JP2013167748A - Illumination optical system and image projection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液晶プロジェクター等に適する照明光学系および画像投射装置に関する。 The present invention relates to an illumination optical system and an image projection apparatus suitable for a liquid crystal projector or the like.
従来、液晶プロジェクター、特に反射型パネルを用いたものでは、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）やワイヤーグリッドを用いるため、バックフォーカスが長くなってしまう。そのため、色分解系が大型化し、また、投射レンズも大型化してしまう。この問題を解決するために、照明系のＦｎｏを大きくする（即ち、液晶パネルに入射する角度範囲を狭める）ことにより、ＰＢＳを小型化することがある。 Conventionally, a liquid crystal projector, particularly one using a reflective panel, uses a polarizing beam splitter (PBS) or a wire grid, so that the back focus becomes long. For this reason, the color separation system is enlarged, and the projection lens is also enlarged. In order to solve this problem, the size of the PBS may be reduced by increasing the Fno of the illumination system (that is, narrowing the angle range incident on the liquid crystal panel).
照明系のＦｎｏを大きくするためには、光束分割素子（フライアイレンズ）により分割された複数の分割光束を液晶パネルに重ね合わせるコンデンサーレンズの焦点距離を長くする、又は、照明の均一化を図るフライアイレンズを小さくすることが考えられる。 In order to increase the Fno of the illumination system, the focal length of the condenser lens that superimposes a plurality of divided light beams divided by the light beam splitting element (fly eye lens) on the liquid crystal panel is increased, or the illumination is made uniform. It is conceivable to make the fly-eye lens small.
前者では、光学素子間の距離が長くなるため装置が大型化してしまうことから、後者を行うことが一般的である。そのためには、光源からの光束を圧縮してフライアイレンズに入射させることが必要となる。特許文献１では、光源からの光束を楕円鏡で集光し、これを凹レンズで略平行化することで、光源からの光束を圧縮することを開示する。 In the former, since the distance between optical elements becomes long and the apparatus becomes large, the latter is generally performed. For this purpose, it is necessary to compress the light beam from the light source and enter the fly-eye lens. Patent Document 1 discloses that the light beam from the light source is condensed by condensing the light beam from the light source with an elliptical mirror and parallelizing the light beam with a concave lens.
しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、以下に示すように照明効率が低下してしまう。即ち、光源から出射されて楕円鏡、凹レンズにより平行化された光束は、入射側の第１のフライアイレンズで複数の光束に分割され、夫々大きな光源像を第２のフライアイレンズの近傍に形成して第２のフライアイレンズに入射する。このとき、光源像が大きくなっており、照明効率が低下してしまう。 However, in the prior art disclosed in Patent Document 1, the illumination efficiency decreases as described below. That is, the light beam emitted from the light source and collimated by the elliptical mirror and the concave lens is divided into a plurality of light beams by the first fly-eye lens on the incident side, and a large light source image is placed in the vicinity of the second fly-eye lens. Then, it is incident on the second fly-eye lens. At this time, the light source image is large, and the illumination efficiency is reduced.
本発明の目的は、照明効率を極力落とすことなく小型化を達成する照明光学系および画像投射装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an illumination optical system and an image projection apparatus that can achieve miniaturization without reducing illumination efficiency as much as possible.
上記目的を達成するために、本発明に係る照明光学系の代表的な構成は、光源からの光束を用いて被照明面を照明する照明光学系であって、前記照明光学系の光軸の方向に所定アーク長を備える光源と、前記光源からの光束を収斂光束として射出 する第１の光学系と、前記第１の光学系から出射した収斂光束を前記光軸に対して平行な光束にする第２の光学系と、前記第２の光学系から出射した平行光束を複数の光束に分割する光束分割素子と、前記光束分割素子により分割された複数の分割光束を長辺方向と短辺方向を備える被照明領域に重ね合わせる第３の光学系を有し、前記第２の光学系の焦点距離は、前記第２の 光学系の光軸と前記短辺方向を含む平面内における、前記光束分割素子の有効領域端までの前記第２の光学系の光軸からの高さＤに対し、前記第２の光学系から出射した平行光束の有効光束端までの前記第２の光学系の光軸からの高さｈが、より大きくなる焦点距離である ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a typical configuration of an illumination optical system according to the present invention is an illumination optical system that illuminates a surface to be illuminated using a light beam from a light source, the optical axis of the illumination optical system being A light source having a predetermined arc length in the direction, a first optical system that emits a light beam from the light source as a converged light beam, and a converged light beam emitted from the first optical system into a light beam parallel to the optical axis. A second optical system, a light beam splitting element that splits a parallel light beam emitted from the second optical system into a plurality of light beams, and a plurality of split light beams split by the light beam splitting element in a long side direction and a short side A third optical system that overlaps an illuminated area having a direction, and the focal length of the second optical system is within a plane that includes the optical axis of the second optical system and the short-side direction. The optical axis of the second optical system up to the end of the effective area of the beam splitter The height h from the optical axis of the second optical system to the effective light beam end of the parallel light beam emitted from the second optical system is a focal length that becomes larger with respect to the height D of And
また画像投射装置も本発明の他の一側面を構成する。 An image projection apparatus also constitutes another aspect of the present invention.
本発明によれば、照明効率を極力落とすことなく小型化を達成できる照明光学系および画像投射装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the illumination optical system and image projection apparatus which can achieve size reduction without reducing illumination efficiency as much as possible can be provided.
