JP4862307B2 - Illumination optical system and image projection device - Google Patents
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Description
本発明は照明光学系と画像投影装置に関するものであり、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)やLCD(liquid crystal display)を表示素子とする画像投影装置と、その表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系に関するものである。 The present invention relates to an illumination optical system and an image projection apparatus, for example, an image projection apparatus using a digital micromirror device or an LCD (liquid crystal display) as a display element, and an image of the display element The present invention relates to an illumination optical system for illuminating a display surface.
画像投影装置において、表示素子の画像表示面を均一に照明するためにインテグレータロッドを用いた照明光学系が従来より知られている。インテグレータロッドは画像表示面と相似形状(つまり長方形状)の入射端面及び射出端面を有しており、入射端面上には集光光学系により光源像が形成される。しかし、インテグレータロッドの入射端面では、その大きさにより光束の取りこぼしが生じる場合がある。光束の取りこぼしが生じると、光線の伝達効率の低下によって照明効率が低下することになる。 In an image projection apparatus, an illumination optical system using an integrator rod for uniformly illuminating an image display surface of a display element has been conventionally known. The integrator rod has an entrance end face and an exit end face that are similar to the image display surface (that is, a rectangular shape), and a light source image is formed on the entrance end face by a condensing optical system. However, the incident end face of the integrator rod may cause a loss of light flux depending on its size. When the light flux is lost, the illumination efficiency is lowered due to the lowering of the light transmission efficiency.
照明効率を向上させるために、インテグレータロッドの形状に特徴を持たせた照明光学系が特許文献1〜4で提案されている。例えば、特許文献1記載のインテグレータロッドでは断面形状が平行四辺形になっており、特許文献2記載のインテグレータロッドでは入射端面が射出端面よりも狭くなったテーパー状になっている。特許文献3記載のインテグレータロッドでは、入射端面が射出端面よりも狭くなったテーパー状で、しかも断面形状が平行四辺形になっている。また、特許文献4記載のインテグレータロッドでは、入射端面が射出端面よりも広くなったテーパー状の中空ロッドになっている。
特許文献1〜4に記載されているように変形したインテグレータロッドは、製造が困難であり、その使用はコストアップを招く原因となる。このため、一般的な直方体形状のインテグレータロッドを用いた場合でも、高い照明効率が得られる照明光学系が求められている。
The integrator rod deformed as described in
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、照明効率の高い照明光学系とそれを用いた画像投影装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an illumination optical system with high illumination efficiency and an image projection apparatus using the illumination optical system.
上記目的を達成するために、第1の発明の照明光学系は、表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系であって、照明光を発する光源と、前記光源からの照明光を集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された照明光の空間的なエネルギー分布を均一化するインテグレータロッドと、前記インテグレータロッドから射出した照明光をリレーしてインテグレータロッドの射出端面の像を前記画像表示面上に形成するリレー光学系と、入射した光の方向を互いに異なる方向に射出する少なくとも二つの偏向部を前記光源の光軸に垂直な方向に前記光軸を挟んで備えた偏向プリズムを、前記光源から前記インテグレータロッドまでの光路間に、前記照明光の光軸方向に並んで少なくとも二つ有し、前記照明光を光軸方向に一つ目の前記偏向プリズムの全ての前記偏向部に入射させて各々偏向させて異なる光束に分離し、一つ目の前記偏向プリズムにおいて分離された後の各々の光束を、二つ目以降の各偏向プリズムにおいて各光束に対応する一つの偏向部に、偏向プリズム毎に順次入射させて偏向し、全ての前記偏向プリズムを射出した各光束から成る光源像を前記インテグレータロッドの入射端面上に位置させる偏向手段と、を有することを特徴とする。
第2の発明の照明光学系は、上記第1の発明において、各偏向プリズムは二つの偏向部を備えていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an illumination optical system according to a first aspect of the present invention is an illumination optical system for illuminating an image display surface of a display element, and includes a light source that emits illumination light, and illumination light from the light source. a focusing optical system for focusing, and the integrator rod to homogenize the spatial energy distribution of the focused illumination beam at the light converging optical system, the integrator rod to relay the illumination light emitted from the integrator rod A relay optical system that forms an image of the exit end face on the image display surface, and at least two deflectors that emit the incident light in directions different from each other, the optical axis in the direction perpendicular to the optical axis of the light source. across the deflecting prism having in, between the light path from the light source to the integrator rod, has at least two side by side in the optical axis direction of the illumination light, wherein the first one of the illumination light in the optical axis direction The light beams are incident on all the deflecting portions of the directional prism and deflected to be separated into different light beams. The light beams after being separated by the first deflecting prism are separated by the second and subsequent deflecting prisms. Deflecting means for sequentially injecting and deflecting each deflecting prism to one deflecting unit corresponding to a light beam, and positioning a light source image composed of each light beam emitted from all the deflecting prisms on an incident end face of the integrator rod ; It is characterized by having.
The illumination optical system according to a second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, each deflecting prism includes two deflecting portions.
第3の発明の照明光学系は、上記第1又は第2の発明において、前記偏向手段が、前記集光光学系の直後に配置された第1偏向プリズムと、前記インテグレータロッドの直前に配置された第2偏向プリズムと、から成ることを特徴とする。 An illumination optical system according to a third invention is the illumination optical system according to the first or second invention, wherein the deflection unit is arranged immediately before the integrator rod and the first deflection prism arranged immediately after the condensing optical system. And a second deflecting prism.
