JP5725138B2 - Lighting device and projector - Google Patents

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Description

本発明は、レーザーを光源とした照明装置及びプロジェクターに関するものである。   The present invention relates to an illumination device and a projector using a laser as a light source.

プロジェクターの小型化、低消費電力化、高色域化、長寿命化のために、光源にレーザーを用いることが考えられている。レーザーの高い可干渉性や単色性は、従来のランプ光源では用いることが難しかった、回折光学素子(Diffractive Optical Element:DOE)を適用でき、従来の屈折光学系では考えられなかった、1枚の素子で複数の機能を持った素子も実現できる。DOEを使用する事によって、光学系の簡素化、小型化が可能となる。   In order to reduce the size, power consumption, color gamut, and life of a projector, it is considered to use a laser as a light source. The high coherence and monochromaticity of the laser can be applied to a diffractive optical element (DOE), which is difficult to use with a conventional lamp light source, and cannot be considered with a conventional refractive optical system. An element having multiple functions can also be realized. By using DOE, the optical system can be simplified and downsized.

特開2007−33576号公報JP 2007-33576 A

上記の特許文献1には、上記のDOEを適用した照明装置の構成が示されている。特許文献1によれば、光源としてレーザー光を発振させるレーザー光源を用い、矩形照明へと変換するためのDOEを備えた構成とすることによって、装置の大型化や複雑化、あるいは装置コストの上昇を抑え、所定面を効率良く照明することが可能となる事が示されている。   The above Patent Document 1 shows a configuration of an illumination device to which the above DOE is applied. According to Patent Document 1, by using a laser light source that oscillates laser light as a light source and having a DOE for conversion to rectangular illumination, the apparatus becomes larger and complicated, or the cost of the apparatus increases. It is shown that it is possible to efficiently illuminate a predetermined surface while suppressing the above.

しかしながら、特許文献1には、DOEの回折角度に関する考慮がなされてはいない。DOEの回折角度に関する制限について述べると、DOEの位相振幅変調の空間周波数fと、DOEを出射した光束の最大広がり角度(回折角度)θには以下のような関係がある。
tanθ∝f
特許文献1の構成よりも照明装置をさらに小型化するためには、DOEを出射する光束の最大広がり角度θを大きくすればよい。しかしながら、角度θを大きくするためには、DOEの空間周波数fを小さくする必要があるが、より高度な微細加工技術が必要となり、コストアップの要因となる。本発明は、角度θを大きくすることなく、小型の照明装置の実現を目的とするものである。
However, Patent Document 1 does not consider the DOE diffraction angle. The limitation on the diffraction angle of the DOE will be described. The spatial frequency f of the phase amplitude modulation of the DOE and the maximum spread angle (diffraction angle) θ of the light beam emitted from the DOE have the following relationship.
tanθ∝f
In order to further reduce the size of the illumination device as compared with the configuration of Patent Document 1, the maximum spread angle θ of the light beam emitted from the DOE may be increased. However, in order to increase the angle θ, it is necessary to reduce the spatial frequency f of the DOE. However, a more advanced fine processing technique is required, which increases the cost. An object of the present invention is to realize a small illuminating device without increasing the angle θ.

上記課題の少なくとも一部を解決するために、
本適用例の照明装置は、コヒーレント光を射出する光源装置と、前記コヒーレント光を所定の輝度分布を有する光束に整形する回折光学素子と、回折光学素子から出射した光束を平行光束とするための平行化レンズと、回折光学素子と平行化レンズの間に配置された、回折光学素子から出射した光束の発散角度を大きくする曲面鏡とを備えたことを特徴とする。
In order to solve at least a part of the above problems,
An illumination device according to this application example includes a light source device that emits coherent light, a diffractive optical element that shapes the coherent light into a light beam having a predetermined luminance distribution, and a light beam emitted from the diffractive optical element for making a parallel light beam. It is characterized by comprising a collimating lens and a curved mirror disposed between the diffractive optical element and the collimating lens to increase the divergence angle of the light beam emitted from the diffractive optical element.

回折光学素子からの出射光束の発散角度が小さいと、所望の大きさの照明光を得るためには、被照明面と回折光学素子の距離を大きくしなければならない。回折光学素子からの出射光束の発散角度を大きくするためには、より高度な微細加工技術が必要となり、コストアップの要因となる。回折光学素子と平行化レンズの間に、回折光学素子から出射した光束の発散角度を大きくする曲面鏡を配置することによって、回折光学素子と被照明面との距離を小さくすることができ、安価に照明装置の小型化が実現できる。 If the divergence angle of the light beam emitted from the diffractive optical element is small, the distance between the surface to be illuminated and the diffractive optical element must be increased in order to obtain a desired size of illumination light. In order to increase the divergence angle of the emitted light beam from the diffractive optical element, a more advanced fine processing technique is required, which causes an increase in cost. By placing a curved mirror between the diffractive optical element and the collimating lens to increase the divergence angle of the light beam emitted from the diffractive optical element, the distance between the diffractive optical element and the surface to be illuminated can be reduced and inexpensive. In addition, the lighting device can be downsized.

また、本適用例の好ましい様態としては、上記曲面鏡は凸面鏡であることが望ましい。これにより、折り返し光学系とすることができ、所望の照明エリアに照明させることができ、照明装置の小型化が実現できる。 As a preferred mode of this application example, the curved mirror is desirably a convex mirror. Thereby, it can be set as a return | turnback optical system, a desired illumination area can be illuminated, and size reduction of an illuminating device is realizable.

また、本適用例の好ましい様態としては、上記曲面鏡は凹面鏡であることが望ましい。これにより、折り返し光学系とすることができ、所望の照明エリアに照明させることができ、照明装置の小型化が実現できる。 As a preferred mode of this application example, it is desirable that the curved mirror is a concave mirror. Thereby, it can be set as a return | turnback optical system, a desired illumination area can be illuminated, and size reduction of an illuminating device is realizable.

また、本適用例の好ましい態様としては、上記曲面鏡の面形状が非球面であることが望ましい。これにより、ミラーの歪曲収差を抑制することができ、照明装置の高照明効率化が実現できる。 Moreover, as a preferable aspect of this application example, it is desirable that the surface shape of the curved mirror is an aspherical surface. Thereby, the distortion aberration of a mirror can be suppressed and the high illumination efficiency of an illuminating device can be implement | achieved.

また、本適用例の好ましい態様としては、上記曲面鏡は上記回折光学素子と上記平行化レンズの略中間の位置に配置されていることが望ましい。これにより、照明装置のさらなる小型化が実現できる。 Moreover, as a preferable aspect of this application example, it is desirable that the curved mirror is disposed at a substantially intermediate position between the diffractive optical element and the collimating lens. Thereby, further miniaturization of an illuminating device is realizable.

本適用例の好ましい態様としては、上記適用例に記載の照明装置を備えたプロジェクターであることが望ましい。これにより、プロジェクターの小型化、簡素化、低コスト化が実現できる。   As a preferable aspect of this application example, a projector including the illumination device described in the above application example is desirable. As a result, the projector can be reduced in size, simplified, and reduced in cost.

本適用例の好ましい態様としては、プロジェクターであって、それぞれが所定の色のコヒーレント光を射出する複数の光源装置と、コヒーレント光を所定の輝度分布を有する光束に整形する回折光学素子と、回折光学素子から出射した光束を平行光束とするための平行化レンズと、画素を有し、平行化レンズから出射した光束を画像情報に応じて変調する空間光変調素子と、空間光変調素子から出射した光束を被照射面に投影する投射レンズと、平行化レンズと空間光変調素子との間に設けられ、空間光変調素子へ入射する所定の色の光束を各色ごとに異なる入射角度とし、所定の色の光束を各色ごとに異なる画素へと集光入射させる画素振分け手段と、回折光学素子と平行化レンズの間に設けられ、所定の色の光束の光線角度を制御するための曲面鏡とを備えたことを特徴とすることが望ましい。
これにより、1枚の空間光変調素子でカラーの映像が投影でき、また回折光学素子と被照明面の距離を小さくすることができ、プロジェクターの小型化、簡素化、低コスト化が実現できる。
A preferable aspect of this application example is a projector, each of which includes a plurality of light source devices that emit coherent light of a predetermined color, a diffractive optical element that shapes the coherent light into a light beam having a predetermined luminance distribution, and a diffraction A collimating lens for converting a light beam emitted from the optical element into a parallel light beam, a spatial light modulation element that has pixels and modulates the light beam emitted from the collimating lens according to image information, and is emitted from the spatial light modulation element A projection lens for projecting the luminous flux onto the irradiated surface, a collimating lens, and the spatial light modulation element. The luminous flux of a predetermined color incident on the spatial light modulation element is set at a different incident angle for each color, Is provided between the diffractive optical element and the collimating lens, and controls the ray angle of the light beam of a predetermined color. It is desirable, characterized in that a curved mirror.
As a result, a color image can be projected with one spatial light modulation element, and the distance between the diffractive optical element and the surface to be illuminated can be reduced, and the projector can be miniaturized, simplified, and reduced in cost.

