JP2008256979A - Illumination optical system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は照明光学系に関するものであり、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)やLCD(liquid crystal display)を表示素子とする画像投影装置において、その表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系に関するものである。 The present invention relates to an illumination optical system. For example, in an image projection apparatus using a digital micromirror device or LCD (liquid crystal display) as a display element, the image display surface of the display element is illuminated. The present invention relates to an illumination optical system.
面発光型の半導体レーザーアレイが、プロジェクター用の光源として注目されている。この半導体レーザーアレイの光源配列は、例えば1列又は2列×10数列といった非常に扁平な配列であることが多いため、このようなレーザーアレイ光源で照明を行うと、照明光のNA(numerical aperture)が方向により大きく異なることになる。一方、プロジェクターに用いられる投影レンズ等の光学系は、等方的なNAを有している。 Surface emitting semiconductor laser arrays are attracting attention as light sources for projectors. Since the light source array of this semiconductor laser array is often a very flat array, for example, 1 column or 2 columns × 10 columns, when illumination is performed with such a laser array light source, the NA (numerical aperture) of the illumination light is increased. ) Will vary greatly depending on the direction. On the other hand, an optical system such as a projection lens used in a projector has an isotropic NA.
上記のような扁平なNAの照明光では、光学系を小さい方のNAに合わせると、照明光の大きい方のNA成分が伝達できなくなる。逆に、光学系を大きい方のNAに合わせると、光学系の大型化を招いたりして全体として効率が良くない。また、光学系を適度なNA(例えばNA=0.2)で照明光の大きい方のNAに合わせると、照明光の小さい方向のNAはかなり小さくなり(例えばNA=0.025)、NAの小さい方の解像力が得られなくなる。このように、レーザーアレイ光源を用いた場合にはNA分布が扁平となることが問題となっている。 With illumination light with a flat NA as described above, if the optical system is adjusted to a smaller NA, the NA component with the larger illumination light cannot be transmitted. On the other hand, if the optical system is adjusted to the larger NA, the overall size of the optical system may be increased, resulting in poor efficiency. Further, when the optical system is adjusted to an NA having a larger illumination light with an appropriate NA (for example, NA = 0.2), the NA in the smaller direction of the illumination light becomes considerably smaller (for example, NA = 0.025). The smaller resolution cannot be obtained. Thus, when the laser array light source is used, there is a problem that the NA distribution becomes flat.
NA分布が扁平な光源を用いた照明光学系としては、特許文献1〜3記載のものが挙げられる。
特許文献1に記載されている光源はレーザーアレイ光源では無いが、扁平なNA分布を等方的なNA分布に補正するために、テーパーロッドが照明光学系に用いられている。しかし、インテグレータとしてのテーパーロッドは製造が困難であり、その使用はコストアップや照明光学系全体の大型化を招く原因となる。このため、一般的な四角柱形状(直方体形状等)のロッドインテグレータを用いた場合でも、高い照明効率が得られる照明光学系が求められている。
The light source described in
特許文献2に記載されている照明光学系では、光源としてレーザーアレイが用いられており、一対のレンズアレイにより均一な照度分布が得られるように構成されている。しかし、NAの等方性については配慮されておらず、扁平なNA分布に起因する問題点は解決されていない。
In the illumination optical system described in
特許文献3に記載されている照明光学系では、光ファイバーを介してレーザーアレイからの光束をロッドインテグレータに入射させる構成になっている。そして、ロッド入射面に対して光ファイバーを斜めに配置して斜め方向から入射させることにより、戻り光対策としている。しかし、NAの等方性については配慮されておらず、扁平なNA分布に起因する問題点は解決されていない。 The illumination optical system described in Patent Document 3 has a configuration in which a light beam from a laser array is incident on a rod integrator via an optical fiber. Then, an optical fiber is disposed obliquely with respect to the rod incident surface and is incident from an oblique direction, thereby taking a countermeasure against return light. However, the isotropy of NA is not taken into consideration, and the problems caused by the flat NA distribution are not solved.
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、レーザーアレイ光源を備え、かつ、コンパクトな構成でありながら、等方的なNA分布を有する照明光束が得られる照明光学系を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to provide an illumination light beam having an isotropic NA distribution while having a laser array light source and a compact configuration. It is to provide an optical system.
上記目的を達成するために、第1の発明の照明光学系は、表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系であって、扁平な光束断面の照明光を出射するレーザーアレイ光源と、断面形状が四辺形であり前記照明光の空間的なエネルギー分布を均一化するロッドインテグレータと、を有し、前記ロッドインテグレータへ照明光が入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、前記照明光の光束断面の長尺方向と、前記ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成すことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an illumination optical system according to a first aspect of the present invention is an illumination optical system for illuminating an image display surface of a display element, and includes a laser array light source that emits illumination light having a flat light beam section, The cross-sectional shape is a quadrilateral and has a rod integrator that uniformizes the spatial energy distribution of the illumination light, and when the illumination light is incident on the rod integrator, in a cross section perpendicular to the incident direction, The longitudinal direction of the cross section of the luminous flux of the illumination light and the side direction of the cross section of the rod integrator form a predetermined angle that is neither parallel nor perpendicular.
第2の発明の照明光学系は、上記第1の発明において、前記所定の角度が20°〜70°であることを特徴とする。 The illumination optical system according to a second aspect is characterized in that, in the first aspect, the predetermined angle is 20 ° to 70 °.
第3の発明の照明光学系は、上記第1の発明において、前記所定の角度が45°又は略45°であることを特徴とする。 The illumination optical system according to a third aspect is characterized in that, in the first aspect, the predetermined angle is 45 ° or substantially 45 °.
第4の発明の照明光学系は、上記第1〜第3のいずれか1つの発明において、前記レーザーアレイ光源からの照明光を発散又は集光させて前記ロッドインテグレータに入射させるレンズを更に有することを特徴とする。 The illumination optical system according to a fourth aspect of the present invention further includes a lens for diverging or condensing the illumination light from the laser array light source so as to be incident on the rod integrator in any one of the first to third aspects of the invention. It is characterized by.
第5の発明の照明光学系は、上記第4の発明において、前記照明光の光束中心軸と前記レンズの中心軸とが相対的に偏心していることを特徴とする。 The illumination optical system according to a fifth aspect of the present invention is characterized in that, in the fourth aspect of the invention, a central axis of the light beam of the illumination light and a central axis of the lens are relatively decentered.
第6の発明の照明光学系は、上記第5の発明において、前記偏心の方向が前記照明光の光束断面の短尺方向であることを特徴とする。 The illumination optical system according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that, in the fifth aspect, the decentering direction is a short direction of a cross section of the luminous flux of the illumination light.
第7の発明の照明光学系は、上記第1〜第6のいずれか1つの発明において、前記照明光の光束断面の長尺方向の最大NAの光線が、前記ロッドインテグレータ内面を構成するすべての面でそれぞれ2回以上反射することを特徴とする。 The illumination optical system according to a seventh aspect of the present invention is the illumination optical system according to any one of the first to sixth aspects, wherein all light beams having a maximum NA in the longitudinal direction of the light beam cross section of the illumination light constitute the inner surface of the rod integrator. Each surface is reflected twice or more.
第8の発明の照明光学系は、上記第1〜第7のいずれか1つの発明において、前記ロッドインテグレータが、前記レーザーアレイ光源側から順に、第1ロッドインテグレータと第2ロッドインテグレータとの2つの部分から成り、前記第1ロッドインテグレータへ照明光が入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、前記照明光の光束断面の長尺方向と、前記第1ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成し、前記第2ロッドインテグレータへの照明光の入射方向に対し垂直な断面において、前記第1ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、前記第2ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成すことを特徴とする。 An illumination optical system according to an eighth invention is the illumination optical system according to any one of the first to seventh inventions, wherein the rod integrator includes two rod integrators, a first rod integrator and a second rod integrator, sequentially from the laser array light source side. When the illumination light is incident on the first rod integrator, the longitudinal direction of the light beam cross section of the illumination light and the side direction of the cross sectional shape of the first rod integrator when the illumination light is incident on the first rod integrator Are formed in a predetermined angle that is neither parallel nor vertical, and in a cross section perpendicular to the incident direction of the illumination light to the second rod integrator, the side direction of the cross-sectional shape of the first rod integrator, and the second The side direction of the cross-sectional shape of the rod integrator forms a predetermined angle that is neither parallel nor perpendicular.
第9の発明の照明光学系は、上記第8の発明において、前記第2ロッドインテグレータへの照明光の入射方向に対し垂直な断面において、第2ロッドインテグレータへ入射する光束について、その光束断面の長尺方向と、前記第2ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成すことを特徴とする。 The illumination optical system according to a ninth aspect of the present invention is the illumination optical system according to the eighth aspect, wherein a light beam incident on the second rod integrator has a cross section perpendicular to the incident direction of the illumination light to the second rod integrator. The longitudinal direction and the side direction of the cross-sectional shape of the second rod integrator form a predetermined angle that is neither parallel nor perpendicular.
第10の発明の照明光学系は、上記第8の発明において、前記照明光の光束断面の長尺方向と、前記第1ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が成す所定の角度をαとし、前記第1ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、前記第2ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が成す所定の角度をβとすると、α=45°であり、かつ、β=22.5°であるか、又はα=22.5°であり、かつ、β=45°であることを特徴とする。 In the illumination optical system according to a tenth aspect, in the eighth aspect, α is a predetermined angle formed by the long direction of the cross section of the light flux of the illumination light and the side direction of the cross section of the first rod integrator. When a predetermined angle formed by the side direction of the cross-sectional shape of the first rod integrator and the side direction of the cross-sectional shape of the second rod integrator is β, α = 45 ° and β = 22. 5 ° or α = 22.5 ° and β = 45 °.
第11の発明の照明光学系は、上記第1〜第10のいずれか1つの発明において、前記レーザーアレイ光源を2つ有し、各レーザーアレイ光源から出射した照明光が同一方向に進行するように光束を合成する光束合成部材を更に有し、前記光束合成部材で合成された2つの光束の進行方向に対し垂直な断面において、2つの光束の断面の長尺方向が平行でない所定の角度を成すことを特徴とする。 An illumination optical system according to an eleventh aspect of the present invention is the optical system according to any one of the first to tenth aspects, wherein the two laser array light sources are provided so that the illumination light emitted from each laser array light source travels in the same direction. A light beam combining member for combining the light beams, and in a cross section perpendicular to the traveling direction of the two light beams combined by the light beam combining member, the longitudinal direction of the cross sections of the two light beams has a predetermined angle that is not parallel. It is characterized by making.
第12の発明の照明光学系は、上記第11の発明において、前記光束合成部材が偏光ビームスプリッターであることを特徴とする。 An illuminating optical system according to a twelfth aspect is characterized in that, in the eleventh aspect, the light beam combining member is a polarization beam splitter.
