JP4939070B2 - Illumination optical system and image projection apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、光源からの光束を用いて被照明面を照明する照明光学系に関し、特に該照明光学系からの光によって液晶パネル等の光変調素子を照明して画像を投射する画像投射装置に好適な照明光学系に関するものである。   The present invention relates to an illumination optical system that illuminates a surface to be illuminated using a light beam from a light source, and more particularly to an image projection apparatus that projects an image by illuminating a light modulation element such as a liquid crystal panel with light from the illumination optical system. The present invention relates to a suitable illumination optical system.

上記のような画像投射装置では、明るく高いコントラストを有する画像を投射できること、および投射画像が全体に渡ってほぼ均一な明るさを有することが重要である。   In the image projection apparatus as described above, it is important that a bright and high-contrast image can be projected, and that the projection image has almost uniform brightness throughout.

このような画像投射装置において、光源からの光の利用効率を高めようとすると、一般に光束の角度分布が大きくなる傾向がある。このため、光学系内に角度特性の敏感な光学素子、特に光軸に対して傾いたダイクロイック膜や偏光分離膜を有する光学素子を配置した場合に、明るさむら(色むら)やコントラストの低下など、画質の劣化が発生する。   In such an image projecting device, when trying to increase the utilization efficiency of light from the light source, the angular distribution of the light flux generally tends to increase. For this reason, when an optical element with sensitive angular characteristics, particularly an optical element having a dichroic film or a polarization separation film inclined with respect to the optical axis, is disposed in the optical system, brightness unevenness (color unevenness) and contrast decrease. Degradation of image quality occurs.

このような画質劣化を防止するために、光学素子における角度分布に敏感な方向においては光束の角度分布を小さくし、角度分布に鈍感な方向においては光束の角度分布を大きくした非対称な光学系が提案されている。   In order to prevent such image quality degradation, an asymmetric optical system in which the angle distribution of the light beam is reduced in the direction sensitive to the angle distribution in the optical element and the angle distribution of the light beam is increased in the direction insensitive to the angle distribution. Proposed.

例えば、特許文献1には、光学インテグレータとして1次元方向にシリンドリカルレンズセルが配列されたシリンドリカルレンズアレイを用いた光学系が開示されている。この光学系では、ダイクロイックミラーなどの角度敏感度の高い光学素子による光束の折り曲げ方向に対してケーラー照明を用いることで、色むらを低減している。   For example, Patent Document 1 discloses an optical system using a cylindrical lens array in which cylindrical lens cells are arranged in a one-dimensional direction as an optical integrator. In this optical system, color unevenness is reduced by using Koehler illumination with respect to the bending direction of a light beam by an optical element having high angle sensitivity such as a dichroic mirror.

また、特許文献2には、薄膜光学素子の角度敏感度の高い方向において、瞳位置に絞りを配置することで、光束の一断面方向での角度分布を小さくし、コントラストの改善を図っている。
特開平06−75200号公報(段落0017〜0018、図1等) 特開2004−45907号公報(段落0012〜0013、図1等)
In Patent Document 2, a diaphragm is arranged at the pupil position in a direction in which the angle sensitivity of the thin film optical element is high, thereby reducing the angle distribution in one cross-sectional direction of the light beam and improving the contrast. .
Japanese Patent Laid-Open No. 06-75200 (paragraphs 0017 to 0018, FIG. 1, etc.) Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-45907 (paragraphs 0012 to 0013, FIG. 1, etc.)

しかしながら、特許文献1にて開示された光学系では、シリンドリカルレンズアレイが屈折力を持たない断面(ケーラー照明断面)においては重畳的な照明をしていないため、液晶パネル面での照度分布にむらが生じやすい。したがって、不均一な照明分布の中から比較的フラットな分布の領域のみをパネル照明に使用しなければなければならず、光の利用効率が低い。   However, in the optical system disclosed in Patent Document 1, since the cylindrical lens array does not perform superimposing illumination in a section where the cylindrical lens array does not have refractive power (Kohler illumination section), the illuminance distribution on the liquid crystal panel surface is uneven. Is likely to occur. Accordingly, only a relatively flat region of the uneven illumination distribution must be used for panel illumination, and the light utilization efficiency is low.

また、該特許文献1にて開示された光学系では、光源から液晶パネルの直前に配置された集光レンズ(フィールドレンズ)までの光束は角度分布が小さいため、光源から集光レンズまでの間に配置されたダイクロイックミラーでの画質劣化は低減されている。しかし、液晶パネルの直前で集光レンズによって光束を収束させるため、液晶パネルや該液晶パネルよりも後方に配置されたダイクロイックミラーなどの角度敏感度の高い光学素子による画質劣化が避けられない。   Further, in the optical system disclosed in Patent Document 1, since the luminous flux from the light source to the condensing lens (field lens) disposed immediately before the liquid crystal panel has a small angular distribution, the distance between the light source and the condensing lens is small. Degradation of the image quality at the dichroic mirror arranged in is reduced. However, since the light flux is converged by the condensing lens immediately before the liquid crystal panel, image quality deterioration due to an optical element having high angle sensitivity such as a liquid crystal panel and a dichroic mirror disposed behind the liquid crystal panel is inevitable.

さらに、重畳的な照明を行っていない断面では、光源の変動(アークジャンプ、劣化等)によって光源が輝度むらを持ったときに、液晶パネル上での照度分布も変動し、投射画像上に明るさむらとなって現れてしまう。   Furthermore, in the cross section where no overlapping illumination is performed, when the light source has uneven brightness due to fluctuations in the light source (arc jump, deterioration, etc.), the illuminance distribution on the liquid crystal panel also fluctuates and bright on the projected image It appears as samurai.

また、特許文献2にて開示された光学系では、直交する2断面で重畳的な照明しているため、光源の影響は受けにくいが、絞りによって光束を制限しているため、光の利用効率が大幅に低下する。   Further, in the optical system disclosed in Patent Document 2, since the illumination is superimposed on two orthogonal cross sections, it is difficult to be affected by the light source. Is significantly reduced.

また、特許文献2には、絞りに代えて、レンズアレイと液晶パネルとの間の光学系の主点位置を2断面間で異ならせることにより、該2断面における角度分布を互いに異ならせる旨の記載がある。しかし、特許文献2の実施例に記載されたコリメータレンズの主点を変える方法では、液晶パネル面での照明領域の境界が不鮮明になり、明るさ低下や照度むらを生じる。しかも、照明光学系のパネル側でのテレセントリック条件、すなわち射出瞳がパネル面に対して十分に遠方であるとの条件が崩れてしまうため、コントラストの低下や色むらなどを生じてしまう。   Further, in Patent Document 2, instead of the diaphragm, the principal point position of the optical system between the lens array and the liquid crystal panel is made different between the two cross sections, whereby the angular distributions in the two cross sections are made different from each other. There is a description. However, in the method of changing the principal point of the collimator lens described in the example of Patent Document 2, the boundary of the illumination area on the liquid crystal panel surface becomes unclear, resulting in reduced brightness and uneven illuminance. In addition, the telecentric condition on the panel side of the illumination optical system, that is, the condition that the exit pupil is sufficiently distant from the panel surface is broken, resulting in a decrease in contrast and color unevenness.

本発明は、特定断面での光束の角度分布を小さくしながらも、被照明面上での明るさがほぼ均一で、光源の輝度むらの影響を受けにくく、かつ光の利用効率が高い照明光学系およびこれを備えた画像投射装置を提供することを目的の1つとする。   The present invention provides illumination optics that reduces the angular distribution of the light flux in a specific cross section, has almost uniform brightness on the surface to be illuminated, is not easily affected by luminance unevenness of the light source, and has high light use efficiency. An object is to provide a system and an image projection apparatus including the system.

本発明の一側面としての照明光学系は、第1の断面において、光源からの光束を圧縮した後に複数の第1の光束に分割し、該複数の第1の光束を被照明面上で重畳する照明光学系である。そして、光源からの光束を圧縮する光学系は、光源側から順に配置された、正の屈折力を有する第1の光学素子および負の屈折力を有する第1のレンズアレイを含むアフォーカル系であり、光源からの光束を分割する光学系は、光源側から順に配置され、それぞれ複数の偏芯したレンズセルを有する第1のレンズアレイおよび第2のレンズアレイであり第1の光束を重畳する光学系は、光源側から順に配置された、負の屈折力を有する第2のレンズアレイおよび正の屈折力を有する第2の光学素子を含み、前記第1および第2のレンズアレイは、互いに同符号の屈折力を有し、さらに第1および第2のレンズアレイにおけるレンズセルが形成された面が互いに同じ方向を向いていることを特徴とする。 The illumination optical system according to one aspect of the present invention, in the first section is divided into a plurality of first light flux after compressing the light beam from the light source, it superimposes the first plurality of light beams on the surface to be illuminated The illumination optical system. The optical system for compressing the light beam from the light source is an afocal system including a first optical element having a positive refractive power and a first lens array having a negative refractive power, which are arranged in order from the light source side. The optical system for splitting the light beam from the light source is a first lens array and a second lens array which are arranged in order from the light source side and each have a plurality of eccentric lens cells, and superimpose the first light beam. The optical system includes a second lens array having a negative refractive power and a second optical element having a positive refractive power, which are arranged in order from the light source side, and the first and second lens arrays include: The surfaces of the first and second lens arrays on which lens cells are formed have the same sign of refractive power, and are directed in the same direction.

