JP2008026793A - Image projection device - Google Patents

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JP2008026793A JP2006202043A JP2006202043A JP2008026793A JP 2008026793 A JP2008026793 A JP 2008026793A JP 2006202043 A JP2006202043 A JP 2006202043A JP 2006202043 A JP2006202043 A JP 2006202043A JP 2008026793 A JP2008026793 A JP 2008026793A
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Junichi Yazawa
純一 矢澤
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Ricoh Co Ltd
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Ricoh Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image projection device using an optical element having a free curved surface as a light condensing optical system which condenses and irradiates an optical modulation unit for forming an image with illuminating luminous flux from a light source unit. <P>SOLUTION: The illuminating luminous fluxes 3 from a plurality of light sources 2 are condensed to almost one point on a projection lens 8 to form a small light source image 9. The lens 6 having the free curved surface is used as a light condensing element. The free curved surface is used for a reflection mirror for condensing light. The illuminating luminous fluxes from the plurality of light sources 2 are condensed to almost one point on the projection lens 8 to form the small light source image 9. The reflection mirror 10 having the free curved surface is used as a light condensing element. In reflection, the same reflection angle is obtained to all the wavelengths differently from refraction by a lens. The illuminating luminous fluxes emitted from the respective light sources 2 of the light source unit 4 are reflected by two concave mirrors 8a having the free curved surface, and then irradiated the optical modulation unit 7 and condensed to almost one point on the projection lens 8 to form the small light source image 9. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、照明光学系における画像投影装置に関する。   The present invention relates to an image projection apparatus in an illumination optical system.

近年、パソコンやテレビの画像を大画面で表示したい、綺麗な画像を表示したいなどのニーズの高まりに伴い、液晶関連の技術発展を背景に、プロジェクタなどの、画像投影装置の高性能化が求められる。プロジェクタを高性能化することは、高画質化、小型化、軽量化につながる。これらに伴い、主に期待されているのは、画面の明るさの向上であり、照明光学系に関して、光の利用効率の向上を目指して様々な技術が開発されてきた。   In recent years, with the growing needs for displaying images on personal computers and televisions on large screens and for displaying beautiful images, with the development of liquid crystal technology, it is necessary to improve the performance of image projection devices such as projectors. It is done. Increasing projector performance leads to higher image quality, smaller size, and lighter weight. Along with these, what is mainly expected is improvement of the brightness of the screen, and various techniques have been developed with the aim of improving the light utilization efficiency with respect to the illumination optical system.

例えば、特許文献1では、良好な光学機能を保持しつつ量産性やコスト面で有利であり、薄型で光学部品がコンパクトな大画面の斜め投影光学系および画像投影装置を提案している。   For example, Patent Document 1 proposes a large-screen oblique projection optical system and image projection apparatus that are advantageous in terms of mass productivity and cost while maintaining a good optical function, and that are thin and have compact optical components.

また、特許文献2では、投射画面の大画面化を図り、投射装置外の投影空間を縮小するために、反射鏡を含む結像光学系を採用し、色収差も補正可能な投射光学系およびこのような投射光学系を用いる拡大投射光学系および画像投射装置を提案している。   Further, in Patent Document 2, in order to enlarge the projection screen and reduce the projection space outside the projection apparatus, an imaging optical system including a reflecting mirror is employed, and a projection optical system capable of correcting chromatic aberration, and this An enlargement projection optical system and an image projection apparatus using such a projection optical system are proposed.

また、特許文献3では、10度以上の開き角を持って発する光束が、その基準軸近傍にある第1の光学系と、その基準軸近傍において光束の発散作用を有する第2の光学系とを通過し、光束が第1光学系を通過する位置に応じて、使用する光学素子の種類に関わらず半角60度以上の広画角で歪みの少ない斜入結像光学系を提案している。   Further, in Patent Document 3, a light beam emitted with an opening angle of 10 degrees or more is a first optical system in the vicinity of the reference axis, and a second optical system having a diverging action of the light beam in the vicinity of the reference axis. And an oblique imaging optical system with a wide field angle of 60 degrees or more and a small distortion regardless of the type of optical element used according to the position where the light beam passes through the first optical system. .

また、特許文献4では、反射曲面を有する第1の光学成分と、第1光学成分よりも縮小側に配置された第2光学成分とを有し、縮小側から拡大側にトレースするとき、第2光学成分は、第1光学成分よりも拡大側に縮小側共役点を形成し、所望の変倍比を得つつ、倍率色収差等の諸収差の発生を抑制しコンパクトな構成の変倍光学系を提案している。   In Patent Document 4, the first optical component having a reflection curved surface and the second optical component arranged on the reduction side with respect to the first optical component, and when tracing from the reduction side to the enlargement side, The second optical component forms a reduction-side conjugate point on the enlargement side with respect to the first optical component, obtains a desired zoom ratio, suppresses the occurrence of various aberrations such as lateral chromatic aberration, and has a compact configuration. Has proposed.

また、特許文献5では、少なくとも1つの自由曲面反射面を用いて、基準光軸が基準平面上に存在する投射光学系と、複数の色光を合成するクロスダイクロイックプリズムとが、互いに共役な位置に置くようにし、異なる色光で各々を照明し、その画像表示面が長方形である複数の画像変調素子からなり、複数の画像変調素子により変調された色光をクロスダイクロイックプリズムで色合成し、色合成平面と複数の画像変調素子の表示面の短辺方向が平行であり、投射光学系の基準平面と色合成平面が互いに平行であり、投射された画像が横長であるように画像変調素子をクロスダイクロイックプリズムおよび投射光学系に対して配置することで反射光学系による投射光学系と光学エンジンの組み合わせの小型化、および取り扱いの簡素化を図った画像投射装置を提案している。   Further, in Patent Document 5, using at least one free-form curved reflecting surface, a projection optical system having a reference optical axis on the reference plane and a cross dichroic prism that synthesizes a plurality of color lights are positioned at conjugate positions. Each color illumination plane is composed of a plurality of image modulation elements whose image display surfaces are rectangular, and the color light modulated by the plurality of image modulation elements is color-synthesized by a cross dichroic prism, and a color synthesis plane The image modulation elements are cross dichroic so that the short side direction of the display surface of the plurality of image modulation elements is parallel, the reference plane of the projection optical system and the color synthesis plane are parallel to each other, and the projected image is horizontally long By arranging the prism and projection optical system, the combination of the projection optical system and the optical engine by the reflection optical system can be reduced in size and handling can be simplified. It has proposed an image projection apparatus Tsu.

また、特許文献6では、投射光学系に非回転対象な非球面形状のミラーを含む複数のミラーを用いて、筒状に囲む構造物の内側の反射面以外の部分が投射光路に干渉しないように配置し、外気取り込み口から清浄された外気を、前記筒状に囲む構造物の内部を通して導入し、外気により前記複数のミラーの表面を冷却し、熱、昇温の影響を受けにくい画像投影装置を提案している。   Further, in Patent Document 6, a plurality of mirrors including a non-rotating target aspherical mirrors are used in the projection optical system so that portions other than the reflection surface inside the cylindrical structure do not interfere with the projection optical path. Projected outside air from the outside air intake port through the inside of the cylindrical structure, the surfaces of the plurality of mirrors are cooled by the outside air, and are not easily affected by heat and temperature rise. A device is proposed.

さらに、特許文献7では、光ビーム形状変換で一様化した光ビームをさらに分割重畳することにより、光源の発光分布ムラがあっても、それを維持しつつ、照度分布の一様性、光利用効率の向上を図ることができ、照度ムラを軽減することができ、輝度ムラの少ない投射映像を得ることが可能な液晶プロジェクタ等の投写型表示装置用の照明装置を提案している。   Furthermore, in Patent Document 7, by dividing and superimposing the light beam uniformed by the light beam shape conversion, even if there is uneven emission distribution of the light source, the uniformity of the illuminance distribution, light A lighting device for a projection display device such as a liquid crystal projector, which can improve utilization efficiency, reduce unevenness in illuminance, and obtain a projected image with little unevenness in luminance, has been proposed.

上記に述べた何れの特許文献においても、投影レンズからスクリーンまでの結像光学系、とくに光路を折り曲げる反射鏡に自由曲面が用いられているが、照明光学系には従来より球面または2次非球面(放物面鏡など)が使われている。   In any of the above-mentioned patent documents, a free-form surface is used for the imaging optical system from the projection lens to the screen, particularly for the reflecting mirror that bends the optical path. A spherical surface (such as a parabolic mirror) is used.

