JP3686887B2 - Illumination optical system and enlarged projection display device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶ライトバルブやDMD(Digital Micromirror Device(ディジタルマイクロミラーデバイス):テキサス・インスツルメンツ社の登録商標)等の画像形成素子により提供される画像をスクリーン上に拡大投影する拡大投写型ディスプレイ装置及び拡大投写型ディスプレイ装置に用いる照明光学系に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、液晶ライトバルブやDMD等の画像形成素子により提供される画像をスクリーン上に拡大投影する拡大投写型ディスプレイ装置が、種々提案されている。このような拡大投写型ディスプレイ装置では、近年、高性能化に伴いスクリーンへの到達光束量が少ない、すなわち光利用効率の向上が求められている。特にDMDを画像形成素子に用いた拡大投写型ディスプレイ装置では、その必要性が増して来ている。
【0003】
DMDを画像形成素子に用いた拡大投写型ディスプレイ装置用の照明光学系として、反射光学素子を用いて小型で高効率な照明光学系がWO98/029773号公報に開示されている。この公報に記載された照明光学系は、白色光源のアークランプから発した光線はコンデンサレンズ、球面ミラーを経てDMDに高角度で入射するように構成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記公報に記載された照明光学系ではキーストーン歪等が補正されておらず、照射領域形状をDMD等の画像形成素子形状に相似するような手段はとられていない。このため、照明効率が劣る。
【0005】
本発明は、キーストーン歪を補正し、照明光学系により形成される照射領域形状を画像形成素子形状とほぼ同一にすることで光の利用率の高効率化を達成することを目的としている。また、正反射型画像形成素子(例えば正反射型液晶ライトバルブ)や透過型画像形成素子(例えば透過型液晶ライトバルブ)等の画像形成素子に対する照明光学系としても、より小型化を達成するために照明光路を反射ミラーなどで折り返し、画像形成素子を斜めに照明しても光の利用率が高効率な照明光学系並びに投写型ディスプレイ装置を提供するものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、液晶ライトバルブやDMDなどに代表される画像形成素子をもつ拡大投写型ディスプレイ装置に組み込まれ、光源から発せられた光を画像形成素子の法線と非平行な方向から当該画像形成素子に照射する照明光学系を、最終段に正のパワーを有する結像光学素子を含む2以上の光学素子を備えたアフォーカル光学系(アフォーカル系とは、平行光束がレンズ系を通った後再び平行光束となる光学系)で構成し、さらに、上記2以上の光学素子の少なくとも一つを輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置することによって、光利用効率を向上させ、かつ小型化を達成している。本発明の照明光学系を拡大投写型ディスプレイ装置に組み込む時には、画像形成素子の任意の点から出射する光束の主光線と、画像形成素子の法線とのなす角度が5°以上となる入射角度で画像形成素子に光が入射するようにするのが望ましい。
【0007】
本発明の照明光学系は、光源から発せられた光を画像形成素子の法線と非平行な方向から当該画像形成素子に照射する照明光学系であって、光源からの光を集光して仮想的な2次光源を形成する集光ミラーと、2次光源が形成される位置に入射端面が配置され、前記2次光源からの光の輝度分布を均一化して出射する輝度ムラ低減手段、所謂、ライトトンネルやロッドレンズ等、光束が内面で繰り返し反射することによりその出射面での輝度ムラを均一化する光学素子と、輝度ムラ低減手段の出射面を物体面とし、物体面からの光が照射される照射面を像面とするアフォーカル光学系とを有し、前記アフォーカル光学系は、正のパワーを有する最終段の結像光学素子を含む2以上の光学素子によって構成され、それら2以上の光学素子の少なくとも一つは、前記輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置されていることを特徴とする照明光学系である。
