WO2018105021A1 - 照明光学系および投射型映像表示装置 - Google Patents

照明光学系および投射型映像表示装置 Download PDF

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WO2018105021A1
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optical system
light beam
illumination
illumination optical
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剛志 神
千明 金野
奈緒美 島田
栄樹 松尾
孝資 長井
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マクセル株式会社
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
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    • G03B21/14Details

Definitions

  • the present invention relates to a technology of a projection type video display device, and more particularly to a technology effective when applied to an illumination optical system for improving the utilization efficiency of light from a light source and a projection type video display device using the illumination optical system.
  • Projection-type image display devices are widely used, and in this, the utilization efficiency of light emitted from a light source is improved, that is, the illumination optical system emits light from a light source to a panel that displays an image. Improvement of the illumination efficiency at the time of irradiating the emitted light has been studied, and various means have been proposed.
  • Patent Document 1 describes a field related to a technique for improving the light use efficiency in an illumination optical system (hereinafter sometimes simply referred to as “efficiency”).
  • An illumination optical system configured to allow a light beam that has passed through each lens cell of a first integrator to be incident on a plurality of display panels substantially in parallel and to be superimposed on the plurality of display panels by a lens and a condenser lens is described. ing.
  • this configuration by using a field lens and a condenser lens having a short synthetic focal length, the distance between them can be shortened, and an optical system having a short focal length of the first integrator can be realized. It becomes. Therefore, the arc image of the light source formed on the second integrator can be reduced, the amount of light deviating from the effective aperture of each polarization conversion unit of the polarization conversion element can be reduced, and the illumination efficiency is improved. Is done.
  • Patent Document 2 reflects a part or all of light from an LED (Light) Emitting ⁇ ⁇ Diode) having diffuse radiation characteristics and an LED taken from an incident end surface by a reflecting surface.
  • a minute surface light source such as an LED.
  • Patent Document 3 describes a lighting device having a light source and a collimator lens.
  • the light beam emitted from the light source is incident on the spherical surface of the collimator lens substantially perpendicularly, and the light beam having a small angle with the optical axis is incident and refracted on the first ellipsoid.
  • the first elliptical surface converts a light beam diverging from a light source located at the first focal point into a parallel light beam.
  • a light beam having a large angle with the optical axis is incident on the second ellipsoid and is totally reflected by the second ellipsoid.
  • the second elliptical surface converts a light beam diverging from a light source located at the first focal point into a light beam condensed at the second focal point.
  • the third ellipsoid converts the light beam condensed at the second focal point into a parallel light beam.
  • DLP Digital Light Processing (registered trademark)
  • DMD Digital Micromirror Device
  • the light beam may not be incident on the panel perpendicularly, but may be incident at a certain angle with respect to the normal line of the panel according to the specification.
  • NA numerical aperture
  • an object of the present invention is to illuminate a light beam emitted from a light source and passed through an optical element such as an integrator as a light beam in a certain angle space in an illumination optical system that irradiates the image display element with a certain angle.
  • An object of the present invention is to provide an illumination optical system that forms an image with as little aberration as possible on a point on an image display element and a projection type image display apparatus using the illumination optical system.
  • An illumination optical system includes a light source having perfect diffusibility, a collimator that takes in an illumination light beam from the light source and converts it into a small NA having a predetermined diameter, and the collimator.
  • An integrator that equalizes the brightness of the illumination light beam that has passed through, and a condenser lens that condenses the illumination light beam, and a constant angle with respect to the normal of the irradiation surface of the illuminated object via the prism
  • the illumination optical system for irradiating the illumination light beam with the following characteristics.
  • the condenser lens and the prism are arranged between the integrator and the object to be illuminated so that the illumination light beam passes in this order.
  • the condensing lens and the prism are configured such that a principal ray of the illumination light beam is incident at a predetermined angle with respect to a normal line of the illuminated surface of the illuminated body with respect to an illuminated surface of the illuminated body. Is done.
  • an incident surface of the illumination light beam is inclined with respect to an exit surface, and a chief ray incident on the incident surface enters from a side opposite to the vertex of the prism with respect to a normal line of the incident surface.
  • the principal ray emitted from the exit surface is configured to exit from a side opposite to the apex of the prism with respect to the normal line of the exit surface, and the exit surface of the prism is substantially parallel to the illumination surface of the illuminated body. It is arranged to become.
  • the condenser lens is configured so that the principal rays after being emitted from the condenser lens are substantially parallel to each other, rotated in the same direction as the incident surface of the prism, and further arranged off the axis.
  • the illumination optical system that irradiates the image display element with a certain angle, the light beam emitted from the light source and passed through the optical element such as an integrator, It is possible to improve the light utilization efficiency by forming a light beam in a constant angular space with as much aberration as possible at one point on the image display element.
  • (A), (b) is the figure which showed the example about the external appearance of the projection type video display apparatus in Embodiment 1 of this invention. It is sectional drawing which showed the example about the structure of the projection optical system in Embodiment 1 of this invention. It is the top view which showed the example about the internal structure of the projection type video display apparatus in Embodiment 1 of this invention. It is the top view which showed the example about the structure of the illumination optical system of the projection type video display apparatus in Embodiment 1 of this invention, and a projection optical system. (A), (b) is the figure which showed the example about the logical structure of the illumination optical system which is Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the appearance of a projection type video display device (projector) according to Embodiment 1 of the present invention.
  • Fig.1 (a) is a front view of the projection type video display apparatus 1
  • FIG.1 (b) is a side view.
  • the projection-type image display device 1 includes, for example, a substantially flat box-shaped outer casing 2. Due to this shape, for example, when the projector is used while standing on the surface of a desk or table (when an image is projected on the surface of a desk or table), the back side is upright with the bottom as the bottom. It is possible to make it. In addition, you may have means, such as a stand which is not shown in figure which can be attached or detached with respect to the housing
  • a mirror cover 3 that can be opened and closed is formed on the upper surface of the housing 2.
  • a reflective mirror (free curved mirror) 31 that is convex and rotationally asymmetric is attached to the inside of the mirror cover 3.
  • a projection lens system 52 is disposed inside a convex portion formed at a substantially central portion on the upper side of the housing 2, and an opening for guiding projection light to the outside is formed. In the drawing, only a part of the projection lens system 52 is shown through the opening.
  • a part of a so-called focus adjustment ring 6 (which protrudes from the housing 2 to the outside) for adjusting the focus state of the projected image by changing the lens position by a lens adjustment mechanism (not shown) is provided on the upper portion of the housing 2. Upper end).
  • FIG. 2 is a sectional view showing an example of the configuration of the projection optical system 5 in the present embodiment.
  • an illumination optical system (not shown)
  • light from a light source composed of an LED, a semiconductor laser, or the like is changed according to an external video signal (for example, a video signal from a mobile terminal, a tablet terminal, a PC (Personal Computer), or the like).
  • the light is incident on a video display element such as the DMD panel 48 and modulated.