《第１の実施形態》
（画像投射装置とその小型化）
図１（ｂ）において、１は照明光学系の光軸の方向に所定アーク長を備える光源としての発光部、２は楕円鏡、３は凹レンズ、４は第１のフライアイレンズ、５は第２のフライアイレンズ、６はＰＳ変換素子、７はコンデンサーレンズである。また、８は色分離合成系、９は投射レンズである。光束分割素子としての第１のフライアイレンズ４と、第２のフライアイレンズ５は、対向する各セルが同じ大きさとなっている。
<< First Embodiment >>
(Image projection device and its miniaturization)
In FIG. 1B, 1 is a light emitting unit as a light source having a predetermined arc length in the direction of the optical axis of the illumination optical system, 2 is an elliptical mirror, 3 is a concave lens, 4 is a first fly-eye lens, and 5 is a first lens. 2 is a fly-eye lens, 6 is a PS conversion element, and 7 is a condenser lens. Reference numeral 8 denotes a color separation / synthesis system, and 9 denotes a projection lens. In the first fly-eye lens 4 and the second fly-eye lens 5 as the beam splitting elements, the opposing cells have the same size.
第１のフライアイレンズ４、第２のフライアイレンズ５を通過し、ＰＳ変換素子６を出射した光は、コンデンサーレンズ７に入射し、色分離合成系８内の被照明領域である液晶パネル２０ａ、２０ｂ、２０ｃに集光して重ね合わされる。長辺方向、短辺方向を備える液晶パネル２０ａ、２０ｂ、２０ｃに集光された光は、画像光として、投射光学系としての投射レンズ９を介して、被照明面である不図示のスクリーンを照明する。 The light that has passed through the first fly-eye lens 4 and the second fly-eye lens 5 and emitted from the PS conversion element 6 enters the condenser lens 7 and is a liquid crystal panel that is an illuminated area in the color separation / synthesis system 8. The light is condensed and superimposed on 20a, 20b, and 20c. The light condensed on the liquid crystal panels 20a, 20b, and 20c having the long side direction and the short side direction passes through a projection lens 9 as a projection optical system as image light, and passes through a screen (not shown) that is an illuminated surface. Illuminate.
反射型の液晶パネル（画像表示素子）を用いたプロジェクタ（投射型画像表示装置）では、一般的に、色分離合成系８に複数の偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を用いるため、色分離合成系８が大型化してしまう。そのため、投射レンズ９のバックフォーカス、即ち、投射レンズ９の最も液晶パネル２０ａ（２０ｂ、２０ｃ）側の光学面から、液晶パネル２０ａ（２０ｂ、２０ｃ）までの空気換算した距離が長くなってしまう。投射レンズ９のバックフォーカスが長くなると、投射レンズ９が大型化し、プロジェクタ全体の大きさも増してしまう。 In a projector (projection-type image display device) using a reflective liquid crystal panel (image display element), since a plurality of polarization beam splitters (PBS) are generally used for the color separation / synthesis system 8, the color separation / synthesis system 8 is used. Will become larger. Therefore, the back focus of the projection lens 9, that is, the distance in terms of air from the optical surface closest to the liquid crystal panel 20a (20b, 20c) to the liquid crystal panel 20a (20b, 20c) becomes long. If the back focus of the projection lens 9 becomes longer, the projection lens 9 becomes larger and the overall size of the projector also increases.
反射型パネルを用いたプロジェクタで、バックフォーカスを小さくするためには、照明系のＦｎｏを大きくする必要がある。ここで、照明系のＦｎｏとは、パネルに入射する角度範囲を表す。Ｆｎｏを大きくするためには、照明光を光束分割するフライアイレンズによる複数の分割光束を液晶パネルに重ね合わせるコンデンサーレンズ７の焦点距離を長くするか、フライアイレンズ４を小型化し、瞳を小さくするかのどちらかである。コンデンサーレンズ７の焦点距離を長くすれば、照明光学系の全長が長くなり、装置が大型化してしまう。また、フライアイレンズ４を小型化すると、照明効率が低下してしまう。以下にその理由を述べる。 In order to reduce the back focus in a projector using a reflective panel, it is necessary to increase the Fno of the illumination system. Here, Fno of the illumination system represents an angle range incident on the panel. In order to increase Fno, the focal length of the condenser lens 7 for superimposing a plurality of split light beams on the liquid crystal panel by the fly-eye lens that splits the illumination light into the liquid crystal panel is increased, or the fly-eye lens 4 is downsized to reduce the pupil. Either. If the focal length of the condenser lens 7 is increased, the overall length of the illumination optical system is increased and the apparatus is increased in size. Further, when the fly-eye lens 4 is downsized, the illumination efficiency is lowered. The reason is described below.
フライアイレンズ４を小型化しようとすると、発光部１からの光を圧縮してフライアイレンズ４に導かなくてはならない。ここで発光部１から出射される光を圧縮するためには、楕円鏡２と凹レンズ３（または、後述する放物リフレクターと凸レンズ及び凹レンズ）の組み合わせが一般的である。凹レンズ３を出射した光は、圧縮された略平行光束の状態で、フライアイレンズ４に入射する。フライアイレンズは光源側から、入射側の第１のフライアイレンズ４（第１の光束分割素子）と、出射側の第２のフライアイレンズ５（第２の光束分割素子）から成る。 In order to reduce the size of the fly-eye lens 4, the light from the light emitting unit 1 must be compressed and guided to the fly-eye lens 4. Here, in order to compress the light emitted from the light emitting unit 1, a combination of an elliptical mirror 2 and a concave lens 3 (or a parabolic reflector, a convex lens, and a concave lens described later) is generally used. The light emitted from the concave lens 3 enters the fly-eye lens 4 in a compressed substantially parallel light flux. The fly-eye lens includes a first fly-eye lens 4 (first beam splitter) on the incident side and a second fly-eye lens 5 (second beam splitter) on the exit side from the light source side.
