JP5515200B2 - Illumination optical system and projector apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、照明光学系及びプロジェクタ装置に関する。   The present invention relates to an illumination optical system and a projector apparatus.

近年、発光ダイオード(LEDと略称されている。)の輝度が向上し、各種の照明光源として注目され、プロジェクタ装置の光源としての検討もなされてきている。LEDをプロジェクタ装置の光源とすることのメリットとしては、光源としての寿命の長さ、カラーバランスの取り易さ等が挙げられる。しかしながら、大型スクリーン用のプロジェクタ装置の光源としてLEDを見たとき、光量の不足が大きな問題であり、光利用効率の高い照明光学系が必要である。プロジェクタ装置のライトバルブとして液晶パネルを用いる場合には効率のよい偏光変換を含む照明光学系が特に重要である。   In recent years, the brightness of light-emitting diodes (abbreviated as LEDs) has been improved, attracting attention as various illumination light sources, and has been studied as a light source for projector apparatuses. Advantages of using an LED as the light source of the projector device include a long life as a light source and ease of color balance. However, when an LED is viewed as a light source of a projector device for a large screen, a shortage of light amount is a big problem, and an illumination optical system with high light utilization efficiency is required. When a liquid crystal panel is used as a light valve of a projector device, an illumination optical system including efficient polarization conversion is particularly important.

照明光学系における個々の部分では様々な検討がなされ、数多くの技術提案がなされているが、偏光変換を含めたトータルな照明光学系としてみたとき十分な検討が為されているとはいえない。   Various studies have been made on individual parts of the illumination optical system, and many technical proposals have been made, but it cannot be said that sufficient studies have been made when viewed as a total illumination optical system including polarization conversion.

照明光学系として組み合わせた例としては、例えば、特許文献1には、にフォトニック結晶を備えたLEDと偏光変換素子を組み合わせた例(特許文献1の図11)が開示されている。   As an example of combination as an illumination optical system, for example, Patent Document 1 discloses an example in which an LED including a photonic crystal and a polarization conversion element are combined (FIG. 11 of Patent Document 1).

特許文献2には、フライアイレンズと偏光変換素子とロッドインテグレータを組み合わせた照明光学系(特許文献2の図7、図8)が開示されている。従来のランプ光源を用いた液晶プロジェクタ装置においては、フライアイレンズを用いた照明光学系は一般的である。図16にフライアイレンズ系の構成例を示す。この照明光学系においては、ランプなどの光源からの光ビームは放物面鏡で反射されて光軸にほぼ平行なビームとなってフライアイレンズに到達するため、図16(a)のように、光ビームは第1フライアイレンズにより第2フライアイレンズ上に結像され、光量損失なくフライアイレンズを透過できることになる。   Patent Document 2 discloses an illumination optical system (FIGS. 7 and 8 of Patent Document 2) in which a fly-eye lens, a polarization conversion element, and a rod integrator are combined. In a liquid crystal projector using a conventional lamp light source, an illumination optical system using a fly-eye lens is common. FIG. 16 shows a configuration example of the fly-eye lens system. In this illumination optical system, a light beam from a light source such as a lamp is reflected by a parabolic mirror and becomes a beam substantially parallel to the optical axis to reach the fly-eye lens, as shown in FIG. The light beam is imaged on the second fly-eye lens by the first fly-eye lens, and can pass through the fly-eye lens without loss of light quantity.

特許文献3には、テーパロッドの出射端に、P偏光を透過しS偏光を反射する構成のワイヤグリッド反射型偏向分離素子を配置して、S偏光成分をテーパロッド内に戻してやり、繰り返し反射するうちにP偏光に変わった光ビームを透過光として取り出し全ての光成分を利用するという照明光学系が開示されている。
特開2006―39277号公報 特開2005-309144号公報 特開2005―23440号公報
In Patent Document 3, a wire grid reflection type deflection / separation element configured to transmit P-polarized light and reflect S-polarized light is disposed at the output end of the taper rod, and the S-polarized component is returned into the taper rod and repeatedly reflected. Discloses an illumination optical system in which a light beam changed to P-polarized light is extracted as transmitted light and all light components are used.
JP 2006-39277 A JP 2005-309144 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-23440

上述のように、液晶パネルのようなライトバルブを含む照明光学系の光利用効率の向上技術が開示されているが、LEDのような比較的弱い光源からの光を大型スクリーン用のプロジェクタ装置に利用するには十分とはいえなかった。例えば、特許文献1に開示のLEDとフォトニック結晶の組み合わせだけでは、光ビームは十分に収斂されているとは言えず、光利用効率は十分には上がりきらない。その様子を図15に示すと、フォトニック結晶を備えたLEDの発光分布は図15の破線のようであり、ランバート分布(実線)と比べると放射角が30°までは光量が集中しており、0°に近い領域では1.5倍程度に改善されている。しかしながら、全体的には光ビームは90°まで広がっており、液晶パネルの場合の有効取込み角10°〜15°程度を考えたとき、全発光光量に対する有効光の割合は30%程度にしかならない。   As described above, a technique for improving the light utilization efficiency of an illumination optical system including a light valve such as a liquid crystal panel has been disclosed, but light from a relatively weak light source such as an LED is used as a projector device for a large screen. It was not enough to use. For example, the combination of the LED and the photonic crystal disclosed in Patent Document 1 cannot be said to sufficiently converge the light beam, and the light utilization efficiency cannot be sufficiently improved. As shown in FIG. 15, the light emission distribution of the LED provided with the photonic crystal is as shown by the broken line in FIG. In the region close to 0 °, the improvement is about 1.5 times. However, as a whole, the light beam spreads to 90 °, and when considering an effective capture angle of 10 ° to 15 ° in the case of a liquid crystal panel, the ratio of effective light to the total amount of emitted light is only about 30%. .

特許文献2に開示された照明光学系をLED光源に適用しようとすると図16(b),(c)のような構成になるが、二つの点で不具合が発生する。一つは図16(b)に示したようにLEDからの発光のうち、有効に取り込めるビームが少ないことである。もう一つの不具合は、LEDが面光源であることによるもので、図16(c)に示したように、面光源の端部からのビームは、偏光変換素子のアパーチャによって遮断されてしまうことである。このような理由により、LEDとフライアイレンズとの組み合わせでは光利用効率を挙げることには限界がある。   When the illumination optical system disclosed in Patent Document 2 is applied to an LED light source, the configuration is as shown in FIGS. 16B and 16C, but problems occur in two respects. One is that, as shown in FIG. 16 (b), of the light emitted from the LEDs, the number of beams that can be effectively captured is small. Another problem is that the LED is a surface light source. As shown in FIG. 16C, the beam from the end of the surface light source is blocked by the aperture of the polarization conversion element. is there. For these reasons, there is a limit to increasing the light utilization efficiency in the combination of the LED and the fly-eye lens.

特許文献3に開示された照明光学系は、理論上は高効率でP偏光が得られることになるが、テーパロッドの光透過効率や反射効率を勘案すると効率が上がらない。同様の構成でλ/4板を組み込んで効率を高めたものが3M社からで試作発表されている。これはアイソレータ系になっているため、効率はいいはずであるが、LED方向に戻った光を再度テーパロッドの出射面側に反射させねばならず、そこの効率が高くとれないため、全体として、偏光分離素子を入れない場合に対して、入れた場合の効率アップは1.2倍程度にとどまっている。   The illumination optical system disclosed in Patent Document 3 can theoretically obtain P-polarized light with high efficiency, but the efficiency does not increase in consideration of the light transmission efficiency and reflection efficiency of the tapered rod. A prototype with a similar structure, in which a λ / 4 plate is incorporated to improve efficiency, has been announced by 3M. Since this is an isolator system, the efficiency should be good, but the light returned to the LED direction must be reflected again to the exit surface side of the taper rod, and the efficiency there is not high, so overall, In contrast to the case where the polarization separation element is not inserted, the efficiency increase when the polarization separation element is inserted is only about 1.2 times.