また、一般のプロジェクタの光源としては、メタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどの高出力な光源が広く使われている。しかし、これらの光源では比較的に大きな電力を必要とする。これに対して、より少ない電力で発光が可能なLEDが、とくに小型プロジェクタの光源に使われるようになってきた。   Further, as a light source of a general projector, a high output light source such as a metal halide lamp or an ultrahigh pressure mercury lamp is widely used. However, these light sources require relatively large power. On the other hand, LEDs capable of emitting light with less power have been used particularly as light sources for small projectors.

LEDは従来のランプに比べて発光効率が良く、省電力化が可能という利点の他に、それ自体が小さく、点灯させるための電源回路も小さく設計でき、装置全体の小型化に有利となる。   In addition to the advantages that the LED has better luminous efficiency and power saving than the conventional lamp, the LED itself is small and the power supply circuit for lighting can be designed to be small, which is advantageous for downsizing of the entire device.

さらにLEDでは、狭い波長域での単色発光が可能で、光の3原色であるR(レッド)G(グリーン)B(ブラック)の各色に発光する単色のLEDを順次点灯させることで、色フィルタ(カラーホイールなど)を必要とせずにカラー映像を生成させることができる。これも装置の小型化に多いに寄与する。また、色フィルタによる光の吸収も起こらず、光の利用効率がさらに良くなる。従来のランプに比べて寿命が極めて長いため、ランプ交換を殆ど必要としないという利点もある。
特開2004−295042号公報 特開2004−258620号公報 特開2004−234015号公報 特開2004−295107号公報 特開2005−338138号公報 特開2006−3541号公報 特開平11−273441号公報
Furthermore, the LEDs can emit light in a single wavelength in a narrow wavelength range, and the color filters are formed by sequentially turning on the single color LEDs that emit light in the three primary colors R (red), G (green), and B (black). Color images can be generated without the need for a color wheel. This also contributes greatly to downsizing of the apparatus. Further, light is not absorbed by the color filter, and the light utilization efficiency is further improved. Since the lifetime is extremely long compared with the conventional lamp, there is an advantage that almost no lamp replacement is required.
JP 2004-295042 A JP 2004-258620 A JP 2004-234015 A JP 2004-295107 A JP 2005-338138 A Japanese Patent Laid-Open No. 2006-3541 Japanese Patent Laid-Open No. 11-273441

しかしながら、様々な従来の技術開発によって得られた光ビームは照度の一様性が未だに十分満足のいく結果ではなく、画面の輝度を均一にするためには照度の一様性をさらに改善する手段が必要とされている。   However, the light beams obtained by various conventional technological developments are not yet satisfactory in the uniformity of illuminance, and means for further improving the illuminance uniformity in order to make the screen brightness uniform. Is needed.

そこで、本発明では、光源ユニットからの照明光束を画像生成用の光変調ユニットに集光照射させる集光光学系に自由曲面を有する光学素子を用いた画像投影装置を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an image projection apparatus using an optical element having a free-form surface in a condensing optical system for condensing and irradiating an illumination light beam from a light source unit to a light modulation unit for image generation. .

上記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、発光素子が2次元的に配列された光源ユニットを有する画像投影装置にであって、前記光源ユニットからの照明光束を画像生成用の光変調ユニットに集光照射させる集光光学系を有し、前記集光光学系は、自由曲面を有する光学素子を用いる画像投影装置であることを特徴とする。   In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is an image projection apparatus having a light source unit in which light emitting elements are two-dimensionally arranged, and an illumination light beam from the light source unit is used for image generation. The light modulation unit includes a condensing optical system for condensing and irradiating the light modulation unit, and the condensing optical system is an image projection apparatus using an optical element having a free-form surface.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の画像投影装置において、前記光学素子は、透過レンズであることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to the first aspect, the optical element is a transmissive lens.

請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の画像投影装置において、前記光学素子は、反射鏡であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to the first aspect, the optical element is a reflecting mirror.

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の画像投影装置において、前記反射鏡は、少なくとも2枚の凹面鏡であることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the image projection device according to the third aspect, the reflecting mirror is at least two concave mirrors.

請求項5に記載の発明は、請求項3に記載の画像投影装置において、前記反射鏡は、少なくとも1枚の凹面鏡と、少なくとも1枚の凸面鏡とであることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to the third aspect, the reflecting mirror is at least one concave mirror and at least one convex mirror.

請求項6に記載の発明は、請求項4に記載の画像投影装置において、前記2枚の凹面鏡の配置間隔を可変としたことを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the image projection device according to the fourth aspect, the arrangement interval of the two concave mirrors is variable.

請求項7に記載の発明は、請求項5に記載の画像投影装置において、前記凹面鏡と、前記凸面鏡との配置間隔を可変としたことを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to the fifth aspect, the arrangement interval between the concave mirror and the convex mirror is variable.

請求項8に記載の発明は、請求項1に記載の画像投影装置において、前記光変調ユニットは、反射型光変調ユニットであることを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the image projection apparatus according to claim 1, wherein the light modulation unit is a reflection type light modulation unit.

請求項9に記載の発明は、請求項2に記載の画像投影装置において、前記透過レンズは、少なくとも1枚の正レンズと、少なくとも1枚の負レンズとであることを特徴とする。   According to a ninth aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to the second aspect, the transmission lens is at least one positive lens and at least one negative lens.

請求項10に記載の発明は、請求項9に記載の画像投影装置において、前記正レンズと、前記負レンズとの配置間隔を可変としたことを特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to the ninth aspect, the arrangement interval between the positive lens and the negative lens is variable.

本発明によれば、光源ユニットからの照明光束を画像生成用の光変調ユニットに集光照射させる集光光学系に自由曲面を有する光学素子を用いた画像投影装置を提供することを可能とする。   According to the present invention, it is possible to provide an image projection apparatus using an optical element having a free-form surface in a condensing optical system for condensing and irradiating an illumination light beam from a light source unit to a light modulation unit for image generation. .

本実施形態では、LED等の固体発光素子を2次元的に配列した光源ユニットを使った画像投影装置で、光源からの光束を効率よく利用し、プロジェクタの小型化に寄与する照明光学系を提供することを目的とする。   In the present embodiment, an illumination optical system that contributes to miniaturization of a projector by efficiently using a light beam from a light source in an image projection apparatus using a light source unit in which solid-state light emitting elements such as LEDs are two-dimensionally arranged is provided. The purpose is to do.

以下に、本実施形態での画像投影装置の一例としてプロジェクタの照明系に自由曲面を使った集光素子(レンズや反射鏡)を用いるまでの過程を説明する。   Hereinafter, a process until a condensing element (lens or reflecting mirror) using a free-form surface is used for an illumination system of a projector as an example of an image projection apparatus in the present embodiment will be described.

まず、単体のLED素子について図11を用いて説明する。図11(a)は、単体のLED素子の概観図を示す。図11(b)は、単体のLED素子の第1の側面図を示す。図11(c)は、単体のLED素子の第2の側面図を示す。   First, a single LED element will be described with reference to FIG. FIG. 11A shows an overview of a single LED element. FIG. 11B shows a first side view of a single LED element. FIG. 11C shows a second side view of the single LED element.

LED素子11の発光面(図中の手前側)の中央には発光部12があり、その発光部12から図に示す領域13に照明光束が発光される。以降の説明では、図11(b)や図11(c)に示すような簡略的な側面図も使用する。なお図11(c)では、照明光束の中心光線3aのみで発光方向を簡易的に表している。   There is a light emitting portion 12 at the center of the light emitting surface (front side in the figure) of the LED element 11, and an illumination light beam is emitted from the light emitting portion 12 to a region 13 shown in the figure. In the following description, a simplified side view as shown in FIG. 11B or FIG. 11C is also used. In FIG. 11C, the light emission direction is simply represented by only the central ray 3a of the illumination light beam.

次に、光源ユニットについて、図12を用いて説明する。図12(a)は、光源ユニット(LEDアレイ)の概観図を示す。図12(b)は、光源ユニットの一体表示の斜視図を示す。図12(c)は、光源ユニットの一体表示の側面図を示す。   Next, the light source unit will be described with reference to FIG. FIG. 12A shows an overview of the light source unit (LED array). FIG.12 (b) shows the perspective view of the integral display of a light source unit. FIG. 12C shows a side view of the integral display of the light source unit.