本発明によれば、少なくとも第1の断面での光束の角度分布が小さく、被照明面をほぼ均一に照明でき、かつ光の利用効率が高い照明光学系を実現することができる。そして、該照明光学系を用いて画像投射装置の光学系を構成することにより、明るく、むらがなく、かつコントラストが高い画像を投射することができる。   According to the present invention, it is possible to realize an illumination optical system in which the angular distribution of the light flux in at least the first cross section is small, the surface to be illuminated can be illuminated almost uniformly, and the light utilization efficiency is high. By configuring the optical system of the image projection apparatus using the illumination optical system, it is possible to project a bright, uniform image with high contrast.

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1および図2には、本発明の実施例1である照明光学系の構成を図示している。該照明光学系は、光学ブロック10を介して被照明面に配置された光変調素子としての反射型液晶パネル(但し、透過型であってもよい)11を照明する。本実施例の照明光学系は、該液晶パネル11によって画像変調された光束を投射して画像を表示するプロジェクタに用いられる。   1 and 2 show the configuration of an illumination optical system that is Embodiment 1 of the present invention. The illumination optical system illuminates a reflective liquid crystal panel (however, may be a transmissive type) 11 as a light modulation element disposed on an illuminated surface via an optical block 10. The illumination optical system of this embodiment is used in a projector that displays an image by projecting a light beam that has been image-modulated by the liquid crystal panel 11.

本実施例では、照明光学系の光軸(例えば、液晶パネル11の中心からコンデンサーレンズ8の中心を通ってランプに向かう軸線によって定義される)をZ軸とし、該Z軸に平行な方向を光軸方向とする。   In this embodiment, the optical axis of the illumination optical system (for example, defined by an axis line from the center of the liquid crystal panel 11 through the center of the condenser lens 8 to the lamp) is defined as the Z axis, and a direction parallel to the Z axis is defined. The optical axis direction.

図1は、Z軸を含み、かつZ軸に対して直交する2つの面であるYZ面とXZ面のうち、液晶パネル11のパネル面において入射光束の角度分布が広い方の断面であるYZ面(第2の断面)での光学構成を示す。このYZ面は、液晶パネル11の長辺が延びる方向に平行な断面である。また、図2には、パネル面において入射光束の角度分布が狭い方の断面であるXZ面(第1の断面)での光学構成を示す。このXZ面は、液晶パネル11の短辺が延びる方向に平行な断面である。   FIG. 1 is a cross section of YZ having a wider angle distribution of incident light flux on the panel surface of the liquid crystal panel 11 among the YZ plane and the XZ plane which are two planes including the Z axis and orthogonal to the Z axis. The optical structure in a surface (2nd cross section) is shown. The YZ plane is a cross section parallel to the direction in which the long side of the liquid crystal panel 11 extends. FIG. 2 shows an optical configuration on an XZ plane (first cross section) which is a cross section having a narrower angle distribution of incident light beams on the panel surface. The XZ plane is a cross section parallel to the direction in which the short side of the liquid crystal panel 11 extends.

これらの図には、照明光学系の基本的な構成部品のみ示していないが、実際には、光源からの無偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子、光路を折り曲げるミラー、熱線カットフィルタおよび偏光板等の各種光学素子も配置される。   In these figures, only basic components of the illumination optical system are not shown, but in reality, a polarization conversion element that converts non-polarized light from the light source into linearly polarized light, a mirror that bends the optical path, and a heat ray cut filter Various optical elements such as polarizing plates are also arranged.

図1に示すYZ面において、高圧水銀放電管等の発光管1から射出した光束は、放物面リフレクタ2によって平行光束に変換された射出される。発光管1およびリフレクタ2により光源ランプが構成される。   On the YZ plane shown in FIG. 1, the light beam emitted from the arc tube 1 such as a high-pressure mercury discharge tube is emitted into a parallel light beam by the paraboloid reflector 2. The arc tube 1 and the reflector 2 constitute a light source lamp.

ランプからの平行光束は、図3にその斜視図を示す第3シリンドリカルレンズアレイ3によって複数の光束に分割され、各分割光束は集光される。各分割光束は、第4シリンドリカルレンズアレイ4の入射面の位置又はその近傍に向けて集光され、ここに2次光源像を形成する。   The parallel luminous flux from the lamp is divided into a plurality of luminous fluxes by the third cylindrical lens array 3 whose perspective view is shown in FIG. 3, and each of the divided luminous fluxes is condensed. Each split light beam is condensed toward the position of the incident surface of the fourth cylindrical lens array 4 or the vicinity thereof, and forms a secondary light source image here.

本実施例における第3シリンドリカルレンズアレイ3の作用によって形成された2次光源像の様子を図4に示す。図4は光軸方向に対して直交する面での2次光源像の強度分布を示している。図4において、YZ面は、図中に一点鎖線で示した面となる。YZ面において、2次光源像が形成される領域の幅をW1とする。   The state of the secondary light source image formed by the action of the third cylindrical lens array 3 in the present embodiment is shown in FIG. FIG. 4 shows the intensity distribution of the secondary light source image on a plane orthogonal to the optical axis direction. In FIG. 4, the YZ plane is a plane indicated by a one-dot chain line in the drawing. The width of the region where the secondary light source image is formed on the YZ plane is W1.

この2次光源像が形成される位置での光源像形成領域の幅W1は、YZ面と平行な様々な断面で光源像形成領域を切ったときに得られる該領域の幅のうち最大のもの又はYZ面で切ったときに得られる幅とする。   The width W1 of the light source image forming region at the position where the secondary light source image is formed is the largest of the widths of the region obtained when the light source image forming region is cut in various cross sections parallel to the YZ plane. Or it is set as the width | variety obtained when it cuts with a YZ surface.

第3および第4シリンドリカルレンズアレイ3,4は、YZ面と平行な方向においてのみ屈折力を有するため、YZ面に直交するXZ面においては光束に実質的に影響を与えない。   Since the third and fourth cylindrical lens arrays 3 and 4 have a refractive power only in a direction parallel to the YZ plane, the light flux is not substantially affected in the XZ plane orthogonal to the YZ plane.

一方、XZ面において圧縮光学系の一部を構成する正レンズ5と、第1シリンドリカルレンズアレイ6、第2シリンドリカルレンズアレイ7およびシリンドリカルレンズ9とは、YZ面においては屈折力を有していない。したがって、第4シリンドリカルレンズアレイ4を射出した分割光束は、YZ面においてはこれらの光学素子の影響をうけずにコンデンサーレンズ8によって集光される。なお、圧縮光学系としては、平行光束の光束径を狭めつつ平行光束として射出するアフォーカル光学系であることが望ましく、本実施例でもアフォーカル圧縮光学系を用いる。これについては後述する。   On the other hand, the positive lens 5 that constitutes a part of the compression optical system on the XZ plane, the first cylindrical lens array 6, the second cylindrical lens array 7, and the cylindrical lens 9 do not have refractive power on the YZ plane. . Accordingly, the divided light beam emitted from the fourth cylindrical lens array 4 is collected by the condenser lens 8 without being affected by these optical elements on the YZ plane. The compression optical system is preferably an afocal optical system that emits a parallel light beam while narrowing the beam diameter of the parallel light beam, and the afocal compression optical system is also used in this embodiment. This will be described later.

図1において、コンデンサーレンズ8から射出した複数の分割光束は、光学ブロック10を介して反射型液晶パネル11上で互いに重ね合わされる。これにより、YZ面において、反射型液晶パネル11に対する複数の分割光束による重畳的な照明がなされる。   In FIG. 1, a plurality of split light beams emitted from the condenser lens 8 are superimposed on each other on the reflective liquid crystal panel 11 via the optical block 10. Thereby, on the YZ plane, the reflective liquid crystal panel 11 is overlaid with a plurality of divided light beams.

ここで、光学ブロック10は、いわゆる色分解合成光学系を示す。色分解光学系10は、照明光学系の光軸方向に対して傾いて配置された光学膜面(多層膜面)を備えた光学素子が配置される。例えば、偏光分離膜面を備えた偏光ビームスプリッタや、ダイクロイック膜面を備えたダイクロイックミラーおよびダイクロイックプリズムである。光軸方向に対する光学膜面の傾きは45度に設定されるのが一般的であり、42〜48度の範囲に設定される場合が多い。   Here, the optical block 10 indicates a so-called color separation / synthesis optical system. In the color separation optical system 10, an optical element having an optical film surface (multilayer film surface) disposed to be inclined with respect to the optical axis direction of the illumination optical system is disposed. For example, a polarization beam splitter having a polarization separation film surface, a dichroic mirror and a dichroic prism having a dichroic film surface. The inclination of the optical film surface with respect to the optical axis direction is generally set to 45 degrees and is often set in the range of 42 to 48 degrees.