第4の発明の照明光学系は、上記第1又は第2の発明において、前記偏向手段が、一つ目の前記偏向プリズムの代わりである前記集光光学系と、前記インテグレータロッドの直前に配置された偏向プリズムと、から成り、前記集光光学系がリフレクターから成り、前記リフレクターの反射面が集光光学系の光軸を基準として互いに異なる方向に回転させて成る少なくとも2つの反射面の組み合わせから成ることを特徴とする。 The illumination optical system according to a fourth aspect of the present invention is the illumination optical system according to the first or second aspect , wherein the deflecting unit is disposed immediately before the condensing optical system instead of the first deflection prism and the integrator rod. is a deflecting prism was made, the light converging optical system consists of the reflector, at least two reflective surfaces reflecting surface is made by rotating the direction towards that different from each other based on the optical axis of the converging optical system of the reflector It is characterized by comprising a combination of
第5の発明の照明光学系は、上記第1又は第2の発明において、前記偏向手段が、前記インテグレータロッドの直前に配置された3つの偏向プリズムから成り、前記集光光学系側から順に、第1偏向プリズムと、第2偏向プリズムと、第3偏向プリズムと、から成ることを特徴とする。 An illumination optical system according to a fifth invention is the illumination optical system according to the first or second invention, wherein the deflecting means includes three deflecting prisms disposed immediately before the integrator rod, and sequentially from the condensing optical system side. It comprises a first deflecting prism, a second deflecting prism, and a third deflecting prism.
第6の発明の照明光学系は、上記第5の発明において、前記第1偏向プリズムが前記インテグレータロッドの光軸に近い部分の厚みが薄くなる形状を有し、前記第2偏向プリズムが前記インテグレータロッドの光軸に近い部分の厚みが厚くなる形状を有し、前記第3偏向プリズムが前記インテグレータロッドの光軸に近い部分の厚みが厚くなる形状を有することを特徴とする。 The illumination optical system according to a sixth aspect of the present invention is the illumination optical system according to the fifth aspect , wherein the first deflection prism has a shape in which a thickness of a portion near the optical axis of the integrator rod is reduced, and the second deflection prism is the integrator. The third deflection prism has a shape in which the thickness of the portion near the optical axis of the rod is increased, and the third deflection prism has a shape in which the thickness of the portion near the optical axis of the integrator rod is increased.
第7の発明の照明光学系は、上記第5の発明において、前記第1偏向プリズムと前記第2偏向プリズムが一体的に構成されていることを特徴とする。 An illumination optical system according to a seventh aspect is characterized in that, in the fifth aspect , the first deflection prism and the second deflection prism are integrally formed.
第8の発明の画像投影装置は、上記第1〜第7のいずれか1つの発明に係る照明光学系と、複数の曲面ミラーにより光路を前記画像表示面の短辺方向に平行な面内で折り曲げて、前記画像表示面をミラーのパワーでスクリーン上に拡大投影する投影光学系と、備えたことを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided an image projection apparatus comprising: the illumination optical system according to any one of the first to seventh aspects of the present invention; and a plurality of curved mirrors so that the optical path is in a plane parallel to the short side direction of the image display surface. And a projection optical system that folds and projects the image display surface onto a screen with the power of a mirror.
本発明によれば、入射した光の方向を互いに異なる方向に射出する少なくとも二つの偏向部を光源の光軸に垂直な方向に光軸を挟んで備えた偏向プリズムを、光源からインテグレータロッドまでの光路間に、照明光の光軸方向に並んで少なくとも二つ有し、照明光を光軸方向に一つ目の偏向プリズムの全ての偏向部に入射させて各々偏向させて異なる光束に分離し、一つ目の偏向プリズムにおいて分離された後の各々の光束を、二つ目以降の各偏向プリズムにおいて各光束に対応する一つの偏向部に、偏向プリズム毎に順次入射させて偏向し、全ての偏向プリズムを射出した各光束から成る光源像をインテグレータロッドの入射端面上に位置させる構成になっているため、光線の伝達効率の向上によって高い照明効率を得ることができる。したがって、本発明に係る照明光学系をリアプロジェクター,フロントプロジェクター等の画像投影装置に用いれば、照明効率の向上によるコンパクト化,低コスト化,高性能化,高機能化等に大きく寄与することができる。なかでも、複数の曲面ミラーにより光路を画像表示面の短辺方向に平行な面内で折り曲げて、画像表示面をミラーのパワーでスクリーン上に拡大投影する投影光学系に適用すれば、その高性能化及びミラーの小型化を達成することができる。 According to the present invention, there is provided a deflection prism having at least two deflecting portions that emit the directions of incident light in directions different from each other with the optical axis in a direction perpendicular to the optical axis of the light source, from the light source to the integrator rod. Between the optical paths, there are at least two side by side in the optical axis direction of the illumination light, and the illumination light is incident on all the deflecting parts of the first deflection prism in the optical axis direction to be deflected and separated into different light beams. The light beams after being separated in the first deflecting prism are deflected by sequentially entering each deflecting prism to one deflecting unit corresponding to each light beam in each of the second and subsequent deflecting prisms. Since the light source image composed of each light beam emitted from the deflecting prism is positioned on the incident end face of the integrator rod, high illumination efficiency can be obtained by improving the light transmission efficiency. Therefore, if the illumination optical system according to the present invention is used in an image projection apparatus such as a rear projector or a front projector, it can greatly contribute to compactness, low cost, high performance, high functionality, etc. by improving illumination efficiency. it can. In particular, if the optical path is bent in a plane parallel to the short side direction of the image display surface by a plurality of curved mirrors and applied to a projection optical system that magnifies and projects the image display surface on the screen with the power of the mirror, its high Performance and mirror miniaturization can be achieved.
以下、本発明を実施した照明光学系,画像投影装置等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。 Hereinafter, an illumination optical system, an image projection apparatus and the like embodying the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is mutually attached | subjected to the part which is the same in each embodiment etc., and the corresponding part, and duplication description is abbreviate | omitted suitably.