実施例1に係る照明装置の概略構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a lighting device according to Embodiment 1. FIG. 計算機ホログラムの概略形状を示した図である。It is the figure which showed the schematic shape of the computer generated hologram. 計算機ホログラムの表面形状を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the surface shape of the computer generated hologram. DOEの1次回折領域について模式的に示した図である。It is the figure which showed typically about the 1st diffraction region of DOE. DOEから凸レンズまでの距離とDOEから平行化レンズまでの距離を示した線グラフである。It is a line graph which showed the distance from DOE to a convex lens, and the distance from DOE to a parallelization lens. 実施例1の変形例の様態を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the aspect of the modification of Example 1. FIG. 実施例2に係る照明装置の概略構成を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a lighting device according to a second embodiment. 実施例2の変形例の様態を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the aspect of the modification of Example 2. FIG. 実施例3に係る照明装置の概略構成を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a lighting device according to a third embodiment. 実施例4に係るプロジェクターの概略構成を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a projector according to a fourth embodiment. 実施例5に係る空間色分離方式のプロジェクターの概略構成を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a spatial color separation projector according to a fifth embodiment. 空間色分離方式に関する空間光変調素子の概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the spatial light modulation element regarding a spatial color separation system. 空間色分離方式に関する照明装置の概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the illuminating device regarding a spatial color separation system.

(実施例1)
本発明の照明装置に関する実施例1の様態について、図1〜5を用いて説明する。
図1は実施例1に係る照明装置の概略構成を示した模式図である。図1において、照明装置1は光源装置2と回折光学素子(DOE)3と光学素子としての凸レンズ4と平行化レンズ5とから構成され、被照明面6を照明するものである。以下図1に記載の照明装置1の概略を説明する。
光源装置2からは、コヒーレント光L1が射出され、コヒーレント光L1はDOE3へと入射する。DOE3からは所定の輝度分布へと整形された光束L2が出射し、凸レンズ4へと入射する。ただし、ここで使用する凸レンズ4の焦点距離f4(不図示)はDOE3と凸レンズ4の距離D2を用いて、 f4 < D2/2なる関係を満たしている。これにより、凸レンズ4から出射した光束L3の集光角θL3は、光束L2の集光角θL2よりも大きな集光角となる。そして、光束L3は集光点Pf4で集光した後に、再び拡散し平行化レンズ5へと入射する。平行化レンズ5の焦点距離f5は集光点Pf4と平行化レンズ5の距離と略等しくなるように配置されている。平行化レンズ5によって平行光束L4が出射し、被照明面6へと到達する。
Example 1
The aspect of Example 1 regarding the illuminating device of this invention is demonstrated using FIGS.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the illumination device according to the first embodiment. In FIG. 1, an illuminating device 1 includes a light source device 2, a diffractive optical element (DOE) 3, a convex lens 4 as an optical element, and a collimating lens 5, and illuminates an illuminated surface 6. The outline of the illumination device 1 shown in FIG. 1 will be described below.
From the light source device 2, coherent light L1 is emitted, and the coherent light L1 enters the DOE 3. A light beam L2 shaped into a predetermined luminance distribution is emitted from the DOE 3 and enters the convex lens 4. However, where the focal length of the convex lens 4 to be used f4 (not shown) using the distance D 2 of DOE3 and the convex lens 4, meets f4 <D 2/2 the relationship. Thereby, the condensing angle θ L3 of the light beam L3 emitted from the convex lens 4 is larger than the condensing angle θ L2 of the light beam L2 . Then, the light beam L3 is condensed at the condensing point P f4 , diffused again, and enters the collimating lens 5. The focal length f5 of the collimating lens 5 is arranged to be substantially equal to the distance between the condensing point P f4 and the collimating lens 5. The collimating lens 5 emits a parallel light beam L4 and reaches the illuminated surface 6.

ここで、光源装置2はコヒーレント光を出射する光源装置であり、本実施例においては半導体レーザーを用いることとする。なお、コヒーレント光を出射する光源であれば適用可能であり、例えばLD励起固体(DPSS:Diode−Pumped Solid State)レーザーや、スーパールミネッセントダイオード(SLD:Super Luminescent Diode)などである。また、上記のような光源装置を1次元または2次元方向にアレイ状に配置し、複数光束を出射するような光源についても適用可能である。   Here, the light source device 2 is a light source device that emits coherent light, and a semiconductor laser is used in this embodiment. Note that any light source that emits coherent light is applicable, such as an LD-excited solid state (DPSS) laser or a super luminescent diode (SLD). Further, the present invention can also be applied to a light source in which the above light source devices are arranged in an array in a one-dimensional or two-dimensional direction to emit a plurality of light beams.

また、本実施例1におけるDOE3は計算機ホログラム(CGH:Computer Generated Hologram)である。以下、計算機ホログラムについて説明する。
計算機ホログラムは、入射するコヒーレント光に位相および振幅変調を与えることによって、出射光束の輝度(または位相)を制御することが可能な素子である。本実施例においては、入射するビームの輝度分布を、矩形形状で均一な輝度分布に変換し、長方形の形をした被照明面6を均一に効率よく照明することを可能にする。
計算機ホログラムの概略形状を示した模式図を図2(平面図)、および図3(図2のA視断面図)に示す。計算機ホログラムの表面は、ピクセル長さpの正方領域が、図3に示すように深さの異なる凹凸形状をしており、図2に示すようにハッチング毎に深さの異なる正方領域が2次元アレイ状に並んでいる。上記凹凸形状は石英ガラスや樹脂などの材料でできており、入射光に対して各領域で異なる位相差を与えることで、出射光の輝度分布を制御することができる。
Moreover, DOE3 in the present Example 1 is a computer generated hologram (CGH: Computer Generated Hologram). Hereinafter, the computer generated hologram will be described.
A computer generated hologram is an element capable of controlling the luminance (or phase) of an emitted light beam by applying phase and amplitude modulation to incident coherent light. In the present embodiment, the luminance distribution of the incident beam is converted into a uniform luminance distribution with a rectangular shape, and the illuminated surface 6 having a rectangular shape can be illuminated uniformly and efficiently.
A schematic diagram showing a schematic shape of a computer generated hologram is shown in FIG. 2 (plan view) and FIG. 3 (sectional view taken along line A in FIG. 2). On the surface of the computer generated hologram, a square region having a pixel length p has an uneven shape having different depths as shown in FIG. 3, and a square region having a different depth for each hatching is two-dimensional as shown in FIG. They are arranged in an array. The uneven shape is made of a material such as quartz glass or resin, and the luminance distribution of the emitted light can be controlled by giving different phase differences in each region to the incident light.

出射光に所定の輝度分布を与える場合、凹凸形状は計算機を用いて最適化される。主に用いられる最適化手法として、反復フーリエ変換法や、シミュレーテッドアニーリング法(SA法)などの方法が例として挙げられる。
表面の凹凸形状の作成には、半導体プロセスなどの高精度の微細加工技術によって作成されたモールド(型)から、熱転写によって基板等に転写するいわゆるナノインプリントの手法によって製造される。現状では図3のピクセル長さpはサブμm程度が限界である。
なお、本発明に使用するDOE3は、所望の形状を形成可能であれば、従来用いられる他の手法により製造することとしても良い。なお、DOE3は、計算機ホログラムに限られず、他の表面レリーフ型回折光学素子や、二光束干渉法等によって作製される体積型回折光学素子等を用いても良い。
When a predetermined luminance distribution is given to the emitted light, the uneven shape is optimized using a computer. Examples of optimization methods that are mainly used include methods such as an iterative Fourier transform method and a simulated annealing method (SA method).
The surface uneven shape is produced by a so-called nanoimprint technique in which a surface is transferred from a mold (mold) created by a high-precision micromachining technique such as a semiconductor process to a substrate or the like by thermal transfer. At present, the pixel length p in FIG. 3 is limited to about sub μm.
Note that the DOE 3 used in the present invention may be manufactured by another conventionally used method as long as a desired shape can be formed. The DOE 3 is not limited to a computer generated hologram, and other surface relief type diffractive optical elements, volume type diffractive optical elements produced by a two-beam interference method, or the like may be used.