本発明においては、このような現状を踏まえて、ライトバルブを備えたプロジェクタ装置においてLEDのような比較的光量の少ない光源であっても十分に明るい投射光を得られる光利用効率の高い照明光学系の提供、及びこの照明光学系を備えたプロジェクタ装置を提供することを目的とする。   In the present invention, based on such a current situation, illumination optics with high light utilization efficiency that can obtain sufficiently bright projection light even with a light source having a relatively small amount of light such as an LED in a projector device provided with a light valve. It is an object of the present invention to provide a system and a projector apparatus including the illumination optical system.

上記課題を解決するため本発明者等は、テーパロッドと一対の偏光分離面と反射面を有する偏光変換素子を組み合わせることにより、光利用効率の高い照明光学系が構成されることを見いだした。テーパロッドは光源の発光面に密着して配置できるため光の取り込み効率がよい。また、テーパロッドは傾斜する反射面での多重反射を利用して光ビームを光軸に平行なビームに近づけることにより、レンズによるコリメートよりも角度変換効率がよい。偏光変換素子はテーパロッド出射端に密着配置されることにより、ここでも光の損失は発生しないようにすることができる。偏光変換素子は光軸対称な2対の偏光分離面と反射面にすると、より光量バランスに優れたものとなる。また、偏光変換素子の偏光分離面と反射面の間に微小な空隙を設け、偏光分離面を通らずに抜けて行こうとする光ビームを偏光分離面に引き戻すことができる。偏光変換素子の出射面形状をライトバルブ面と相似形にしておけばリレーレンズにより効率よくライトバルブを照明できる。さらに、LED光源をフォトニック結晶つきのものにしておけば、フォトニック結晶の作用とテーパロッドの作用が相乗的に重なって、より光利用効率のよい照明系が構成される。このようなプロジェクタ装置における照明光学系の光利用効率の向上方法を見いだし、以下の発明を完成した。   In order to solve the above problems, the present inventors have found that an illumination optical system with high light utilization efficiency is configured by combining a polarization conversion element having a tapered rod, a pair of polarization separation surfaces and a reflection surface. Since the taper rod can be disposed in close contact with the light emitting surface of the light source, the light capturing efficiency is good. In addition, the taper rod uses multiple reflections on an inclined reflecting surface to bring the light beam closer to a beam parallel to the optical axis, and therefore has a better angle conversion efficiency than a collimator using a lens. The polarization conversion element is disposed in close contact with the tapered rod exit end, so that no loss of light can occur here. When the polarization conversion element is formed of two pairs of polarization separation surfaces and reflection surfaces that are symmetric with respect to the optical axis, the light quantity balance is more excellent. In addition, a minute gap is provided between the polarization separation surface and the reflection surface of the polarization conversion element, and the light beam that is about to pass through without passing through the polarization separation surface can be pulled back to the polarization separation surface. If the exit surface shape of the polarization conversion element is similar to the light valve surface, the light valve can be efficiently illuminated by the relay lens. Furthermore, if the LED light source is provided with a photonic crystal, the action of the photonic crystal and the action of the taper rod are synergistically overlapped to form an illumination system with higher light utilization efficiency. A method for improving the light utilization efficiency of the illumination optical system in such a projector apparatus has been found, and the following invention has been completed.

本発明は、光源と、光源から入射した光を光ビームとして出射するテーパロッドと、テーパロッドから出射した光ビームを入射して偏光分離する偏光変換素子と、偏光変換素子により偏光分離された光ビームを入射して変調するライトバルブとを備え、前記偏光変換素子は、平行面をなす偏光分離面と反射面とを有し、偏光分離された透過光又は反射光のいずれか一方の出射面に位相変調素子を備え、透過光の出射面と反射光の出射面とで形成される出射面の形状をライトバルブの光入射面の形状と相似形とすることを特徴とするプロジェクタ装置の照明光学系である。 The present invention includes a light source, a tapered rod that emits light incident from the light source as a light beam, a polarization conversion element that receives and separates the light beam emitted from the taper rod, and a light beam that is polarized and separated by the polarization conversion element. The polarization conversion element has a polarization separation surface and a reflection surface that form parallel planes, and has a phase on the exit surface of either the transmitted light or the reflected light separated by polarization. An illumination optical system for a projector apparatus, comprising a modulation element, wherein the shape of the exit surface formed by the exit surface of the transmitted light and the exit surface of the reflected light is similar to the shape of the light incident surface of the light valve It is.

光源から出射した光を偏光ビームとしてライトバルブの入射面に照射するために、テーパロッドと上述の偏光変換素子を組み合わせることにより、偏光変換効率を含めて極めて光利用効率の高い液晶プロジェクタ用の照明光学系が形成される。また、偏光変換素子が平行面をなす偏光分離面と反射面とを有することにより、偏光変換素子に光ビームを照射するテーパロッドが一つで済み、簡易な構成の照明光学系とすることができる。さらに、偏光変換素子の後段にすぐにライトバルブとして透過型液晶パネルを配置した簡易な構成の照明光学系が構成できる。   Lighting optics for liquid crystal projectors with extremely high light utilization efficiency, including polarization conversion efficiency, by combining the tapered rod and the above-mentioned polarization conversion element to irradiate the light valve's incident surface as a polarized beam with the light emitted from the light source A system is formed. In addition, since the polarization conversion element has a polarization separation surface and a reflection surface forming parallel surfaces, only one taper rod for irradiating the polarization conversion element with a light beam is required, and an illumination optical system having a simple configuration can be obtained. . Furthermore, an illumination optical system with a simple configuration in which a transmissive liquid crystal panel is disposed immediately after the polarization conversion element as a light valve can be configured.

本発明は、さらに、前記偏光変換素子とライトバルブとの間に、偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するレンズを備えた構成を有するThe present invention further has a configuration in which a lens that projects the shape of the exit surface of the polarization conversion element onto the light beam incident surface of the light valve is provided between the polarization conversion element and the light valve.

本発明は、さらに、前記偏光変換素子とライトバルブとの間に、偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するロッドインテグレータを備えた構成を有するThe present invention further between the polarization converter and the light valve, and has a configuration in which a rod integrator for projecting the shape of the exit surface of the polarization conversion element to the light beam incident surface of the light valve.

偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するレンズやロッドインテグレータを備えることにより、光ビームを効率よくライトバルブの入射面に投影することができる。また、偏光変換素子の後段にロッドインテグレータを配することで、光量のバランスが改善され、偏光変換素子に空隙などがあり光ビームが不均一になってもこれを均一化出来る。   By providing a lens or a rod integrator that projects the shape of the exit surface of the polarization conversion element onto the light beam incident surface of the light valve, the light beam can be efficiently projected onto the incident surface of the light valve. Further, by arranging the rod integrator after the polarization conversion element, the balance of the light amount is improved, and even if the polarization conversion element has a gap or the like and the light beam becomes non-uniform, it can be made uniform.

本発明は、さらに、前記偏光変換素子は、光軸対称な2対以上の偏光分離面と反射面とを有する構成を備えるThe present invention further includes a configuration in which the polarization conversion element includes two or more pairs of polarization separation surfaces and reflection surfaces that are symmetric with respect to the optical axis.

テーパロッドと光軸対称な2対以上の偏光変換素子を組み合わせることにより、偏光変換効率を含めて極めて光利用効率が高く、かつ照明対称性のよい液晶プロジェクタ用の照明光学系が形成される。   By combining the taper rod and two or more pairs of polarization conversion elements that are symmetric with respect to the optical axis, an illumination optical system for a liquid crystal projector that has extremely high light utilization efficiency including polarization conversion efficiency and good illumination symmetry is formed.

本発明は、さらに、前記テーパロッドの光ビーム出射面と偏光変換素子の入射面とは、密着している構成を備える。 The present invention further includes a configuration in which the light beam exit surface of the tapered rod and the incident surface of the polarization conversion element are in close contact with each other.