第13の発明の照明光学系は、上記第11又は第12の発明において、前記2つの光束の断面の長尺方向が成す所定の角度をγとし、合成後の2つの光束の対称軸と、前記ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が成す所定の角度をδとすると、γ=90°であり、かつ、δ=22.5°であるか、又はγ=45°であり、かつ、δ=45°であることを特徴とする。 The illumination optical system according to a thirteenth aspect of the present invention is the illumination system according to the eleventh or twelfth aspect, wherein a predetermined angle formed by the longitudinal direction of the cross section of the two light beams is γ, When a predetermined angle formed by the side direction of the cross-sectional shape of the rod integrator is δ, γ = 90 ° and δ = 22.5 °, or γ = 45 °, and It is characterized by δ = 45 °.
第14の発明の照明光学系は、上記第1〜第13のいずれか1つの発明において、前記レーザーアレイ光源として、3原色R,G,Bの照明光をそれぞれ出射する3つのレーザーアレイ光源を有し、各レーザーアレイ光源から出射した照明光を同一光路に合成する光路合成部材を更に有し、前記光路合成部材で光路合成された3つの光束が同じ発散度合い又は集光度合いで前記ロッドインテグレータに入射するように光学配置されたことを特徴とする。 The illumination optical system according to a fourteenth aspect of the present invention is the illumination optical system according to any one of the first to thirteenth aspects, wherein the laser array light source includes three laser array light sources that respectively emit illumination light of three primary colors R, G, and B The rod integrator further comprising an optical path synthesis member that synthesizes the illumination light emitted from each laser array light source into the same optical path, and the three light beams synthesized by the optical path synthesis member have the same divergence or condensing degree. It is characterized by being optically arranged so as to be incident on.
第15の発明の照明光学系は、上記第14の発明において、前記各レーザーアレイ光源から前記ロッドインテグレータまでの光路長が等しいことを特徴とする。 The illumination optical system of the fifteenth aspect of the invention is characterized in that, in the fourteenth aspect of the invention, the optical path lengths from the laser array light sources to the rod integrator are equal.
第16の発明の画像投影装置は、上記第1〜第15のいずれか1つの発明に係る照明光学系を備えたことを特徴とする。 An image projection apparatus according to a sixteenth aspect includes the illumination optical system according to any one of the first to fifteenth aspects.
第1の発明によれば、ロッドインテグレータへ照明光が入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、照明光の光束断面の長尺方向と、ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成す構成になっているため、扁平なNA分布をより等方的に変換することができる。例えば、扁平な光束断面の照明光を上記所定の角度αを持って入射させた場合、NAの大きな方向が角度2αを成す2方向となった状態で照明光がロッドインテグレータから出射することになる。つまり、扁平なNA方向をもう1方向増やすことができ、それによって、扁平なNA分布をより等方的な分布に変換することができるのである。レーザーアレイ光源を備え、かつ、コンパクトな構成でありながら、等方的なNA分布を有する照明光束が得られるので、高い照明効率と高い解像力を保持しつつ、均一な照度分布を得ることができる。しかも、扁平な光束断面の照明光を上記のように所定の角度を持ってロッドインテグレータに入射させると、ロッドインテグレータの断面形状の短辺方向の反射面でも容易に反射させることができるため、均一な照度分布がより得やすくなる。 According to the first invention, when the illumination light is incident on the rod integrator, the longitudinal direction of the light beam cross section of the illumination light and the side direction of the cross-sectional shape of the rod integrator are perpendicular to the incident direction. Since it is configured to form a predetermined angle that is neither parallel nor vertical, a flat NA distribution can be converted more isotropically. For example, when illumination light having a flat light beam cross section is incident with the predetermined angle α, the illumination light is emitted from the rod integrator in a state where the direction of large NA becomes two directions forming the angle 2α. . That is, the flat NA direction can be increased by one more direction, whereby the flat NA distribution can be converted into a more isotropic distribution. An illumination beam having an isotropic NA distribution can be obtained with a laser array light source and a compact configuration, so that a uniform illuminance distribution can be obtained while maintaining high illumination efficiency and high resolution. . Moreover, when illumination light with a flat beam cross section is incident on the rod integrator at a predetermined angle as described above, it can be easily reflected even on the reflecting surface in the short side direction of the cross section of the rod integrator. It becomes easier to obtain a proper illuminance distribution.
したがって上記特徴的な照明光学系を、第16の発明のように画像投影装置(リアプロジェクター,フロントプロジェクター等)に用いれば、レーザーアレイ光源に特有の扁平なNA分布に起因する問題点を解消して、画像投影装置のコンパクト化,低コスト化,高輝度化,高性能化,高機能化等に大きく寄与することができる。なお、本発明に係る照明光学系が適用される装置は画像投影装置に限らない。等方的なNA分布の照明光を必要とする装置であれば適用可能である。 Therefore, if the characteristic illumination optical system is used in an image projection apparatus (rear projector, front projector, etc.) as in the sixteenth aspect, the problems caused by the flat NA distribution unique to the laser array light source can be solved. Thus, the image projector can be greatly contributed to downsizing, cost reduction, high brightness, high performance, high functionality, and the like. An apparatus to which the illumination optical system according to the present invention is applied is not limited to an image projection apparatus. Any device that requires illumination light with an isotropic NA distribution is applicable.
第2の発明によれば、ロッドインテグレータへ照明光が入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、照明光の光束断面の長尺方向と、ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が角度20°〜70°を成す構成になっているため、等方的なNA分布への変換をより有効に行うことができる。 According to the second invention, when the illumination light is incident on the rod integrator, the longitudinal direction of the light beam cross section of the illumination light and the side direction of the cross-sectional shape of the rod integrator are perpendicular to the incident direction. Since the angle is 20 ° to 70 °, conversion to an isotropic NA distribution can be performed more effectively.
さらに第3の発明によれば、ロッドインテグレータへ照明光が入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、照明光の光束断面の長尺方向と、ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が角度45°又は略45°を成す構成になっているため、NAの大きい方向が直交する結果、最も等方的なNA分布を達成することができる。 Further, according to the third invention, when the illumination light is incident on the rod integrator, in the cross section perpendicular to the incident direction, the longitudinal direction of the light beam cross section of the illumination light, the side direction of the cross sectional shape of the rod integrator, Is configured to form an angle of 45 ° or approximately 45 °, and as a result of orthogonality of the direction of large NA, the most isotropic NA distribution can be achieved.
第4の発明によれば、レーザーアレイ光源からの照明光がレンズで発散又は集光するため、ロッドインテグレータに対してより角度を持って入射することになる。したがって、ロッドインテグレータ内での反射回数を多くすることができ、均一な照度分布がより得やすくなる。 According to the fourth aspect of the invention, the illumination light from the laser array light source is diverged or condensed by the lens, so that it is incident on the rod integrator at an angle. Therefore, the number of reflections in the rod integrator can be increased, and a uniform illuminance distribution can be obtained more easily.
さらに第5の発明によれば、照明光の光束中心軸とレンズの中心軸とが相対的に偏心しているため、扁平な光束断面の照明光は斜め方向に曲がってロッドインテグレータに入射することになる。その斜め方向にNAが大きくなるため、扁平なNA分布をより等方的に変換することが可能となる。 Further, according to the fifth invention, since the central axis of the luminous flux of the illumination light and the central axis of the lens are relatively decentered, the illumination light having a flat luminous flux section bends in an oblique direction and enters the rod integrator. Become. Since the NA increases in the oblique direction, the flat NA distribution can be converted more isotropically.
例えば第6の発明のように、偏心方向を照明光の光束断面の短尺方向に設定すれば、ロッドインテグレータに入射する照明光はNAの小さい方向に傾くため、その方向のNAが大きくなってNAの扁平性がより緩和される。また、偏心のない状態でレンズを使うとNAの小さい方向には角度がつきにくいが、NAの小さい方向へのレンズ偏心によりロッドインテグレータへの入射角度を大きくすれば、NAの小さい方向にロッドインテグレータへの入射光が傾いている分、その方向でのロッドインテグレータ内面での反射回数を増やすことができる。したがって、均一な照度分布がより得やすくなる。 For example, as in the sixth aspect of the invention, if the eccentric direction is set to the short direction of the cross section of the luminous flux of the illumination light, the illumination light incident on the rod integrator is inclined in a direction with a small NA, so that the NA in that direction increases and the NA The flatness of is more relaxed. In addition, if the lens is used without any eccentricity, it is difficult to make an angle in the direction of small NA. However, if the incident angle to the rod integrator is increased by decentering the lens in the direction of small NA, the rod integrator in the direction of small NA. Since the incident light on the surface is inclined, the number of reflections on the inner surface of the rod integrator in that direction can be increased. Therefore, it becomes easier to obtain a uniform illuminance distribution.
第7の発明によれば、照明光の光束断面の長尺方向の最大NAの光線が、ロッドインテグレータ内面を構成するすべての面でそれぞれ2回以上(つまり4面で8回以上)反射する構成になっているため、2方向のそれぞれで5つ以上(つまりNAの小さい方向でも5つ以上)の2次光源による重ね合わせが可能となる。したがって、均一な照度分布を効果的に得ることができる。 According to the seventh aspect, the light beam having the maximum NA in the longitudinal direction of the cross section of the illumination light beam is reflected twice or more (that is, eight times or more on four surfaces) on all surfaces constituting the inner surface of the rod integrator. Therefore, it is possible to superimpose with five or more secondary light sources in each of the two directions (that is, five or more in the direction of small NA). Therefore, a uniform illuminance distribution can be obtained effectively.
第8の発明によれば、ロッドインテグレータが第1ロッドインテグレータと第2ロッドインテグレータとの2つの部分から成っているため、第1ロッドインテグレータで扁平なNA方向を1つ増やし、第2ロッドインテグレータで扁平なNA方向を更に2つ増やすことができる。したがって、NA分布をより等方的にすることができる。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを使ったプロジェクターの場合、通常、ロッドインテグレータ断面の辺方向に45°の角度を持って光束を入射させると、NAの大きい方向は投影画面の斜め45°方向になる。しかし、画素配列は上下・左右方向なので、この方向のNAが相対的に小さくなり、解像力が十分でなくなるおそれがある。ロッドインテグレータを2つの部分に分割することによってその機能をもう1つ追加すれば、上下・左右方向にもNAを大きくすることができる。また、第2ロッドインテグレータに入射する光束が、NAの大きい方向を2つ有しているので、第2ロッドインテグレータ内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。 According to the eighth invention, since the rod integrator is composed of two parts, the first rod integrator and the second rod integrator, the first rod integrator increases the flat NA direction by one, and the second rod integrator Two more flat NA directions can be added. Therefore, the NA distribution can be made more isotropic. Also, in the case of a projector using a digital micromirror device, normally, when a light beam is incident at an angle of 45 ° in the side direction of the rod integrator cross section, the direction with a large NA is obliquely 45 ° to the projection screen. Become. However, since the pixel array is in the vertical and horizontal directions, the NA in this direction is relatively small, and the resolution may not be sufficient. If another function is added by dividing the rod integrator into two parts, the NA can be increased in the vertical and horizontal directions. In addition, since the light beam incident on the second rod integrator has two directions with a large NA, the number of reflections in the second rod integrator increases, and a uniform illuminance distribution is more easily obtained.
