JP2007298898A - Illumination optical device - Google Patents
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Description
本発明は、ロッドインテグレータを用いた照明光学装置に関し、より詳細には、対象物に均一な光を照射するための技術に関する。 The present invention relates to an illumination optical apparatus using a rod integrator, and more particularly to a technique for irradiating an object with uniform light.
従来の照明光学装置において、光源から出射された光をコリメートレンズ、ダイクロイックプリズムや、集光レンズを用いてロッドインテグレータへ集光し、集光された光はロッドインテグレータから出射された後、リレーレンズ部、投射レンズ部により投影される構成となっている。その中で、照明むらなく均一に光を投影するために用いられるロッドインテグレータをコンパクト化、且つ高輝度化を図る目的で、不要な外周光束を取込めるような切欠き凸形状を入射端及び出射端に設ける技術が開示されている。(例えば、特許文献1参照。)
しかしながら、LEDや半導体レーザー(以下、LDと称す)等の矩形開口を有する面発光光源を用いた場合、ロッドインテグレータの入射側矩形開口寸法に合うようなスポット形状で集光させることができるために、前記従来の構成では、不要な外周光束が無くなる為にその効果を失い、ロッドインテグレータ出射光の十分な均一化が図れないという課題を有していた。 However, when a surface-emitting light source having a rectangular opening such as an LED or a semiconductor laser (hereinafter referred to as LD) is used, it can be focused in a spot shape that matches the rectangular opening size of the incident side of the rod integrator. However, the conventional configuration has a problem that unnecessary outer peripheral luminous flux is lost, so that the effect is lost, and sufficient uniformity of the emitted light from the rod integrator cannot be achieved.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、LEDやLD等の矩形開口を有する面発光光源から出射され、ロッドインテグレータ有効入射面内に集光される矩形スポットに対して、ロッドインテグレータ内での反射回数を増やすことで、全長が短くてもロッドインテグレータから出る照明光の照度むらを均一にすることができ、コンパクトな照明光学装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems. In the rod integrator, a rectangular spot emitted from a surface-emitting light source having a rectangular opening such as an LED or an LD and condensed in the rod integrator effective incident surface is provided. The object is to provide a compact illumination optical device that can make the illuminance unevenness of the illumination light emitted from the rod integrator uniform even when the total length is short, by increasing the number of reflections at.
前記従来の課題を解決するために本発明の照明光学装置は、光源と光源からの出射光束を集光する集光レンズ部と、集光された光束を導光するロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータから出射される光束を照射するためのリレーレンズ部と、前記リレーレンズ部の照射光から生成された画像を画像表示手段に投射する投射レンズ部とで構成され、前記ロッドインテグレータは、ロッドインテグレータ入射端面から入射面外周部に向かって、光軸を中心にした任意の角度を有するテーパ部が形成されることを特徴とするものである。 In order to solve the above-described conventional problems, an illumination optical apparatus according to the present invention includes a light source, a condensing lens unit that condenses the emitted light beam from the light source, a rod integrator that guides the collected light beam, and the rod integrator. A relay lens unit for irradiating a light beam emitted from the relay lens unit, and a projection lens unit for projecting an image generated from the irradiation light of the relay lens unit onto an image display means. A tapered portion having an arbitrary angle centered on the optical axis is formed from the end surface toward the outer peripheral portion of the incident surface.
さらに照明光学装置において、前記光源はLEDや半導体レーザ等の矩形開口を有する面発光光源を用いることを特徴とするものである。 Further, in the illumination optical device, the light source is a surface emitting light source having a rectangular opening such as an LED or a semiconductor laser.
さらに照明光学装置において、前記ロッドインテグレータにおいて、ロッドインテグレータ最大出射角θ3が投射レンズ部のFナンバーFとリレーレンズ部の結像倍率Mを用いて次の数式1で規定したことを特徴とするものである。 Further, in the illumination optical apparatus, in the rod integrator, the maximum integration angle θ3 of the rod integrator is defined by the following formula 1 using the F number F of the projection lens unit and the imaging magnification M of the relay lens unit. It is.
さらに照明光学装置において、前記ロッドインテグレータにおいて、任意のテーパ部と光軸のなす角度θ1が80度以上90度未満であることを特徴とするものである。 Further, in the illumination optical device, in the rod integrator, an angle θ1 formed by an arbitrary tapered portion and an optical axis is 80 degrees or more and less than 90 degrees.