LEDの問題点としては、素子1つあたりの光量が少ないことがあげられる。これを補うため、図12(b)に示すように、多数のLED素子11を配列した光源ユニット14が使われる。以降の説明では、図12(a)のLED素子11を光源ユニット14として、一体的に簡略化し、図12(b)のような斜視図、または図12(c)にような側面図で示す。   A problem with LEDs is that the amount of light per element is small. In order to compensate for this, a light source unit 14 in which a large number of LED elements 11 are arranged is used as shown in FIG. In the following description, the LED element 11 in FIG. 12A is simplified as an integrated light source unit 14 and shown in a perspective view as in FIG. 12B or a side view as in FIG. .

また光源ユニット14から発光させる照明光束の領域5について、図13を用いて示す。図13(a)は、光源ユニットと発光領域の第1の側面図を示す。図13(b)は、光源ユニットと発光領域の第2の側面図を示す。図13(c)は、光源ユニットと発光領域および中心光線の側面図を示す。図13(c)では、発光領域15の中心光線15aも同時に示している。   Further, the illumination light beam region 5 emitted from the light source unit 14 is shown in FIG. Fig.13 (a) shows the 1st side view of a light source unit and a light emission area | region. FIG. 13B shows a second side view of the light source unit and the light emitting region. FIG.13 (c) shows the side view of a light source unit, a light emission area | region, and a center ray. In FIG. 13C, the central ray 15a of the light emitting region 15 is also shown.

図14(a)は、一般的な照明光学系の一例を示す。一般的なプロジェクタの照明光学系では、図14(a)に示すように、光源12から発光された照明光束をコンデンサレンズや反射鏡など集光光学系16で光変調ユニット17を照射した後、投影レンズ18の中に集光させる。これは、光源の像19を投影レンズ18内に結像させることになる。光源像19は虚光源とも呼ばれる。光変調ユニット17はライトバルブとも呼ばれる画像生成ユニットで、透過型の液晶パネルや反射型のマイクロミラーアレイ(DMD)などが広く知られている。   FIG. 14A shows an example of a general illumination optical system. In the illumination optical system of a general projector, as shown in FIG. 14A, after the illumination light beam emitted from the light source 12 is irradiated to the light modulation unit 17 by the condensing optical system 16 such as a condenser lens or a reflecting mirror, The light is condensed in the projection lens 18. This forms an image 19 of the light source in the projection lens 18. The light source image 19 is also called a virtual light source. The light modulation unit 17 is an image generation unit also called a light valve, and a transmissive liquid crystal panel, a reflective micromirror array (DMD), and the like are widely known.

なお図14(a)において、投影レンズ18の左方向には画像を映し出すスクリーンがあり、光変調ユニット17に形成された画像は、投影レンズ18によってスクリーン上に直接、または反射鏡などで折り返された後スクリーン上に結像されるが、ここでは投影レンズ18からスクリーンまでの光学系の図示を省いている。以降の説明図においても、光源12から投影レンズ18までの照明光学系のみを図示している。   In FIG. 14A, there is a screen for projecting an image to the left of the projection lens 18, and the image formed on the light modulation unit 17 is folded directly on the screen by the projection lens 18 or with a reflecting mirror or the like. Thereafter, an image is formed on the screen, but the illustration of the optical system from the projection lens 18 to the screen is omitted here. In the following explanatory drawings, only the illumination optical system from the light source 12 to the projection lens 18 is shown.

図14(b)は、光源がLEDアレイの場合の光源像の概観図を示す。十分な光量を確保するため、必要な個数のLED素子を配列した光源ユニット14では、ユニットとしてある程度の発光面積を持つことになる。図14(b)に示すように、もし光源ユニット14が大きいと、投影レンズ18での光源像19も大きく広がり、投影レンズ18の径を大きくせざるを得ない。また光源12から発光される光束も広くなり、集光光学系16の径を大きくする必要がある。   FIG. 14B shows an overview of a light source image when the light source is an LED array. In order to secure a sufficient amount of light, the light source unit 14 in which a necessary number of LED elements are arranged has a certain light emitting area as a unit. As shown in FIG. 14B, if the light source unit 14 is large, the light source image 19 on the projection lens 18 also spreads widely, and the diameter of the projection lens 18 must be increased. Further, the luminous flux emitted from the light source 12 becomes wider, and the diameter of the condensing optical system 16 needs to be increased.

図14(c)は、光源像が小さくなるように配置された照明系の概観図を示す。光源像19を小さな1点に集光させるには、図14(c)に示すように、光源12と集光光学系16の間隔を広げ、集光光学系6による結像倍率を小さくする方法もある。しかし、この方法では集光光学系16の径が大きくなることが避けられない。また、光変調ユニット7を必要以上に大きな光束径で照射することになり、光の利用効率が落ちる。   FIG. 14C shows an overview of an illumination system arranged so that the light source image becomes small. In order to condense the light source image 19 to one small point, as shown in FIG. 14C, the distance between the light source 12 and the condensing optical system 16 is widened, and the imaging magnification by the condensing optical system 6 is reduced. There is also. However, this method inevitably increases the diameter of the condensing optical system 16. Further, the light modulation unit 7 is irradiated with a light beam diameter larger than necessary, and the light use efficiency is lowered.

通常の球面を使ったレンズや反射鏡では、図14(a)に示したように、光源12が一点の場合に、球面収差によりある程度の広がりを持つものの、ほぼ一点に集光する。しかし光源12が2点以上の場合には、全ての光源像19を同一の点に集光させることはできない。   As shown in FIG. 14A, in the case of a lens or reflecting mirror using a normal spherical surface, when the light source 12 is a single point, the light is condensed at almost a single point although it has a certain extent due to spherical aberration. However, when the number of the light sources 12 is two or more, all the light source images 19 cannot be condensed on the same point.

これに対して、レンズの屈折面や反射鏡の反射面に非球面を使うことで、光軸上に並んだ複数の光源19を、ほぼ一点に集光させることができる。   On the other hand, by using an aspherical surface for the refractive surface of the lens and the reflecting surface of the reflecting mirror, the plurality of light sources 19 arranged on the optical axis can be condensed at almost one point.

図15は、非球面の説明を模式的な図に示す。図15のように、光学素子の中心を通る光軸をX軸、光軸と直交する軸をY軸とする座標系で、光軸からY軸方向に測った距離(光軸高さとも呼ぶ)をHとすると、その高さHでのY軸から測った光軸方向の変位量(サグ量とも呼ぶ)は、ΔX=F(H)のように、Hを変数とする関数で表すことができる。この関数によって描かれる曲線を光軸(X軸)の廻りに回転させて形成されるのが非球面と呼ばれる曲面で、光軸について回転対象となる。   FIG. 15 is a schematic diagram illustrating an aspherical surface. As shown in FIG. 15, in a coordinate system in which the optical axis passing through the center of the optical element is the X axis and the axis perpendicular to the optical axis is the Y axis, the distance measured in the Y axis direction from the optical axis (also called the optical axis height). ) Is H, the displacement in the optical axis direction (also called the sag amount) measured from the Y axis at the height H is expressed by a function with H as a variable, such as ΔX = F (H). Can do. A curved surface called an aspheric surface is formed by rotating a curve drawn by this function around the optical axis (X-axis), and is a subject of rotation about the optical axis.

上記の関数は、通常は偶数次の係数のみを使った高次関数となっている。2次以下の係数のみの特殊な場合は2次曲線とも呼ばれ、それを回転させた2次曲面には、放物面、楕円面、双曲面などがある。とくに楕円面では、ひとつの焦点から発光した光束がもう一方の焦点に完全に収束することが知られている。非球面を用いた場合、高次係数の値を適切に設定することで、光軸上または光軸と平行に点在する複数の光源からの光束をほぼ一点に集めることができる。   The above function is usually a high-order function using only even-order coefficients. A special case with only a quadratic coefficient or less is also called a quadratic curve, and a quadratic curved surface obtained by rotating the quadratic curve includes a paraboloid, an ellipsoid, a hyperboloid, and the like. Particularly on the ellipsoid, it is known that a light beam emitted from one focus completely converges to the other focus. When an aspherical surface is used, light fluxes from a plurality of light sources scattered on the optical axis or parallel to the optical axis can be collected almost at one point by appropriately setting the value of the high-order coefficient.

しかし、光源ユニット上でLED素子が2次元に配列され、光軸以外にも光源が存在するときは、非球面では回転対称曲面であるため、同一の点に集光させることはできない。これを、集光光学系に反射鏡を使った例で説明する。   However, when the LED elements are two-dimensionally arranged on the light source unit and there is a light source other than the optical axis, the aspherical surface is a rotationally symmetric curved surface and cannot be focused on the same point. This will be described using an example in which a reflecting mirror is used in the condensing optical system.