図4は、計算機ホログラム(DOE3)から出射する高次回折光について示している。DOE3からは、所定の輝度分布を与える1次回折光のほかに2次、3次、…、m次の回折光も出射される。また、入射光のうち、回折せずにそのまま出射する0次光も存在する。1次回折光が出射する領域を1次回折領域と呼ぶことにすると、DOE3からm次回折領域へ出射する光束の最大出射角θmとピクセル長さpと入射光の波長λを用いて、グレーティング方程式より下記式で表すことができる。
2psinθm=mλ(m=±1、±2・・・)
mは、整数である。
この関係式より、1次回折領域へと出射する光束の最大出射角θ1は、下記式で表すことができる。
sinθ1=λ/2p
本実施例に用いる光源装置2から射出されるコヒーレント光L1の波長λが532nm、DOE(計算機ホログラム)3のピクセル長さpが1μmとすると、θ1は15.4°となる。
FIG. 4 shows the high-order diffracted light emitted from the computer generated hologram (DOE 3). The DOE 3 emits second-order, third-order,..., M-order diffracted light in addition to the first-order diffracted light giving a predetermined luminance distribution. In addition, there is zero-order light that is emitted without being diffracted among incident light. If the region from which the first-order diffracted light is emitted is called a first-order diffraction region, the grating is obtained using the maximum emission angle θ m of the light beam emitted from the DOE 3 to the m-th order diffraction region, the pixel length p, and the wavelength λ of the incident light. From the equation, it can be expressed by the following equation.
2 psin θ m = mλ (m = ± 1, ± 2...)
m is an integer.
From this relational expression, the maximum emission angle θ 1 of the light beam emitted to the first-order diffraction region can be expressed by the following expression.
sin θ 1 = λ / 2p
If the wavelength λ of the coherent light L1 emitted from the light source device 2 used in this embodiment is 532 nm and the pixel length p of the DOE (computer hologram) 3 is 1 μm, θ 1 is 15.4 °.

図1において、被照明面6のx軸方向の大きさSを16mmとした場合、DOE3からの出射角θL2は15.4°であるから、DOE3の1次回折領域が大きさSと等しくなる距離D´、言い換えると、凸レンズ4を備えない場合のDOE3から平行化レンズ5までの距離D´は、下記式で表され、D´は29mmと導出できる。
D´=(S/2)/TanθL2
In FIG. 1, when the size S in the x-axis direction of the illuminated surface 6 is 16 mm, the exit angle θ L2 from the DOE 3 is 15.4 °, and therefore the first-order diffraction region of the DOE 3 is equal to the size S. The distance D ′, that is, the distance D ′ from the DOE 3 to the collimating lens 5 when the convex lens 4 is not provided is expressed by the following equation, and D ′ can be derived as 29 mm.
D ′ = (S / 2) / Tanθ L2

一方、凸レンズ4をDOE3と平行化レンズ5の間に配した本実施例によると、D2=10mmとし、凸レンズ4の焦点距離f4を3mmとすると、凸レンズ4から光束L3の集光点Pf4の距離D3は4.29mmと求められる。これより、光束L3の集光点Pf4における集光角θL3は、32.7°となり、集光点Pf4と平行化レンズ5の距離(焦点距離f5)は12.4mmと導出される。結果、DOE3から平行化レンズ5の距離Dは26.7mmとなり、凸レンズ4を配置する構成とすることによって、照明装置1を約2mm小さくすることが可能となる。 On the other hand, according to the present embodiment in which the convex lens 4 is arranged between the DOE 3 and the parallelizing lens 5, when D 2 = 10 mm and the focal length f4 of the convex lens 4 is 3 mm, the condensing point P f4 of the light beam L3 from the convex lens 4 The distance D 3 is calculated to be 4.29 mm. As a result, the condensing angle θ L3 of the light beam L3 at the condensing point P f4 is 32.7 °, and the distance (focal length f5) between the condensing point P f4 and the collimating lens 5 is derived as 12.4 mm. . As a result, the distance D from the DOE 3 to the collimating lens 5 is 26.7 mm, and the configuration in which the convex lens 4 is arranged makes it possible to reduce the illumination device 1 by about 2 mm.

ここで、凸レンズ4について述べれば、正の焦点距離を有しており、入射光束の入射角θL2よりも出射光束の出射角θL3を大きくする機能を持つ素子であればよいものとする。例えば、非球面凸レンズを使用すれば、球面レンズを使用したときと比較して歪曲収差を低減し、被照明面6を効率よく照明することが可能となる。また、例えば、より焦点距離の短いボールレンズなどを使用すれば、照明装置1をより小型化することが可能となる。また、例えば、フレネルレンズに代表される回折型レンズを用いれば、薄型の素子を用いることが出来る。回折型レンズには、前述のフレネルレンズの他、バイナリ素子やホログラム素子なども含まれる。回折型レンズを使用することによって、照明装置1の軽量化が可能となる。 Here, as for the convex lens 4, any element having a positive focal length and a function of increasing the outgoing angle θ L3 of the outgoing light beam than the incident angle θ L2 of the incoming light beam may be used. For example, if an aspherical convex lens is used, the distortion aberration can be reduced compared to when a spherical lens is used, and the illuminated surface 6 can be efficiently illuminated. Further, for example, if a ball lens having a shorter focal length is used, the lighting device 1 can be further downsized. For example, if a diffractive lens represented by a Fresnel lens is used, a thin element can be used. In addition to the Fresnel lens described above, the diffractive lens includes binary elements, hologram elements, and the like. By using the diffractive lens, the lighting device 1 can be reduced in weight.

また、凸レンズ4の配置について述べれば、凸レンズ4の位置はDOE3と平行化レンズ5の位置の略中間とすることが望ましい。図5には、上記の条件における、DOE3から凸レンズ4までの距離D2と、DOE3から平行化レンズ5までの距離Dの関係を示したものである。なお、図5に示すグラフは近軸理論を用いて導出しており、レンズの収差等は一切考慮しないものとする。図5のグラフにおいて、DOE3から平行化レンズ5の距離が小さくなる点、すなわち、照明装置1が最も小さくなる点における、DOE3から凸レンズ4までの距離D2は12.8mm、DOE3から平行化レンズ5までの距離Dは25.6mmと導出される。この結果から、凸レンズ4を、DOE3と平行化レンズ5の略中間の位置に配置することによって、照明装置1のサイズを最も効果的に小さくできることが示される。 Further, regarding the arrangement of the convex lens 4, it is desirable that the position of the convex lens 4 is approximately halfway between the positions of the DOE 3 and the parallelizing lens 5. FIG. 5 shows the relationship between the distance D 2 from the DOE 3 to the convex lens 4 and the distance D from the DOE 3 to the collimating lens 5 under the above conditions. It should be noted that the graph shown in FIG. 5 is derived using paraxial theory and does not consider any aberrations of the lens. In the graph of FIG. 5, the distance D 2 from the DOE 3 to the convex lens 4 at the point where the distance from the DOE 3 to the collimating lens 5 becomes small, that is, the point where the illumination device 1 becomes the smallest, is 12.8 mm. The distance D up to 5 is derived as 25.6 mm. From this result, it is shown that the size of the illumination device 1 can be reduced most effectively by disposing the convex lens 4 at a substantially intermediate position between the DOE 3 and the parallelizing lens 5.