《第1の実施の形態(図1,図2)》
図1に、第1の実施の形態に係る照明光学系IL1を備えた背面投写型画像投影装置(リアプロジェクター)の光学構成全体(光学配置,投影光路等)を、表示素子DPの画像表示面の長辺方向に沿って見たときの光学断面で示す。また、図2に照明光学系IL1の要部を拡大して示す。図2(A)は照明光学系IL1の上面図であり、図2(B)は照明光学系IL1の側面図である。図1,図2において、1はランプ、2はインテグレータロッド、3はリレー光学系、2aはインテグレータロッド2の入射端面、2bはインテグレータロッド2の射出端面、P1は第1偏向プリズム、P2は第2偏向プリズム、DPは長方形状の画像表示面を有する表示素子、M1〜M4は第1〜第4曲面ミラー、LNは屈折レンズ、MFは平面反射面を有する背面ミラー、SCはスクリーンである。
<< First Embodiment (FIGS. 1 and 2) >>
FIG. 1 shows an entire optical configuration (optical arrangement, projection light path, etc.) of a rear projection type image projection apparatus (rear projector) including the illumination optical system IL1 according to the first embodiment, and an image display surface of a display element DP. It shows by the optical cross section when it sees along the long side direction. FIG. 2 shows an enlarged view of the main part of the illumination optical system IL1. 2A is a top view of the illumination optical system IL1, and FIG. 2B is a side view of the illumination optical system IL1. 1 and 2,
また図2において、1aは光源、1bは楕円反射面を有するリフレクター、実線で示すP1aは第1偏向プリズムP1の上側半分を構成する右側偏向部、破線で示すP1bは第1偏向プリズムP1の下側半分を構成する左側偏向部、P2aは第2偏向プリズムP2の右側半分を構成する上側偏向部、破線で示すP2bは第2偏向プリズムP2の左側半分を構成する下側偏向部、実線で示すXaは照明光束の上側半分の中心光線、破線で示すXbは照明光束の下側半分の中心光線であり、AXはランプ光軸(インテグレータロッド2の光軸と一致している。)、Lは表示素子DPの画像表示面の長辺方向(入射端面2a,射出端面2bの各長辺方向に対応する。)、Sは表示素子DPの画像表示面の短辺方向(入射端面2a,射出端面2bの各短辺方向に対応する。)である。
In FIG. 2, 1a is a light source, 1b is a reflector having an elliptical reflecting surface, P1a indicated by a solid line is a right deflection part constituting the upper half of the first deflection prism P1, and P1b indicated by a broken line is below the first deflection prism P1. P2a is an upper deflection unit that configures the right half of the second deflection prism P2, P2b is a lower deflection unit that configures the left half of the second deflection prism P2, and is illustrated by a solid line. Xa is the central ray of the upper half of the illumination light beam, Xb indicated by a broken line is the central light ray of the lower half of the illumination light beam, AX is the lamp optical axis (which coincides with the optical axis of the integrator rod 2), and L is The long side direction of the image display surface of the display element DP (corresponding to each long side direction of the
図1に示す画像投影装置は、表示素子DPの画像表示面を照明するために、ランプ1,インテグレータロッド2,リレー光学系3,第1偏向プリズムP1,第2偏向プリズムP2等から成る照明光学系IL1を備えており、また、表示素子DPの画像表示面をスクリーンSCに対して斜め方向からミラーのパワーで拡大投影するために、第1〜第4曲面ミラーM1〜M4,屈折レンズLN等から成る投影光学系OP1を備えている。以下に、各部の構成を更に詳しく説明する。
The image projection apparatus shown in FIG. 1 is an illumination optical system including a
図2に示すように、ランプ1は光源1a,リフレクター1b等を有している。リフレクター1bは、光源1aから発せられた照明光を集光して2次光源を形成する楕円面鏡(集光光学系)であり、ランプ1から射出した照明光がインテグレータロッド2の入射端面2a近傍で結像するように構成されている。なお、リフレクター1bとして放物面鏡や球面鏡等を用いてもよいが、その場合、光源1aからの光を集光するために、集光レンズ等と組み合わせて集光光学系を構成する必要がある。
As shown in FIG. 2, the
ランプ1から射出した照明光は、図2に示すように、第1偏向プリズムP1に入射する。第1偏向プリズムP1は、第1偏向プリズムP1の上側半分を構成する右側偏向部P1aと、第1偏向プリズムP1の下側半分を構成する左側偏向部P1bと、から成っている。また、右側偏向部P1aと左側偏向部P1bはいずれも直角プリズムから成っており、互いの向きが左右方向(長辺方向L)に反対になるように配置されている。つまり図2(A)に示すように、右側偏向部P1aは右側ほど厚みが増大する向きに配置されており、左側偏向部P1bは左側ほど厚みが増大する向きに配置されている。したがって、第1偏向プリズムP1に入射した光束のうち、上側半分は右側へ偏向し、下側半分は左側へ偏向することになる。このように、照明光は第1偏向プリズムP1で光路が互いに異なる2つの光束に分割されるが、図2(B)に示すように、上下方向(短辺方向S)への光束の分割は行われない。
The illumination light emitted from the
第1偏向プリズムP1で分割された各光束は、第2偏向プリズムP2に入射する。第2偏向プリズムP2は、第2偏向プリズムP2の右側半分を構成する上側偏向部P2aと、第2偏向プリズムP2の左側半分を構成する下側偏向部P2bと、から成っている。また、上側偏向部P2aと下側偏向部P2bはいずれも直角プリズムから成っており、互いの向きが上下方向(短辺方向S)に反対になるように配置されている。つまり図2(B)に示すように、上側偏向部P2aは上側ほど厚みが増大する向きに配置されており、下側偏向部P2bは下側ほど厚みが増大する向きに配置されている。第1偏向プリズムP1で分割された2つの光束のうち、中心光線Xaを含む光束は上側偏向部P2aで上側へ偏向し、中心光線Xbを含む光束は下側偏向部P2bで下側へ偏向する。その結果、第2偏向プリズムP2によって偏向した各光束の中心光線Xa,Xbは、短辺方向Sに関しインテグレータロッド2の入射端面2aに対して垂直に入射することになる。このように、第2偏向プリズムP2によって各光束は偏向し、各光束から成る光源像がインテグレータロッド2の入射端面2a上に位置することになるが、図2(A)に示すように、左右方向(長辺方向L)への光束の偏向は行われない。