偏光ビームスプリッタ(偏光分離膜)は、可視光領域内の少なくとも一部の波長域(例えば、10nm以上の幅を有する波長域)の光に対して偏光方向による分離特性を有する。一般的には、特定の角度で入射する光のうち第1の偏光方向の光を80%以上反射し、第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向の光を80%以上透過する。   The polarization beam splitter (polarization separation film) has a separation characteristic depending on the polarization direction with respect to light in at least a part of the wavelength region in the visible light region (for example, a wavelength region having a width of 10 nm or more). Generally, 80% or more of light having the first polarization direction is reflected among light incident at a specific angle, and 80% or more of light having the second polarization direction orthogonal to the first polarization direction is transmitted.

図2に示すXZ面においては、ランプから平行光束として射出された光束は、第3および第4シリンドリカルレンズアレイ3,4の影響を受けずに、アフォーカル圧縮光学系の一部である正レンズ5を介して、第1シリンドリカルレンズアレイ6に到達する。図6には、第1シリンドリカルレンズアレイ6の斜視図を示す。   In the XZ plane shown in FIG. 2, the light beam emitted from the lamp as a parallel light beam is not affected by the third and fourth cylindrical lens arrays 3 and 4, and is a positive lens that is a part of the afocal compression optical system. 5, the first cylindrical lens array 6 is reached. FIG. 6 shows a perspective view of the first cylindrical lens array 6.

図6に示すように、第1シリンドリカルレンズアレイ6の片面は、XZ面内でのみ凹形状を有する凹面上に複数のシリンドリカルレンズセル6aが形成されたような形状を有する。すなわち、この第1シリンドリカルレンズアレイ6は、負レンズの機能とレンズアレイとしての機能(光束分割機能)とを併せ持つ光学素子である。この複数のシリンドリカルレンズセル6aが形成された側の面を第1シリンドリカルレンズアレイ6のレンズセル形成面という。   As shown in FIG. 6, one surface of the first cylindrical lens array 6 has a shape in which a plurality of cylindrical lens cells 6a are formed on a concave surface having a concave shape only in the XZ plane. In other words, the first cylindrical lens array 6 is an optical element having both a negative lens function and a lens array function (light beam splitting function). The surface on which the plurality of cylindrical lens cells 6 a are formed is referred to as a lens cell formation surface of the first cylindrical lens array 6.

ここで、「負レンズの機能」とは、このシリンドリカルレンズアレイの各レンズセルの中心に入射する光束に対して負レンズと同じ特性を示すという意味である。別の言い方をすれば、各レンズセルの中心に対して、各レンズセルの曲率の中心(各レンズセルの光軸)が外側(照明光学系の光軸に対して外側)にシフトするように、シリンドリカルレンズアレイを構成している。このように構成すれば、各レンズセルの中心に入射する光に対して、シリンドリカルレンズアレイは負レンズとして機能する。   Here, “the function of the negative lens” means that the light beam incident on the center of each lens cell of the cylindrical lens array exhibits the same characteristics as the negative lens. In other words, the center of curvature of each lens cell (the optical axis of each lens cell) is shifted outward (outside the optical axis of the illumination optical system) with respect to the center of each lens cell. This constitutes a cylindrical lens array. If comprised in this way, a cylindrical lens array will function as a negative lens with respect to the light which injects into the center of each lens cell.

また、シリンドリカルレンズアレイの各レンズセルは、入射光を部分光束に分割する機能(光束分割機能)を持たせるために、正の屈折力を有している。   Each lens cell of the cylindrical lens array has a positive refractive power in order to have a function of dividing incident light into partial light beams (light beam dividing function).

図7には、第1シリンドリカルレンズアレイ6の側面図を示す。第1シリンドリカルレンズアレイ6は、各シリンドリカルレンズセル6aの中心6bから該レンズセル6aの頂点6cを偏芯させることで、全体として負レンズの役割を果たしている。   FIG. 7 shows a side view of the first cylindrical lens array 6. The first cylindrical lens array 6 plays the role of a negative lens as a whole by decentering the apex 6c of the lens cell 6a from the center 6b of each cylindrical lens cell 6a.

アフォーカル圧縮光学系は、光源側から順に、正レンズ5と、第1シリンドリカルレンズアレイ6とで構成されている。ランプからの平行光束は、このアフォーカル圧縮光学系によって圧縮されるとともに、第1シリンドリカルレンズアレイ6によって複数の光束に分割される。各分割光束は、第2シリンドリカルレンズアレイ7の入射面の位置又はその近傍に向けて集光され、ここに2次光源像を形成する。   The afocal compression optical system includes a positive lens 5 and a first cylindrical lens array 6 in order from the light source side. A parallel light beam from the lamp is compressed by the afocal compression optical system and is divided into a plurality of light beams by the first cylindrical lens array 6. Each split light beam is condensed toward the position of the incident surface of the second cylindrical lens array 7 or the vicinity thereof to form a secondary light source image.

図5には、本実施例における第1シリンドリカルレンズアレイ6の作用によって形成された2次光源像の様子を示す。図5は光軸方向に対して直交する面での2次光源像の強度分布を示している。図5において、XZ面は、図中に一点鎖線で示した面となる。XZ面において、2次光源像が形成される領域の幅をW2とする。   FIG. 5 shows a state of the secondary light source image formed by the action of the first cylindrical lens array 6 in the present embodiment. FIG. 5 shows the intensity distribution of the secondary light source image on a plane orthogonal to the optical axis direction. In FIG. 5, the XZ plane is a plane indicated by a one-dot chain line in the drawing. In the XZ plane, the width of the region where the secondary light source image is formed is W2.

図4と図5を比較すれば分かるように、YZ面での光源像形成領域の幅W1に比べてXZ面での光源像形成領域の幅W2が狭い。このW1とW2の大小関係(比)がそのまま偏光ビームスプリッタでの角度分布の大小関係(比)となる。このため、
W2<W1
好ましくは、
・ 1<W2/W1<0.8 …(1)
という条件を満足することが望ましい。
As can be seen by comparing FIG. 4 and FIG. 5, the width W2 of the light source image forming area on the XZ plane is narrower than the width W1 of the light source image forming area on the YZ plane. The magnitude relationship (ratio) between W1 and W2 becomes the magnitude relationship (ratio) of the angle distribution in the polarization beam splitter as it is. For this reason,
W2 <W1
Preferably,
1 <W2 / W1 <0.8 (1)
It is desirable to satisfy this condition.

この条件式(1)において、W2/W1が上限値を上回ると、コントラストを高めるなどの効果が十分に得られない。また、W2/W1が下限値を下回ると、第1シリンドリカルレンズアレイ6の任意のレンズセル6aで分割集光される光束が第2シリンドリカルレンズアレイ7の対応するレンズセルに入射せず、対応しないレンズセルに入射する割合が増えてしまう。この対応するレンズセルに入射しなかった光束は、被照明面での有効領域(液晶パネルでの光変調領域)から外れた位置に到達するため、照明光束として有効な光束とならない。そして、被照明面の有効領域に到達しない光束の割合が増えると、投射画像の明るさが大幅に減少してしまう。このように条件式(1)の下限値を下回ると、光の利用効率が低下するため、好ましくない。   In this conditional expression (1), if W2 / W1 exceeds the upper limit, effects such as an increase in contrast cannot be obtained sufficiently. If W2 / W1 falls below the lower limit value, the light beam divided and condensed by an arbitrary lens cell 6a of the first cylindrical lens array 6 does not enter the corresponding lens cell of the second cylindrical lens array 7 and does not correspond. The rate of incidence on the lens cell increases. The light beam that has not entered the corresponding lens cell reaches a position outside the effective area (light modulation area in the liquid crystal panel) on the surface to be illuminated, and thus does not become an effective light beam as an illumination light beam. And if the ratio of the light beam that does not reach the effective area of the illuminated surface increases, the brightness of the projected image is greatly reduced. If the lower limit value of conditional expression (1) is thus exceeded, the light utilization efficiency decreases, which is not preferable.

ここで、W1とW2はそれぞれ、第4シリンドリカルレンズアレイ4に入射する光束のYZ面における光束径、および第2シリンドリカルレンズアレイ7に入射する光束のXZ面における光束径としてもよい。   Here, W1 and W2 may be the light beam diameter on the YZ plane of the light beam incident on the fourth cylindrical lens array 4 and the light beam diameter on the XZ surface of the light beam incident on the second cylindrical lens array 7, respectively.

第2シリンドリカルレンズアレイ7から射出した分割光束は、シリンドリカルレンズ9によって集光され、偏光ビームスプリッタ等を含む色分解光学系10を経て、反射型液晶パネル11上で重ね合わされる。これにより、XZ面において、反射型液晶パネル11に対する複数の分割光束による重畳的な照明がなされる。   The split luminous flux emitted from the second cylindrical lens array 7 is collected by the cylindrical lens 9 and is superimposed on the reflective liquid crystal panel 11 through the color separation optical system 10 including a polarization beam splitter and the like. Thereby, on the XZ plane, the reflective liquid crystal panel 11 is superimposedly illuminated with a plurality of divided light beams.