また、凸レンズ4を入れることによる別の効果として、DOE3の微細形状を緩和することができ、製造難易度や製造誤差を低減することが可能となる。前述のように、図1におけるDOE3のピクセル長さpが1.0μmのとき、凸レンズ4を備えない場合のDOE3から平行化レンズ5の距離D´が28.9mmとなる。一方、DOE3と平行化レンズ5の距離Dを28.9mmに固定し、焦点距離f4=3mmの凸レンズ4を配置した場合、DOE3の1次回折領域へと出射する最大の出射角θ1は11.1度となる。これより、DOE3のピクセル長さpは1.38μmと導出できる。同じ手法や加工機械を用いてDOE3を製造した場合、ピクセル長さpが長い方が、製造誤差の影響が小さくなり、高い形状精度で、1次回折効率の高いDOE3が作製でき、照明装置1の光利用効率を向上することができる。また、ピクセル長さpを長くできる事によって、製造工程における要求加工精度を低くすることができ、DOE3の製造コストを低減することができる。   In addition, as another effect obtained by inserting the convex lens 4, the fine shape of the DOE 3 can be relaxed, and the manufacturing difficulty level and manufacturing error can be reduced. As described above, when the pixel length p of the DOE 3 in FIG. 1 is 1.0 μm, the distance D ′ from the DOE 3 to the collimating lens 5 when the convex lens 4 is not provided is 28.9 mm. On the other hand, when the distance D between the DOE 3 and the collimating lens 5 is fixed to 28.9 mm and the convex lens 4 with a focal length f4 = 3 mm is arranged, the maximum emission angle θ1 emitted to the first-order diffraction region of the DOE 3 is 11. Once. From this, the pixel length p of DOE 3 can be derived as 1.38 μm. When the DOE 3 is manufactured using the same technique and processing machine, the longer the pixel length p, the smaller the influence of the manufacturing error, and the DOE 3 with high shape accuracy and high first-order diffraction efficiency can be manufactured. The light utilization efficiency can be improved. Further, since the pixel length p can be increased, the required processing accuracy in the manufacturing process can be lowered, and the manufacturing cost of the DOE 3 can be reduced.

本実施例における別の形態について、図6を用いて説明する。図6は図1の凸レンズ(光学素子)4の位置に凹面鏡(光学素子)8を配した構成を模式的に示したものである。DOE3までの構成は図1の構成と変わらないが、集光手段として、凹面鏡8を配置している。凹面鏡8は軸外し楕円ミラーを使用しており、第1焦点距離であるFa8よりも第2焦点距離Fb8の方が小さくなるように配置されている。DOE3から出射した光束L2は、凹面鏡8によってその光軸が90°回転した方向に光束L5が出射する。出射した光束L5は一旦凹面鏡8の第2焦点で集光した後、再び拡散角(半角)θL5で拡散する。前述のように、凹面鏡8の第1焦点距離Fa8よりも第2焦点距離Fb8の方が小さいため、凹面鏡8への入射角θL2と比較して、凹面鏡からの出射角θL5の方が大きくなる。光束L5は平行化レンズ5で平行光束L6となった後、被照明面6に到達する。 Another embodiment in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 schematically shows a configuration in which a concave mirror (optical element) 8 is arranged at the position of the convex lens (optical element) 4 in FIG. Although the configuration up to DOE 3 is not different from the configuration in FIG. 1, a concave mirror 8 is arranged as a light collecting means. The concave mirror 8 uses an off-axis elliptical mirror and is arranged such that the second focal length Fb 8 is smaller than the first focal length Fa 8 . The light beam L2 emitted from the DOE 3 is emitted in the direction in which the optical axis is rotated by 90 ° by the concave mirror 8. The emitted light beam L5 is once condensed at the second focal point of the concave mirror 8, and then diffused again at the diffusion angle (half angle) θL5 . As described above, since the second focal length Fb 8 is smaller than the first focal length Fa 8 of the concave mirror 8, the exit angle θ L5 from the concave mirror is larger than the incident angle θ L2 to the concave mirror 8. Becomes larger. The light beam L5 reaches the illuminated surface 6 after becoming a parallel light beam L6 by the collimating lens 5.

装置の形状に関する制約によって、照明装置の光学系を折り返し光学系とする必要が生じることが考えられる。図1の集光点Pf4に反射平板を挿入することで小型な折り返し光学系を実現することが可能である。一方図6のような凹面鏡8を用いた構成とすれば、上述のレンズによる集光効果と光軸の回転効果を1つの素子で実現することが可能となるため、装置の簡素化や軽量化が実現できる。 It is conceivable that the optical system of the illumination device needs to be a folded optical system due to restrictions on the shape of the device. A small folded optical system can be realized by inserting a reflective flat plate at the condensing point Pf 4 in FIG. On the other hand, if the configuration using the concave mirror 8 as shown in FIG. 6 is used, the condensing effect by the lens and the rotation effect of the optical axis can be realized by one element, so that the apparatus can be simplified and reduced in weight. Can be realized.

図6の構成で使用する凹面鏡については、90°光軸を回転させる軸はずし楕円ミラーとしているが、光軸の回転角度についてはこれに限定されるものではない。また、凹面鏡については、通常用いられるアルミ蒸着ミラーなどのほかに、ミラー表面形状を時間的に高速で変調可能な、いわゆるデフォーマブルミラーを使用しても良い。デフォーマブルミラーを使用することによって、コヒーレント光を照明光に使用する際に問題となる、スペックルノイズを低減することが可能となる。スペックルノイズは光の干渉性が高い場合に、光束の中の光路の異なる部分(部分光束)同士が干渉しあう事によって、照明光に輝度斑が生じる現象である。例えばプロジェクターの照明光としてコヒーレント光源を用いた場合、投射画像にスペックルノイズが生じる事で表示品質を大きく損なうことが問題となっている。上述のデフォーマブルミラーを凹面鏡に適用することにより、各部分光束の波面を時間変化させることによって時間的に異なる輝度斑を発生させる。それを時間重畳させることによってスペックルノイズを低減し、照明光を均一化させることが可能となる。   The concave mirror used in the configuration of FIG. 6 is an off-axis elliptical mirror that rotates the 90 ° optical axis, but the rotation angle of the optical axis is not limited to this. As the concave mirror, a so-called deformable mirror that can modulate the mirror surface shape at a high speed in time may be used in addition to a commonly used aluminum vapor deposition mirror. By using a deformable mirror, it is possible to reduce speckle noise, which is a problem when using coherent light as illumination light. Speckle noise is a phenomenon in which, when light coherence is high, luminance spots occur in illumination light due to interference between different parts of the light path (partial light beams) in the light beam. For example, when a coherent light source is used as illumination light of a projector, there is a problem that display quality is greatly deteriorated due to speckle noise occurring in a projected image. By applying the deformable mirror described above to the concave mirror, luminance spots that are temporally different are generated by changing the wavefront of each partial light beam with time. By superimposing it over time, speckle noise can be reduced and illumination light can be made uniform.

(実施例2)
本発明の照明装置に関する実施例2の様態について、図7を用いて説明する。なお、実施例1と同一の部分には同一の符号を付し、重複する内容については適宜説明を省略する。
図7は実施例2に係る照明装置の概略構成を示した模式図である。図7において、照明装置11は光源装置2とDOE3と凹レンズ(光学素子)12と平行化レンズ13とから構成され、被照明面6を照明するものである。以下図7に記載の照明装置11の概略を説明する。
(Example 2)
The aspect of Example 2 regarding the illuminating device of this invention is demonstrated using FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part same as Example 1, and description is abbreviate | omitted suitably about the overlapping content.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the illumination device according to the second embodiment. In FIG. 7, the illumination device 11 includes a light source device 2, a DOE 3, a concave lens (optical element) 12, and a collimating lens 13, and illuminates the illuminated surface 6. Hereinafter, an outline of the illumination device 11 illustrated in FIG. 7 will be described.

図7において、光源装置2から光束が進む方向を+zと規定し、図面上方向を+x、図面より手前方向を+yと規定する。光源装置2からは、コヒーレント光L11が射出され、コヒーレント光L11はDOE3へと入射する。DOE3からは所定の輝度分布へと整形された光束L12が出射し、凹レンズ12へと入射角θL12で入射する。凹レンズ12によってθL12よりも大きな出射角θL13で出射したL13は、平行化レンズ13を通過後、略平行となった光束L14となって所定の大きさSの被照明面6へと照明される。平行化レンズ13の焦点距離f13は、光束L13を−z方向に延長した仮想光束L13´が集束する集束点PL13´から平行化レンズ13の主点位置までの距離で表すことができる。 In FIG. 7, the direction in which the light beam travels from the light source device 2 is defined as + z, the upward direction in the drawing is defined as + x, and the forward direction from the drawing is defined as + y. From the light source device 2, coherent light L <b> 11 is emitted, and the coherent light L <b> 11 enters the DOE 3. A light beam L12 shaped into a predetermined luminance distribution is emitted from the DOE 3 and is incident on the concave lens 12 at an incident angle θ L12 . The concave lens 12 and emitted at large emission angle theta L13 than theta L12 L13 after passing through the collimating lens 13 is illuminated and becomes light beam L14 which is substantially parallel to the illuminated surface 6 of a predetermined size S The Focal length f13 of the collimating lens 13 can be expressed by the distance the light beam L13 to the principal point position of the collimating lens 13 from the focal point P L13' the virtual light beam L13' that extends in the -z direction is focused.