  • the obtained image is synthesized by a TIR (Total Internal Reflection) prism 51, projected onto the reflection mirror 31 through the projection lens system 52 including a plurality of lenses, reflected, and enlarged and projected.
  • TIR Total Internal Reflection
  • the projection lens system 52 includes various lenses including a lens having a free-form surface that is not rotationally symmetric, which is necessary for correcting various distortions accompanying enlarged projection of an image, such as distortion due to oblique incidence and trapezoidal distortion. It is comprised including the lens of.
  • the projection lens system 52 is mounted on the projection lens base 53 so as to be movable, and a lens or a lens group of the projection lens is moved in the vertical direction in the drawing by the lens adjustment mechanism 54. The focus performance can be adjusted with.
  • the image light irradiated to the DMD panel 48 (image display element) from the illumination optical system (not shown) and modulated by the DMD panel 48 is magnified by the projection lens system 52 as indicated by a broken line in the figure and reflected by the reflection mirror 31. Is reflected on the surface, and projected onto the surface of a screen, wall surface, desk, table or the like (not shown).
  • the upper limit light and the lower limit light are respectively indicated by arrows.
  • the projection optical system 5 including the reflection mirror 31 and the projection lens system 52 is placed on a plane (specifically, And on the projection lens base 53 provided at the bottom of the housing 2) so as to be substantially parallel to the surface thereof.
  • the projection lens system 52 is arranged in a state of being inclined with respect to the bottom surface (in a state of being inclined without being perpendicular to the screen or the like).
  • the diffusion angle of the image light for example, the angle formed by the upper limit light and the lower limit light in the drawing
  • the height of the housing 2 is increased by arranging the projection lens system 52 at an inclination, which is a disadvantage in terms of downsizing.
  • FIG. 3 is a top view showing an example of the internal structure of the projection display apparatus 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a top view illustrating an example of the structure of the illumination optical system 4 and the projection optical system 5 of the projection display apparatus 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 3 shows a state where the upper case of the housing 2 is removed.
  • the projection optical system 5 including the reflection mirror 31 and the projection lens system 52 is arranged at a substantially central portion of the housing 2 along the vertical direction in the drawing.
  • a power supply unit 7 and a plurality of (two in the example in the figure) axial fans 81 for heat radiation are arranged on one side (left side in the figure).
  • a sirocco fan 82 for heat dissipation is disposed on the other side (right side in the drawing) of the projection lens system 52.
  • a part of the sirocco fan 82 is substantially integrated with the heat dissipating fins, and heat generated by the green (G) light emitting LED 42G in the LED lighting unit 41 constituting the light source. Is propagated to the heat-dissipating fins through the heat pipe 83G. Similarly, the heat generated in the red (R) light emitting LED 42R passes through the heat pipe 83R, and the heat generated in the blue (B) light emitting LED 42B passes through the heat pipe 83B. Is propagated to. Then, the air is cooled by the cooling air generated by the sirocco fan 82 and is radiated from the exhaust port provided in the housing 2. The DMD panel 48 is cooled by a cooling heat sink 84.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a logical configuration of the illumination optical system 4 according to the present embodiment.
  • FIG. 5A shows a top view in a logical configuration
  • FIG. 5B shows a cross section taken along the line AA ′. Note that the top surface in FIG. 5 and the top surface in the mounting example shown in FIGS. 2 to 4 do not necessarily match.
  • the illumination optical system 4 includes substantially the same components and arrangement as an illumination optical system used in a general projector or the like.
  • the LEDs 42R, 42G, and 42B constituting the LED illumination unit 41 (hereinafter, these may be collectively referred to as LEDs 42), and one or more lenses that collimate the light emitted from these light sources, respectively.
  • Collimators 43R, 43G, and 43B (hereinafter may be collectively referred to as collimators 43), a dichroic mirror 44 that synthesizes the collimated light beam, and an integrator 45 that includes one or more lenses that make the synthesized light uniform And so on.
  • a condenser lens 46 and at least two prisms 47 are provided between the integrator 45 and the DMD panel 48. That is, the optical image (illumination area) of each cell 45a of the lens array in the front view of the integrator 45 shown in the right side of FIG. 6 is superimposed on the DMD panel 48 by the condenser lens 46 (and the prism 47). .
  • “irradiating the DMD panel 48 with a certain angle” means, as shown in FIG. 7, the principal ray of the illumination light beam (the center of the light beam when attention is paid to the light beam irradiating each point of the DMD panel 48).
  • Light beam is incident on the normal line of the irradiation surface of the DMD panel 48 at an angle according to the specification of the DMD panel 48.
  • Incident light incident at a predetermined angle is reflected in a substantially normal direction of the DMD panel 48 by a micromirror formed on the surface of the DMD panel 48 to become outgoing light.
  • the light use efficiency is improved, that is, the light emitted from the LED 42 as the light source is irradiated to the DMD panel 48 as the object to be illuminated with as little loss as possible.
  • the basic method is to perform an amount matching called “Etendue” expressed by the following equation between the LED 42 and the DMD panel 48.
  • the Etendue of the illuminated object is very small or very large compared to the Etendue on the light source side, the difference between the Etendue on the light source side and the illuminated object side is generally large. The impact of design content on efficiency is relatively small (ie, there is less room for design to cover).
  • the Etendue on the light source side and the illuminated object side are comparable, it is necessary to carefully design the illumination optical system in order to increase the efficiency.
  • the illumination optical system 4 of the present embodiment is in order from the light source side.
  • Light source having perfect diffusivity LED 42 in the example of FIG. 5
  • Collimator that takes in the light flux from the light source and converts it into a small NA with a predetermined diameter (collimator 43 in the example of FIG. 5)
  • Integrator Integrator 45 in the example of FIG. 5) for realizing the uniformity of the luminous flux on the illuminated body (DMD panel 48 in the example of FIG. 5)
  • a condensing lens for condensing light on the object to be illuminated (the condensing lens 46 in the example of FIG. 5) It has the basic composition including each optical element.
  • each of the above stages it is important to design each of the above stages so that the loss of the Etendue is reduced.
  • the illumination optical system 4 it is necessary to design the illumination optical system 4 so that the Etendue at each of the stages (1) to (4) from the light source to the object to be illuminated is substantially equal. There is. If the Etendue increases in the optical element on the way, the increased Etendue cannot be reduced without reducing the efficiency, and matching with the Etendue of the illuminated object cannot be performed, resulting in a reduction in efficiency. If the Etendue of the object to be illuminated is larger than the Etendue of the light source, the illumination optical system 4 is designed so that the Etendue at each stage of the above (1) to (4) becomes substantially equal or monotonously increases. .
  • the condenser lens (4) is designed to reduce the Etendue loss and improve the efficiency. It should be noted that the design contents at each stage (1) to (4) described above affect each other in terms of parameters and other various design contents in the illumination optical system 4. May fit. Therefore, it is necessary to optimize as a whole while maintaining consistency, but the design content of the condenser lens (4) in the present embodiment can be considered independently of the design content of other items. .