また、第２のフライアイレンズ５の出射側近傍にはＰＳ変換素子６を設けているのが一般的である。第１のフライアイレンズ４に入射した光は、複数の分割光束となって、それぞれがＰＳ変換素子６近傍に集光する。即ち、ＰＳ変換素子６の位置に、複数の光源像が生じる。ここで、凹レンズ３の焦点距離をｆ、第１のフライアイレンズ４の焦点距離をｆａとした場合、光源像の大きさは後述するようにｆａ／ｆ２に比例する。ここで、光源像が大きいと、ＰＳ変換素子６の所望の位置に入射させることが出来ないため、ＰＳ変換素子６での光損失となる。 Further, a PS conversion element 6 is generally provided in the vicinity of the emission side of the second fly-eye lens 5. The light incident on the first fly-eye lens 4 becomes a plurality of split light beams, and each is condensed near the PS conversion element 6. That is, a plurality of light source images are generated at the position of the PS conversion element 6. Here, when the focal length of the concave lens 3 is f and the focal length of the first fly-eye lens 4 is fa, the size of the light source image is proportional to fa / f 2 as will be described later. Here, if the light source image is large, the light cannot be incident on a desired position of the PS conversion element 6, so that light loss occurs in the PS conversion element 6.
即ち、ＰＳ変換素子６の所望の位置に光を入射させないと、不要偏光成分が増大するため、色分解系の偏光手段によって結局はカットされてしまうため、光損失となる。ここで、光源像を小さくする必要があるところ、フライアイレンズ４を小型化して装置を小型化しようとすると、凹レンズ３の屈折力が強くなるため、後述するように光源像は大きくなってしまう。 That is, if light is not incident on a desired position of the PS conversion element 6, an unnecessary polarization component increases, and the light is eventually cut by the color separation polarization means, resulting in light loss. Here, it is necessary to reduce the light source image. However, if the fly-eye lens 4 is downsized to reduce the size of the apparatus, the refractive power of the concave lens 3 increases, so that the light source image increases as described later. .
本実施形態では、光源像の大きさを極力小さくするために、フライアイレンズ４の最大有効高さに対し、フライアイレンズ４に入射する凹レンズ３を出射する平行光束の最大有効高さをより大きくするように凹レンズ３の焦点距離を設定する。 In the present embodiment, in order to reduce the size of the light source image as much as possible, the maximum effective height of the parallel light beam emitted from the concave lens 3 incident on the fly-eye lens 4 is made larger than the maximum effective height of the fly-eye lens 4. The focal length of the concave lens 3 is set so as to increase.
ここで、凹レンズ３の光軸とＰＳ変換素子６の偏光分離面の法線とに平行な断面を断面Ａ（図１（ｂ）下図の断面）とする。また、凹レンズ３の光軸を含み断面Ａに垂直な断面を断面Ｂ（図１（ｂ）上図の断面）とする。このとき、フライアイレンズ４の最大有効高さとは、断面Ｂにおける凹レンズ３の光軸からフライアイレンズ４の端部までの幅Ｄである。また、フライアイレンズ４に入射する凹レンズ３を出射する平行光束の最大有効高さとは、断面Ｂにおける平行光束の光軸からの幅ｈである。 Here, a cross section parallel to the optical axis of the concave lens 3 and the normal line of the polarization separation surface of the PS conversion element 6 is defined as a cross section A (the cross section in the lower diagram of FIG. 1B). In addition, a cross section including the optical axis of the concave lens 3 and perpendicular to the cross section A is defined as a cross section B (a cross section in the upper diagram of FIG. 1B). At this time, the maximum effective height of the fly-eye lens 4 is a width D from the optical axis of the concave lens 3 to the end of the fly-eye lens 4 in the cross section B. Further, the maximum effective height of the parallel light beam emitted from the concave lens 3 incident on the fly-eye lens 4 is the width h from the optical axis of the parallel light beam in the cross section B.
（照明光学系）
以下、図１（ａ）を参照して、本実施形態に係る照明光学系の具体的構成について説明する。図１（ａ）において、１は発光部、２は第１の光学系としての楕円鏡、３は第２の光学系としての凹レンズ、４は第１のフライアイレンズ、５は第２のフライアイレンズ、６はＰＳ変換素子である。楕円鏡２の第１焦点位置にその中心が設けられる発光部１からの光束は、楕円鏡２の第２焦点位置を中心とする光軸方向に延びた光源像を形成するように、楕円鏡２で結像される。楕円鏡２で反射された光束は、凹レンズ３によって平行光束に変換される。凹レンズ３は、楕円鏡２の第２焦点位置からその焦点距離分だけ離れた光軸方向位置に設けられる。
(Illumination optics)
Hereinafter, a specific configuration of the illumination optical system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 1A, 1 is a light emitting unit, 2 is an elliptical mirror as a first optical system, 3 is a concave lens as a second optical system, 4 is a first fly-eye lens, and 5 is a second fly-eye lens. An eye lens 6 is a PS conversion element. The light beam from the light emitting section 1 whose center is provided at the first focal position of the elliptical mirror 2 forms a light source image extending in the optical axis direction centered on the second focal position of the elliptical mirror 2. 2 is imaged. The light beam reflected by the elliptical mirror 2 is converted into a parallel light beam by the concave lens 3. The concave lens 3 is provided at a position in the optical axis direction away from the second focal position of the elliptical mirror 2 by the focal length.
