JP3684926B2 - Illumination optical system and projection display device using the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源の射出光を複数の部分光線束に分割した後に、それぞれを同一の照明領域上でほぼ重畳させる照明光学系に関するものである。また、本発明は、この照明光学系を用いて均一で明るい画像を表示可能な投写型表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
投写型表示装置では、「ライトバルブ」と呼ばれる光変調装置に照射された照明光学系からの照明光を、表示させたい画像情報(画像信号)に応じて変調し、この変調光をスクリーン上に投写して画像表示を実現している。
【0003】
このような投写型表示装置によって表示される画像は均一で明るいことが好ましい。しかし、照明光学系の光源から射出される光は、通常、光源の光軸付近の光の強度が最も高く、光軸から離れるに従って低くなる傾向にある。このような光をそのまま照明光とすると、投写型表示装置において不均一な画像が表示されることになる。このような問題を解決するため、従来より、照明領域である光変調装置を均一に照明する光学系としてインテグレータ光学系が利用されている。
【0004】
このインテグレータ光学系としては、光源から射出される光を複数の部分光線束に分割し、分割された複数の部分光線束のそれぞれを、照明領域上で重畳することにより、均一な照明を実現するものが一般的である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
照明光学系の光源に用いられる光源ランプは、点光源であることが理想であるが、点光源を実現することは困難である。このため、上記インテグレータ光学系においては、光源からの光を複数の部分光線束に分割するとともに照明領域上で重畳する際に、光源から射出された光の利用効率が低下する場合がある。
【0006】
しかし、投写型表示装置によって表示される画像は、より明るいことが好ましため、これに用いられる照明光学系としては、光の利用効率がより高いことが望まれている。
【0007】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、照明光学系の光の利用効率の向上を図ることができる技術を提供することを目的とする。また、投写型表示装置において、均一でより明るい投写画像を得ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の照明光学系は、
所定の光学装置の光入射面を照明領域として照明する照明光学系であって、
光源と、
前記光源から射出された光を複数の部分光線束に分割する複数の小レンズを有する第1のレンズアレイと、
前記第1のレンズアレイの複数の小レンズにそれぞれ対応する複数の小レンズを有する第2のレンズアレイと、を備え、
前記第2のレンズアレイは、前記第1のレンズアレイから射出された複数の部分光線束が集光される近傍位置に配置されており、
前記第2のレンズアレイの複数の小レンズは、それぞれ対応する第1のレンズアレイの複数の小レンズによって集光された部分光線束の輪郭形状に応じて、略矩形形状以外の多角形形状に形成されており、
前記第1のレンズアレイは、M列(Mは2以上の整数)の小レンズ列を有しており、前記第2のレンズアレイは、N列(NはMよりも小さな1以上の整数)の小レンズ列を有しており、
前記第1のレンズアレイ内の複数の小レンズ列で形成された複数列の部分光線束を、より少ない列にまとめて前記第2のレンズアレイに入射させることによって、前記第1のレンズアレイのM列の小レンズ列で分割された部分光線束が前記第2のレンズアレイのN列の小レンズ列に入射するように構成されており、
前記第1のレンズアレイ内の前記複数の小レンズ列は2列の小レンズ列であり、
前記2列の小レンズ列は、前記2列の小レンズ列のうち外側の1列の各小レンズの位置が、列の方向に沿って、内側の1列の各小レンズの位置からずれて配列されており、
前記第1のレンズアレイの前記2列の小レンズ列に対応する前記第2のレンズアレイの1列の小レンズ列は、前記第1のレンズアレイの前記外側の1列の小レンズに対応する第1の小レンズと、前記内側の1列の小レンズに対応する第2の小レンズとが交互に配列されていることを特徴とする。
【0009】
第1のレンズアレイの各小レンズから射出された部分光線束は、対応する第2のレンズアレイの各小レンズに入射しないと、有効な照明光として利用できない場合がある。この結果として照明光学系の光の利用効率が低下する場合がある。
【0010】
本発明の照明光学系においては、それぞれ対応する第1のレンズアレイの複数の小レンズによって集光された部分光線束の輪郭形状に応じて、略矩形形状以外の多角形形状に形成されていることにより、第1のレンズアレイの各小レンズから射出された部分光線束が、対応する第2のレンズアレイの小レンズに隣接する他の小レンズに入射することを抑制することができる。これにより、照明光学系の光の利用効率を向上させることができる。なお、「略矩形形状」とは、完全に矩形形状(長方形や正方形)である場合のみならず、設計誤差等で完全に矩形形状となっていない場合や、多少の角の面取り加工が加えられた形状を含む。すなわち、レンズの設計思想として矩形形状であることを意味する。
また、第1のレンズアレイのM列の小レンズ列で分割された部分光線束が第2のレンズアレイのN列の小レンズ列に入射するようにすることができるので、第2のレンズアレイから射出される部分光線束の列の間隔を広げることができる。これにより、第2のレンズアレイと第2のレンズアレイから射出された光を照明領域上へ重畳させる重畳光学系との間に複数の部分光線束の各列に対応する光学要素を備えた場合に、この各列に対応する光学要素の列方向の幅を大きくすることができるので、この各列に対応する光学要素への光の入射効率を向上させることができる。この結果、照明光学系の光の利用効率の向上を図ることができる。
さらに、第1のレンズアレイの2列の小レンズ列に対応する第2のレンズアレイの1列の小レンズ列は、第1のレンズアレイの外側の1列の小レンズに対応する第1の小レンズと、内側の1列の小レンズに対応する第2の小レンズとが交互に配列されているので、第1のレンズアレイの2列の小レンズ列から射出された複数の部分光線束を、容易に、1列に並ぶ複数の部分光線束として第2のレンズアレイに入射させることができる。
【0011】
ここで、前記第2のレンズアレイの中心を通り、互いに垂直な2つの基準軸を定義したときに、前記第2のレンズアレイの複数の小レンズを区分する区分線のうち少なくとも一部は、前記2つの基準軸から離れるに従って、前記2つの基準軸に対する傾きが大きくなるように形成されていることが好ましい。
【0012】
また、前記第2のレンズアレイの複数の小レンズの少なくとも一部は、前記2つの基準線のうち、一方の基準線に平行な2つの区分線と、他方の基準線に対して傾いた2つの区分線とで区分された台形形状を有しているようにしてもよい。
【0013】
上記のようにすれば、入射する部分光線束の輪郭形状の傾きに応じて第2のレンズアレイの小レンズを形成することができる。
【0018】
上記照明光学系において、
入射光線束を前記入射光線束の幅よりも小さな幅を有する射出光線束に変換するアフォーカル光学系を備えることが好ましい。
【0019】
アフォーカル光学系を備えれば、照明光学系から射出される光線束の幅が、アフォーカル光学系を備えない場合に比べて縮小することができるので、照明領域を照射する光線束の入射角を小さくすることができる。一般に、光学要素に入射する光線束の入射角が小さい方が、その光学要素における光の利用効率がよい。従って、上記構成の照明光学系によれば、光の利用効率を向上させることができる。
【0020】
ここで、前記第1のレンズアレイの近傍に、前記アフォーカル光学系を実現するための集光機能を有する集光レンズを備えており、
前記第2のレンズアレイの複数の小レンズは、前記アフォーカル光学系を実現するための光を平行化する機能を有していることが好ましい。
【0021】
上記構成によれば、アフォーカル光学系を容易に実現できる。
【0022】
本発明の投写型表示装置は、
上記各照明光学系のいずれか1つと、
前記照明領域としての光入射面を有し、前記照明光学系からの入射光を画像信号に応じて変調する光変調装置と、
前記光変調装置で得られる変調光を投写する投写光学系と、
を備えることを特徴とする。
【0023】
上述したように、本発明の照明光学系は、従来に比べて光の利用効率を向上させることができる。従って、本発明の照明光学系が組み込まれた投写型表示装置では、投写画像の明るさを向上させることができる。
【0024】
なお、本発明の照明光学系は、第1、第2のレンズアレイを備えたインテグレータ光学系を有しているので、光源から射出された光が光線束の断面内でその光強度分布に大きな偏りを有していた場合でも、明るさが均一で明るさや色むらの無い照明光を得ることが可能となるため、投写面全体に渡って明るさが均一で明るさや色むらの無い投写画像を得ることができる。
【0025】
上記投写型表示装置は、さらに、前記照明光学系からの射出光を少なくとも2色の色光に分離する色光分離光学系と、
前記色光分離光学系により分離された各色光をそれぞれ変調する複数の前記光変調装置と、
それぞれの前記光変調装置で変調された後の各色の変調光を合成する色光合成光学系と、を備え、
前記色光合成手段によって得られた合成光が前記投写光学系を介して投写されるようにすることもできる。
【0026】
このようにすれば、従来より明るく均一でむらの無いカラー画像を投写表示することができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の各実施例を説明する。尚、以下の各実施例においては、特に断りのない限り、光の進行方向をz軸方向(光軸と平行な方向)とし、z軸方向から見て12時の方向をy軸方向(縦方向)とし、3時の方向をx軸方向(横方向)とする。
【0028】
A.第1実施例の全体構成:
図1は、第1実施例としての照明光学系100の要部を平面的に見た概略構成図である。この照明光学系100は、光源20と、分割光学系30と、偏光変換光学系60と、重畳光学系(重畳レンズ)70と、を備えている。これらの各光学要素20,30,60,70は、それぞれの中心軸が照明光学系100のシステム光軸100axに一致するように配置されている。分割光学系30および重畳光学系70は、照明領域LAの有効照明領域ELAをほぼ均一に照明するためのインテグレータ光学系を構成している。
【0029】
光源20は、放射状の光線を射出する放射光源としての光源ランプ22と、光源ランプ22から射出された放射光をほぼ平行な光線束として射出する凹面鏡24とを有している。光源ランプ22としては、通常、メタルハライドランプや高圧水銀灯などの高圧放電灯が用いられる。凹面鏡24としては、放物面鏡を用いることが好ましい。なお、放物面鏡に代えて、楕円面鏡や球面鏡なども用いることができる。
【0030】
分割光学系30は、第1のレンズアレイ40と、第2のレンズアレイ50とを備えている。第1のレンズアレイ40は、光源20から射出された略平行な光を、複数の部分光線束に分割するとともに、それぞれの部分光線束を集光して第2のレンズアレイ50および偏光変換光学系60の近傍に集光像を形成する機能を有している。
【0031】
図2は、第1のレンズアレイ40を示す説明図である。図2(A)は、第2のレンズアレイ50の光の入射面側(光源20側)から見た正面図である。図3(B)は平面図であり、図2(C)は側面図である。第1のレンズアレイ40は、略矩形形状の輪郭を有する平凸状の第1の小レンズ42が複数行(M行)複数列(N列)に敷き詰め配列された構成を有している。なお、図2は、M=8,N=6の例を示している。第1の小レンズ42は、外形形状が略矩形形状を有しているが、レンズの光軸はレンズの中心にある。以下では、このようにレンズの中心と光軸が一致しているレンズを「同心レンズ」と呼ぶ。
【0032】
各第1の小レンズ42をz軸方向に向かって見た外形形状は、通常、有効照明領域ELAの形状とほぼ相似形をなすように設定されている。例えば、照明領域として液晶パネルを想定し、有効照明領域である画像の形成領域のアスペクト比(横と縦の寸法の比率)が4:3であるならば、第1の小レンズ42のアスペクト比も4:3に設定することが好ましい。
【0033】
図3は、第2のレンズアレイ50を示す説明図である。図3(A)は、第2のレンズアレイ50の斜視図である。図3(B)は光の入射面側(第1のレンズアレイ40側)から見た正面図である。図3(C)および(D)は平面図および底面図であり、図3(E)および(D)は、左側面図および右側面図である。第2のレンズアレイ50の縦方向の高さH50および横方向の長さL50は、第1のレンズアレイ40の縦方向の高さH40(図2)および横方向の長さL40にほぼ等しい。なお、レンズアレイの大きさは、複数行複数列に敷き詰め配列された複数の小レンズ全体の大きさをいい、それ以外の周辺の平坦部分を含まない。また、第1のレンズアレイ40の第1の小レンズ42と同じ数の第2の小レンズ52が、ほぼマトリクス状に配列された構成を有している。但し、第2の小レンズ52は、その配置位置に応じてそれぞれ異なった台形形状をそれぞれ有している。なお、この形状については、後述する。
【0034】
図4は、第2のレンズアレイ50および第1のレンズアレイ40をz軸方向から示す正面図である。なお、図4に示す破線は、第1のレンズアレイ40を示している。また、+印は、第1のレンズアレイの各第1の小レンズ42の光軸を示している。第2のレンズアレイ50の各第2の小レンズ52の光軸は、対応する第1のレンズアレイ40の第1の小レンズ42の光軸と一致するように構成されている。
【0035】
なお、第1のレンズアレイ40のレンズの向きは、図1に示す向きに限定される必要はなく、射出面側に凸面を有するように配置してもよい。第2のレンズアレイ50も図1に示す向きに限定される必要はなく、射出面側に凸面を有するように配置してもよい。また、重畳光学系70も、図1に示す向きに限定される必要はなく、入射面側に凸面を有するように配置してもよい。
【0036】
図1の偏光変換光学系60は、システム光軸100axを中心として第2のレンズアレイ50の−x軸方向側から射出される各部分光線束が入射する第1の偏光変換素子アレイ60aと、+x軸方向側から射出される各部分光線束が入射する第2の偏光変換素子アレイ60bと、を備えている。
【0037】
図5は、第1の偏光変換素子アレイ60aの構成を示す斜視図である。第1の偏光変換素子アレイ60aは、遮光板62と、偏光ビームスプリッタアレイ64と、偏光ビームスプリッタアレイ64の光射出面の一部に選択的に配置されたλ/2位相差板68とを備えている。偏光ビームスプリッタアレイ64は、それぞれ断面が平行四辺形の柱状の複数の第1の透光性部材64aが順次貼り合わされ、その両端に断面が台形の柱状の第2と第3の透光性部材64b,64cが貼り合わされた形状を有している。なお、第2と第3の透光性部材64b、64cは、第1の透光性部材64aと同じ断面が平行四辺形の柱状体であってもよい。また、断面が略直角三角形の柱状体であってもよい。
【0038】
各透光性部材64a,64b、64cの界面には、偏光分離膜66aと反射膜66bとが交互に形成されている。なお、この偏光ビームスプリッタアレイ64は、偏光分離膜66aと反射膜66bとが交互に配置されるように、これらの膜が形成された複数枚の板ガラスを貼り合わせて、所定の角度で斜めに切断することによって作製される。偏光分離膜66aは誘電体多層膜で、また、反射膜66bは誘電体多層膜あるいはアルミニウム膜で形成することができる。
【0039】
λ/2位相差板68は、偏光分離膜66aあるいは反射膜66bの光の射出面のx方向の写像部分に、選択的に配置されている。この例では、偏光分離膜66aの光の射出面のx方向の写像部分にλ/2位相差板68が選択配置されている。
【0040】
遮光板62は、複数の遮光面62aと複数の開口面62bとがストライプ状に配列して構成されたものである。この例では、反射膜66bの光の入射面のx方向の写像部分に遮光面62aが配列され、偏光分離膜66aの光の入射面のx方向の写像部分に開口面62bが配列されている。これにより、第1の偏光変換素子アレイ60aに入射する光のうち開口面62bを通過した光が、偏光分離膜66aにのみ入射する。遮光板62としては、平板状の透明体(例えばガラス板)に遮光性の膜(例えばクロム膜、アルミニウム膜、及び、誘電体多層膜)を部分的に形成したものや、あるいは、例えばアルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたもの等を使用できる。
【0041】