図16(a)は、反射鏡を用いた照明系の一例図を示す。この例では、投影レンズ18とは反対方向に発光された照明光束を、反射鏡20によって集光させながら投影レンズ18方向に戻している。集光光学系に反射板を使った場合には、レンズと異なり、色収差が発生せず、光路も比較的に短くできるなどの利点がある。しかし図16(a)の例のように、反射鏡20と光源12をともに光軸上に一列に配置した場合、反射鏡20で反射された光束が光源ユニット11に遮光され、光の利用効率が落ちる。   FIG. 16A shows an example of an illumination system using a reflecting mirror. In this example, the illumination light beam emitted in the direction opposite to the projection lens 18 is returned to the projection lens 18 direction while being condensed by the reflecting mirror 20. When a reflecting plate is used in the condensing optical system, unlike a lens, there are advantages such that no chromatic aberration occurs and the optical path can be made relatively short. However, when the reflecting mirror 20 and the light source 12 are both arranged in a line on the optical axis as in the example of FIG. 16A, the light beam reflected by the reflecting mirror 20 is shielded by the light source unit 11, and the light use efficiency is increased. Falls.

これを解決するため、図16(b)に断面図を示すように、反射鏡20の上半分のみを反射面として利用する例がある。図16(b)は、反射鏡を部分的に用いた照明系の一例図を示す。これを図17(a)を用いて説明する。図17(a)は、椀型の反射鏡の概観図を示す。図17(b)は、椀型反射鏡を半分に切った反射鏡の概観図を示す。この反射鏡20を、図18に示すように上方に向けた光源ユニット14、光変調ユニット17、投影レンズ18とともに配置する。つまり図18は、反射鏡、光源ユニット、ライトバルブ、投影レンズの配置図を示す。以降、主にこの例を用いて説明する。   In order to solve this, there is an example in which only the upper half of the reflecting mirror 20 is used as a reflecting surface, as shown in a cross-sectional view in FIG. FIG. 16B shows an example of an illumination system that partially uses a reflecting mirror. This will be described with reference to FIG. FIG. 17A shows an overview of a bowl-shaped reflector. FIG. 17B shows a schematic view of a reflecting mirror obtained by cutting a saddle type reflecting mirror in half. As shown in FIG. 18, the reflecting mirror 20 is disposed together with the light source unit 14, the light modulation unit 17, and the projection lens 18 facing upward. That is, FIG. 18 shows a layout diagram of the reflecting mirror, the light source unit, the light valve, and the projection lens. Hereinafter, this example will be mainly described.

次に照明光束の収束状態を、図19に光源ユニット14と反射鏡20の断面を示して説明する。図19(a)は、反射鏡が2次非球面の場合の集光状態の図を示す。図19(b)は、反射鏡が高次非球面の場合の集光状態の図を示す。   Next, the convergence state of the illumination light beam will be described with reference to FIG. 19 showing cross sections of the light source unit 14 and the reflecting mirror 20. FIG. 19A shows a condensing state when the reflecting mirror is a secondary aspherical surface. FIG. 19B shows a state of light collection when the reflecting mirror is a high-order aspherical surface.

反射鏡20に球面または2次非球面を用いた場合は、図19(a)に示すように、複数の光源12からの光束を一点に集めることができない。しかし、高次の非球面を用いた場合は、図19(b)に示すように、ほぼ一点に集めることができる。この状態を、図20(a)に斜視図で示す。図20(a)は、光源が光軸と平行に存在する場合の集光状態の図を示す。図20(a)では、分かり易く説明するため、複数の光源2から発光された光束をそれぞれ1本ずつの中心光線だけで表わしている。   When a spherical surface or a secondary aspherical surface is used for the reflecting mirror 20, as shown in FIG. 19A, the light beams from the plurality of light sources 12 cannot be collected at one point. However, when higher-order aspherical surfaces are used, they can be collected at almost one point as shown in FIG. This state is shown in a perspective view in FIG. FIG. 20A shows a state of light collection when the light source exists parallel to the optical axis. In FIG. 20A, for easy understanding, the luminous fluxes emitted from the plurality of light sources 2 are represented by only one central ray.

図19(b)と図20(a)に示したように、光源12が光軸上、または光軸と平行に一列に並んで配置された場合は、反射面に高次非球面を用いることでほぼ一点に集光する。   As shown in FIGS. 19B and 20A, when the light sources 12 are arranged in a line on the optical axis or parallel to the optical axis, a higher-order aspheric surface is used as the reflecting surface. To collect light at almost one point.

図20(b)は、光源が光軸から離れて存在する場合の集光状態の図を示す。しかし非球面では回転対称であるため、光源12が光軸から離れている場合、すなわち光軸と平行ではない方向に配列された場合、図20(b)に示すように、各光源からの光束は一点には集光しない。図20(c)は、光源が2次元に配列された場合の集光状態の図を示す。充分な光量を得るために、光源2が2次元的に配列されている光源ユニット14を用いた場合には、図20(c)に示すように、図20(b)の場合に比べてさらに光源像19は広がりを持つことになる。なお図20(c)では、図示の煩雑性を避けるため、それぞれの光源12より発光させる光線は描いていない。   FIG. 20B shows a light collection state when the light source exists away from the optical axis. However, since the aspherical surface is rotationally symmetric, when the light source 12 is away from the optical axis, that is, when it is arranged in a direction not parallel to the optical axis, as shown in FIG. Does not collect light at one point. FIG.20 (c) shows the figure of the condensing state when a light source is arranged in two dimensions. In order to obtain a sufficient amount of light, when the light source unit 14 in which the light sources 2 are two-dimensionally arranged is used, as shown in FIG. 20 (c), compared with the case of FIG. 20 (b). The light source image 19 has a spread. In FIG. 20C, light rays emitted from the respective light sources 12 are not drawn in order to avoid the complexity of illustration.

これら、非球面が持つ欠点を補うものとして自由曲面がある。図1は、自由曲面の説明図を示し、自由曲面について簡単に説明する。   There is a free-form surface to compensate for the disadvantages of these aspheric surfaces. FIG. 1 is an explanatory diagram of a free-form surface, and the free-form surface will be briefly described.

図1に示すような座標系で、光軸(X軸)と直交するY軸とZ軸で構成されるYZ
平面を参照平面(図示せず)とし、この参照平面上の座標を、X軸からY軸方向とZ軸
方向に測った距離(X軸からの高さ)をそれぞれΔYとΔZで表わし、参照平面からX
軸方向に測ったサグ量をΔXとすると、ΔX=F(ΔY,ΔZ)のような高次関数、またはΔYとΔZを変数に含む補助関数を用いた高次関数で定義される曲面が自由曲面で、一般的には対称性はない。
In the coordinate system as shown in FIG. 1, YZ composed of a Y axis and a Z axis perpendicular to the optical axis (X axis).
The plane is a reference plane (not shown), and the coordinates (height from the X axis) measured on the reference plane from the X axis to the Y axis direction and the Z axis direction are represented by ΔY and ΔZ, respectively. X from the plane
If the sag measured in the axial direction is ΔX, a curved surface defined by a higher-order function such as ΔX = F (ΔY, ΔZ) or a higher-order function using an auxiliary function including ΔY and ΔZ as variables is free. It is a curved surface and generally has no symmetry.

参照平面上での任意の座標(ΔY,ΔZ)でのサグ量(ΔX)を独立に定義し、それら定義された曲面上の各点の間を3次スプライン等の補間関数で内挿することで、各定義点を滑らかに結んで自由曲面を形成する場合もある。   Define the sag amount (ΔX) at an arbitrary coordinate (ΔY, ΔZ) on the reference plane, and interpolate between each point on the defined curved surface with an interpolation function such as a cubic spline. In some cases, each definition point is smoothly connected to form a free-form surface.