本発明は、さらに、前記偏光変換素子は、テーパロッドから入射し偏光分離面に到達せずに透過する光ビームを遮る位置に間隙を設けた構成を備える。
本発明は、さらに、前記テーパロッドは、アレイ構造である構成を備える。
本発明は、さらに、前記テーパロッドは、光軸対象の前記偏光変換素子に対して両側部から光束を入射する構成を備える。
好ましい本発明は、前記光源と前記テーパロッドの入射面は、それぞれセットになってアレイ構造を形成していることを特徴とする前記プロジェクタ装置の照明光学系である。
また、参考の発明は、光源と、光源から入射した光を光ビームとして出射するテーパロッドと、テーパロッドから出射した光ビームを入射して偏光分離する偏光変換素子と、偏光変換素子により偏光分離された光ビームを入射して変調するライトバルブとを備え、前記偏光変換素子は、平行面をなす偏光分離面と反射面とを有し、偏光分離された透過光又は反射光のいずれか一方の出射面に位相変調素子を備え、透過光の出射面と反射光の出射面とで形成される出射面の形状をライトバルブの光入射面の形状と略相似形であり、前記偏光変換素子とライトバルブとの間に、偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するレンズを備え、前記偏光変換素子とライトバルブとの間に、偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するロッドインテグレータを備え、前記偏光変換素子は、光軸対称な2対以上の偏光分離面と反射面とを有し、前記テーパロッドの光ビーム出射面と偏光変換素子の入射面とは、略密着し、前記偏光変換素子は、テーパロッドから入射し偏光分離面に到達せずに透過する光ビームを遮る位置に間隙を設け、前記レンズは、焦点距離の比が前記偏光変換素子の出射端サイズと前記ライトバルブのサイズの比より若干大きい1対のレンズであることを特徴とするプロジェクタ装置の照明光学系である。
In the present invention, the polarization conversion element further includes a configuration in which a gap is provided at a position that blocks a light beam that is incident from the taper rod and transmits without reaching the polarization separation surface.
The present invention further includes a configuration in which the tapered rod has an array structure.
In the present invention, the tapered rod further includes a configuration in which a light beam is incident from both sides with respect to the polarization conversion element that is an optical axis target.
In a preferred aspect of the present invention, the illumination optical system of the projector apparatus is characterized in that the light source and the incident surface of the taper rod are each set to form an array structure.
The reference invention includes a light source, a tapered rod that emits light incident from the light source as a light beam, a polarization conversion element that receives and splits the light beam emitted from the taper rod, and is polarized and separated by the polarization conversion element. A light valve that modulates the light beam incident thereon, the polarization conversion element having a polarization separation surface and a reflection surface forming parallel surfaces, and emitting either one of the transmitted light and the reflected light separated by polarization. The surface is provided with a phase modulation element, and the shape of the exit surface formed by the exit surface of the transmitted light and the exit surface of the reflected light is substantially similar to the shape of the light incident surface of the light valve. A lens for projecting the shape of the exit surface of the polarization conversion element onto the light beam entrance surface of the light valve is provided between the bulb and the shape of the exit surface of the polarization conversion element is provided between the polarization conversion element and the light valve. Rye A rod integrator for projecting onto a light beam incident surface of a bulb, wherein the polarization conversion element has two or more pairs of polarization separation surfaces and reflection surfaces that are symmetric with respect to the optical axis, and the light beam emission surface and polarization conversion element of the tapered rod The polarization conversion element is provided with a gap at a position that blocks a light beam incident from a taper rod and transmitted without reaching the polarization separation surface, and the lens has a focal length ratio of An illumination optical system of a projector device, wherein the illumination optical system is a pair of lenses that are slightly larger than the ratio of the exit end size of the polarization conversion element and the size of the light valve.

好ましい本発明は、前記偏光変換素子は、テーパロッドから入射する光ビームの入射面における端部と偏光分離面の偏光変換素子出射面側における端部とを結ぶ面に間隙を設けたことを特徴とする前記照明光学系である。   In a preferred aspect of the present invention, the polarization conversion element is characterized in that a gap is provided on a surface connecting the end of the incident surface of the light beam incident from the taper rod and the end of the polarization separation surface on the exit side of the polarization conversion element. The illumination optical system.

偏光変換素子に上述のような間隙を設けることにより、偏光分離面に到達せずに透過しようとする光ビームを反射して偏光分離面に照射するので、より光利用効率の高い照明光学系が構成される。   By providing the gap as described above in the polarization conversion element, the light beam that is to be transmitted without reaching the polarization separation surface is reflected and irradiated to the polarization separation surface, so that an illumination optical system with higher light utilization efficiency can be obtained. Composed.

好ましい本発明は、前記光源は、発光ダイオード(LED)であることを特徴とする前記照明光学系である。   In a preferred aspect of the present invention, the illumination optical system is characterized in that the light source is a light emitting diode (LED).

好ましい本発明は、前記光源は、フォトニック結晶を備えていることを特徴とする前記照明光学系である。   In a preferred aspect of the present invention, the light source includes a photonic crystal.

光源にフォトニクス結晶を備えることにより、特にLED光源を用いた照明光学系における光利用効率を向上させることができる。   By including a photonic crystal in the light source, it is possible to improve the light utilization efficiency particularly in an illumination optical system using an LED light source.

好ましい本発明は、前記ライトバルブは、透過型液晶パネル又は反射型液晶パネルであることを特徴とする前記照明光学系である。   In a preferred aspect of the present invention, the light valve is a transmissive liquid crystal panel or a reflective liquid crystal panel.

本発明は、前記照明光学系を複数備え、それぞれの照明光学系における偏光変換素子から出射された光ビームを合成するダイクロイックプリズムと、ダイクロイックプリズムから出射された光ビームをスクリーン上に投射する投射レンズとを備えたことを特徴とするプロジェクタ装置である。   The present invention includes a plurality of the illumination optical systems, a dichroic prism that combines the light beams emitted from the polarization conversion elements in each illumination optical system, and a projection lens that projects the light beams emitted from the dichroic prism onto the screen A projector apparatus characterized by comprising:

本発明の照明光学系を搭載することにより、光利用効率が向上し、LEDなどの固体光源を用いても大画面のプロジェクタ装置が実現可能となる。   By installing the illumination optical system of the present invention, light utilization efficiency is improved, and a large-screen projector device can be realized even when a solid-state light source such as an LED is used.

好ましい本発明は、前記偏光変換素子とライトバルブの間にダイクロイックプリズムを配置し、それぞれの照明光学系に対しひとつのライトバルブを共用することを特徴とする前記プロジェクタ装置である。   In a preferred aspect of the present invention, the projector apparatus is characterized in that a dichroic prism is disposed between the polarization conversion element and the light valve, and one light valve is shared for each illumination optical system.

複数の照明光学系を備えたプロジェクタ装置であっても、ライトバルブ等を共用することで、プロジェクタ装置の構成を簡易化できる。   Even in a projector apparatus including a plurality of illumination optical systems, the configuration of the projector apparatus can be simplified by sharing a light valve or the like.

好ましい本発明は、前記光源を複数とし、光源とテーパロッドとの間にダイクロイックプリズムを配したことを特徴とする前記照明光学系である。   In a preferred aspect of the present invention, the illumination optical system includes a plurality of the light sources, and a dichroic prism disposed between the light sources and the taper rod.

好ましい本発明は、前記光源は3つの異なった色の光源であり、ダイクロイックプリズムはクロスダイクロイックプリズムであることを特徴とする前記照明光学系である。   In a preferred aspect of the present invention, the light source is a light source of three different colors, and the dichroic prism is a cross dichroic prism.

3つの異なった色の光源からの光をテーパロッドの前で色合成することで、構成が簡易化されたカラー照明光学系が得られる。   A color illumination optical system with a simplified configuration can be obtained by color-combining light from light sources of three different colors in front of the taper rod.

本発明は、前記照明光学系と、照明光学系から出射された光ビームをスクリーン上に投射する投射レンズとを備えたことを特徴とするプロジェクタ装置である。   The present invention is a projector device comprising the illumination optical system and a projection lens that projects a light beam emitted from the illumination optical system onto a screen.

本発明によれば、ライトバルブを備えたプロジェクタ装置においてLEDのような比較的光量の少ない光源であっても十分に明るい投射光を得られる光利用効率の高い照明光学系、及びこの照明光学系を備えたプロジェクタ装置を提供することができる。   According to the present invention, an illumination optical system with high light utilization efficiency capable of obtaining sufficiently bright projection light even with a light source with a relatively small amount of light such as an LED in a projector apparatus provided with a light valve, and the illumination optical system Can be provided.