さらに第9の発明によれば、第2ロッドインテグレータへの照明光の入射方向に対し垂直な断面において、第2ロッドインテグレータへ入射するすべての光束について、その光束断面の長尺方向と、第2ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成す構成になっているため、第2ロッドインテグレータによる等方的なNA分布への変換をより確実で効果的に行うことができる。 Further, according to the ninth aspect, in the cross section perpendicular to the incident direction of the illumination light to the second rod integrator, for all light beams incident on the second rod integrator, the long direction of the light beam cross section, Since the side direction of the cross-sectional shape of the rod integrator forms a predetermined angle that is neither parallel nor perpendicular, the conversion to the isotropic NA distribution by the second rod integrator is performed more reliably and effectively. be able to.
例えば第10の発明のように、α=45°,β=22.5°か、又はα=22.5°,β=45°の構成にすれば、NAの大きい方向が45°ごとの4方向になるため、より等方的なNA分布を達成することができる。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、画素の配列方向の解像力も確保することができる。 For example, as in the tenth invention, if α = 45 °, β = 22.5 °, or α = 22.5 °, β = 45 °, the NA increases in the direction of 45 ° every 4 °. Because of the direction, a more isotropic NA distribution can be achieved. In addition, when a digital micromirror device is used, the resolving power in the pixel arrangement direction can be ensured.
第11の発明によれば、レーザーアレイ光源を2つ有し、各レーザーアレイ光源から出射した照明光が同一方向に進行するように光束合成部材で光束を合成する構成になっているため、等方的なNA分布への変換をより効果的に行うことができる。このようにレーザーアレイ光源を2つ使うことによっても、ロッドインテグレータを2つ使った場合と同様、より等方的なNA分布を得ることができる。しかもこの場合、明るさを2倍にすることができるので、本発明に係る照明光学系はシネマ用等の高出力なプロジェクターに最適である。また、光束合成部材で合成された2つの光束の断面の長尺方向が平行でない所定の角度を成してロッドインテグレータに入射するため、ロッドインテグレータ内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。 According to the eleventh aspect of the invention, there are two laser array light sources, and the light beam combining member is configured to combine the light beams so that the illumination light emitted from each laser array light source travels in the same direction. Conversion to a square NA distribution can be performed more effectively. By using two laser array light sources in this way, a more isotropic NA distribution can be obtained as in the case of using two rod integrators. In addition, in this case, since the brightness can be doubled, the illumination optical system according to the present invention is most suitable for a high-power projector for cinema or the like. In addition, since the longitudinal direction of the cross-sections of the two light beams synthesized by the light beam combining member is incident on the rod integrator at a predetermined angle, the number of reflections in the rod integrator is increased, resulting in a uniform illuminance distribution. Becomes easier to obtain.
例えば第12の発明のように、光束合成部材として偏光ビームスプリッターを用いれば、光束の合成を効率的に行うことができる。レーザーアレイ光源から出射される光束はアレイの配列方向に直線偏光しているため、偏光ビームスプリッターを用いることによって同軸の光束合成を容易かつ効率良く行うことができる。 For example, as in the twelfth aspect, if a polarization beam splitter is used as the light beam combining member, the light beams can be combined efficiently. Since the light beam emitted from the laser array light source is linearly polarized in the array direction, coaxial beam combining can be performed easily and efficiently by using a polarizing beam splitter.
例えば第13の発明のように、γ=90°,δ=22.5°か、又はγ=45°,δ=45°の構成にすれば、NAの大きい方向が45°ごとの4方向になるため、より等方的なNA分布を達成することができる。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、画素の配列方向の解像力も確保することができる。 For example, as in the thirteenth invention, if γ = 90 ° and δ = 22.5 °, or γ = 45 ° and δ = 45 °, the direction of large NA is in four directions every 45 °. Therefore, a more isotropic NA distribution can be achieved. In addition, when a digital micromirror device is used, the resolving power in the pixel arrangement direction can be ensured.
第14の発明によれば、3原色R,G,Bの照明光をそれぞれ出射する3つのレーザーアレイ光源を有し、各レーザーアレイ光源から出射した照明光を光路合成部材で同一光路に合成する構成になっているので、フルカラー対応の照明が可能である。さらに、光路合成部材で光路合成された3つの光束が同じ発散度合い又は集光度合いでロッドインテグレータに入射するように光学配置されているため、色ムラの発生を抑えることができる。したがって、各色光で略等しい均一な照度分布での照明を、より確実に達成することができる。 According to the fourteenth aspect of the invention, there are three laser array light sources that respectively emit the illumination lights of the three primary colors R, G, and B, and the illumination light emitted from each laser array light source is combined into the same optical path by the optical path combining member. Because it is configured, it is possible to illuminate in full color. Further, since the three light beams combined by the optical path combining member are optically arranged so as to enter the rod integrator with the same degree of divergence or concentration, the occurrence of color unevenness can be suppressed. Therefore, illumination with a uniform illuminance distribution substantially equal for each color light can be achieved more reliably.
さらに第15の発明のように、各レーザーアレイ光源からロッドインテグレータまでの光路長が等しい光学配置を採用すれば、色ムラの発生防止を簡単な構成で行うことができる。レーザー光源のように点光源に近く、同じ微小角度の発散角を持って発光する光源装置を用いると、光路長の差がそのまま光学部品での光束幅の差になる。したがって、R,G,Bの各レーザーアレイ光源からロッドインテグレータまでの光路長が異なれば、光束幅の差が発散角度の差となるため、色ごとに生じるNAの差により色ムラが生じることになる。R,G,Bの各レーザーアレイ光源からロッドインテグレータまでの光路長が等しい光学配置を採用することにより、このような色ムラが生じる危険性を排除することができる。 Further, as in the fifteenth aspect, if an optical arrangement having the same optical path length from each laser array light source to the rod integrator is employed, the occurrence of color unevenness can be prevented with a simple configuration. When a light source device that emits light with the same minute divergence angle as a point light source such as a laser light source is used, the difference in the optical path length becomes the difference in the light beam width in the optical component as it is. Accordingly, if the optical path lengths from the R, G, and B laser array light sources to the rod integrator are different, the difference in luminous flux width becomes the difference in divergence angle, resulting in color unevenness due to the difference in NA generated for each color. Become. By adopting an optical arrangement in which the optical path lengths from the R, G, and B laser array light sources to the rod integrator are equal, the risk of such color unevenness can be eliminated.
以下、本発明に係る照明光学系とそれを用いた画像投影装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。 Hereinafter, embodiments of an illumination optical system and an image projection apparatus using the illumination optical system according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is mutually attached | subjected to the part which is the same in each embodiment etc., and the corresponding part, and duplication description is abbreviate | omitted suitably.
《第1の実施の形態(図1〜図3,図16,図17)》
図1(A)に、第1の実施の形態に係る照明光学系IL1を備えた画像投影装置の主要な光学配置を上面側から示す。この画像投影装置は、表示素子10と、その画像表示面10aを照明するための照明光学系IL1と、画像表示面10aに表示される画像をスクリーン(不図示)に対して拡大投影するための投影光学系POと、を備えている。照明光学系IL1は、レーザーアレイ光源1R,1G,1B;反射ミラー3R,3G,3B;ダイクロイックミラー4R,4G;凹レンズ7a;ロッドインテグレータ8;リレー光学系9等で構成されており、ロッドインテグレータ8よりも後の光学構成、つまり、リレー光学系9,表示素子10,TIR(Total Internal Reflection)プリズム11,及び投影レンズ12は、放電ランプを用いた一般的な画像投影装置と同様の構成になっている。
<< First Embodiment (FIGS. 1 to 3, FIG. 16, FIG. 17)>
FIG. 1A shows a main optical arrangement of the image projection apparatus including the illumination optical system IL1 according to the first embodiment from the upper surface side. This image projection apparatus enlarges and projects a