本発明の照明光学装置によれば、ロッドインテグレータ内での全反射回数を増やすことで、ロッドインテグレータ全長を短くしても出射光の均一化が図れ、照明光学部をコンパクトにすることができる。 According to the illumination optical apparatus of the present invention, by increasing the total number of reflections in the rod integrator, the emitted light can be made uniform even when the rod integrator overall length is shortened, and the illumination optical unit can be made compact.
以下に、本発明の照明光学装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。 Embodiments of an illumination optical apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1にて、本発明の第1の実施例における照明光学装置及び周辺部のブロック図を示す。
図1において、面発光光源1より出射された光は、集光レンズ2によりロッドインテグレータ3に集光され、ロッドインテグレータ3内を多重反射にて伝播後、リレーレンズ4により集光され、画像作成部5によって画像に変換され、投射レンズ6により画像表示手段であるスクリーン7上へ投影される。ここでロッドインテグレータ3は、入射端面外周部に光軸を中心としたテーパ面を設けることにより、内部伝播時の反射回数を増やし、より短い全長で照明むらの均一化を図ることが出来る。
FIG. 1 shows a block diagram of an illumination optical device and a peripheral portion in the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, the light emitted from the surface emitting light source 1 is condensed on the rod integrator 3 by the condensing lens 2, propagated through the rod integrator 3 by multiple reflection, and then condensed by the relay lens 4 to create an image. The image is converted into an image by the unit 5 and projected onto a screen 7 as image display means by the projection lens 6. Here, the rod integrator 3 is provided with a tapered surface centered on the optical axis at the outer peripheral portion of the incident end surface, thereby increasing the number of reflections at the time of internal propagation and achieving uniform illumination unevenness with a shorter overall length.
さらにロッドインテグレータ3について、図2を参照して説明する。
図2(a)に示すように、ロッドインテグレータ3は概ね16:9のスクリーン7表示比率と同等のアスペクト比を持つ長方形開口を有した長方体であり、リレーレンズ4の照射光が効率良く集光できるように、ロッドインテグレータ3の出射端にて、投射レンズ6のFナンバー及び、リレーレンズ4の結像倍率Mの関係により得られる数式1で規定されるロッドインテグレータ3の最大出射角θ3を持つように、ロッドインテグレータ3の入射角θ2に対して、入射端面外周部にはロッドインテグレータロッドインテグレータの入射端面から図2(b)に示すように角度θ1のテーパ部8が設けられている。
Further, the rod integrator 3 will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 2A, the rod integrator 3 is a rectangular parallelepiped having a rectangular opening having an aspect ratio substantially equal to the screen 7 display ratio of 16: 9, and the irradiation light of the relay lens 4 is efficiently obtained. The maximum exit angle θ3 of the rod integrator 3 defined by Equation 1 obtained from the relationship between the F number of the projection lens 6 and the imaging magnification M of the relay lens 4 at the exit end of the rod integrator 3 so that the light can be condensed. 2 with respect to the incident angle θ2 of the rod integrator 3, a tapered portion 8 having an angle θ1 is provided on the outer peripheral portion of the incident end surface as shown in FIG. 2B from the incident end surface of the rod integrator rod integrator. .
また、ロッドインテグレータ3のテーパ角θ1、最大入射角θ2及び、最大出射角θ3は、次式で規定される。 Further, the taper angle θ1, the maximum incident angle θ2, and the maximum emission angle θ3 of the rod integrator 3 are defined by the following equations.
そのため例えば、ロッドインテグレータ3の入射面への最大入射角θ2を12°、屈折率nを1.5、更に投射レンズ6のFナンバーを2.0、リレーレンズ4の結像倍率を1.0とした場合、数式1により算出される最大出射角θ3(=14.5°)を実現するためのロッドインテグレータ3の入射端面外周部のテーパ角度θ1は数式2より約86.5°となる。 Therefore, for example, the maximum incident angle θ2 to the incident surface of the rod integrator 3 is 12 °, the refractive index n is 1.5, the F number of the projection lens 6 is 2.0, and the imaging magnification of the relay lens 4 is 1.0. In this case, the taper angle θ1 of the outer peripheral portion of the incident end surface of the rod integrator 3 for realizing the maximum emission angle θ3 (= 14.5 °) calculated by Equation 1 is about 86.5 ° from Equation 2.