第2シリンドリカルレンズアレイ7は、図6および図7に示した第1シリンドリカルレンズアレイ6と同様に、その片面において、XZ面内でのみ凹形状を有する凹面上に複数のシリンドリカルレンズセル(図9の7a参照)が配列されたような形状を有する。該第2シリンドリカルレンズアレイ7も、各シリンドリカルレンズセルの中心から該レンズセルの頂点を偏芯させることで、全体として負レンズの役割を果たしている。すなわち、第2シリンドリカルレンズアレイ7も、負レンズの機能とレンズアレイとしての機能とを併せ持つ光学素子である。この複数のシリンドリカルレンズセルが形成された側の面を第2シリンドリカルレンズアレイ7のレンズセル形成面という。   Similarly to the first cylindrical lens array 6 shown in FIGS. 6 and 7, the second cylindrical lens array 7 has a plurality of cylindrical lens cells (FIG. 9) on a concave surface having a concave shape only in the XZ plane. 7a) is arranged. The second cylindrical lens array 7 also serves as a negative lens as a whole by decentering the apex of the lens cell from the center of each cylindrical lens cell. That is, the second cylindrical lens array 7 is also an optical element having both a negative lens function and a lens array function. The surface on which the plurality of cylindrical lens cells are formed is referred to as a lens cell forming surface of the second cylindrical lens array 7.

第2シリンドリカルレンズアレイ7の負レンズ作用と、正レンズであるシリンドリカルレンズ9とにより、レトロフォーカスタイプの重畳光学系が構成される。重畳光学系をレトロフォーカスタイプとすることで、バックフォーカスが長くなり、色分解光学系10が配置しやすくなる。   The negative lens action of the second cylindrical lens array 7 and the cylindrical lens 9 that is a positive lens constitute a retrofocus type superimposing optical system. By making the superimposing optical system a retrofocus type, the back focus becomes longer and the color separation optical system 10 can be easily arranged.

なお、本実施例では、コンデンサーレンズ8はXZ面では屈折力を有していないため、光束に実質的に影響を与えない。但し、コンデンサーレンズ8を球面レンズとし、該コンデンサーレンズ8を含めて重畳光学系を構成してもよい。   In the present embodiment, the condenser lens 8 does not have a refractive power on the XZ plane, and therefore does not substantially affect the light flux. However, the condenser lens 8 may be a spherical lens, and the superimposing optical system may be configured including the condenser lens 8.

本実施例では、第1および第2シリンドリカルレンズアレイ6,7のレンズセル形成面はともに被照明面側、すなわち液晶パネル11側を向いている。以下、図8〜10を用いて、この技術的理由について詳しく説明する。   In this embodiment, the lens cell forming surfaces of the first and second cylindrical lens arrays 6 and 7 are both directed to the illuminated surface side, that is, the liquid crystal panel 11 side. Hereinafter, this technical reason will be described in detail with reference to FIGS.

図8には、従来のレンズアレイを用いた照明光学系の概略図を示す。レンズアレイA51およびレンズアレイB52で光束を分割し、これら分割光束をコンデンサーレンズ53で重畳して液晶パネル54を照明する。この場合、レンズアレイA53の各レンズセルが、照明光束を液晶パネル上54に重ね合わせるように作用している。   FIG. 8 shows a schematic diagram of an illumination optical system using a conventional lens array. The light beam is divided by the lens array A51 and the lens array B52, and the liquid crystal panel 54 is illuminated by superimposing these divided light beams on the condenser lens 53. In this case, each lens cell of the lens array A53 acts to superimpose the illumination light beam on the liquid crystal panel 54.

ここで、レンズアレイA53のセルピッチをa、コンデンサーレンズ53の焦点距離をf、レンズアレイA53とレンズセルB54の対応レンズセル面間の距離をd、液晶パネル54の大きさ(高さ)をBとすると、
B=a×(f/d) …(2)
の関係式がほぼ成り立つ。
Here, the cell pitch of the lens array A53 is a, the focal length of the condenser lens 53 is f, the distance between the corresponding lens cell surfaces of the lens array A53 and the lens cell B54 is d, and the size (height) of the liquid crystal panel 54 is B. Then,
B = a × (f / d) (2)
The relational expression of

この式(2)から、レンズセル面間距離dが長くなれば照明領域が狭くなり、短くなれば照明領域が広くなることが分かる。   From this equation (2), it can be seen that the illumination area becomes narrower as the distance d between the lens cell surfaces becomes longer, and the illumination area becomes wider as it becomes shorter.

本実施例の図6に示す形状を有し、負レンズの機能を併せ持つ第1および第2シリンドリカルレンズアレイ6,7では、シリンドリカルレンズアレイの中心から見て外側のレンズセルほど厚みが増加する。このような形状の
レンズアレイで光束分割を行う場合、図9に示すように、第1および第2シリンドリカルレンズアレイ6,7のレンズセル形成面を同じ方向に向けた方がよい。これは、第1および第2シリンドリカルレンズアレイ6,7における複数の対応レンズセルにおいて、レンズセル面間距離dの差を小さくすることができるからである。
In the first and second cylindrical lens arrays 6 and 7 having the shape shown in FIG. 6 of the present embodiment and having the function of a negative lens, the thickness increases toward the outer lens cell when viewed from the center of the cylindrical lens array. When the light beam is split by the lens array having such a shape, the lens cell forming surfaces of the first and second cylindrical lens arrays 6 and 7 are preferably directed in the same direction as shown in FIG. This is because the difference between the lens cell surface distances d can be reduced in the plurality of corresponding lens cells in the first and second cylindrical lens arrays 6 and 7.

図10に示すように、両シリンドリカルレンズアレイのレンズセル形成面が互いに反対方向を向いている場合は、複数の対応レンズセルにおけるレンズセル面間距離dの差が大きくなる。このため、中心のレンズセルに比べて、外側のレンズセルが形成する照明領域が狭くなり、液晶パネル上での全照明領域の大きさが不足したり、外側のレンズセルが形成する照明領域が広くなることによる光量の低下を招いたりしてしまう。

以上の構成により、図1および図2に示すように、照明光学系のうち屈折力を有する最後の光学素子を通過した後の照明光束の角度分布を、XZ面においてYZ面よりも狭めている。
As shown in FIG. 10, when the lens cell formation surfaces of both cylindrical lens arrays are directed in opposite directions, the difference in the distance d between the lens cell surfaces in a plurality of corresponding lens cells becomes large. For this reason, the illumination area formed by the outer lens cell is narrower than the central lens cell, and the size of the entire illumination area on the liquid crystal panel is insufficient, or the illumination area formed by the outer lens cell is smaller. The amount of light may decrease due to widening.

With the above configuration, as shown in FIGS. 1 and 2, the angular distribution of the illumination light beam after passing through the last optical element having refractive power in the illumination optical system is narrower in the XZ plane than in the YZ plane. .

反射型液晶パネル11の前に配置されている色分解光学系10に含まれる偏光ビームスプリッタは、XZ面において入射光束の一部の光路を折り曲げている。一般的な誘電体多層膜を偏光分離膜として有する偏光ビームスプリッタは、ブリュースター角におけるP偏光とS偏光に対する反射率の違いを利用して偏光分離を行う。このため、ブリュースター角から外れた光線ほど偏光分離が不十分になる。つまり、広い角度分布を持った照明光束を偏光分離膜に入射させると、透過すべき偏光光を反射したり、反射すべき偏光光を透過したりしてしまう。これにより、所望の偏光光とは異なる偏光光(漏れ光)が液晶パネル等に入射してしまい、画像のコントラストを低下させる。   The polarizing beam splitter included in the color separation optical system 10 disposed in front of the reflective liquid crystal panel 11 bends a part of the optical path of the incident light beam on the XZ plane. A polarization beam splitter having a general dielectric multilayer film as a polarization separation film performs polarization separation using a difference in reflectance with respect to P-polarized light and S-polarized light at the Brewster angle. For this reason, polarized light separation becomes insufficient as the light beam deviates from the Brewster angle. That is, when an illumination light beam having a wide angular distribution is incident on the polarization separation film, the polarized light to be transmitted is reflected or the polarized light to be reflected is transmitted. As a result, polarized light (leakage light) different from the desired polarized light is incident on the liquid crystal panel or the like, thereby reducing the contrast of the image.

なお、このように、入射光束の角度分布が広いと偏光分離等の所望の作用が十分に得られない断面を、本実施例では角度分布に対して敏感な断面という。また、入射光束の角度分布が広くても所望の作用が十分に得られる断面を、角度分布に対して鈍感な断面という。   In this embodiment, a cross section in which a desired effect such as polarization separation is not sufficiently obtained when the angle distribution of the incident light beam is wide is referred to as a cross section sensitive to the angle distribution in this embodiment. A cross section in which a desired effect is sufficiently obtained even when the angle distribution of the incident light beam is wide is called a cross section insensitive to the angle distribution.

これに対し、本実施例では、光束の角度分布に対して敏感な断面(XZ面)における角度分布を、角度分布に対して鈍感な断面(YZ面)における角度分布よりも小さくしている。このため、光束の角度分布に敏感な断面における漏れ光の発生量を抑え、この結果、高いコントラストの画像を得ることができる。しかも、光の利用効率も高い。   On the other hand, in this embodiment, the angular distribution in the cross section (XZ plane) sensitive to the angular distribution of the light beam is made smaller than the angular distribution in the cross section (YZ plane) insensitive to the angular distribution. For this reason, the amount of leakage light generated in the cross section sensitive to the angular distribution of the luminous flux is suppressed, and as a result, a high contrast image can be obtained. Moreover, the light utilization efficiency is high.