図6は、第1の偏光変換素子アレイ60aの機能を示す説明図である。遮光板62の開口面62bを通過した非偏光な光線束(s偏光光+p偏光光)は、偏光ビームスプリッタアレイ64の偏光分離膜66aに入射し、2種類の直線偏光光(s偏光光とp偏光光と)に分離される。p偏光光のほとんどは、偏光分離膜66aをそのまま透過する。一方、s偏光光のほとんどは、偏光分離膜66aで反射され、さらに反射膜66bで反射されて、偏光分離膜66aをそのまま通過したp偏光光とほぼ平行な状態で射出される。偏光分離膜66aを透過したp偏光光は、λ/2位相差板68によってs偏光光に変換されて射出する。この結果、第1の偏光変換素子アレイ60aに入射した非偏光な光のほとんどはs偏光光に変換されて射出する。もちろん反射膜66bで反射される光の射出面部分だけにλ/2位相差層68を形成することにより、ほとんどの光束をp偏光光に変換して射出することもできる。
【0042】
ここで、非偏光な光が偏光分離膜66aではなく、反射膜66bに直接入射するとすると、第1の偏光変換素子アレイ60aからは、s偏光光ではなくp偏光光の光が射出されることになる。上述したように、本実施例では、遮光板62によって反射膜66bに光が入射するのを防止している。従って、反射膜66bに非偏光な光が入射して、第1の偏光変換素子アレイ60aから望ましくない直線偏光光が射出されるのを防止することができる。
【0043】
なお、隣り合う1つの偏光分離膜66aおよび1つの反射膜66bと、1つのλ/2位相差板68とを含む1つのブロックを、1列の偏光変換素子とみなすことができる。偏光変換素子アレイ60aは、このような偏光変換素子が、x方向に複数列配列されたものである。この実施例では、3列の偏光変換素子で構成されている。
【0044】
第2の偏光変換素子アレイ60bは、システム光軸100axを対称軸として偏光変換素子アレイ60aと対称な構造を有しており、同様の機能を有しているので、説明を省略する。
【0045】
なお、上記偏光変換光学系60としては、2つの偏光変換素子アレイ60a,60bではなく、1つの偏光変換素子アレイを備えるようにすることも可能である。
【0046】
図1の光源20から射出された光は、第1のレンズアレイ40の複数の第1の小レンズ42によって複数の部分光線束に分割される。分割された複数の部分光線束は、第2のレンズアレイ50の対応する第2の小レンズ52に入射されるように集光されて、第2のレンズアレイ50および偏光変換光学系60の近傍でそれぞれそれぞれ集光像を形成する。なお、図1は、説明を容易にするため、各部分光線束の中心軸を実線で示している。第2のレンズアレイ50は、各第2の小レンズ52に入射した光が照明領域LAに有効に照射されるように集光する機能を有している。各第2の小レンズ52から射出された部分光線束は、偏光変換光学系60の偏光分離膜66aに入射する。偏光変換光学系60に入射した複数の部分光線束は、上述したように、ほとんど1種類の直線偏光光にそれぞれ変換される。偏光変換光学系60から射出された複数の部分光線束は、重畳光学系70に入射し、重畳光学系70の重畳作用によって、照明領域LAの有効照明領域ELA上でほぼ重畳される。この結果、有効照明領域ELAは、ほとんど1種類の直線偏光光でほぼ均一に照明されることになる。
【0047】
なお、第2のレンズアレイ50と、偏光変換光学系60と、重畳光学系70とは、離間して配置されている。しかしながら、通常は、それぞれの界面における光の損失を低減するために、それぞれを接着剤で貼り合わせるなどして、密接して配置されることが好ましい。また、重畳光学系70は、省略することも可能である。
【0048】
また、第1のレンズアレイ40と第2のレンズアレイ50との間の距離に比べて、第2のレンズアレイ50と偏光変換光学系60の偏光分離膜66aとの間の距離は非常に小さいので、偏光変換光学系60に入射する各部分光線束の大きさは、各集光像の大きさに等しいとみることができる。
【0049】
照明光学系100は、第2のレンズアレイ50の各第2の小レンズ52の形状に特徴を有している。
【0050】
B.第2のレンズアレイ近傍の集光像とレンズ形状:
図7は、第1のレンズアレイ40によって第2のレンズアレイ50の近傍位置に形成された集光像について示す説明図である。図の集光像は、等高線によって示された光強度によって表されている。図7は、第2のレンズアレイ50の右上部にある1/4の部分の集光像のみを示している。なお、通常光源20から射出される光の特性は、光軸を中心として対称となるため、左半分の集光像は右半分の集光像に対して左右対称となり、下半分の集光像は上半分の集光像に対して上下対称となる。
【0051】
光源20を構成する光源ランプ22は、点光源ではないため、各部分光線束の集光像も、光源ランプの形状に応じた形状を有している。この例では、システム光軸100axと集光像の形成される位置とを結ぶ方向(以下、「放射方向」と呼ぶ)に沿って細長い形状(略長円形状や略楕円形状)を有している。また、光源20から射出される光は、システム光軸100axから離れるほど平行性に優れる傾向にあるため、周辺の集光像ほど全体の大きさが小さくなる傾向にある。このような場合、第2のレンズアレイを、第1のレンズアレイ40の第1の小レンズ42と同じ小レンズで構成するとすると、図7に示すように、各部分光線束による集光像が対応する小レンズからはみ出してしまう部分が多く発生する場合がある(図中、斜線で示す)。第1のレンズアレイ40および第2のレンズアレイ50は、それぞれ対応する小レンズを通過した光線束が、重畳光学系70を介して有効照明領域ELAに照射されるように設定されている。従って、対応する小レンズ以外のレンズに入射した光線束は、有効照明領域ELAに有効に照射されない場合がある。上記のように、はみ出している部分が多いと、それだけ照明光学系としての光の利用効率が低下することになる。
【0052】
図8は、第2のレンズアレイ50と、第1のレンズアレイ40によって第2のレンズアレイ50の近傍位置に形成された集光像との関係について示す説明図である。各集光像の長軸のx軸に対する傾きは、放射方向とx軸との成す角、すなわち、システム光軸100axと各集光像の中心とを結ぶ方向とx軸との成す角に応じて変化する。例えば、図8の下から1行目の集光像は、長軸がx軸方向に沿うように形成されており、図8の左から1列目の集光像は、長軸がy軸方向に沿うように形成されている。2、3列目で2、3行目の集光像は、長軸がその位置に応じて傾いて形成されている。そこで、第2のレンズアレイ50は、各部分光線束によって形成される集光像の長軸の傾き応じて、各集光像を効率良く区分するように、それぞれの位置に応じた台形形状の第2の小レンズ52によって構成されている。具体的に、第2のレンズアレイ50の各第2の小レンズ52は以下のように区分されている。
【0053】
第2のレンズアレイ50の各列を区分する区分線は、y軸方向に平行な直線で区分されている。なお、各列を区分する区分線は、必ずしも直線でなくてもよく、また、y軸に平行でなくてもよい。但し、以下の理由からy軸方向に平行な直線であることが好ましい。
【0054】
図8の下部には、偏光変換光学系60が参考的に示されている。偏光変換光学系60の遮光面62aおよび開口面62bは、第2のレンズアレイ50の各列毎に配置されている。また、各列の開口面62bは、第2のレンズアレイ50から射出された部分光線束がそれぞれ入射するように配列されており、遮光面62aは各列の開口面62bの間に配列されている。従って、各列を区分するy軸に沿った区分線のx軸方向の位置は、遮光面62aのx軸方向の幅の中にあることが好ましい。そこで、第2のレンズアレイ50の各列は、y軸方向に平行な直線で区分されている。このようにすれば、各列の区分が容易である。
【0055】
第2のレンズアレイ50の各行は、集光像の長軸の傾きに応じて異なった傾き(x軸に対する傾き)で区分されている。例えば、システム光軸100axから離れた行ほど集光像の長軸の傾きが大きくなるので、これに応じて各行間の区分線の傾きは大きくなる。但し、システム光軸100axから1列目の各集光像は、その長軸がほとんどy軸に沿うように立っているので、各行間の区分線は、各集光像の長軸の傾きに応じて若干傾きを有しているが、ほぼx軸に沿って区分されている。
【0056】
また、第2のレンズアレイ50は以下のように区分されていると見ることもできる。すなわち、システム光軸100axを通り、x軸に平行な基準線(基準軸)を50xとし、y軸に平行な基準線(基準軸)を50yとすると、基準線50xに沿った1行目および基準線50yに沿った1列目の第2の小レンズ52を区分する区分線以外の第2の小レンズの区分線は、少なくとも2つの基準線50x,50yから離れるに従って、2つの基準線50x,50yに対する傾きが大きくなるように形成されている。
【0057】
上記のように構成された第2のレンズアレイ50を用いた場合、各集光像が、対応する第2の小レンズ52からはみ出すことを抑制することができるので、第2のレンズアレイとして第1のレンズアレイと同じ形状のレンズアレイを用いた場合に比べて、照明光学系の効率を向上させることができる。
【0058】
なお、本実施例では、第2のレンズアレイ50を構成する第2の小レンズ52が台形形状である場合を示しているが、これに限定されるものではない。例えば、三角形や五角形、あるいは菱形であってもよい。また、本実施例では、光源から射出される光の特性が、システム光軸100axを中心として対称であるとして説明しているが、対称でない場合にも適用可能である。要するに、第2のレンズアレイを、各集光像を効率良く区分するように、対応する集光像の大きさや傾き等の輪郭形状に応じて、矩形形状以外の多角形形状を有する小レンズで構成するようにすればよい。このことは、以下の実施例においても同様である。
【0059】
また、本実施例では、偏光変換光学系60を備える構成を例に説明してるが、これを省略することも可能であり、以下の各実施例においても同様である。
【0060】
C.第2実施例:
図9は、第2実施例としての照明光学系100Aの要部を平面的に見た概略構成図である。この照明光学系100Aは、第1実施例の分割光学系30と偏光変換光学系60とを変更したものであり、他の構成は第1実施例と同じである。
【0061】
第2実施例の分割光学系30Aは、第1のレンズアレイ40Aと、第2のレンズアレイ50Aとを備えている。
【0062】
図10は、第1のレンズアレイ40Aを示す説明図である。図10(A)は、第1のレンズアレイ40Aの斜視図である。図10(B)は光の入射面側(光源20側)から見た正面図である。図10(C)および(D)は平面図および底面図であり、図10(E)および(D)は、左側面図および右側面図である。第1のレンズアレイ40Aも、第1実施例の第1のレンズアレイ40(図2)と同様に、略矩形形状の輪郭を有する平凸状の第1の小レンズ42Aが複数行複数列に敷き詰め配列された構成を有している。但し、各列の行数(各列に含まれる小レンズの数)は必ずしも同じである必要はない。
【0063】
ここで、中心軸40Aaxを通りy軸方向に沿った線を基準線40Ayとし、中心軸40Aaxを通りx軸方向に沿った線を基準線40Axとする。複数の第1の小レンズ42Aは、基準線40Ayを中心として左右両方向(±x軸方向)に3列ずつ配列されている。右側第1と第2列目の各列には、基準線40Axを中心として上下方向に8個の第1の小レンズ42Aが配列されており、右側第3列目の列には7個の第1の小レンズ42が敷き詰め配列されている。また、右側第3列目の列の各行の第1の小レンズ42は、右側第2列目の列の各行の第1の小レンズ42のちょうど行間に配列されている。なお、左側の各列は、右側の各列と同様である。なお、以下では、左側または右側を省略して各列を示す場合もある。この場合には、左側または右側の列を示している。
【0064】
図10(B)に示す・,×,+印は、各第1の小レンズ42Aの光軸の位置を示している。各第1の小レンズ42Aの光軸の位置は、配列されている位置に応じて異なった位置に設定されている。・印は第1列目の第1の小レンズ42Aの光軸の位置を示している。+印は、2列目の第1の小レンズ42Aの光軸の位置を示し、×印は、3列目の第1の小レンズ42Aの光軸の位置を示している。
【0065】
図11は、第2のレンズアレイ50Aを示す説明図である。図11(A)は、第2のレンズアレイ50Aの斜視図である。図11(B)は光の入射面側(第1のレンズアレイ40A側)から見た正面図である。図11(C)および(D)は平面図および底面図であり、図11(E)および(D)は、左側面図および右側面図である。
【0066】
第2のレンズアレイ50Aは、第1実施例の第2のレンズアレイ50と同様に、配置位置に応じて異なった形状を有する第2の小レンズ52Aが複数行複数列に敷き詰め配列された構成を有している。第2のレンズアレイ50Aは、第1のレンズアレイ40Aの各第1の小レンズ42Aに対応するように、第1の小レンズ42Aと同じ数の第2の小レンズ52Aを有している。但し、第1のレンズアレイ40Aの第2列目と第3列目の小レンズに対応する第2のレンズアレイ50Aの小レンズは、第2列目のみに、すなわち1列に並べられている。レンズアレイ50Aの縦方向の高さH50Aおよび横方向の長さL50Aは、レンズアレイ40Aの縦方向の高さH40A(図10(B))および横方向の長さL40Aにほぼ等しい。なお、中心軸50Aaxを通りy軸方向に沿った線を基準線50Ayとし、中心軸50Aaxを通りx軸方向に沿った線を基準線50Axとする。
【0067】
図11(B)に示す・,×,+印は、各第2の小レンズ52Aの光軸の位置を示している。各第2の小レンズ52Aの光軸の位置は、配列されている位置に応じて異なった位置に設定されている。・印は第1列目の第2の小レンズ52Aの光軸の位置を示している。+印は、2列目の上から奇数行の第2の小レンズ52Aの光軸の位置を示し、×印は、偶数行の第2の小レンズ52Aの第2の小レンズ52Aの光軸の位置を示している。
【0068】
偏光変換光学系60Aは、第2のレンズアレイ50Aの列数に応じた列数の偏光変換素子を有する偏光変換素子アレイを、システム光軸100Aaxに対して対称に備えている。本実施例では、偏光変換素子アレイ60a(図5)よりも1列少ない偏光変換素子アレイが用いられている。
【0069】
以下では、第2のレンズアレイ50Aの説明を容易にするために、まず、図12に示す仮想的な第2のレンズアレイ50Bを用いた場合を例に説明する。図12(A)は、第2のレンズアレイ50Bの光を入射面側(第1のレンズアレイ40A側)から見た正面図を示している。図12(B)は底面図を示している。
【0070】
第2のレンズアレイ50Bは、略矩形形状の輪郭を有する平凸状の第2の小レンズ52Bが複数行複数列に敷き詰め配列された構成を有している。第2のレンズアレイ50Bは、第1のレンズアレイ40Aの各第1の小レンズ42Aに対応するように、第1の小レンズ42Aと同じ数の第2の小レンズ52Bを有している。但し、以下に説明するように、第1のレンズアレイ40Aの第2列目と第3列目の小レンズに対応する第2のレンズアレイ50Bの小レンズは、第2列目のみに、すなわち1列に並べられている。第2のレンズアレイ50Bの縦方向の高さH50Bおよび横方向の長さL50Bは、レンズアレイ40Aの縦方向の高さH40A(図10(B))および横方向の長さL40Aにほぼ等しい。なお、中心軸50Baxを通りy軸方向に沿った線を基準線50Byとし、中心軸50Baxを通りx軸方向に沿った線を基準線50Bxとする。
【0071】
複数の第2の小レンズ52Bは、基準線50Byを中心として左右両方向(±x軸方向)に2列ずつ配列されている。右側第1列には、第1のレンズアレイ40Aの右側第1列に配列されている第1の小レンズ42A(図10(B))と同じ数の第2の小レンズ52Bが配列されている。すなわち、基準線50Bxを中心として上下両方向にそれぞれ4行の第2の小レンズ52Bが配列されている。右側第2列目の列には、第1のレンズアレイ40Aの右側第2、第3列目に配列された第1の小レンズ42Aの数の和と同じ数、すなわち15個の第2の小レンズ52Bが配列されている。右側第2列目の列の奇数行の第2の小レンズ52Bは、第1のレンズアレイ40Aの右側第2列目の第1の小レンズ42Aに対応しいる。また、偶数行の第2の小レンズ52Bは、第1のレンズアレイ40Aの右側第3列目の第1の小レンズ42Aに対応している。
【0072】
右側各列のy軸方向の全体の長さは同じに設定されている。但し、各第2の小レンズ52のz軸方向から見たy方向の長さは、その位置に応じて異なった大きさを有している。なお、第2のレンズアレイ50Bの左側の各第2の小レンズ52Aも右側と同様である。
【0073】
図12(A)に示す・,×,+印は、各第2の小レンズ52Bの光軸の位置を示している。・印は第1列目の第2の小レンズ52Bの光軸の位置を示している。+印は、2列目の上から奇数行の第2の小レンズ52Bの光軸の位置を示し、×印は、偶数行の第2の小レンズ52Aの第2の小レンズ52Bの光軸の位置を示している。各第2の小レンズ52Bの光軸の位置も、第1のレンズアレイ40Aの各第1の小レンズ42Aと同様に、配列されている位置に応じて異なった位置に設定されている。これは、以下の理由による。
【0074】
図13は、第1のレンズアレイ40Aと第2のレンズアレイ50Bとの配置関係を示す平面図である。システム光軸100Aaxよりも−x方向側と+x方向側とは、対称な構成であるので、ここでは、−x方向側において説明する。
【0075】