Each light beam divided by the first deflecting prism P1 enters the second deflecting prism P2. The second deflection prism P2 includes an upper deflection portion P2a that constitutes the right half of the second deflection prism P2, and a lower deflection portion P2b that constitutes the left half of the second deflection prism P2. Further, both the upper deflection portion P2a and the lower deflection portion P2b are formed of right-angle prisms, and are arranged so that their directions are opposite to each other in the vertical direction (short side direction S). That is, as shown in FIG. 2B, the upper deflection portion P2a is arranged in a direction in which the thickness increases toward the upper side, and the lower deflection portion P2b is arranged in a direction in which the thickness increases at the lower side. Of the two light beams divided by the first deflection prism P1, the light beam including the central light beam Xa is deflected upward by the upper deflecting portion P2a, and the light beam including the central light beam Xb is deflected downward by the lower deflecting portion P2b. . As a result, the central rays Xa and Xb of each light beam deflected by the second deflecting prism P2 are incident on the
第2偏向プリズムP2から射出した照明光は、入射端面2aからインテグレータロッド2に入射する。インテグレータロッド2は、4枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段であり、前述したように2次光源近傍に入射端面2aを有している。入射端面2aから入射してきた照明光は、インテグレータロッド2の側面(すなわち内壁面)で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光の空間的なエネルギー分布が均一化されて射出端面2bから射出する。インテグレータロッド2の入射端面2aと射出端面2bの形状は、表示素子DPの画像表示面と相似の四角形になっており、また、インテグレータロッド2の射出端面2bは表示素子DPの画像表示面に対して共役になっている。したがって、上記ミキシング効果により射出端面2bでの輝度分布が均一化されることにより、表示素子DPは効率良く均一に照明されることになる。なお、インテグレータロッド2は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、表示素子DPの画像表示面形状と適合するならば、その側面についても4面に限らない。したがって、用いるインテグレータロッド2としては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。
The illumination light emitted from the second deflection prism P2 enters the
インテグレータロッド2の入射端面2a又は射出端面2bの近傍には、カラー表示のために射出光色を時分割で変化させるカラーホイールを配置してもよい。カラーホイールは、表示素子DPをカラーシーケンシャル方式で照明するためのカラーフィルタから成っており、照明光透過位置のフィルタ部分が回転移動することにより射出光の色を変化させるものである。また、UV(ultraviolet ray)−IR(infrared ray)カットフィルターを配置することにより、照明光から紫外線と赤外線をカットするように構成してもよい。
In the vicinity of the
図1に示すようにインテグレータロッド2から射出した照明光は、照明用のリレー光学系3に入射する。リレー光学系3は、照明光をリレーしてインテグレータロッド2の射出端面2bを表示素子DPの画像表示面上で結像させる。つまり、表示素子DPの画像表示面上にはインテグレータロッド2の射出端面2bの像が形成されることになる。表示素子DPの画像表示面では、照明光の強度変調により2次元画像が形成される。ここでは、表示素子DPとしてデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を想定している。ただし、使用される表示素子DPはこれに限らず、投影光学系OP1に適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子DPとしてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、それに入射した光は、ON/OFF状態(例えば±12°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ON状態のマイクロミラーで反射した光のみが投影光学系OP1に入射してスクリーンSC上に投射される。投影光学系OP1では第1〜第4曲面ミラーM1〜M4と背面ミラーMFによって光路が画像表示面の短辺方向Sに平行な面内で折り曲げられ、第1〜第4曲面ミラーM1〜M4のパワーにより画像表示面がスクリーンSC上に拡大投影される。
As shown in FIG. 1, the illumination light emitted from the
第1の実施の形態のように、画像表示面を均一に照明するためにインテグレータロッドを備えた照明光学系では、その入射端面で光束の取りこぼしが生じないようにしなければならない。光束の取りこぼしが生じると、光線の伝達効率の低下によって照明効率が低下してしまうからである。例えば、インテグレータロッドの入射端面のサイズが小さく、そのアスペクト比が16:9である場合、ランプからの集光光束はインテグレータロッドの入射端面のサイズよりも大きなスポットサイズで集光することから、特に上下方向(短辺方向S)における入射端面での光束の取りこぼしが大きくなる。その結果、画像表示面を効率良く照明することができずに、照明効率が低下することになる。 As in the first embodiment, in an illumination optical system provided with an integrator rod for uniformly illuminating the image display surface, it is necessary to prevent the light flux from being lost at the incident end surface. This is because if the light flux is missed, the illumination efficiency is lowered due to a decrease in the light transmission efficiency. For example, when the size of the incident end face of the integrator rod is small and the aspect ratio is 16: 9, the condensed light flux from the lamp is collected with a spot size larger than the size of the incident end face of the integrator rod. The loss of light flux at the incident end face in the vertical direction (short side direction S) increases. As a result, the image display surface cannot be efficiently illuminated, and the illumination efficiency is reduced.