図2は、本実施形態における集光光学系に自由曲面レンズを用いた一例の図を示す。
自由曲面による集光性の効果を、透過型レンズを用いた例で図2を用いて説明する。図2に示すように、屈折面に自由曲面を用いた集光レンズでは、各発光点からの光束7が、それぞれ屈折する部分の屈折方向を自在に設定することが可能となる。これにより、複数の光源1からの照明光束7を、投影レンズ4のほぼ一点に集光させることができる。図3は、本実施形態における集光光学系に自由曲面反射鏡を用いた一例の図を示す。つまりは、図2を斜視図で表したのが図3で、多くの光源1が2次元的に配列された光源ユニット2からの照明光束が一点に集まり、小さな光源像3を形成する。
FIG. 2 is a diagram showing an example in which a free-form surface lens is used in the condensing optical system in the present embodiment.
The effect of light condensing by a free-form surface will be described with reference to FIG. 2 using an example using a transmission lens. As shown in FIG. 2, in the condensing lens using a free-form surface as the refracting surface, it is possible to freely set the refraction direction of the portion where the light beam 7 from each light emitting point is refracted. Thereby, the illumination light beam 7 from the plurality of light sources 1 can be condensed at almost one point of the projection lens 4. FIG. 3 is a diagram showing an example in which a free-form curved mirror is used in the condensing optical system in the present embodiment. That is, FIG. 2 is a perspective view of FIG. 2, and illumination light beams from the light source unit 2 in which many light sources 1 are two-dimensionally arranged gather at one point to form a small light source image 3.

図3では、図10(c)と同様に、図示の煩雑性を避けるため、それぞれの光源1より発光させる光線は描いていない。   In FIG. 3, similarly to FIG. 10C, light rays emitted from the respective light sources 1 are not drawn in order to avoid the complexity of illustration.

以上に説明した通り、本実施形態では、プロジェクタの照明系に自由曲面を使った集光素子(レンズや反射鏡)を用いることで、比較的に大きな広がりを持つ光源ユニットの照明光束を小さな点に集光させることができる。これにより、小型で、電力消費が少く、かつ十分な明るさを持った画像投影装置を提供することが可能となる。   As described above, in this embodiment, by using a condensing element (lens or reflecting mirror) using a free-form surface for the illumination system of the projector, the illumination light beam of the light source unit having a relatively large spread is reduced to a small point. Can be condensed. Accordingly, it is possible to provide an image projection apparatus that is small in size, consumes less power, and has sufficient brightness.

次に、画像投影装置の一例としてプロジェクタの照明系に自由曲面を使った集光素子(レンズや反射鏡)を用いる上での最良の形態について詳細に説明する。   Next, a best mode for using a condensing element (lens or reflecting mirror) using a free-form surface for an illumination system of a projector as an example of an image projection apparatus will be described in detail.

本実施形態は、LEDアレイのような、複数の光源を2次元的に配置した光源ユニットを使ったプロジェクタで、図1に示したような自由曲面を、照明光学系の集光素子に用いることで、従来の球面や非球面を照明系に用いたプロジェクタ装置に比べて、集光特性を極めて高めている。図10(a)から図10(c)に従来の球面や非球面での集光状態、図2と図3に自由曲面を用いた場合の集光状態の例を示している。   This embodiment is a projector that uses a light source unit in which a plurality of light sources are arranged two-dimensionally, such as an LED array, and uses a free-form surface as shown in FIG. 1 as a condensing element of an illumination optical system. Therefore, the light condensing characteristic is extremely enhanced as compared with the projector apparatus using a conventional spherical surface or aspherical surface for the illumination system. 10 (a) to 10 (c) show examples of the condensing state on a conventional spherical surface or aspherical surface, and FIGS. 2 and 3 show examples of the condensing state when a free-form surface is used.

本実施形態では、照明系の集光素子に自由曲面を用いることで、光源ユニット5からの照明光束を、投影レンズ4の中において、ほぼ1点に集光できる。これによって、投影光学系の小径化や短小化が図れる他に、照明系の性能を落とすことなく集光素子(レンズや反射鏡など)に強いパワー(収束力)を持たせることも可能で、投影装置の小型化に大いに寄与できる。また、より少ない点数の集光素子で従来方式と同等の集光性能が得られるため、低コスト化も十分に期待できる。   In the present embodiment, the illumination light beam from the light source unit 5 can be condensed at almost one point in the projection lens 4 by using a free-form surface for the condensing element of the illumination system. In addition to reducing the diameter and shortening of the projection optical system, it is possible to give the condensing element (lens, reflector, etc.) strong power (convergence) without degrading the performance of the illumination system. This greatly contributes to the miniaturization of the projection apparatus. In addition, since the light condensing performance equivalent to that of the conventional method can be obtained with a smaller number of light condensing elements, cost reduction can be sufficiently expected.

本実施形態では、透過型の集光レンズに自由曲面を用いている。図2は、集光レンズ6に自由曲面を用いた例で、複数の光源1からの照明光束7を投影レンズ4中のほぼ一点に集光させ、小さな光源像3を形成している。   In this embodiment, a free-form surface is used for the transmission type condensing lens. FIG. 2 shows an example in which a free-form surface is used for the condenser lens 6, and the illumination light beam 7 from a plurality of light sources 1 is condensed at almost one point in the projection lens 4 to form a small light source image 3.

本実施形態では、集光素子として、自由曲面を有するレンズ6を用いている。一般的にレンズでは、入射側と射出側の2面それぞれに自由曲面を適用できるため、設計に使えるパラメータの数、すなわち設計の自由度が増える。これにより、より少ない光学素子で高性能の照明光学系が設計可能となる。   In the present embodiment, a lens 6 having a free curved surface is used as the light condensing element. In general, in a lens, a free-form surface can be applied to each of two surfaces on the incident side and the exit side, so that the number of parameters that can be used for design, that is, the degree of freedom in design increases. This makes it possible to design a high-performance illumination optical system with fewer optical elements.

本実施形態では、集光用の反射鏡に自由曲面を用いている。図3は、反射鏡8に自由曲面を用いた例で、図2の例と同様に、複数の光源2からの照明光束(図示せず)を投影レンズ8中のほぼ一点に集光させ、小さな光源像3を形成している。   In this embodiment, a free-form surface is used for the reflecting mirror for condensing. FIG. 3 is an example in which a free-form surface is used for the reflecting mirror 8, and in the same way as in the example of FIG. 2, illumination light beams (not shown) from a plurality of light sources 2 are condensed at almost one point in the projection lens 8. A small light source image 3 is formed.

本実施形態では、集光素子として、自由曲面を有する反射鏡8を用いている。反射では、レンズによる屈折とは異なり、全ての波長に対して同一の反射角となる。このため、反射鏡を用いた場合には色収差が全く発生しない。このことより、LEDなどの単色発光が可能な光源が持つ優れた色特性を最大限に発揮したプロジェクタ装置の設計が可能となる。   In the present embodiment, the reflecting mirror 8 having a free curved surface is used as the light condensing element. In reflection, unlike refraction by a lens, the same reflection angle is obtained for all wavelengths. For this reason, when a reflecting mirror is used, no chromatic aberration occurs. This makes it possible to design a projector device that maximizes the excellent color characteristics of a light source capable of monochromatic light emission, such as an LED.

図4は、本実施形態における集光光学系に少なくとも2枚の自由曲面を有する凹面鏡を用いている一例の図を示している。光源ユニット2の各光源1から発光された照明光束は、2枚の自由曲面を有する凹面鏡8aで反射された後、光変調ユニット7を照射し、投影レンズ4中のほぼ一点に集光され、小さな光源像3を形成する。   FIG. 4 is a diagram showing an example in which a concave mirror having at least two free-form surfaces is used in the condensing optical system in the present embodiment. The illumination light beam emitted from each light source 1 of the light source unit 2 is reflected by two concave mirrors 8a having a free-form surface, irradiates the light modulation unit 7, and is condensed at almost one point in the projection lens 4. A small light source image 3 is formed.

本実施形態では、図4に示すように、集光光学系に、少なくとも2枚の自由曲面を有する凹面鏡8aを用いている。1枚の凹面鏡のみを用いた構成でも、その反射鏡のパワー(収束力)を強くすれば、光源像3の結像位置が近くなり、照明光学系を小さく設計することができる。しかし、パワーが強すぎる場合、各種の収差が発生しやすい。とくに光源や反射鏡の設置誤差、すなわち光学的な偏心(傾きや軸ずれ)の影響を受けやすい。この例のように、2枚以上の凹面鏡8aを用いた構成では、必要とするパワーを各反射面に適度に分散させることが可能で、1枚のみの場合に比べて安定した性能の照明系が設計できる。   In this embodiment, as shown in FIG. 4, a concave mirror 8a having at least two free-form surfaces is used in the condensing optical system. Even in a configuration using only one concave mirror, if the power (convergence) of the reflecting mirror is increased, the imaging position of the light source image 3 becomes closer, and the illumination optical system can be designed smaller. However, when the power is too strong, various aberrations are likely to occur. In particular, it is easily affected by installation errors of light sources and reflectors, that is, optical decentration (tilt and axis deviation). As in this example, in the configuration using two or more concave mirrors 8a, it is possible to appropriately disperse the required power on each reflecting surface, and the illumination system has a stable performance as compared with the case of only one. Can be designed.