レーザーアレイ光源1Rからは赤色(R)の照明光が出射され、レーザーアレイ光源1Gからは緑色(G)の照明光が出射され、レーザーアレイ光源1Bからは青色(B)の照明光が出射される。つまり、3原色R,G,Bの照明光をそれぞれ出射する3つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bが順次点滅し、表示素子10が照明光の色に応じた画像を画像表示面10aに表示することにより、カラー画像の表示が行われる。
Red (R) illumination light is emitted from the laser
各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bの光源配列は、いずれも扁平になっている(例えば1列又は2列×10数列)。このため、各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。そして、3つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bは、各照明光の光束断面の長尺方向が略一直線状になるように配列されており、3つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bには共通のヒートシンク2が取り付けられている。図1(C)に、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bに取り付けられた状態のヒートシンク2を側面側(つまり図1(A)における矢印D2側)から示す。
The light source arrays of the laser
図1(A)に示すように、ヒートシンク2の側面側には冷却ファン6が配置されており、冷却ファン6からヒートシンク2に風6aが送られて、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bが冷却される構成になっている。図1(C)から分かるように、ヒートシンク2には複数のフィン2aが形成されている。冷却ファン6からの風6aは、3つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bの配列方向に沿って流れるように、フィン2aによってガイドされる。この冷却構成は、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bを一直線状に配列することによって採用可能となる。つまり、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bのレイアウトを一直線状にすることにより、共通の冷却機構を使用することが可能となり、冷却箇所も一箇所で済み、非常に効率良く冷却することが可能となる。特に半導体レーザーやLED(light emitting diode)等の光源を扱う場合には、その冷却が発光量にも影響を及ぼすため、照明光学系において上記レイアウトは重要なポイントとなる。
As shown in FIG. 1A, a cooling fan 6 is disposed on the side surface of the
また図1(A)に示すように、R,G,Bの各レーザーアレイ駆動を行うための端子5R,5G,5Bは、同一平面・同一方向に配置されており、制御基板(不図示)との接続が行い易いようになっている。半導体レーザーやLED等の光源を扱う場合には、大きな電流を流すことになるため、効率,安全性等の観点からも、上記レイアウトでレーザーアレイ光源1R,1G,1Bを配列することは重要である。
As shown in FIG. 1A, the
レーザーアレイ光源1Rから出射したRの照明光は、反射ミラー3Rで反射された後、ダイクロイックミラー4Rで反射される。ダイクロイックミラー4RはRの照明光を反射し、G,Bの照明光を透過するので、Rの照明光はダイクロイックミラー4Rで反射されることにより、G,Bの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のRの照明光は、凹レンズ7aに入射して発散される。レーザーアレイ光源1Gから出射したGの照明光は、反射ミラー3Gで反射された後、ダイクロイックミラー4Gで反射される。ダイクロイックミラー4GはGの照明光を反射し、Bの照明光を透過するので、Gの照明光はダイクロイックミラー4Gで反射されることにより、Bの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のGの照明光は、ダイクロイックミラー4Rを透過し、凹レンズ7aに入射して発散される。レーザーアレイ光源1Bから出射したBの照明光は、反射ミラー3Bで反射された後、ダイクロイックミラー4G,4Rを順に透過することにより、R,Gの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のBの照明光は、凹レンズ7aに入射して発散される。
The R illumination light emitted from the laser
上記のように、3枚の反射ミラー3R,3G,3Bと2種類のダイクロイックミラー4R,4Gによって、R,G,Bの各照明光が同一の光路に合成される。この光路合成(つまり色合成)により、R,G,Bの各照明光は、同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ8までの光路長が互いに等しくなる。その結果、光路合成後の同一面における光束断面が略等しくなる。これについては後で詳しく説明する。
As described above, the R, G, and B illumination lights are combined into the same optical path by the three
光路合成後のR,G,Bの各照明光は、凹レンズ7aで発散された後、ロッドインテグレータ8に入射する。ロッドインテグレータ8は、4枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段である。入射端面から入射してきた照明光は、ロッドインテグレータ8の側面(すなわち内壁面)で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光の空間的なエネルギー分布が均一化されて出射端面から出射する。ロッドインテグレータ8の入射端面と出射端面の形状は、表示素子10の画像表示面10aと略相似の四角形になっており、また、ロッドインテグレータ8の出射端面は表示素子10の画像表示面10aに対して共役になっている。したがって、上記ミキシング効果により出射端面での輝度分布が均一化されることにより、表示素子10は効率良く均一に照明されることになる。
The R, G, and B illumination lights after the optical path synthesis are diverged by the
なお、ロッドインテグレータ8は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、表示素子10の画像表示面10aの形状と適合するならば、その側面についても4面に限らない。つまり、断面形状は長方形等の四辺形に限らない。したがって、用いるロッドインテグレータ8としては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。
The
前述したように、各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。主要な光学配置を上面側から示している図1(A)では、凹レンズ7aとロッドインテグレータ8は光束幅の大きい方から見た状態で示されている。凹レンズ7aとロッドインテグレータ8を図1(A)における矢印D1側、つまり光束幅の小さい方から見た状態を図1(B)に示す。この照明光学系IL1では、図1(A),(B)から分かるように、凹レンズ7aで光束Pに角度をつけることによりロッドインテグレータ8内で反射しやすくしている。このように、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bからの照明光が凹レンズ7aで発散する(あるいは後述する凸レンズ7b(図4,図6,図9)で集光する)構成にすれば、ロッドインテグレータ8に対してより角度を持って入射すること(つまり、入射端面に対する入射角度が大きいこと)になるため、ロッドインテグレータ8内での反射回数が多くなり、均一な照度分布がより得やすくなる。
As described above, the illumination light emitted from each laser
しかし、照明光の光束断面は扁平な形状をしているため、図16に示すように、光束幅S1と光束幅S2との差によって光束の屈折角度U1,U2は異なってしまう。つまり、光束幅の大きい方S1に比べると、光束幅の小さい方S2ではロッドインテグレータ8に対してあまり角度がつかなくなる。このため、ロッドインテグレータ8内では、その方向の反射回数が少なくなり、均一な照度分布や等方的なNA分布が得にくくなる。
However, since the light beam cross section of the illumination light has a flat shape, the refraction angles U1 and U2 of the light beam differ depending on the difference between the light beam width S1 and the light beam width S2, as shown in FIG. That is, the
この照明光学系IL1では上記問題点を解消するため、ロッドインテグレータ8へ照明光が入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、照明光の光束断面の長尺方向と、ロッドインテグレータ8の断面形状の長辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度(この照明光学系IL1では45°)を成すようにしている。図2(A)に、照明光の光束Pの断面とロッドインテグレータ8の断面との関係を示す。ロッドインテグレータ8は、その断面形状の長辺方向が光束Pの断面の長尺方向に対して角度α=45°を成すように配置されている。光束Pの断面形状は、光束Pがロッドインテグレータ8に入射するときのNA分布とほぼ一致するので、断面が扁平な光束Pを角度α=45°で入射させた場合、図2(B)に示すように、NAの大きな方向(すなわち光束Pの断面の長尺方向)が角度θ=2α=90°を成す2方向となった状態で、光束Pがロッドインテグレータ8から出射することになる。つまり、扁平なNA方向をもう1方向増やすことができ、それによって、扁平なNA分布をより等方的な分布に変換することができるのである。
In the illumination optical system IL1, in order to eliminate the above problems, when illumination light is incident on the
この照明光学系IL1の構成によると、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bを備え、かつ、コンパクトな構成でありながら、等方的なNA分布を有する照明光束が得られるので、高い照明効率と高い解像力を保持しつつ、均一な照度分布を得ることができる。しかも、扁平な光束断面の照明光を上記のように所定の角度を持ってロッドインテグレータ8に入射させると、ロッドインテグレータ8の断面形状の短辺方向の反射面でも容易に反射させることができるため、均一な照度分布がより得やすくなる。したがって、この照明光学系IL1を画像投影装置が備えることにより、コンパクト化,低コスト化,高性能化,高機能化等に大きく寄与することができる。
According to the configuration of the illumination optical system IL1, the illumination light beam having the isotropic NA distribution can be obtained while having the laser
図2(A)に示すように、ロッドインテグレータ8へ照明光束Pが入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、照明光束Pの断面の長尺方向と、ロッドインテグレータ8の断面形状の長辺方向と、が角度α=45°又は略45°を成す構成にすると、NAの大きい方向が直交する結果、最も等方的なNA分布を達成することができる。ただし、NAの等方性を増すために有効な角度αは45°又は略45°に限らない。実際的には、角度α=20°〜70°を成す構成であれば、等方的なNA分布への変換をより効果的に行うことができる。
As shown in FIG. 2A, when the illumination light beam P is incident on the
例えば図3(A)に示すように、ロッドインテグレータ8へ照明光束Pが入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、照明光束Pの断面の長尺方向と、ロッドインテグレータ8の断面形状の長辺方向と、が角度α=30°を成すように配置してもよい。断面が扁平な光束Pを角度α=30°を持って入射させた場合、図3(B)に示すように、NAの大きな方向(すなわち光束Pの断面の長尺方向)が角度θ=2α=60°を成す2方向となった状態で、光束Pがロッドインテグレータ8から出射することになるため、扁平なNA分布はより等方的な分布へと変換される。このように、扁平なNA分布を有する光束Pをロッドインテグレータ8に対して所定角度α傾けて入射させると、その傾き度合いに応じてNA分布の扁平度合いを改善することができる。
For example, as shown in FIG. 3A, when the illumination light beam P is incident on the
この実施の形態や後述する他の実施の形態では、ロッドインテグレータの断面形状の長辺方向に対して、扁平な光束断面の長尺方向が成す角度を規定しているが(例えば、平行でも垂直でもない所定の角度、あるいはδ=22.5°又は45°等である。)、長辺方向に対して成す角度に限らず、四辺形の辺方向に対して平行でも垂直でもない所定の角度であれば、扁平なNA分布をより等方的な分布に変換することができる。 In this embodiment and other embodiments described later, the angle formed by the long direction of the flat light beam cross section is defined with respect to the long side direction of the cross sectional shape of the rod integrator (for example, parallel or vertical). However, the angle is not limited to the angle formed with respect to the long side direction, and is not parallel to or perpendicular to the side direction of the quadrilateral. If so, the flat NA distribution can be converted into a more isotropic distribution.