本発明を実施するための最良の形態を必要に応じて図面を参照にして説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明の好ましい形態における例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。   The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings as necessary. Note that it is easy for a person skilled in the art to make other embodiments by changing or correcting the present invention within the scope of the claims, and these changes and modifications are included in the scope of the claims. The following description is an example of a preferred embodiment of the present invention, and does not limit the scope of the claims.

(実施形態1)
本発明における実施形態1の照明光学系を図1に示す。実施形態1の照明光学系においては、光源2(LED)、テーパロッド3、偏光変換素子4、レンズ6,7、ライトバルブ8(反射型又は透過型液晶パネル)で構成されている。LEDは、図2に示すように、微小発光面をアレイ状に並べたもの(図2a,c)、あるいは1面を大面積化したもの(図2b,d)が用いられている。テーパロッド3はその入射端がLEDに密着し、入射端形状をLEDサイズと同形状で略同サイズとし、その出射端は液晶パネル8の入射面を上下に2等分した形状とほぼ相似な形状(本願において相似な形状とは合同な形状を含む。)とし、入射端から出射端に向かってテーパ上に広がる形状となっている。偏光変換素子4は直方体のプリズムのような形状で、その出射面の形状は液晶パネル8の入射面とほぼ相似形状(縦横比がパネルの縦横比(いわゆるアスペクト比)と同じ)で、そのサイズは縦方向がテーパロッド出射端の2倍、横方向がテーパロッドの出射端と同サイズとなっている。そして、この実施形態における偏光変換素子4の入射端は、テーパロッド3の出射端と密着している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows an illumination optical system according to Embodiment 1 of the present invention. The illumination optical system according to the first embodiment includes a light source 2 (LED), a taper rod 3, a polarization conversion element 4, lenses 6 and 7, and a light valve 8 (reflective or transmissive liquid crystal panel). As shown in FIG. 2, the LED is formed by arranging minute light emitting surfaces in an array (FIGS. 2A and 2C) or an enlarged one surface (FIGS. 2B and 2D). The tapered rod 3 has an incident end that is in close contact with the LED, has an incident end shape that is substantially the same size as the LED size, and an output end that is substantially similar to the shape obtained by dividing the incident surface of the liquid crystal panel 8 into two equal parts. (In the present application, a similar shape includes a congruent shape.), And the shape widens on the taper from the entrance end toward the exit end. The polarization conversion element 4 is shaped like a rectangular prism, and its exit surface is substantially similar to the entrance surface of the liquid crystal panel 8 (the aspect ratio is the same as the panel aspect ratio (so-called aspect ratio)) and its size. The vertical direction is twice the tapered rod exit end, and the lateral direction is the same size as the tapered rod exit end. In this embodiment, the incident end of the polarization conversion element 4 is in close contact with the exit end of the taper rod 3.

偏光変換素子4には、2つの互いに平行な光ビームの主軸の入射方向に対し45°の傾斜をもつ傾斜面を備え、その第1の傾斜面は偏光分離面4a、第2の傾斜面は反射面4bとなっている。そして、偏光分離面4aは、光ビームの主軸の入射方向の反対方向から見たときにテーパロッド出射端を覆い隠す用に配置されている。このようにすることにより、テーパロッド3から入射する主軸と平行な光ビームはすべて偏光分離面4aに到達する。一方、反射面4bは、光ビームの主軸の入射方向の反対方向から見たときにテーパロッド出射端が見えない部分のみに配置されている。図2における偏光変換素子4は、図の奥行き方向へは同じ形状をしているので、図面上で説明すると、偏光変換素子4の上部1/2の部分に、テーパロッド出射端上端から45°の角度で偏光変換素子4の出射端側に偏光分離面4aが配置されている。反射面4bは、テーパロッド出射端下端から45°の角度で偏光変換素子4の出射端側に配置されている。このようにすることで、偏光変換素子4の出射面の上半分から、偏光分離面4aの透過光を出射し、下半分から、偏光分離面4aの反射光を出射する。   The polarization conversion element 4 includes an inclined surface having an inclination of 45 ° with respect to the incident direction of the principal axes of the two parallel light beams. The first inclined surface is the polarization separation surface 4a, and the second inclined surface is It is a reflective surface 4b. The polarization separation surface 4a is disposed so as to cover the tapered rod exit end when viewed from the direction opposite to the incident direction of the main axis of the light beam. By doing in this way, all the light beams parallel to the principal axis that enter from the taper rod 3 reach the polarization separation surface 4a. On the other hand, the reflecting surface 4b is disposed only in a portion where the tapered rod exit end is not visible when viewed from the direction opposite to the incident direction of the main axis of the light beam. Since the polarization conversion element 4 in FIG. 2 has the same shape in the depth direction of the figure, the description will be made on the drawing. A polarization separation surface 4 a is arranged on the exit end side of the polarization conversion element 4 at an angle. The reflecting surface 4b is disposed on the exit end side of the polarization conversion element 4 at an angle of 45 ° from the lower end of the tapered rod exit end. By doing in this way, the transmitted light of the polarization separation surface 4a is emitted from the upper half of the emission surface of the polarization conversion element 4, and the reflected light of the polarization separation surface 4a is emitted from the lower half.

位相変調素子5は、偏光変換素子4の出射面の上部半分に貼られている。位相変調素子5は、λ/2板であり、偏光分離面4aを透過した光ビームを位相変調する。なお、位相変調素子5は、透過光光路か反射光光路のいずれかを位相変調し、互いに同じ波面を持つ偏光とするものであるが、どちらの偏光に揃えるかはパネルの特性と光路の構成によって決まる。   The phase modulation element 5 is attached to the upper half of the exit surface of the polarization conversion element 4. The phase modulation element 5 is a λ / 2 plate, and phase-modulates the light beam transmitted through the polarization separation surface 4a. The phase modulation element 5 performs phase modulation on either the transmitted light path or the reflected light optical path to obtain polarized light having the same wavefront. Which of the polarized lights is aligned depends on the panel characteristics and the optical path configuration. It depends on.

レンズは基本的には1対のレンズで構成され、その焦点距離比が偏光変換素子の出射端サイズとパネルサイズの比と同一(あるいはそれより若干大きな比)となっている。パネルは特にサイズが規制されるものではないが、現実的には0.7インチ程度のサイズが想定される。   The lens is basically composed of a pair of lenses, and the focal length ratio thereof is the same as (or slightly larger than) the ratio between the exit end size of the polarization conversion element and the panel size. The size of the panel is not particularly limited, but a size of about 0.7 inches is assumed in reality.

LEDから出射した光ビームは一般的にはランバート分布に近い広がりをもっているが、テーパロッド3が密着配置されているため、ほとんどロスなくテーパロッド内に採りこまれる。テーパロッド内に取り込まれた光ビームは、一部はそのまま出射端から出て行くが、その他のビームは側壁で反射され、角度の大きい光ビームは側壁で多重反射される。これらの各反射の段階で光ビームは次第に光軸に平行な角度に近づいていくため、テーパロッド出射端では全光ビームが光軸に平行に近くなっている。   The light beam emitted from the LED generally has a spread close to a Lambertian distribution, but since the taper rod 3 is disposed in close contact, it is taken into the taper rod with almost no loss. A part of the light beam taken into the tapered rod goes out from the exit end as it is, but the other beams are reflected by the side wall, and the light beam having a large angle is multiple-reflected by the side wall. At each of these reflection steps, the light beam gradually approaches an angle parallel to the optical axis, so that the entire light beam is close to parallel to the optical axis at the tapered rod exit end.