第2のレンズアレイ50Bは、第1のレンズアレイ40Aとほぼ同じ大きさを有しているが、図10および図12に示したように第1のレンズアレイ40Aの列数に比べて1列少ない。従って、第2のレンズアレイ50Bの第2の小レンズ52B(52Ba〜52Bc)は、第1のレンズアレイ40Aの第1の小レンズ42A(42Aa〜42Ac)に比べて、個々の小レンズのx軸方向の幅が大きい。このため、第1のレンズアレイ40Aの第1〜第3列目の第1の小レンズ42Aa〜42Acは、対応する第2のレンズアレイ50Bの第2の小レンズ52Ba〜52Bcに各部分光線束をそれぞれ入射させるように、それぞれ異なった位置に光軸を有するレンズで構成されている。また、第1のレンズアレイ40Aの第1の小レンズ42Aa〜42Acに対応する第2のレンズアレイ50Bの第2の小レンズ52Ba〜52Bcも、それぞれ異なった位置に光軸を有するレンズで構成されている。また、第1のレンズアレイ40Aの第2列目に対応する第2の小レンズ52Bbと第3列目に対応する第2の小レンズ52Bcは、上述したように、第2のレンズアレイ50の第3列目を構成するように1列に配列されている。より具体的には第2の小レンズ52Bcと第2の小レンズ52Bbとが交互に配列されている。
【0076】
第1のレンズアレイ40Aの各第1の小レンズ42Aa〜42Acから射出された各部分光線束は、各レンズの位置に応じて偏向され、第2のレンズアレイ50Aの対応する各第2の小レンズ52Ba〜52Bcに入射する。各第2の小レンズ52Ba〜52Bc入射した各部分光線束は、それぞれの中心軸がシステム光軸100Aaxにほぼ平行となるように偏向される。
【0077】
図14は、第1のレンズアレイ40Aによって第2のレンズアレイ50Bの近傍位置に形成された集光像について示す説明図である。図14は、図7と同様に、右上半分の集光像のみを示している。
【0078】
第2のレンズアレイ50Bの近傍に形成される光の集光像は、図14に示すように、2列に並ぶので、同じ幅の中に3列の集光像が形成される場合に比べて、列の間隔を広げることができる。このことは以下の利点を有している。
【0079】
偏光変換光学系は、図5及び図6を用いて説明したように、隣り合う偏光分離膜66aと反射膜66bとを含む偏光変換素子を第2のレンズアレイの列数に応じた数だけ配列された構成を有しており、偏光変換素子に含まれる偏光分離膜66aに入射した光をほぼ1種類の直線偏光光に変換するものである。従って、偏光分離膜66aへの光の入射効率が高いほど光の利用効率が良い。
【0080】
第1のレンズアレイ40Aと第2のレンズアレイ50Bにより分割光学系30Bを構成した場合には、集光像の列の間隔(部分光線束の列間隔)を広げることができるので、偏光変換素子の列方向の幅を大きくすることができる。これにより、偏光変換素子に含まれる偏光分離膜66aの幅を大きくすることができるので、第2のレンズアレイ50Bから射出された光の偏光変換光学系60Aへの入射効率を向上させることができる。この結果、照明光学系の光の利用効率を向上させることができる。
【0081】
また、集光像の列の間隔を、列数を少なくしない場合の集光像の間隔と同じとすれば、第2のレンズアレイおよび偏光変換光学系を小さくすることができる。この場合には、後段に配置される光学要素に入射する光線束の入射角を小さくすることができる。光学要素に入射する光線束の入射角が小さい方が、その光学要素における光の利用効率が良いので、結果として照明光学系の光の利用効率を向上させることができる。
【0082】
第2実施例の第2のレンズアレイ50Aは、上記第2のレンズアレイ50Bに第1実施例の第2のレンズアレイ50の機能を追加したものである。すなわち、第2のレンズアレイ50Bの近傍に形成される集光像は、図14に示すように、その位置に応じて対応する小レンズからはみ出してしまう部分が発生する場合がある。そこで、第2のレンズアレイ50Aは、図15に示すように、各部分光線束によって形成される集光像を集光像の形状に応じて区分するように形成された多角形形状の第2の小レンズ52Aで構成することとした。これにより、各部分光線束の集光像が対応する第2のレンズアレイ50Aの第2の小レンズ52Aからはみ出すことを抑制することができるので、仮想的な第2のレンズアレイ50Bを用いた場合に比べて、照明光学系の光の利用効率を向上させることができる。
【0083】
本実施例の照明光学系100Aにおいては、第1のレンズアレイ40Aで分割された複数の部分光線束のうち、左端の2列および右端の2列によって形成される集光像をそれぞれ1列に配列するようにしている。しかし、これに限定されるものではない。例えば、3列以上の複数の列の部分光線束によって形成される集光像を1列に配列するようにしてもよい。また、左右両端の2列をそれぞれ1列にまとめる必要はなく、いずれか、一方のみを1列にまとめてもよい。また、最端の2列である必要もない。さらに、3列を2列にまとめるようにしてもよい。すなわち、一般には、第1のレンズアレイ内の複数の小レンズ列で形成された複数列の部分光線束を、より少ない列にまとめて第2のレンズアレイに入射させるようにすればよい。なお、以上の変形は、以下の第3実施例においても同様に適用可能である。
【0084】
D.第3実施例:
図16は、第3実施例としての照明光学系100Cの要部を平面的に見た概略構成図である。この照明光学系100Cは、第2実施例の分割光学系30Aと偏光変換光学系60Aとを変更したものであり、他の構成は第2実施例と同じである。
【0085】
第3実施例の分割光学系30Cは、第1のレンズアレイ40Cと、第2のレンズアレイ50Cとを備えている。
【0086】
図17は、第1のレンズアレイ40Cを示す説明図である。図17(A)は、第1のレンズアレイ40Cの斜視図である。図17(B)は光の入射面側(光源20側)から見た正面図である。図17(C)および(D)は平面図および底面図であり、図17(E)および(D)は、左側面図および右側面図である。第1のレンズアレイ40Cは、第2実施例の第1のレンズアレイ40A(図10)の第1の小レンズ42Aが形成された面とは反対側に、第1のレンズアレイ40Aよりも大きな集光レンズ44を備えた構成を有している。集光レンズ44は平凸レンズである。
【0087】
第2のレンズアレイ50Cは、集光レンズ44によって集光される光線束の大きさに応じて、第2実施例の第2のレンズアレイ50A(図11)を全体に縮小した形状を有している。但し、各第2の小レンズ52Cは、集光レンズ44によって集光される光を平行光に戻す機能と、第2のレンズアレイ50Aの各第2の小レンズ52Aの機能とを併せ持つように構成されている。
【0088】
図18は、第1のレンズアレイ40Cの集光レンズ44の機能を示す説明図である。図18は、光源20と、集光レンズ44と、第1のレンズアレイ40Dと、第2のレンズアレイ50Dとが順に配置された構成を示している。第1のレンズアレイ40Dの各第1の小レンズ42Dは、第1実施例のレンズアレイ40を構成する小レンズ42と同じ同心レンズである。第2のレンズアレイ50Dは、第1のレンズアレイの小レンズ42Dよりも小さい第2の小レンズ52Dで構成されている。各第2の小レンズ52Dは、その配置位置に応じて光軸の位置が異っている。
【0089】
光源20から射出された略平行な光は、集光レンズ44の集光作用によって集光光となる。集光レンズ44から射出された集光光は、第1のレンズアレイ40Dの各小レンズ42Dによって複数の部分光線束に分割される。各小レンズ42Dから射出された部分光線束は、各部分光線束の中心軸が集光レンズ44の集光作用によってシステム光軸100Daxの方向に傾くように偏向され、第2のレンズアレイ50Dの対応する第2の小レンズ52Dに入射する。第2の小レンズ52Dは、入射した部分光線束の中心軸がシステム光軸100Daxに平行となるように偏向する機能を有している。この結果、第2のレンズアレイ50Dから射出される光の全体は、集光レンズ44に入射した時の光の全体の幅よりも縮小される。このように、集光レンズ44および第2のレンズアレイ50Dは、集光レンズ44に入射した光線束をその幅よりも小さな幅を有する光線束に変換するアフォーカル光学系として機能する。集光レンズ44は、アフォーカル光学系を実現するための集光機能を有しており、第2のレンズアレイ50Dはアフォーカル光学系を実現するための光を平行化する機能を有している。
【0090】
アフォーカル光学系から射出された光は、全体として縮小されているので、アフォーカル光学系のない場合に比べて、後段に配置される光学系への入射角を小さくすることができる。第2実施例でも説明したように、光学要素に入射する光線束の入射角が小さい方が、その光学要素における光の利用効率がよい。従って、アフォーカル光学系を備えることにより、光の利用効率を向上させることができる。
【0091】
本実施例の第1のレンズアレイ40Cの集光レンズ44はアフォーカル光学系の集光機能に相当し、第2のレンズアレイ50Cは、第2実施例の第2のレンズアレイ50B(図11)の機能と、上記第2のレンズアレイ50D(図18)の機能、すなわち、アフォーカル光学系の光を平行化する機能とを有している。従って、本実施例の照明光学系100Cによれば、第2実施例と同様に、第2のレンズアレイ50Cの後段に配置される偏光変換光学系60Cへの入射効率を高めることができる。また、アフォーカル光学系の機能により、第2のレンズアレイ50Cの後段に配置される光学要素における光の利用効率を向上させることができる。この結果、本実施例の照明光学系においても、光の利用効率を向上させることができる。
【0092】
E.投写型表示装置:
図19は、本発明の照明光学系100Cを用いた投写型表示装置1000の要部を平面的に見た概略構成図である。この投写型表示装置1000は、本発明の照明光学系100Cを用いている。
【0093】
投写型表示装置1000は、照明光学系100Cと、色光分離光学系200と、リレー光学系220と、3つの液晶ライトバルブ300R,300G,300Bと、クロスダイクロイックプリズム320と、投写光学系340とを備えている。投写型表示装置1000は、照明光学系100Cから射出された光を、色光分離光学系200で赤(R)、緑(G)、青(B)の3色の色光に分離し、分離された各色光を液晶ライトバルブ300R,300G,300Bを通して画像情報(画像信号)に対応させて変調し、変調された各色光をクロスダイクロイックプリズム320で合成して、投写光学系340を介してスクリーンSC上に画像を表示するものである。
【0094】
照明光学系100Cは、上述したように、偏光方向の揃えられた直線偏光光(上述の例では、s偏光光)の照明光を射出し、照明領域LAである液晶ライトバルブ300R,300G,300Bを照明する。液晶ライトバルブ300R,300G,300Bは、それぞれ、液晶パネルと、その光入出射面側に配置された偏光板とによって構成されている。液晶パネルの光の入射面に配置されている偏光板は、照明光の偏光度をさらに高めるためのものであり、照明光学系100Cから射出される直線偏光光の偏光方向が、これらの偏光板の透過軸方向となるように配置されている。このようにすれば、照明光学系100Cから射出された照明光に含まれる直線偏光光の純度(偏光度)をより高めることができる。なお、照明光学系100Cから射出される照明光の偏光度が著しく高い場合には、この光入射面側に配置される偏光板を省略することもできる。
【0095】
色光分離光学系200は、2枚のダイクロイックミラー202,204と、反射ミラー208とを備えており、照明光学系100から射出される光線束を、赤、緑、青の3色の色光に分離する機能を有する。第1のダイクロイックミラー202は、照明光学系100から射出された光の赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。第1のダイクロイックミラー202を透過した赤色光Rは、反射ミラー208で反射されて、クロスダイクロイックプリズム320へ向けて射出される。色光分離光学系200から射出された赤色光Rは、フィールドレンズ232を通って赤色光用の液晶ライトバルブ300Rに達する。このフィールドレンズ232は、照明光学系100から射出された各部分光線束をその中心軸に対して平行な光線束に変換する。他の液晶ライトバルブの前に設けられたフィールドレンズ234,230も同様である。
【0096】
第1のダイクロイックミラー202で反射された青色光Bと緑色光Gのうちで、緑色光Gは第2のダイクロイックミラー204によって反射されて、色光分離光学系200からクロスダイクロイックプリズム320へ向けて射出される。色光分離光学系200から射出された緑色光Gは、フィールドレンズ234を通って緑色光用の液晶ライトバルブ300Gに達する。一方、第2のダイクロイックミラー204を透過した青色光Bは、色光分離光学系200から射出されて、リレー光学系220に入射する。リレー光学系220に入射した青色光Bは、リレー光学系220に備えられる入射側レンズ222、リレーレンズ226および反射ミラー224,228および射出側レンズ(フィールドレンズ)230を通って青色光用の液晶ライトバルブ300Bに達する。ここで、青色光Bにリレー光学系が用いられているのは、青色光Bの光路の長さが他の色光の光路の長さよりも長いため、光の利用効率の低下を防止するためである。すなわち、入射側レンズ222に入射した青色光をそのまま、射出側レンズ230に伝えるためである。なお、照明光学系100の重畳光学系70から、液晶ライトバルブ300R、液晶ライトバルブ300G、入射側レンズ222までの距離は、ほぼ等しくなるように設定されている。
【0097】
3つの液晶ライトバルブ300R,300G,300Bは、与えられた画像信号に従って、3色の色光をそれぞれ変調して画像を形成する光変調装置としての機能を有する。クロスダイクロイックプリズム320は、液晶ライトバルブ300R,300G,300Bを通って変調された3色の色光を合成してカラー画像を形成する色光合成光学系としての機能を有する。なお、クロスダイクロイックプリズム320には、赤色光を反射する誘電体多層膜が形成された赤色光反射ダイクロイック面321と、青色光を反射する誘電体多層膜が形成された青色光反射ダイクロイック面322とが、4つの直角プリズムの界面に略X字状に形成されている。これらの赤色光反射ダイクロイック面321と青色光反射ダイクロイック面322によって3つの色光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。クロスダイクロイックプリズム320で生成された合成光は、投写光学系340の方向に射出される。投写光学系340は、クロスダイクロイックプリズム320から射出された合成光を投写して、スクリーンSC上にカラー画像を表示する。なお、投写光学系340としてはテレセントリックレンズを用いることができる。
【0098】
この投写型表示装置1000は、光の利用効率の高いインテグレータ光学系による照明光学系100Cを用いているので、均一で明るい画像を表示させることができる。
【0099】
上記実施例においては、照明光学系100Cを用いた場合を例に説明しているが、他の実施例の照明光学系を用いることも可能である。
【0100】
上記投写型表示装置1000においては、本発明の照明光学系100Cを、3つの液晶パネル(液晶ライトバルブ)を用いてカラー画像を投写する投写型表示装置に適用した場合を説明しているが、これに限定される必要はない。本発明の照明光学系は、種々の装置における照明光学系として利用可能である。例えば、1枚の液晶パネルを用いてモノクロ画像やカラー画像を投写する投写型表示装置にも適用可能である。また、投写型表示装置以外の表示装置にも適用可能である。
【0101】
また、上記投写型表示装置1000は、透過型の投写型表示装置に本発明の照明光学系を適用した場合を例に説明しているが、本発明の照明光学系は、反射型の投写型表示装置にも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、光変調装置が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、光変調装置が光を反射するタイプであることを意味している。反射型の光変調装置としては、例えば、反射型の液晶パネルや、ディジタル・マイクロミラー・デバイス(TI社の商標)がある。反射型の投写型表示装置では、クロスダイクロイックプリズムは、光を赤、緑、青の3色の光に分離する色光分離手段として利用できると共に、変調された3色の光を再度合成して同一の方向に射出する色光合成手段としても利用できる。反射型の投写型表示装置にこの発明を適用した場合にも、透過型の投写型表示装置とほぼ同様な効果を得ることができる。
【0102】
なお、本発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例としての照明光学系100の要部を平面的に見た概略構成図である。
【図2】第1のレンズアレイ40を示す説明図である。
【図3】第2のレンズアレイ50を示す説明図である。
【図4】第2のレンズアレイ50および第1のレンズアレイ40をz軸方向から示す正面図である。
【図5】第1の偏光変換素子アレイ60aの構成を示す斜視図である。
【図6】第1の偏光変換素子アレイ60aの機能を示す説明図である。