  • the condenser lens 46 is designed so that the light beam emitted from the integrator 45 in the previous stage is condensed on the surface corresponding to the DMD panel 48 with a small aberration. It defines the conditions for doing this.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the light intensity distribution on the display surface of the video display element.
  • the optical image (illumination area) of each cell 45a of the lens array in the integrator 45 is superimposed on the DMD panel 48 by the condenser lens 46 (and the prism 47).
  • the boundary of the illumination area irradiated on the video display element (DMD panel 48) becomes blurred.
  • an ideal light intensity distribution with respect to the effective display width of the video display element (for example, the width of the display surface 48a of the DMD panel 48 shown in the lower diagram) is indicated by a solid line. 8 shows the width direction of the video display element (DMD panel 48), the same applies to the height direction.
  • the ideal light intensity distribution the light intensity is uniform up to a region slightly outside the effective display width of the display element, while the light intensity is almost zero outside the region. That is, the distribution has a steep slope at the boundary of the illumination area.
  • the distribution of the light intensity at the boundary of the illumination area is blurred and the inclination is not steep, the light intensity near the end of the effective display width of the display element decreases, and the area outside the effective display width is reduced. Irradiation (not incident on the image display element) is increased, and the light use efficiency is reduced. And in order to avoid this and make the distribution of light intensity uniform within the effective display width of the image display element, an additional adjustment margin is secured and the area where the light intensity distribution is blurred (tilted) is effective. It is necessary to make it outside the display width, which leads to a further reduction in efficiency.
  • the generation of the aberration in the condenser lens 46 is suppressed, and the light intensity distribution is designed to be prevented from blurring in the vicinity of the boundary of the irradiation region.
  • the basic conditions for designing are as shown in FIG. Condition 1: Between the integrator 45 and the DMD panel 48, The condenser lens 46 and the prism 47 are arranged in this order.
  • ⁇ Condition 2 At least two prisms 47 are provided.
  • Condition 3 The principal ray of the illumination light beam is DMD with respect to the DMD panel 48. Incident at an angle with respect to the normal of the panel 48 (see FIG. 7).
  • Condition 4 (at least) one surface of the prism 47 is a mirror surface.
  • the prism 47 can be configured as a single sheet, but in this case, the degree of freedom in design is small and the degree of difficulty in correcting aberrations may be high. Therefore, in this embodiment, a configuration is provided in which at least two prisms 47 are provided. Thereby, the imaging characteristic of the illumination light beam can be improved by the combination of the eccentricity of the condenser lens 46 in the previous stage and the specific shape of the prism 47. Specifically, as will be described later, it is effective to combine the unfolded condensing lens 46 such that the developed prism shape becomes a wedge shape.
  • the refraction of light in the prism 47 is set to the minimum declination (the declination is the incident light and output to the prism as shown in FIG. 9). Is designed to be close to the angle formed by the incident light, thereby reducing aberrations and preventing efficiency degradation.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the configuration of the virtual prism in which the prism 47 according to the present embodiment is developed, and the condensing lens 46 and the DMD panel 48.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the state of light rays through the condenser lens 46 and the virtual prism 47v.
  • an equivalent wedge-shaped virtual prism 47v is obtained from the prism 47b in which two prisms (prisms 47a and 47b) are expanded (first expanded and second expanded). Shows the state.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of the configuration of the deployed prism 47b, the condenser lens 46, and the DMD panel 48 in the present embodiment.
  • the above-mentioned preconditions are that the exit surface (P4-P5 surface) of the prism 47b and the surface (P5) of the prism 47b after development facing the projection lens system 52. '-P6' plane), that is, the angle of P4 is equal to the angle of P6.
  • Condition 11 The condensing lens 46 is arranged with an axis offset. Designed after satisfying each condition. As a result, the aberration between the integrator 45 and the DMD panel 48 can be reduced to prevent a reduction in efficiency.
  • the degree of freedom in design may be insufficient if the spherical surface is simply decentered. Therefore, in the present embodiment, further, Condition 12:
  • the condenser lens 46 has an aspherical shape. You may make it follow the conditions of. As a result, the degree of freedom in design for controlling the aberration can be further increased to further reduce the aberration.
  • a configuration using a plurality of lenses may increase the degree of design freedom.
  • the above-mentioned conditions 1 to 11 can be added. If the design is performed after satisfying (Good), the loss of Etendue can be reduced and the light utilization efficiency can be improved. That is, in the condensing lens 46, the light beam emitted from the integrator 45 in the previous stage can be condensed on the DMD panel 48 with a small aberration.
  • the illumination optical system according to the second embodiment of the present invention has the same configuration as that of the illumination optical system 4 of the projection image display apparatus 1 according to the first embodiment described above, and the object to be illuminated from the light source shown in FIG.
  • the collimator 43 in (2) is designed to reduce the Etendue loss and improve the light utilization efficiency.
  • the design content of the collimator 43 of (2) in the present embodiment can be considered independently of the design content of other items. .
  • ⁇ Collimator design conditions> when the collimator 43 is designed to expand the luminous flux from the LED 42, which is the light source in the previous stage, to a predetermined diameter without loss of Etendue, and to enter the integrator 45, which is the subsequent uniformizing means.
  • the conditions are specified. In other words, in order for the collimator 43 to obtain the maximum efficiency in the illumination target surface (for example, the integrator 45 closer to the light source), a uniform and effective NA light flux is formed over the entire illumination target surface.
  • the conditions for designing are specified.
  • FIG. 13 is a diagram showing an outline of an example of a logical configuration of the collimator 43 of the illumination optical system 4 according to the second embodiment of the present invention and an example of the state of light rays.
  • a light beam near the optical axis, a peripheral light beam (outside light beam), and an intermediate light beam between them are respectively collimator 43 (in the figure).
  • the situation through the first collimator 43a in the front stage, the second collimator 43b in the rear stage, and the dichroic mirror 44 is shown.
  • the condensing state for the light flux near the optical axis, the peripheral light flux, and the intermediate light flux is shown.
  • the image height of the chief ray on the illumination target surface has fsin ⁇ characteristics.
  • the collimator 43 is designed after satisfying the above conditions. In this way, by taking a projection characteristic that the image height of the chief ray is compressed near the periphery of the illumination target surface, it is possible to capture a light beam having an angle close to 90 ° from the optical axis. Note that the image height is not limited to fsin ⁇ , and the same effect can be obtained by designing the image height to have a large negative distortion.
  • the peripheral light beam may be lost due to the NA spread. Therefore, in this embodiment, in order to reduce this loss, as shown in FIG. Condition 22:
  • the curvature of field on the meridional plane is in the positive direction.
  • the collimator 43 is designed after satisfying the above conditions. Thereby, since the distance (focal length) to a condensing point becomes longer as the light flux is on the outer side, the NA of the peripheral light flux can be reduced. Therefore, it is possible to reduce a loss when the light enters the integrator 45 at the subsequent stage.
  • the NA of the light beam in the optical axis (near) is larger than that in the vicinity (the focal length is short).
  • the collimator 43 is designed after satisfying the above conditions.