【0008】
ライトトンネルやロッドレンズ等で代表される輝度ムラ低減素子と、画像形成素子との間に設けたアフォーカル光学系は、図1〜図3のように、画像形成素子6から出射して投写レンズに代表される投写光学系(図示省略)に向かう任意光束(出射光束8b)の主光線8(「主光線」とは任意の物点からの光束においてその光束の中心を通る光線として定義し、「光軸光線」とは仮想物体面の原点と照射面の原点とを通る光束の中心を通る光線として定義する。)と画像形成素子6の法線10とのなす角度θが5°以上である。ここで、図1(a)〜(c)((a)は上面図、(b)は正面図、(c)は側面図である)は画像形成素子6がDMDの場合を示しており、上述の角度θは図1(c)の側面図に示すように、紙面内断面に射影したときの角度である。図2(a)、(b)((a)は正面図、(b)は側面図である)は画像形成素子6が正反射型の場合で、出射光束8bの主光線8と法線10との成す角度θは図2(b)の側面図で示した角度、所謂、反射角である。図3(a)、(b)((a)は正面図、(b)は側面図)は画像形成素子6が透過型の場合で、出射光束8bの主光線8と法線10との成す角度θは図3(b)の側面図で示した角度である。なお、図中、8aは画像形成素子に入射する入射光束である。
【0009】
本発明の照明光学系の第2の特徴は、アフォーカル光学系を構成する各素子が3次元空間配置をしている。画像形成素子にDMDを用いた場合を例に取ると図4のようになる。図4は画像形成素子6にDMDを用いた拡大投写型ディスプレイ装置の照明光学系に本発明の照明光学系を適用した側面図である。
【0010】
図4では輝度ムラ低減素子にライトトンネル3を用いている。ライトトンネル3は、光源1からの光束が集光ミラー2により集光されて形成される仮想的な2次光源の位置に入射端面3aが位置するように配置されている。ライトトンネル3の出射面3b側に配置されたアフォーカル光学系は3つのレンズ4a、4b、4cと反射ミラー5で構成されている。第2のレンズ4bと第3のレンズ4c(光源に近い方から順に第1、第2、第3レンズとする)の間に設けた反射ミラー5は平面鏡であり光路を変更するのみで、アフォーカル光学系に必須の要素ではないから無くてもよい。光路を折り返して装置を小型にする場合等、必要に応じて設ければよい。
【0011】
アフォーカル光学系を構成する3つのレンズ4a、4b、4cにおいて、第1のレンズ4aは、光源1と輝度ムラ低減素子であるライトトンネル3の中心を結ぶ光軸Oから上下方向にシフトしている。即ち、第1のレンズ4aの中心は光軸O上にはない。第2のレンズ4bは光軸Oから上下左右にシフトし、さらに回転偏心をしており、第2のレンズ4bの光軸は光軸Oに平行ではない。第3のレンズ4cは、投写レンズ光軸と平行で、画像形成素子6の中心点の法線から、シフトし回転偏心している。反射ミラー5が無い場合は、画像形成素子6から見て各光学素子の相互の相対的位置を確保したまま画像形成素子6より斜め下方向に配置される。
【0012】
本発明の照明光学系は、アフォーカル光学系を図5に示すように少なくとも2つの屈折型光学素子(第1のレンズ4aと第2のレンズ4b)で構成してもよい(反射ミラー5は図4の場合と同じである)。また、アフォーカル光学系を構成する光学素子のうち、少なくとも1つを、曲面を持つ反射光学素子で構成してもよい。例えば、図4、図5における反射ミラー5を凹面鏡とした構成としてもよい。さらに、アフォーカル光学系を構成する光学素子のうち、少なくとも1つを非球面光学素子で構成してもよい。
【0013】