【図7】第1のレンズアレイ40によって第2のレンズアレイ50の近傍位置に形成された集光像について示す説明図である。
【図8】第2のレンズアレイ50と第1のレンズアレイ40によって第2のレンズアレイ50の近傍位置に形成された集光像との関係について示す説明図である。
【図9】第2実施例としての照明光学系100Aの要部を平面的に見た概略構成図である。
【図10】第1のレンズアレイ40Aを示す説明図である。
【図11】第2のレンズアレイ50Aを示す説明図である。
【図12】仮想的な第2のレンズアレイ50Bを示す説明図である。
【図13】第1のレンズアレイ40Aと第2のレンズアレイ50Bとの配置関係を示す平面図である。
【図14】第1のレンズアレイ40Aによって第2のレンズアレイ50Bの近傍位置に形成された集光像について示す説明図である。
【図15】第2のレンズアレイ50Aと、第1のレンズアレイ40によって第2のレンズアレイ50Aの近傍位置に形成された集光像との関係について示す説明図である。
【図16】第3実施例としての照明光学系100Cの要部を平面的に見た概略構成図である。
【図17】第1のレンズアレイ40Cを示す説明図である。
【図18】第1のレンズアレイ40Cの集光レンズ44の機能を示す説明図である。
【図19】本発明の照明光学系100Cを用いた投写型表示装置1000の要部を平面的に見た概略構成図である。
【符号の説明】
20…光源
22…光源ランプ
24…凹面鏡
30…分割光学系
30A…分割光学系
30B…分割光学系
30C…分割光学系
40…第1のレンズアレイ
40A…第1のレンズアレイ
40C…第1のレンズアレイ
40D…第1のレンズアレイ
42…第1の小レンズ
42A…第1の小レンズ
42Aa〜42Ac…第1の小レンズ
42D…第1の小レンズ
44…平凸レンズ
50…第2のレンズアレイ
50A…第2のレンズアレイ
50B…第2のレンズアレイ
50C…第2のレンズアレイ
50D…第2のレンズアレイ
52…第2の小レンズ
52A…第2の小レンズ
52B…第2の小レンズ
52Ba〜52Bc…第2の小レンズ
52C…第2の小レンズ
52D…第2の小レンズ
60…偏光変換光学系
60A…偏光変換光学系
60C…偏光変換光学系
60a,60b…偏光変換光学系
60a…第1の偏光変換光学系
60b…第2の偏光変換光学系
62…遮光板
62a…遮光面
62b…開口面
64…偏光ビームスプリッタアレイ
64a…第1の透光性部材
64b…第2の透光性部材
64c…第3の透光性部材
66a…偏光分離膜
66b…反射膜
70…重畳光学系
100…照明光学系
100A…照明光学系
100C…照明光学系
1000…投写型表示装置
200…色光分離光学系
202…第1のダイクロイックミラー
204…第2のダイクロイックミラー
208…反射ミラー
220…リレー光学系
222…入射側レンズ
224,228…反射ミラー
226…リレーレンズ
230…射出側レンズ(フィールドレンズ)
232…フィールドレンズ
234…フィールドレンズ
300R,300G,300B…液晶ライトバルブ
320…クロスダイクロイックプリズム
321…赤色光反射ダイクロイック面
322…青色光反射ダイクロイック面
340…投写光学系
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an illumination optical system in which light emitted from a light source is divided into a plurality of partial beam bundles, and each of them is substantially superimposed on the same illumination area. The present invention also relates to a projection display device capable of displaying a uniform and bright image using this illumination optical system.
[0002]
[Prior art]
In a projection display device, illumination light from an illumination optical system irradiated on a light modulation device called a “light valve” is modulated according to image information (image signal) to be displayed, and this modulated light is displayed on a screen. Projected images are displayed.
[0003]
The image displayed by such a projection display device is preferably uniform and bright. However, the light emitted from the light source of the illumination optical system usually has the highest light intensity in the vicinity of the optical axis of the light source and tends to decrease as the distance from the optical axis increases. If such light is used as illumination light as it is, a non-uniform image is displayed on the projection display device. In order to solve such a problem, an integrator optical system has been conventionally used as an optical system for uniformly illuminating a light modulation device that is an illumination region.
[0004]
As this integrator optical system, the light emitted from the light source is divided into a plurality of partial beam bundles, and each of the divided partial beam bundles is superimposed on the illumination area, thereby realizing uniform illumination. Things are common.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The light source lamp used for the light source of the illumination optical system is ideally a point light source, but it is difficult to realize a point light source. For this reason, in the integrator optical system, when the light from the light source is divided into a plurality of partial beam bundles and superimposed on the illumination area, the utilization efficiency of the light emitted from the light source may be reduced.
[0006]
However, it is preferable that the image displayed by the projection display device is brighter, and it is desired that the illumination optical system used for this has higher light utilization efficiency.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art, and an object thereof is to provide a technique capable of improving the light use efficiency of the illumination optical system. Another object of the present invention is to obtain a uniform and brighter projected image in a projection display device.
[0008]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
  In order to solve at least a part of the problems described above, the illumination optical system of the present invention includes:
  An illumination optical system that illuminates a light incident surface of a predetermined optical device as an illumination area,
  A light source;
  A first lens array having a plurality of small lenses for dividing the light emitted from the light source into a plurality of partial beam bundles;
  A second lens array having a plurality of small lenses respectively corresponding to the plurality of small lenses of the first lens array,
  The second lens array is disposed in a vicinity position where a plurality of partial beam bundles emitted from the first lens array are condensed,
  The plurality of small lenses of the second lens array have a polygonal shape other than a substantially rectangular shape according to the contour shape of the partial light bundles collected by the plurality of small lenses of the corresponding first lens array. FormedAnd
The first lens array has M lens rows (M is an integer of 2 or more), and the second lens array has N rows (N is an integer of 1 or more smaller than M). Has a small lens array,
A plurality of partial beam bundles formed by a plurality of small lens rows in the first lens array are collected into a smaller number of rows and made incident on the second lens array. The partial light bundle divided by the M small lens rows is configured to be incident on the N small lens rows of the second lens array,
The plurality of lenslet rows in the first lens array are two lenslet rows,
In the two small lens rows, the position of each of the small lenses on the outer side of the two small lens rows is shifted from the position of each of the small lenses on the inner side along the direction of the rows. Are arranged,
The one small lens row of the second lens array corresponding to the two small lens rows of the first lens array corresponds to the outer small row of lenses of the first lens array. The first small lenses and the second small lenses corresponding to the inner row of small lenses are alternately arranged.It is characterized by being.
[0009]
The partial light bundles emitted from the small lenses of the first lens array may not be used as effective illumination light unless they enter the small lenses of the corresponding second lens array. As a result, the light utilization efficiency of the illumination optical system may be reduced.
[0010]
  In the illumination optical system of the present invention, a polygonal shape other than a substantially rectangular shape is formed according to the contour shape of the partial light bundles collected by the plurality of small lenses of the corresponding first lens array. Accordingly, it is possible to suppress the partial light bundles emitted from the small lenses of the first lens array from entering other small lenses adjacent to the small lenses of the corresponding second lens array. Thereby, the utilization efficiency of the light of an illumination optical system can be improved. The “substantially rectangular shape” is not only a completely rectangular shape (rectangle or square), but also a case where the shape is not completely rectangular due to a design error or a case where chamfering of some corners is added. Including different shapes. That is, the lens design concept means a rectangular shape.