なお、本実施例では、第2断面においてはランプからの光束の径を圧縮せず、第1断面において光束径を圧縮することにより、第1および第2断面で光源像形成領域の幅を異ならせた。しかし、本発明はこのような構成に限られない。例えば、第1断面と第2断面の両方において光束径を圧縮してもよい。また、一方の断面において光束径を圧縮し、他方の断面において光束径を拡大してもよい。さらに、第1および第2断面の両方において光束径を拡大してもよい。また、放物面リフレクタ2に代えて楕円リフレクタを用いることにより、光束径の圧縮を行ってもよい。すなわち、光源像形成領域の幅が第1断面と第2断面とで互いに異なり、かつ光束の角度分布により敏感な断面での光源像形成領域の幅が角度分布により鈍感な断面における光源像形成領域の幅に対して小さくなる構成であれば、どのような構成を用いてもよい。   In this embodiment, the diameter of the light source image forming region is made different between the first and second cross sections by compressing the diameter of the light flux from the lamp in the first cross section without compressing the diameter of the light flux from the lamp in the second cross section. Let However, the present invention is not limited to such a configuration. For example, the beam diameter may be compressed in both the first cross section and the second cross section. Further, the light beam diameter may be compressed in one cross section and the light beam diameter may be expanded in the other cross section. Furthermore, the beam diameter may be enlarged in both the first and second cross sections. Further, the light beam diameter may be compressed by using an elliptical reflector instead of the parabolic reflector 2. That is, the width of the light source image forming area is different between the first cross section and the second cross section, and the width of the light source image forming area in the cross section sensitive to the angular distribution of the light beam is in the cross section insensitive to the angular distribution. Any configuration may be used as long as the configuration is smaller than the width.

また、プロジェクタでは、光の利用効率を上げるために偏光変換素子(偏光ビームスプリッタをアレイ状に構成した素子)を、レンズアレイの近くに配置する場合がある。本実施例では、図示していないが、第4シリンドリカルレンズアレイ4の後側又は第2シリンドリカルレンズアレイ7の後側に配置することが望ましい。特に圧縮後の光束が通る第2シリンドリカルレンズアレイ7の後側に偏光変換素子を配置した場合は、従来に比べて偏光変換素子を小型化することができる。これにより、光学系全体およびプロジェクタの小型化やコストダウンを図ることができる。   In a projector, a polarization conversion element (an element in which a polarization beam splitter is configured in an array) may be disposed near the lens array in order to increase the light utilization efficiency. In the present embodiment, although not shown, it is desirable to dispose on the rear side of the fourth cylindrical lens array 4 or the rear side of the second cylindrical lens array 7. In particular, when the polarization conversion element is disposed on the rear side of the second cylindrical lens array 7 through which the compressed light beam passes, the polarization conversion element can be reduced in size as compared with the conventional case. As a result, the entire optical system and projector can be reduced in size and cost.

なお、本実施例では、第1および第2シリンドリカルレンズアレイ6,7のレンズセル形成面をともに被照明面側に向けた場合について説明したが、これらをともに光源側に向けてもよい。   In the present embodiment, the case where both the lens cell forming surfaces of the first and second cylindrical lens arrays 6 and 7 are directed to the illuminated surface side is described, but both may be directed to the light source side.

また、本実施例では、各断面(XZ面、YZ面)ごとに、その断面内でパワーを有するシリンドリカルレンズアレイを2つずつ設けた場合について説明したが、3つ以上設けてもよい。   In this embodiment, the case where two cylindrical lens arrays each having power in the cross section are provided for each cross section (XZ plane, YZ plane) may be provided.

図11には、本発明の実施例2である照明光学系を示す。実施例1で説明した一対のレンズアレイのレンズセル面を同一方向に向ける構成は、実施例1のように第1断面と第2断面とで光学系の構成が異なる場合だけでなく、第1断面と第2断面とで光学系の構成が同じ場合にも有効である。すなわち、図11に示す光学系の構成は、第1断面と第2断面とで共通である。   FIG. 11 shows an illumination optical system that is Embodiment 2 of the present invention. The configuration in which the lens cell surfaces of the pair of lens arrays described in the first embodiment are directed in the same direction is not only the case where the configuration of the optical system is different between the first cross section and the second cross section as in the first embodiment, but also the first This is also effective when the cross section and the second cross section have the same optical system configuration. That is, the configuration of the optical system shown in FIG. 11 is common to the first cross section and the second cross section.

発光管21から射出した光束は、楕円面リフレクタ22によって集束する光束となって射出される。発光管21とリフレクタ22により光源ランプが構成される。   The light beam emitted from the arc tube 21 is emitted as a light beam focused by the ellipsoidal reflector 22. The arc tube 21 and the reflector 22 constitute a light source lamp.

ランプからの光束は、第1レンズアレイ23によって中心光束が平行に進む複数の光束に分割され、各分割光束は第2レンズアレイ24の入射面又はその近傍に向かって集光される。第1および第2レンズアレイ23,24のそれぞれの片面は、第1および第2断面において凹形状を有する凹面上に複数のレンズセル23a,24aが形成されたような形状を有する。各レンズアレイにおいて、レンズセルは2次元方向に配置されている。第1レンズアレイ23から射出した各分割光束は、第2レンズアレイ24の入射面又はその近傍に2次光源像を形成する。   The luminous flux from the lamp is divided by the first lens array 23 into a plurality of luminous fluxes in which the central luminous flux advances in parallel, and each divided luminous flux is condensed toward the incident surface of the second lens array 24 or the vicinity thereof. One side of each of the first and second lens arrays 23 and 24 has a shape in which a plurality of lens cells 23a and 24a are formed on a concave surface having a concave shape in the first and second cross sections. In each lens array, the lens cells are arranged in a two-dimensional direction. Each split light beam emitted from the first lens array 23 forms a secondary light source image on or near the incident surface of the second lens array 24.

本実施例では、楕円リフレクタ22と第1レンズアレイ23の負レンズの機能によって圧縮光学系が構成されている。これにより、ランプから第1および第2レンズアレイ23,24までの部分の小型化が図られている。   In this embodiment, a compression optical system is configured by the functions of the elliptical reflector 22 and the negative lens of the first lens array 23. Thereby, the size from the lamp to the first and second lens arrays 23 and 24 is reduced.

第2レンズアレイ24から射出した複数の分割光束は、コンデンサーレンズ25によって集光され、偏光ビームスプリッタ等を含む色分解光学系26を経て重畳的に反射型液晶パネル27を照明する。   A plurality of split light beams emitted from the second lens array 24 are collected by the condenser lens 25 and illuminate the reflective liquid crystal panel 27 in a superimposed manner through a color separation optical system 26 including a polarization beam splitter and the like.

第2レンズアレイ24も、前述したように第1レンズアレイ23と同様の形状を有し、負レンズの機能とレンズアレイの機能とを併せ持つ。   The second lens array 24 also has the same shape as the first lens array 23 as described above, and has both a negative lens function and a lens array function.

本実施例では、第2レンズアレイ24の負レンズの機能とコンデンサーレンズ25の正レンズとしての機能とにより、レトロフォーカスタイプの重畳光学系が構成されている。実施例1と同様に、重畳光学系をレトロフォーカスタイプにすることで、バックフォーカスが長くなり、色分解光学系26が配置しやすくなる。   In this embodiment, a retrofocus type superposition optical system is configured by the function of the negative lens of the second lens array 24 and the function of the condenser lens 25 as a positive lens. As in the first embodiment, by using a retrofocus type superimposing optical system, the back focus becomes longer and the color separation optical system 26 can be easily arranged.

また、第1および第2レンズアレイ23,24のレンズアレイ形成面を同一方向に向けることで、実施例1と同様に、複数の対応レンズセルにおけるレンズセル面間距離の差を小さくすることができ、照明領域での明るさの均一化と明るさの向上を図っている。   Further, by directing the lens array forming surfaces of the first and second lens arrays 23 and 24 in the same direction, the difference in distance between the lens cell surfaces in a plurality of corresponding lens cells can be reduced as in the first embodiment. It is possible to make the brightness uniform in the illumination area and improve the brightness.

なお、本実施例においては、第1および第2レンズアレイ23,24に負レンズの機能を持たせたが、本発明はこれに限らない。例えば、両レンズアレイの片面を、凸面上に複数のレンズセルが配置された形状とし、該レンズアレイに正レンズの機能を持たせてもよい。この場合、例えば、楕円リフレクタと第1レンズアレイとにより正、正の屈折力構成の圧縮光学系を構成し、第2レンズアレイがコンデンサーレンズの正屈折力のすべて又は一部を受け持つ構成を採ることができる。   In the present embodiment, the first and second lens arrays 23 and 24 have a negative lens function, but the present invention is not limited to this. For example, one surface of both lens arrays may have a shape in which a plurality of lens cells are arranged on a convex surface, and the lens array may have a positive lens function. In this case, for example, a compression optical system having a positive and positive refractive power configuration is configured by the elliptical reflector and the first lens array, and the second lens array is configured to handle all or part of the positive refractive power of the condenser lens. be able to.