凹レンズ12を具備しない従来の構成においては、DOE3より出射した光束L12は図7において破線で示す光束L12´のように広がり、被照明面6´に照明されることになる。DOE3と被照明面6´の距離Db´に対して、凹レンズ12を備えることによって、DOE3と被照明面6の距離Dbが小さくなることが示される。このことから、凹レンズ12を備えることによって、照明装置11の小型化が実現できる。   In the conventional configuration that does not include the concave lens 12, the light beam L12 emitted from the DOE 3 spreads as a light beam L12 ′ indicated by a broken line in FIG. 7 and is illuminated on the illuminated surface 6 ′. It is shown that the distance Db between the DOE 3 and the illuminated surface 6 is reduced by providing the concave lens 12 with respect to the distance Db ′ between the DOE 3 and the illuminated surface 6 ′. For this reason, the illumination device 11 can be reduced in size by including the concave lens 12.

本実施例において、凹レンズ12は、より焦点距離f12(不図示)の小さいものを用いることが望ましい。図7のDOE3からの出射角θL12と凹レンズ12からの出射角θL13は、DOE3から凹レンズ12までの距離D12と凹レンズ12の焦点距離f12を用いて以下のように表される。
TanθL12/TanθL13=f12/(D12+f12
上記の関係式から、凹レンズ12の焦点距離f12を小さくするとθL13が大きくなることがわかる。凹レンズ12からの出射角θL13が大きければ大きいほど、より凹レンズ12から平行化レンズ13までの距離を小さくすることができ、照明装置11をより小さくすることが可能となる。これらのことから、凹レンズ12の焦点距離f12をより小さくすることによって、照明装置11を効率よく小型化することが可能となる。
In this embodiment, it is desirable to use a concave lens 12 having a smaller focal length f12 (not shown). The exit angle θ L12 from the DOE 3 and the exit angle θ L13 from the concave lens 12 in FIG. 7 are expressed as follows using the distance D 12 from the DOE 3 to the concave lens 12 and the focal length f12 of the concave lens 12.
Tanθ L12 / Tanθ L13 = f 12 / (D 12 + f 12 )
From the above relational expression, it can be seen that θ L13 increases as the focal length f 12 of the concave lens 12 decreases. The larger the exit angle θ L13 from the concave lens 12, the smaller the distance from the concave lens 12 to the parallelizing lens 13, and the smaller the illumination device 11 can be made. For these reasons, by a smaller focal length f 12 of the concave lens 12, it is possible to efficiently reduce the size of the lighting device 11.

また、本実施例において、凹レンズ12の配置については、凹レンズ12はDOE3と平行化レンズ13の略中間の位置に配置されることが望ましい。凹レンズ12をDOE3と平行化レンズ13の略中間の位置に配置することによって、照明装置11をより効率よく小型化することが可能となる。   In the present embodiment, the concave lens 12 is preferably disposed at a substantially intermediate position between the DOE 3 and the parallelizing lens 13. By disposing the concave lens 12 at a substantially middle position between the DOE 3 and the collimating lens 13, the illumination device 11 can be more efficiently downsized.

本実施例で使用する凹レンズ12は、一般的に用いられている球面平凹レンズである。球面平凹レンズは、加工が容易であり、本実施例に示すような構成を安価で実現できる。凹レンズ12については、負の焦点距離を有し、入射角θL12に対して、出射角θL13が大きくなるような素子であればよいものとする。例えば凹レンズ12の凹面形状は非球面のものを適用しても良い。凹レンズの表面形状を非球面とすることによって、レンズの歪曲収差を低減することができ、所定の形状の被照明面に対して効率よく照明することが可能となる。また、例えば、凹レンズ12はフレネルレンズに代表される回折型レンズを適用しても良い。回折型レンズは素子を薄くできることが特徴であり、照明装置11をより軽量化することが可能となる。 The concave lens 12 used in this embodiment is a generally used spherical plano-concave lens. The spherical plano-concave lens is easy to process, and the configuration shown in this embodiment can be realized at low cost. The concave lens 12 may be any element that has a negative focal length and a larger output angle θ L13 with respect to the incident angle θ L12 . For example, the concave shape of the concave lens 12 may be aspherical. By making the surface shape of the concave lens an aspherical surface, it is possible to reduce the distortion of the lens and to efficiently illuminate the surface to be illuminated having a predetermined shape. For example, the concave lens 12 may be a diffractive lens represented by a Fresnel lens. The diffractive lens is characterized in that the element can be thinned, and the illumination device 11 can be further reduced in weight.

本実施例における別の形態について、図8を用いて説明する。図8は図7の凹レンズ12の位置に凸面鏡(光学素子)15を配した構成を模式的に示したものである。DOE3までの構成は図7の構成と変わらない。DOE3から出射角θL2で出射した光束L2を、軸はずし自由曲面ミラーである凸面鏡15を配置して、凸面鏡15から出射する光束L15の出射角θL15を、出射角θL2よりも大きくする。その後光束L15は平行化レンズ16に入射し、平行化レンズ16より出射した平行光束L16が被照明面6へと達する。 Another embodiment in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 schematically shows a configuration in which a convex mirror (optical element) 15 is arranged at the position of the concave lens 12 in FIG. The configuration up to DOE 3 is the same as the configuration in FIG. A convex mirror 15 that is an off-axis free-form surface mirror is arranged for the light beam L2 emitted from the DOE 3 at the emission angle θ L2 , and the emission angle θ L15 of the light beam L15 emitted from the convex mirror 15 is made larger than the emission angle θ L2 . Thereafter, the light beam L15 enters the collimating lens 16, and the parallel light beam L16 emitted from the collimating lens 16 reaches the illuminated surface 6.

装置のサイズの制約等から、図8に示すような折り返し光学系とする必要が生じた場合、例えば、図7の凹レンズ12と平行化レンズ13の間に反射平板を配置することによって成す事が可能である。しかしながら、図8で示すような凸面鏡を使用した構成にすることによって、凹レンズと反射平板の効果を一つの素子で実現できるため、装置の小型化と簡素化を実現できる。   If it is necessary to use a folding optical system as shown in FIG. 8 due to the size limitation of the apparatus, for example, it may be achieved by arranging a reflecting plate between the concave lens 12 and the collimating lens 13 in FIG. Is possible. However, by adopting a configuration using a convex mirror as shown in FIG. 8, the effect of the concave lens and the reflecting plate can be realized by one element, so that the apparatus can be reduced in size and simplified.

(実施例3)
本発明の照明装置に関する実施例3の様態について、図9を用いて説明する。なお、実施例1および2と同一の部分には同一の符号を付し、重複する内容については適宜説明を省略する。
本実施例は、DOEと凸レンズを同一基板上に形成しているという点において実施例1(図1)と異なっており、その他の部位については同一の構成となっている。図9には、本実施例の構成を模式的に示している。光源装置2の+z側には、入射側にはコヒーレント光L21を所望の照明形状へと整形するビーム整形機能を有したDOE23を、また出射側には凸型の形状となっていて集光機能を備える凸レンズ(光学素子)24を、それぞれ設けた単一の基板22を備える。基板22を出射した光束L23は、一旦集光点Pf24で集光した後、再び拡散し平行化レンズ25で平行光束L24となって、被照明面6へと達する。
(Example 3)
The aspect of Example 3 regarding the illuminating device of this invention is demonstrated using FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part same as Example 1 and 2, and description is abbreviate | omitted suitably about the overlapping content.
The present embodiment is different from the first embodiment (FIG. 1) in that the DOE and the convex lens are formed on the same substrate, and the other parts have the same configuration. FIG. 9 schematically shows the configuration of this embodiment. On the + z side of the light source device 2, a DOE 23 having a beam shaping function for shaping the coherent light L21 into a desired illumination shape is formed on the incident side, and a convex shape is formed on the output side, which is a convex shape. Are provided with a single substrate 22 provided with a convex lens (optical element) 24 provided respectively. The light beam L23 emitted from the substrate 22 is once condensed at the condensing point P f24 and then diffused again to become a parallel light beam L24 by the parallelizing lens 25 and reaches the illuminated surface 6.