  • the NA of the light beam near the optical axis is intentionally increased, while the NA is decreased with the peripheral light beam and a positive curvature of field is provided, thereby reducing loss and improving efficiency. Can be achieved.
  • a part of the light beam having a large NA near the optical axis also has a role of complementing the small NA of the surrounding light beam.
  • the conditions 21 to 24 are related to each other, and by applying these conditions comprehensively, illumination having NA in a uniform and effective range over the entire surface to be illuminated.
  • a collimator 43 for obtaining a light beam can be designed.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
  • the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. .
  • the present invention can be used for an illumination optical system that improves the utilization efficiency of light from a light source and a projection-type image display apparatus using the illumination optical system.
  • SYMBOLS 1 Projection type video display apparatus, 2 ... Housing, 3 ... Mirror cover, 4 ... Illumination optical system, 5 ... Projection optical system, 6 ... Focus adjustment ring, 7 ... Power supply unit, 31 ... reflecting mirror, 41 ... LED illumination unit, 42, 42R, 42G, 42B ... LED, 43, 43R, 43G, 43B ... collimator, 43a ... first collimator, 43b ... second collimator, 44 ... dichroic mirror, 45 ... integrator, 45a ... cell 46 ... Condensing lens, 47, 47a, 47b ... Prism, 47v ... Virtual prism, 48 ... DMD panel, 48a ... Display surface, 51 ...
  • TIR prism 52 ... Projection lens system, 53 ... Projection lens base, 54 ... Lens adjustment mechanism, 81 ... Axial fan, 82 ... Sirocco fan, 83R, 83G, 83B ... Heat pipe, 84 ... Heat sink

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Abstract

DMDパネルを一定の角度を持って照射する照明光学系において、光源から出射された光束を一定の角度空間の光束としてDMDパネル上の一点に可能な限り収差無く結像させる。インテグレータ(45)とDMDパネル(48)との間に集光レンズ(46)およびプリズム(47)がこの順で配置され、集光レンズおよびプリズムはDMDパネルに対して照明光束の主光線がDMDパネルの法線に対して所定の角度をもって入射するよう構成される。入射面に入射する主光線および出射面から出射する主光線が、入射面もしくは出射面の法線に対してプリズムの頂点とは反対側から入射もしくは出射するよう構成され、出射面がDMDパネルの照射面と略平行になるよう配置される。集光レンズ(46)は、出射された後の各主光線が互いに略平行となるよう構成され、プリズム(47)の入射面と同じ向きに回転し、さらに軸ずれして配置される。

Description

照明光学系および投射型映像表示装置
 本発明は、投射型映像表示装置の技術に関し、特に、光源からの光の利用効率を向上させる照明光学系およびこれを用いた投射型映像表示装置に適用して有効な技術に関するものである。
 投射型映像表示装置(プロジェクタ)が広く普及しており、その中で、光源から出射された光の利用効率を向上させる、すなわち、照明光学系において、映像を表示するパネルに対して光源から出射された光を照射する際の照明効率を向上させることが検討されており、各種の手段が提案されている。
 照明光学系における光の利用効率(以下では単に「効率」と記載する場合がある)を向上させる技術に関連するものとして、例えば、特開2012-155344号公報(特許文献1)には、フィールドレンズとコンデンサレンズとによって、第1のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を複数の表示パネルに略平行に入射させ、かつ複数の表示パネル上に重畳させるよう構成された照明光学系が記載されている。この構成の場合、フィールドレンズおよびコンデンサレンズとして合成焦点距離が短いものを使用することにより、これらの間隔を短くすることができ、第1のインテグレータの焦点距離が短い光学系を実現することが可能となる。よって、第2のインテグレータ上に形成する光源のアーク像を小さくすることが可能となり、偏光変換素子の各偏光変換部の有効開口から外れる光の量を低減することができ、照明効率が向上するとされる。
 また、特開2006-318922号公報(特許文献2)には、拡散放射特性を有するLED(Light Emitting Diode)と、入射端面から取り込んだLEDからの光の一部または全部を反射面で反射することにより出射端面に導光する導光ロッドやテーパーロッドと、これらの出射端面からの射出光の配光角度強度を所定の照射領域内の位置強度に変換する照明レンズとから構成される照明装置が記載されている。これにより、LEDのような微小面光源を用いて、効率が良くかつ所望の平行性を有する均一照明を実現することができるとされる。
 また、国際公開第2008/069143号(特許文献3)には、光源とコリメータレンズを有する照明装置が記載されている。ここでは、光源から放出された光束はコリメータレンズの球面に略垂直に入射し、このうちの光軸との成す角が小さい光線は第1の楕円面に入射、屈折される。当該第1の楕円面は、その第1焦点に位置する光源から発散する光束を平行光束に変換する。また、光軸との成す角が大きい光線は第2の楕円面に入射し、当該第2の楕円面により全反射される。当該第2の楕円面は、その第1焦点に位置する光源から発散する光束を第2焦点に集光する光束に変換する。また、第3の楕円面は、その第2焦点に集光する光束を平行光束に変換する。これらにより、光源から発せられた光束はコリメータレンズにより略平行光に変換され、指向性が高く高効率であり、かつ光量分布の均一性が高い照明装置を実現することができるとされる。