アフォーカル光学系を構成する光学素子のうち、少なくとも1つ、プラスチック光学素子で構成すると加工が容易で安価に照明光学系が構成できる。
【0014】
上記の照明光学系を用いた拡大投写型ディスプレイ装置は、図4、図5に示す如く、上述の照明光学系と、照明光学系を構成するアフォーカル光学系の照射面(像面)に配置された画像形成素子6と、画像形成素子6の出射側に配置されて画像形成素子6からの出射光をスクリーンに投写する投写光学系とを含んだ構成になっている。投写光学系は、屈折型結像光学系である投写レンズ7や1枚或いは複数枚の反射鏡から成る反射型結像光学系等で構成できる。
【0015】
投写光学系に屈折型結像光学系を用いた拡大投写型ディスプレイ装置では、光源およびアフォーカル光学系を有する照明光学系と、前記照明光学系の照射面(像面)に配置された画像形成素子と、前記画像形成素子から出射した光束をスクリーンに屈折・投写するテレセントリックな屈折型結像光学系とを少なくとも有し、前記屈折型結像光学系の絞りが、当該屈折型結像光学系の光軸から偏心した位置に配置されていることが望ましい。
【0016】
屈折型結像光学系の絞りを偏心させると、画像形成素子上の特定光点から出射される光の上光線と下光線は、その出射方向が投写光軸に対して非対称となり、出射光線が投射光軸に対して傾けられる。その結果、画像形成素子上の各点から出射する光線が平行になり、明るさにムラのない投写光が得られる。これにより、投写画像の照度ムラが小さくなると共に、高輝度の投写画像となる。
【0017】
投写光学系に反射型結像光学系を用いた拡大投写型ディスプレイ装置では、光源およびアフォーカル光学系を有する照明光学系と、前記照明光学系の照射面(像面)に配置された画像形成素子と、前記画像形成素子から出射した光束をスクリーンに反射・投写するテレセントリックな反射型結像光学系とを少なくとも有し、前記反射型結像光学系が、前記画像形成素子に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第1の反射鏡と、前記第1の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第2の反射鏡と、前記第2の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面又は回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第3の反射鏡と、前記第3の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第4の反射鏡とから構成されていることが望ましい。
【0018】
上記反射鏡の反射面形状は、具体的には、反射鏡の光軸をz軸、z軸に垂直な平面をx−y平面、z軸とx−y平面との交点を原点O、原点Oで交わりx−y平面上の互いに直交する軸をx軸、y軸として座標軸を設定したとき、下記の(1)式〜(3)式で表される回転対称非球面形状になっている。
【0019】
ρ2=x2+y2 (2)
c=1/r (3)
ここで、αi(i=1、2、・・・、8)は補正係数、kは円錐係数、rは反射面の曲率半径である。
【0020】
上記の拡大投写型ディスプレイ装置において、照明光学系に反射鏡やプリズム等で代表される光路変換素子を備えると拡大投写型ディスプレイ装置の奥行きを小さくできる利点がある。
【0021】
(作用・原理)
一般に、図1、図2、図3のように主光線8が角度θを持つことで、画像形成素子6への入射光束8aの主光線8も所定の角度を持つ。特に画像形成素子6にDMDを使用した場合には、図1に示すように、入射光束8aの主光線8は所定の角度が2方向にわたって大きく傾く。
【0022】