この場合、ロッドインテグレータ3の入射面外周部テーパ形状により、ロッドインテグレータ3内での最大光線伝播角度θ4が、テーパ無し状態での82.1°に対し、80.4°となる。そのため、テーパが無い場合のロッドインテグレータ3の長さに対して、最大83%の長さまで縮小しても、同じ反射回数を得ることができ、照度むらの均一化を図ることができる。 In this case, due to the tapered shape of the outer peripheral portion of the entrance surface of the rod integrator 3, the maximum light propagation angle θ4 in the rod integrator 3 is 80.4 °, compared to 82.1 ° in the non-tapered state. Therefore, the same number of reflections can be obtained even when the length of the rod integrator 3 without a taper is reduced to a maximum of 83%, and the illuminance unevenness can be made uniform.
以上のように、本実施例1においてはロッドインテグレータ3の入射端面外周部に光軸を中心としたテーパ面を設けることにより、ロッドインテグレータ3内での光線の伝播角度に変化を与え、同じ反射回数でもロッドインテグレータ3全長を短くすることができ、さらに照明光学装置をコンパクトにすることができる。 As described above, in the first embodiment, by providing the tapered surface with the optical axis as the center at the outer peripheral portion of the incident end surface of the rod integrator 3, the propagation angle of the light beam in the rod integrator 3 is changed and the same reflection is performed. The total length of the rod integrator 3 can be shortened even by the number of times, and the illumination optical device can be made compact.
また、本実施例1のロッドインテグレータ3入射面に回折格子(フレネル形状が望ましい)を設けることによっても、ロッドインテグレータ3内での光の伝播角度を変えることができるため、多重反射回数を増加させ、短い全長でも照度むらの均一化を図ることもできる。 Also, by providing a diffraction grating (Fresnel shape is desirable) on the entrance surface of the rod integrator 3 of the first embodiment, the propagation angle of light in the rod integrator 3 can be changed, so that the number of multiple reflections is increased. Even with a short overall length, the illuminance unevenness can be made uniform.
本発明にかかる照明光学装置は、全長が短くてもロッドインテグレータから出る照明光の照度むらを均一にすることができ、特にLEDやLD等の矩形開口を有する面発光光源を用いた画像表示装置などに有用である。 The illumination optical device according to the present invention can make the illuminance unevenness of the illumination light emitted from the rod integrator uniform even when the total length is short, and in particular, an image display device using a surface-emitting light source having a rectangular opening such as an LED or LD It is useful for such as.
1 面発光光源
2 集光レンズ
3 ロッドインテグレータ
4 リレーレンズ
5 画像生成部
6 投射レンズ
7 スクリーン
8 テーパー部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Surface emitting light source 2 Condensing lens 3 Rod integrator 4 Relay lens 5 Image generation part 6 Projection lens 7 Screen 8 Taper part
Claims (4)
集光された光束を導光するロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータから出射される光束を照射するためのリレーレンズ部と、
前記リレーレンズ部の照射光から生成された画像を画像表示手段に投射する投射レンズ部とで構成され、
前記ロッドインテグレータは、ロッドインテグレータ入射端面から入射面外周部に向かって、光軸を中心にした任意の角度を有するテーパ部が形成される、
ことを特徴とする照明光学装置。 A condensing lens unit that condenses the light source and the light beam emitted from the light source;
A rod integrator that guides the collected light flux;
A relay lens unit for irradiating a light beam emitted from the rod integrator;
A projection lens unit that projects an image generated from the irradiation light of the relay lens unit onto an image display unit;
The rod integrator is formed with a taper portion having an arbitrary angle centered on the optical axis from the incident end surface of the rod integrator toward the outer peripheral portion of the incident surface.
An illumination optical device.
ことを特徴とする請求項1に記載の照明光学装置。 The light source uses a surface emitting light source having a rectangular opening such as an LED or a semiconductor laser,
The illumination optical apparatus according to claim 1.
4. The illumination optical apparatus according to claim 3, wherein in the rod integrator, an angle θ <b> 1 formed by an arbitrary tapered portion and an optical axis is 80 degrees or more and less than 90 degrees.
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