JP2013145378A - Projector - Google Patents
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Description
本発明は、液晶プロジェクタに代表されるプロジェクタに関する。 The present invention relates to a projector represented by a liquid crystal projector.
液晶プロジェクタの照明光学系として、光源からの光束の光強度を均一化するインテグレータを備えるものが知られている(特許文献1、2参照)。この照明光学系の光学要素の配置は様々であるが、光学要素の代表的な配置として、光学要素をL字、U字、S字といった形状に配置したものが知られている。図11、図12、図13に、L字配置、U字配置、S字配置の例をそれぞれ示す。
As an illumination optical system for a liquid crystal projector, an illumination optical system including an integrator for uniformizing the light intensity of a light beam from a light source is known (see
図11に示す照明光学系は、RGBの各色光で液晶パネル108a〜108cをそれぞれ照明する3板式の液晶プロジェクタの照明光学系であって、光源100、インテグレータ101a、101b、偏光変換素子102、フィールドレンズ103、ダイクロイックミラー104a、104b、ミラー105a〜105c、コンデンサレンズ106a〜106cおよびリレーレンズ107a、107bを有する。
The illumination optical system shown in FIG. 11 is an illumination optical system of a three-plate liquid crystal projector that illuminates the
光源100は、超高圧水銀灯などに代表されるランプおよびリフレクタを備え、ランプからの光が直接またはリフレクタで反射されて略平行光束として出射される。光源100から出射された光束の進行方向にインテグレータ101a、101b、偏光変換素子102、フィールドレンズ103およびダイクロイックミラー104aが順次配置されている。インテグレータ101a、101bは、光源100からの光束の光強度を均一化するものであって、マトリクス状に配置された複数のレンズセルを備える。偏光変換素子102は、インテグレータ101a、101bからの光束の偏光方向を揃えるものであって、偏光ビームスプリッタや位相板などより構成される。ダイクロイックミラー104aは、フィールドレンズ103からの光束のB(青)光を反射し、残りのR(赤)光およびG(緑)光を透過する。
The
ダイクロイックミラー104aで反射されたB光の進行方向にミラー105aが配置され、このミラー105aで反射された光(B光)の進行方向にコンデンサレンズ106aおよび液晶パネル108aが順次配置されている。
A
ダイクロイックミラー104aを透過したR・G光の進行方向にダイクロイックミラー104bが配置されている。ダイクロイックミラー104bは、G光を反射し、R光を透過する。ダイクロイックミラー104bで反射された光(G光)の進行方向にコンデンサレンズ106bおよび液晶パネル108bが順次配置されている。ダイクロイックミラー104bを透過した光(R光)の進行方向にリレーレンズ107aおよびミラー105bが順次配置され、このミラー105bで反射された光の進行方向にリレーレンズ107bおよびミラー105cが順次配置され、このミラー105cで反射された光の進行方向にコンデンサレンズ106cおよび液晶パネル108cが順次配置されている。
A
上記の照明光学系では、光源100から出射された光束は、インテグレータ101a、101bによってその光強度が均一化され、偏光変換素子102によって偏光方向が揃えられた後、フィールドレンズ103に入射する。フィールドレンズ103を通過した光束は、ダイクロイックミラー104a、104bによってR・G・Bの各色光に分離される。そして、R光により液晶パネル108cが、G光により液晶パネル108bが、B光により液晶パネル108aがそれぞれ照明される。
In the illumination optical system described above, the light beam emitted from the
液晶パネル108a〜108cで生成されたR・G・B画像光は、クロスダイクロイックプリズム109によって色合成された後、投写レンズ110によってスクリーン上に投写される。
The R, G, and B image lights generated by the
図12に示すU字配置の照明光学系も、3板式の液晶プロジェクタの照明光学系であるが、フィールドレンズ103とダイクロイックミラー104aの間に折り返しミラー111が配置されている点が、図11に示す光学系と異なる。フィールドレンズ103からの光束が折り返しミラー111で略90度反射されてダイクロイックミラー104aに入射するようになっており、各光学要素はU字状に配置されている。
The illumination optical system with the U-shaped arrangement shown in FIG. 12 is also an illumination optical system of a three-plate liquid crystal projector, but the point that the
図13に示すS字配置の照明光学系も、3板式の液晶プロジェクタのものであるが、図12に示す光学系と比較すると、ダイクロイックミラー104a、104b、ミラー105a〜105c、コンデンサレンズ106a〜106cおよびリレーレンズ107a、107bの部分が左右逆の配置になっている。この光学系では、ダイクロイックミラー104aが折り返しミラー111からの光束のR・G光を反射し、残りのB光を透過する。ダイクロイックミラー104aを透過したB光の進行方向にミラー105aが配置され、このミラー105aで反射されたB光がコンデンサレンズ106aを介して液晶パネル108aに照射される。ダイクロイックミラー104bは、R・G光の進行方向に配置されており、G光を反射し、R光を透過する。ダイクロイックミラー104bで反射されたG光は、コンデンサレンズ106bを介して液晶パネル108bに照射される。ダイクロイックミラー104bを透過したR光は、リレーレンズ107a、ミラー105b、リレーレンズ107b、ミラー105c、コンデンサレンズ106cを順次通過して液晶パネル108cに照射される。
The S-shaped arrangement of the illumination optical system shown in FIG. 13 is also of a three-plate type liquid crystal projector, but compared with the optical system shown in FIG. 12,
偏光変換素子は、インテグレータの各レンズセル光軸上近傍に投影される光源のアーク像の間隔に対応して設けられた複数の偏光変換部を有し、各偏光変換部にて、レンズセルからの光束の偏光方向が揃えるようになっている。このような偏光変換素子では、入射する光のうち、各偏光変換部の有効開口(偏光変換が可能な範囲を規定した開口)から外れた光は、偏光変換に寄与しないため、その分だけ、偏光変換効率が低下することになる。 The polarization conversion element has a plurality of polarization conversion units provided corresponding to the intervals of the arc images of the light sources projected in the vicinity of the optical axis of each lens cell of the integrator. The polarization directions of the light beams are aligned. In such a polarization conversion element, light that is out of the effective aperture of each polarization conversion unit (the aperture that defines the range in which polarization conversion is possible) out of the incident light does not contribute to polarization conversion. The polarization conversion efficiency will decrease.