図7は通常の結像光学系(レンズ系40)を用いて斜め方向から輝度ムラ低減素子の出射面像を画像形成素子面に導く様子を示す概略図である。図8は図7における照射面での照射状態、即ち、照度分布を示す図で、画像形成素子6の周囲に描かれた等高線のような曲線は等照度曲線である。図7に図示したように、大きく傾いた方向から画像形成素子6に主光線8が入射するとき、輝度ムラ低減素子の出射面3bでは光学系の光軸と光線の交点までが等しい出射面3b上の点A、Bでも、照射面上では光軸と照射面上の交点の距離A’、B’が大きく異なってしまう。このようにして発生する倍率の差がキーストーン歪と呼ばれる収差である。この収差が発生すると、照射領域60と画像形成素子6とが相似形にならず、図8のように照射領域(図8における等照度曲線で囲まれた領域)60が歪み、光利用効率が低下する。そのため、本発明は照明光学系にアフォーカル光学系を用いてこのキーストーン歪収差を補正し、光利用効率を向上させている。
【0023】
アフォーカル光学系がキーストーン歪収差を補正できる理由を図9を使用して説明する。
【0024】
図9は、キーストーン歪補正の基本的な考え方を示す概略図である。図9の光学系では図7で説明した照明光学系(光源と輝度ムラ低減素子は図示省略。輝度ムラ低減素子の出射面3bとレンズ系40のみが描いてある)と照射領域60との間に、新たに正のパワーを有する光学系(屈折型光学素子)41を配置している。このとき、正のパワーを有する光学系41を、主光線8と照射領域60とのなす角が一定となるように配置すれば、前述の距離A’、B’を、概略等しくすることができる。
【0025】
このように、正のパワーを有する光学系41を配置することによって、キーストーン歪を効果的に補正することができる。正のパワーを有する光学系41を配置した照明光学系は、前述のように照射領域60に配置される画像形成素子6へ入射する主光線8と画像形成素子6の法線とのなす角が一定となる。そのため、画像形成素子6の全面にわたって同一方向から入射する光線を投写光学系(図示省略)の方向に出射することができ、特定の方向からのみ光線を受けるような投写光学系により、効率よく光を投写画面、所謂、スクリーン(図示省略)に導くことができる。さらに、平面及び正のパワーを持つ光学系を反射型光学素子とすることによって、光学系全体の占有スペースを小さくできる。しかし単純に屈折型光学素子の替わりに反射型光学素子を配置するだけでは、図10に示す如く新たな歪みが発生するので工夫を要する。
【0026】
図10で示すように、正のパワーを持つ光学系を反射型光学素子42で構成すると、反射型光学素子42への入射光線と、画像形成素子6からの出射光線との干渉が起こらないように反射型光学素子42を配置しなければならない。これは光軸に対して反射型光学素子42を傾けて配置することを意味する。そのため出射面3bで光学系光軸から等距離にある2つの点A、Bに対応する主光線は異なる入射高さで反射光学素子42に入射する。そのため、照射領域60と光学系光軸との交点から出射面3b上の2点A、Bから光学系を通過した照射領域60上の2点までの距離A’、B’は異なってしまう。このことが新たな歪みである。
【0027】
正のパワーを有する光学系を傾けたことに起因する歪を、以下に示す2つの構成を単独あるいは組合せて補正する。第1の構成は、図11のように、照明光学系のレンズ系40を複数の互いに回転偏心しているレンズ郡で構成する方法である。このレンズ郡は1枚で回転偏心していてもよい。一部のレンズ郡を正のパワーを持つ光学系41への主光線入射高がそろうように回転偏心させることで歪を補正できる。
【0028】
第2の構成は、出射面3bをレンズ系40の光軸に対して正のパワーを持つ光学系と同一の方向に傾ける構成である。このように構成することによって、正のパワーを持つ光学系への入射高さを補正することができ、歪が補正される。さらに、図11の如く、出射面3bからレンズ系に主光線を略平行に入射させる構成を採用すると、照明光学系の構成を簡単にすることができるとともに、フォーカスがさらに向上し照射領域60とそうでない領域との区別がはっきりする(図4、図5の構成参照)。
【0029】