凹レンズ３からの平行光束は、第１フライアイレンズ４に入射し、複数の分割光束として出射され、分割された各光束は第２フライアイレンズ５の近傍に各々集光する。この集光光は、ＰＳ変換素子６に入射し、所定の偏光方向の光に揃えられ、出射する。 The parallel light beam from the concave lens 3 enters the first fly-eye lens 4 and is emitted as a plurality of divided light beams, and each of the divided light beams is condensed in the vicinity of the second fly-eye lens 5. This condensed light enters the PS conversion element 6, is aligned with light having a predetermined polarization direction, and is emitted.
図１（ａ）は、図１（ｂ）のコンデンサーレンズ７（第３の光学系）の光軸と液晶パネル２０ａ、２０ｂ、２０ｃの短辺方向を含む平面（色分離合成系に含まれるＰＢＳ面の法線に平行な平面としての第１平面）における構成図を示している。図１（ａ）の点線は、楕円鏡２の最外周で反射した光の光路を示している。また、第１のフライアイレンズ４に入射する光束の凹レンズ３の光軸からの有効最大高さをｈで示している。また、第１のフライアイレンズ４の前記第１平面における有効部の最外周高さ（最大有効高さ）をＤで示している。 FIG. 1A shows a plane including the optical axis of the condenser lens 7 (third optical system) in FIG. 1B and the short side direction of the liquid crystal panels 20a, 20b, and 20c (PBS included in the color separation / synthesis system). The block diagram in the 1st plane as a plane parallel to the normal line of a surface is shown. A dotted line in FIG. 1A indicates an optical path of light reflected at the outermost periphery of the elliptical mirror 2. Further, the effective maximum height of the light beam incident on the first fly-eye lens 4 from the optical axis of the concave lens 3 is indicated by h. Further, D represents the outermost peripheral height (maximum effective height) of the effective portion in the first plane of the first fly-eye lens 4.
（光源像の形成）
ここで、図3乃至図６に関連し、光源像の形成について図２を用いて説明する。図２（ａ）で楕円鏡の反射位置で異なる大きさの光源像が形成されること、また図２（ｂ）で平行光束化の機能を備えた凹レンズの焦点距離で異なる大きさの光源像が形成されることを説明する。図２（ａ）で、楕円鏡の第１焦点位置にその中心が設置される光軸方向に延びた発光部（光源）の中心Ｍからの光は、楕円鏡の反射位置Ｐ１、Ｐ２で反射され、楕円鏡の第２焦点位置Ｍ’に向かう。
(Formation of light source image)
Here, the formation of a light source image will be described with reference to FIG. A light source image of a different size is formed at the reflection position of the elliptical mirror in FIG. 2A, and a light source image of a different size at the focal length of the concave lens having the function of collimating light beam in FIG. Will be explained. In FIG. 2A, the light from the center M of the light emitting part (light source) extending in the optical axis direction whose center is installed at the first focal position of the elliptical mirror is reflected by the reflection positions P1 and P2 of the elliptical mirror. To the second focal position M ′ of the elliptical mirror.
また、光軸方向に延びた発光部（光源）の両端部からの光は反射位置Ｐ１、Ｐ２で反射され、楕円鏡の第２焦点位置Ｍ’の光軸方向の光源像領域の両端部に向かう。ここで、Ｐ１とＭ’の長さはＰ２とＭ’の長さより大きい関係となることから、凹レンズ３で光軸と平行な光として射出されるときの光源像の大きさは、反射位置Ｐ１で反射した場合の方が反射位置Ｐ２で反射した場合より大きくなる。これにより光軸に近い側では、光軸に遠い側より光源像が大きくなる。 Further, light from both ends of the light emitting section (light source) extending in the optical axis direction is reflected at the reflection positions P1 and P2, and is applied to both ends of the light source image region in the optical axis direction at the second focal position M ′ of the elliptical mirror. Head. Here, since the lengths of P1 and M ′ are larger than the lengths of P2 and M ′, the size of the light source image when emitted as light parallel to the optical axis by the concave lens 3 is the reflection position P1. The case where the light is reflected by the light beam becomes larger than the case where the light is reflected by the reflection position P2. As a result, the light source image is larger on the side closer to the optical axis than on the side farther from the optical axis.
また図２（ｂ）で、凹レンズの焦点距離が短い場合には、凹レンズの屈折力が大きいことから、光源像の端部Ａ’からの光は光源像の中心Ｍ’からの光（凹レンズ３で光軸に平行となる光）に対して大きな角度θ２で射出する。一方、凹レンズの焦点距離が長い場合には、凹レンズの屈折力が小さいことから、光源像の端部Ａ’からの光は光源像の中心Ｍ’からの光（凹レンズ３で光軸に平行となる光）に対して小さな角度θ１で射出する。これにより、凹レンズ３の焦点距離が長い場合に比べ、凹レンズ３の焦点距離が短い場合には光源像が大きくなる。 In FIG. 2B, when the focal length of the concave lens is short, the refractive power of the concave lens is large, so that the light from the end A ′ of the light source image is light from the center M ′ of the light source image (concave lens 3). And light which is parallel to the optical axis) at a large angle θ2. On the other hand, when the focal length of the concave lens is long, the refractive power of the concave lens is small, so that the light from the end A ′ of the light source image is light from the center M ′ of the light source image (the concave lens 3 is parallel to the optical axis). ) At a small angle θ1. Thereby, compared with the case where the focal distance of the concave lens 3 is long, when the focal distance of the concave lens 3 is short, a light source image becomes large.