第1の実施の形態では、一般的な直方体形状のインテグレータロッドを用いた場合でも高い照明効率が得られるようにするため、ランプ1からインテグレータロッド2までの光路間において、ランプ1からの照明光を第1偏向プリズムP1で上下2つの光束に分割し、分割された各光束から成る光源像を第2偏向プリズムP2でインテグレータロッド2の入射端面2a上に位置させている。このように、第1偏向プリズムP1でランプ1からの光束を上下(短辺方向S)に2分割することにより、各スポットサイズを小さくすることができる。さらに、インテグレータロッド2の入射端面2aのサイズやそのアスペクト比16:9に合うように、第2偏向プリズムP2で集光光束をインテグレータロッド2に入射させることができる。したがって、入射端面2aでの光束の取りこぼしを小さくすることができ、その結果、画像表示面を効率良く照明することが可能となる。しかも、インテグレータロッド2は一般的な直方体形状を有するものであるため、コストアップを招くこともない。また第2偏向プリズムP2での偏向により、2つの光束の中心光線Xa,Xbが、短辺方向Sに関しインテグレータロッド2の入射端面2aに対して垂直に入射することになるので、分割された各光束が同じ方向に重ね合わされて、リレー光学系3内の瞳位置における光量分布が均一化されるとともに、投影光学系OP1の瞳形状との重ね合わせによる照明効率の向上も可能である。
In the first embodiment, illumination light from the
一般的な照明光学系では、ランプからの光束をコンデンサーレンズ又は楕円面鏡で集光して、F1程度(θ=30°)の集光光束としてインテグレータロッドに入射させ、F1程度の光束としてインテグレータロッドから射出させた後、画像表示面を照明する構成になっている。第1の実施の形態のように、ランプ1からの光束を上下に2分割した場合、インテグレータロッド2に入射する集光光束のF値は、上下方向(短辺方向S)においてF1.9程度(θ=15°)となり、それらF1.9程度の集光光束が2つ、入射端面2a上で集光することになる。入射端面2aに入射する光束のFナンバーが、短辺方向Sでは長辺方向Lの約2倍になるので、画像表示面への照明光及び画像表示面で変調された画像光のFナンバーも短辺方向Sが長辺方向Lの約2倍になる。図1に示すように、複数の曲面ミラーにより光路を画像表示面の短辺方向Sに平行な面内で折り曲げる投影光学系OP1の場合には、短辺方向Sの広がり角が小さいので、各ミラーの偏心度合いが小さくて済む。このため、収差性能を良くすることが可能になり、高性能な投影光学系OP1を実現することができる。また、短辺方向Sの広がり角が小さいので、短辺方向Sにミラーを小型化することができる。
In a general illumination optical system, a luminous flux from a lamp is condensed by a condenser lens or an ellipsoidal mirror, and is incident on an integrator rod as a condensed luminous flux of about F1 (θ = 30 °), and is integrated as a luminous flux of about F1. After being ejected from the rod, the image display surface is illuminated. As in the first embodiment, when the light beam from the
第1の実施の形態では照明光を上下2つの光束に分割する構成を採用しているが、照明光束の分割・偏向はこれに限るものではない。光源からインテグレータロッドまでの光路間に、光源からの照明光を光路が互いに異なる少なくとも2つの光束に分割し、分割された各光束から成る光源像をインテグレータロッドの入射端面上に位置させる偏向手段を有する構成を採用すれば、少なくとも2つの光源像をインテグレータロッドの入射端面の長辺方向、短辺方向又は対角方向に並べることにより、入射端面での光束の取りこぼしをなくすことができる。その結果、光線の伝達効率の向上によって高い照明効率を得ることが可能となる。さらに、インテグレータロッドを複雑な形状にする必要がないので、インテグレータロッドの製造時における負荷を削減することができ、コストアップを抑えることが可能となる。また、インテグレータロッドの入射端面に対する各光束の位置関係を調整して光のロスが生じないようにするため、例えば第1の実施の形態では、第1偏向プリズムP1における右側偏向部P1aと左側偏向部P1bの配置を入れ替えたり、第1偏向プリズムP1をランプ光軸AXに垂直な軸を中心に傾けたりした構成を採用してもよく、第2偏向プリズムP2における上側偏向部P2aと下側偏向部P2bの配置を入れ替えたり、第2偏向プリズムP2をランプ光軸AXに垂直な軸を中心に傾けたりした構成を採用してもよい。 In the first embodiment, the configuration in which the illumination light is divided into two upper and lower light beams is adopted, but the division and deflection of the illumination light beam is not limited to this. Deflection means for dividing the illumination light from the light source into at least two light beams having different light paths between the light paths from the light source to the integrator rod, and positioning a light source image composed of the divided light beams on the incident end surface of the integrator rod. By adopting the configuration, the at least two light source images are arranged in the long side direction, the short side direction, or the diagonal direction of the incident end surface of the integrator rod, so that it is possible to eliminate the loss of light flux on the incident end surface. As a result, it is possible to obtain high illumination efficiency by improving the light transmission efficiency. Furthermore, since it is not necessary to make the integrator rod into a complicated shape, it is possible to reduce the load at the time of manufacturing the integrator rod, and it is possible to suppress an increase in cost. Further, in order to prevent the loss of light by adjusting the positional relationship of each light beam with respect to the incident end face of the integrator rod, for example, in the first embodiment, the right deflection unit P1a and the left deflection in the first deflection prism P1. The arrangement of the portion P1b may be changed, or the first deflection prism P1 may be tilted about an axis perpendicular to the lamp optical axis AX. The upper deflection portion P2a and the lower deflection in the second deflection prism P2 may be employed. A configuration in which the arrangement of the part P2b is replaced or the second deflection prism P2 is tilted about an axis perpendicular to the lamp optical axis AX may be employed.