上述の説明から本発明の照明光学系は、画像形成素子形状に略相似な照明領域を得ることが可能になるが、DMDや正反射型の画像形成素子を用いる場合、画像形成素子への入射光と出射光の光路が重なりあうため、光路上に置かれる投写光学系と照明光学系を構成する光学素子が干渉することは明らかである。そのため画像形成素子からの出射光の主光線に所定の角度θ(画像形成素子の法線との成す角)を持たせ、投写光学系を角度つきテレセントリック光学系で構成し、光量ロスを招かないようにするのが望ましい。本発明ではこの角θをθ≧5°として干渉を防止している。
【0030】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
本発明の照明光学系の一実施形態を図4に示す。図4は画像形成素子6をDMDとして、拡大投写型ディスプレイ装置の照明光学系に本発明の照明光学系を適用した側面図である。拡大投写型ディスプレイ装置は、図4に示す如く、画像形成素子6を照明する照明光学系と、画像形成素子6と、画像形成素子6からの光束をスクリーン(図示省略)に投写する投写レンズ(投写光学系)7とから構成されている。
【0031】
照明光学系は、光源1と、この光源1からの光束を集光して仮想的な2次光源を作る集光ミラー2と、2次光源の位置に入射端面3aが位置するように配置されて2次光源からの光束の輝度分布を均一化して出射面3bから出射するライトトンネル3(輝度ムラ低減素子)と、ライトトンネル3からの出射光束を画像形成素子6であるDMDに導くアフォーカル光学系とで構成されている。
【0032】
ライトトンネル3は、画像形成素子形状が四角形なので照明領域が四角になるよう中空四角柱形状のものを用いた。ライトトンネル3の内壁は反射面になっており、ライトトンネル3に入射した光線は内部で数回繰り返し反射・進行することによってライトトンネル出射端での輝度ムラが低減する。ライトトンネル3の替わりに角柱状や円柱状、棒状のレンズ、所謂、ロッドレンズを用いてもライトトンネルと同様の効果が得られる。なお、ライトトンネルやロッドレンズの輪郭形状は画像形成素子形状に合わせればよい。
【0033】
アフォーカル光学系は第1〜第3のレンズ4a〜4cと反射ミラー5とから成り、ライトトンネル3の出射面3bを物体面としている。反射ミラー5は平面鏡であり、光路を変更するだけの機能しか持たず、アフォーカル光学系に必須の要素ではないから無くてもよい。本実施形態では光路を折り返して装置を小型にする目的で第2のレンズ4bと第3のレンズ4cの間に設けた。アフォーカル光学系の照射面(像面)には画像形成素子6としてDMDが配置される。
【0034】
アフォーカル光学系を構成する3つのレンズのうち、第1のレンズ4aは平凸レンズとし、平面側をライトトンネル3に面するようにして、光源1とライトトンネル3の中心を結ぶ光軸Oから上下方向にシフトして第1のレンズ4aの中心を光軸O上からずらして配置してある。第2のレンズ4bも平凸レンズとし、光軸Oから上下左右にシフトすると共に回転偏心させて配置している。第3のレンズ4cは凸レンズを使用し、DMDの中心点の法線から、シフトし回転偏心して設置され、反射ミラー5からの光束をDMDに照射するようになっている。DMDはアフォーカル光学系の照射面の位置に配置されている。なお、画像形成素子6のDMD、投写光学系の投写レンズ7は公知のものを用いたので説明は省略する。
【0035】
図4の構成によれば、光源1より出射された光束は、集光ミラー2に反射して仮想的な2次光源を作る。仮想的な2次光源より出射した光束は、仮想的な2次光源位置に入射端面3aを配置したライトトンネル3に入射する。ライトトンネル3に入射した光束は、ライトトンネル3の内部で複数回反射を繰り返してライトトンネル3から出射し、第1〜第3のレンズ4a〜4cを有するアフォーカル光学系に入射する。アフォーカル光学系を通過して出射した光束の主光線は平行になって、アフォーカル光学系の照射面、即ち、画像形成素子6のDMDに至る。DMDに入射した光束はDMDで反射され、投写レンズ7を経てスクリーン(図示省略)に投写される。このとき、DMDから投写レンズ7に向かう光束の主光線と照射面の法線との角度を7.78°に設定してある。
【0036】