光源側に配置された第1のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を液晶パネル面上に重畳させる照明光学系において、偏光変換効率の向上を図るためには、第2のインテグレータ上に形成される光源のアーク像の大きさを可能な限り小さくして、偏光変換素子の有効開口から外れる光の量を低減する必要がある。しかし、上述したL字配置、U字配置、S字配置の各照明光学系においては、フィールドレンズおよびコンデンサレンズの合成焦点距離が長いため、必然的に第1のインテグレータの焦点距離が長くなる。このため、光源のアークの大きさと第2のインテグレータ上に結像するアーク像の大きさの比(倍率)が大きくなって、第2のインテグレータ上に結像するアーク像が大きくなってしまう。特に、フィールドレンズとコンデンサレンズの間に折り返しミラーを含むU字配置やS字配置の照明光学系では、どうしてもフィールドレンズおよびコンデンサレンズの合成焦点距離がL字配置のものより長くなるため、偏光変換効率が悪いものになってしまう。 In the illumination optical system that superimposes the light beam that has passed through each lens cell of the first integrator disposed on the light source side on the liquid crystal panel surface, it is formed on the second integrator in order to improve the polarization conversion efficiency. It is necessary to reduce the amount of light deviating from the effective aperture of the polarization conversion element by making the size of the arc image of the light source as small as possible. However, in the above-described illumination optical systems of the L-shaped arrangement, the U-shaped arrangement, and the S-shaped arrangement, the combined focal length of the field lens and the condenser lens is long, so that the focal length of the first integrator is necessarily long. For this reason, the ratio (magnification) between the size of the arc of the light source and the size of the arc image formed on the second integrator increases, and the arc image formed on the second integrator becomes large. In particular, in a U-shaped arrangement or S-shaped arrangement illumination optical system including a folding mirror between the field lens and the condenser lens, the combined focal length of the field lens and the condenser lens is inevitably longer than that of the L-shaped arrangement. It becomes inefficient.
なお、フィールドレンズとコンデンサレンズの間に新たなレンズを挿入することで、フィールドレンズおよびコンデンサレンズの合成焦点距離を短くし、第2のインテグレータ上に形成されるアーク像を小さくすることが可能である。しかし、この場合は、新たなレンズを追加する分だけ、透過率が低下し、コストも高くなる。 Note that by inserting a new lens between the field lens and the condenser lens, it is possible to shorten the combined focal length of the field lens and the condenser lens and to reduce the arc image formed on the second integrator. is there. However, in this case, as the new lens is added, the transmittance decreases and the cost increases.
本発明の目的は、上記問題を解決し、照明効率の高いプロジェクタを提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above problems and provide a projector with high illumination efficiency.
上記目的を達成するため、本発明のプロジェクタは、
光源と、第1から第3の透過型液晶パネルと、を有するプロジェクタであって、
前記光源から出射された光束を複数の部分光束に分割するとともに、該複数の部分光束をそれぞれ集光させる複数のレンズセルを備えた第1のインテグレータと、
前記複数の部分光束が入射する複数のレンズセルを備えた第2のインテグレータと、
前記第2のインテグレータの各レンズセルを通過した光束の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
前記偏光変換素子からの光束を波長が異なる複数の色光に分離する第1の色分離手段と、
前記第1の色分離手段を透過した光束をさらに波長が異なる複数の色光に分離する第2の色分離手段と、を有し、
前記第1の色分離手段で反射された光束は前記第1の透過型液晶パネルを照射し、
前記第1の色分離手段を透過し前記第2の色分離手段で反射された光束は前記第2の透過型液晶パネルを照射し、
前記第2の色分離手段を透過した光束は前記第3の透過型液晶パネルを照射し、
前記偏光変換素子と前記第1の色分離手段との間の光路中には、前記第1のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を前記第1から第3の透過型液晶パネル上に重畳させるフィールドレンズと、第1のコンデンサレンズと、が配置され、
前記第2の色分離手段と前記第3の透過型液晶パネルとの間の光路中には、リレーレンズと、第2のコンデンサレンズとが順に配置され、
前記第1のコンデンサレンズは、前記第1の色分離手段側に配置されており、前記フィールドレンズを通過した光束の主光線を互いに略平行にするように構成されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a projector according to the present invention provides:
A projector having a light source and first to third transmissive liquid crystal panels,
A first integrator comprising a plurality of lens cells for dividing the light beam emitted from the light source into a plurality of partial light beams and condensing the plurality of partial light beams,
A second integrator comprising a plurality of lens cells into which the plurality of partial light beams are incident;
A polarization conversion element that aligns the polarization direction of the light beam that has passed through each lens cell of the second integrator;
First color separation means for separating a light beam from the polarization conversion element into a plurality of color lights having different wavelengths;
A second color separation means for further separating the light beam transmitted through the first color separation means into a plurality of color lights having different wavelengths,
The light beam reflected by the first color separation means irradiates the first transmissive liquid crystal panel,
The light beam transmitted through the first color separation means and reflected by the second color separation means irradiates the second transmissive liquid crystal panel,
The light beam transmitted through the second color separation means irradiates the third transmission type liquid crystal panel,
In the optical path between the polarization conversion element and the first color separation means, the light beam that has passed through each lens cell of the first integrator is superimposed on the first to third transmissive liquid crystal panels. A field lens and a first condenser lens are disposed;
In the optical path between the second color separation means and the third transmissive liquid crystal panel, a relay lens and a second condenser lens are sequentially arranged.
The first condenser lens is disposed on the first color separation means side, and is configured to make principal rays of light beams that have passed through the field lens substantially parallel to each other.