第1の実施の形態(図2)のように、集光光学系の直後に配置された第1偏向プリズムP1と、インテグレータロッドの直前に配置された第2偏向プリズムP2と、で偏向手段を構成することは、偏向手段を小型化する上で好ましい。つまり、前述した偏向手段を第1,第2偏向プリズムP1,P2で構成し、さらに第2偏向プリズムP2をインテグレータロッドの直前に配置すれば、第2偏向プリズムP2の小型化が可能になる。 As in the first embodiment (FIG. 2), the first deflecting prism P1 disposed immediately after the condensing optical system and the second deflecting prism P2 disposed immediately before the integrator rod are used as deflection means. The configuration is preferable in reducing the size of the deflecting means. That is, if the above-described deflecting means is constituted by the first and second deflecting prisms P1 and P2, and the second deflecting prism P2 is disposed immediately before the integrator rod, the second deflecting prism P2 can be reduced in size.
《第2の実施の形態(図3,図4)》
図3に、第2の実施の形態に係る照明光学系IL2の要部を拡大して示す。図3(A)は照明光学系IL2の上面図であり、図3(B)は照明光学系IL2の側面図である。この照明光学系IL2の特徴はリフレクター4bの反射面形状にあり、その基本構成は前記第1の実施の形態と同様である。図4に示すように、リフレクター4bの反射面は、ランプ光軸AXを基準として左右方向(長辺方向L)に等しい角度で回転させて成る2つの楕円反射面α,βの組み合わせから成っている。したがってリフレクター4bは、光源4aから発せられた照明光を集光して2次光源を形成する楕円面鏡(集光光学系)として作用すると同時に、照明光学系IL1に用いられている第1偏向プリズムP1としても作用する。
<< Second Embodiment (FIGS. 3 and 4) >>
FIG. 3 shows an enlarged view of a main part of the illumination optical system IL2 according to the second embodiment. FIG. 3A is a top view of the illumination optical system IL2, and FIG. 3B is a side view of the illumination optical system IL2. The illumination optical system IL2 is characterized by the shape of the reflecting surface of the
図3(B)に示すように、ランプ4において光源4aから発せられた照明光はリフレクター4bに入射する。リフレクター4bの反射面は、その上側半分を構成する楕円反射面αと、下側半分を構成する楕円反射面βと、から成っている。2つの楕円反射面α,βの向きは、左右方向(長辺方向L)に反対になるように配置されている。つまり図4に示すように、楕円反射面αはランプ光軸AXの右側に傾いた向きに配置されており、楕円反射面βはランプ光軸AXの左側に傾いた向きに配置されている。したがって、リフレクター4bに入射した光のうち、上側半分は右側へ偏向し、下側半分は左側へ偏向することになる。このように、照明光はリフレクター4bで光路が互いに異なる2つの光束に分割されるが、図3(B)に示すように、上下方向(短辺方向S)への光束の分割は行われない。
As shown in FIG. 3B, the illumination light emitted from the
リフレクター4bで分割された各光束は、偏向プリズムP2に入射する。この偏向プリズムP2は、照明光学系IL1に用いられている第2偏向プリズムP2と同じ構成を有している。つまり、偏向プリズムP2は、偏向プリズムP2の右側半分を構成する上側偏向部P2aと、偏向プリズムP2の左側半分を構成する下側偏向部P2bと、から成っている。また、上側偏向部P2aと下側偏向部P2bはいずれも直角プリズムから成っており、互いの向きが上下方向(短辺方向S)に反対になるように配置されている。つまり図3(B)に示すように、上側偏向部P2aは上側ほど厚みが増大する向きに配置されており、下側偏向部P2bは下側ほど厚みが増大する向きに配置されている。リフレクター4bで分割された2つの光束のうち、中心光線Xaを含む光束は上側偏向部P2aで上側へ偏向し、中心光線Xbを含む光束は下側偏向部P2bで下側へ偏向する。その結果、偏向プリズムP2によって偏向した各光束の中心光線Xa,Xbは、短辺方向Sに関しインテグレータロッド2の入射端面2aに対して垂直に入射することになる。このように、偏向プリズムP2によって各光束は偏向し、各光束から成る光源像がインテグレータロッド2の入射端面2a上に位置することになるが、図3(A)に示すように、左右方向(長辺方向L)への光束の偏向は行われない。
Each light beam divided by the
上記のようにリフレクター4bは、集光光学系と偏向手段の両機能を有している。したがって、リフレクター4bから成る集光光学系と、インテグレータロッド2の直前に配置された偏向プリズムP1と、で偏向手段が構成されていることになる。このように、リフレクターに偏向手段の機能を持たせれば、ランプ直後にサイズの大きな偏向プリズムを配置する必要がないため、部品点数の削減による低コスト化が可能となる。また、第2の実施の形態では照明光を上下2つの光束に分割する構成を採用しているが、照明光束の分割・偏向はこれに限るものではない。リフレクターの反射面が集光光学系の光軸を基準として互いに異なる上下方向又は左右方向に回転させて成る少なくとも2つの反射面の組み合わせから成る構成を採用すれば、上記部品点数の削減による低コスト化とともに、第1の実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。また、前記投影光学系OP1との組み合わせにより得られる効果も第1の実施の形態と同様である。
As described above, the
《第3の実施の形態(図5)》
図5に、第3の実施の形態に係る照明光学系IL3の要部を拡大して示す。図5(A)は照明光学系IL3の上面図、図5(B)は照明光学系IL3の側面図、図5(C)は照明光学系IL3の斜視図であり、図5(D)は図5(C)の位置X1における光束断面図、図5(E)は図5(C)の位置X2における光束断面図、図5(F)は図5(C)の位置X3における光束断面図である。また図5において、5はランプ、5aは光源、5bは放物面鏡から成るリフレクター、6は集光レンズ、P3は第1偏向プリズム、P4は第2偏向プリズム、P5は第3偏向プリズムである。
<< Third Embodiment (FIG. 5) >>
FIG. 5 shows an enlarged view of a main part of the illumination optical system IL3 according to the third embodiment. 5A is a top view of the illumination optical system IL3, FIG. 5B is a side view of the illumination optical system IL3, FIG. 5C is a perspective view of the illumination optical system IL3, and FIG. 5C is a light beam cross-sectional view at position X1, FIG. 5E is a light beam cross-sectional view at position X2 in FIG. 5C, and FIG. 5F is a light beam cross-sectional view at position X3 in FIG. It is. In FIG. 5, 5 is a lamp, 5a is a light source, 5b is a reflector made of a parabolic mirror, 6 is a condenser lens, P3 is a first deflecting prism, P4 is a second deflecting prism, and P5 is a third deflecting prism. is there.