図5は、本実施形態における集光光学系に少なくとも1枚の自由曲面を有する凹面鏡と、少なくとも1枚の自由曲面を有する凸面鏡を用いた一例の図を示す。光源ユニット2の各光源1から発光された照明光束は、自由曲面を有する凹面鏡8aと自由曲面を有する凸面鏡8bで反射された後、光変調ユニット5を照射し、投影レンズ4中のほぼ一点に集光され、小さな光源像3を形成する。凹面鏡と凸面鏡を組み合わせた構成の照明光学系では、凹面鏡のみの構成に比べ、照明光束がより平行に近い状態で射出される。この例でも、図4の例に比べ、光源像3がより遠くに形成されている。ここで示した例では、凸面鏡8bで反射された後に、平面鏡9で光路を折り曲げて光変調ユニット5を照射している。これは光学系を小さくレイアウトするために工夫であるが、平面ミラー9を用いず、直接に光変調ユニット5を照射しても構わない。その場合の投影レンズは、図中では上向きとなる。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example in which the concave mirror having at least one free-form surface and the convex mirror having at least one free-form surface are used in the condensing optical system according to the present embodiment. The illumination light beam emitted from each light source 1 of the light source unit 2 is reflected by the concave mirror 8a having a free curved surface and the convex mirror 8b having a free curved surface, and then irradiates the light modulation unit 5 to almost one point in the projection lens 4. The light is condensed to form a small light source image 3. In an illumination optical system having a configuration in which a concave mirror and a convex mirror are combined, the illumination light beam is emitted in a nearly parallel state as compared with a configuration having only a concave mirror. Also in this example, the light source image 3 is formed farther than the example of FIG. In the example shown here, after being reflected by the convex mirror 8 b, the light modulation unit 5 is irradiated by bending the optical path with the plane mirror 9. This is devised to lay out the optical system small, but the light modulation unit 5 may be directly irradiated without using the plane mirror 9. The projection lens in that case is upward in the figure.

本実施形態では、図5に示すように、それぞれに自由曲面を有する凹面鏡8aと凸面鏡8bを用いている。凸レンズや凹面鏡などの正のパワー(収束力)を持つ光学素子と、凹レンズや凸面鏡などの負のパワー(発散力)を持つ光学素子を組み合わせた光学系では、正パワーの光学素子のみで構成された光学系に比べ、射出光束がより平行に近い状態となる。   In this embodiment, as shown in FIG. 5, a concave mirror 8a and a convex mirror 8b each having a free curved surface are used. An optical system that combines an optical element with positive power (convergence), such as a convex lens or concave mirror, and an optical element with negative power (divergence), such as a concave lens or convex mirror, is composed of only positive power optical elements. Compared to the optical system, the emitted light beam is more nearly parallel.

本実施形態では、図4に示しているような凹面鏡のみの構成に比べ、より平行に近い光束が射出される。ほぼ平行光束として照明系から射出される場合は、テレセントリック光学系とも呼ばれる。液晶パネルなど、所望の画像特性を得るために垂直に近い入射角度が求められるライトバルブ用のデバイスでは、照明系にテレセントリック光学系が使われることが多い。本実施形態での凹面鏡と凸面鏡を組み合わせた構成では、それぞれの収束または発散のパワー、配置関係を適切に設定することでテレセントリック光学系、またはテレセントリックに近い光学系を実現できる。   In the present embodiment, light beams that are closer to parallel are emitted as compared with the configuration of only a concave mirror as shown in FIG. When emitted from the illumination system as a substantially parallel light beam, it is also called a telecentric optical system. In a light valve device such as a liquid crystal panel, which requires an incident angle close to perpendicular to obtain desired image characteristics, a telecentric optical system is often used for an illumination system. In the configuration in which the concave mirror and the convex mirror are combined in the present embodiment, a telecentric optical system or an optical system close to telecentric can be realized by appropriately setting the power and arrangement relationship of convergence or divergence.

図6は、本実施形態における少なくとも2枚の自由曲面を有する凹面鏡を用いた集光光学系で、それぞれの凹面鏡の配置間隔を可変できる一例の図を示す。この例の基本構成は図4の例と同じだが、光源ユニット2と2枚の自由曲面を有する凹面鏡8aのそれぞれの位置関係を変えることで、照明光束の収束位置、すなわち光源像3が形成される位置が図4に対して、より遠くに変化している。   FIG. 6 shows an example of a condensing optical system using a concave mirror having at least two free-form surfaces in the present embodiment, and the arrangement interval of the concave mirrors can be varied. The basic configuration of this example is the same as that of the example of FIG. 4, but by changing the positional relationship between the light source unit 2 and the two concave mirrors 8a having free curved surfaces, the convergence position of the illumination light beam, that is, the light source image 3 is formed. The position is changed further from FIG.

本実施形態では、図4に示す構成で、それぞれの凹面鏡8aの配置間隔を可変としている。間隔を変えることで、それぞれの光学素子による合成の焦点距離が変化し、光変調ユニット(ライトバルブ)5上での照射領域も変化する。各種の画像を投影するプロジェクタでは、投影する画像のサイズ(画素数)やアスペクト比(縦横比)に応じて、光変調ユニット5上に形成される画像の大きさ、すなわち光変調ユニット5で実際に使用される領域を変化させることがある。この様なプロジェクタ装置においては、本実施形態のように照射領域も変化させることで、光変調ユニット5上の必要な領域のみを照射し、照明光束を効率よく利用することができる。   In the present embodiment, the arrangement interval of the concave mirrors 8a is variable in the configuration shown in FIG. By changing the interval, the focal length of the combination by the respective optical elements changes, and the irradiation area on the light modulation unit (light valve) 5 also changes. In a projector that projects various images, the size of the image formed on the light modulation unit 5, that is, the light modulation unit 5 actually depends on the size (number of pixels) and the aspect ratio (aspect ratio) of the image to be projected. May change the area used. In such a projector apparatus, by changing the irradiation area as in the present embodiment, only a necessary area on the light modulation unit 5 can be irradiated and the illumination light beam can be used efficiently.

図7は、本実施形態における少なくとも1枚の自由曲面を有する凹面鏡と、少なくとも1枚の自由曲面を有する凸面鏡を用いた集光光学系で、それら凹面鏡と凸面鏡の配置間隔を可変できる一例の図を示す。この例での基本構成は図5の例と同じだが、光源ユニット2、自由曲面を有する凹面鏡8a、自由曲面を有する凸面鏡8bそれぞれの位置関係を変えることで、照明光束の収束位置、すなわち光源像3が形成される位置が図5に対して、より遠くに変化している。   FIG. 7 is a diagram showing an example of a condensing optical system using a concave mirror having at least one free-form surface and a convex mirror having at least one free-form surface in the present embodiment, and the arrangement interval between the concave mirror and the convex mirror can be varied. Indicates. The basic configuration in this example is the same as in the example of FIG. 5, but by changing the positional relationship of the light source unit 2, the concave mirror 8a having a free curved surface, and the convex mirror 8b having a free curved surface, the convergence position of the illumination light beam, that is, the light source image The position where 3 is formed changes farther with respect to FIG.

本実施形態では、図5の構成で、凹面鏡8aと凸面鏡8bとの配置間隔を可変としている。これにより、図5の例で説明した平行に近い光束で射出される効果の他に、図6を用いて説明したのと同様に、光変調ユニット5上での照射領域の調整が可能となる。   In the present embodiment, the arrangement interval between the concave mirror 8a and the convex mirror 8b is variable in the configuration of FIG. As a result, in addition to the effect of being emitted with a nearly parallel light beam as described in the example of FIG. 5, the irradiation area on the light modulation unit 5 can be adjusted in the same manner as described with reference to FIG. 6. .

本実施形態では、反射型の光変調ユニットを図8を用いて説明する。図8(a)は、本実施形態における反射型の光変調ユニットを用いることで形成される光源像の第1の概観図を示す。図8(b)は、本実施形態における反射型の光変調ユニットを用いることで形成される光源像の第2の概観図を示す。   In the present embodiment, a reflective light modulation unit will be described with reference to FIG. FIG. 8A shows a first overview of a light source image formed by using the reflection type light modulation unit in the present embodiment. FIG. 8B shows a second overview of a light source image formed by using the reflection type light modulation unit in the present embodiment.