（フライアイレンズへの入射光束径とフライアイレンズの有効径の大小関係）
本実施形態では、前述した第１平面において、第１のフライアイレンズ４に入射する平行光束の最大有効高さｈを、第１のフライアイレンズ４の最大有効高さＤよりも大きくしている。以下、その理由を図３乃至図８を用いて説明する。図３は、発光部１からの光の圧縮度が低い場合の図である。楕円鏡２からの収束光を、発光部１に近い側で平行化するために、凹レンズ３の負の屈折力は、発光部１から遠い側で平行化する場合に比べて、弱い。このとき、凹レンズ３の平行射出光束の最大有効高さｈは、第１のフライアイレンズ４の最大有効高さＤよりも大きくなるように凹レンズ３の焦点距離が設定されている。
(Relationship between the light flux incident on the fly-eye lens and the effective diameter of the fly-eye lens)
In the present embodiment, the maximum effective height h of the parallel luminous flux incident on the first fly-eye lens 4 is set to be larger than the maximum effective height D of the first fly-eye lens 4 in the first plane described above. Yes. Hereinafter, the reason will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram when the degree of compression of light from the light emitting unit 1 is low. In order to collimate the convergent light from the elliptical mirror 2 on the side closer to the light emitting unit 1, the negative refractive power of the concave lens 3 is weaker than when collimated on the side far from the light emitting unit 1. At this time, the focal length of the concave lens 3 is set so that the maximum effective height h of the parallel emitted light beam of the concave lens 3 is larger than the maximum effective height D of the first fly-eye lens 4.
図４は、これを説明する図である。右図は、第１のフライアイレンズ４に対して第１平面方向において入射光束がはみ出ている。また、そのときの光源像の簡略図を図４の左に示す。一方、図５はランプからの光の圧縮度が高い場合の図である。楕円鏡２からの収束光を、発光部１より遠い側で平行化し、凹レンズ３の平行射出光束の最大有効高さｈを第１のフライアイレンズ４の最大有効高さＤより小さくしている。 FIG. 4 is a diagram for explaining this. In the right figure, an incident light beam protrudes from the first fly-eye lens 4 in the first plane direction. A simplified diagram of the light source image at that time is shown on the left of FIG. On the other hand, FIG. 5 is a diagram when the degree of compression of light from the lamp is high. The convergent light from the elliptical mirror 2 is collimated on the side farther from the light emitting unit 1 so that the maximum effective height h of the parallel emitted light beam of the concave lens 3 is smaller than the maximum effective height D of the first fly-eye lens 4. .
この場合は、凹レンズ３の負の屈折力は強まる。このときの光源像、及び、第１フライアイレンズ４への入射光線の範囲を図６に示している。右側の図は、第１フライアイレンズ４に対して、入射光がその有効部内に入射していることを示す。また左側の図は、光源像を示しており、凹レンズ３の負の屈折力が強いため、第２フライアイレンズ近傍に出来る光源像がより大きくなっている。 In this case, the negative refractive power of the concave lens 3 increases. FIG. 6 shows the light source image at this time and the range of light rays incident on the first fly-eye lens 4. The figure on the right side shows that incident light is incident on the first fly-eye lens 4 in its effective portion. The left figure shows a light source image. Since the negative refractive power of the concave lens 3 is strong, the light source image formed in the vicinity of the second fly's eye lens is larger.
ここでは一部、光源像が大きいために、第１、２のフライアイレンズで対応するセルの隣のセルに入射してしまう。隣のセルに入射した光は、パネルの有効外を照明するために、照明効率上の損失となる。この圧縮度が高い場合においては、フライアイをはみ出す光がないという点では光量ロスが少ないが、光源像が大きいため、光量低下を生じてしまう。 Here, since the light source image is partly large, the first and second fly-eye lenses enter the cell adjacent to the corresponding cell. The light incident on the adjacent cell illuminates the outside of the panel, resulting in a loss in illumination efficiency. When the degree of compression is high, the light loss is small in that there is no light that protrudes from the fly eye, but the light source image is large, resulting in a decrease in the light amount.
図７は、凹レンズ３の焦点距離と、照明効率の関係を説明する図である。細かい点線はＰＳ変換素子６での効率である。１００％であれば、ＰＳ変換素子での損失がゼロであることを示す。縦軸は右側列（最大値が８５％）を用いる。ＰＳ変換素子６での効率は、光源像が小さくなれば単純に改善するので、凹レンズ３の焦点距離は長い方が良い。また、粗い点線は、第１のフライアイレンズ４への取り込み効率を表している。ここで１００％であれば、フライアイレンズ４の有効内に入射光束が収まっていることを示している。 FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the focal length of the concave lens 3 and the illumination efficiency. A fine dotted line is the efficiency in the PS conversion element 6. 100% indicates that the loss in the PS conversion element is zero. The vertical axis uses the right column (maximum value is 85%). Since the efficiency of the PS conversion element 6 simply improves as the light source image becomes smaller, it is better that the focal length of the concave lens 3 is longer. A rough dotted line represents the efficiency of taking in the first fly-eye lens 4. Here, 100% indicates that the incident luminous flux is within the effective range of the fly-eye lens 4.
実線は、トータルのパネル面の明るさを示しており、本実施形態では凹レンズ３の焦点距離が−１００mm近傍の場合に、トータルの照明効率が最大になることを示している。 The solid line indicates the brightness of the total panel surface. In the present embodiment, the total illumination efficiency is maximized when the focal length of the concave lens 3 is in the vicinity of −100 mm.
また、図８には、凹レンズ３の焦点距離ｆの値と、第１のフライアイレンズ４に入射する平行光束の最大有効高さ（光線高さ）ｈとフライアイレンズ４の有効部最外周の高さ（最大有効高さ）Ｄの比に関する相関性を示している。ここで、凹レンズ３の焦点距離が長すぎて、圧縮率が低すぎると、フライアイレンズの有効外の光が増大することから、以下の条件式（１ａ）あるいは（１ｂ）を満足することがより好ましい。 Further, FIG. 8 shows the value of the focal length f of the concave lens 3, the maximum effective height (ray height) h of the parallel light beam incident on the first fly-eye lens 4, and the outermost periphery of the effective portion of the fly-eye lens 4. The correlation regarding the ratio of height (maximum effective height) D is shown. Here, if the focal length of the concave lens 3 is too long and the compression rate is too low, the light outside the effective range of the fly-eye lens increases. Therefore, the following conditional expression (1a) or (1b) may be satisfied. More preferred.