図4に示した照明光学系の各光学素子の具体的な構成をDMDも含めて表1及び図6(a)〜(c)に示す。ここで、表1は各光学素子の具体的な位置、向きを数値で表している。図6(a)〜(c)は各光学素子の配置を模式的に示す図で、図6(a)は上面図、図6(b)は側面図、図6(c)は正面図を示している。
【0037】
【表1】
【0038】
表1の面属性欄における面番号1の「出射面」とは輝度ムラ低減素子(この実施形態ではライトトンネル3)の光線出口面(図4、図6における出射面3b)のことである。このライトトンネル3の出射面3bの中心点を原初期原点とし、この原点を通り出射面3bに垂直な軸をz軸、光線が光源1からライトトンネル3に向かう方向をz軸の「+」方向とし、出射面3bをx−y平面、z軸に直交し、且つ、互いに直交する軸をそれぞれx軸、y軸(図4において紙面に垂直な軸がx軸、紙面上の軸がy軸)とする座標系を初期の座標系(図6参照)とし、面番号順に相対的に次の原点、即ち、光学素子の面の中心座標位置を「座標変換」で表してある。座標系は右手座標系であり、表中のシフト量、回転量における「+」、「−」の符号は図6(a)〜(c)の表示に従う。
【0039】
表中、面番号「2」〜「4」は第1のレンズ4a、面番号「5」〜「10」は第2のレンズ4b、面番号「11」〜「17」は反射ミラー5、面番号「18」〜「26」は第3のレンズ4c、面番号「27」〜「34」はDMDの各配置位置と向き及び形状をそれぞれ表している。なお、面番号「32」、「33」の「平面」は、DMD表面に設けたカバーガラスを意味している。
【0040】
「面間距離」はその面番号の面から次の面までのz軸方向の距離(単位はmm)を表している。言い換えれば、面番号の面から次の面まで座標系をz軸方向の平行移動した(或いは平行移動させる)距離である。例えば、面番号「1」の面間距離はこの面番号の面(出射面3b)から面番号「3」の平面までのz軸に沿った平行移動距離、面番号「3」の面間距離は面番号「3」の平面から面番号「4」の球面までのz軸に沿った平行移動距離、面番号「4」の面間距離は面番号「4」の球面から面番号「9」の平面までのz軸に沿った平行移動距離を表している。以下の面間距離についても同様である。
【0041】
シフト量の欄における「x軸方向」、「y軸方向」は光学素子の面の座標原点が、その面の前の面番号で決まった原点の位置からのx軸方向、y軸方向へのシフト量(単位はmm)を示している。例えば、第1のレンズ4aの例では、面番号「1」における出射面の面間距離が5.3mmで、面番号「2」における座標変換のシフト量がx軸方向で−2.18mm、y軸方向で0.86mmであるから、ライトトンネル3の出射面3bの中心を座標原点とし、出射面3bに垂直な軸をz軸、出射面3bをx−y平面、水平方向をx軸、垂直方向をy軸とした座標系において、出射面3bからz軸方向に5.3mm、x軸方向に−2.18mm、y軸方向に0.86mmの位置に第1のレンズ4aの光線入力面、即ち、面番号「3」の平面の中心があることを表している。また、面番号「3」の面属性が平面、平面の面間距離が10mm、面番号4の面属性が球面で、球面の曲率半径が−12mmであるから、第1のレンズは平凸レンズで、光線入射側の面すなわちライトトンネル3に面した面が平面(面番号の若い方の面を光線入射側としている)、光線出射側が凸面で、平面(面番号「3」)と球面(面番号「4」)の中心間の距離が10mmであることを表している。
【0042】
尚、曲率半径を「−」で表記してあるのは、面の属性が座標変換なので、曲率半径自体の定義がないため、「−」で表記してある。仮想面については全て「−」と表記するのが正しい。
【0043】
回転量欄の「x軸中心」、「y軸中心」、「z軸中心」はそれぞれ光学素子を回転させる時の回転軸を意味している。例えば面番号「1」の場合、x軸中心とy軸中心が0、z軸中心が21.4°であるから、出射面、即ち、ライトトンネル3をz軸を回転軸として図6(c)の正面図において反時計回りに21.4°回転していることを示している。
【0044】