この照明光学系IL1では、照明光束Pの断面の長尺方向の最大NAの光線が、ロッドインテグレータ8の内面を構成するすべての面でそれぞれ2回以上反射するように構成されている。照明光束Pの断面の長尺方向の最大NAの光線が、ロッドインテグレータ8の内面を構成するすべての面でそれぞれ2回以上(つまり4面で8回以上)反射するように構成すれば、2方向のそれぞれで5つ以上(つまりNAの小さい方向でも5つ以上)の2次光源による重ね合わせが可能となる。したがって、均一な照度分布を効果的に得ることができる。
The illumination optical system IL1 is configured such that a light beam having a maximum NA in the longitudinal direction of the cross section of the illumination light beam P is reflected twice or more on all surfaces constituting the inner surface of the
ところで、レーザー光源のように点光源に近い光源から、図17に示すように、同じ微小角度Δの発散角を持って発光した光束は、その光路長T1,T2の差がそのまま光学部品(ここでは凹レンズ7a)での光束幅の差になる。このため、R,G,Bの各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bからの光路長T1,T2が異なれば、凹レンズ7aでの光束幅の差異の比率が比較的大きくなり、凹レンズ7aで色ごとの発散角度V1,V2に大きな差異が発生する。したがって、色ごとにNAの差異が生じて色ムラが生じることになる。図1に示す照明光学系IL1では、光路合成されたR,G,Bの3つの光束が同じ発散度合いでロッドインテグレータ8に入射するように光学配置されているため、上記のような色ムラが生じる危険性は排除される。そして、色ムラの発生が抑えられることにより、各色光で略等しい均一な照度分布での照明をより確実に達成することが可能となる。また、各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bからロッドインテグレータ8までの光路長が等しい光学配置を採用することにより、色ムラの発生防止をより簡単な構成で行うことが可能となる。
By the way, as shown in FIG. 17, a light beam emitted from a light source close to a point light source such as a laser light source has a divergence angle of the same minute angle Δ, and the difference between the optical path lengths T1 and T2 remains as it is. Then, the difference in the luminous flux width at the
図1(A)に示すように、ロッドインテグレータ8から出射した照明光は、照明用のリレー光学系9を通ってTIRプリズム11に入射する。TIRプリズム11に入射した照明光は、TIRプリズム11のエアギャップ面11aで全反射した後、表示素子10の画像表示面10aを均一に照明する。このときリレー光学系9は、照明光をリレーしてロッドインテグレータ8の出射端面を表示素子10の画像表示面10a上で結像させる。つまり、表示素子10の画像表示面10a上にはロッドインテグレータ8の出射端面の像が形成されることになる。
As shown in FIG. 1A, the illumination light emitted from the
表示素子10の画像表示面10aでは、照明光の強度変調により2次元画像が形成される。ここでは、表示素子10としてデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を想定している。ただし、使用される表示素子10はこれに限らず、投影光学系POに適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子10としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、それに入射した光は、ON/OFF状態(例えば±12°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ON状態のマイクロミラーで反射した光のみが、TIRプリズム11のエアギャップ面11aを全反射無しに透過し、投影レンズ12に入射してスクリーン上に投射される。一方、OFF状態のマイクロミラーで反射した光は、TIRプリズム11の照明光の進入側とは反対側に大きく偏向されるため、投影レンズ12には入射しない。このように、投影光学系POを構成する投影レンズ12のパワーにより、画像表示面10aの表示画像がスクリーン上に拡大投影される。
On the
《第2の実施の形態(図4,図5)》
図4に、第2の実施の形態に係る照明光学系IL2の要部を拡大して示す。図4は、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bからロッドインテグレータ8までの部分を、扁平な照明光束Pの光束幅の小さい方から見た状態で示している。この照明光学系IL2の特徴は、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bからの照明光を集光させてロッドインテグレータ8に入射させる凸レンズ7bを偏心状態で有する点にあり、その凸レンズ7bを前記凹レンズ7aの代わりに有するほかは、前記第1の実施の形態と同様の構成になっている。
<< Second Embodiment (FIGS. 4 and 5) >>
FIG. 4 shows an enlarged view of a main part of the illumination optical system IL2 according to the second embodiment. FIG. 4 shows the portions from the laser
光路合成後の照明光束Pは、凸レンズ7bで集光されてロッドインテグレータ8に入射する。凹レンズ7aの代わりに凸レンズ7bを用いても、前記第1の実施の形態と同様、照明光束Pに角度をつけることができる。したがって、照明光束Pは凸レンズ7bでの集光によりロッドインテグレータ8内で反射しやすくなり、ロッドインテグレータ8内での反射回数が多くなることによって均一な照度分布が得やすくなる。
The illumination light beam P after the optical path synthesis is condensed by the
照明光束Pの中心軸PXと凸レンズ7bの中心軸AXとが相対的に偏心しているため、照明光束Pは斜め方向に曲がって、ロッドインテグレータ8の入射端面に対し傾いて入射することになる。図5(A)に、そのときの照明光束Pの断面とロッドインテグレータ8の断面との関係を示す。凸レンズ7bの偏心方向が照明光束Pの断面の短尺方向(つまり光束幅の小さい方向)に設定されているため、ロッドインテグレータ8に入射する光束PはNAの小さい方向に傾く。ロッドインテグレータ8は、その断面形状の長辺方向が光束Pの断面の長尺方向に対して角度α=45°を成すように配置されているので、図5(B)に示すように、NAの大きな方向(すなわち光束Pの断面の長尺方向)が角度θ=2α=90°を成す2方向となり、かつ、凸レンズ7bで斜め偏向方向にNAが大きくなるため、光束PはNA分布の扁平度合いがより一層改善された状態でロッドインテグレータ8から出射することになる。
Since the central axis PX of the illumination light beam P and the central axis AX of the
また、偏心のない状態でレンズを使うとNAの小さい方向には角度がつきにくいが、この実施の形態ではNAの小さい方向へのレンズ偏心によりロッドインテグレータ8への入射角度が大きく設定されているため、NAの小さい方向にロッドインテグレータ8への入射光が傾いている分、その方向でのロッドインテグレータ8の内面での反射回数が増える。したがって、均一な照度分布がより得やすくなる。
Further, when the lens is used without any eccentricity, it is difficult to make an angle in the direction of small NA, but in this embodiment, the incident angle to the
《第3の実施の形態(図6〜図8)》
図6(A)に、第3の実施の形態に係る照明光学系IL3を備えた画像投影装置の主要な光学配置を上面側から示す。この照明光学系IL2の主たる特徴は、ロッドインテグレータ8が、レーザーアレイ光源1R,1G,1B側から順に、第1ロッドインテグレータ8aと第2ロッドインテグレータ8bとの2つの部分から成る点にある。また、凸レンズ7bを前記凹レンズ7aの代わりに有し、反射ミラー3R,3Gをそれぞれ2枚有し、冷却ポンプ13を前記冷却ファン6の代わりに有し、ヒートシンク2には液冷パイプ2bがフィン2aの代わりに取り付けられているほかは、前記第1の実施の形態(図1)と同様の構成になっている。
<< Third Embodiment (FIGS. 6 to 8) >>
FIG. 6A shows a main optical arrangement of the image projection apparatus including the illumination optical system IL3 according to the third embodiment from the upper surface side. The main feature of the illumination optical system IL2 is that the
レーザーアレイ光源1Rからは赤色(R)の照明光が出射され、レーザーアレイ光源1Gからは緑色(G)の照明光が出射され、レーザーアレイ光源1Bからは青色(B)の照明光が出射される。つまり、3原色R,G,Bの照明光をそれぞれ出射する3つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bが順次点滅し、表示素子10が照明光の色に応じた画像を画像表示面10aに表示することにより、カラー画像の表示が行われる。
Red (R) illumination light is emitted from the laser
各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bの光源配列は、いずれも扁平になっている(例えば1列又は2列×10数列)。このため、各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。そして、3つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bは、各照明光の光束断面の長尺方向が略一直線状になるように配列されており、3つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bには共通のヒートシンク2が取り付けられている。図6(B)に、冷却ポンプ13,液冷パイプ2b及びヒートシンク2を底面側(つまりレーザーアレイ光源1R,1G,1Bが設けられている側の反対側)から示す。
The light source arrays of the laser
図6(A)に示すように、ヒートシンク2の側面側には冷却ポンプ13が配置されており、冷却ポンプ13から液冷パイプ2bに冷却液を流してヒートシンク2から熱を奪うことにより、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bを冷却する構成になっている。図6(B)から分かるように、3つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bの配列方向に沿って冷却液が流れるように、液冷パイプ2bが配置されている。この冷却構成は、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bを一直線状に配列することによって採用可能となる。つまり、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bのレイアウトを一直線状にすることにより、共通の冷却機構を使用することが可能となり、冷却箇所も一箇所で済み、非常に効率良く冷却することが可能となる。特に半導体レーザーやLED(light emitting diode)等の光源を扱う場合には、その冷却が発光量にも影響を及ぼすため、照明光学系において上記レイアウトは重要なポイントとなる。
As shown in FIG. 6 (A), a
また図6(A)に示すように、R,G,Bの各レーザーアレイ駆動を行うための端子5R,5G,5Bは、同一平面・同一方向に配置されており、制御基板(不図示)との接続が行い易いようになっている。半導体レーザーやLED等の光源を扱う場合には、大きな電流を流すことになるため、効率,安全性等の観点からも、上記レイアウトでレーザーアレイ光源1R,1G,1Bを配列することは重要である。
As shown in FIG. 6A, the
レーザーアレイ光源1Rから出射したRの照明光は、2枚の反射ミラー3Rで反射された後、ダイクロイックミラー4Rで反射される。ダイクロイックミラー4RはRの照明光を反射し、G,Bの照明光を透過するので、Rの照明光はダイクロイックミラー4Rで反射されることにより、G,Bの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のRの照明光は、凸レンズ7bに入射して集光される。レーザーアレイ光源1Gから出射したGの照明光は、2枚の反射ミラー3Gで反射された後、ダイクロイックミラー4Gで反射される。ダイクロイックミラー4GはGの照明光を反射し、Bの照明光を透過するので、Gの照明光はダイクロイックミラー4Gで反射されることにより、Bの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のGの照明光は、ダイクロイックミラー4Rを透過し、凸レンズ7bに入射して集光される。レーザーアレイ光源1Bから出射したBの照明光は、反射ミラー3Bで反射された後、ダイクロイックミラー4G,4Rを順に透過することにより、R,Gの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のBの照明光は、凸レンズ7bに入射して集光される。
The R illumination light emitted from the laser
上記のように、5枚の反射ミラー3R,3G,3Bと2種類のダイクロイックミラー4R,4Gによって、R,G,Bの各照明光が同一の光路に合成される。この光路合成(つまり色合成)により、R,G,Bの各照明光は、同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ8までの光路長が互いに等しくなる。その結果、光路合成後の同一面における光束断面が略等しくなる。これについては前述した第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。つまり、レーザー光源のように点光源に近い光源から同じ微小角度の発散角を持って発光した光束は、その光路長の差がそのまま光学部品での光束幅の差になる。R,G,Bの各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bからの光路長が異なれば、凸レンズ7bでの光束幅の差異の比率が比較的大きくなり、凸レンズ7bで色ごとの発散角度に大きな差異が発生する。このため、色ごとにNAの差異が生じて色ムラが生じることになる。図6に示す照明光学系IL3では、光路合成されたR,G,Bの3つの光束が同じ発散度合いでロッドインテグレータ8に入射するように光学配置されているため、上記のような色ムラが生じる危険性は排除される。そして、色ムラの発生が抑えられることにより、各色光で略等しい均一な照度分布での照明をより確実に達成することが可能となる。また、各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bからロッドインテグレータ8までの光路長が等しい光学配置を採用することにより、色ムラの発生防止をより簡単な構成で行うことが可能となる。