In addition, since the partial light bundle divided by the M small lens rows of the first lens array can be incident on the N small lens rows of the second lens array, the second lens array It is possible to widen the interval between the rows of partial beam bundles emitted from. Thereby, when an optical element corresponding to each column of a plurality of partial beam bundles is provided between the second lens array and a superimposing optical system that superimposes the light emitted from the second lens array on the illumination area. In addition, since the width in the column direction of the optical element corresponding to each column can be increased, the light incident efficiency to the optical element corresponding to each column can be improved. As a result, it is possible to improve the light use efficiency of the illumination optical system.
Furthermore, one small lens array in the second lens array corresponding to two small lens arrays in the first lens array is a first lens array corresponding to one small lens in the outer side of the first lens array. Since the small lenses and the second small lenses corresponding to the inner one row of small lenses are alternately arranged, a plurality of partial beam bundles emitted from the two small lens rows of the first lens array Can be easily incident on the second lens array as a plurality of partial beam bundles arranged in a line.
[0011]
Here, when two reference axes that pass through the center of the second lens array and are perpendicular to each other are defined, at least a part of the dividing lines that divide the plurality of small lenses of the second lens array is: It is preferable that the inclination with respect to the two reference axes increases as the distance from the two reference axes increases.
[0012]
In addition, at least a part of the plurality of small lenses of the second lens array is inclined with respect to two division lines parallel to one of the two reference lines and the other reference line. You may make it have the trapezoid shape divided by the two division lines.
[0013]
If it carries out as mentioned above, the small lens of a 2nd lens array can be formed according to the inclination of the outline shape of the incident partial ray bundle.
[0018]
In the illumination optical system,
It is preferable to provide an afocal optical system that converts an incident light bundle into an outgoing light bundle having a width smaller than the width of the incident light bundle.
[0019]
If the afocal optical system is provided, the width of the light bundle emitted from the illumination optical system can be reduced as compared with the case where the afocal optical system is not provided. Can be reduced. Generally, the light utilization efficiency of the optical element is better when the incident angle of the light beam incident on the optical element is smaller. Therefore, according to the illumination optical system having the above configuration, the light utilization efficiency can be improved.
[0020]
Here, a condensing lens having a condensing function for realizing the afocal optical system is provided in the vicinity of the first lens array,
The plurality of small lenses in the second lens array preferably have a function of collimating light for realizing the afocal optical system.
[0021]
According to the above configuration, an afocal optical system can be easily realized.
[0022]
The projection display device of the present invention is
Any one of the above illumination optical systems;
A light modulation device that has a light incident surface as the illumination region and modulates incident light from the illumination optical system according to an image signal;
A projection optical system that projects the modulated light obtained by the light modulation device;
It is characterized by providing.
[0023]
As described above, the illumination optical system of the present invention can improve the light utilization efficiency as compared with the prior art. Therefore, in the projection display device incorporating the illumination optical system of the present invention, the brightness of the projected image can be improved.
[0024]
Since the illumination optical system of the present invention has an integrator optical system including the first and second lens arrays, the light emitted from the light source has a large light intensity distribution in the cross section of the light beam. Even if there is a bias, it is possible to obtain illumination light with uniform brightness and no brightness or color unevenness. Can be obtained.
[0025]
The projection display device further includes a color light separation optical system that separates light emitted from the illumination optical system into at least two colors of color light, and
A plurality of the light modulation devices that respectively modulate the color lights separated by the color light separation optical system;
A color light combining optical system that combines the modulated light of each color after being modulated by each of the light modulation devices,
The combined light obtained by the color light combining means can be projected through the projection optical system.
[0026]
In this way, it is possible to project and display a color image that is brighter, more uniform and more uniform than in the past.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, unless otherwise specified, the light traveling direction is the z-axis direction (direction parallel to the optical axis), and the 12 o'clock direction as viewed from the z-axis direction is the y-axis direction (vertical). Direction), and the 3 o'clock direction is the x-axis direction (lateral direction).
[0028]
A. Overall configuration of the first embodiment:
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a main part of an illumination optical system 100 as a first example when viewed in plan. The illumination optical system 100 includes a light source 20, a split optical system 30, a polarization conversion optical system 60, and a superimposing optical system (superimposing lens) 70. Each of these optical elements 20, 30, 60, 70 is arranged so that the center axis thereof coincides with the system optical axis 100 ax of the illumination optical system 100. The split optical system 30 and the superimposing optical system 70 constitute an integrator optical system for illuminating the effective illumination area ELA of the illumination area LA substantially uniformly.
[0029]
The light source 20 includes a light source lamp 22 as a radiation light source that emits a radial light beam, and a concave mirror 24 that emits radiation light emitted from the light source lamp 22 as a substantially parallel light beam. As the light source lamp 22, a high pressure discharge lamp such as a metal halide lamp or a high pressure mercury lamp is usually used. As the concave mirror 24, a parabolic mirror is preferably used. In place of the parabolic mirror, an ellipsoidal mirror or a spherical mirror can be used.
[0030]
The split optical system 30 includes a first lens array 40 and a second lens array 50. The first lens array 40 divides substantially parallel light emitted from the light source 20 into a plurality of partial light bundles, and condenses each partial light bundle to form the second lens array 50 and polarization conversion optics. It has a function of forming a condensed image in the vicinity of the system 60.
[0031]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the first lens array 40. FIG. 2A is a front view of the second lens array 50 viewed from the light incident surface side (light source 20 side). FIG. 3B is a plan view, and FIG. 2C is a side view. The first lens array 40 has a configuration in which plano-convex first small lenses 42 having a substantially rectangular outline are arranged in a plurality of rows (M rows) and a plurality of columns (N columns). FIG. 2 shows an example where M = 8 and N = 6. The first small lens 42 has a substantially rectangular outer shape, but the optical axis of the lens is at the center of the lens. Hereinafter, a lens in which the center of the lens and the optical axis coincide with each other is referred to as a “concentric lens”.
[0032]
The external shape of each first small lens 42 viewed in the z-axis direction is normally set to be substantially similar to the shape of the effective illumination area ELA. For example, assuming that a liquid crystal panel is used as the illumination area and the aspect ratio (ratio between horizontal and vertical dimensions) of the image formation area as the effective illumination area is 4: 3, the aspect ratio of the first small lens 42 Is preferably set to 4: 3.
[0033]
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the second lens array 50. FIG. 3A is a perspective view of the second lens array 50. FIG. 3B is a front view seen from the light incident surface side (first lens array 40 side). FIGS. 3C and 3D are a plan view and a bottom view, and FIGS. 3E and 3D are a left side view and a right side view. The vertical height H50 and the horizontal length L50 of the second lens array 50 are substantially equal to the vertical height H40 (FIG. 2) and the horizontal length L40 of the first lens array 40. The size of the lens array refers to the size of the plurality of small lenses arranged in a plurality of rows and columns, and does not include other peripheral flat portions. Further, the same number of second small lenses 52 as the first small lenses 42 of the first lens array 40 are arranged in a substantially matrix form. However, the second small lens 52 has a different trapezoidal shape depending on the arrangement position thereof. This shape will be described later.
[0034]
FIG. 4 is a front view showing the second lens array 50 and the first lens array 40 from the z-axis direction. The broken line shown in FIG. 4 indicates the first lens array 40. Further, the + mark indicates the optical axis of each first small lens 42 of the first lens array. The optical axis of each second small lens 52 of the second lens array 50 is configured to coincide with the optical axis of the first small lens 42 of the corresponding first lens array 40.
[0035]
Note that the orientation of the lenses of the first lens array 40 need not be limited to the orientation shown in FIG. 1 and may be arranged so as to have a convex surface on the exit surface side. The second lens array 50 need not be limited to the orientation shown in FIG. 1 and may be arranged to have a convex surface on the exit surface side. Further, the superimposing optical system 70 need not be limited to the orientation shown in FIG. 1, and may be arranged so as to have a convex surface on the incident surface side.
[0036]
The polarization conversion optical system 60 of FIG. 1 includes a first polarization conversion element array 60a on which the respective partial light bundles emitted from the −x-axis direction side of the second lens array 50 with the system optical axis 100ax as the center are incident; And a second polarization conversion element array 60b on which each of the partial beam bundles emitted from the + x-axis direction side is incident.
[0037]
FIG. 5 is a perspective view showing the configuration of the first polarization conversion element array 60a. The first polarization conversion element array 60 a includes a light shielding plate 62, a polarization beam splitter array 64, and a λ / 2 phase difference plate 68 that is selectively disposed on a part of the light exit surface of the polarization beam splitter array 64. I have. In the polarizing beam splitter array 64, a plurality of first light-transmissive members 64a each having a parallelogram-shaped cross section are sequentially bonded to each other, and trapezoidal columnar second and third light-transmissive members having cross-sections at both ends thereof. 64b and 64c are bonded together. The second and third translucent members 64b and 64c may be columnar bodies having the same cross section as that of the first translucent member 64a. Moreover, the cross-section may be a columnar body having a substantially right triangle.
[0038]
Polarization separation films 66a and reflection films 66b are alternately formed on the interfaces of the translucent members 64a, 64b, and 64c. In this polarization beam splitter array 64, a plurality of plate glasses on which these films are formed are bonded to each other so that the polarization separation films 66a and the reflection films 66b are alternately arranged, and obliquely at a predetermined angle. It is produced by cutting. The polarization separation film 66a can be formed of a dielectric multilayer film, and the reflection film 66b can be formed of a dielectric multilayer film or an aluminum film.
[0039]
The λ / 2 phase difference plate 68 is selectively disposed in the x-direction mapping portion of the light exit surface of the polarization separation film 66a or the reflection film 66b. In this example, a λ / 2 phase difference plate 68 is selectively disposed in the x-direction mapping portion of the light exit surface of the polarization separation film 66a.
[0040]
The light shielding plate 62 includes a plurality of light shielding surfaces 62a and a plurality of opening surfaces 62b arranged in a stripe pattern. In this example, a light shielding surface 62a is arranged in the x-direction mapping portion of the light incident surface of the reflection film 66b, and an aperture surface 62b is arranged in the x-direction mapping portion of the light incidence surface of the polarization separation film 66a. . Thereby, the light that has passed through the aperture surface 62b out of the light incident on the first polarization conversion element array 60a is incident only on the polarization separation film 66a. As the light shielding plate 62, a flat transparent body (for example, a glass plate) partially formed with a light shielding film (for example, a chromium film, an aluminum film, and a dielectric multilayer film), or for example, an aluminum plate What provided the opening part in the light-shielding flat plate like this can be used.
[0041]
FIG. 6 is an explanatory diagram showing functions of the first polarization conversion element array 60a. The non-polarized light bundle (s-polarized light + p-polarized light) that has passed through the opening surface 62b of the light shielding plate 62 is incident on the polarization separation film 66a of the polarization beam splitter array 64, and two types of linearly polarized light (s-polarized light and p-polarized light). Most of the p-polarized light passes through the polarization separation film 66a as it is. On the other hand, most of the s-polarized light is reflected by the polarization separation film 66a, further reflected by the reflection film 66b, and emitted in a state substantially parallel to the p-polarized light that has passed through the polarization separation film 66a as it is. The p-polarized light transmitted through the polarization separation film 66a is converted into s-polarized light by the λ / 2 phase difference plate 68 and then emitted. As a result, most of the non-polarized light incident on the first polarization conversion element array 60a is converted into s-polarized light and emitted. Of course, by forming the λ / 2 phase difference layer 68 only on the light emission surface portion reflected by the reflective film 66b, most of the light beam can be converted into p-polarized light and emitted.
[0042]
Here, when non-polarized light is directly incident on the reflection film 66b instead of the polarization separation film 66a, p-polarized light, not s-polarized light, is emitted from the first polarization conversion element array 60a. become. As described above, in this embodiment, the light shielding plate 62 prevents light from entering the reflection film 66b. Therefore, it is possible to prevent unpolarized light from entering the reflective film 66b and emitting unwanted linearly polarized light from the first polarization conversion element array 60a.
[0043]
One block including one adjacent polarization separation film 66a and one reflection film 66b and one λ / 2 phase difference plate 68 can be regarded as one row of polarization conversion elements. The polarization conversion element array 60a is formed by arranging a plurality of such polarization conversion elements in the x direction. In this embodiment, it is composed of three rows of polarization conversion elements.
[0044]
The second polarization conversion element array 60b has a symmetric structure with respect to the polarization conversion element array 60a with the system optical axis 100ax as an axis of symmetry, and has the same function, and thus the description thereof is omitted.
[0045]
The polarization conversion optical system 60 may be provided with one polarization conversion element array instead of the two polarization conversion element arrays 60a and 60b.
[0046]
The light emitted from the light source 20 of FIG. 1 is divided into a plurality of partial beam bundles by the plurality of first small lenses 42 of the first lens array 40. The plurality of divided partial beam bundles are condensed so as to be incident on the corresponding second small lens 52 of the second lens array 50, and in the vicinity of the second lens array 50 and the polarization conversion optical system 60. To form a condensed image. In FIG. 1, the center axis of each partial light bundle is indicated by a solid line for easy explanation. The second lens array 50 has a function of condensing so that light incident on each second small lens 52 is effectively applied to the illumination area LA. The partial light bundles emitted from the respective second small lenses 52 are incident on the polarization separation film 66 a of the polarization conversion optical system 60. As described above, the plurality of partial light bundles incident on the polarization conversion optical system 60 are converted into almost one kind of linearly polarized light, respectively. The plurality of partial light bundles emitted from the polarization conversion optical system 60 are incident on the superimposing optical system 70 and are substantially superimposed on the effective illumination area ELA of the illumination area LA by the superimposing action of the superimposing optical system 70. As a result, the effective illumination area ELA is almost uniformly illuminated with almost one type of linearly polarized light.
[0047]
Note that the second lens array 50, the polarization conversion optical system 60, and the superposition optical system 70 are spaced apart. However, in general, in order to reduce the loss of light at each interface, it is preferable to arrange them closely by bonding them with an adhesive or the like. Further, the superimposing optical system 70 can be omitted.
[0048]
Further, the distance between the second lens array 50 and the polarization separation film 66a of the polarization conversion optical system 60 is very small compared to the distance between the first lens array 40 and the second lens array 50. Therefore, it can be considered that the size of each partial light beam incident on the polarization conversion optical system 60 is equal to the size of each condensed image.