図12には、上記実施例1で説明した照明光学系を用いた液晶プロジェクタ(画像投射装置)の構成を示している。図12は、実施例1でいうXZ面を含む断面での構成を示している。   FIG. 12 shows a configuration of a liquid crystal projector (image projection apparatus) using the illumination optical system described in the first embodiment. FIG. 12 shows a configuration in a cross section including the XZ plane in the first embodiment.

同図において、41は連続スペクトルで白色光を発光する発光管、42は発光管41からの光を所定の方向に集光するリフレクタである。発光管41とリフレクタ42により光源ランプ40が構成される。   In the figure, 41 is an arc tube that emits white light in a continuous spectrum, and 42 is a reflector that collects light from the arc tube 41 in a predetermined direction. A light source lamp 40 is configured by the arc tube 41 and the reflector 42.

100は実施例1で説明した照明光学系である。   Reference numeral 100 denotes the illumination optical system described in the first embodiment.

58は青(B:430〜495nm)と赤(R:590〜650nm)の波長領域の光を反射し、緑(G:505〜580nm)の波長領域の光を透過するダイクロイックミラーである。59は透明基板に偏光素子を貼り付けたG用の入射側偏光板であり、S偏光光のみを透過する。60は多層膜により構成された偏光分離面においてP偏光光を透過し、S偏光光を反射する第1偏光ビームスプリッタである。   Reference numeral 58 denotes a dichroic mirror that reflects light in the wavelength region of blue (B: 430 to 495 nm) and red (R: 590 to 650 nm) and transmits light in the wavelength region of green (G: 505 to 580 nm). Reference numeral 59 denotes a G incident-side polarizing plate in which a polarizing element is attached to a transparent substrate, and transmits only S-polarized light. Reference numeral 60 denotes a first polarization beam splitter that transmits P-polarized light and reflects S-polarized light on a polarization separation surface constituted by a multilayer film.

61R,61G,61Bはそれぞれ、入射した光を反射するとともに画像変調する光変調素子(若しくは画像形成素子)としての赤用反射型液晶パネル、緑用反射型液晶パネルおよび青用反射型液晶パネルである。62R,62G,62Bはそれぞれ、赤用1/4波長板、緑用1/4波長板および青用1/4波長板である。   61R, 61G, and 61B are a reflective liquid crystal panel for red, a reflective liquid crystal panel for green, and a reflective liquid crystal panel for blue as light modulation elements (or image forming elements) that reflect incident light and modulate the image, respectively. is there. 62R, 62G, and 62B are a red wavelength plate, a green wavelength plate, and a blue wavelength plate, respectively.

64は透明基板に偏光素子を貼り付けたRB用入射側偏光板であり、S偏光のみを透過する。   Reference numeral 64 denotes an incident-side polarizing plate for RB in which a polarizing element is attached to a transparent substrate, and transmits only S-polarized light.

65はB光の偏光方向を90度変換し、R光の偏光方向は変換しない第1の色選択性位相差板である。66は偏光分離面においてP偏光を透過し、S偏光を反射する第2偏光ビームスプリッタである。67はR光の偏光方向を90度変換し、B光の偏光方向は変換しない第2の色選択性位相差板である。   Reference numeral 65 denotes a first color-selective retardation plate that converts the polarization direction of the B light by 90 degrees and does not convert the polarization direction of the R light. Reference numeral 66 denotes a second polarization beam splitter that transmits P-polarized light and reflects S-polarized light on the polarization separation surface. 67 denotes a second color-selective phase difference plate that converts the polarization direction of the R light by 90 degrees and does not convert the polarization direction of the B light.

68はRB用の射出側偏光板(偏光素子)であり、S偏光のみを透過する。69は偏光分離面においてP偏光を透過し、S偏光を反射する第3の偏光ビームスプリッタである。   Reference numeral 68 denotes an exit-side polarizing plate (polarizing element) for RB, which transmits only S-polarized light. Reference numeral 69 denotes a third polarization beam splitter that transmits P-polarized light and reflects S-polarized light on the polarization separation surface.

以上のダイクロイックミラー58から第3の偏光ビームスプリッタ69までの光学素子により、色分解合成光学系200が構成される。   The above-described optical elements from the dichroic mirror 58 to the third polarizing beam splitter 69 constitute a color separation / synthesis optical system 200.

70は投射レンズであり、上記照明光学系100、色分解合成光学系200および投射レンズ70により画像表示光学系が構成される。   Reference numeral 70 denotes a projection lens, and the illumination optical system 100, the color separation / synthesis optical system 200, and the projection lens 70 constitute an image display optical system.

次に、照明光学系100を通過した後の光学的な作用を説明する。まず、Gの光路について説明する。   Next, the optical action after passing through the illumination optical system 100 will be described. First, the G optical path will be described.

ダイクロイックミラー58を透過したGの光は入射側偏光板59に入射する。G光はダイクロイックミラー58によって分解された後もS偏光となっている。そして、G光は、入射側偏光板59から射出した後、第1の偏光ビームスプリッタ60に対してS偏光として入射し、その偏光分離面で反射され、G用反射型液晶パネル61Gへと至る。   The G light transmitted through the dichroic mirror 58 enters the incident side polarizing plate 59. The G light remains S-polarized light after being decomposed by the dichroic mirror 58. The G light exits from the incident-side polarizing plate 59, then enters the first polarizing beam splitter 60 as S-polarized light, is reflected by the polarization separation surface, and reaches the G reflective liquid crystal panel 61G. .

該プロジェクタの液晶駆動回路250には、パーソナルコンピュータ、DVDプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置300が接続されている。液晶駆動回路250は、画像供給装置300から入力された画像(映像)情報に基づいて各反射型液晶パネルを駆動し、これらに各色用の原画を形成させる。これにより、各反射型液晶パネルに入射した光は、反射されるとともに原画に応じて変調(画像変調)される。   An image supply device 300 such as a personal computer, a DVD player, or a TV tuner is connected to the liquid crystal driving circuit 250 of the projector. The liquid crystal driving circuit 250 drives each reflective liquid crystal panel based on the image (video) information input from the image supply device 300, and forms an original image for each color. Thereby, the light incident on each reflective liquid crystal panel is reflected and modulated (image modulation) according to the original image.

画像変調されたG光のうちS偏光成分は、再び第1の偏光ビームスプリッタ60の偏光分離面で反射し、光源側に戻されて投射光から除去される。一方、画像変調されたG光のうちP偏光成分は、第1の偏光ビームスプリッタ60の偏光分離面を透過し、投射光として第3の偏光ビームスプリッタ69に向かう。このとき、すべての偏光成分をS偏光に変換した状態(黒を表示した状態)において、第1の偏光ビームスプリッタ60とG用反射型液晶パネル61Gとの間に設けられた1/4波長板62Gの遅相軸を所定の方向に調整する。これにより、第1の偏光ビームスプリッタ60とG用反射型液晶パネル61Gで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えることができる。   The S-polarized component of the image-modulated G light is reflected again by the polarization separation surface of the first polarization beam splitter 60, returned to the light source side, and removed from the projection light. On the other hand, the P-polarized component of the image-modulated G light passes through the polarization separation surface of the first polarization beam splitter 60 and travels to the third polarization beam splitter 69 as projection light. At this time, in a state where all the polarization components are converted to S-polarized light (a state where black is displayed), a quarter-wave plate provided between the first polarizing beam splitter 60 and the G-use reflective liquid crystal panel 61G. The slow axis of 62G is adjusted in a predetermined direction. Thereby, the influence of the disturbance of the polarization state generated in the first polarizing beam splitter 60 and the G-use reflective liquid crystal panel 61G can be suppressed to a low level.

第1の偏光ビームスプリッタ60から射出したG光は、第3の偏光ビームスプリッタ69に対してP偏光として入射し、第3の偏光ビームスプリッタ69の偏光分離面を透過して投射レンズ70へと至る。   The G light emitted from the first polarization beam splitter 60 enters the third polarization beam splitter 69 as P-polarized light, passes through the polarization separation surface of the third polarization beam splitter 69, and enters the projection lens 70. It reaches.

一方、ダイクロイックミラー58を反射したRとBの光は、入射側偏光板64に入射する。RとBの光はダイクロイックミラー58によって分解された後もS偏光となっている。そして、R光とB光は、入射側偏光板64から射出した後、第1の色選択性位相差板65に入射する。第1の色選択性位相差板65は、B光のみ偏光方向を90度回転する作用を持っており、これによりBの光はP偏光として、R光はS偏光として第2の偏光ビームスプリッタ66に入射する。S偏光として第2の偏光ビームスプリッタ66に入射したR光は、第2の偏光ビームスプリッタ66の偏光分離面で反射され、R用反射型液晶パネル61Rへと至る。   On the other hand, the R and B lights reflected by the dichroic mirror 58 enter the incident side polarizing plate 64. The R and B lights remain S-polarized after being decomposed by the dichroic mirror 58. Then, the R light and the B light are emitted from the incident side polarizing plate 64 and then incident on the first color selective phase difference plate 65. The first color-selective retardation plate 65 has a function of rotating the polarization direction of only B light by 90 degrees, whereby the B light becomes P-polarized light and the R light becomes S-polarized light. 66 is incident. The R light incident on the second polarization beam splitter 66 as S-polarized light is reflected by the polarization separation surface of the second polarization beam splitter 66 and reaches the R-use reflective liquid crystal panel 61R.