１．０３＜ｈ／Ｄ＜１．７０ …（１ａ）
１．０３＜ｈ／Ｄ＜１．３０ …（１ｂ）
ｈとＤは、コンデンサーレンズ７（図１（ｂ））の光軸と、液晶パネルの短辺方向とを含む平面（第１平面）において、夫々、フライアイレンズに入射する平行光束の有効光束端までの光軸からの高さ、フライアイレンズの有効領域端までの光軸からの高さを示す。
1.03 <h / D <1.70 (1a)
1.03 <h / D <1.30 (1b)
h and D are effective luminous fluxes of parallel luminous fluxes incident on the fly-eye lens on the plane (first plane) including the optical axis of the condenser lens 7 (FIG. 1B) and the short side direction of the liquid crystal panel, respectively. The height from the optical axis to the end and the height from the optical axis to the end of the effective area of the fly-eye lens are shown.
また、前述した第１平面における照明系のＦナンバーをＦｎｏとするとき、以下の条件を満足することがより好ましい。 Further, when the F number of the illumination system in the first plane is Fno, it is more preferable that the following condition is satisfied.
２＜Ｆｎｏ＜４ …（２）
ここで、Ｆｎｏは、液晶パネル２０ａ（２０ｂ、２０ｃ）に入射する光束の入射角度範囲を示し、液晶パネル２０ａ（２０ｂ、２０ｃ）に入射する第１平面内の最大光線入射角度を±αとすると、Ｆｎｏは以下の式で定義される。
2 <Fno <4 (2)
Here, Fno indicates the incident angle range of the light beam incident on the liquid crystal panel 20a (20b, 20c), and the maximum light incident angle in the first plane incident on the liquid crystal panel 20a (20b, 20c) is ± α. , Fno is defined by the following equation.
Ｆｎｏ＝１／（２ｔａｎα）
照明系Ｆｎｏが条件式（２）の範囲であるときに、条件式（１ａ）あるいは（１ｂ）の範囲を満足すれば、上記で説明した照明効率改善を実現できる。ｈ／Ｄを制限することは、凹レンズ焦点距離を制限することと等価である。条件式（２）のＦｎｏの範囲であれば、凹レンズ３の焦点距離に関連するｈ／Ｄを（１ａ）あるいは（１ｂ）の条件にすることで、照明効率向上が可能となる。
Fno = 1 / (2 tan α)
When the illumination system Fno is in the range of the conditional expression (2), if the range of the conditional expression (1a) or (1b) is satisfied, the illumination efficiency improvement described above can be realized. Limiting h / D is equivalent to limiting the focal length of the concave lens. Within the range of Fno in the conditional expression (2), the illumination efficiency can be improved by setting h / D related to the focal length of the concave lens 3 to the condition (1a) or (1b).
条件式（２）の範囲は、以下の理由から決めている。即ち、Ｆｎｏが２よりも小さいときは、液晶パネルに入射する角度が１４°以上となるため、投射レンズ９のバックフォーカスが大きくなってしまう。また、Ｆｎｏが４よりも大きい場合は、フライアイレンズ４の有効部の大きさを小さくしないという条件では、コンデンサーレンズ９の焦点距離が長くなる。即ち、光学系全長が伸びてしまう。上記理由のため、Ｆｎｏに条件式（２）の条件を与え、その際の最適照明条件として条件式（１ａ）あるいは（１ｂ）を導き出した。 The range of conditional expression (2) is determined for the following reason. That is, when Fno is smaller than 2, the incident angle to the liquid crystal panel is 14 ° or more, and the back focus of the projection lens 9 is increased. When Fno is larger than 4, the focal length of the condenser lens 9 becomes long under the condition that the size of the effective portion of the fly-eye lens 4 is not reduced. That is, the entire length of the optical system is extended. For the above reason, the condition of conditional expression (2) was given to Fno, and conditional expression (1a) or (1b) was derived as the optimum illumination condition at that time.
また、より好適な条件として、以下に説明する条件式（３）の条件についても満足することが好ましい。楕円鏡２の頂点から第１焦点、第２焦点までの距離を夫々Ｆ１，Ｆ２とし、発光部１のアーク長（＝電極間距離）をＬとすると、第２焦点位置を中心とする光源像としての発光部１の光軸方向に延びた像の大きさＬ’は、光軸近傍の反射光で、以下のようになる。 Further, as a more preferable condition, it is preferable that the condition of conditional expression (3) described below is also satisfied. If the distances from the apex of the elliptical mirror 2 to the first focal point and the second focal point are F1 and F2, respectively, and the arc length (= interelectrode distance) of the light emitting unit 1 is L, the light source image centered on the second focal position. The size L ′ of the image extending in the optical axis direction of the light emitting unit 1 is reflected light near the optical axis and is as follows.
Ｌ’＝Ｌ×Ｆ２／Ｆ１
楕円鏡２による光軸方向に延びた光源像の端部（発光部１から遠い側）から出る光を想定すると、焦点距離ｆの凹レンズ３による像点の凹レンズ３からの距離ｂは、以下の式（３ａ）を満足する。
L ′ = L × F2 / F1
Assuming light emitted from the end of the light source image (side far from the light emitting unit 1) extending in the optical axis direction by the elliptical mirror 2, the distance b from the concave lens 3 of the image point by the concave lens 3 of the focal length f is as follows: Formula (3a) is satisfied.