[0049]
The illumination optical system 100 is characterized by the shape of each second small lens 52 of the second lens array 50.
[0050]
B. Condensed image and lens shape in the vicinity of the second lens array:
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a focused image formed by the first lens array 40 in the vicinity of the second lens array 50. The condensed image in the figure is represented by the light intensity indicated by the contour lines. FIG. 7 shows only a condensing image of a quarter portion at the upper right part of the second lens array 50. Since the characteristics of the light emitted from the normal light source 20 are symmetric about the optical axis, the left half of the condensed image is symmetrical with respect to the right half of the condensed image, and the lower half of the condensed image. Is vertically symmetric with respect to the upper half of the condensed image.
[0051]
Since the light source lamp 22 constituting the light source 20 is not a point light source, the condensed image of each partial light bundle also has a shape corresponding to the shape of the light source lamp. In this example, it has an elongated shape (substantially elliptical shape or substantially elliptical shape) along the direction connecting the system optical axis 100ax and the position where the condensed image is formed (hereinafter referred to as “radiation direction”). Yes. In addition, since the light emitted from the light source 20 tends to have better parallelism as it is farther from the system optical axis 100ax, the overall size tends to be smaller as the peripheral focused image. In such a case, if the second lens array is composed of the same small lens as the first small lens 42 of the first lens array 40, as shown in FIG. There may be many portions that protrude from the corresponding small lens (indicated by hatching in the figure). The first lens array 40 and the second lens array 50 are set so that the light bundles that have passed through the corresponding small lenses are irradiated to the effective illumination area ELA via the superimposing optical system 70. Therefore, the light beam incident on the lens other than the corresponding small lens may not be effectively irradiated to the effective illumination area ELA. As described above, when there are many protruding portions, the use efficiency of light as an illumination optical system is reduced accordingly.
[0052]
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the relationship between the second lens array 50 and a focused image formed in the vicinity of the second lens array 50 by the first lens array 40. The inclination of the long axis of each condensed image with respect to the x axis depends on the angle formed between the radiation direction and the x axis, that is, the angle formed between the system optical axis 100ax and the center of each condensed image and the x axis. Change. For example, the focused image in the first row from the bottom of FIG. 8 is formed so that the long axis is along the x-axis direction, and the focused image in the first column from the left in FIG. It is formed along the direction. In the second and third columns, the condensed images in the second and third rows are formed such that the major axis is inclined according to the position. Therefore, the second lens array 50 has a trapezoidal shape corresponding to each position so as to efficiently classify each condensed image according to the inclination of the long axis of the condensed image formed by each partial beam bundle. The second small lens 52 is used. Specifically, each second small lens 52 of the second lens array 50 is divided as follows.
[0053]
The dividing lines that divide each column of the second lens array 50 are divided by straight lines parallel to the y-axis direction. Note that the dividing line for dividing each column is not necessarily a straight line and may not be parallel to the y-axis. However, it is preferably a straight line parallel to the y-axis direction for the following reasons.
[0054]
In the lower part of FIG. 8, the polarization conversion optical system 60 is shown for reference. The light blocking surface 62 a and the aperture surface 62 b of the polarization conversion optical system 60 are arranged for each column of the second lens array 50. The aperture surfaces 62b in each row are arranged so that the partial beam bundles emitted from the second lens array 50 are incident thereon, and the light shielding surfaces 62a are arranged between the aperture surfaces 62b in each row. Yes. Therefore, the position in the x-axis direction of the dividing line along the y-axis that divides each column is preferably within the width in the x-axis direction of the light shielding surface 62a. Therefore, each column of the second lens array 50 is divided by a straight line parallel to the y-axis direction. In this way, each column can be easily divided.
[0055]
Each row of the second lens array 50 is divided with a different inclination (inclination with respect to the x-axis) according to the inclination of the long axis of the condensed image. For example, since the inclination of the long axis of the condensed image increases as the distance from the system optical axis 100ax increases, the inclination of the dividing line between the lines increases accordingly. However, each condensed image in the first column from the system optical axis 100ax stands so that the major axis thereof is almost along the y-axis, so that the dividing line between the rows is inclined to the major axis of each condensed image. Although there is a slight inclination, it is divided along the x-axis.
[0056]
It can also be seen that the second lens array 50 is divided as follows. That is, if a reference line (reference axis) passing through the system optical axis 100ax and parallel to the x axis is 50x, and a reference line (reference axis) parallel to the y axis is 50y, the first line along the reference line 50x and The dividing lines of the second lenslet other than the dividing line for dividing the second lenslet 52 in the first column along the reference line 50y are separated from the at least two reference lines 50x and 50y by two reference lines 50x. , 50y, the inclination is large.
[0057]
When the second lens array 50 configured as described above is used, it is possible to prevent each condensed image from protruding from the corresponding second small lens 52, so that the second lens array is the second lens array. The efficiency of the illumination optical system can be improved as compared with the case where a lens array having the same shape as that of one lens array is used.
[0058]
In this embodiment, the second small lens 52 constituting the second lens array 50 has a trapezoidal shape, but the present invention is not limited to this. For example, it may be a triangle, pentagon, or rhombus. In the present embodiment, the characteristics of the light emitted from the light source are described as being symmetric with respect to the system optical axis 100ax, but the present invention can also be applied to cases where the characteristics are not symmetric. In short, the second lens array is a small lens having a polygonal shape other than the rectangular shape according to the contour shape such as the size and inclination of the corresponding condensed image so as to efficiently divide each condensed image. What is necessary is just to comprise. The same applies to the following embodiments.
[0059]
In the present embodiment, the configuration including the polarization conversion optical system 60 is described as an example. However, this can be omitted, and the same applies to each of the following embodiments.
[0060]
C. Second embodiment:
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of the main part of the illumination optical system 100A as the second embodiment viewed in plan. This illumination optical system 100A is obtained by changing the splitting optical system 30 and the polarization conversion optical system 60 of the first example, and the other configurations are the same as those of the first example.
[0061]
The split optical system 30A of the second example includes a first lens array 40A and a second lens array 50A.
[0062]
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the first lens array 40A. FIG. 10A is a perspective view of the first lens array 40A. FIG. 10B is a front view seen from the light incident surface side (light source 20 side). FIGS. 10C and 10D are a plan view and a bottom view, and FIGS. 10E and 10D are a left side view and a right side view. Similarly to the first lens array 40 (FIG. 2) of the first embodiment, the first lens array 40A also includes plano-convex first small lenses 42A having a substantially rectangular outline in a plurality of rows and columns. It has a configuration that is laid out. However, the number of rows in each column (the number of small lenses included in each column) is not necessarily the same.
[0063]
Here, a line passing through the central axis 40Aax and extending along the y-axis direction is taken as a reference line 40Ay, and a line passing through the central axis 40Aax and taken along the x-axis direction is taken as a reference line 40Ax. The plurality of first small lenses 42A are arranged in three rows in both the left and right directions (± x axis directions) around the reference line 40Ay. Eight first small lenses 42A are arranged in the vertical direction around the reference line 40Ax in each of the first and second right columns, and seven first small lenses 42A are arranged in the third right column. The first small lenses 42 are laid out. The first small lenses 42 in each row of the right third column are arranged just between the first small lenses 42 in each row of the right second column. Each column on the left side is the same as each column on the right side. In the following, each column may be indicated by omitting the left side or the right side. In this case, the left or right column is shown.
[0064]
In FIG. 10B,.., X and + marks indicate the position of the optical axis of each first small lens 42A. The position of the optical axis of each first small lens 42A is set to a different position depending on the position where it is arranged. A mark indicates the position of the optical axis of the first small lens 42A in the first row. The + mark indicates the position of the optical axis of the first small lens 42A in the second row, and the x mark indicates the position of the optical axis of the first small lens 42A in the third row.
[0065]
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the second lens array 50A. FIG. 11A is a perspective view of the second lens array 50A. FIG. 11B is a front view as viewed from the light incident surface side (first lens array 40A side). 11C and 11D are a plan view and a bottom view, and FIGS. 11E and 11D are a left side view and a right side view.
[0066]
Similarly to the second lens array 50 of the first embodiment, the second lens array 50A has a configuration in which second small lenses 52A having different shapes depending on the arrangement position are arranged in a plurality of rows and a plurality of columns. have. The second lens array 50A has the same number of second small lenses 52A as the first small lenses 42A so as to correspond to the first small lenses 42A of the first lens array 40A. However, the small lenses of the second lens array 50A corresponding to the small lenses in the second and third rows of the first lens array 40A are arranged only in the second row, that is, in one row. . The vertical height H50A and the horizontal length L50A of the lens array 50A are approximately equal to the vertical height H40A (FIG. 10B) and the horizontal length L40A of the lens array 40A. A line passing through the central axis 50Aax and extending along the y-axis direction is referred to as a reference line 50Ay, and a line passing through the central axis 50Aax and along the x-axis direction is referred to as a reference line 50Ax.
[0067]
In FIG. 11B,..., X, + marks indicate the position of the optical axis of each second small lens 52A. The position of the optical axis of each second small lens 52A is set to a different position depending on the position where it is arranged. A mark indicates the position of the optical axis of the second small lens 52A in the first row. The + mark indicates the position of the optical axis of the second small lens 52A in the odd row from the top of the second column, and the x mark indicates the optical axis of the second small lens 52A in the second small lens 52A in the even row. Indicates the position.
[0068]
The polarization conversion optical system 60A includes a polarization conversion element array having polarization conversion elements with the number of columns corresponding to the number of columns of the second lens array 50A symmetrically with respect to the system optical axis 100Aax. In this embodiment, a polarization conversion element array having one column fewer than the polarization conversion element array 60a (FIG. 5) is used.
[0069]
Hereinafter, in order to facilitate the description of the second lens array 50A, first, a case where the virtual second lens array 50B shown in FIG. 12 is used will be described as an example. FIG. 12A shows a front view of the light of the second lens array 50B as viewed from the incident surface side (first lens array 40A side). FIG. 12B shows a bottom view.
[0070]
The second lens array 50B has a configuration in which plano-convex second small lenses 52B having a substantially rectangular outline are arranged in a plurality of rows and a plurality of columns. The second lens array 50B has the same number of second small lenses 52B as the first small lenses 42A so as to correspond to the first small lenses 42A of the first lens array 40A. However, as described below, the small lenses in the second lens array 50B corresponding to the small lenses in the second and third columns of the first lens array 40A are only in the second column, that is, It is arranged in one row. The vertical height H50B and the horizontal length L50B of the second lens array 50B are substantially equal to the vertical height H40A (FIG. 10B) and the horizontal length L40A of the lens array 40A. A line that passes through the central axis 50Bax and extends along the y-axis direction is referred to as a reference line 50By, and a line that passes through the central axis 50Bax and extends along the x-axis direction is referred to as a reference line 50Bx.
[0071]
The plurality of second small lenses 52B are arranged in two rows in both the left and right directions (± x-axis directions) around the reference line 50By. In the first right column, the same number of second small lenses 52B as the first small lenses 42A (FIG. 10B) arranged in the first right column of the first lens array 40A are arranged. Yes. That is, four rows of second small lenses 52B are arranged in both the upper and lower directions around the reference line 50Bx. In the second row on the right side, the same number as the sum of the number of the first small lenses 42A arranged in the second and third columns on the right side of the first lens array 40A, that is, 15 second lenses. Small lenses 52B are arranged. The second small lenses 52B in the odd-numbered rows of the right second column correspond to the first small lenses 42A in the second right column of the first lens array 40A. In addition, the second small lenses 52B in even rows correspond to the first small lenses 42A in the third column on the right side of the first lens array 40A.
[0072]
The entire length of each column on the right side in the y-axis direction is set to be the same. However, the length of each second small lens 52 in the y direction as viewed from the z-axis direction has a different size depending on the position. The second small lens 52A on the left side of the second lens array 50B is the same as that on the right side.
[0073]
In FIG. 12A,..., X, + marks indicate the position of the optical axis of each second small lens 52B. A mark indicates the position of the optical axis of the second small lens 52B in the first row. The + mark indicates the position of the optical axis of the second small lens 52B in the odd row from the top of the second column, and the x mark indicates the optical axis of the second small lens 52B in the second small lens 52A in the even row. Indicates the position. Similarly to the first small lenses 42A of the first lens array 40A, the positions of the optical axes of the second small lenses 52B are also set at different positions according to the arranged positions. This is due to the following reason.
[0074]
FIG. 13 is a plan view showing the positional relationship between the first lens array 40A and the second lens array 50B. Since the −x direction side and the + x direction side are symmetric with respect to the system optical axis 100Aax, the description will be given here on the −x direction side.
[0075]
The second lens array 50B has substantially the same size as the first lens array 40A, but as shown in FIGS. 10 and 12, the first lens array 50B has one column compared to the number of columns of the first lens array 40A. Few. Therefore, the second small lens 52B (52Ba to 52Bc) of the second lens array 50B is smaller than the first small lens 42A (42Aa to 42Ac) of the first lens array 40A. The axial width is large. For this reason, the first small lenses 42Aa to 42Ac in the first to third columns of the first lens array 40A are connected to the second small lenses 52Ba to 52Bc of the corresponding second lens array 50B. Are made up of lenses having optical axes at different positions. Further, the second small lenses 52Ba to 52Bc of the second lens array 50B corresponding to the first small lenses 42Aa to 42Ac of the first lens array 40A are also configured by lenses having optical axes at different positions. ing. Further, as described above, the second small lens 52Bb corresponding to the second column of the first lens array 40A and the second small lens 52Bc corresponding to the third column of the second lens array 50 are as described above. They are arranged in one row so as to constitute the third row. More specifically, the second small lens 52Bc and the second small lens 52Bb are alternately arranged.
[0076]
The partial beam bundles emitted from the first small lenses 42Aa to 42Ac of the first lens array 40A are deflected in accordance with the positions of the lenses, and the corresponding second small lenses of the second lens array 50A. The light enters the lenses 52Ba to 52Bc. Each of the partial light bundles incident on each of the second small lenses 52Ba to 52Bc is deflected so that the central axis thereof is substantially parallel to the system optical axis 100Aax.
[0077]
FIG. 14 is an explanatory diagram showing a focused image formed by the first lens array 40A in the vicinity of the second lens array 50B. FIG. 14 shows only the focused image in the upper right half as in FIG.