特開2012-155344号公報 特開2006-318922号公報 国際公開第2008/069143号
 近年、プロジェクタにおいては、パネル(映像表示素子)として、DMD(Digital Micromirror Device)を用いたDLP(Digital Light Processing、登録商標)プロジェクタが普及してきている。DMDパネルを用いる場合、光束をパネルに対して垂直に入射させるのではなく、その仕様に応じてパネルの法線に対して一定の角度を持って入射させなければならない場合がある。この場合、照明効率を向上させるためには、一定の角度空間(すなわち、開口数NA(Numerical Aperture))の光束をパネルの一点に可能な限り収差なく結像させる必要がある。この点、従来技術ではこのような課題については考慮されていない。
 そこで本発明の目的は、映像表示素子に対して一定の角度を持って照射する照明光学系において、光源から出射され、インテグレータ等の光学素子を通過した光束を、一定の角度空間の光束として、映像表示素子上の一点に可能な限り収差無く結像させる照明光学系およびこれを用いた投射型映像表示装置を提供することにある。
 本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
 本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
 本発明の代表的な実施の形態による照明光学系は、完全拡散性を有する光源と、前記光源からの照明光束を取り込み、所定の径を有しつつ小さいNAに変換するコリメータと、前記コリメータを通過した前記照明光束の明るさを均一化するインテグレータと、前記照明光束を集光する集光レンズと、を有し、プリズムを介して被照明体の照射面の法線に対して一定の角度で前記照明光束を照射する照明光学系であって、以下の特徴を有するものである。
 すなわち、前記インテグレータと前記被照明体との間に、前記集光レンズおよび前記プリズムが、この順で前記照明光束が通過するよう配置される。そして、前記集光レンズおよび前記プリズムは、前記被照明体の照射面に対して、前記照明光束の主光線が前記被照明体の照射面の法線に対して所定の角度をもって入射するよう構成される。
 また、前記プリズムは、前記照明光束の入射面が出射面に対して傾斜し、前記入射面に入射する主光線が前記入射面の法線に対して前記プリズムの頂点とは反対側から入射し、前記出射面から出射する主光線が前記出射面の法線に対して前記プリズムの頂点とは反対側から出射するよう構成され、前記プリズムの出射面が前記被照明体の照射面と略平行になるよう配置される。また、前記集光レンズは、前記集光レンズから出射された後の各主光線が互いに略平行となるよう構成され、前記プリズムの入射面と同じ向きに回転し、さらに軸ずれして配置される。
 本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
 すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、映像表示素子に対して一定の角度を持って照射する照明光学系において、光源から出射され、インテグレータ等の光学素子を通過した光束を、一定の角度空間の光束として、映像表示素子上の一点に可能な限り収差無く結像させることで、光の利用効率を向上させることが可能となる。
(a)、(b)は、本発明の実施の形態1における投射型映像表示装置の外観について例を示した図である。 本発明の実施の形態1における投射光学系の構成について例を示した断面図である。 本発明の実施の形態1における投射型映像表示装置の内部構造について例を示した上面図である。 本発明の実施の形態1における投射型映像表示装置の照明光学系および投射光学系の構造について例を示した上面図である。 (a)、(b)は、本発明の実施の形態1である照明光学系の論理的な構成について例を示した図である。 本発明の実施の形態1におけるインテグレータの構成例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態1におけるDMDパネルと入射光の関係を説明する図である。 映像表示素子の表示面における光強度の分布状況について例を示した図である。 本発明の実施の形態1におけるプリズムの偏角を説明する図である。 本発明の実施の形態1におけるプリズムを展開した仮想プリズムと、集光レンズおよびDMDパネルの構成について例を示した図である。 本発明の実施の形態1における集光レンズおよび仮想プリズムを介した光線の状況について例を示した図である。 本発明の実施の形態1における展開した後段のプリズムと、集光レンズおよびDMDパネルの構成について例を示した図である。 (a)、(b)は、本発明の実施の形態2である照明光学系のコリメータの論理的な構成と光線の状況の例について概要を示した図である。
 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。一方で、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示はしないが同一の符号を付して言及する場合がある。
 (実施の形態1)
 <投射型映像表示装置の構成>
 図1は、本発明の実施の形態1における投射型映像表示装置(プロジェクタ)の外観について例を示した図である。図1(a)は、投射型映像表示装置1の正面図であり、図1(b)は側面図である。
 投射型映像表示装置1は、例えば、略平箱状の外形形状の筐体2を有する。この形状により、使用状態として、例えば、机やテーブルの表面に立てた状態で使用する場合(机やテーブルの表面に映像が投射される場合)をも考慮して、その背面側を底面として直立させることが可能である。なお、筐体2に着脱が可能、または筐体2に内蔵されて取り出しが可能な図示しないスタンド等の手段を有していてもよい。
 筐体2の上面には、開閉可能なミラーカバー3が形成されている。ミラーカバー3の内側には、凸形状で回転非対称に形成された反射ミラー(自由曲面ミラー)31が取り付けられている。また、筐体2の上側の略中央部に形成された凸状部の内部には、投射レンズ系52が配置され、投射光を外部に導くための開口部が形成されている。なお、図中では、投射レンズ系52の一部のみが当該開口部を介して示されている。また、筐体2の上部には、図示しないレンズ調整機構によりレンズ位置を変えて投射映像のフォーカス状態を調整するための、いわゆるフォーカス調整用リング6の一部(筐体2から外部に突出した上端部)を示している。
 図2は、本実施の形態における投射光学系5の構成について例を示した断面図である。例えば、図示しない照明光学系において、LEDや半導体レーザ等からなる光源からの光を、外部からの映像信号(例えば、携帯端末やタブレット端末、PC(Personal Computer)等からの映像信号)に応じて、DMDパネル48等の映像表示素子に入射させて変調する。そして、得られた映像をTIR(Total Internal Reflection:内部全反射)プリズム51で合成し、複数のレンズからなる投射レンズ系52を介して反射ミラー31に投射して反射させて拡大投射する。
 なお、投射レンズ系52は、映像の拡大投射に伴う各種の歪み、例えば、斜め入射による歪みや台形歪みなどを補正するために必要な、回転対称でない自由曲面形状のレンズ等を含めて、各種のレンズを含んで構成されている。また、投射レンズ系52は、投射レンズベース53上に移動可能なように搭載されており、レンズ調整機構54により、図中の上下方向に投射レンズの一部のレンズまたはレンズ群を移動させることでフォーカス性能を調整することが可能である。
 また、図示しない照明光学系からDMDパネル48(映像表示素子)に照射され、DMDパネル48により変調された映像光は、図中の破線で示すように投射レンズ系52により拡大されて反射ミラー31に投射され、その表面で反射されて、例えば、図示しないスクリーンや壁面、机、テーブル等の表面に投射される。図中では、その上限光と下限光がそれぞれ矢印により示されている。