上記のような同一基板上にDOE機能と凸レンズ機能を有した素子を用いることによって、装置の部品点数の削減やアライメント調整を不要にするなどの利点が生じ、安価で小型の照明装置を実現することが可能となる。   By using the elements having the DOE function and the convex lens function on the same substrate as described above, there are advantages such as reduction in the number of parts of the device and the need for alignment adjustment, thereby realizing an inexpensive and small illumination device. It becomes possible.

基板の両面にDOE23の凹凸形状と、凸レンズ24の凸型形状をそれぞれ備えた基板22を作製するためには、例えば射出成型による両面一体成型が手法として挙げられる。射出成型を用いることで、高いスループットで大量の複製品を製造することができるため、安価に素子を製造することが可能である。   In order to produce the substrate 22 provided with the concave and convex shape of the DOE 23 and the convex shape of the convex lens 24 on both surfaces of the substrate, for example, double-sided integral molding by injection molding is exemplified. By using injection molding, a large number of replicas can be manufactured with high throughput, so that the element can be manufactured at low cost.

本実施例において、基板22の出射側に凹レンズを備えたものを使用してもよい。入射側にDOEを備え、出射側に凹レンズを備えた素子を使用することによって、実施例2で示した理由と同様に、照明装置を小型化できる。   In this embodiment, a substrate provided with a concave lens on the exit side of the substrate 22 may be used. By using an element having a DOE on the incident side and a concave lens on the exit side, the lighting device can be miniaturized for the same reason as described in the second embodiment.

(実施例4)
本発明の照明装置に関する実施例4の様態について、図10を用いて説明する。本実施例には、実施例1ないし3に記載の照明装置をプロジェクターに応用したときの様態を示す。なお、図10には、本発明の実施例2による照明装置11をプロジェクターに適用したときの概略図を示している。
Example 4
The mode of Example 4 regarding the illuminating device of this invention is demonstrated using FIG. In this embodiment, a mode when the lighting device described in Embodiments 1 to 3 is applied to a projector is shown. FIG. 10 shows a schematic diagram when the illumination device 11 according to the second embodiment of the present invention is applied to a projector.

図10に示すプロジェクター30は、赤色のコヒーレント光を出射して輝度整形後に所定の被照明面6Rを照明するための照明装置11Rと、緑色のコヒーレント光を出射して輝度整形後に所定の被照明面6Gを照明するための照明装置11Gと、青色のコヒーレント光を出射して輝度整形後に所定の被照明面6Bを照明するための照明装置11Bと、各色照明装置で照明される被照明面6R、6G、6Bを有し、各色で照明された光を画像情報に応じて光変調し透過する空間光変調装置31R、31G、31Bと、空間光変調素子31R、31G、31Bにより光変調し透過された各色光束を合成するためのダイクロイックプリズム32と、ダイクロイックプリズム32で生成された光束をスクリーン34上に投射するための投射光学系33とを備えている。   The projector 30 shown in FIG. 10 emits red coherent light and illuminates a predetermined illuminated surface 6R after luminance shaping, and predetermined illumination after emitting green coherent light and luminance shaping. An illumination device 11G for illuminating the surface 6G, an illumination device 11B for illuminating a predetermined illuminated surface 6B after emitting blue coherent light and shaping the luminance, and an illuminated surface 6R illuminated by each color illumination device , 6G, and 6B, and light modulated by each of the spatial light modulators 31R, 31G, and 31B and the spatial light modulators 31R, 31G, and 31B that modulate and transmit the light illuminated in each color according to image information, and transmit the light. A dichroic prism 32 for combining the light beams of the respective colors, and a projection optical system 3 for projecting the light beams generated by the dichroic prism 32 onto the screen 34. It is equipped with a door.

前記の空間光変調素子31R、31G、31Bは、電界印加により配向方向を制御することによって偏光制御を行う液晶パネルに対して、入射側及び出射側を偏光板で挟んだ構成となっており、液晶パネルの各部位に配置されたTFTアレイによって電界印加量を変化させることによって偏光を制御し、入射側及び出射側の偏光板によって偏光状態を変化させることによって、透過する各色光束の輝度変調を行う。なお、以下空間光変調素子についてライトバルブという表現も用いることとする。   The spatial light modulation elements 31R, 31G, and 31B have a configuration in which the incident side and the emission side are sandwiched by polarizing plates with respect to a liquid crystal panel that controls polarization by controlling the orientation direction by applying an electric field. Polarization is controlled by changing the amount of electric field applied by the TFT array arranged at each part of the liquid crystal panel, and the polarization state is changed by the polarizing plate on the incident side and the outgoing side, thereby modulating the luminance of each color light beam transmitted therethrough. Do. Hereinafter, the expression “light valve” is also used for the spatial light modulator.

また、ダイクロイックプリズム32は多層膜を表面蒸着された4つの直角プリズムを接着することで構成され、透過率及び反射率を波長及び偏光に依存する特性を持たせる事によって、赤色光束と緑色光束と青色光束を合成することを可能にしている。赤色、緑色、青色の三色の光束を投射レンズで拡大してスクリーン34に投影することによって、スクリーン34上に巨大なフルカラーの画像を表示する。   The dichroic prism 32 is formed by adhering four right-angle prisms deposited on the surface of a multilayer film. The dichroic prism 32 has characteristics that depend on the wavelength and the polarization of the transmittance and the reflectance, thereby allowing the red light beam and the green light beam. It is possible to synthesize a blue light beam. By enlarging the light beams of three colors of red, green, and blue with a projection lens and projecting them on the screen 34, a huge full-color image is displayed on the screen 34.

照明装置11R、11G及び11Bは実施例2で説明したように、凹レンズ12を配置することによって小型化を実現しているものである。プロジェクター30に本発明の照明装置11R、11G及び11Bを使用することによって、プロジェクター30を小型化することができる。なお、本実施例では実施例2で示した照明装置11を照明装置11R、11G、11Bとして使用しているが、実施例1、2または3に記載の照明装置1、7、8,9についても適用することができる。   As described in the second embodiment, the illumination devices 11R, 11G, and 11B are reduced in size by disposing the concave lens 12. By using the illumination devices 11R, 11G, and 11B of the present invention for the projector 30, the projector 30 can be reduced in size. In addition, although the illuminating device 11 shown in Example 2 is used as the illuminating devices 11R, 11G, and 11B in the present Example, about the illuminating devices 1, 7, 8, and 9 as described in Example 1, 2, or 3. Can also be applied.

また、本実施例では赤色、緑色、青色の各色を発生し照明するための照明装置11R、11G及び11Bを配置し、照明された各色それぞれの光束を変調するためにそれぞれの空間光変調装置31R、31G、31Bを配置したが、照明装置に使用する光源の波長(色)及び個数については、これに限ったものではない。
また、プロジェクターの構成に関していえば、複数の波長を発生する複数のコヒーレント光源をそれぞれアレイ状に配置し、単一基板のDOE、凹レンズ及び平行化レンズで構成された照明装置とし、波長の異なるレーザーをそれぞれ異なる時間に点灯させる、いわゆる時分割動作によって、単一の照明装置と単一の空間光変調装置と投射光学系で構成される、いわゆるライトバルブ単板方式ものであっても良い。
In this embodiment, illumination devices 11R, 11G, and 11B for generating and illuminating each color of red, green, and blue are arranged, and each spatial light modulation device 31R is used to modulate the luminous flux of each illuminated color. 31G and 31B are arranged, but the wavelength (color) and the number of light sources used in the illumination device are not limited thereto.
Regarding the configuration of the projector, a plurality of coherent light sources that generate a plurality of wavelengths are arranged in an array, and the illumination device is composed of a single substrate DOE, a concave lens, and a collimating lens. May be of a so-called light valve single plate type constituted by a single illumination device, a single spatial light modulation device, and a projection optical system by a so-called time-division operation in which the lights are turned on at different times.