１／（ｆ−Ｌ’／２）−１／ｂ＝１／ｆ …（３ａ）
また、凹レンズ３の光軸近傍の第１のフライアイレンズ４のセル中心と同じ光軸高さの凹レンズ３の位置に向かう光源像の端部（発光部１から遠い側）から出る光の入射角度をθとする。すると、第２のフライアイレンズ５の焦点面における光源像の端部（光軸から遠い側）に向かう第２のフライアイレンズ５の中心からの光線の角度も同じθとなると考えられることから、以下の式（３ｂ）が成立する。
1 / (f−L ′ / 2) −1 / b = 1 / f (3a)
In addition, incidence of light emitted from the end of the light source image (the side far from the light emitting unit 1) toward the position of the concave lens 3 having the same optical axis height as the cell center of the first fly-eye lens 4 near the optical axis of the concave lens 3 Let the angle be θ. Then, it is considered that the angle of the light beam from the center of the second fly-eye lens 5 toward the end of the light source image (the side far from the optical axis) on the focal plane of the second fly-eye lens 5 is also the same θ. The following formula (3b) is established.
なお、前述した第１平面内における第２のフライアイレンズ５のセルサイズをＳとした場合、第２のフライアイレンズ５近傍の細長い光源像の方向は４５度方向となるため、光源像の方向でのセルサイズはＳ×√２となる。また、この光源像の方向における光源像の大きさをＩとする。ここで、フライアイレンズの外形は略正方形としている。勿論、一般的には正方形になるとは限らないため、上記４５度も暫定であって、以下の式も正方形の場合の式である。 If the cell size of the second fly's eye lens 5 in the first plane is S, the direction of the elongated light source image near the second fly's eye lens 5 is 45 degrees, so that the light source image The cell size in the direction is S × √2. Also, let I be the size of the light source image in the direction of the light source image. Here, the outer shape of the fly-eye lens is substantially square. Of course, since it does not necessarily become a square in general, the above 45 degrees is provisional, and the following expression is also an expression in the case of a square.
Ｓ×√２／２／ｂ＝Ｉ／２／ｆａ …（３ｂ）
式（３ａ）、（３ｂ）より、第２のフライアイレンズ５近傍にできる光源像の大きさＩは、以下の式（３ｃ）で表される。
S × √2 / 2 / b = I / 2 / fa (3b)
From the expressions (3a) and (3b), the size I of the light source image that can be formed in the vicinity of the second fly-eye lens 5 is expressed by the following expression (3c).
Ｉ＝Ｌ×（Ｆ２／Ｆ１）×（ｆａ／ｆ２）×（Ｓ×√２）／２ …（３ｃ）
ここで、実際には、楕円鏡２の反射部の光軸からの高さによって、発光部１の見込み角が変化するので、光源像の大きさは（３ｃ）式に補正を行うことが必要であるが、簡単のため補正をかけない（３ｃ）を用いる。この光源像の大きさＩを第２のフライアイレンズ５のセルサイズＳで割った変数Ｉ／Ｓについて，以下の式（４ａ）あるいは（４ｂ）を満足するのが、より望ましい。
I = L × (F2 / F1) × (fa / f 2 ) × (S × √2) / 2 (3c)
Here, actually, since the prospective angle of the light emitting unit 1 varies depending on the height of the reflecting portion of the elliptical mirror 2 from the optical axis, it is necessary to correct the size of the light source image to the equation (3c). However, for the sake of simplicity, (3c) without correction is used. It is more preferable that the following expression (4a) or (4b) is satisfied for a variable I / S obtained by dividing the size I of the light source image by the cell size S of the second fly-eye lens 5.
Ｉ／Ｓ ＜１．７ …（４ａ）
Ｉ／Ｓ ＜１．４ …（４ｂ）
式（４ａ）あるいは（４ｂ）を満足するとき、第１のフライアイレンズ４の焦点面（出射側の第２のフライアイレンズ５の近傍）に形成される光源像の大きさが、出射側の第２フライアイレンズ５のセルに対して小さいために、照明効率が改善される。
I / S <1.7 (4a)
I / S <1.4 (4b)
When Expression (4a) or (4b) is satisfied, the size of the light source image formed on the focal plane of the first fly-eye lens 4 (near the second fly-eye lens 5 on the emission side) is Since the second fly-eye lens 5 is small in size, the illumination efficiency is improved.
《第２の実施形態》
以下、図９を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態と構成の異なるのは、発光部１から第１のフライアイレンズ４に至るまでの間である。１は発光部、２ａは放物面鏡、３は凹レンズ、１０は凸レンズである。発光部１からの光は、放物面鏡２によって反射され、略平行光として凸レンズ１０に入射する。凸レンズ１０に入射した光は、収束光として集光するが、凹レンズ３によって、略平行な光として出射する。放物面鏡２ａと凸レンズ１０と凹レンズ３の組み合わせによって、発光部１からの光を圧縮して、第１のフライアイレンズ４に導く。
<< Second Embodiment >>
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. The difference from the first embodiment is in the period from the light emitting unit 1 to the first fly-eye lens 4. Reference numeral 1 denotes a light emitting unit, 2a denotes a parabolic mirror, 3 denotes a concave lens, and 10 denotes a convex lens. The light from the light emitting unit 1 is reflected by the parabolic mirror 2 and enters the convex lens 10 as substantially parallel light. The light incident on the convex lens 10 is condensed as convergent light, but is emitted as substantially parallel light by the concave lens 3. The combination of the parabolic mirror 2 a, the convex lens 10, and the concave lens 3 compresses the light from the light emitting unit 1 and guides it to the first fly-eye lens 4.