 また、本実施の形態では、筐体2の高さをできるだけ低くして小型化を図るため、反射ミラー31と投射レンズ系52とを含む投射光学系5を、平面上に(具体的には、筐体2の底部に設けられた投射レンズベース53上に)、その表面と略平行になるように配置する。一般的に、所定の投射距離においてより大きな投射映像を得るためには、例えば、投射レンズ系52を底面に対して傾斜させた状態(スクリーン等に対して垂直とせず傾けた状態)で配置し、他方、反射ミラー31での映像光の拡散角度(例えば、図中の上限光と下限光がなす角度)を大きくすることが考えられる。しかし、この場合、投射レンズ系52を傾斜して配置することで筐体2の高さが増大してしまい、小型化という観点ではデメリットとなる。
 図3は、本実施の形態における投射型映像表示装置1の内部構造について例を示した上面図である。また、図4は、本実施の形態における投射型映像表示装置1の照明光学系4および投射光学系5の構造について例を示した上面図である。
 図3では、筐体2の上部のケースを外した状態を示している。図3において、反射ミラー31や投射レンズ系52を含む投射光学系5は、筐体2のほぼ中央部に図中の垂直方向に沿って配置されている。また、投射レンズ系52を中心に、その一方の側(図中の左側)には電源ユニット7や、放熱のための複数台(図中の例では2台)の軸流ファン81が配置されている。また、投射レンズ系52の他方の側(図中の右側)には、放熱のためのシロッコファン82が配置されている。
 図3、図4に示すように、シロッコファン82の一部は放熱用フィンと略一体化されており、光源を構成するLED照明ユニット41における緑色(G)光発光用のLED42Gで発生した熱は、ヒートパイプ83Gを介して放熱用フィンまで伝搬される。同様に、赤色(R)光発光用のLED42Rで発生した熱は、ヒートパイプ83Rを介して、青色(B)光発光用のLED42Bで発生した熱は、ヒートパイプ83Bを介して、それぞれ放熱フィンまで伝搬される。そして、シロッコファン82により発生した冷却風により冷却されて、筐体2に設けられた排気口から放熱される。なお、DMDパネル48は、冷却用のヒートシンク84により冷却される。
 <照明光学系の構成>
 図5は、本実施の形態である照明光学系4の論理的な構成について例を示した図である。図5(a)は論理的な構成における上面図を示し、そのA-A’断面を図5(b)に示している。なお、図5における上面と、上記の図2~図4に示した実装例における上面とは必ずしも一致しなくてもよい。
 本実施の形態の照明光学系4は、一般的なプロジェクタ等で用いられる照明光学系と概ね同様の構成要素と配置からなる。ここでは、LED照明ユニット41を構成するLED42R、42G、42B(以下ではこれらをLED42と総称する場合がある)と、これらの光源から出射された光をそれぞれ平行化する1つ以上のレンズ等からなるコリメータ43R、43G、43B(以下ではこれらをコリメータ43と総称する場合がある)、および平行化した光束を合成するダイクロイックミラー44、合成光を均一化する1つ以上のレンズ等からなるインテグレータ45等の光学素子を有する。
 そして、インテグレータ45を通過した光束を、一定の角度を持ってDMDパネル48に照射するため、インテグレータ45とDMDパネル48との間に集光レンズ46および少なくとも2枚のプリズム47を有する。すなわち、図6の右側の図に示したインテグレータ45の正面図におけるレンズアレイの各セル45aの光学像(照明領域)が、集光レンズ46(およびプリズム47)によってDMDパネル48上に重畳される。図6の例では、7×7=49個のセル45aの光学像がDMDパネル48上に重畳される。
 なお、「一定の角度を持ってDMDパネル48に照射する」とは、図7に示すように、照明光束の主光線(DMDパネル48の各点を照射する光束に着目した場合の光束の中心光線)を、DMDパネル48の照射面の法線に対して、DMDパネル48の仕様に応じて角度をもって入射させることをいう。所定の角度をもって入射した入射光は、DMDパネル48の表面に形成されたマイクロミラーにより、図示するようにDMDパネル48の略法線方向に反射して出射光となる。
 <光の利用効率の向上>
 ここで、一般的に、照明光学系4において光の利用効率を向上させる、すなわち、光源であるLED42から出射された光をできるだけ損失させずに被照明体であるDMDパネル48に照射するための基本的な手法は、LED42からDMDパネル48までの間で、以下の式で示されるEtendueと呼ばれる量のマッチングを行うことである。
 Etendue=π×(光源の発光面積)×(光源から発散する光の立体角)
        =π×(光源の発光面積)×(NA)
      (NA=sinθ、θは光軸の中心からの光の角度)
 例えば、光源側のEtendueに対して被照明体のEtendueが非常に小さい場合、もしくは非常に大きい場合等、光源側と被照明体側のEtendueの差が大きい場合は、一般的に、照明光学系の設計の内容が効率に及ぼす影響は相対的に小さくなる(すなわち、設計でカバーできる余地が小さい)。一方で、光源側と被照明体側のEtendueが同程度の場合は、効率を上げるには照明光学系の設計を注意深く行う必要がある。
 LEDを光源とする場合、光量を上げるためには放熱の関係でダイのサイズを大きくする必要がある。一方で、DMDパネルを被照明体とする場合、サイズが小さい方がコストを低減させることができる。このため、両者のEtendueは同程度の大きさとなる傾向にある。したがって、本実施の形態のように光源にLED42を用い、被照明体としてDMDパネル48を用いる場合には、照明光学系4の設計を注意深く行う必要がある。
 本実施の形態の照明光学系4は、図5に示したように、光源側から順に、
(1)完全拡散性を有する光源(図5の例ではLED42)
(2)光源からの光束を取り込み、所定の径を有しつつ小さいNAに
   変換するコリメータ(図5の例ではコリメータ43)
(3)被照明体(図5の例ではDMDパネル48)上の光束の均一性を
   実現するためのインテグレータ(図5の例ではインテグレータ45)
(4)被照明体に集光するための集光レンズ(図5の例では集光レンズ46)
の各光学要素を含む基本構成を有している。
 効率を向上させる場合、上記の各段階の構成において、それぞれEtendueの損失が少なくなるように設計することが重要である。例えば、光源と被照明体のEtendueが略等しい場合は、光源から被照明体に至る上記の(1)~(4)の各段階のEtendueが略等しくなるように照明光学系4を設計する必要がある。途中の光学要素でEtendueが増加すると、増加したEtendueを効率を低下させずに減少させることはできないため、被照明体のEtendueとのマッチングができずに効率が低下してしまう。なお、光源のEtendueより被照明体のEtendueの方が大きい場合は、上記の(1)~(4)の各段階のEtendueが略等しくなるか、単調増加するように照明光学系4を設計する。
 本実施の形態では、上記の(1)~(4)の各段階のうち、(4)の集光レンズにおいてEtendueの損失を低減して効率を向上させるように設計を行うものである。なお、上記の(1)~(4)の各段階での設計内容について、これらの間、および照明光学系4におけるその他の各種の設計内容との間で、パラメータ的には相互に影響を及ぼし合う場合がある。したがって、整合性を維持しつつ全体として最適化する必要があるが、本実施の形態における(4)の集光レンズの設計内容は、他の項目の設計内容とは独立して考えることができる。
 <集光レンズ周辺の設計条件>
 本実施の形態では、光源からの光の利用効率を向上させるため、集光レンズ46について、前段のインテグレータ45から出射した光束が、小さい収差でDMDパネル48相当面に集光するための設計を行う際の条件を規定している。
 光の利用効率を決定する大きな要素の一つとして、DMDパネル48の周囲にどの程度の調整余裕量を確保するかという点がある。例えば、長さで1割の余裕量を確保すると、実際にDMDパネル48を照射する効率は、(1.1)=1.21となり、約20%の効率低下となる。これに加えてさらに収差も大きい場合、照明の境界領域がぼやけてしまう場合がある。