また、空間光変調装置に関していえば、本実施例では透過型液晶を用いた構成を例に挙げたが、本発明の適用はこれに限ったものではない。例えば、反射型液晶(LCOS)や、DMD(Digital Micromirror Device)を使用したプロジェクターについても適用可能である。   As for the spatial light modulator, in this embodiment, the configuration using the transmissive liquid crystal is given as an example, but the application of the present invention is not limited to this. For example, the present invention can also be applied to a projector using a reflective liquid crystal (LCOS) or DMD (Digital Micromirror Device).

(実施例5)
本発明の照明装置に関する実施例5の様態について、図11〜13を用いて説明する。本実施例は、複数の色の照明光を空間光変調装置の異なる画素に振り分けることによって単一の空間光変調素子(液晶ライトバルブ)で複数色の光束を変調することができる、いわゆる空間色分離方式のプロジェクターに関する内容である。
(Example 5)
The aspect of Example 5 regarding the illuminating device of this invention is demonstrated using FIGS. This embodiment is a so-called spatial color that can modulate light beams of a plurality of colors with a single spatial light modulator (liquid crystal light valve) by distributing illumination light of a plurality of colors to different pixels of the spatial light modulator. This is about the separation type projector.

図11には、実施例5に示す、空間色分離方式によるライトバルブ単板フルカラープロジェクターの概略図を表す。本実施例のプロジェクター40は、赤色光束、緑色光束及び青色光束を発生させて、所定の形状の被照明面46に各色平行光束をそれぞれ異なる入射角で均一に照明するための照明装置41と、被照明面46に照明された各色平行光束に対して、映像信号に応じて輝度変調を行うための空間光変調装置47と、空間光変調装置47から出射した光束をスクリーン49の被照射面に拡大投影するための投射光学系48とを備えている。   FIG. 11 is a schematic diagram of a light valve single-plate full-color projector using a spatial color separation system shown in the fifth embodiment. The projector 40 according to the present embodiment generates a red light beam, a green light beam, and a blue light beam, and uniformly illuminates each color parallel light beam at a different incident angle on the illumination surface 46 having a predetermined shape; A spatial light modulator 47 for performing luminance modulation on each color parallel light beam illuminated on the surface to be illuminated 46 according to the video signal, and a light beam emitted from the spatial light modulator 47 on the surface to be illuminated of the screen 49 A projection optical system 48 for enlarging projection.

空間光変調装置47は(後述する)マイクロレンズアレイ(MLA)50を入射側に備えた液晶パネルと入射側偏光板と出射側偏光板から構成されている。以下に空間色分離方式について説明する。図12には、MLA50を備えた液晶パネルを模式的に示している。
液晶パネルには赤色光束L50R、緑色光束L50G及び青色光束50Bをそれぞれ角度差θL50で入射させている。赤色光束L50Rは、MLA50によってITO膜及び配向膜で形成された機能膜53a及び53bに挟まれた液晶層52の画素52Rに集光され(L51R)、緑色光束L50Gは、MLA50によって液晶層52の画素52Gに集光され(L51G)、また青色光束L50Bは、MLA50によって液晶層52の画素52Bに集光される(L51B)。前記の各色光束の角度差θL50は、MLA50と液晶層52の光学距離D50と画素間距離p52を用いて次のように表すことができる。
θL50=Tan-1(p52/D50
このような構成にすることによって、各色光束を異なる画素へと導くことができ、カラーフィルターを用いることなく、複数の色を制御することが可能となる。
The spatial light modulator 47 includes a liquid crystal panel provided with a microlens array (MLA) 50 (described later) on the incident side, an incident side polarizing plate, and an outgoing side polarizing plate. The spatial color separation method will be described below. FIG. 12 schematically shows a liquid crystal panel including the MLA 50.
And is incident at an angle difference theta L50 respectively red beam L50R, green beam L50G and blue light beam 50B on the liquid crystal panel. The red light beam L50R is condensed (L51R) on the pixel 52R of the liquid crystal layer 52 sandwiched between the functional films 53a and 53b formed of the ITO film and the alignment film by the MLA 50, and the green light beam L50G is focused on the liquid crystal layer 52 by the MLA 50. The light is condensed on the pixel 52G (L51G), and the blue light beam L50B is condensed on the pixel 52B of the liquid crystal layer 52 by the MLA 50 (L51B). The angle difference θ L50 between the light beams of the respective colors can be expressed as follows using the optical distance D 50 between the MLA 50 and the liquid crystal layer 52 and the inter-pixel distance p 52 .
θ L50 = Tan −1 (p 52 / D 50 )
With such a configuration, each color beam can be guided to different pixels, and a plurality of colors can be controlled without using a color filter.

照明装置41について説明する。照明装置41は、赤色のコヒーレント光を出射する赤色レーザー光源42Rと緑色のコヒーレント光を出射する緑色レーザー光源42Gと青色のコヒーレント光を出射する青色レーザー光源42Bを備えた光源装置42と、各色コヒーレント光束を矩形輝度分布に整形するように各色ごとに設計された赤色用DOE43Rと緑色用DOE43Gと青色用DOE43Bとを備えたDOE43と、各色光束の広がり角をより大きくするための凹レンズ44と、各色光束を略平行光束とするための平行化レンズ45とを備える。   The lighting device 41 will be described. The illumination device 41 includes a light source device 42 including a red laser light source 42R that emits red coherent light, a green laser light source 42G that emits green coherent light, and a blue laser light source 42B that emits blue coherent light, and each color coherent. DOE 43 having red DOE 43R, green DOE 43G and blue DOE 43B designed for each color so as to shape the luminous flux into a rectangular luminance distribution, concave lens 44 for increasing the spread angle of each color luminous flux, and each color A collimating lens 45 for converting the light beam into a substantially parallel light beam.

ここで、凹レンズ44の機能について説明する。図13には、照明装置41の概略図を示している。実施例2で示したように、凹レンズ44を配置することによってDOE43Gからの拡散光束の出射角をより大きくすることができ、それによってDOE43と平行化レンズ45の距離を小さくする効果が得られ、照明装置41を小型化することができる。他方、凹レンズ44のもう一つの効果としては、光源装置42のサイズによる制限を抑制できることが挙げられる。前述したように、被照明面46に対して赤色光束の主光線Lc44R、緑色光束の主光線Lc44G及び青色光束の主光線Lc44Bを角度差θL44の角度を成してそれぞれ照明する必要がある。角度差θL44は、図12の角度差θL50と等しい。ここで、図13で示しているように、緑色光束の主光線L42Gと青色光束の主光線L42Bのビーム間距離をビーム間隔D42として定義する。さらに、凹レンズ44を配置しない場合の青色光束の主光線L43B’およびL42B’を破線で示す。このとき、緑色光束の主光線L43G、L42Gと緑色用DOE43Gの位置は変化しない。凹レンズ44を配置しない場合の緑色光束の主光線L42G’と青色光束の主光線L42B’のビーム間距離をビーム間隔D42’として定義すると、凹レンズ44を配置したときのビーム間隔D42と凹レンズ44を配置しないときのビーム間隔D42’の関係式は、次のように表すことができる。
D42>D42’
このことから、凹レンズ44を配置することによって、光源間隔を広げることが可能となる。光源間隔が広くなることによって、使用する光源のサイズに関する制約を抑制することができ、光源開発の難易度を低下させることができ、コストも抑制することができる。また、光源間隔を広くとれることによって、光源から発生する熱を放熱することも容易となり、それに伴って光源の発振輝度を上げられるといった効果が得られる。これらの効果から、安価で高輝度なプロジェクターを実現できる。
また、光源サイズの制約により光源間隔D42としなければならない場合において凹レンズ44を配置しないとき、角度差θL44を保つためには、DOE43と平行化レンズ45の距離を距離D43だけ大きくしなければならなくなる。凹レンズ44を配置することによって、光源サイズに起因する光学系の大きさの制約を抑制することができ、プロジェクターの小型化が可能となる。
Here, the function of the concave lens 44 will be described. In FIG. 13, the schematic of the illuminating device 41 is shown. As shown in the second embodiment, by arranging the concave lens 44, the exit angle of the diffused light beam from the DOE 43G can be increased, thereby obtaining the effect of reducing the distance between the DOE 43 and the parallelizing lens 45, The illumination device 41 can be reduced in size. On the other hand, another effect of the concave lens 44 is that the restriction due to the size of the light source device 42 can be suppressed. As described above, it is necessary to illuminate each at an chief ray Lc44R, angle of angle difference theta L44 principal rays Lc44B principal ray Lc44G and blue beam of green light beam of the red light beam with respect to the surface to be illuminated 46. The angle difference θ L44 is equal to the angle difference θ L50 in FIG. Here, as shown in FIG. 13, the inter-beam distance between the principal ray L42G of the green luminous flux and the principal ray L42B of the blue luminous flux is defined as a beam interval D42. Furthermore, the principal rays L43B ′ and L42B ′ of the blue light beam when the concave lens 44 is not disposed are indicated by broken lines. At this time, the positions of the principal rays L43G and L42G of the green light flux and the green DOE 43G do not change. If the inter-beam distance between the principal ray L42G ′ of the green light beam and the principal ray L42B ′ of the blue light beam when the concave lens 44 is not arranged is defined as a beam interval D42 ′, the beam interval D42 and the concave lens 44 when the concave lens 44 is arranged are arranged. The relational expression of the beam interval D42 ′ when not can be expressed as follows.
D42> D42 '
For this reason, it is possible to widen the light source interval by arranging the concave lens 44. By widening the distance between the light sources, restrictions on the size of the light source to be used can be suppressed, the difficulty of light source development can be reduced, and the cost can be suppressed. Further, since the interval between the light sources can be widened, it is easy to dissipate heat generated from the light sources, and the effect that the oscillation luminance of the light sources can be increased accordingly. From these effects, an inexpensive and high-brightness projector can be realized.
Further, when the concave lens 44 is not disposed when the light source interval D 42 must be set due to the light source size restriction, the distance between the DOE 43 and the parallelizing lens 45 must be increased by the distance D 43 in order to maintain the angle difference θ L44. I will have to. By disposing the concave lens 44, restrictions on the size of the optical system due to the light source size can be suppressed, and the projector can be miniaturized.