上述した本発明のプロジェクタは、フィールドレンズとコンデンサレンズとによって、第1のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を複数の表示パネルに略平行に入射させ、かつ、複数の表示パネル上に重畳させるようになっている。この構成の場合、フィールドレンズおよびコンデンサレンズの間隔(各レンズ中心を通る光線上における間隔)は、そのフィールドレンズおよびコンデンサレンズの合成焦点距離に等しくなる。本発明のプロジェクタは、図11〜図13に示した従来の照明光学系に比べて、フィールドレンズおよびコンデンサレンズとして合成焦点距離が短いものを使用することによりこれらの間隔を短くすることができる。フィールドレンズおよびコンデンサレンズの合成焦点距離を短くすることで、第1のインテグレータの焦点距離の短い光学系を実現することが可能であることから、本発明のプロジェクタは、従来の照明光学系に比べて、フィールドレンズおよびコンデンサレンズの合成焦点距離が短い分、第2のインテグレータ上に形成する光源のアーク像を小さくすることが可能である。 In the projector of the present invention described above, the light beam that has passed through each lens cell of the first integrator is incident on the plurality of display panels substantially in parallel by the field lens and the condenser lens, and is superimposed on the plurality of display panels. It is like that. In this configuration, the distance between the field lens and the condenser lens (the distance on the light beam passing through the center of each lens) is equal to the combined focal length of the field lens and the condenser lens. In the projector of the present invention, the distance between these lenses can be shortened by using a field lens and a condenser lens having a short combined focal length as compared with the conventional illumination optical systems shown in FIGS. By shortening the combined focal length of the field lens and the condenser lens, it is possible to realize an optical system with a short focal length of the first integrator. Therefore, the projector according to the present invention is compared with the conventional illumination optical system. Thus, the arc image of the light source formed on the second integrator can be reduced by the amount of the combined focal length of the field lens and the condenser lens being short.
本発明によれば、従来の照明光学系に比べて、第1のインテグレータの各レンズセルによって第2のインテグレータ上に形成される光源のアーク像を小さくすることができ、偏光変換素子の各偏光変換部の有効開口から外れる光の量を低減することができるので、照明効率が向上する、という効果がある。 According to the present invention, compared with the conventional illumination optical system, the arc image of the light source formed on the second integrator by each lens cell of the first integrator can be reduced, and each polarization of the polarization conversion element can be reduced. Since the amount of light deviating from the effective opening of the conversion unit can be reduced, there is an effect that the illumination efficiency is improved.
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、本発明の原理について説明する。図2は、本発明のプロジェクタの照明光学系の光学要素配置を説明するための図である。 First, the principle of the present invention will be described. FIG. 2 is a diagram for explaining the optical element arrangement of the illumination optical system of the projector according to the present invention.
図2を参照すると、本発明のプロジェクタの照明光学系は、液晶パネルLCDを照明する光学系であって、光源側からインテグレータIT1、IT2、偏光変換素子PBS、フィールドレンズFL、コンデンサレンズCLが順次配置されており、インテグレータIT1によってインテグレータIT2上に形成された光源のアーク像(矩形像)を、フィールドレンズFLおよびコンデンサレンズCLにより拡大させながら液晶パネルLCD上に結像するように構成されている。インテグレータIT1と液晶パネルLCDの間には、以下の式1、2のような結像倍率関係が成り立つ。
Referring to FIG. 2, the illumination optical system of the projector of the present invention is an optical system that illuminates the liquid crystal panel LCD, and integrators IT1, IT2, polarization conversion element PBS, field lens FL, and condenser lens CL are sequentially arranged from the light source side. The arc image (rectangular image) of the light source formed on the integrator IT2 by the integrator IT1 is formed on the liquid crystal panel LCD while being enlarged by the field lens FL and the condenser lens CL. . Between the integrator IT1 and the liquid crystal panel LCD, an imaging magnification relationship represented by the following
ここで、MはIT1とLCDの横倍率、lIT1はIT1を構成するレンズセルの大きさ(外径)、lLCDはLCDの長辺の長さ、fIT1はIT1のレンズセルの焦点距離、fFL・CLはFL・CL合成焦点距離である。式2から、図12に示したU字配置や図13に示したS字配置のように、FL・CL合成焦点距離fFL・CLが比較的長い光学系の場合は、IT1の焦点距離fIT1も比較的に長くなることがわかる。
Where M is the horizontal magnification of IT1 and LCD, l IT1 is the size (outer diameter) of the lens cell constituting IT1, l LCD is the length of the long side of the LCD, and f IT1 is the focal length of the lens cell of IT1 , F FL · CL is the FL · CL combined focal length. From
図3は、アーク像の形成を説明するための図である。インテグレータIT1によってインテグレータIT2上に光源のアーク像が形成される。このIT2上に形成されたアーク像の大きさは、以下の式3で与えられる。
FIG. 3 is a diagram for explaining the formation of an arc image. An arc image of the light source is formed on the integrator IT2 by the integrator IT1. The size of the arc image formed on this IT2 is given by the following
ここで、larcはIT2上に形成するアーク像の有効口径、lLAMPは光源アークの有効口径、NAは光源の開口数、NA'はIT1の開口数である。IT1の開口数NA'は、以下の式4で表すことができる。
Here, l arc is the effective aperture of the arc image formed on IT2, l LAMP is the effective aperture of the light source arc, NA is the numerical aperture of the light source, and NA ′ is the numerical aperture of IT1. The numerical aperture NA ′ of IT1 can be expressed by
ここで、θiはIT1の集光角である。 Here, θ i is the light collection angle of IT1.
式3に式4を代入すると、
Substituting
を得る。 Get.
また、IT1の集光角θiは、以下の式6で表すことができる。
Further, the light collection angle θ i of IT1 can be expressed by the following
式5に式6を代入すると、
Substituting
を得る。さらに、式7に式1および式2を代入すると、
Get. Furthermore, when
を得る。この式8から、U字配置やS字配置のようなFL・CL合成焦点距離fFL・CLが比較的に長い光学系の場合は、アーク像larcが大きくなることがわかる。
Get. From
図4は、FLとCLの間隔と、FL・CL合成焦点距離fFL・CLとの関係を説明するための図である。FL・CL合成焦点距離fFL・CLは、以下の式9により与えられる。
FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the interval between FL and CL and the FL / CL combined focal length f FL · CL . The FL · CL combined focal length f FL · CL is given by the following
ここで、fFLはフィールドレンズの焦点距離、fCLはコンデンサレンズの焦点距離、dはFLとCLの間隔(レンズ中心間の距離)である。 Here, f FL is the focal length of the field lens, f CL is the focal length of the condenser lens, and d is the distance between the FL and CL (the distance between the lens centers).