座標変換は面番号の若い順に、(1)z軸上平行移動(面間距離の移動)、(2)x軸上平行移動(xシフト量)、(3)y軸上平行移動(yシフト量)(4)z軸中心の回転、(5)y軸中心の回転、(6)x軸中心の回転、の順序で行われる。
【0045】
この座標変換によれば第2のレンズ4bの例では(面番号「5」〜「10」)、面番号「4」の球面(第1のレンズ4aの光線出射面)における面間距離が18mm、面番号「5」の座標変換におけるシフト量がx軸方向が1.3mm、y軸方向が−0.6mm、面番号「6」のシフト量がx軸方向が0.5mm、y軸方向が−1mmなので、面番号「9」における平面(第2のレンズ4bの光線入力面)の中心(座標原点)は、球面(面番号「4」)の座標系(面番号「1」〜「3」における座標変換を経た後の座標系。座標原点は球面の中心にあり、z軸は球面に垂直。)の原点(球面(面番号「4」))からz軸上を18mm移動し、x軸方向に1.3mm、y軸方向に−0.6mm(面番号「5」)移動した点からさらに、x軸方向に0.5mm、y軸方向に−1mm移動(面番号「6」)した位置にある。また、面番号「7」、「8」の座標変換における回転量がy軸中心で−5.2°、x軸中心で11.7°であるから、球面(面番号「4」)の座標系を上記平面(面番号「9」)の座標原点の位置まで原点を平行移動して出来た座標系をy軸を回転の中心軸として−5.2°回転し(面番号「7」)、さらにx軸を回転の中心軸として11.7°回転(面番号「8」)した座標系が平面(面番号「9」)の座標系となる。この座標系のx−y平面が面番号「9」の平面となり、初期の座標系に対する平面(面番号「9」)の中心位置と傾きが定まる。面番号「10」の球面(光線出射面)の中心(曲率の中心ではない)は、平面(面番号「9」)における面間距離が10mmなので、平面(面番号「9」)の座標系においてz軸方向に座標原点(平面(面番号「9」)の中心)から10mmの位置になる。なお、平面(面番号「9」)の座標系のz軸が第2のレンズ4bの光軸になる。
【0046】
平面(面番号「9」)の座標系をz軸に沿って10mm平行移動し、球面(面番号「10」)の中心に座標原点を移した座標系(球面(面番号「10」)の座標系)が、次の光学素子、この実施形態では反射ミラー5の位置と向き、即ち、反射ミラー5の座標系を決めるために座標変換を行う出発の座標系となる。
【0047】
反射ミラー5(面番号「11」〜「17」)の例では、面番号「10」の球面(第2のレンズ4bの光線出射面)における面間距離が0mm、面番号「11」の座標変換における回転量がx軸中心で−11.7°、面番号「12」の座標変換における回転量がy軸中心で5.2°、面番号「13」の座標変換におけるシフト量がx軸方向が−0.5mm、y軸方向が1mmなので、取敢ずz軸方向の座標原点の移動は行わず、先ず、球面(面番号「10」)の座標系において、x軸を回転の中心軸として−11.7°回転し(面番号「11」)、y軸を回転の中心軸として5.2°回転する(面番号「12」)。この回転操作の座標変換により得られた座標系の各座標軸は初期の座標系の対応する各座標軸に平行な座標系になる。この後、この座標系(面番号「11」、「12」の回転操作により座標変換した座標系)において、座標原点(球面(面番号「10」の中心にある)をx軸方向に−0.5mm、y軸方向に1mm(面番号「13」)平行移動して出来た座標系を仮想面(面番号「17」)の座標系とし、この座標系のx−y平面を仮想面(面番号「17」)に設定する。座標原点は仮想面(面番号「17」)の中心となる。
【0048】
仮想面(面番号「17」)における面間距離が40mm、面番号「15」の座標変換における回転量がy軸中心で−34°、面番号「16」の座標変換における回転量がx軸中心で15°であるから、仮想面の座標系において、座標原点をz軸上で40mm移動して座標系を平行移動した後、座標軸をy軸を回転中心軸として−34°、x軸を回転中心軸として15°順次回転して得られた座標系が反射ミラー5の座標系となる。この座標系のx−y平面が反射ミラー5の反射面、座標原点が反射ミラー5の中心であり、反射ミラー5の位置と向きが定まる。