As described above, the R, G, and B illumination lights are combined in the same optical path by the five reflection mirrors 3R, 3G, and 3B and the two types of
光路合成後のR,G,Bの各照明光は、凸レンズ7bで集光された後、第1ロッドインテグレータ8aと第2ロッドインテグレータ8bとの2つの部分から成るロッドインテグレータ8に入射する。第1,第2ロッドインテグレータ8a,8bは、それぞれ4枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段であり、各入射端面から入射してきた照明光は、第1,第2ロッドインテグレータ8a,8bの側面(すなわち内壁面)でそれぞれ何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光の空間的なエネルギー分布が均一化されて各出射端面から出射する。
The R, G, and B illumination lights after the optical path synthesis are collected by the
第2ロッドインテグレータ8bの入射端面と出射端面の形状は、表示素子10の画像表示面10aと略相似の四角形になっており、第2ロッドインテグレータ8の出射端面は表示素子10の画像表示面10aに対して共役になっている。したがって、上記ミキシング効果により出射端面での輝度分布が均一化されることにより、表示素子10は効率良く均一に照明されることになる。一方、第1ロッドインテグレータ8aの断面形状は正方形になっている。第1ロッドインテグレータ8aの出射端面は表示素子10の画像表示面10aに対して共役になっていないので、第1ロッドインテグレータ8aの出射端面は表示素子10の画像表示面10aと相似形である必要はない。
The shape of the incident end face and the exit end face of the
なお、第1,第2ロッドインテグレータ8a,8bは中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、第1ロッドインテグレータ8aの側面は4面に限らず、第2ロッドインテグレータ8bの側面についても表示素子10の画像表示面10aの形状と適合するならば4面に限らない。つまり、第1,第2ロッドインテグレータ8a,8bの断面形状は長方形等の四辺形に限らない。したがって、用いる第1,第2ロッドインテグレータ8a,8bとしては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。
The first and
この照明光学系IL3では、照明光束Pの断面の長尺方向の最大NAの光線が、ロッドインテグレータ8の内面を構成するすべての面でそれぞれ2回以上反射するように構成されている。照明光束Pの断面の長尺方向の最大NAの光線が、ロッドインテグレータ8の内面を構成するすべての面でそれぞれ2回以上(つまり4面で8回以上)反射するように構成すれば、2方向のそれぞれで5つ以上(つまりNAの小さい方向でも5つ以上)の2次光源による重ね合わせが可能となる。したがって、均一な照度分布を効果的に得ることができる。なお、この照明光学系IL3では、ロッドインテグレータ8が第1,第2ロッドインテグレータ8a,8bに2分割されているが、ロッドインテグレータ8全体として照明光が均質分布になるだけの反射回数が上記のように確保されれば、3分割又は4分割以上に分割数を増やしてもよい。
The illumination optical system IL3 is configured such that the light beam having the maximum NA in the longitudinal direction of the cross section of the illumination light beam P is reflected twice or more on all surfaces constituting the inner surface of the
前述したように、各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。この照明光学系IL3では、図6(A)から分かるように、凸レンズ7bで光束Pに角度をつけることによりロッドインテグレータ8内で反射しやすくしている。このように、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bからの照明光が凸レンズ7bで集光する構成にすれば、ロッドインテグレータ8に対してより角度を持って入射すること(つまり、入射端面に対する入射角度が大きいこと)になるため、ロッドインテグレータ8内での反射回数が多くなり、均一な照度分布がより得やすくなる。
As described above, the illumination light emitted from each laser
しかし、照明光の光束断面は扁平な形状をしているため、前述したように(図16)、光束幅S1と光束幅S2との差によって光束の屈折角度U1,U2は異なってしまう。つまり、光束幅の大きい方S1に比べると、光束幅の小さい方S2ではロッドインテグレータ8に対してあまり角度がつかなくなる。このため、ロッドインテグレータ8内では、その方向の反射回数が少なくなり、均一な照度分布や等方的なNA分布が得にくくなる。
However, since the cross section of the light beam of the illumination light has a flat shape, as described above (FIG. 16), the refraction angles U1 and U2 of the light beam differ depending on the difference between the light beam width S1 and the light beam width S2. That is, the
この照明光学系IL3では上記問題点を解消するため、第1ロッドインテグレータ8aへ照明光が入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、照明光の光束断面の長尺方向と、第1ロッドインテグレータ8aの断面形状の長辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度(この照明光学系IL3では45°)を成し、第2ロッドインテグレータ8bへの照明光の入射方向に対し垂直な断面において、第1ロッドインテグレータ8aの断面形状の長辺方向と、第2ロッドインテグレータ8bの断面形状の長辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度(この照明光学系IL3では22.5°)を成すようにしている。
In the illumination optical system IL3, in order to solve the above problems, when illumination light enters the
図7(A)に、照明光の光束Pの断面と第1ロッドインテグレータ8aの断面との関係を示す。ロッドインテグレータ8aは、その断面形状の長辺方向(この実施の形態では断面形状が正方形なので一方の辺の方向である。)が光束Pの断面の長尺方向に対して角度α=45°を成すように配置されている。光束Pの断面形状は、光束Pがロッドインテグレータ8に入射するときのNA分布とほぼ一致するので、断面が扁平な光束Pを角度α=45°で入射させた場合、図7(B)に示すように、NAの大きな方向(すなわち光束Pの断面の長尺方向)が角度θ=2α=90°を成す2方向となった状態で、光束Pが第1ロッドインテグレータ8aから出射することになる。したがって、扁平なNA方向がもう1方向増えた分だけNA分布が等方的なものに変換され、第1ロッドインテグレータ8aから出射した光束Pは、第2ロッドインテグレータ8bに入射する。
FIG. 7A shows the relationship between the cross section of the luminous flux P of the illumination light and the cross section of the
図7(C)に、第1ロッドインテグレータ8aから出射した2つの照明光束Pの断面と、第1,第2ロッドインテグレータ8a,8bの断面と、の関係を示す。第2ロッドインテグレータ8bは、その断面形状の長辺方向が第1ロッドインテグレータ8aの断面形状の一辺の方向に対して角度β=22.5°を成すように配置されている。2つの光束Pの断面形状は、2つの光束Pが第2ロッドインテグレータ8bに入射するときのNA分布とほぼ一致するので、断面が扁平な2つの光束Pが第2ロッドインテグレータ8bに入射すると、図7(D)に示すように、NAの大きな方向(すなわち光束Pの断面の長尺方向)が角度θ=45°を成す4方向となった状態で、4種類の光束Pが第2ロッドインテグレータ8bから出射することになる。したがって、扁平なNA方向が更に2方向増えた分だけNA分布が等方的なものに変換されて、光束PはNA分布の扁平度合いがより一層改善された状態で第2ロッドインテグレータ8bから出射することになる。
FIG. 7C shows the relationship between the cross sections of the two illumination light beams P emitted from the
上記のように、ロッドインテグレータ8は第1ロッドインテグレータ8aと第2ロッドインテグレータ8bとの2つの部分から成っているため、第1ロッドインテグレータ8aで扁平なNA方向を1つ増やし、第2ロッドインテグレータ8bで扁平なNA方向を更に2つ増やすことができる。したがって、NA分布をより等方的にすることができる。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを使ったプロジェクターの場合、通常、ロッドインテグレータ断面の長辺方向に45°の角度を持って光束を入射させると、NAの大きい方向は投影画面の斜め45°方向になる。しかし、画素配列は上下・左右方向なので、この方向のNAが相対的に小さくなり、解像力が十分でなくなるおそれがある。ロッドインテグレータを2つの部分に分割することによってその機能をもう1つ追加すれば、上下・左右方向にもNAを大きくすることができる。また、第2ロッドインテグレータ8bに入射する光束が、NAの大きい方向を2つ有しているので、第2ロッドインテグレータ8b内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。
As described above, since the
この実施の形態では、第2ロッドインテグレータ8bへの照明光の入射方向に対し垂直な断面において、第2ロッドインテグレータ8bへ入射する光束について、その光束断面の長尺方向と、第2ロッドインテグレータ8bの断面形状の長辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成す構成になっているため、第2ロッドインテグレータ8bによる等方的なNA分布への変換をより確実で効果的に行うことができる。
In this embodiment, with respect to a light beam incident on the
この実施の形態では、図7に示すように、α=45°,β=22.5°となっているが、図8に示すように、α=22.5°,β=45°としてもよい。図8(A)に示すように、第1ロッドインテグレータ8aへ照明光束Pが入射する際、断面が扁平な光束Pを角度α=22.5°を持って入射させると、図8(B)に示すように、NAの大きな方向が角度θ=2α=45°を成す2方向となった状態で、光束Pが第1ロッドインテグレータ8aから出射して第2ロッドインテグレータ8bへ入射することになる。第2ロッドインテグレータ8bは、図8(C)に示すように、その断面形状の長辺方向が第1ロッドインテグレータ8aの断面形状の一辺の方向に対して角度β=45°を成すように配置されているので、2つの光束Pが第2ロッドインテグレータ8bに入射すると、図8(D)に示すように、NAの大きな方向が角度θ=45°を成す4方向となった状態で、4種類の光束Pが第2ロッドインテグレータ8bから出射することになる。
In this embodiment, α = 45 ° and β = 22.5 ° as shown in FIG. 7, but α = 22.5 ° and β = 45 ° as shown in FIG. Good. As shown in FIG. 8A, when the illumination light beam P is incident on the
したがって、図8に示すロッドインテグレータ8の構成によれば、図7に示すロッドインテグレータ8の構成と同様、NA分布が等方的なものに変換されて、光束PはNA分布の扁平度合いがより一層改善された状態で第2ロッドインテグレータ8bから出射することになる。上記のようにα=45°,β=22.5°か、又はα=22.5°,β=45°の構成にすれば、NAの大きい方向が45°ごとの4方向になるため、より等方的なNA分布を達成することができ、また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、画素の配列方向の解像力も確保することができる。
Therefore, according to the configuration of the
図6(A)に示すように、第2ロッドインテグレータ8bから出射した照明光は、照明用のリレー光学系9を通ってTIRプリズム11に入射する。TIRプリズム11に入射した照明光は、TIRプリズム11のエアギャップ面11aで全反射した後、表示素子10の画像表示面10aを均一に照明する。このときリレー光学系9は、照明光をリレーして第2ロッドインテグレータ8bの出射端面を表示素子10の画像表示面10a上で結像させる。つまり、表示素子10の画像表示面10a上には第2ロッドインテグレータ8bの出射端面の像が形成されることになる。
As shown in FIG. 6A, the illumination light emitted from the