また、P偏光として第2の偏光ビームスプリッタ66に入射したB光は、第2の偏光ビームスプリッタ66の偏光分離面を透過してB用反射型液晶パネル61Bへと至る。   Further, the B light incident on the second polarization beam splitter 66 as P-polarized light passes through the polarization separation surface of the second polarization beam splitter 66 and reaches the B-use reflective liquid crystal panel 61B.

R用反射型液晶パネル61Rに入射したR光は画像変調されて反射される。画像変調されたR光のうちS偏光成分は、再び第2の偏光ビームスプリッタ66の偏光分離面で反射されて光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたR光のうちP偏光成分は、第2の偏光ビームスプリッタ66の偏光分離面を透過して投射光として第2の色選択性位相板67に向かう。   The R light incident on the R reflective liquid crystal panel 61R is image-modulated and reflected. The S-polarized component of the image-modulated R light is reflected again by the polarization separation surface of the second polarization beam splitter 66, returned to the light source side, and removed from the projection light. On the other hand, the P-polarized component of the image-modulated R light passes through the polarization separation surface of the second polarization beam splitter 66 and travels toward the second color selective phase plate 67 as projection light.

また、B用反射型液晶パネル61Bに入射したB光は画像変調されて反射される。画像変調されたB光のうちP偏光成分は、再び第2の偏光ビームスプリッタ66の偏光分離面を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたB光のうちS偏光成分は、第2の偏光ビームスプリッタ66の偏光分離面で反射して投射光として第2の色選択性位相板67に向かう。   Further, the B light incident on the reflective liquid crystal panel 61B for B is image-modulated and reflected. The P-polarized component of the image-modulated B light is transmitted again through the polarization separation surface of the second polarization beam splitter 66, returned to the light source side, and removed from the projection light. On the other hand, the S-polarized component of the image-modulated B light is reflected by the polarization separation surface of the second polarization beam splitter 66 and travels toward the second color selective phase plate 67 as projection light.

このとき、第2の偏光ビームスプリッタ66とR用およびB用反射型液晶パネル61R,61Bの間に設けられた1/4波長板62R,62Bの遅相軸を調整することにより、Gの場合と同じようにR,Bそれぞれの黒の表示の調整を行うことができる。   At this time, by adjusting the slow axis of the quarter wave plates 62R and 62B provided between the second polarizing beam splitter 66 and the reflective liquid crystal panels 61R and 61B for R and B, the case of G In the same manner as described above, the black display of each of R and B can be adjusted.

こうして1つの光束に合成され、第2の偏光ビームスプリッタ66から射出したR光とB光のうちR光は、第2の色選択性位相板67によってその偏光方向が90度回転されてS偏光成分となる。さらに、R光は、射出側偏光板68で検光されて第3の偏光ビームスプリッタ69に入射する。また、Bの光はS偏光のまま第2の色選択性位相板67をそのまま透過し、さらに射出側偏光板68で検光されて第3の偏光ビームスプリッタ69に入射する。尚、射出側偏光板68で検光されることにより、RとBの投射光は、第2の偏光ビームスプリッタ66とR用およびB用反射型液晶パネル61R,61B、1/4波長板62R、62Bを通ることによって生じた無効な成分をカットされた光となる。   The R light out of the R light and B light emitted from the second polarization beam splitter 66 in this way is combined into one light beam, and its polarization direction is rotated 90 degrees by the second color selective phase plate 67 so that it is S polarized light. Become an ingredient. Further, the R light is analyzed by the exit-side polarizing plate 68 and enters the third polarizing beam splitter 69. Further, the B light passes through the second color-selective phase plate 67 as it is as S-polarized light, is further analyzed by the exit-side polarizing plate 68, and enters the third polarizing beam splitter 69. The R- and B-projected lights are analyzed by the exit-side polarizing plate 68, so that the second polarizing beam splitter 66, the R and B reflective liquid crystal panels 61R and 61B, and the quarter wavelength plate 62R. , 62B, ineffective components generated by passing through the light are cut.

そして、第3の偏光ビームスプリッタ69に入射したRとBの投射光は第3の偏光ビームスプリッタ69の偏光分離面で反射し、G光と合成されて投射レンズ70に至る。   The R and B projection light incident on the third polarization beam splitter 69 is reflected by the polarization separation surface of the third polarization beam splitter 69, and is combined with the G light to reach the projection lens 70.

合成されたR,G,Bの投射光(カラー画像)は、投射レンズ70によってスクリーンなどの被投射面に拡大投射される。   The combined R, G, B projection light (color image) is enlarged and projected by a projection lens 70 onto a projection surface such as a screen.

以上説明した光路は反射型液晶パネルが白表示の場合である為、以下に反射型液晶パネルが黒表示の場合での光路を説明する。   Since the optical path described above is for the case where the reflective liquid crystal panel displays white, the optical path for the case where the reflective liquid crystal panel displays black will be described below.

まず、Gの光路について説明する。ダイクロイックミラー58を透過したG光のS偏光光は、入射側偏光板59に入射し、その後、第1の偏光ビームスプリッタ60に入射して偏光分離面で反射され、G用反射型液晶パネル61Gへと至る。しかし、反射型液晶パネル61Gが黒表示状態であるため、G光は画像変調されないまま反射される。従って、反射型液晶パネル61Gで反射された後もG光はS偏光光のままである。このため、再び第1の偏光ビームスプリッタ60の偏光分離面で反射し、入射側偏光板59を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。   First, the G optical path will be described. The S-polarized light of G light that has passed through the dichroic mirror 58 enters the incident-side polarizing plate 59, and then enters the first polarizing beam splitter 60 and is reflected by the polarization separation surface, and is reflected by the G reflective liquid crystal panel 61G. It leads to. However, since the reflective liquid crystal panel 61G is in the black display state, the G light is reflected without being image-modulated. Therefore, the G light remains S-polarized light even after being reflected by the reflective liquid crystal panel 61G. For this reason, it is reflected again by the polarization separation surface of the first polarization beam splitter 60, passes through the incident side polarizing plate 59, returns to the light source side, and is removed from the projection light.

次に、RとBの光路について説明する。ダイクロイックミラー58で反射したRとBの光のS偏光光は、入射側偏光板64に入射する。そして、R光とB光は、入射側偏光板64から射出した後、第1の色選択性位相差板65に入射する。第1の色選択性位相差板65は、B光のみ偏光方向を90度回転する作用を持っており、これによりB光はP偏光として、R光はS偏光として第2の偏光ビームスプリッタ66に入射する。   Next, the R and B optical paths will be described. S-polarized light of R and B light reflected by the dichroic mirror 58 enters the incident-side polarizing plate 64. Then, the R light and the B light are emitted from the incident side polarizing plate 64 and then incident on the first color selective phase difference plate 65. The first color-selective phase difference plate 65 has an action of rotating the polarization direction of only B light by 90 degrees, whereby the B light becomes P-polarized light and the R light becomes S-polarized light. Is incident on.

S偏光として第2の偏光ビームスプリッタ66に入射したR光は、第2の偏光ビームスプリッタ66の偏光分離面で反射され、R用反射型液晶パネル61Rへと至る。また、P偏光として第2の偏光ビームスプリッタ66に入射したB光は、第2の偏光ビームスプリッタ66の偏光分離面を透過してB用反射型液晶パネル61Bへと至る。ここで、R用反射型液晶パネル61Rは黒表示状態であるため、R用反射型液晶パネル61Rに入射したR光は画像変調されないまま反射される。従って、R用反射型液晶パネル61Rで反射された後もR光はS偏光光のままである。このため、再び第2の偏光ビームスプリッタ66の偏光分離面で反射し、入射側偏光板64を通過して光源側に戻され、投射光から除去される。これにより、黒表示が行われる。   The R light incident on the second polarization beam splitter 66 as S-polarized light is reflected by the polarization separation surface of the second polarization beam splitter 66 and reaches the R-use reflective liquid crystal panel 61R. Further, the B light incident on the second polarization beam splitter 66 as P-polarized light passes through the polarization separation surface of the second polarization beam splitter 66 and reaches the B-use reflective liquid crystal panel 61B. Here, since the R reflective liquid crystal panel 61R is in a black display state, the R light incident on the R reflective liquid crystal panel 61R is reflected without being image-modulated. Accordingly, the R light remains as S-polarized light even after being reflected by the R reflective liquid crystal panel 61R. Therefore, the light is again reflected by the polarization separation surface of the second polarization beam splitter 66, passes through the incident-side polarizing plate 64, returns to the light source side, and is removed from the projection light. Thereby, black display is performed.