図5に示すように、ランプ5は光源5a,リフレクター5b等を有している。リフレクター5bの反射面は放物面から成っているので、光源5aから発せられた照明光はリフレクター5bでの反射により平行光束となる。ランプ5から射出した照明光は、集光レンズ6に入射する。集光レンズ6は2次光源を形成するための集光光学系であり、照明光がインテグレータロッド2の入射端面2a近傍で結像するように構成されている。つまり、ランプ5と集光レンズ6との組み合わせにより、照明光学系IL1に用いられているランプ1と同様の光学的作用が得られる。
As shown in FIG. 5, the
集光レンズ6から射出した照明光は、インテグレータロッド2の直前に配置された偏向手段に入射する。偏向手段は、集光レンズ6側から順に、第1偏向プリズムP3と、第2偏向プリズムP4と、第3偏向プリズムP5と、の3つの偏向プリズムから成っている。このように、インテグレータロッド2の直前に偏向手段を配置することにより、集光レンズ6の直後に偏向手段を配置するよりも、偏向手段の小型化及び低コスト化が可能となる。
The illumination light emitted from the
第1偏向プリズムP3はインテグレータロッド2の光軸AXに近い部分の厚みが薄くなる形状を有しており、第2偏向プリズムP4はインテグレータロッド2の光軸AXに近い部分の厚みが厚くなる形状を有しており、第3偏向プリズムP5はインテグレータロッド2の光軸AXに近い部分の厚みが厚くなる形状を有している。そして、第1偏向プリズムP3では偏向が上下方向(短辺方向S)に行われるのに対し、第3偏向プリズムP5では偏向が左右方向(長辺方向L)に行われ、第2偏向プリズムP4ではその中間方向に偏向が行われる。したがって、図5(D)に示す断面形状の照明光束は、第1偏向プリズムP3によって図5(E)に示すように上下に2分割され、第2,第3偏向プリズムP4,P5によって図5(F)に示すように左右方向に重なり合った状態から入射端面2aで結像する。
The first deflection prism P3 has a shape in which the thickness of the portion near the optical axis AX of the
第1偏向プリズムP3と第2偏向プリズムP4の形状を上記のようにすることで、第1偏向プリズムP3から第2偏向プリズムP4への入射角度をゆるくすることができる。その結果、プリズム透過後の光学性能が良くなり、照明光束を効率良く集光させることが可能となる。また、第3偏向プリズムP5の形状を上記のようにすることで、分割された各光束が同じ方向に重ね合わされて、リレー光学系3内の瞳位置における光量分布が均一化されるとともに、投影光学系OP1(図1)の瞳形状との重ね合わせによる照明効率の向上も可能となる。また、ランプ5からインテグレータロッド2までの光路間に、ランプ5からの照明光を光路が互いに異なる2つの光束に分割し、分割された各光束から成る光源像をインテグレータロッド2の入射端面2a上に位置させる偏向手段が配置された構成になっているので、第1の実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。そして、前記投影光学系OP1との組み合わせにより得られる効果も第1の実施の形態と同様である。
By making the shapes of the first deflection prism P3 and the second deflection prism P4 as described above, the incident angle from the first deflection prism P3 to the second deflection prism P4 can be relaxed. As a result, the optical performance after passing through the prism is improved, and the illumination light beam can be collected efficiently. Further, by making the shape of the third deflecting prism P5 as described above, the divided light beams are superimposed in the same direction, the light quantity distribution at the pupil position in the relay
《第4の実施の形態(図6)》
図6に、第4の実施の形態に係る照明光学系IL4の要部を拡大して示す。図6(A)は照明光学系IL4の上面図、図6(B)は照明光学系IL4の側面図、図6(C)は照明光学系IL4の斜視図であり、図6(D)は図6(C)の位置X1における光束断面図、図6(E)は図6(C)の位置X2における光束断面図、図6(F)は図6(C)の位置X3における光束断面図である。この照明光学系IL4の特徴は、第1偏向プリズムP6と第2偏向プリズムP7が一体的に構成されている点にあり、その基本構成は前記第3の実施の形態と同様である。第1偏向プリズムP6と第2偏向プリズムP7を一体で構成する(例えば、樹脂で一体成形する。)ことにより、部品点数を削減することができ、その結果として、製造時の負担軽減とコストの低減を達成することができる。
<< Fourth Embodiment (FIG. 6) >>
FIG. 6 shows an enlarged view of a main part of the illumination optical system IL4 according to the fourth embodiment. 6A is a top view of the illumination optical system IL4, FIG. 6B is a side view of the illumination optical system IL4, FIG. 6C is a perspective view of the illumination optical system IL4, and FIG. 6C is a light beam cross-sectional view at position X1, FIG. 6E is a light beam cross-sectional view at position X2 in FIG. 6C, and FIG. 6F is a light beam cross-sectional view at position X3 in FIG. 6C. It is. The illumination optical system IL4 is characterized in that the first deflection prism P6 and the second deflection prism P7 are integrally formed, and the basic configuration thereof is the same as that of the third embodiment. By configuring the first deflecting prism P6 and the second deflecting prism P7 as one body (for example, integrally molding with resin), the number of parts can be reduced, and as a result, the burden during manufacturing and the cost can be reduced. Reduction can be achieved.