表示素子10の画像表示面10aでは、照明光の強度変調により2次元画像が形成される。ここでは、表示素子10としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを想定している。ただし、使用される表示素子10はこれに限らず、投影光学系POに適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子10としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、それに入射した光は、ON/OFF状態(例えば±12°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ON状態のマイクロミラーで反射した光のみが、TIRプリズム11のエアギャップ面11aを全反射無しに透過し、投影レンズ12に入射してスクリーン(不図示)上に投射される。一方、OFF状態のマイクロミラーで反射した光は、TIRプリズム11の照明光の進入側とは反対側に大きく偏向されるため、投影レンズ12には入射しない。このように、投影光学系POを構成する投影レンズ12のパワーにより、画像表示面10aの表示画像がスクリーン上に拡大投影される。
On the
《第4の実施の形態(図9,図10)》
図9に、第4の実施の形態に係る照明光学系IL4の要部を拡大して示す。図9は、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bからロッドインテグレータ8までの部分を、扁平な照明光束Pの光束幅の小さい方から見た状態で示している。この照明光学系IL4は、前述した照明光学系IL2,IL3双方の特徴を備えている。つまり、第3の実施の形態において凸レンズ7bを偏心状態で有する点(図4)に特徴があり、そのほかは、前記第3の実施の形態と同様の構成になっている。
<< Fourth Embodiment (FIGS. 9 and 10) >>
FIG. 9 is an enlarged view of a main part of the illumination optical system IL4 according to the fourth embodiment. FIG. 9 shows the portions from the laser
光路合成後の照明光束Pは、凸レンズ7bで集光されてロッドインテグレータ8に入射する。照明光束Pは凸レンズ7bでの集光によりロッドインテグレータ8内で反射しやすくなるため、ロッドインテグレータ8内での反射回数が多くなることによって均一な照度分布が得やすくなる。また、照明光束Pの中心軸PXと凸レンズ7bの中心軸AXとが相対的に偏心しているため、照明光束Pは斜め方向に曲がって、第1ロッドインテグレータ8aの入射端面に対し傾いて入射することになる。図10(A)に、そのときの照明光束Pの断面と第1ロッドインテグレータ8aの断面との関係を示す。
The illumination light flux P after the optical path synthesis is condensed by the
凸レンズ7bの偏心方向が照明光束Pの断面の短尺方向(つまり光束幅の小さい方向)に設定されているため、第1ロッドインテグレータ8aに入射する光束PはNAの小さい方向に傾く。第1ロッドインテグレータ8aは、その断面形状の一辺の方向が光束Pの断面の長尺方向に対して角度α=45°を成すように配置されているので、図10(B)に示すように、NAの大きな方向(すなわち光束Pの断面の長尺方向)が角度θ=2α=90°を成す2方向となり、かつ、凸レンズ7bで斜め偏向方向にNAが大きくなるため、光束PはNA分布の扁平度合いがより一層改善された状態で第1ロッドインテグレータ8aから出射し、第2ロッドインテグレータ8bに入射する。
Since the eccentric direction of the
図10(C)に、第1ロッドインテグレータ8aから出射した4つの照明光束Pの断面と、第1,第2ロッドインテグレータ8a,8bの断面と、の関係を示す。第2ロッドインテグレータ8bは、その断面形状の長辺方向が第1ロッドインテグレータ8aの断面形状の一辺の方向に対して角度β=22.5°を成すように配置されている。4つの光束Pの断面形状は、4つの光束Pが第2ロッドインテグレータ8bに入射するときのNA分布とほぼ一致するので、断面が扁平な4つの光束Pが第2ロッドインテグレータ8bに入射すると、図10(D)に示すように、NAの大きな方向(すなわち光束Pの断面の長尺方向)が角度θ=45°を成す4方向となった状態で、8種類の光束Pが第2ロッドインテグレータ8bから出射することになる。したがって、扁平なNA方向が更に2方向増えた分だけNA分布が等方的なものに変換されて、光束PはNA分布の扁平度合いが非常に改善された状態で第2ロッドインテグレータ8bから出射することになる。
FIG. 10C shows the relationship between the cross sections of the four illumination light beams P emitted from the
また、偏心のない状態でレンズを使うとNAの小さい方向には角度がつきにくいが、この実施の形態ではNAの小さい方向へのレンズ偏心によりロッドインテグレータ8への入射角度が大きく設定されているため、NAの小さい方向にロッドインテグレータ8への入射光が傾いている分、その方向でのロッドインテグレータ8の内面での反射回数が増える。したがって、均一な照度分布がより得やすくなる。
Further, when the lens is used without any eccentricity, it is difficult to make an angle in the direction of small NA, but in this embodiment, the incident angle to the
《第5の実施の形態(図11〜図13)》
図11に、第5の実施の形態に係る照明光学系IL5の要部を拡大して示す。図11は、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bから出射した照明光が前記凹レンズ7a(図1)又は凸レンズ7b(図4,図6,図9)に入射する前までの光学配置を、上面側(A)と側面側(B)から見た状態でそれぞれ示している。この照明光学系IL5は、各々3つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bから成る2つの光源セット21,22を有し、合成された2つの光束の進行方向に対し垂直な断面において、2つの光束の断面の長尺方向が平行でない所定の角度(この照明光学系IL5では90°)を成す点に特徴があり、そのほかは前記第1の実施の形態と同様の構成になっている。
<< 5th Embodiment (FIGS. 11-13) >>
FIG. 11 is an enlarged view of a main part of the illumination optical system IL5 according to the fifth embodiment. FIG. 11 shows the optical arrangement before the illumination light emitted from the laser
各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bの光源配列は、いずれも扁平になっている(例えば1列又は2列×10数列)。このため、各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。そして、各光源セット21,22における3つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bは、各照明光の光束断面の長尺方向が略一直線状になるように配列されており、2つの光源セット21,22は同一平面に沿って並列に配置されている。また、図11(B)に示すように、2つの光源セット21,22が有する合計6つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bの背面には、共通のヒートシンク2が取り付けられている。このヒートシンク2を用いた冷却は、第1の実施の形態(図1)と同様、冷却ファン6で行われる。
The light source arrays of the laser
第1の光源セット21は、図11(A)に示すように、紙面に対して垂直な方向に発光し、紙面に対して垂直な面内で光路合成(つまり色合成)が行われる。色合成は第1の実施の形態(図1)と同様に行われ、色合成によってR,G,Bの各照明光が同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ8までの光路長が互いに等しくなる。色合成された第1の光源セット21からの照明光束P1は、反射ミラー16で偏光ビームスプリッター17の方へと偏向される。一方、第2の光源セット22は、図11(A)に示すように、紙面に対して垂直な方向に発光し、その照明光束P2は長尺の反射ミラー15で紙面に対して平行な面に沿って偏向され、紙面に対して平行な面内で光路合成(つまり色合成)が行われる。色合成は第1の実施の形態(図1)と同様に行われ、色合成によってR,G,Bの各照明光が同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ8までの光路長が互いに等しくなる。そして、色合成された第2の光源セット22からの照明光束P2は、偏光ビームスプリッター17の方へと進行する。
As shown in FIG. 11A, the first light source set 21 emits light in a direction perpendicular to the paper surface, and optical path synthesis (that is, color synthesis) is performed in a plane perpendicular to the paper surface. The color synthesis is performed in the same manner as in the first embodiment (FIG. 1), and the R, G, B illumination lights are made coaxial by the color synthesis and the optical path lengths from the respective light emitting surfaces to the
第1,第2の光源セット21,22でそれぞれ色合成された照明光束P1,P2は、いずれも光束断面の扁平方向に依存した直線偏光である。また、偏光ビームスプリッター17では、各照明光束P1,P2の断面の長尺方向が互いに90°を成す関係にある。したがって、偏光ビームスプリッター17で一方の光束P1を反射させ、他方の光束P2を透過させることにより、照明光束P1,P2を容易に同一光軸に合成することができる。また偏光ビームスプリッター17での偏光合成の前に、波長板等を用いて少なくとも一方の照明光束P1,P2を任意の偏光方向に偏光させる等の処理を施せば、偏光ビームスプリッター17を第1の光源セット21側に配置したり、偏光合成後の進行方向を変えたり、画像投影装置としてのレイアウトを都合に応じて変更したりすることが容易に可能となる。
The illumination light beams P1 and P2 color-combined by the first and second light source sets 21 and 22 are both linearly polarized light depending on the flat direction of the light beam cross section. In the
図12(A)に、同一光軸に偏光合成された照明光束P1,P2の断面形状を示す。図12(A)から分かるように、偏光合成された2つの照明光束P1,P2は、その進行方向に対し垂直な断面において、断面形状の長尺方向が角度γ=90°を成している。そして、そのように光束合成された状態で凹レンズ7a(図1)又は凸レンズ7b(図4,図6,図9)を介し、ロッドインテグレータ8へと入射する。ロッドインテグレータ8以降、投影レンズ12までの構成は第1の実施の形態(図1)と同様である。
FIG. 12A shows the cross-sectional shapes of illumination light beams P1 and P2 that are polarized and synthesized on the same optical axis. As can be seen from FIG. 12 (A), the two illumination beams P1 and P2 synthesized by polarization have an angle γ = 90 ° in the longitudinal direction of the cross-sectional shape in a cross section perpendicular to the traveling direction. . Then, in such a state where the light beams are combined, the light is incident on the
図12(B)に、照明光束P1,P2の断面とロッドインテグレータ8の断面との関係を示す。ロッドインテグレータ8は、その断面形状の長辺方向が合成後の2つの照明光束P1,P2の対称軸に対して角度δ=22.5°を成すように配置されている。照明光束P1,P2の断面形状は、照明光束P1,P2がロッドインテグレータ8に入射するときのNA分布とほぼ一致するので、断面が扁平な照明光束P1,P2が角度δ=22.5°でロッドインテグレータ8に入射すると、図12(C)に示すように、NAの大きな方向(すなわち光束P1,P2の断面の長尺方向)が角度θ=2δ=45°を成す4方向となった状態で、4種類の照明光束P1,P2がロッドインテグレータ8から出射することになる。したがって、扁平なNA方向が2方向増えた分だけNA分布が等方的なものに変換されて、照明光束P1,P2はNA分布の扁平度合いがより一層改善された状態でロッドインテグレータ8から出射することになる。
FIG. 12B shows the relationship between the cross sections of the illumination
上記のように、照明光学系IL5は同一色のレーザーアレイ光源1R,1G,1Bを2つ有し、各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bから出射した照明光が同一方向に進行するように光束P1,P2を合成する構成になっているため、等方的なNA分布への変換をより効果的に行うことができる。このようにレーザーアレイ光源1R,1G,1Bを光源セット21,22として2つ使うことによっても、ロッドインテグレータ8が2つの部分8a,8bから成る第3の実施の形態の場合(図6)と同様、より等方的なNA分布を得ることができる。しかもこの場合、同一色の同時発光により明るさを2倍にすることができるので、この構成を有する照明光学系IL5はシネマ用等の高出力なプロジェクターに最適である。また、光束合成された2つの光束の断面の長尺方向が平行でない所定の角度を成してロッドインテグレータ8に入射するため、ロッドインテグレータ8内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。
As described above, the illumination optical system IL5 has two laser
また照明光学系IL5では、光束合成部材として偏光ビームスプリッター17を用いているため、光束の合成を効率的に行うことができる。レーザーアレイ光源1R,1G,1Bから出射される光束はアレイの配列方向に直線偏光しているため、偏光ビームスプリッター17を用いることによって同軸の光束合成を容易かつ効率良く行うことができる。
In the illumination optical system IL5, since the