一方、B用の反射型液晶パネル61Bに入射したB光は、B用反射型液晶パネル61Bが黒表示状態であるため、画像変調されないまま反射される。従って、B用反射型液晶パネル61Bで反射された後も、B光はP偏光光のままである。このため、再び第2の偏光ビームスプリッタ66の偏光分離面を透過し、第1の色選択性位相差板65によりS偏光に変換され、入射側偏光板64を透過して光源側に戻されて投射光から除去される。   On the other hand, the B light incident on the B reflective liquid crystal panel 61B is reflected without being image-modulated because the B reflective liquid crystal panel 61B is in the black display state. Therefore, even after being reflected by the reflective liquid crystal panel 61B for B, the B light remains as P-polarized light. Therefore, the light is again transmitted through the polarization separation surface of the second polarization beam splitter 66, converted to S-polarized light by the first color-selective retardation plate 65, transmitted through the incident-side polarizing plate 64, and returned to the light source side. Removed from the projection light.

本実施例においては、色分解合成系200において、波長選択性位相差板を用いたが、これをなくしてもよい。この場合、色分解合成系200内に配置された偏光ビームスプリッタが、可視領域内の特定の波長領域に対して偏光ビームスプリッタとして機能し、他の波長領域に対しては偏光方向に関わらず透過又は反射する特性を有する偏光分離膜を持つ構成とすればよい。   In this embodiment, in the color separation / synthesis system 200, the wavelength selective phase difference plate is used, but this may be eliminated. In this case, the polarization beam splitter arranged in the color separation / synthesis system 200 functions as a polarization beam splitter for a specific wavelength region in the visible region, and transmits to other wavelength regions regardless of the polarization direction. Or what is necessary is just to set it as the structure which has the polarization separation film which has the characteristic to reflect.

また、色分解合成系200と投射レンズ70との間に1/4位相差板を配置して、投射レンズ70内のレンズ面で反射されて戻ってきた光が再反射されて、再びスクリーン方向に戻るのを防ぐようにしてもよい。   Further, a ¼ phase difference plate is disposed between the color separation / synthesis system 200 and the projection lens 70, and the light reflected and returned by the lens surface in the projection lens 70 is re-reflected, again in the screen direction. You may make it prevent returning to.

さらに、本実施例では、液晶パネルを3枚用いた場合について説明したが、本発明においては、1枚、2枚又は4枚以上を用いてもよい。   Further, in this embodiment, the case where three liquid crystal panels are used has been described. However, in the present invention, one, two, or four or more may be used.

本発明の実施例1である照明光学系の構成(第2断面)を示す図。The figure which shows the structure (2nd cross section) of the illumination optical system which is Example 1 of this invention. 実施例1の照明光学系の構成(第1断面)を示す図。1 is a diagram illustrating a configuration (first cross section) of an illumination optical system according to Embodiment 1. FIG. 実施例1の照明光学系のシリンドリカルレンズアレイを示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating a cylindrical lens array of the illumination optical system according to the first embodiment. 実施例1のシリンドリカルレンズアレイによる光源像形成領域を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a light source image forming region by the cylindrical lens array of Example 1. 実施例1におけるシリンドリカルレンズアレイによる光源像形成領域を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating a light source image forming region by a cylindrical lens array in the first embodiment. 実施例1におけるシリンドリカルレンズアレイの斜視図。1 is a perspective view of a cylindrical lens array in Embodiment 1. FIG. 実施例1におけるシリンドリカルレンズアレイの側面図。2 is a side view of a cylindrical lens array in Embodiment 1. FIG. レンズアレイを用いた一般的な照明光学系の概略図。1 is a schematic diagram of a general illumination optical system using a lens array. レンズアレイの向きが同じ方向である場合の効果を示す図。The figure which shows the effect in case the direction of a lens array is the same direction. レンズアレイの向きが逆方向である場合の欠点を示す図。The figure which shows the fault when the direction of a lens array is a reverse direction. 本発明の実施例である照明光学系の構成(第1,2断面)を示す図。The figure which shows the structure (1st, 2 cross section) of the illumination optical system which is an Example of this invention. 本発明の実施例3であるプロジェクタの構成を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a projector that is Embodiment 3 of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、21、41 発光管
2、22、42 リフレクタ
3 第3シリンドリカルレンズアレイ
4 第4シリンドリカルレンズアレイ
5 正レンズ
6 第1シリンドリカルレンズアレイ
7 第2シリンドリカルレンズアレイ
8 コンデンサーレンズ
9 シリンドリカルレンズ
10、26、200 色分解合成光学系
11、27、61R、61G、61B 反射型液晶パネル
23 第1のレンズアレイ
24 第2のレンズアレイ
25 コンデンサーレンズ
100 照明光学系
1, 2, 41, arc tube 2, 22, 42 reflector 3 3rd cylindrical lens array 4 4th cylindrical lens array 5 positive lens 6 1st cylindrical lens array 7 2nd cylindrical lens array 8 condenser lens 9 cylindrical lenses 10, 26, 200 Color separation / synthesis optical system 11, 27, 61R, 61G, 61B Reflective liquid crystal panel 23 First lens array 24 Second lens array 25 Condenser lens 100 Illumination optical system

Claims (8)

1の断面において、光源からの光束を圧縮した後に複数の第1の光束に分割し、該複数の第1の光束を被照明面上で重畳する照明光学系であって、
前記光源からの光束を圧縮する光学系は、光源側から順に配置された、正の屈折力を有する第1の光学素子および負の屈折力を有する第1のレンズアレイを含むアフォーカル系であり、
前記光源からの光束を分割する光学系は、光源側から順に配置され、それぞれ複数の偏芯したレンズセルを有する前記第1のレンズアレイおよび第2のレンズアレイであり
前記第1の光束を重畳する光学系は、光源側から順に配置された、負の屈折力を有する前記第2のレンズアレイおよび正の屈折力を有する第2の光学素子を含み、
前記第1および第2のレンズアレイは、互いに同符号の屈折力を有し、
前記第1および第2のレンズアレイにおける前記レンズセルが形成された面が互いに同じ方向を向いていることを特徴とする照明光学系。
In the first cross section, an illumination optical system that compresses a light beam from a light source and then divides the light beam into a plurality of first light beams and superimposes the plurality of first light beams on an illuminated surface,
The optical system for compressing the light beam from the light source is an afocal system including a first optical element having a positive refractive power and a first lens array having a negative refractive power, which are arranged in order from the light source side. ,
Optical system for splitting the light beam from the light source is arranged from the light source side in this order, a first lens array and the second lens arrays each having a plurality of eccentric lenses cells,
The optical system for superimposing the first light beam includes the second lens array having negative refractive power and the second optical element having positive refractive power, which are arranged in order from the light source side,
Wherein the first and second lens array has a refractive power of the same sign with each other,
An illumination optical system, wherein surfaces of the first and second lens arrays on which the lens cells are formed are oriented in the same direction.
前記第1および第2のレンズアレイにおける前記レンズセルが形成された面が前記被照明の方向を向いていることを特徴とする請求項1に記載の照明光学系。 2. The illumination optical system according to claim 1, wherein a surface on which the lens cell is formed in the first and second lens arrays faces a direction of the illuminated surface . 前記第1の断面に直交する第2の断面において、該照明光学系は、
光源側から順に配置され、前記光源からの光束を複数の第2の光束に分割する第3および第4のレンズアレイと、
該複数の第2の光束を前記被照明面上で重畳する正の屈折力を有する第3の光学素子とを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の照明光学系。
In a second cross section orthogonal to the first cross section, the illumination optical system includes:
A third and a fourth lens array, which are arranged in order from the light source side, and divide the light beam from the light source into a plurality of second light beams;
The illumination optical system according to claim 1 or 2, characterized in that a third optical element having positive refractive power for superposing the second plurality of light beams on the surface to be illuminated.
前記第1および第2のレンズアレイにおいて、前記各レンズセルは正の屈折力を有することを特徴とする請求項1からのいずれか1つに記載の照明光学系。 In the first and second lens array, an illumination optical system according to each lens cell of any one of claims 1 to 3, characterized in that it has a positive refractive power. 前記第1の断面において前記第1のレンズアレイに入射する光束の幅が、前記第2の断面において前記第3のレンズアレイに入射する光束の幅よりも小さいことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の照明光学系。 The width of the light beam incident on the first lens array in the first cross section, that the claim 1, wherein said less than the width of the light flux incident on the third lens array in the second section 5. The illumination optical system according to any one of 4 above. 請求項1からのいずれか1つに記載の照明光学系と、
該照明光学系からの光束により照明される光変調素子と、
該光変調素子からの光束を投射する投射光学系とを有することを特徴とする光学系。
The illumination optical system according to any one of claims 1 to 5 ,
A light modulation element illuminated by a light beam from the illumination optical system;
An optical system comprising: a projection optical system that projects a light beam from the light modulation element.
前記照明光学系と前記光変調素子との間に、光学膜を有する光学素子が配置され、
前記第1の断面は、前記照明光学系の光軸方向と前記光学膜の法線が延びる方向とに平行な面であることを特徴とする請求項に記載の光学系。
An optical element having an optical film is disposed between the illumination optical system and the light modulation element,
The optical system according to claim 6 , wherein the first cross section is a plane parallel to an optical axis direction of the illumination optical system and a direction in which a normal line of the optical film extends.
請求項又はに記載の光学系を有することを特徴とする画像投射装置。 Image projection apparatus comprising an optical system according to claim 6 or 7.
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