テーパロッド出射端からの光ビームは、偏光変換素子4に入り、偏光分離面4a(第1の傾斜面)でP偏光(透過光)とS偏光(反射光)に分離される。P偏光ビームは偏光分離面4aを透過してそのまま偏光変換素子4の出射面から出射され、S偏光ビームは偏光分離面4aで反射された後、反射面4b(第2の傾斜面)で再度反射されて、P偏光ビームと同じ方向に向かって出射される。偏光変換素子4の出射面の上半分には位相変調素子5(λ/2板)が張られており。P偏光は、他の偏光方向(この場合、S偏光)に揃えられる。この偏光変換素子4の出射面でのビームを見てみると、テーパロッド3で角度が光軸に近づけられ、偏光変換素子4で偏光方向が揃えられるとともに、テーパロッド3及び偏光変換素子4を通過する間にインテグレート作用が施され、偏光変換素子出射面での強度分布はほとんど均一(フラット)なものになっている。   The light beam from the exit end of the tapered rod enters the polarization conversion element 4 and is separated into P-polarized light (transmitted light) and S-polarized light (reflected light) by the polarization separation surface 4a (first inclined surface). The P-polarized beam passes through the polarization separation surface 4a and is emitted as it is from the exit surface of the polarization conversion element 4. The S-polarized beam is reflected by the polarization separation surface 4a and then again by the reflection surface 4b (second inclined surface). Reflected and emitted in the same direction as the P-polarized beam. A phase modulation element 5 (λ / 2 plate) is stretched on the upper half of the exit surface of the polarization conversion element 4. P-polarized light is aligned with other polarization directions (in this case, S-polarized light). Looking at the beam on the exit surface of the polarization conversion element 4, the angle is made closer to the optical axis by the taper rod 3, the polarization direction is aligned by the polarization conversion element 4, and the light passes through the taper rod 3 and the polarization conversion element 4. An integration effect is applied between them, and the intensity distribution on the exit surface of the polarization conversion element is almost uniform (flat).

レンズ6,7はいわゆるリレーレンズになっており、このフラットな光量分布を持つ偏光変換素子出射面の形状をそのまま液晶パネル8の入射面上に投影する。投影サイズはレンズの焦点距離比できまる。実際の照明サイズはパネルの上下左右に余裕を見る必要があるためパネルサイズよりも若干大きめになるように設定される。レンズ6,7は、プロジェクタスクリーン上での照度の均一性や照明効率を考慮すると、両側でテレセントリックであることが望ましい。また液晶パネル8の光軸方向の位置は照明光学系全体の位置とレンズの設計により光利用効率と照度ムラとのバランスの最も良い位置に配置される。   The lenses 6 and 7 are so-called relay lenses, and the shape of the exit surface of the polarization conversion element having a flat light amount distribution is projected onto the incident surface of the liquid crystal panel 8 as it is. The projection size is determined by the focal length ratio of the lens. The actual illumination size is set to be slightly larger than the panel size because it is necessary to see room in the upper, lower, left and right sides of the panel. The lenses 6 and 7 are desirably telecentric on both sides in consideration of the uniformity of illumination on the projector screen and the illumination efficiency. Further, the position in the optical axis direction of the liquid crystal panel 8 is arranged at a position where the balance between light use efficiency and illuminance unevenness is the best depending on the position of the entire illumination optical system and the design of the lens.

なお、「密着」と呼んでいるのは、光学的にみて光利用効率にほとんど変化をもたらさない範囲に接近している状態を表現している。また、「同サイズ」とあるのは、「密着」と同様、光学的にロスがほとんど発生しない程度の大きさの同等性を表現している。   In addition, what is called “adhesion” expresses a state of approaching a range in which light utilization efficiency hardly changes as viewed optically. Also, “same size” represents equality of such a size that optical loss hardly occurs, as in “contact”.

LEDは図2(a)〜(d)に示すように微小チップをアレイ状に配したものでも、1面を大サイズ化したものでもかまわない。また発光面形状も正方形に限ったものではなく、長方形その他の形状でもかまわない。光源2の形状は後段のテーパロッド3等の形状から、光量、光利用効率を考慮して適宜決定される。   The LED may be one in which microchips are arranged in an array as shown in FIGS. 2A to 2D, or one in which one surface is enlarged. Further, the shape of the light emitting surface is not limited to a square, and may be a rectangle or other shapes. The shape of the light source 2 is appropriately determined from the shape of the subsequent taper rod 3 and the like in consideration of the light amount and the light utilization efficiency.

(実施形態2)
実施形態2の照明光学系は、図3(A)に示すように、レンズ6,7の投影倍率は等倍も、縮小も、拡大もあり得る。用いるLEDサイズ、その発光光量、液晶パネル8の入射面のサイズ等により適宜に選択される。さらに、レンズの枚数は基本的には2枚が好ましいが、図3(B)に示すように、1枚でも構成可能である。但し、この場合は、周辺光量落ち等が発生し易いので注意が必要である。また3枚以上のレンズ構成としてもよい。
(Embodiment 2)
In the illumination optical system of the second embodiment, as shown in FIG. 3A, the projection magnification of the lenses 6 and 7 can be equal, reduced, or enlarged. The size is appropriately selected depending on the size of the LED to be used, the amount of light emitted, the size of the incident surface of the liquid crystal panel 8, and the like. Furthermore, although the number of lenses is preferably two in principle, it can be configured by one as shown in FIG. However, in this case, care must be taken because the peripheral light amount drop easily occurs. Moreover, it is good also as a 3 or more lens structure.

(実施形態3)
実施形態3の照明光学系は、全体構成としては実施形態1の照明光学系と同じであるが、偏光変換素子4aの構造が異なっている。すなわち、図4に示すように、この偏光変換素子4aは、その光ビーム入射面の中央部にテーパロッド3が密着しており、テーパロッド3からの光ビームの光軸を中心に上下両側に偏光分離面4aが光軸に45°の角度で形成されている。そして、その両側に反射面4bが配置されている。すなわち、この偏光変換素子4aは、光軸に対称な2対の平行面で偏光変換素子4aと反射面4bを構成している。さらに、位相変調素子5は、偏光変換素子4aの出射端側の中央部、テーパロッド3の出射面を臨む位置に配置されている。
(Embodiment 3)
The illumination optical system of Embodiment 3 is the same as the illumination optical system of Embodiment 1 in terms of the overall configuration, but the structure of the polarization conversion element 4a is different. That is, as shown in FIG. 4, in this polarization conversion element 4a, the taper rod 3 is in close contact with the central portion of the light beam incident surface, and polarization separation is performed on both the upper and lower sides around the optical axis of the light beam from the taper rod 3. The surface 4a is formed at an angle of 45 ° to the optical axis. And the reflective surface 4b is arrange | positioned at the both sides. In other words, the polarization conversion element 4a constitutes the polarization conversion element 4a and the reflection surface 4b by two pairs of parallel surfaces symmetrical to the optical axis. Further, the phase modulation element 5 is arranged at a position facing the central part on the emission end side of the polarization conversion element 4 a and the emission surface of the taper rod 3.

偏光変換素子の偏光分離面4aは、理想的にはP偏光100%透過、S偏光100%反射となればよいが、実際の偏光変換素子材料ではなかなかそのようにはならず、特にP偏光の透過率は落ちやすい。すると偏光変換素子出射面での光量分布にP偏光透過光出射側とS偏光反射光出射側で差が生じ、液晶パネル8の照度の上下のアンバランスの要因となる。この実施形態のように、偏光変換素子4aの偏光分離面4aと反射面4bの対を光軸対称に配することにより、照度分布は上下対称に保たれる。また系全体も光軸対称になり構成しやすい。この実施形態では、偏光分離面4aと反射面4bの対を上下対称に配置したが、これを左右対象に配置しても、上下左右対称な4対とすることも出来る。   The polarization separation surface 4a of the polarization conversion element should ideally be 100% P-polarized light transmission and 100% S-polarized light reflection, but this is not the case with actual polarization conversion element materials. The transmittance is easy to drop. As a result, a difference occurs in the light amount distribution at the exit surface of the polarization conversion element between the P-polarized transmitted light exit side and the S-polarized reflected light exit side, which causes an upper and lower imbalance of the illuminance of the liquid crystal panel 8. As in this embodiment, the illuminance distribution is kept vertically symmetrical by arranging the pair of the polarization separation surface 4a and the reflection surface 4b of the polarization conversion element 4a symmetrical about the optical axis. The entire system is also symmetric with respect to the optical axis and is easy to configure. In this embodiment, the pair of the polarization separation surface 4a and the reflection surface 4b is arranged symmetrically in the vertical direction.