CLがFLの主光線を平行光にするように構成した光学系において、FL−CL間隔dは、以下の式で表すことができる。 In an optical system configured so that the principal ray of CL is parallel light is CL, the FL-CL interval d can be expressed by the following equation.
式10を式9に代入すると、
Substituting
を得る。式11から、FL−CL間隔dとFL・CL合成焦点距離fFL・CLは等しい関係にあるので、FL−CL間隔dを短くすることにより、IT2上に形成されるアーク像larcを小さくすることができることが分かる。この知見によれば、U字配置やS字配置といったFL・CL合成焦点距離fFL・CLが比較的に長い光学系においても、CLがFLの主光線を略平行光にするように構成されていれば、FL−CL間隔dを短くすることで、FL・CL合成焦点距離fFL・CLをより短いものとし、アーク像larcを小さくすることができる。アーク像larcを小さくすることで、偏光変換効率が向上し、照明効率が向上する。
Get. From
なお、FL−CL間隔dを短くした場合は、FL・CL合成焦点距離fFL・CLとFLおよびCLの主点位置が変化するため、焦点位置が移動してLCD上にフォーカスが合わなくなってしまう。そこで、FL−CL間隔dを変化させた場合は、FLの焦点距離fFLとCLの焦点距離fCLも同時に調整してLCD上にフォーカスを合わせる必要がある。 Note that when the FL-CL interval d is shortened, the principal point positions of the FL / CL combined focal lengths f FL · CL and FL and CL change, so that the focal position moves and the focus is not focused on the LCD. End up. Therefore, when the FL-CL interval d is changed, it is necessary to adjust the focal length fFL of the FL and the focal length fCL of the CL at the same time to focus on the LCD.
FL−CL間隔dを変化させた場合におけるFLの焦点距離fFLとCLの焦点距離fCLは、以下のようにして求めることができる。 The focal length f FL of FL and the focal length f CL of CL when the FL-CL interval d is changed can be obtained as follows.
変化後のFLとCLの間隔をLとした場合、間隔Lは以下の式12で与えられる。 When the interval between FL and CL after the change is L, the interval L is given by the following Expression 12.
式11を式12に代入すると、
Substituting
を得る。したがって、FLとCLの間隔をΔdだけ短くした場合は、 Get. Therefore, when the interval between FL and CL is shortened by Δd,
の関係式を満たすよう、FLの焦点距離fFLとCLの焦点距離fCLを定める。 The focal length f FL of FL and the focal length f CL of CL are determined so as to satisfy the following relational expression.
また、偏光変換素子PBSでは、入射する光のうち、各偏光変換部の有効開口から外れた光は、偏光変換に寄与しない。偏光変換効率を向上するためには、インテグレータIT1の各レンズセルによってインテグレータIT2上に形成される光源のアーク像(矩形像)の大きさが、偏光変換素子の各偏光変換部の有効開口の範囲内に収まるように、FL−CL間隔dを設定することが望ましい。以下に、FL−CL間隔dの望ましい範囲を説明する。 Further, in the polarization conversion element PBS, light that is out of the effective aperture of each polarization conversion unit among incident light does not contribute to polarization conversion. In order to improve the polarization conversion efficiency, the size of the arc image (rectangular image) of the light source formed on the integrator IT2 by each lens cell of the integrator IT1 is the range of the effective aperture of each polarization conversion unit of the polarization conversion element. It is desirable to set the FL-CL interval d so as to be within the range. Below, the desirable range of FL-CL space | interval d is demonstrated.
偏光変換素子PBSの開口ピッチ(偏光変換部の有効開口に同じ)をlPBSとした場合、 When the aperture pitch of the polarization conversion element PBS (same as the effective aperture of the polarization conversion unit) is 1 PBS ,
が成り立てば、計算上、インテグレータIT2上に形成される光源のアーク像(矩形像)の大きさは、偏光変換素子の各偏光変換部の有効開口の範囲内に収まることになり、偏光変換効率のロスをなくすことができる。 If this holds, the size of the arc image (rectangular image) of the light source formed on the integrator IT2 will be within the range of the effective aperture of each polarization conversion portion of the polarization conversion element, and the polarization conversion efficiency will be calculated. The loss of can be eliminated.
ここで、式16に式8を代入すると、
Here, when
を得る。FL−CL間隔dが式17の条件を満たすように光学系を設計すれば、インテグレータIT2上に結像するアーク像の大きさが、偏光変換素子PBSの有効開口の大きさ以下になるので、偏光変換効率のロスを低減することができる。なお、FL−CL間隔dの下限は、設計に応じて適宜設定することが可能である。 Get. If the optical system is designed so that the FL-CL interval d satisfies the condition of Expression 17, the size of the arc image formed on the integrator IT2 is equal to or less than the size of the effective aperture of the polarization conversion element PBS. Loss of polarization conversion efficiency can be reduced. The lower limit of the FL-CL interval d can be set as appropriate according to the design.
本発明では、以上説明した原理を利用し、U字配置やS字配置などの光学系において、CLがFLの主光線を平行光にするように構成した場合は、FL−CL間隔dとFL・CL合成焦点距離fFL・CLは等しい関係にある、という知見に基づき、FL−CL間隔dを短くすることで、FL・CL合成焦点距離fFL・CLのより短い光学系を実現する。こうして実現された光学系によれば、IT2上に形成されるアーク像larcを小さくすることができるため、照明効率を向上させることができる。
In the present invention, when the principle explained above is used and an optical system such as a U-shaped arrangement or an S-shaped arrangement is configured such that a principal ray whose CL is FL becomes parallel light, the FL-CL interval d and FL Based on the knowledge that the CL combined focal lengths f FL and CL are equal, the FL-CL interval d is shortened to realize an optical system with a shorter FL / CL combined focal length f FL and CL . According to the optical system thus realized, the arc image l arc formed on the
また、FL−CL間隔dが式17の条件を満たすように照明光学系を設計する。これにより、より偏光変換効率の高い照明光学系を実現することができる。 The illumination optical system is designed so that the FL-CL interval d satisfies the condition of Expression 17. Thereby, an illumination optical system with higher polarization conversion efficiency can be realized.