空間光変調素子として用いる素子としては、MLAが入射側に配置された透過型液晶パネルを使用したが、反射型液晶パネル(LCOS)などの他の種類のライトバルブにおいても適用可能である。また、一般的に入射側及び出射側に偏光板を配置する構成とする場合が多いが、入射側偏光板の位置に関しては、これに限ったものではない。また、偏光性を有する光源を使用した場合には、入射側偏光板を使用しないことも可能である。また、液晶パネルの画素構造に関していえば、横方向に赤色・緑色・青色の画素を配置する構成を例に挙げているが、配置の方法についてはこれに限ったものではない。例えば、正方画素構造のパネルを使用して4画素に赤色・黄色・緑色・青色の光束を入射させてもよい。また、赤色・緑色・緑色・青色のように1色について2画素使用してもよい。   As the element used as the spatial light modulation element, a transmissive liquid crystal panel in which MLA is disposed on the incident side is used, but the present invention can also be applied to other types of light valves such as a reflective liquid crystal panel (LCOS). In general, a polarizing plate is often arranged on the incident side and the outgoing side, but the position of the incident side polarizing plate is not limited to this. In addition, when a light source having a polarization property is used, it is possible not to use the incident side polarizing plate. As for the pixel structure of the liquid crystal panel, a configuration in which red, green, and blue pixels are arranged in the horizontal direction is taken as an example, but the arrangement method is not limited to this. For example, a square pixel structure panel may be used to cause red, yellow, green, and blue light beams to enter four pixels. Further, two pixels may be used for one color such as red, green, green, and blue.

また、本実施例のプロジェクターに関していえば、単体で使用するプロジェクターに関して例をあげているが、他の機器内に組み込まれた、組み込み式プロジェクターに関しても適用可能である。例えば、携帯電話に本構成を組み込むことで、画面を投影方式によって表示させるような小型組み込み型プロジェクターなどが適用例として挙げられる。他方、ヘッドアップディスプレイ(HUD)などの用途にも使用可能である。   As for the projector according to the present embodiment, an example is given regarding a projector that is used alone. However, the projector can also be applied to an embedded projector incorporated in another device. For example, a small built-in projector that displays a screen by a projection method by incorporating this configuration in a mobile phone can be cited as an application example. On the other hand, it can also be used for applications such as a head-up display (HUD).

1 照明装置、2 光源装置、3 DOE、4 凸レンズ、5 平行化レンズ、6 被照明面、L1 コヒーレント光、L2,L3,L4,L3´ 光束、Pf4 集光点、θL2,θL3 出射角、f5 焦点距離、D,D´,D2,D3 距離、S 大きさ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Illumination device, 2 light source device, 3 DOE, 4 convex lens, 5 collimating lens, 6 surface to be illuminated, L1 coherent light, L2, L3, L4, L3 ′ luminous flux, P f4 condensing point, θ L2 , θ L3 emission square, f5 the focal length, D, D', D 2, D 3 distance, S size.

Claims (4)

コヒーレント光を射出する光源装置と、前記コヒーレント光を所定の輝度分布を有する光束に整形する回折光学素子と、前記回折光学素子から出射した光束を平行光束とするための平行化レンズとを備えた照明装置であって、
前記回折光学素子と前記平行化レンズの間に、前記回折光学素子から出射した光束の発散角度を大きくするための面鏡を備え
前記凹面鏡は出射側の焦点距離が入射側の焦点距離より短い軸外し楕円ミラーであることを特徴とする照明装置。
A light source device that emits coherent light; a diffractive optical element that shapes the coherent light into a light beam having a predetermined luminance distribution; and a collimating lens that converts the light beam emitted from the diffractive optical element into a parallel light beam. A lighting device,
Between the collimating lens and the diffractive optical element comprises a concave surface mirror for increasing the divergence angle of the light beam emitted from the diffractive optical element,
The illumination apparatus according to claim 1, wherein the concave mirror is an off-axis elliptical mirror whose focal length on the exit side is shorter than the focal length on the incident side .
前記曲面鏡は前記回折光学素子と前記平行化レンズの略中間の位置に配置されることを特徴とする、請求項1に記載の照明装置。 The illumination apparatus according to claim 1, wherein the curved mirror is disposed at a substantially middle position between the diffractive optical element and the collimating lens. 請求項1または2に記載の照明装置を備えたプロジェクター。 Projector comprises an illumination device according to claim 1 or 2. プロジェクターであって、
それぞれが所定の色のコヒーレント光を射出する複数の光源装置と、
前記コヒーレント光を所定の輝度分布を有する光束に整形する回折光学素子と、
前記回折光学素子から出射した光束を平行光束とするための平行化レンズと、
画素を有し、前記平行化レンズから出射した光束を画像情報に応じて変調する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子から出射した光束を被照射面に投影する投射レンズと、
前記平行化レンズと前記空間光変調素子との間に設けられ、前記空間光変調素子へ入射する前記所定の色の光束を各色ごとに異なる入射角度とし、前記所定の色の光束を各色ごとに異なる画素へと集光入射させる画素振分け手段と、
前記回折光学素子と前記平行化レンズの間に設けられ、前記所定の色の光束の光線角度を制御するための面鏡と、を備え、
前記凹面鏡は出射側の焦点距離が入射側の焦点距離より短い軸外し楕円ミラーであることを特徴とするプロジェクター。
A projector,
A plurality of light source devices each emitting coherent light of a predetermined color;
A diffractive optical element that shapes the coherent light into a light beam having a predetermined luminance distribution;
A collimating lens for converting the light beam emitted from the diffractive optical element into a parallel light beam;
A spatial light modulation element that has pixels and modulates a light beam emitted from the collimating lens according to image information;
A projection lens that projects a light beam emitted from the spatial light modulation element onto an irradiated surface;
Provided between the collimating lens and the spatial light modulation element, the light beam of the predetermined color incident on the spatial light modulation element is set to a different incident angle for each color, and the light beam of the predetermined color is set for each color. Pixel distribution means for condensing and incident on different pixels;
Wherein provided between the collimating lens and the diffractive optical element, and a concave surface mirror for controlling the ray angle of the predetermined color of the light beam,
The concave mirror is an off-axis elliptical mirror in which the focal length on the output side is shorter than the focal length on the incident side .
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