(実施形態4、5)
実施形態4の照明光学系は、全体構成としては実施形態1の照明光学系と同じであるが、偏光変換素子4の構造が異なっている。実施形態4の照明光学系は、図5に示すように、偏光変換素子4の中央部に亀裂状の微小な幅の間隙10が設けてある。この間隙10は、テーパロッド3の出射面との密着部の下端部と偏光分離面4aの下端部とを結ぶ面として光ビームの光軸と平行に形成されている。間隙10がない場合、図5に示す破線で表したように、有効な光路から外れてしまう光ビームが存在して光利用効率を低下させるが、図5に示すように間隙10があれば、このような光ビームは、入射角が大きいので間隙10で全反射して有効光路内に戻り、有効な光ビームとして利用され、光利用効率を向上させることが出来る。しかし、偏光分離面4aで反射された反射光(S偏光)は、間隙面に対しほぼ垂直に入射し、入射角が小さいので容易に間隙10を透過する。そして、実施形態1と同じように反射面4bで反射して偏光変換素子4から出射していく。
(Embodiments 4 and 5)
The illumination optical system of the fourth embodiment is the same as the illumination optical system of the first embodiment in terms of the overall configuration, but the structure of the polarization conversion element 4 is different. As shown in FIG. 5, the illumination optical system of Embodiment 4 has a crack-shaped gap 10 having a minute width at the center of the polarization conversion element 4. The gap 10 is formed parallel to the optical axis of the light beam as a surface connecting the lower end portion of the close contact portion with the emission surface of the taper rod 3 and the lower end portion of the polarization separation surface 4a. When there is no gap 10, as shown by the broken line shown in FIG. 5, there is a light beam that deviates from the effective optical path and reduces the light utilization efficiency, but if there is a gap 10 as shown in FIG. 5, Since such a light beam has a large incident angle, it is totally reflected by the gap 10 and returns to the effective optical path, and is used as an effective light beam, thereby improving the light utilization efficiency. However, the reflected light (S-polarized light) reflected by the polarization separation surface 4a is incident substantially perpendicular to the gap surface, and easily passes through the gap 10 because the incident angle is small. Then, like the first embodiment, the light is reflected by the reflecting surface 4 b and emitted from the polarization conversion element 4.

実施形態5の照明光学系は、実施形態3の照明光学系の偏光変換素子4aに上述と同様な間隙を設けた照明光学系である。この場合は、図6に示すように、間隙10は、テーパロッド3の出射面との密着部の下端部と偏光分離面4aの下端部とを結ぶ面、及びテーパロッド3の出射面との密着部の上端部と偏光分離面4aの上端部とを結ぶ面の2カ所に光ビームの光軸と平行に形成されている。形状は異なっていても間隙10の作用効果は、上述の実施形態4の照明光学系と同じである。   The illumination optical system of Embodiment 5 is an illumination optical system in which the same gap as described above is provided in the polarization conversion element 4a of the illumination optical system of Embodiment 3. In this case, as shown in FIG. 6, the gap 10 is a surface connecting the lower end portion of the contact portion with the exit surface of the taper rod 3 and the lower end portion of the polarization separation surface 4 a, and the contact portion with the exit surface of the taper rod 3. Are formed in parallel with the optical axis of the light beam at two points on the surface connecting the upper end of the light beam and the upper end of the polarization separation surface 4a. Even if the shapes are different, the effect of the gap 10 is the same as that of the illumination optical system of the fourth embodiment.

この微小な間隙10はスジとなって液晶パネル8上(ひいてはプロジェクタのスクリーン上に投影される恐れがあるが、リレーレンズ6,7の性能(投影解像度)がそれほど高くなく、かつ間隙10の幅を偏光変換素子4のサイズに比べて十分に小くすれば、問題にならない。また、次に述べる方法等によっても回避される。   The minute gap 10 may be a streak and projected onto the liquid crystal panel 8 (and thus onto the projector screen), but the performance (projection resolution) of the relay lenses 6 and 7 is not so high, and the width of the gap 10 If it is made sufficiently small compared with the size of the polarization conversion element 4, it will not be a problem, and it can be avoided by the following method.

(実施形態6)
実施形態6の照明光学系は、図7に示すように、偏光変換素子4の直後に、ロッドインテグレータ9を配置している。偏光変換素子4の後に、ロッドインテグレータ9を配置することにより、P偏光透過率とS偏光反射率に差があると、偏光変換素子4の出射位置により光量のアンバランスが生じたり、中央と周辺で照度に差が出たりする。また、実施形態4,5の照明光学系のように偏光変換素子4に間隙がある場合には、投射像に筋が発生する可能性がある。ロッドインテグレータ9を偏光変換素子4の後段に配置することにより、光ビームを混合し、均一化出来るので、ロッドインテグレータ9から出射した光ビームはこれらの不具合を解消している。
(Embodiment 6)
In the illumination optical system of the sixth embodiment, as shown in FIG. 7, a rod integrator 9 is arranged immediately after the polarization conversion element 4. By disposing the rod integrator 9 after the polarization conversion element 4, if there is a difference between the P-polarized light transmittance and the S-polarization reflectance, the light amount may be unbalanced depending on the emission position of the polarization conversion element 4, or the center and the peripheral There is a difference in illuminance. Further, when there is a gap in the polarization conversion element 4 as in the illumination optical systems of Embodiments 4 and 5, there is a possibility that streaks occur in the projected image. By disposing the rod integrator 9 at the subsequent stage of the polarization conversion element 4, the light beams can be mixed and made uniform, so that the light beam emitted from the rod integrator 9 solves these problems.

(実施形態7)
実施形態7の照明光学系は、図8に示すように、光源2としてLED表面にフォトニック結晶11を配置したものである。フォトニック結晶11そのものが光軸平行成分を増す機能を持つが、プロジェクタ光源用としてみたとき、必ずしも十分な光軸平行化効果を持つものではない。そこで、これをテーパロッドと組み合わせることで、より光利用効率の高い照明光学系が得られる。
(Embodiment 7)
In the illumination optical system of the seventh embodiment, as shown in FIG. 8, a photonic crystal 11 is arranged on the LED surface as the light source 2. Although the photonic crystal 11 itself has a function of increasing the optical axis parallel component, it does not necessarily have a sufficient optical axis collimating effect when viewed as a projector light source. Therefore, by combining this with a taper rod, an illumination optical system with higher light utilization efficiency can be obtained.

図15には、LEDをレンズ系で角度変換した場合とテーパロッドで角度変換した場合の放射角特性を、何も無い場合と比較して示している。また各場合について、LED発光がランバート分布の場合とフォトニック結晶つきの場合が示してある。(レンズ系とテーパロッドは同一サイズのLEDを2倍に拡大しつつ角度変換した場合を比較している。レンズ系は球レンズの場合であるが、他のレンズ系でも同様である。レンズ系の後には直方体のロッドインテグレータをおいて出射面のサイズをテーパロッドとそろえてある。)実線(―)、点線(--)が何も無い場合、丸(○)がレンズ系での角度変換、四角(□)がテーパロッドでの角度変換の結果で、各場合において実線及び太線マークプロットがランバート分布の場合、破線及び細線マークプロットがフォトニック結晶付きの場合を示している。
レンズ系よりもテーパロッドのほうが、0°近辺への光量分布が多く、角度変換特性がよい。また、ランバート分布よりもフォトニック結晶つきのほうが角度変換特性がよい。特に、テーパロッドとフォトニック結晶と組み合わせた場合が、最も角度変換特性改善効果が高い。
FIG. 15 shows the radiation angle characteristics when the angle of the LED is converted by the lens system and when the angle is converted by the taper rod, compared to the case where there is nothing. In each case, the case where the LED emission has a Lambertian distribution and the case with a photonic crystal are shown. (The lens system and the taper rod are compared in the case where the angle conversion is performed while enlarging the same size LED twice. The lens system is a spherical lens, but the same applies to other lens systems. Later, a rectangular parallelepiped rod integrator is used to align the exit surface size with the taper rod.) If there is no solid line (-) or dotted line (-), the circle (○) indicates the angle conversion in the lens system, and the square. (□) shows the result of the angle conversion with the taper rod. In each case, the solid line and the thick line mark plot have a Lambert distribution, and the broken line and the thin line mark plot have a photonic crystal.
The tapered rod has a larger light quantity distribution near 0 ° and better angle conversion characteristics than the lens system. Further, the angle conversion characteristic is better with the photonic crystal than with the Lambert distribution. In particular, the combination of a taper rod and a photonic crystal has the highest effect of improving angle conversion characteristics.