 図8は、映像表示素子の表示面における光強度の分布状況について例を示した図である。例えば、上述の図6の例で示したように、インテグレータ45におけるレンズアレイの各セル45aの光学像(照明領域)は、集光レンズ46(およびプリズム47)によってDMDパネル48上に重畳されるが、その重畳の精度が悪くなると、図8の例に示すように、映像表示素子(DMDパネル48)に照射される照明領域の境界がぼやけてしまう。
 図8の上段の図では、映像表示素子の有効表示幅(例えば、下段の図に示したDMDパネル48の表示面48aの幅)に対する理想的な光強度の分布を実線で示している。なお、図8の例では、映像表示素子(DMDパネル48)の幅方向について示しているが、高さ方向についても同様である。理想的な光強度の分布では、表示素子の有効表示幅より少し外側の領域までは均一な光強度である一方、当該領域の外側では光強度がほぼゼロとなる。すなわち、照明領域の境界では傾斜が急峻な分布となる。
 一方、照明領域の境界での光強度の分布がぼやけて傾斜が急峻ではなくなると、表示素子の有効表示幅の端部付近での光強度が下がってしまうとともに、有効表示幅より外側の領域を照射する(映像表示素子に入射しない)無駄な光が増え、光の利用効率が落ちてしまう。そして、これを回避して映像表示素子の有効表示幅内では均一な光強度の分布とするためには、さらに調整余裕量を確保して、光強度の分布がぼやける(傾斜する)領域を有効表示幅よりも外側にすることが必要となり、より一層の効率低下につながる。
 そこで、本実施の形態では、集光レンズ46における収差発生を抑制し、照射領域の境界付近において光強度の分布がぼやけることを防ぐように設計する。
 設計を行う際に基本となる条件は、図5に示すように、
 ・条件1:インテグレータ45とDMDパネル48との間に、
      集光レンズ46とプリズム47がこの順で配置される。
 ・条件2:プリズム47は少なくとも2枚備える。
 ・条件3:DMDパネル48に対して、照明光束の主光線がDMD
      パネル48の法線に対して角度をもって入射する(図7参照)。
      (当該条件はDMDパネル48の仕様に基づく)
 ・条件4:プリズム47の(少なくとも)1つの面がミラー面である。
      (プリズム47に対する光束の入射角度に応じて屈折が全反射
      とならない場合にのみ当該条件を満たすようにすればよい)
である。
 条件2において、プリズム47を1枚の構成とすることも可能であるが、この場合、設計の自由度が少なく収差補正の難易度が高くなってしまう場合がある。そこで、本実施の形態では、プリズム47を少なくとも2枚備える構成とする。これにより、前段の集光レンズ46の偏心と、プリズム47の特定形状の組み合わせにより、照明光束の結像特性を改善することが可能となる。具体的には、後述するように、展開したプリズム形状が楔形となるようにし、偏心させた集光レンズ46と組み合わせると効果的である。
 本実施の形態では、上記の条件1~条件4の基本条件を満たした上で、プリズム47における光の屈折を最小偏角(偏角とは図9に示すようにプリズムへの入射光と出射光がなす角である)に近付けるよう設計することで、収差を低減し、効率低下を防止する。
 図10は、本実施の形態におけるプリズム47を展開した仮想プリズムと、集光レンズ46およびDMDパネル48の構成について例を示した図である。また、図11は、集光レンズ46および仮想プリズム47vを介した光線の状況について例を示した図である。図10では、2枚のプリズム(プリズム47a、47b)のうちプリズム47aを展開(第1展開、第2展開)したものとプリズム47bとから、等価な楔形の仮想プリズム47v(展開プリズム)を得た状態を示している。
 仮想プリズム47vのような楔形プリズムを光が通過して屈折する場合、入射光と出射光の角度が等しくなるときに収差の発生が最小となる。したがって、図11に示すように、
 ・条件5:プリズム(仮想プリズム47v)の入射面は出射面に対して
      傾斜している。
 ・条件6:プリズム(仮想プリズム47v)の入射面に入射する主光線は、
      入射面の法線に対してプリズム頂点とは反対側から入射する。
 ・条件7:プリズム(仮想プリズム47v)の出射面から出射する主光線
      は、出射面の法線に対してプリズム頂点とは反対側から出射
      する。
の各条件を満たした上で設計することで、偏角を小さくして収差を低減し、効率低下を防止することができる。
 なお、DMDパネル48から後段の投射光学系5の投射レンズ系52を照射する際の収差を最小とするため、図11に示すように、
 ・条件8:プリズム(仮想プリズム47v)の出射面とDMDパネル48
      は略平行に配置される
の条件も満たすようにする。
 なお、この条件の前提として、後段のプリズム47bを展開すると、プリズム47bの出射面と後段の投射光学系5の投射レンズ系52との間が平行平面板と同じ状態になるものとする。図12は、本実施の形態における展開したプリズム47bと、集光レンズ46およびDMDパネル48の構成について例を示した図である。ここで、図示するように後段のプリズム47bを展開すると、上記の前提条件は、プリズム47bの出射面(P4-P5面)と、展開後のプリズム47bの投射レンズ系52に対向する面(P5’-P6’面)とが平行になる、すなわち、P4の角度とP6の角度が等しい、ということを意味する。
 本実施の形態では、さらに、図11に示すように、
 ・条件9:集光レンズ46から出射された後の主光線は互いに略平行で
      ある。
の条件を満たした上で設計することで、DMDパネル48を照射する主光線の光路を揃えて同じ角度で入射させ、収差を低減させることができる。
 図7に示したように、DMDパネル48の仕様に基づいて、DMDパネル48に対して光を傾けて入射させる必要がある(条件3)。しかし、光を傾けて入射させるだけでは、収差(コマ収差、非点収差、像面湾曲、台形歪み等)が発生し、効率が低下してしまう。そこで、本実施の形態ではさらに、図10に示すように、集光レンズ46において、
 ・条件10:集光レンズ46はプリズム(仮想プリズム47v)の入射面
       と同じ向きに回転して(傾けて)配置される。
 ・条件11:集光レンズ46は軸ずれして配置される。
の各条件を満たした上で設計する。これにより、インテグレータ45からDMDパネル48までの間の収差を低減して効率低下を防止することができる。
 また、上述したような多くの収差を制御するため、集光レンズ46の形状について設計する際に、球面を偏心させるだけでは設計の自由度が不足する場合がある。そこで本実施の形態では、さらに、
 ・条件12:集光レンズ46は非球面の形状を有する。
の条件に従うようにしてもよい。これにより、収差を制御するための設計の自由度をさらに高めてより一層の収差低減を図ることができる。集光レンズ46の非球面化に加えて、もしくはこれに代えて、複数枚のレンズを用いる構成として設計の自由度を高めるようにしてもよい。
 以上に説明したように、本実施の形態の照明光学系4によれば、集光レンズ46(およびプリズム47、DMDパネル48)において、上記の条件1~条件11(さらに条件12を加えてもよい)を満たした上で設計を行うことで、Etendueの損失を低減して光の利用効率を向上させることができる。すなわち、集光レンズ46において、前段のインテグレータ45から出射した光束を、小さい収差でDMDパネル48に集光させることができる。
 (実施の形態2)
 本発明の実施の形態2である照明光学系は、上述の実施の形態1における投射型映像表示装置1の照明光学系4と同様の構成において、上記の図5で示した光源から被照明体までの(1)~(4)の各段階の光学要素のうち、(2)のコリメータ43においてEtendueの損失を低減して光の利用効率を向上させるように設計を行うものである。なお、上述の実施の形態1の集光レンズ46の場合と同様に、本実施の形態における(2)のコリメータ43の設計内容は、他の項目の設計内容とは独立して考えることができる。