以下に、本発明の実施の形態として、上述した原理を適用し、FL−CL間隔dを短くしてIT2上に形成されるアーク像larcを小さくしたU字配置の光学系を挙げる。
Hereinafter, as an embodiment of the present invention, an optical system having a U-shaped arrangement in which the above-described principle is applied and the FL-CL interval d is shortened to reduce the arc image l arc formed on the
(第1の実施形態)
図1に、本発明の第1の実施形態である液晶プロジェクタの照明光学系の構成を示す。図1を参照すると、本実施形態の照明光学系は、図12に示した光学系において、コンデンサレンズ106a、106bを削除し、ダイクロイックミラー104aと折り返しミラー111との間にコンデンサレンズ106を配置したものであって、インテグレータ101aによって分割された光源100からの光束を、フィールドレンズ103により液晶パネル108a、108b上に重畳かつ照射するように構成されている。また、光源100のアーク像は、インテグレータ101aによってインテグレータ101b上およびその近傍に形成される。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a configuration of an illumination optical system of a liquid crystal projector that is the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, in the illumination optical system of the present embodiment, the
コンデンサレンズ106は、偏光変換素子102と折り返しミラー111の間に配置されたフィールドレンズ103を通過した光束の主光線を互いに略平行にするように構成されており、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ106の間隔は、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ106の合成焦点距離と等しい関係にある。したがって、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ106の間隔を小さくすることで、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ106の合成焦点距離が短い光学系を提供することができる。
The
本実施形態の照明光学系では、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ106の間隔は、図12に示したU字配置の光学系におけるフィールドレンズ103とコンデンサレンズ106a(またはコンデンサレンズ106b)の間隔よりも小さくなっているので、フィールドレンズとコンデンサレンズの合成焦点距離は図12に示した光学系よりも小さくなる。よって、図12に示した光学系に比べて、インテグレータ101b上およびその近傍に形成されるアーク像を小さくすることができ、その分、偏光変換素子102におけるケラレの量が低減されて、偏光変換効率が向上する。
In the illumination optical system of the present embodiment, the distance between the
また、本実施形態の照明光学系では、図12に示した光学系に比べて、コンデンサレンズの数が少ない分、コストを下げることができる。 Further, in the illumination optical system of the present embodiment, the cost can be reduced because the number of condenser lenses is smaller than that of the optical system shown in FIG.
なお、リレーレンズ107a、107bを有する光路においては、他の光路よりもインテグレータ101aから液晶パネル108cまでの光路長が長いので、その補正をする必要がある。そのため、リレーレンズ107a、107b、コンデンサレンズ107cで光路長の補正を行っている。具体的には、リレーレンズ107a、とリレーレンズ107bで像を一度反転させ、その反転した像をコンデンサレンズ107cでその主光線が略平行になるようにして液晶パネル108cに照射している。
In the optical path having the
また、本実施形態において、より偏光変換効率の高い照明光学系を実現するために、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ106の間隔は、上述の式17を満たすように設定することが望ましい。
In this embodiment, in order to realize an illumination optical system with higher polarization conversion efficiency, it is desirable that the distance between the
(第2の実施形態)
図5に、本発明の第2の実施形態である液晶プロジェクタの照明光学系の構成を示す。図5を参照すると、本実施形態の照明光学系は、図12に示した照明光学系において、コンデンサレンズ106a、106bを削除し、ダイクロイックミラー104aとミラー105aの間にコンデンサレンズ116aを、ダイクロイックミラー104a、104bの間にコンデンサレンズ116bをそれぞれ配置したものであって、インテグレータ101aによって分割された光源100からの光束は、フィールドレンズ103およびコンデンサレンズ116a、116bを通過し、液晶パネル108a、108b上に重畳かつ照射するように構成されている。
(Second Embodiment)
FIG. 5 shows a configuration of an illumination optical system of a liquid crystal projector according to the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, in the illumination optical system of the present embodiment, in the illumination optical system shown in FIG. 12, the
コンデンサレンズ116a、116bのそれぞれは、偏光変換素子102と折り返しミラー111の間に配置されたフィールドレンズ103を通過した光束の主光線を互いに略平行にするように構成されている。フィールドレンズ103とコンデンサレンズ116aの間隔は、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ116aの合成焦点距離と等しい関係にあるので、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ116aの間隔を小さくすることで、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ116aの合成焦点距離が短い光学系を提供することができる。同様に、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ116bの間隔は、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ116bの合成焦点距離と等しい関係にあるので、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ116bの間隔を小さくすることで、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ116bの合成焦点距離が短い光学系を提供することができる。
Each of the
本実施形態の照明光学系では、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ116a、116bとの各間隔はいずれも、図12に示したU字配置の光学系におけるフィールドレンズ103とコンデンサレンズ106a、106bとの各間隔よりも小さくなっているので、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ116aの合成焦点距離およびフィールドレンズ103とコンデンサレンズ116bの合成焦点距離はいずれも、図12に示した光学系の場合よりも小さくなる。このように、本実施形態においても、フィールドレンズとコンデンサレンズの間隔を小さくして、フィールドレンズとコンデンサレンズの合成焦点距離を小さくした配置とされているので、インテグレータ101b上に形成されるアーク像を小さくすることができ、その分、偏光変換素子102におけるケラレの量が低減されて、偏光変換効率が向上する。
In the illumination optical system of the present embodiment, each distance between the
本実施形態においても、より偏光変換効率の高い照明光学系を実現するために、フィールドレンズ103とコンデンサレンズ116a、116bとの各間隔は、上述の式17を満たすように設定することが望ましい。
Also in this embodiment, in order to realize an illumination optical system with higher polarization conversion efficiency, it is desirable to set each interval between the
(実施例)
図6に、図5に示した照明光学系における光学要素の設計データを示す。この設計データは、既存の光学シミュレーションソフトを用いて計算したものである。図6中、「IT1」はインテグレータ101a、「IT2」はインテグレータ101b、「PBS」は偏光変換素子102、「FL」はフィールドレンズ103、「CL」はコンデンサレンズ116a(または116b)、「LCD」は液晶パネル108a(または108b)にそれぞれ対応する。「Radius」欄には、配置されている光学要素(IT1、IT2、PBS、FL、CL、LCD)のそれぞれの面の曲率半径がmm値で示されている。この「Radius」欄中の「∞」は平面を示す。「Thickness」欄には、光学要素の厚み又は間隔がmm値で示されている。「Index」欄には、光学要素の屈折率が示されている。なお、光学要素の間隔は直線距離換算値である。
(Example)
FIG. 6 shows design data of optical elements in the illumination optical system shown in FIG. This design data is calculated using existing optical simulation software. In FIG. 6, “IT1” is the
本実施例の照明光学系では、インテグレータIT1は、入射面(各レンズセルの入射面)の曲率半径が14.9mm、出射面が平面、厚さが3.16mm、屈折率が1.474とされている。インテグレータIT1とインテグレータIT2の間隔は26.9mmである。 In the illumination optical system of the present embodiment, the integrator IT1 has a radius of curvature of the entrance surface (incident surface of each lens cell) of 14.9 mm, a flat exit surface, a thickness of 3.16 mm, and a refractive index of 1.474. Has been. The interval between the integrator IT1 and the integrator IT2 is 26.9 mm.