(実施形態8,9)
実施形態8の照明光学系は、図9に示すように、ライトバルブ8として透過型液晶パネルを用いて、透過型液晶パネル直接偏光変換素子4の出射端に配置した場合の構成である。この場合、ライトバルブ8の入射面に光ビームを投射するレンズは無くても構成できる。偏光変換素子4の出射面におけるサイズを透過型液晶パネル8のサイズ(+周辺余裕)にほぼ合わせた大きさにして直接パネルを照明している。現実には、周辺に余裕を持たせるために少し大きめの方が実用的である。
(Embodiments 8 and 9)
As shown in FIG. 9, the illumination optical system according to the eighth embodiment has a configuration in which a transmissive liquid crystal panel is used as the light valve 8 and is arranged at the output end of the transmissive liquid crystal panel direct polarization conversion element 4. In this case, the light valve 8 can be configured without a lens that projects a light beam onto the incident surface. The panel is directly illuminated by setting the size of the exit surface of the polarization conversion element 4 to a size substantially matching the size of the transmissive liquid crystal panel 8 (+ peripheral margin). In reality, a slightly larger size is more practical in order to give a margin to the periphery.

実施形態9の照明光学系は、図10に示すように、実施形態8の照明光学系の偏光変換素子4と透過型液晶パネル8の間にロッドインテグレータ9を配して、ロッドインテグレータ9から出射光で透過型液晶パネル8を照明している。いずれの実施形態でも偏光変換素子4は前述の光軸対称タイプでも、間隙を設けたタイプでも前述と同様の構成とすることが可能である。   As shown in FIG. 10, the illumination optical system according to the ninth embodiment includes a rod integrator 9 disposed between the polarization conversion element 4 and the transmissive liquid crystal panel 8 of the illumination optical system according to the eighth embodiment. The transmissive liquid crystal panel 8 is illuminated with incident light. In any of the embodiments, the polarization conversion element 4 can be configured in the same manner as described above, whether it is the optical axis symmetric type described above or a type provided with a gap.

(実施形態10)
実施形態10は、これまで説明した照明光学系を用いた反射型液晶(いわゆるLCOS)タイプのフルカラーのプロジェクタ装置である。実施形態10のプロジェクタ装置は、図11に示すように、それぞれR(Red)、G(Green)、B(Blue)のLEDを備えた3系統の照明光学系を組み合わせ、各色の照明光学系の液晶パネルからの投射光をクロスダイクロイックプリズムで合成して投射レンズでスクリーンに投影する。なお、コントラストを高めるためにパネルの前後に偏光板が挿入されている。
(Embodiment 10)
The tenth embodiment is a reflective liquid crystal (so-called LCOS) type full-color projector device using the illumination optical system described so far. As shown in FIG. 11, the projector device according to the tenth embodiment combines three illumination optical systems each having R (Red), G (Green), and B (Blue) LEDs. The projection light from the liquid crystal panel is synthesized by the cross dichroic prism and projected onto the screen by the projection lens. In order to increase contrast, polarizing plates are inserted before and after the panel.

(実施形態11)
実施形態11は、実施形態10のプロジェクタ装置の変形で、図12に示すように、反射型液晶(いわゆるLCOS)パネルを1枚にしたプロジェクタ装置の構成例である。照明光学系をR(Red)、G(Green)、B(Blue)の3系統備えるが、第1のリレーレンズと第2のリレーレズにクロスダイクロイックプリズムを配置し、第1のリレーレンズと第2のリレーレズの間で3色合成し、第2レンズ以降は共通の光路になっている。
(Embodiment 11)
The eleventh embodiment is a modification of the projector apparatus according to the tenth embodiment and is a configuration example of a projector apparatus having a single reflection type liquid crystal (so-called LCOS) panel as shown in FIG. The illumination optical system includes three systems of R (Red), G (Green), and B (Blue). A cross dichroic prism is disposed on the first relay lens and the second relay lens, and the first relay lens and the second relay lens are arranged. Three colors are combined between the relay and the second lens, and the second and subsequent lenses have a common optical path.

(実施形態12)
実施形態12のプロジェクタ装置は、図13に示すように、ダイクロイックミラー12a,12bを用いたプロジェクタ装置の例である。3色の合成には、上述のようにクロスダイクロイックプリズムを用いてもよいが、第1レンズと第2レンズの間は十分に距離が取れるので、図13に示すように2枚のダイクロイックミラー12a,12bで構成することも可能で、このほうがコストが安く配置の自由度もある。
Embodiment 12
The projector device of Embodiment 12 is an example of a projector device using dichroic mirrors 12a and 12b as shown in FIG. As described above, a cross dichroic prism may be used for the synthesis of the three colors. However, since the first lens and the second lens have a sufficient distance, two dichroic mirrors 12a as shown in FIG. , 12b, which is cheaper and more flexible in arrangement.

(実施形態13)
実施形態13は、図14に示すように、ひとつの照明光学系で3色を合成したフルカラーの照明光学系である。実施形態13の照明光学系は、光源2とテーパロッド3との間にクロスダイクロイックプリズム14を備え、このダイクロイックプリズム14の3面には、R、G、BのLEDを配置して、各光ビームをダイクロイックプリズム14で合成してフルカラー光ビームとし、これをテーパロッド3入射させテーパロッド以降の照明光学系をこれまで説明した照明光学系と同様としている。この実施形態では、光路が共通であるので、色ごとの異なる設計はできないが、構成は著しく簡易になる。なお、この照明光学系に、出射光をスクリーンに投射するための投射レンズを配置すればプロジェクタ装置とすることが出来る。
(Embodiment 13)
As shown in FIG. 14, the thirteenth embodiment is a full-color illumination optical system in which three colors are synthesized by one illumination optical system. The illumination optical system of the thirteenth embodiment includes a cross dichroic prism 14 between the light source 2 and the taper rod 3, and R, G, and B LEDs are arranged on three surfaces of the dichroic prism 14, and each light beam is arranged. Are combined by the dichroic prism 14 to form a full-color light beam, which is incident on the taper rod 3, and the illumination optical system after the taper rod is the same as the illumination optical system described so far. In this embodiment, since the optical path is common, a different design for each color cannot be performed, but the configuration is remarkably simplified. If a projection lens for projecting emitted light onto the screen is arranged in this illumination optical system, a projector device can be obtained.

(実施形態14)
これまで、各照明光学系の構成においてテーパロッド3は各光路に一つとして説明してきたが、必ずしも一つである必要は無い。図17(a),(b),(c)に示したように、LED2とテーパロッド3のセットをアレイ化することもできる。アレイ化すればテーパロッドの形状は複雑になるが、全長を短くすることができる。また、光軸対称の偏光変換素子4に対して、両側部から光ビームを入射することも可能である。光量バランスが上手くとれない場合等にこれによって改善される可能性がある。また、ひとつ一つのLED2が離れているため発熱を分散して高温になることを避けやすい効果もある。
(Embodiment 14)
So far, in the configuration of each illumination optical system, the taper rod 3 has been described as one for each optical path, but it is not necessarily required to be one. As shown in FIGS. 17A, 17B, and 17C, the set of the LED 2 and the taper rod 3 can be arrayed. If the array is made, the shape of the taper rod becomes complicated, but the overall length can be shortened. Further, it is possible to make light beams incident on both sides of the optical axis symmetrical polarization conversion element 4. This may be improved when the light intensity balance is not good. In addition, since each LED 2 is separated, there is an effect that it is easy to avoid high temperature by dispersing heat generation.