[0078]
As shown in FIG. 14, the light collection images formed in the vicinity of the second lens array 50B are arranged in two rows, so that compared to the case where three rows of light collection images are formed within the same width. Thus, the interval between the rows can be increased. This has the following advantages.
[0079]
As described with reference to FIGS. 5 and 6, the polarization conversion optical system arranges polarization conversion elements including adjacent polarization separation films 66 a and reflection films 66 b by the number corresponding to the number of columns of the second lens array. Thus, the light incident on the polarization separation film 66a included in the polarization conversion element is converted into almost one kind of linearly polarized light. Therefore, the higher the light incidence efficiency to the polarization separation film 66a, the better the light utilization efficiency.
[0080]
In the case where the split optical system 30B is configured by the first lens array 40A and the second lens array 50B, it is possible to increase the interval between the columns of the condensed image (the column interval of the partial light bundles). The width in the column direction can be increased. Thereby, since the width of the polarization separation film 66a included in the polarization conversion element can be increased, the incidence efficiency of the light emitted from the second lens array 50B to the polarization conversion optical system 60A can be improved. . As a result, the light use efficiency of the illumination optical system can be improved.
[0081]
Further, if the interval between the columns of the condensed image is the same as the interval between the condensed images when the number of columns is not reduced, the second lens array and the polarization conversion optical system can be reduced. In this case, the incident angle of the light beam incident on the optical element arranged at the subsequent stage can be reduced. When the incident angle of the light beam incident on the optical element is smaller, the light utilization efficiency of the optical element is better, and as a result, the light utilization efficiency of the illumination optical system can be improved.
[0082]
The second lens array 50A of the second embodiment is obtained by adding the function of the second lens array 50 of the first embodiment to the second lens array 50B. That is, as shown in FIG. 14, the condensed image formed in the vicinity of the second lens array 50B may have a portion that protrudes from the corresponding small lens depending on the position. Therefore, as shown in FIG. 15, the second lens array 50A has a polygonal second shape formed so as to segment the condensed image formed by each partial light bundle according to the shape of the condensed image. The small lens 52A is used. As a result, it is possible to prevent the condensed image of each partial light bundle from protruding from the second small lens 52A of the corresponding second lens array 50A, so the virtual second lens array 50B was used. Compared to the case, the light use efficiency of the illumination optical system can be improved.
[0083]
In the illumination optical system 100A of the present embodiment, among the plurality of partial beam bundles divided by the first lens array 40A, the condensed images formed by the two leftmost columns and the two rightmost columns are each in one column. It is arranged. However, it is not limited to this. For example, you may make it arrange the condensing image formed by the partial ray bundle of a several row | line | column of 3 or more rows in 1 row. Further, it is not necessary to combine the two columns at the left and right ends into one column, and only one of them may be combined into one column. Further, it is not necessary that the two rows are at the extreme ends. Further, three columns may be combined into two columns. That is, in general, a plurality of rows of partial light beams formed by a plurality of small lens rows in the first lens array may be combined into a smaller number of rows and incident on the second lens array. The above modification can be similarly applied to the following third embodiment.
[0084]
D. Third embodiment:
FIG. 16 is a schematic configuration diagram of the main part of the illumination optical system 100C as the third embodiment when viewed in plan. This illumination optical system 100C is obtained by changing the split optical system 30A and the polarization conversion optical system 60A of the second embodiment, and the other configurations are the same as those of the second embodiment.
[0085]
The split optical system 30C of the third example includes a first lens array 40C and a second lens array 50C.
[0086]
FIG. 17 is an explanatory diagram showing the first lens array 40C. FIG. 17A is a perspective view of the first lens array 40C. FIG. 17B is a front view seen from the light incident surface side (light source 20 side). 17C and 17D are a plan view and a bottom view, respectively, and FIGS. 17E and 17D are a left side view and a right side view. The first lens array 40C is larger than the first lens array 40A on the side opposite to the surface on which the first small lenses 42A of the first lens array 40A (FIG. 10) of the second embodiment are formed. The configuration includes a condenser lens 44. The condenser lens 44 is a plano-convex lens.
[0087]
The second lens array 50C has a shape obtained by reducing the entire size of the second lens array 50A (FIG. 11) of the second embodiment in accordance with the size of the light bundle collected by the condenser lens 44. ing. However, each second small lens 52C has a function of returning the light collected by the condensing lens 44 to parallel light and a function of each second small lens 52A of the second lens array 50A. It is configured.
[0088]
FIG. 18 is an explanatory diagram showing the function of the condenser lens 44 of the first lens array 40C. FIG. 18 shows a configuration in which the light source 20, the condenser lens 44, the first lens array 40D, and the second lens array 50D are sequentially arranged. Each first small lens 42D of the first lens array 40D is the same concentric lens as the small lens 42 constituting the lens array 40 of the first embodiment. The second lens array 50D includes a second small lens 52D that is smaller than the small lens 42D of the first lens array. Each second small lens 52D has a different optical axis position in accordance with the arrangement position.
[0089]
The substantially parallel light emitted from the light source 20 becomes condensed light by the condensing action of the condensing lens 44. The condensed light emitted from the condenser lens 44 is divided into a plurality of partial beam bundles by the small lenses 42D of the first lens array 40D. The partial beam bundles emitted from each small lens 42D are deflected so that the central axis of each partial beam bundle is inclined in the direction of the system optical axis 100Dax by the condensing action of the condensing lens 44, and the second lens array 50D. The light enters the corresponding second small lens 52D. The second small lens 52D has a function of deflecting so that the central axis of the incident partial beam is parallel to the system optical axis 100Dax. As a result, the entire light emitted from the second lens array 50D is reduced more than the entire width of the light when it enters the condenser lens 44. Thus, the condensing lens 44 and the second lens array 50D function as an afocal optical system that converts the light bundle incident on the condensing lens 44 into a light bundle having a width smaller than the width thereof. The condensing lens 44 has a condensing function for realizing an afocal optical system, and the second lens array 50D has a function for collimating light for realizing an afocal optical system. Yes.
[0090]
Since the light emitted from the afocal optical system is reduced as a whole, the incident angle to the optical system arranged at the subsequent stage can be reduced as compared with the case without the afocal optical system. As described in the second embodiment, the use efficiency of light in the optical element is better when the incident angle of the light beam incident on the optical element is smaller. Therefore, the use efficiency of light can be improved by providing the afocal optical system.
[0091]
The condensing lens 44 of the first lens array 40C of this embodiment corresponds to the condensing function of the afocal optical system, and the second lens array 50C is the second lens array 50B (FIG. 11) of the second embodiment. ) And the function of the second lens array 50D (FIG. 18), that is, the function of collimating the light of the afocal optical system. Therefore, according to the illumination optical system 100C of the present embodiment, the incident efficiency to the polarization conversion optical system 60C arranged at the subsequent stage of the second lens array 50C can be increased as in the second embodiment. In addition, the function of the afocal optical system can improve the light use efficiency in the optical element disposed in the subsequent stage of the second lens array 50C. As a result, also in the illumination optical system of the present embodiment, the light utilization efficiency can be improved.
[0092]
E. Projection display:
FIG. 19 is a schematic configuration diagram of a main part of a projection display apparatus 1000 using the illumination optical system 100C of the present invention when viewed in plan. This projection display apparatus 1000 uses the illumination optical system 100C of the present invention.
[0093]
The projection display apparatus 1000 includes an illumination optical system 100C, a color light separation optical system 200, a relay optical system 220, three liquid crystal light valves 300R, 300G, and 300B, a cross dichroic prism 320, and a projection optical system 340. I have. In the projection display apparatus 1000, the light emitted from the illumination optical system 100C is separated into three color lights of red (R), green (G), and blue (B) by the color light separation optical system 200 and separated. Each color light is modulated in accordance with image information (image signal) through the liquid crystal light valves 300R, 300G, and 300B, and each modulated color light is synthesized by the cross dichroic prism 320 and then on the screen SC via the projection optical system 340. The image is displayed on the screen.
[0094]
As described above, the illumination optical system 100C emits linearly polarized light (in the above example, s-polarized light) whose polarization directions are aligned, and the liquid crystal light valves 300R, 300G, and 300B that are the illumination areas LA. Illuminate. Each of the liquid crystal light valves 300R, 300G, and 300B includes a liquid crystal panel and a polarizing plate disposed on the light incident / exit surface side. The polarizing plate disposed on the light incident surface of the liquid crystal panel is for further increasing the polarization degree of the illumination light, and the polarization direction of the linearly polarized light emitted from the illumination optical system 100C is determined by these polarizing plates. It is arrange | positioned so that it may become the permeation | transmission axis direction. In this way, the purity (degree of polarization) of linearly polarized light included in the illumination light emitted from the illumination optical system 100C can be further increased. If the degree of polarization of the illumination light emitted from the illumination optical system 100C is extremely high, the polarizing plate disposed on the light incident surface side can be omitted.
[0095]
The color light separation optical system 200 includes two dichroic mirrors 202 and 204 and a reflection mirror 208, and separates a light bundle emitted from the illumination optical system 100 into three color lights of red, green, and blue. Has the function of The first dichroic mirror 202 transmits the red light component of the light emitted from the illumination optical system 100 and reflects the blue light component and the green light component. The red light R transmitted through the first dichroic mirror 202 is reflected by the reflection mirror 208 and emitted toward the cross dichroic prism 320. The red light R emitted from the color light separation optical system 200 passes through the field lens 232 and reaches the liquid crystal light valve 300R for red light. The field lens 232 converts each partial light beam emitted from the illumination optical system 100 into a light beam parallel to the central axis. The same applies to the field lenses 234 and 230 provided in front of other liquid crystal light valves.
[0096]
Of the blue light B and green light G reflected by the first dichroic mirror 202, the green light G is reflected by the second dichroic mirror 204 and emitted from the color light separation optical system 200 toward the cross dichroic prism 320. Is done. The green light G emitted from the color light separation optical system 200 passes through the field lens 234 and reaches the liquid crystal light valve 300G for green light. On the other hand, the blue light B transmitted through the second dichroic mirror 204 is emitted from the color light separation optical system 200 and enters the relay optical system 220. The blue light B incident on the relay optical system 220 passes through the incident side lens 222, the relay lens 226, the reflection mirrors 224 and 228, and the emission side lens (field lens) 230 provided in the relay optical system 220. Reach the light valve 300B. Here, the reason why the relay optical system is used for the blue light B is to prevent the light use efficiency from being lowered because the optical path length of the blue light B is longer than the optical path lengths of the other color lights. is there. That is, the blue light incident on the incident side lens 222 is transmitted to the emission side lens 230 as it is. The distances from the superimposing optical system 70 of the illumination optical system 100 to the liquid crystal light valve 300R, the liquid crystal light valve 300G, and the incident side lens 222 are set to be substantially equal.
[0097]
The three liquid crystal light valves 300R, 300G, and 300B have a function as a light modulation device that forms an image by modulating light of three colors according to a given image signal. The cross dichroic prism 320 has a function as a color light combining optical system that combines three color lights modulated through the liquid crystal light valves 300R, 300G, and 300B to form a color image. The cross dichroic prism 320 includes a red light reflecting dichroic surface 321 on which a dielectric multilayer film that reflects red light is formed, and a blue light reflecting dichroic surface 322 on which a dielectric multilayer film that reflects blue light is formed. Is formed in a substantially X shape at the interface of four right-angle prisms. The red light reflecting dichroic surface 321 and the blue light reflecting dichroic surface 322 combine the three color lights to form combined light for projecting a color image. The combined light generated by the cross dichroic prism 320 is emitted in the direction of the projection optical system 340. The projection optical system 340 projects the combined light emitted from the cross dichroic prism 320 and displays a color image on the screen SC. Note that a telecentric lens can be used as the projection optical system 340.
[0098]
Since the projection display apparatus 1000 uses the illumination optical system 100C based on an integrator optical system with high light utilization efficiency, a uniform and bright image can be displayed.
[0099]
In the above embodiment, the case where the illumination optical system 100C is used has been described as an example, but the illumination optical system of another embodiment can also be used.
[0100]
In the projection display apparatus 1000, the illumination optical system 100C of the present invention is described as being applied to a projection display apparatus that projects a color image using three liquid crystal panels (liquid crystal light valves). It is not necessary to be limited to this. The illumination optical system of the present invention can be used as an illumination optical system in various apparatuses. For example, the present invention can also be applied to a projection display device that projects a monochrome image or a color image using a single liquid crystal panel. Further, the present invention can be applied to display devices other than the projection display device.
[0101]
Further, the projection display apparatus 1000 has been described by taking an example in which the illumination optical system of the present invention is applied to a transmissive projection display apparatus. However, the illumination optical system of the present invention is a reflective projection type. The present invention can also be applied to a display device. Here, “transmission type” means that the light modulation device is a type that transmits light, and “reflection type” means that the light modulation device is a type that reflects light. ing. Examples of the reflection type light modulation device include a reflection type liquid crystal panel and a digital micromirror device (trademark of TI). In a reflective projection display device, the cross dichroic prism can be used as a color light separating means for separating light into three colors of red, green, and blue, and is the same by recombining the modulated three colors of light. It can also be used as color light combining means for emitting in the direction of. Even when the present invention is applied to a reflective projection display device, substantially the same effect as that of a transmissive projection display device can be obtained.
[0102]
In addition, this invention is not restricted to said Example and embodiment, In the range which does not deviate from the summary, it is possible to implement in various aspects.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a main part of an illumination optical system 100 as a first embodiment viewed in plan.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a first lens array 40;
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a second lens array 50. FIG.
FIG. 4 is a front view showing the second lens array 50 and the first lens array 40 from the z-axis direction.
FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of a first polarization conversion element array 60a.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing functions of the first polarization conversion element array 60a.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a focused image formed by the first lens array 40 in the vicinity of the second lens array 50;
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the relationship between a second lens array 50 and a focused image formed in the vicinity of the second lens array 50 by the first lens array 40;
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a main part of an illumination optical system 100A as a second embodiment viewed in plan.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a first lens array 40A.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a second lens array 50A.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a virtual second lens array 50B.
FIG. 13 is a plan view showing the positional relationship between the first lens array 40A and the second lens array 50B.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing a focused image formed by the first lens array 40A in the vicinity of the second lens array 50B.