インテグレータIT2は、入射面が平面、出射面(各レンズセルの出射面)の曲率半径が14.9mm、厚さが3.16mm、屈折率が1.474とされている。インテグレータIT2と偏光変換素子PBSの間隔は2.44mmである。ここで、図6中で曲率半径にマイナス符号がついているのは、光の進行方向に向かって凸になっていることを示している。 The integrator IT2 has a flat entrance surface, a radius of curvature of the exit surface (exit surface of each lens cell) of 14.9 mm, a thickness of 3.16 mm, and a refractive index of 1.474. The distance between the integrator IT2 and the polarization conversion element PBS is 2.44 mm. Here, the minus sign in the radius of curvature in FIG. 6 indicates that the curve is convex in the light traveling direction.
偏光変換素子PBSは、入出射面がともに平面、厚さが4mm、屈折率が1.523とされている。偏光変換素子PBSとフィールドレンズ(FL)の間隔は2mmである。よって、偏光変換部(偏光変換素子PBS)の有効開口lPBSは4mmとなる。 The polarization converting element PBS has a flat entrance / exit surface, a thickness of 4 mm, and a refractive index of 1.523. The distance between the polarization conversion element PBS and the field lens (FL) is 2 mm. Therefore, the effective aperture l PBS of the polarization conversion unit (polarization conversion element PBS) is 4 mm.
フィールドレンズ(FL)は、入射面の曲率半径が257mm、出射面が平面、厚さが5mm、屈折率が1.624とされている。フィールドレンズ(FL)とコンデンサレンズ(CL)の間隔は158.3mmである。 In the field lens (FL), the radius of curvature of the entrance surface is 257 mm, the exit surface is flat, the thickness is 5 mm, and the refractive index is 1.624. The distance between the field lens (FL) and the condenser lens (CL) is 158.3 mm.
コンデンサレンズ(CL)は、入射面の曲率半径が101mm、出射面が平面、厚さが7mm、屈折率が1.624とされている。コンデンサレンズ(CL)と液晶パネル(LCD)との間隔は92.7mmである。 The condenser lens (CL) has an incident surface with a curvature radius of 101 mm, an output surface with a flat surface, a thickness of 7 mm, and a refractive index of 1.624. The distance between the condenser lens (CL) and the liquid crystal panel (LCD) is 92.7 mm.
液晶パネル(LCD)は、大きさが1インチのXGAパネル(4:3)であり、その長辺の長さは20.32mmである(大きさは不図示)。 The liquid crystal panel (LCD) is an XGA panel (4: 3) having a size of 1 inch, and its long side is 20.32 mm (the size is not shown).
光源アークの有効口径(lLAMP)は1.1mm、光源の開口数(NA)は0.766である(不図示)。 The effective diameter (l LAMP ) of the light source arc is 1.1 mm, and the numerical aperture (NA) of the light source is 0.766 (not shown).
(比較例)
図7に、図12に示したU字配置の照明光学系における光学要素の設計データを示す。この設計データも、既存の光学シミュレーションソフトを用いて計算したものである。図7中、「IT1」はインテグレータ101a、「IT2」はインテグレータ101b、「PBS」は偏光変換素子102、「FL」はフィールドレンズ103、「CL」はコンデンサレンズ106a(または106b)、「LCD」は液晶パネル108a(または108b)にそれぞれ対応する。「Radius」欄には、配置されている光学要素(IT1、IT2、PBS、FL、CL、LCD)のそれぞれの面の曲率半径がmm値で示されている。この「Radius」欄中の「∞」は平面を示す。「Thickness」欄には、光学要素の厚み又は間隔がmm値で示されている。「Index」欄には、光学要素の屈折率が示されている。なお、光学要素の間隔は直線距離換算値である。
(Comparative example)
FIG. 7 shows design data of optical elements in the illumination optical system having the U-shaped arrangement shown in FIG. This design data is also calculated using existing optical simulation software. In FIG. 7, “IT1” is the
本比較例の照明光学系では、インテグレータIT1は、入射面(各レンズセルの入射面)の曲率半径が22.8mm、出射面が平面、厚さが3.16mm、屈折率が1.474とされている。インテグレータIT1とインテグレータIT2の間隔は43.6mmである。 In the illumination optical system of this comparative example, the integrator IT1 has a radius of curvature of the entrance surface (incident surface of each lens cell) of 22.8 mm, a plane of exit, a thickness of 3.16 mm, and a refractive index of 1.474. Has been. The interval between the integrator IT1 and the integrator IT2 is 43.6 mm.