反射型の光変調ユニットに、その例を示している。図8(a)の例では、図4に示した例のような光学配置で、透過型の光変調ユニット5の替わりに反射型の光変調ユニット10を用いている。図8(b)の例では、図5に示した例の光学配置に光変調ユニット10を用いている。何れの例でも、集光光学系に自由曲面を有する反射鏡を用いているが、反射鏡の替わりに自由曲面を有するレンズを用いてもよい。   An example is shown in a reflection type light modulation unit. In the example of FIG. 8A, the reflection type light modulation unit 10 is used in place of the transmission type light modulation unit 5 in the optical arrangement as in the example shown in FIG. In the example of FIG. 8B, the light modulation unit 10 is used in the optical arrangement of the example shown in FIG. In any of the examples, a reflecting mirror having a free curved surface is used in the condensing optical system, but a lens having a free curved surface may be used instead of the reflecting mirror.

本実施形態では、光変調ユニットとして反射型の光変調ユニット10を用いている。とくに集光素子に反射鏡を用いた例では、照明系の光路を折り曲げることで、全体をコンパクトにまとめることができる。このときに、図5や図7で示した例のように、平面ミラー9により光路を折り曲げることもできるが、図8(b)に示した例のように、反射型の光変調ユニット10を用いていることで、装置の小型化のほかに、部品点数の低減が図られる。自由曲面を有する光学素子を用いたことによる照明系の小型化という利点を、さらに活かした小型の装置が実現できる。   In the present embodiment, the reflection type light modulation unit 10 is used as the light modulation unit. In particular, in an example in which a reflecting mirror is used as the light condensing element, the whole can be made compact by folding the optical path of the illumination system. At this time, the optical path can be bent by the plane mirror 9 as in the examples shown in FIGS. 5 and 7, but the reflection type light modulation unit 10 is used as in the example shown in FIG. In addition to downsizing the apparatus, the number of parts can be reduced. A small apparatus that further utilizes the advantage of downsizing the illumination system by using an optical element having a free-form surface can be realized.

微小な反射版を多数配列したマイクロミラーアレイ(DMDなど)を使った反射型の光変調ユニット10は、液晶パネルなどに比べても、より垂直に近い入射角度が求められる場合が多い。この様な反射型の光変調ユニット10では、図5や図6に示したようなテレセントリック光学系、またはテレセントリックに近い照明光学系を用いるのが良い。   In many cases, the reflection type light modulation unit 10 using a micromirror array (DMD or the like) in which a large number of minute reflection plates are arranged is required to have an incident angle closer to the vertical than a liquid crystal panel or the like. In such a reflection-type light modulation unit 10, it is preferable to use a telecentric optical system as shown in FIG. 5 or FIG. 6 or an illumination optical system close to telecentric.

図9は、本実施形態における集光光学系に少なくとも1枚の自由曲面を有する正レンズ(凸レンズ)と、少なくとも1枚の自由曲面を有する負レンズ(凹レンズ)を用いた一例の図を示す。光源ユニット2の各光源1から発光された照明光束は、自由曲面を有する正レンズ6aと自由曲面を有する負レンズ6bで反射された後、光変調ユニット7を照射し、投影レンズ4中のほぼ一点に集光され、小さな光源像3を形成する。正レンズと負レンズを組み合わせた構成の照明光学系では、正レンズのみの構成に比べ、照明光束がより平行に近い光束が射出される。この例でも、図2の例に比べ、光源像3がより遠くに形成されている。   FIG. 9 is a diagram illustrating an example in which at least one positive lens (convex lens) having a free curved surface and at least one negative lens (concave lens) having a free curved surface are used in the condensing optical system according to the present embodiment. The illumination light beam emitted from each light source 1 of the light source unit 2 is reflected by the positive lens 6 a having a free curved surface and the negative lens 6 b having a free curved surface, and then irradiates the light modulation unit 7. The light is condensed at one point to form a small light source image 3. In an illumination optical system having a configuration in which a positive lens and a negative lens are combined, a beam of illumination light that is more nearly parallel than the configuration of only a positive lens is emitted. Also in this example, the light source image 3 is formed farther than the example of FIG.

本実施形態では、集光素子として、それぞれに自由曲面を有する正レンズと負レンズを用いている。反射鏡を用いた例でも説明したように、レンズの製造で一般的に使われる硝材は、異なる光の波長に対する屈折率が変化し、その結果として色収差が発生する。1枚のレンズだけ、または2枚以上の正レンズのみでは、この色収差を無くすことはできない。しかし、波長特性(色分散)の異なる硝材の正レンズと負レンズを組み合わせることで色収差を補正できることは広く知られている。   In this embodiment, a positive lens and a negative lens each having a free curved surface are used as the condensing elements. As described in the example using the reflecting mirror, the refractive index of the glass material generally used in manufacturing the lens changes with respect to different light wavelengths, and as a result, chromatic aberration occurs. This chromatic aberration cannot be eliminated by using only one lens or only two or more positive lenses. However, it is widely known that chromatic aberration can be corrected by combining a positive lens and a negative lens made of glass materials having different wavelength characteristics (chromatic dispersion).

本実施形態では、正レンズと負レンズを組み合わせることで色収差を補正し、さらに図5に示した構成と同様に、より平行に近い光束が射出させることが可能となる。   In this embodiment, it is possible to correct chromatic aberration by combining a positive lens and a negative lens, and to emit a light beam that is closer to parallel, similarly to the configuration shown in FIG.

図10は、本実施形態における少なくとも1枚の自由曲面を有する正レンズと、少なくとも1枚の自由曲面を有する負レンズを用いた集光光学系で、それら正レンズと負レンズの配置間隔を可変できる一例の図を示す。この例での基本構成は図9の例と同じだが、光源ユニット2、自由曲面を有する正レンズ6a、自由曲面を有する負レンズ6bそれぞれの位置関係を変えることで、照明光束の収束位置、すなわち光源像3が形成される位置が図9に対して変化している。   FIG. 10 shows a condensing optical system using a positive lens having at least one free-form surface and a negative lens having at least one free-form surface in the present embodiment. The arrangement interval between the positive lens and the negative lens is variable. An example diagram that can be shown is shown. The basic configuration in this example is the same as that in the example of FIG. 9, but by changing the positional relationship of the light source unit 2, the positive lens 6a having a free curved surface, and the negative lens 6b having a free curved surface, the convergence position of the illumination light beam, that is, The position where the light source image 3 is formed changes with respect to FIG.

本実施形態では、図9の構成で、正レンズと負レンズの配置間隔を可変としている。図9を用いて述べられたレンズとしての効果の他に、図6や図7の構成と同様に、ライトバルブ上の必要な領域のみを照射することで、照明光束を効率よく利用することができる。   In the present embodiment, the arrangement interval between the positive lens and the negative lens is variable in the configuration of FIG. In addition to the lens effect described with reference to FIG. 9, it is possible to efficiently use the illumination light beam by irradiating only the necessary area on the light valve, as in the configurations of FIGS. it can.

本発明のプロジェクタ装置を利用すれば、ビデオ画像やコンピュータ出力をスクリーン投影に応用が利く。   If the projector apparatus of this invention is utilized, a video image and a computer output can be applied to screen projection.