この実施の形態では、図12に示すように、γ=90°,δ=22.5°となっているが、図13に示すように、γ=45°,δ=45°としてもよい。第2の光源セット22の長尺の反射ミラー15の角度を変えて、色合成方向を図11(A)の紙面に対し45°方向に設定し、波長板で偏光方向を補正すれば、図13(A)に示すような偏光合成も可能である。図13(B)に示すように、ロッドインテグレータ8へ照明光束P1,P2を角度δ=45°を持って入射させると、図13(C)に示すように、NAの大きな方向が角度θ=45°を成す4方向となった状態で、4種類の光束Pがロッドインテグレータ8から出射することになる。
In this embodiment, γ = 90 ° and δ = 22.5 ° as shown in FIG. 12, but γ = 45 ° and δ = 45 ° may be used as shown in FIG. If the angle of the long reflecting
したがって、図13に示すロッドインテグレータ8の構成によれば、図12に示すロッドインテグレータ8の構成と同様、NA分布が等方的なものに変換されて、照明光束P1,P2はNA分布の扁平度合いがより一層改善された状態でロッドインテグレータ8から出射することになる。上記のようにγ=90°,δ=22.5°か、又はγ=45°,δ=45°の構成にすれば、NAの大きい方向が45°ごとの4方向になるため、より等方的なNA分布を達成することができる。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、画素の配列方向の解像力も確保することができる。
Therefore, according to the configuration of the
《第6の実施の形態(図14,図15)》
図14に、第6の実施の形態に係る照明光学系IL6の要部を拡大して示す。図14は、レーザーアレイ光源1R,1G,1Bから出射した照明光が前記凹レンズ7a(図1)又は凸レンズ7b(図4,図6,図9)に入射する前までの光学配置を、上面側(A)と側面側(B)から見た状態でそれぞれ示している。この照明光学系IL6は、各々3つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bから成る4つの光源セット21,22,23,24を有し、合成された4つの光束の進行方向に対し垂直な断面において、そのうちの2つの光束が他の2つの光束に対し、断面の長尺方向が平行でない所定の角度(この照明光学系IL6では90°)を成す点に特徴があり、そのほかは前記第1の実施の形態と同様の構成になっている。
<< Sixth Embodiment (FIGS. 14 and 15) >>
FIG. 14 is an enlarged view of a main part of the illumination optical system IL6 according to the sixth embodiment. FIG. 14 shows the optical arrangement before the illumination light emitted from the laser
各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bの光源配列は、いずれも扁平になっている(例えば1列又は2列×10数列)。このため、各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。そして、各光源セット21〜24における3つのレーザーアレイ光源1R,1G,1Bは、各照明光の光束断面の長尺方向が略一直線状になるように配列されている。第1,第2の光源セット21,22は、同一平面に沿って並列に配置されており、図14(B)に示すように、各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bの背面に共通のヒートシンク2が取り付けられた状態で、第1の光源ユニット31を構成している。同様に、第3,第4の光源セット23,24は、同一平面に沿って並列に配置されており、図14(B)に示すように、各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bの背面に共通のヒートシンク2が取り付けられた状態で、第2の光源ユニット32を構成している。各光源ユニット31,32におけるヒートシンク2を用いた冷却は、第1の実施の形態(図1)と同様、冷却ファン6で行われる。
The light source arrays of the laser
第1の光源セット21は、図14(A)の紙面に対して垂直な方向(図14(B)の紙面に対して平行な方向)に発光し、その照明光束P1は長尺の反射ミラー15で、図14(A),(B)の紙面に対して平行な面に沿って偏向される。第2の光源セット22も同様であり、図14(A)の紙面に対して垂直な方向(図14(B)の紙面に対して平行な方向)に発光し、その照明光束P2は長尺の反射ミラー15で、図14(A),(B)の紙面に対して平行な面に沿って照明光束P1と同じに方向に偏向される。このとき、図14(B)に示すように、長尺の反射ミラー15の配置高さが異なっているため、照明光束P1,P2は並行して配置されることになる。これらの並行した照明光束P1,P2は、共通の色合成機構により色合成(つまり光路合成)される。色合成は第1の実施の形態(図1)と同様に行われ、色合成によってR,G,Bの各照明光が同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ8までの光路長が互いに等しくなる。そして、照明光束P1と照明光束P2は、並行して偏光ビームスプリッター17の方へと進行する。ここまでが第1の光源ユニット31の構成である。
The first light source set 21 emits light in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 14A (a direction parallel to the paper surface of FIG. 14B), and its illumination light beam P1 is a long reflecting mirror. 15 is deflected along a plane parallel to the paper surface of FIGS. 14 (A) and 14 (B). Similarly, the second light source set 22 emits light in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 14A (a direction parallel to the paper surface of FIG. 14B), and the illumination light beam P2 is long. The
第3の光源セット23と第4の光源セット24は、図14(A)の紙面に対して垂直な方向(図14(B)の紙面に対して平行な方向)に発光する。第3の光源セット23からの照明光束P3は、2枚の長尺の反射ミラー15で反射されて、第4の光源セット24からの照明光束P4の近傍を並行するように光路を変更される。これらの並行した照明光束P3,P4は、共通の色合成機構により色合成(つまり光路合成)される。色合成は第1の実施の形態(図1)と同様に行われ、色合成によってR,G,Bの各照明光が同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ8までの光路長が互いに等しくなる。そして、図14(A)に示すように、照明光束P3と照明光束P4は反射ミラー16で偏光ビームスプリッター17の方へと偏向される。ここまでが第2の光源ユニット32の構成である。
The third light source set 23 and the fourth light source set 24 emit light in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 14A (a direction parallel to the paper surface of FIG. 14B). The illumination light beam P3 from the third light source set 23 is reflected by the two long reflecting
第1の光源ユニット31から出射した照明光束P1,P2と、第2の光源ユニット32から出射した照明光束P3,P4は、それぞれ光束断面の扁平方向に依存した直線偏光である。また、偏光ビームスプリッター17では、照明光束P1,P2と照明光束P3,P4とで光束断面の長尺方向が互いに90°を成す関係にある。したがって、偏光ビームスプリッター17で一方の光束P1,P2を透過させ、他方の光束P3,P4を反射させることにより、照明光束P1〜P4を容易に同一光軸に合成することができる。また、偏光ビームスプリッター17での偏光合成の前に、波長板等を用いて少なくとも1つの照明光束P1〜P4を任意の偏光方向に偏光させる等の処理を施せば、偏光ビームスプリッター17の配置、偏光合成後の進行方向、画像投影装置としてのレイアウト等を都合に応じて容易に変更することが可能となる。
The illumination light beams P1 and P2 emitted from the first
図15(A)に、同一光軸に偏光合成された照明光束P1〜P4の断面形状を示す。図15(A)から分かるように、偏光合成された4つの照明光束P1〜P4は、その進行方向に対し垂直な断面において、断面形状の長尺方向が角度γ=90°を成している。そして、そのように光束合成された状態で凹レンズ7a(図1)又は凸レンズ7b(図4,図6,図9)を介し、ロッドインテグレータ8へと入射する。ロッドインテグレータ8以降、投影レンズ12までの構成は第1の実施の形態(図1)と同様である。
FIG. 15A shows the cross-sectional shapes of illumination light beams P1 to P4 polarized and synthesized on the same optical axis. As can be seen from FIG. 15 (A), the four illumination beams P1 to P4 that have been combined with each other have a longitudinal direction of an angle γ = 90 ° in a cross section perpendicular to the traveling direction. . Then, in such a state where the light beams are combined, the light is incident on the
図15(B)に、照明光束P1〜P4の断面とロッドインテグレータ8の断面との関係を示す。ロッドインテグレータ8は、その断面形状の長辺方向が合成後の2つの照明光束P1,P2の対称軸に対して角度δ=22.5°を成すように配置されている。照明光束P1〜P4の断面形状は、照明光束P1〜P4がロッドインテグレータ8に入射するときのNA分布とほぼ一致するので、断面が扁平な照明光束P1〜P4が角度δ=22.5°でロッドインテグレータ8に入射すると、図15(C)に示すように、NAの大きな方向(すなわち光束P1〜P4が断面の長尺方向)が角度θ=2δ=45°を成す4方向となった状態で、4種類の照明光束P1〜P4がロッドインテグレータ8から出射することになる。したがって、扁平なNA方向が2方向増えた分だけNA分布が等方的なものに変換されて、照明光束P1〜P4はNA分布の扁平度合いが非常に改善された状態でロッドインテグレータ8から出射することになる。
FIG. 15B shows the relationship between the cross sections of the illumination light beams P <b> 1 to P <b> 4 and the cross section of the
上記のように、照明光学系IL6は同一色のレーザーアレイ光源1R,1G,1Bを4つ有し、各レーザーアレイ光源1R,1G,1Bから出射した照明光が同一方向に進行するように光束P1〜P4を合成する構成になっているため、等方的なNA分布への変換をより効果的に行うことができる。このようにレーザーアレイ光源1R,1G,1Bを光源セット21〜24として4つ使うことによっても、前記第4の実施の形態(図9)の場合(つまり、ロッドインテグレータ8が2つの部分8a,8bから成り、凸レンズ7bを偏心状態で有する構成)と同様、非常に等方的なNA分布を得ることができる。しかもこの場合、同一色の同時発光により明るさを4倍にすることができるので、この構成を有する照明光学系IL6はシネマ用等の高出力なプロジェクターに最適である。また、光束合成された4つの光束の断面の長尺方向が平行でも垂直でもない所定の角度を成してロッドインテグレータ8に入射するため、ロッドインテグレータ8内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。
As described above, the illumination optical system IL6 has four laser
また照明光学系IL6では、照明光学系IL5と同様、光束合成部材として偏光ビームスプリッター17を用いているため、光束の合成を効率的に行うことができる。レーザーアレイ光源1R,1G,1Bから出射される光束はアレイの配列方向に直線偏光しているため、偏光ビームスプリッター17を用いることによって同軸の光束合成を容易かつ効率良く行うことができる。また、上記のようにγ=90°,δ=22.5°か、又はγ=45°,δ=45°の構成にすれば、NAの大きい方向が45°ごとの4方向になるため、より等方的なNA分布を達成することができる。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、画素の配列方向の解像力も確保することができる。
In the illumination optical system IL6, as in the illumination optical system IL5, the
IL1〜IL6 照明光学系
PO 投影光学系
1R 赤色発光のレーザーアレイ光源
1G 緑色発光のレーザーアレイ光源
1B 青色発光のレーザーアレイ光源
3R R用の反射ミラー
3G G用の反射ミラー
3B B用の反射ミラー
4R R反射用のダイクロイックミラー(光路合成部材)
4G G反射用のダイクロイックミラー(光路合成部材)
7a 凹レンズ
7b 凸レンズ
8 ロッドインテグレータ
8a 第1ロッドインテグレータ
8b 第2ロッドインテグレータ
10 表示素子
10a 画像表示面
12 投影レンズ(投影光学系)
17 偏光ビームスプリッター(光束合成部材)
21〜24 光源セット
31,32 光源ユニット
P 照明光束
PX 照明光の光束中心軸
AX レンズの中心軸
IL1 to IL6 Illumination optical system PO Projection
Dichroic mirror for 4G G reflection (light path combining member)
17 Polarizing beam splitter
21-24 Light source set 31, 32 Light source unit P Illumination light beam PX Illumination light beam central axis AX Lens central axis
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