インテグレータIT2は、入射面が平面、出射面(各レンズセルの出射面)の曲率半径が22.8mm、厚さが3.16mm、屈折率が1.474とされている。インテグレータIT2と偏光変換素子PBSの間隔は2.44mmである。 The integrator IT2 has a flat entrance surface, a radius of curvature of the exit surface (the exit surface of each lens cell) of 22.8 mm, a thickness of 3.16 mm, and a refractive index of 1.474. The distance between the integrator IT2 and the polarization conversion element PBS is 2.44 mm.
ここで、図7中で曲率半径にマイナス符号がついているのは、光の進行方向に向かって凸になっていることを示しており、先の実施例と同じ定義である。 Here, the minus sign in the radius of curvature in FIG. 7 indicates that the radius of curvature is convex in the traveling direction of light, which is the same definition as in the previous embodiment.
偏光変換素子PBSは、入出射面がともに平面、厚さが4mm、屈折率が1.523とされている。偏光変換素子PBSとフィールドレンズ(FL)の間隔は2mmである。よって、偏光変換部(偏光変換素子PBS)の有効開口lPBSは、4mmとなる。 The polarization converting element PBS has a flat entrance / exit surface, a thickness of 4 mm, and a refractive index of 1.523. The distance between the polarization conversion element PBS and the field lens (FL) is 2 mm. Therefore, the effective aperture l PBS of the polarization conversion unit (polarization conversion element PBS) is 4 mm.
フィールドレンズ(FL)は、入射面の曲率半径が163mm、出射面が平面、厚さが5mm、屈折率が1.624とされている。フィールドレンズ(FL)とコンデンサレンズ(CL)の間隔は244mmである。 In the field lens (FL), the radius of curvature of the incident surface is 163 mm, the exit surface is flat, the thickness is 5 mm, and the refractive index is 1.624. The distance between the field lens (FL) and the condenser lens (CL) is 244 mm.
コンデンサレンズ(CL)は、入射面の曲率半径が154.3mm、出射面が平面、厚さが7mm、屈折率が1.624とされている。コンデンサレンズ(CL)と液晶パネル(LCD)との間隔は6.9mmである。 The condenser lens (CL) has a radius of curvature of the incident surface of 154.3 mm, a flat exit surface, a thickness of 7 mm, and a refractive index of 1.624. The distance between the condenser lens (CL) and the liquid crystal panel (LCD) is 6.9 mm.
液晶パネル(LCD)は、大きさが1インチのXGAパネル(4:3)であり、その長辺の長さは20.32mmである(大きさは不図示)。 The liquid crystal panel (LCD) is an XGA panel (4: 3) having a size of 1 inch, and its long side is 20.32 mm (the size is not shown).
光源アークの有効口径(lLAMP)は1.1mm、光源の開口数(NA)は0.766である(不図示)。 The effective diameter (l LAMP ) of the light source arc is 1.1 mm, and the numerical aperture (NA) of the light source is 0.766 (not shown).
ここで、式17より、FL−CL間隔の限界値を求めると190.8mmとなる。上記の比較例の照明光学系では、FL−CL間隔が244mmであるのに対し、上記の実施例の照明光学系ではFL−CL間隔は158.3であり、これは比較例よりも短い。また、実施例では、式17の条件を満たしており、インテグレータIT2上に結像するアーク像の大きさが、偏光変換素子PBSの有効開口の大きさ以下になり、偏光変換効率のロスを低減することが期待できる。 Here, when the limit value of the FL-CL interval is obtained from Expression 17, it is 190.8 mm. In the illumination optical system of the above comparative example, the FL-CL interval is 244 mm, whereas in the illumination optical system of the above embodiment, the FL-CL interval is 158.3, which is shorter than the comparative example. Further, in the embodiment, the condition of Expression 17 is satisfied, and the size of the arc image formed on the integrator IT2 is equal to or smaller than the size of the effective aperture of the polarization conversion element PBS, thereby reducing the loss of polarization conversion efficiency. Can be expected to do.
図8に、図6に示した設計データに基づく照明光学系におけるIT2上に形成されるアーク像を模式的に示し、図9に、図7に示した設計データに基づく照明光学系におけるIT2上に形成されるアーク像を模式的に示す。 FIG. 8 schematically shows an arc image formed on IT2 in the illumination optical system based on the design data shown in FIG. 6, and FIG. 9 shows on IT2 in the illumination optical system based on the design data shown in FIG. An arc image formed is schematically shown in FIG.
図8および図9に示すように、IT1の各レンズセルによってIT2上に形成されるアーク像は、IT2の中心部から外周方向に放射状に広がったものとなる。偏光変換素子PBSでは、各偏光変換部が各レンズセルによって形成されたアーク像の間隔に対応して配置されており、アーク像の大きさが偏光変換部の有効開口より大きくなると、偏光変換効率の低下を招く。図8に示した各アーク像の大きさは、図9に示したものに比べて小さいことから、図6に示した設計データに基づく照明光学系は、図7に示した設計データに基づく照明光学系に比べて偏光変換効率が高いことが分かる。 As shown in FIGS. 8 and 9, the arc image formed on IT2 by each lens cell of IT1 spreads radially from the center of IT2 in the outer circumferential direction. In the polarization conversion element PBS, each polarization conversion unit is arranged corresponding to the interval of the arc image formed by each lens cell, and when the size of the arc image becomes larger than the effective aperture of the polarization conversion unit, the polarization conversion efficiency Cause a decline. Since the size of each arc image shown in FIG. 8 is smaller than that shown in FIG. 9, the illumination optical system based on the design data shown in FIG. 6 uses the illumination based on the design data shown in FIG. It can be seen that the polarization conversion efficiency is higher than that of the optical system.