自由曲面の説明を模式的に示した図である。It is the figure which showed the description of the free-form surface typically. 本実施形態における集光光学系に自由曲面レンズを用いた一例を示した図である。It is the figure which showed an example using the free-form surface lens for the condensing optical system in this embodiment. 本実施形態における集光光学系に自由曲面反射鏡を用いた一例を示した図である。It is the figure which showed an example using the free-form curved mirror for the condensing optical system in this embodiment. 本実施形態における集光光学系に少なくとも2枚の自由曲面を有する凹面鏡を用いている一例を示した図である。It is the figure which showed an example using the concave mirror which has at least 2 free-form surface for the condensing optical system in this embodiment. 本実施形態における集光光学系に少なくとも1枚の自由曲面を有する凹面鏡と、少なくとも1枚の自由曲面を有する凸面鏡を用いた一例を示した図である。It is the figure which showed an example using the concave mirror which has at least 1 free-form surface, and the convex mirror which has at least 1 free-form surface in the condensing optical system in this embodiment. 本実施形態における少なくとも2枚の自由曲面を有する凹面鏡を用いた集光光学系で、それぞれの凹面鏡の配置間隔を可変できる一例を示した図である。It is the figure which showed an example which can vary the arrangement | positioning space | interval of each concave mirror in the condensing optical system using the concave mirror which has at least 2 free-form surface in this embodiment. 本実施形態における少なくとも1枚の自由曲面を有する凹面鏡と、少なくとも1枚の自由曲面を有する凸面鏡を用いた集光光学系で、それら凹面鏡と凸面鏡の配置間隔を可変できる一例を示した図である。It is the figure which showed an example which can change the arrangement | positioning space | interval of these concave mirrors and convex mirrors in the condensing optical system using the concave mirror which has at least 1 free-form surface in this embodiment, and the convex mirror which has at least 1 free-form surface. . (a)は、本実施形態における反射型の光変調ユニットを用いることで形成される光源像の第1の概観図である。(b)は、本実施形態における反射型の光変調ユニットを用いることで形成される光源像の第2の概観図である。(A) is the 1st general-view figure of the light source image formed by using the reflection type light modulation unit in this embodiment. (B) is the 2nd general-view figure of the light source image formed by using the reflection type light modulation unit in this embodiment. 本実施形態における集光光学系に少なくとも1枚の自由曲面を有する正レンズ(凸レンズ)と、少なくとも1枚の自由曲面を有する負レンズ(凹レンズ)を用いた一例を示した図である。It is the figure which showed an example using the positive lens (convex lens) which has at least 1 free-form surface, and the negative lens (concave lens) which has at least 1 free-form surface in the condensing optical system in this embodiment. 本実施形態における少なくとも1枚の自由曲面を有する正レンズと、少なくとも1枚の自由曲面を有する負レンズを用いた集光光学系で、それら正レンズと負レンズの配置間隔を可変できる一例を示した図である。An example in which the arrangement interval between the positive lens and the negative lens can be varied in the condensing optical system using the positive lens having at least one free-form surface and the negative lens having at least one free-form surface in the present embodiment is shown. It is a figure. (a)は、単体のLED素子の概観図である。(b)は、単体のLED素子の第1の側面図である。(c)は、単体のLED素子の第2の側面図である。(A) is a general-view figure of a single LED element. (B) is a first side view of a single LED element. (C) is a second side view of a single LED element. (a)は、本実施形態における光源ユニット(LEDアレイ)の概観図である。(b)は、光源ユニットの一体表示の斜視図である。(c)は、光源ユニットの一体表示の側面図である。(A) is a general-view figure of the light source unit (LED array) in this embodiment. (B) is a perspective view of integral display of the light source unit. (C) is a side view of integral display of the light source unit. (a)は、光源ユニットと発光領域の第1の側面図である。(b)は、光源ユニットと発光領域の第2の側面図である。(c)は、光源ユニットと発光領域および中心光線の側面図である。(A) is a 1st side view of a light source unit and a light emission area. (B) is the 2nd side view of a light source unit and a light emission area | region. (C) is a side view of a light source unit, a light emitting region, and a central ray. (a)は、一般的な照明光学系の一例を示した図である。(b)は、本実施形態における光源がLEDアレイの場合の光源像の概観図である。(c)は、本実施形態における光源像が小さくなるように配置された照明系の概観図である。(A) is a figure showing an example of a general illumination optical system. (B) is a general-view figure of the light source image in case the light source in this embodiment is an LED array. (C) is an overview of an illumination system arranged so that the light source image in the present embodiment is small. 非球面の説明を模式的に示した図である。It is the figure which showed the description of the aspherical surface typically. (a)は、反射鏡を用いた照明系の一例を示す図である。(b)は、本実施形態における反射鏡を部分的に用いた照明系の一例を示す図である。(A) is a figure which shows an example of the illumination system using a reflective mirror. (B) is a figure which shows an example of the illumination system which partially used the reflective mirror in this embodiment. (a)は、椀型の反射鏡の概観図である。(b)は、椀型反射鏡を半分に切った反射鏡の概観図である。(A) is a general-view figure of a bowl-shaped reflective mirror. (B) is the general-view figure of the reflective mirror which cut the saddle type reflective mirror in half. 反射鏡、光源ユニット、ライトバルブ、投影レンズの配置の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of arrangement | positioning of a reflective mirror, a light source unit, a light valve, and a projection lens. (a)は、反射鏡が2次非球面の場合の集光状態を示す図である。(b)は、反射鏡が高次非球面の場合の集光状態を示す図である。(A) is a figure which shows the condensing state in case a reflective mirror is a secondary aspherical surface. (B) is a figure which shows the condensing state in case a reflective mirror is a high-order aspherical surface. (a)は、光源が光軸と平行に存在する場合の集光状態を示す図である。(b)は、光源が光軸から離れて存在する場合の集光状態を示す図である。(c)は、光源が2次元に配列された場合の集光状態を示す図である。(A) is a figure which shows the condensing state in case a light source exists in parallel with an optical axis. (B) is a figure which shows the condensing state in case a light source exists away from an optical axis. (C) is a figure which shows the condensing state when a light source is arranged in two dimensions.

符号の説明Explanation of symbols

1、12 発光部
2、14 光源ユニット
3,19 集光点
4,18 投影レンズ
5,17 光変調ユニット
6 集光光学系
6a 正の集光レンズ
6b 負の集光レンズ
7,13 発光領域
8,20 反射鏡
8a 凹面鏡
8b 凸面鏡
9 光路折り曲げ用の平面ミラー
10 反射型ライトバルブ
11 LED素子
15 光源ユニットの発光領域
15a 発光光束の中心光線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 12 Light emission part 2, 14 Light source unit 3,19 Condensing point 4,18 Projection lens 5,17 Light modulation unit 6 Condensing optical system 6a Positive condensing lens 6b Negative condensing lens 7,13 Light emission area 8 , 20 Reflective mirror 8a Concave mirror 8b Convex mirror 9 Plane mirror for bending the optical path 10 Reflective light valve 11 LED element 15 Light emitting area of the light source unit 15a Central beam of the emitted light beam

Claims (10)

発光素子が2次元的に配列された光源ユニットを有する画像投影装置であって、
前記光源ユニットからの照明光束を画像生成用の光変調ユニットに集光照射させる集光光学系を有し、
前記集光光学系は、自由曲面を有する光学素子を用いることを特徴とする画像投影装置。
An image projection apparatus having a light source unit in which light emitting elements are two-dimensionally arranged,
A condensing optical system for condensing and irradiating an illumination light beam from the light source unit to a light modulation unit for image generation;
An image projection apparatus characterized in that the condensing optical system uses an optical element having a free-form surface.
前記光学素子は、透過レンズであることを特徴とする請求項1に記載の画像投影装置。   The image projection apparatus according to claim 1, wherein the optical element is a transmission lens. 前記光学素子は、反射鏡であることを特徴とする請求項1に記載の画像投影装置。   The image projection apparatus according to claim 1, wherein the optical element is a reflecting mirror. 前記反射鏡は、少なくとも2枚の凹面鏡であることを特徴とする請求項3に記載の画像投影装置。   The image projector according to claim 3, wherein the reflecting mirror is at least two concave mirrors. 前記反射鏡は、少なくとも1枚の凹面鏡と、少なくとも1枚の凸面鏡とであることを特徴とする請求項3に記載の画像投影装置。   The image projector according to claim 3, wherein the reflecting mirror is at least one concave mirror and at least one convex mirror. 前記2枚の凹面鏡の配置間隔を可変としたことを特徴とする請求項4に記載の画像投影装置。   The image projection apparatus according to claim 4, wherein an interval between the two concave mirrors is variable. 前記凹面鏡と、前記凸面鏡との配置間隔を可変としたことを特徴とする請求項5に記載の画像投影装置。   The image projection apparatus according to claim 5, wherein an arrangement interval between the concave mirror and the convex mirror is variable. 前記光変調ユニットは、反射型光変調ユニットであることを特徴とする請求項1に記載の画像投影装置。   The image projection apparatus according to claim 1, wherein the light modulation unit is a reflective light modulation unit. 前記透過レンズは、少なくとも1枚の正レンズと、少なくとも1枚の負レンズとであることを特徴とする請求項2に記載の画像投影装置。   The image projector according to claim 2, wherein the transmission lens is at least one positive lens and at least one negative lens. 前記正レンズと、前記負レンズとの配置間隔を可変としたことを特徴とする請求項9に記載の画像投影装置。   The image projection apparatus according to claim 9, wherein an arrangement interval between the positive lens and the negative lens is variable.
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