照明光学系(a)の概念図Conceptual diagram of illumination optical system (a) LEDの発光面の例Example of LED light emitting surface 照明光学系(b)の概念図Conceptual diagram of illumination optical system (b) 照明光学系(c)の概念図Conceptual diagram of illumination optical system (c) 照明光学系(d)の概念図Conceptual diagram of illumination optical system (d) 照明光学系(e)の概念図Conceptual diagram of illumination optical system (e) 照明光学系(f)の概念図Conceptual diagram of illumination optical system (f) 照明光学系(g)の概念図Conceptual diagram of illumination optical system (g) 照明光学系(h)の概念図Conceptual diagram of illumination optical system (h) 照明光学系(i)の概念図Conceptual diagram of illumination optical system (i) プロジェクタ装置(1)の概念図Conceptual diagram of the projector device (1) プロジェクタ装置(2)の概念図Conceptual diagram of projector device (2) プロジェクタ装置(3)の概念図Conceptual diagram of the projector device (3) 照明光学系(j)の概念図Conceptual diagram of illumination optical system (j) 照明光学系の放射角特性グラフRadiation angle characteristic graph of illumination optical system 照明光学系(k)の概念図Conceptual diagram of illumination optical system (k) 照明光学系(l)の概念図Conceptual diagram of the illumination optical system (l)

符号の説明Explanation of symbols

1,1a〜1k:照明光学系 1R:レッド(R)照明光学系
1G:グリーン(G)照明光学系 1B:ブルー(B)照明光学系
2:光源 2R:LED光源(R)
2G:LED光源(G) 2B:LED光源(B)
3:テーパロッド 3a,3b,3c,3d,3e:アレイ状のテーパロッド
4:偏光変換素子 4a:偏光分離面
4b:反射面 5:位相変調素子
6:レンズ 7:レンズ
8:ライトバルブ 9:ロッドインテグレータ
10:間隙 11:フォトニック結晶
12a,12b:ダイクロイックミラー 13:レンズ
14:ダイクロイックプリズム 15,15a,15b:フライアイレンズ
16:フライアイレンズ 17:アパーチャ
1, 1a to 1k: illumination optical system 1R: red (R) illumination optical system 1G: green (G) illumination optical system 1B: blue (B) illumination optical system 2: light source 2R: LED light source (R)
2G: LED light source (G) 2B: LED light source (B)
3: Tapered rods 3a, 3b, 3c, 3d, 3e: Arrayed taper rod 4: Polarization conversion element 4a: Polarization separation surface 4b: Reflection surface 5: Phase modulation element 6: Lens 7: Lens 8: Light valve 9: Rod integrator 10: Gap 11: Photonic crystals 12a, 12b: Dichroic mirror 13: Lens 14: Dichroic prism 15, 15a, 15b: Fly eye lens 16: Fly eye lens 17: Aperture

Claims (11)

光源と、光源から入射した光を光ビームとして出射するテーパロッドと、テーパロッドから出射した光ビームを入射して偏光分離する偏光変換素子と、偏光変換素子により偏光分離された光ビームを入射して変調するライトバルブとを備え、
前記偏光変換素子は、平行面をなす偏光分離面と反射面とを有し、偏光分離された透過光又は反射光のいずれか一方の出射面に位相変調素子を備え、透過光の出射面と反射光の出射面とで形成される出射面の形状をライトバルブの光入射面の形状と相似形であり、
前記偏光変換素子とライトバルブとの間に、偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するレンズを備え、
前記偏光変換素子とライトバルブとの間に、偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するロッドインテグレータを備え、
前記偏光変換素子は、光軸対称な2対以上の偏光分離面と反射面とを有し、
前記テーパロッドの光ビーム出射面と偏光変換素子の入射面とは、密着し、
前記偏光変換素子は、テーパロッドから入射し偏光分離面に到達せずに透過する光ビームを遮る位置に間隙を設け、
前記テーパロッドは、アレイ構造であり、
前記テーパロッドは、光軸対象の前記偏光変換素子に対して両側部から光束を入射することを特徴とするプロジェクタ装置の照明光学系。
A light source, a tapered rod that emits light incident from the light source as a light beam, a polarization conversion element that injects and separates the light beam emitted from the taper rod, and a light beam that is polarized and separated by the polarization conversion element is incident and modulated With a light valve to
The polarization conversion element has a polarization separation surface and a reflection surface that form parallel planes, and includes a phase modulation element on either exit surface of the transmitted light or the reflected light that has undergone polarization separation. The shape of the exit surface formed with the exit surface of the reflected light is similar to the shape of the light incident surface of the light valve,
Between the polarization conversion element and the light valve, a lens that projects the shape of the exit surface of the polarization conversion element onto the light beam incident surface of the light valve,
Between the polarization conversion element and the light valve, a rod integrator that projects the shape of the exit surface of the polarization conversion element onto the light beam incident surface of the light valve,
The polarization conversion element has two or more pairs of polarization separation surfaces and reflection surfaces that are optically symmetric,
The light beam exit surface of the taper rod and the incident surface of the polarization conversion element are in close contact with each other,
The polarization conversion element is provided with a gap at a position that blocks a light beam that is incident from a taper rod and transmits without reaching the polarization separation surface,
The tapered rod has an array structure,
An illumination optical system of a projector device, wherein the taper rod causes a light beam to be incident on both sides of the polarization conversion element that is an optical axis target.
前記光源と前記テーパロッドの入射面は、それぞれセットになってアレイ構造を形成していることを特徴とする請求項1に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。   The illumination optical system of the projector apparatus according to claim 1, wherein the light source and the incident surface of the taper rod are each set to form an array structure. 前記偏光変換素子は、テーパロッドから入射する光ビームの入射面における端部と偏光分離面の偏光変換素子出射面側における端部とを結ぶ面に間隙を設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。   2. The polarization conversion element according to claim 1, wherein a gap is provided on a surface connecting an end of the incident surface of the light beam incident from the taper rod and an end of the polarization separation surface on the exit side of the polarization conversion element. 3. An illumination optical system of the projector device according to 2. 前記光源は、発光ダイオード(LED)であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。   The illumination optical system of the projector device according to claim 1, wherein the light source is a light emitting diode (LED). 前記光源は、フォトニック結晶を備えていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。   The illumination optical system of the projector device according to claim 1, wherein the light source includes a photonic crystal. 前記ライトバルブは、透過型液晶パネル又は反射型液晶パネルであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。   6. The illumination optical system of a projector device according to claim 1, wherein the light valve is a transmissive liquid crystal panel or a reflective liquid crystal panel. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の照明光学系を複数備え、それぞれの照明光学系における偏光変換素子から出射された光ビームを合成するダイクロイックプリズムと、ダイクロイックプリズムから出射された光ビームをスクリーン上に投射する投射レンズとを備えたことを特徴とするプロジェクタ装置。   A dichroic prism comprising a plurality of the illumination optical systems according to any one of claims 1 to 6, and combining a light beam emitted from a polarization conversion element in each illumination optical system, and a light beam emitted from the dichroic prism And a projection lens that projects the image onto the screen. 前記偏光変換素子とライトバルブの間にダイクロイックプリズムを配置し、それぞれの照明光学系に対しひとつのライトバルブを共用することを特徴とする請求項7に記載のプロジェクタ装置。   8. The projector apparatus according to claim 7, wherein a dichroic prism is disposed between the polarization conversion element and the light valve, and one light valve is shared for each illumination optical system. 前記光源を複数とし、光源とテーパロッドとの間にダイクロイックプリズムを配したことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。   The illumination optical system for a projector apparatus according to claim 1, wherein a plurality of the light sources are provided, and a dichroic prism is disposed between the light sources and the taper rod. 前記光源は3つの異なった色の光源であり、ダイクロイックプリズムはクロスダイクロイックプリズムであることを特徴とする請求項9に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。   The illumination optical system of the projector device according to claim 9, wherein the light source is a light source of three different colors, and the dichroic prism is a cross dichroic prism. 請求項又は10に記載の照明光学系と、照明光学系から出射された光ビームをスクリーン上に投射する投射レンズとを備えたことを特徴とするプロジェクタ装置。 11. A projector apparatus comprising: the illumination optical system according to claim 9 ; and a projection lens that projects a light beam emitted from the illumination optical system onto a screen.
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