ここでは、第１の光学系として、第１の実施形態の楕円鏡が、放物面鏡と凸レンズの組合せに置き換わっている。即ち、所定アーク長を備える発光部１の像は、光軸方向に延びた範囲の中心が凸レンズの焦点位置となるように、放物面鏡２ａと凸レンズ１０の組合せによって結像される。そして、凸レンズ１０による結像位置と、凹レンズ３の焦点位置を一致させる。 Here, as the first optical system, the elliptical mirror of the first embodiment is replaced with a combination of a parabolic mirror and a convex lens. That is, the image of the light emitting unit 1 having a predetermined arc length is formed by the combination of the parabolic mirror 2a and the convex lens 10 so that the center of the range extending in the optical axis direction is the focal position of the convex lens. Then, the imaging position by the convex lens 10 and the focal position of the concave lens 3 are matched.
この構成においても、条件式（１ａ）あるいは（１ｂ）と、（２）、更には（４ａ）あるいは（４ｂ）を満足することで、光学系小型化と照明効率改善を両立できる。 Even in this configuration, it is possible to satisfy both conditional expression (1a) or (1b), (2), and further (4a) or (4b), so that the optical system can be downsized and the illumination efficiency can be improved.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、以下のような変形例が考えられる。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary. For example, the following modifications can be considered.
（変形例１）
第１の実施形態において、楕円鏡からの収斂光束を凹レンズで平行光束としたが、楕円鏡からの収斂光束を凹レンズで発散させた後に凸レンズで平行光束としても良い。また、第２の実施形態において、放物面鏡からの平行光束を凸レンズで収斂させた後に凹レンズで平行光束としたが、放物面鏡からの平行光束を凹レンズで発散させた後に凸レンズで平行光束としても良い。
(Modification 1)
In the first embodiment, the convergent light beam from the elliptical mirror is converted into a parallel light beam by a concave lens. However, the convergent light beam from the elliptical mirror may be diverged by a concave lens and then converted into a parallel light beam by a convex lens. Further, in the second embodiment, the parallel light beam from the parabolic mirror is converged by the convex lens and then converted into the parallel light beam by the concave lens. It may be a luminous flux.
１・・発光部（光源）、２・・楕円鏡、２ａ・・放物面鏡、３・・凹レンズ、４・・第１のフライアイレンズ、５・・第２のフライアイレンズ、７・・コンデンサーレンズ、９・・投射レンズ、１０・・凸レンズ 1. Light emitting part (light source) 2. Ellipse mirror 2a ... Parabolic mirror 3. Concave lens 4. First fly eye lens 5. Second fly eye lens 7.・ Condenser lens, 9 ・ ・ Projection lens, 10 ・ ・ Convex lens
Claims (7)
前記照明光学系の光軸の方向に所定アーク長を備える光源と、
前記光源からの光束を収斂光束として射出 する第１の光学系と、
前記第１の光学系から出射した収斂光束を前記光軸に対して平行な光束にする第２の光学系と、
前記第２の光学系から出射した平行光束を複数の光束に分割する光束分割素子と、
前記光束分割素子により分割された複数の分割光束を長辺方向と短辺方向を備える被照明領域に重ね合わせる第３の光学系を有し、
前記第２の光学系の焦点距離は、前記第２の 光学系の光軸と前記短辺方向を含む平面内における、前記光束分割素子の有効領域端までの前記第２の光学系の光軸からの高さＤに対し、前記第２の光学系から出射した平行光束の有効光束端までの前記第２の光学系の光軸からの高さｈが、より大きくなる焦点距離である ことを特徴とする照明光学系。 An illumination optical system that illuminates a surface to be illuminated with a light beam from a light source,
A light source having a predetermined arc length in the direction of the optical axis of the illumination optical system;
A first optical system that emits a light beam from the light source as a converged light beam;
A second optical system that converts a convergent light beam emitted from the first optical system into a light beam parallel to the optical axis;
A light beam splitting element that splits a parallel light beam emitted from the second optical system into a plurality of light beams;
A third optical system that superimposes a plurality of split light beams divided by the light beam splitting element on an illuminated area having a long side direction and a short side direction;
The focal length of the second optical system is the optical axis of the second optical system up to the effective region end of the light beam splitting element in a plane including the optical axis of the second optical system and the short side direction. The height h from the optical axis of the second optical system to the effective light beam end of the parallel light beam emitted from the second optical system is a focal length that is larger than the height D from the second optical system. Characteristic illumination optical system.
２＜１／（２ｔａｎα）＜４とすることを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。 When the maximum light incident angle to the illuminated area is α,
The illumination optical system according to claim 4, wherein 2 <1 / (2 tan α) <4.
前記第１の光束分割素子により分割された光束が形成する光源像の大きさをＩ、前記第２の光束分割素子の前記平面内のセルサイズをＳとするとき、
Ｉ／Ｓ＜１．７あるいはＩ／Ｓ＜１．４
の条件を満足することを特徴とする請求項４または５に記載の照明光学系。 The light beam splitting element is a first light beam splitting element, and a second light beam splitting element is provided on the exit side of the first light beam splitting element,
When the size of the light source image formed by the light beam split by the first light beam splitting element is I, and the cell size in the plane of the second light beam splitting element is S,
I / S <1.7 or I / S <1.4
The illumination optical system according to claim 4, wherein the following condition is satisfied.
An image display element provided in the illuminated area, an illumination optical system according to any one of claims 1 to 6 that illuminates the image display element, and a projection optical system that projects an image of the image display element An image projection apparatus comprising:
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