the image formed on the surface of the DMD part in the illumination optical system. 本発明に係る照明光学系の結像倍率に対する光路長と、従来の照明光学系における結像倍率に対する光路長とのシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the optical path length with respect to the imaging magnification of the illumination optical system which concerns on this invention, and the optical path length with respect to the imaging magnification in the conventional illumination optical system. 本発明に係る照明光学系の第2リレーレンズを複合曲面に形成した場合の構成概略図である。It is the structure schematic when the 2nd relay lens of the illumination optical system which concerns on this invention is formed in a compound curved surface. 従来の投射型照明装置および従来の照明光学系の構成概略図である。It is the structure schematic of the conventional projection type illuminating device and the conventional illumination optical system. 光学系のレンズにおける焦点距離と結像倍率との関係の原理図である。It is a principle figure of the relationship between the focal distance and imaging magnification in the lens of an optical system.

符号の説明Explanation of symbols

1A・・・投射型表示装置、1B・・・照明光学系、1・・・光源部、
2・・・ロッドインテグレータ(インテグレータ部)、2b・・・出射面、3・・・第1リレーレンズ(第1レンズ部)、4・・・第2リレーレンズ(第2レンズ部)、4a・・・レンズ表面、4b・・・レンズ裏面、4c・・・光束入射面、4d・・・光束出射面、5・・・フィールドレンズ部(第3レンズ部)、6・・・DMD部(反射型表示素子部)、7・・・投射レンズ、100A・・・投射型表示装置、1B・・・照明光学系、101・・・光源部、103・・・インテグレータ部、105・・・第1リレーレンズ部(第1レンズ部)、106・・・第2リレーレンズ部(第2レンズ部)、107・・・フィールドレンズ部(第3レンズ部)、108・・・DMD部(反射型表示素子部)。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A ... Projection type display apparatus, 1B ... Illumination optical system, 1 ... Light source part,
2 ... Rod integrator (integrator part), 2b ... Outgoing surface, 3 ... First relay lens (first lens part), 4 ... Second relay lens (second lens part), 4a ..Lens surface, 4b... Lens back surface, 4c... Light beam incident surface, 4d... Light beam exit surface, 5... Field lens part (third lens part), 6. Type display element unit), 7 ... projection lens, 100A ... projection type display device, 1B ... illumination optical system, 101 ... light source unit, 103 ... integrator unit, 105 ... first. Relay lens part (first lens part), 106 ... second relay lens part (second lens part), 107 ... field lens part (third lens part), 108 ... DMD part (reflection display) Element part).

Claims (9)

光源部から発せられた光束を導光する光路の一部にレンズ表面から入射した光束をレンズ裏面で反射し前記レンズ表面から出射させるミラーレンズ部を設けた光学系と、
前記光学系により導光された前記光束の照射を受ける反射型表示素子と
を有することを特徴とする照明光学系。
An optical system provided with a mirror lens unit that reflects the light beam incident from the lens surface to the part of the optical path that guides the light beam emitted from the light source unit, and emits the light from the lens surface;
An illumination optical system, comprising: a reflective display element that receives irradiation of the light beam guided by the optical system.
光源部から発せられた光束の照度分布を均一化させて出射するインテグレータ部と、
前記インテグレータ部から出射された前記光束を導光する光学系と、
前記光学系により導光された前記光束の照射を受ける反射型表示素子部と、
を有する照明光学系において、
前記光学系は複数のレンズ部を備え、前記複数のレンズ部のうち少なくとも1のレンズ部は、レンズ表面から入射した前記光束を反射する反射手段をレンズ裏面に備え、前記反射手段により反射された前記光束を前記レンズ表面から出射させるミラーレンズ部を有することを特徴とする照明光学系。
An integrator that emits light with a uniform illuminance distribution of the light emitted from the light source;
An optical system for guiding the light beam emitted from the integrator unit;
A reflective display element that receives irradiation of the light beam guided by the optical system;
In an illumination optical system having
The optical system includes a plurality of lens units, and at least one lens unit of the plurality of lens units includes a reflecting unit that reflects the light beam incident from the lens surface on the lens back surface, and is reflected by the reflecting unit. An illumination optical system comprising a mirror lens portion for emitting the light beam from the lens surface.
前記光学系は前記光源部から発せられる前記光束の光路に沿って順番に第1レンズ部、第2レンズ部、第3レンズ部を備え、前記第2レンズ部は前記ミラーレンズ部であることを特徴とする請求項1又は2に記載の照明光学系。   The optical system includes a first lens unit, a second lens unit, and a third lens unit in order along an optical path of the light beam emitted from the light source unit, and the second lens unit is the mirror lens unit. The illumination optical system according to claim 1 or 2, characterized in that 前記レンズ表面における曲率半径をRとし、前記レンズ裏面における曲率半径をRとしたとき、|R|>R>0であることを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の照明光学系。 The radius of curvature at the lens surface and R 1, when the radius of curvature at the lens rear surface and the R 2, | R 2 |> any one of claims 1, wherein R 1> is 0 to 3 The illumination optical system according to Item. 前記インテグレータ部の出射面での照明サイズに対する前記反射型表示素子の表面部における照明サイズの比である結像倍率をβとしたとき、β≦1.5であることを特徴とする請求項2から4までのいずれか1項に記載の照明光学系。   5. The imaging magnification, which is the ratio of the illumination size at the surface portion of the reflective display element to the illumination size at the exit surface of the integrator unit, is β ≦ 1.5, where β ≦ 1.5. The illumination optical system according to any one of the above. 前記第3レンズ部は絞り機能を有するフィールドレンズ部であることを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載の照明光学系。   The illumination optical system according to claim 1, wherein the third lens unit is a field lens unit having a diaphragm function. 前記ミラーレンズ部の前記レンズ表面又は前記レンズ裏面のうち少なくとも一方の面は非球面に形成したことを特徴とする請求項3から6までのいずれか1項に記載の照明光学系。   The illumination optical system according to any one of claims 3 to 6, wherein at least one of the lens front surface and the lens back surface of the mirror lens portion is aspherical. 前記ミラーレンズ部の前記レンズ表面と前記レンズ裏面とが異なる曲率を有する複合曲面を形成することを特徴とする請求項7に記載の照明光学系。   The illumination optical system according to claim 7, wherein the lens front surface and the lens back surface of the mirror lens portion form a complex curved surface having different curvatures. 光源部と、
前記光源部から発せられた光束を導光する光路の一部にレンズ表面から入射した光束をレンズ裏面で反射し前記レンズ表面から出射させるミラーレンズ部を設けた光学系と、
前記光学系により導光された前記光束の照射を受けて結像する照射面を備えた反射型表示素子と、
を有することを特徴とする投射型表示装置。
A light source unit;
An optical system provided with a mirror lens unit that reflects the light beam incident from the lens surface to a part of the optical path that guides the light beam emitted from the light source unit and emits the light from the lens surface;
A reflective display element having an irradiation surface that forms an image upon irradiation with the light beam guided by the optical system;
A projection type display device comprising:
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