 <コリメータの設計条件>
 本実施の形態では、コリメータ43について、前段の光源であるLED42からの光束を、Etendueの損失なく所定の径まで拡大し、後段の均一化手段であるインテグレータ45に入射させるための設計を行う際の条件を規定している。換言すれば、コリメータ43が照明の対象面(例えば、光源に近い方のインテグレータ45)において最大の効率を得るために、照明の対象面の全面で均一かつ有効なNAの範囲の光束を形成するための設計を行う際の条件を規定している。
 図13は、本発明の実施の形態2である照明光学系4のコリメータ43の論理的な構成と光線の状況の例について概要を示した図である。図13(a)の例では、光源のLED42から出射された主光線について、光軸付近の光束と周辺光束(外側の光束)、およびこれらの間の中間光束が、それぞれコリメータ43(図中では前段の第1コリメータ43aおよび後段の第2コリメータ43b)およびダイクロイックミラー44を通る状況を示している。また、図13(b)の例では、光軸付近の光束と周辺光束、および中間光束についての集光状況をそれぞれ示している。
 本実施の形態では、光源であるLED42から光軸に対して大きな角度で出射される光束(周辺光束)を有効に利用して効率を向上させるため、図13(a)に示すように、
 ・条件21:照明の対象面における主光線の像高さはfsinθ特性を
       有する。
の条件を満たした上でコリメータ43を設計する。このように、主光線の像高さが照明の対象面の周辺付近で圧縮されるような射影特性をとることで、光軸から90°近い角度の光束まで取り込むことが可能である。なお、像高さはfsinθに限定されるものではなく、大きなマイナスの歪曲収差を持つような設計とすることで同様の効果を得ることができる。
 ここで、上記の条件21を満たすことで大きな角度の光束を取り込んだとしても、周辺光束については、NAの広がりによって損失が生じる場合がある。そこで、本実施の形態では、この損失を低減させるため、さらに、図13(b)に示すように、
 ・条件22:メリディオナル面での像面湾曲が正方向である。
の条件を満たした上でコリメータ43を設計する。これにより、外側の光束ほど集光点までの距離(焦点距離)が長くなるため、周辺光束のNAを小さくすることができる。したがって、後段のインテグレータ45に入射する際の損失を少なくすることができる。
 上記の条件22に加えて、さらに周辺光束での損失を低減させるため、図13(a)に示すように、
 ・条件23:周辺光束の主光線角度は光軸方向に向かって集光される。
の条件を満たした上でコリメータ43を設計する。上記の条件22を満たしていることで周辺光束のNAは小さくなっているため、周辺光束の主光線の角度を制御しても損失は小さい。したがって、このような設計を行うことが可能である。
 また、本実施の形態では、上記の条件22に関連して、図13(b)に示すように、
 ・条件24:光軸(付近)の光束のNAが周辺と比べて大きい
       (焦点距離が短い)。
の条件を満たした上でコリメータ43を設計する。
 基本的なEtendueの考え方からすると、コリメータ43から出射された光束が、光軸から周辺まで同じNAとなるよう制御することが望ましい。しかしながら、このように構成した場合、上述したように、周辺光束において損失が発生し得る。したがって、本実施の形態のように、あえて光軸付近の光束のNAを大きくする一方、周辺光束でNAを小さくし、かつ正の像面湾曲を持たせることで、損失の低減と効率の向上の両立を図ることができる。なお、光軸付近の大きなNAを有する光束の一部は、周辺の光束の小さいNAを補完する役割も有する。
 上述したように、条件21~条件24の各条件は相互に関連しており、これらの条件を総合的に適用することで、照明の対象面の全面で均一かつ有効な範囲のNAを有する照明光束を得るコリメータ43を設計することができる。
 以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、上記の実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
 本発明は、光源からの光の利用効率を向上させる照明光学系およびこれを用いた投射型映像表示装置に利用可能である。
1…投射型映像表示装置、2…筐体、3…ミラーカバー、4…照明光学系、5…投射光学系、6…フォーカス調整用リング、7…電源ユニット、
31…反射ミラー、
41…LED照明ユニット、42、42R、42G、42B…LED、43、43R、43G、43B…コリメータ、43a…第1コリメータ、43b…第2コリメータ、44…ダイクロイックミラー、45…インテグレータ、45a…セル、46…集光レンズ、47、47a、47b…プリズム、47v…仮想プリズム、48…DMDパネル、48a…表示面、
51…TIRプリズム、52…投射レンズ系、53…投射レンズベース、54…レンズ調整機構、
81…軸流ファン、82…シロッコファン、83R、83G、83B…ヒートパイプ、84…ヒートシンク

Claims (7)

  1.  完全拡散性を有する光源と、
     前記光源からの照明光束を取り込み、所定の径を有しつつ小さいNAに変換するコリメータと、
     前記コリメータを通過した前記照明光束の明るさを均一化するインテグレータと、
     前記照明光束を集光する集光レンズと、を有し、
     プリズムを介して被照明体の照射面の法線に対して一定の角度で前記照明光束を照射する照明光学系であって、
     前記インテグレータと前記被照明体との間に、前記集光レンズおよび前記プリズムが、この順で前記照明光束が通過するよう配置され、
     前記集光レンズおよび前記プリズムは、前記被照明体の照射面に対して、前記照明光束の主光線が前記被照明体の照射面の法線に対して所定の角度をもって入射するよう構成され、
     前記プリズムは、前記照明光束の入射面が出射面に対して傾斜し、前記入射面に入射する主光線が前記入射面の法線に対して前記プリズムの頂点とは反対側から入射し、前記出射面から出射する主光線が前記出射面の法線に対して前記プリズムの頂点とは反対側から出射するよう構成され、前記プリズムの出射面が前記被照明体の照射面と略平行になるよう配置され、
     前記集光レンズは、前記集光レンズから出射された後の各主光線が互いに略平行となるよう構成され、前記プリズムの入射面と同じ向きに回転し、さらに軸ずれして配置された、照明光学系。
  2.  請求項1に記載の照明光学系において、
     前記プリズムを複数枚備えた、照明光学系。
  3.  請求項1または2に記載の照明光学系において、
     前記プリズムの少なくとも1つの面がミラー面である、照明光学系。
  4.  請求項1に記載の照明光学系において、
     前記集光レンズは非球面の形状を有する、照明光学系。
  5.  完全拡散性を有する光源と、
     前記光源からの照明光束を取り込み、所定の径を有しつつ小さいNAに変換するコリメータと、
     前記コリメータを通過した前記照明光束の明るさを均一化するインテグレータと、
     前記照明光束を集光する集光レンズと、を有し、
     プリズムを介して被照明体の照射面の法線に対して一定の角度で前記照明光束を照射する照明光学系であって、
     前記コリメータは、通過した前記照明光束によって照射する前記インテグレータの対象面における主光線の像高さの射影特性がマイナスの歪曲収差となり、また、正方向の像面湾曲を有し、周辺領域の光束の主光線の角度が光軸方向に向かって集光され、光軸付近の光束のNAが周辺領域の光束のNAと比べて大きくなるよう構成された、照明光学系。
  6.  請求項5に記載の照明光学系において、
     前記コリメータにおける前記射影特性はfsinθ特性である、照明光学系。
  7.  請求項1~6のいずれか1項に記載の照明光学系を有する、投射型映像表示装置。
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