15 is an explanatory diagram showing a relationship between a second lens array 50A and a focused image formed by the first lens array 40 in the vicinity of the second lens array 50A. FIG.
FIG. 16 is a schematic configuration diagram of a main part of an illumination optical system 100C as a third embodiment viewed in plan.
FIG. 17 is an explanatory diagram showing a first lens array 40C.
FIG. 18 is an explanatory diagram showing the function of the condensing lens 44 of the first lens array 40C.
FIG. 19 is a schematic configuration diagram of a main part of a projection display apparatus 1000 using the illumination optical system 100C of the present invention when viewed in plan.
[Explanation of symbols]
20 ... Light source
22 ... Light source lamp
24 ... concave mirror
30. Split optical system
30A ... Split optical system
30B: Split optical system
30C: Split optical system
40. First lens array
40A ... first lens array
40C ... first lens array
40D ... first lens array
42. First small lens
42A ... 1st small lens
42Aa-42Ac ... 1st small lens
42D ... 1st small lens
44 ... Plano-convex lens
50. Second lens array
50A ... Second lens array
50B ... Second lens array
50C ... Second lens array
50D ... Second lens array
52. Second small lens
52A ... Second small lens
52B ... Second small lens
52Ba-52Bc ... 2nd small lens
52C ... Second small lens
52D ... Second small lens
60: Polarization conversion optical system
60A: Polarization conversion optical system
60C: Polarization conversion optical system
60a, 60b ... Polarization conversion optical system
60a: First polarization conversion optical system
60b ... Second polarization conversion optical system
62: Shading plate
62a ... Light-shielding surface
62b ... Opening surface
64: Polarizing beam splitter array
64a ... 1st translucent member
64b ... 2nd translucent member
64c ... 3rd translucent member
66a ... Polarized light separation membrane
66b ... Reflective film
70: Superimposing optical system
100: Illumination optical system
100A ... Illumination optical system
100C: Illumination optical system
1000: Projection display device
200: Color light separation optical system
202 ... 1st dichroic mirror
204 ... Second dichroic mirror
208 ... Reflection mirror
220: Relay optical system
222: Incident side lens
224, 228 ... Reflection mirror
226 ... Relay lens
230 ... Ejecting side lens (field lens)
232 ... Field lens
234 ... Field lens
300R, 300G, 300B ... Liquid crystal light valve
320 ... Cross dichroic prism
321 ... Red light reflecting dichroic surface
322 ... Blue light reflecting dichroic surface
340 ... Projection optical system

Claims (9)

所定の光学装置の光入射面を照明領域として照明する照明光学系であって、
光源と、
前記光源から射出された光を複数の部分光線束に分割する複数の小レンズを有する第1のレンズアレイと、
前記第1のレンズアレイの複数の小レンズにそれぞれ対応する複数の小レンズを有する第2のレンズアレイと、を備え、
前記第2のレンズアレイは、前記第1のレンズアレイから射出された複数の部分光線束が集光される近傍位置に配置されており、
前記第2のレンズアレイの複数の小レンズは、それぞれ対応する第1のレンズアレイの複数の小レンズによって集光された部分光線束の輪郭形状に応じて、略矩形形状以外の多角形形状に形成されており、
前記第2のレンズアレイの中心を通り、互いに垂直な2つの基準軸を定義したときに、前記第2のレンズアレイの複数の小レンズを区分する区分線のうち少なくとも一部は、前記2つの基準軸から離れるに従って、前記2つの基準軸に対する傾きが大きくなるように形成されており、
前記第1のレンズアレイは、M列(Mは2以上の整数)の小レンズ列を有しており、前記第2のレンズアレイは、N列(NはMよりも小さな1以上の整数)の小レンズ列を有しており、
前記第1のレンズアレイ内の複数の小レンズ列で形成された複数列の部分光線束を、より少ない列にまとめて前記第2のレンズアレイに入射させることによって、前記第1のレンズアレイのM列の小レンズ列で分割された部分光線束が前記第2のレンズアレイのN列の小レンズ列に入射するように構成されており、
前記第1のレンズアレイ内の前記複数の小レンズ列は2列の小レンズ列であり、
前記2列の小レンズ列は、前記2列の小レンズ列のうち外側の1列の各小レンズの位置が、列の方向に沿って、内側の1列の各小レンズの位置からずれて配列されており、
前記第1のレンズアレイの前記2列の小レンズ列に対応する前記第2のレンズアレイの1列の小レンズ列は、前記第1のレンズアレイの前記外側の1列の小レンズに対応する第1の小レンズと、前記内側の1列の小レンズに対応する第2の小レンズとが交互に配列されていることを特徴とする照明光学系。
An illumination optical system that illuminates a light incident surface of a predetermined optical device as an illumination area,
A light source;
A first lens array having a plurality of small lenses for dividing the light emitted from the light source into a plurality of partial beam bundles;
A second lens array having a plurality of small lenses respectively corresponding to the plurality of small lenses of the first lens array,
The second lens array is disposed in a vicinity position where a plurality of partial beam bundles emitted from the first lens array are condensed,
The plurality of small lenses of the second lens array have a polygonal shape other than a substantially rectangular shape in accordance with the contour shape of the partial light bundles collected by the plurality of small lenses of the corresponding first lens array. Formed,
When two reference axes that pass through the center of the second lens array and are perpendicular to each other are defined, at least some of the dividing lines that divide the plurality of small lenses of the second lens array are the two As the distance from the reference axis increases, the inclination with respect to the two reference axes increases .
The first lens array has M lens rows (M is an integer of 2 or more), and the second lens array has N rows (N is an integer of 1 or more smaller than M). Has a small lens array,
A plurality of partial beam bundles formed by a plurality of small lens rows in the first lens array are collected into a smaller number of rows and made incident on the second lens array. The partial light bundle divided by the M small lens rows is configured to be incident on the N small lens rows of the second lens array,
The plurality of lenslet rows in the first lens array are two lenslet rows,
In the two small lens rows, the position of each of the small lenses on the outer side of the two small lens rows is shifted from the position of each of the small lenses on the inner side along the direction of the rows. Are arranged,
The one small lens row of the second lens array corresponding to the two small lens rows of the first lens array corresponds to the outer small row of lenses of the first lens array. An illumination optical system , wherein first small lenses and second small lenses corresponding to the inner row of small lenses are alternately arranged .
請求項1記載の照明光学系であって、
前記第2のレンズアレイの複数の小レンズの少なくとも一部は、前記2つの基準線のうち、一方の基準線に平行な2つの区分線と、他方の基準線に対して傾いた2つの区分線とで区分された台形形状を有している、照明光学系。
The illumination optical system according to claim 1,
At least a part of the plurality of small lenses of the second lens array includes two segment lines parallel to one of the two reference lines and two segments inclined with respect to the other reference line. An illumination optical system having a trapezoidal shape separated by lines.
請求項1または請求項2記載の照明光学系であって、
入射光線束を前記入射光線束の幅よりも小さな幅を有する射出光線束に変換するアフォーカル光学系を備える、照明光学系。
The illumination optical system according to claim 1 or 2 ,
An illumination optical system comprising an afocal optical system that converts an incident light bundle into an outgoing light bundle having a width smaller than the width of the incident light bundle.
請求項3記載の照明光学系であって、
前記第1のレンズアレイの近傍に、前記アフォーカル光学系を実現するための集光機能を有する集光レンズを備えており、
前記第2のレンズアレイの複数の小レンズは、前記アフォーカル光学系を実現するための光を平行化する機能を有している、照明光学系。
The illumination optical system according to claim 3 ,
A condensing lens having a condensing function for realizing the afocal optical system is provided in the vicinity of the first lens array,
The plurality of small lenses of the second lens array have a function of collimating light for realizing the afocal optical system.
画像を投写して表示する投写型表示装置であって、
所定の照明領域を照明する照明光学系と、
前記照明領域としての光入射面を有し、前記照明光学系からの入射光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
前記光変調装置で得られる変調光を投写する投写光学系と、を備え、
前記照明光学系は、
光源と、
前記光源から射出された光を複数の部分光線束に分割する複数の小レンズを有する第1のレンズアレイと、
前記第1のレンズアレイの複数の小レンズにそれぞれ対応する複数の小レンズを有する第2のレンズアレイと、を備え、
前記第2のレンズアレイは、前記第1のレンズアレイから射出された複数の部分光線束が集光される近傍位置に配置されており、
前記第2のレンズアレイの複数の小レンズは、それぞれ対応する第1のレンズアレイの複数の小レンズによって集光された部分光線束の輪郭形状に応じて、略矩形形状以外の多角形形状に形成されており、
前記第2のレンズアレイの中心を通り、互いに垂直な2つの基準軸を定義したときに、前記第2のレンズアレイの複数の小レンズを区分する区分線のうち少なくとも一部は、前記2つの基準軸から離れるに従って、前記2つの基準軸に対する傾きが大きくなるように形成されており、
前記第1のレンズアレイは、M列(Mは2以上の整数)の小レンズ列を有しており、前記第2のレンズアレイは、N列(NはMよりも小さな1以上の整数)の小レンズ列を有しており、
前記第1のレンズアレイ内の複数の小レンズ列で形成された複数列の部分光線束を、より少ない列にまとめて前記第2のレンズアレイに入射させることによって、前記第1のレンズアレイのM列の小レンズ列で分割された部分光線束が前記第2のレンズアレイのN列の小レンズ列に入射するように構成されており、
前記第1のレンズアレイ内の前記複数の小レンズ列は2列の小レンズ列であり、
前記2列の小レンズ列は、前記2列の小レンズ列のうち外側の1列の各小レンズの位置が、列の方向に沿って、内側の1列の各小レンズの位置からずれて配列されており、
前記第1のレンズアレイの前記2列の小レンズ列に対応する前記第2のレンズアレイの1列の小レンズ列は、前記第1のレンズアレイの前記外側の1列の小レンズに対応する第1の小レンズと、前記内側の1列の小レンズに対応する第2の小レンズとが交互に配列されていることを特徴とする投写型表示装置。
A projection display device that projects and displays an image,
An illumination optical system for illuminating a predetermined illumination area;
A light modulation device that has a light incident surface as the illumination region and modulates incident light from the illumination optical system according to image information;
A projection optical system that projects the modulated light obtained by the light modulation device,
The illumination optical system includes:
A light source;
A first lens array having a plurality of small lenses for dividing the light emitted from the light source into a plurality of partial beam bundles;
A second lens array having a plurality of small lenses respectively corresponding to the plurality of small lenses of the first lens array,
The second lens array is disposed in a vicinity position where a plurality of partial beam bundles emitted from the first lens array are condensed,
The plurality of small lenses of the second lens array have a polygonal shape other than a substantially rectangular shape in accordance with the contour shape of the partial light bundles collected by the plurality of small lenses of the corresponding first lens array. Formed,
When two reference axes that pass through the center of the second lens array and are perpendicular to each other are defined, at least some of the dividing lines that divide the plurality of small lenses of the second lens array are the two As the distance from the reference axis increases, the inclination with respect to the two reference axes increases .
The first lens array has M lens rows (M is an integer of 2 or more), and the second lens array has N rows (N is an integer of 1 or more smaller than M). Has a small lens array,
A plurality of partial beam bundles formed by a plurality of small lens rows in the first lens array are collected into a smaller number of rows and made incident on the second lens array. The partial light bundle divided by the M small lens rows is configured to be incident on the N small lens rows of the second lens array,
The plurality of lenslet rows in the first lens array are two lenslet rows,
In the two small lens rows, the position of each of the small lenses on the outer side of the two small lens rows is shifted from the position of each of the small lenses on the inner side along the direction of the rows. Are arranged,
The one small lens row of the second lens array corresponding to the two small lens rows of the first lens array corresponds to the outer small row of lenses of the first lens array. A projection display device , wherein first small lenses and second small lenses corresponding to the inner row of small lenses are alternately arranged .
請求項5記載の投写型表示装置であって、
前記第2のレンズアレイの複数の小レンズの少なくとも一部は、前記2つの基準線のうち、一方の基準線に平行な2つの区分線と、他方の基準線に対して傾いた2つの区分線とで区分された台形形状を有している、投写型表示装置。
The projection display device according to claim 5 ,
At least a part of the plurality of small lenses of the second lens array includes two segment lines parallel to one of the two reference lines and two segments inclined with respect to the other reference line. A projection display device having a trapezoidal shape separated by lines.
請求項5または請求項6記載の投写型表示装置であって、
入射光線束を前記入射光線束の幅よりも小さな幅を有する射出光線束に変換するアフォーカル光学系を備える、投写型表示装置。
The projection display device according to claim 5 or 6 ,
A projection display device comprising an afocal optical system for converting an incident light bundle into an exit light bundle having a width smaller than the width of the incident light bundle.
請求項7記載の投写型表示装置であって、
前記第1のレンズアレイの近傍に、前記アフォーカル光学系を実現するための集光機能を有する集光レンズを備えており、
前記第2のレンズアレイの複数の小レンズは、前記アフォーカル光学系を実現するための光を平行化する機能を有している、投写型表示装置。
The projection display device according to claim 7 , wherein
A condensing lens having a condensing function for realizing the afocal optical system is provided in the vicinity of the first lens array,
The plurality of small lenses of the second lens array have a function of collimating light for realizing the afocal optical system.
請求項5ないし請求項8のいずれかに記載の投写型表示装置であって、
さらに、前記照明光学系からの射出光を少なくとも2色の色光に分離する色光分離光学系と、
前記色光分離光学系により分離された各色光をそれぞれ変調する複数の光変調装置と、
それぞれの前記電気光学装置で変調された後の各色の変調光を合成する色光合成光学系と、を備え、
前記色光合成手段によって得られた合成光が前記投写光学系を介して投写される、投写型表示装置。
A projection display device according to any one of claims 5 to 8 ,
Furthermore, a color light separation optical system that separates light emitted from the illumination optical system into at least two color lights;
A plurality of light modulation devices for modulating each color light separated by the color light separation optical system;
A color light combining optical system that combines the modulated light of each color after being modulated by each of the electro-optical devices,
A projection display device in which the combined light obtained by the color light combining means is projected through the projection optical system.
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