集光レンズ6から射出した照明光は、インテグレータロッド2の直前に配置された偏向手段に入射する。偏向手段は、集光レンズ6側から順に、第1偏向プリズムP6と、第2偏向プリズムP7と、第3偏向プリズムP5と、の3つの偏向プリズムから成っている。このように、インテグレータロッド2の直前に偏向手段を配置することにより、集光レンズ6の直後に偏向手段を配置するよりも、偏向手段の小型化及び低コスト化が可能となる。
The illumination light emitted from the
第1偏向プリズムP6はインテグレータロッド2の光軸AXに近い部分の厚みが厚くなる形状を有しており、第2偏向プリズムP7はインテグレータロッド2の光軸AXに近い部分の厚みが薄くなる形状を有しており、第3偏向プリズムP5はインテグレータロッド2の光軸AXに近い部分の厚みが厚くなる形状を有している。そして、第1偏向プリズムP6では偏向が上下方向(短辺方向S)に行われるのに対し、第3偏向プリズムP5では偏向が左右方向(長辺方向L)に行われ、第2偏向プリズムP7ではその中間方向に偏向が行われる。したがって、図6(D)に示す断面形状の照明光束は、第1偏向プリズムP6によって図6(E)に示すように上下方向に重ね合わされ、第2,第3偏向プリズムP7,P5によって図6(F)に示すように左右方向に重なり合った状態から入射端面2aで結像する。
The first deflection prism P6 has a shape in which the thickness of the portion near the optical axis AX of the
第4の実施の形態においても、ランプ5からインテグレータロッド2までの光路間に、ランプ5からの照明光を光路が互いに異なる2つの光束に分割し、分割された各光束から成る光源像をインテグレータロッド2の入射端面2a上に位置させる偏向手段が配置された構成になっているので、第1の実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。そして、前記投影光学系OP1との組み合わせにより得られる効果も第1の実施の形態と同様である。
Also in the fourth embodiment, the illumination light from the
IL1〜IL4 照明光学系
OP1 投影光学系
1,4,5 ランプ
1a,4a,5a 光源
1b リフレクター(集光光学系)
4b リフレクター(集光光学系,偏向手段)
5b リフレクター
2 インテグレータロッド
2a 入射端面
2b 射出端面
3 リレー光学系
P1 第1偏向プリズム(偏向手段)
P1a 右側偏向部
P1b 左側偏向部
P2 第2偏向プリズム(偏向手段)
P2a 上側偏向部
P2b 下側偏向部
P3,P6 第1偏向プリズム(偏向手段)
P4,P7 第2偏向プリズム(偏向手段)
P5 第3偏向プリズム(偏向手段)
6 集光レンズ(集光光学系)
DP 表示素子
M1〜M4 第1〜第4曲面ミラー
SC スクリーン
IL1 to IL4 Illumination optical system OP1 Projection
4b reflector (condensing optical system, deflection means)
P1a Right deflection unit P1b Left deflection unit P2 Second deflection prism (deflection means)
P2a Upper deflection unit P2b Lower deflection unit P3, P6 First deflection prism (deflection means)
P4, P7 Second deflection prism (deflection means)
P5 Third deflection prism (deflection means)
6 Condensing lens (Condensing optical system)
DP display element M1 to M4 1st to 4th curved mirror SC screen
Claims (8)
照明光を発する光源と、
前記光源からの照明光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系で集光された照明光の空間的なエネルギー分布を均一化するインテグレータロッドと、
前記インテグレータロッドから射出した照明光をリレーしてインテグレータロッドの射出端面の像を前記画像表示面上に形成するリレー光学系と、
入射した光の方向を互いに異なる方向に射出する少なくとも二つの偏向部を前記光源の光軸に垂直な方向に前記光軸を挟んで備えた偏向プリズムを、前記光源から前記インテグレータロッドまでの光路間に、前記照明光の光軸方向に並んで少なくとも二つ有し、前記照明光を光軸方向に一つ目の前記偏向プリズムの全ての前記偏向部に入射させて各々偏向させて異なる光束に分離し、一つ目の前記偏向プリズムにおいて分離された後の各々の光束を、二つ目以降の各偏向プリズムにおいて各光束に対応する一つの偏向部に、偏向プリズム毎に順次入射させて偏向し、全ての前記偏向プリズムを射出した各光束から成る光源像を前記インテグレータロッドの入射端面上に位置させる偏向手段と、
を有することを特徴とする照明光学系。 An illumination optical system for illuminating an image display surface of a display element,
A light source that emits illumination light;
A condensing optical system for condensing illumination light from the light source;
An integrator rod to homogenize the spatial energy distribution of the illumination light is condensed by the condensing optical system,
A relay optical system for forming an image of the exit end face of the integrator rod onto the image display surface to relay the illumination light emitted from the integrator rod,
A deflecting prism having at least two deflecting portions that emit incident light in different directions and sandwiching the optical axis in a direction perpendicular to the optical axis of the light source, between the optical paths from the light source to the integrator rod The illumination light is incident on all of the deflecting portions of the first deflection prism in the optical axis direction and deflected to form different light beams. Each light beam after being separated and separated by the first deflection prism is sequentially incident on one deflection unit corresponding to each light beam in each second and subsequent deflection prisms and deflected. And deflecting means for positioning a light source image composed of each light beam emitted from all the deflecting prisms on an incident end face of the integrator rod ;
An illumination optical system comprising:
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