図10に、実施例(図6)の照明光学系の各光学要素における照明効率と従来例(図7)の照明光学系の各光学要素における照明効率の差を示す。この数値が正の場合に実施例が従来例よりも、その分照明効率が改善していることを示している。図10から分かるように、実施例の照明光学系は、従来例の照明光学系に比べて、偏光変換素子PBSにて、照明効率が約8ポイント向上し、最終的に、約13ポイントの照明効率向上を実現した。ここで、照明効率が13ポイント向上とは、例えば、照明効率が60%から73%になることを意味する。 FIG. 10 shows the difference between the illumination efficiency of each optical element of the illumination optical system of the embodiment (FIG. 6) and the illumination efficiency of each optical element of the illumination optical system of the conventional example (FIG. 7). When this value is positive, the example shows that the illumination efficiency is improved by that amount compared to the conventional example. As can be seen from FIG. 10, in the illumination optical system of the embodiment, compared with the illumination optical system of the conventional example, the polarization conversion element PBS improves the illumination efficiency by about 8 points, and finally the illumination optical system of about 13 points. Improved efficiency. Here, the improvement of the illumination efficiency by 13 points means that the illumination efficiency is changed from 60% to 73%, for example.
以上、U字配置の照明光学系を例に本発明の実施形態を説明したが、本発明はU字配置に限定されるものではない。例えば、図13に示したS字配置の照明光学系において、図1や図5に示したようなフィールドレンズおよびコンデンサレンズの配置を適用することで、第1および第2の実施形態の照明光学系と同等の効果を奏する。同様に、図11に示したL字配置の照明光学系においても、図1や図5に示したようなフィールドレンズおよびコンデンサレンズの配置を適用することで、第1および第2の実施形態の照明光学系と同等の効果を奏する。 As described above, the embodiment of the present invention has been described by taking the U-shaped arrangement of the illumination optical system as an example, but the present invention is not limited to the U-shaped arrangement. For example, in the S-shaped arrangement illumination optical system shown in FIG. 13, by applying the arrangement of the field lens and the condenser lens as shown in FIGS. 1 and 5, the illumination optics of the first and second embodiments are applied. Has the same effect as the system. Similarly, in the illumination optical system having the L-shaped arrangement shown in FIG. 11, the arrangement of the field lens and the condenser lens as shown in FIG. 1 and FIG. The same effect as the illumination optical system is achieved.
なお、以上説明した照明光学系において、ダイクロイックミラー104a、104bによって分離される光路をどの色成分の光路にするかは、設計に応じて適宜決定することができる。
In the illumination optical system described above, it is possible to appropriately determine which color component is used as the optical path separated by the
100 光源
101a、101b インテグレータ
102 偏光変換素子
103 フィールドレンズ
104a、104b ダイクロイックミラー
105a〜105c ミラー
106、106c コンデンサレンズ
107a、107b リレーレンズ
108a〜108c 液晶パネル
109 クロスダイクロイックプリズム
110 投写レンズ
111 折り返しミラー
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記光源から出射された光束を複数の部分光束に分割するとともに、該複数の部分光束をそれぞれ集光させる複数のレンズセルを備えた第1のインテグレータと、
前記複数の部分光束が入射する複数のレンズセルを備えた第2のインテグレータと、
前記第2のインテグレータの各レンズセルを通過した光束の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
前記偏光変換素子からの光束を波長が異なる複数の色光に分離する第1の色分離手段と、
前記第1の色分離手段を透過した光束をさらに波長が異なる複数の色光に分離する第2の色分離手段と、を有し、
前記第1の色分離手段で反射された光束は前記第1の透過型液晶パネルを照射し、
前記第1の色分離手段を透過し前記第2の色分離手段で反射された光束は前記第2の透過型液晶パネルを照射し、
前記第2の色分離手段を透過した光束は前記第3の透過型液晶パネルを照射し、
前記偏光変換素子と前記第1の色分離手段との間の光路中には、前記第1のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を前記第1から第3の透過型液晶パネル上に重畳させるフィールドレンズと、第1のコンデンサレンズと、が配置され、
前記第2の色分離手段と前記第3の透過型液晶パネルとの間の光路中には、リレーレンズと、第2のコンデンサレンズとが順に配置され、
前記第1のコンデンサレンズは、前記第1の色分離手段側に配置されており、前記フィールドレンズを通過した光束の主光線を互いに略平行にするように構成されていることを特徴とするプロジェクタ。 A projector having a light source and first to third transmissive liquid crystal panels,
A first integrator comprising a plurality of lens cells for dividing the light beam emitted from the light source into a plurality of partial light beams and condensing the plurality of partial light beams,
A second integrator comprising a plurality of lens cells into which the plurality of partial light beams are incident;
A polarization conversion element that aligns the polarization direction of the light beam that has passed through each lens cell of the second integrator;
First color separation means for separating a light beam from the polarization conversion element into a plurality of color lights having different wavelengths;
A second color separation means for further separating the light beam transmitted through the first color separation means into a plurality of color lights having different wavelengths,
The light beam reflected by the first color separation means irradiates the first transmissive liquid crystal panel,
The light beam transmitted through the first color separation means and reflected by the second color separation means irradiates the second transmissive liquid crystal panel,
The light beam transmitted through the second color separation means irradiates the third transmission type liquid crystal panel,
In the optical path between the polarization conversion element and the first color separation means, the light beam that has passed through each lens cell of the first integrator is superimposed on the first to third transmissive liquid crystal panels. A field lens and a first condenser lens are disposed;
In the optical path between the second color separation means and the third transmissive liquid crystal panel, a relay lens and a second condenser lens are sequentially arranged.
The projector is characterized in that the first condenser lens is disposed on the first color separation means side and is configured so that chief rays of light beams that have passed through the field lens are substantially parallel to each other. .
前記第1のインテグレータの各レンズセルによって前記第2のインテグレータ上に形成される前記光源のアーク像の有効口径をlarc、前記光源のアークの有効口径をlLAMP、前記光源の開口数をNA、前記複数の表示パネルの長辺の長さをlLCD、前記複数の偏光変換部のそれぞれの有効開口をlPBS、前記フィールドレンズおよび第1のコンデンサレンズの前記第1の間隔をdとするとき、該間隔dが
The effective aperture of the arc image of the light source formed on the second integrator by each lens cell of the first integrator is l arc , the effective aperture of the arc of the light source is l LAMP , and the numerical aperture of the light source is NA The length of the long side of the plurality of display panels is l LCD , the effective aperture of each of the plurality of polarization converters is l PBS , and the first distance between the field lens and the first condenser lens is d. When the distance d is
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20131024 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20140311 |