【0049】
以上、第2のレンズ4bと反射ミラー5を例に、表1の座標変換について説明したが、他の光学素子の面についても表1の表記に従って上記と同様にして座標変換すればよい。
【0050】
本実施形態で得られた画像形成素子上の照明状態を図12、図13(a)(図12と同一の図である)に示す。また、画像形成素子上の照度分布を図13(b)に示す。図12に示すように、画像形成素子サイス゛と照射領域60をほぼ同一にすることができ、歪みのない均一な照度分布が得られた。なお、図12、図13(a)における画像形成素子周辺の曲線は等照度曲線を示している。
【0051】
図13(b)は、画像形成素子上における図13(a)で示すA−A、B−B上の照度分布を示す図である。図中、縦軸は照度、横軸は画像形成素子上の位置を示し、曲線13aはA−A上の照度分布を示す曲線、曲線13bはB−B上の照度分布を示す曲線である。図13(b)によれば、画像形成素子は均一な照度で照明されていることが分かる。
【0052】
(第2の実施の形態)
本発明の照明光学系の第2の実施形態を図5に示す。図5は画像形成素子6をDMDとして、拡大投写型ディスプレイ装置の照明光学系に本発明の照明光学系を適用した側面図である。拡大投写型ディスプレイ装置は、図5に示す如く、画像形成素子6を照明する照明光学系と、画像形成素子6と、画像形成素子6からの光束をスクリーン(図示省略)に投写する投写レンズ7、所謂、屈折型結像光学系の投写光学系とから成る。照明光学系は、光源1と、この光源1からの光束を集光して仮想的な2次光源を作る集光ミラー2と、仮想的な2次光源の位置に入射面3aが位置するように配置されて仮想的な2次光源からの光束の輝度分布を均一化して出射面3bから出射するライトトンネル3(輝度ムラ低減素子)と、ライトトンネル3からの出射光束を画像形成素子6であるDMDに導くアフォーカル光学系とで構成されている。
【0053】
照明光学系に用いたアフォーカル光学系は、図5に示すように、第1のレンズ4aと第2のレンズ4bの2つの屈折型光学素子および反射ミラー5で構成している。反射ミラー5は第1の実施形態の場合と同様、平面鏡であり、光路を変更するだけの機能しか持たず、アフォーカル光学系に必須の要素ではないから無くてもよい。本実施形態では光路を折り返して装置を小型にする目的で第1のレンズ4aと第5のレンズ4bの間に設けた。アフォーカル光学系の照射面には画像形成素子6としてDMDが配置される。この実施形態においては、θは7.8°であり、画像形成素子上の照明状態は図14のように、画像形成素子サイス゛と照射領域をほぼ同一にすることができ、歪みのない均一な照度分布が得られた。なお、図14における画像形成素子周辺の曲線は等照度曲線を示している。
【0054】
図5に示した照明光学系の各光学素子の具体的な構成はDMDも含めて表2に示す。
【0055】
【表2】
【0056】
表2の面属性欄における面番号1の「出射面」は、第1実施形態の場合と同様、輝度ムラ低減素子(ライトトンネル3)の光線出口面(出射面3b)のことである。また、このライトトンネル3の出射面3bの中心点を原初期原点として初期の座標系を設定するのも第1実施形態の場合と同様である。
【0057】
表中、面番号「2」〜「4」は第1のレンズ4a、面番号「5」〜「8」は反射ミラー5、面番号「9」〜「17」は第2のレンズ4b、面番号「18」〜「25」はDMDの各配置位置と向き及び形状をそれぞれ表している。なお、面番号「23」、「24」の平面は、DMD表面に設けたカバーガラスを意味している。
【0058】
(第3の実施の形態)
本発明の照明光学系を用いた拡大投写型ディスプレイ装置の第3の実施形態を図15に示す。本実施形態は、アフォーカル光学系に1枚の正のパワーを持つ反射ミラーを用いた構成例である。この拡大投写型ディスプレイ装置は、図15に示す如く、画像形成素子6を照明する照明光学系と、画像形成素子6と、画像形成素子6からの光束をスクリーン(図示省略)に投写する投写レンズ7とから成る。照明光学系は、光源1と、この光源1からの光束を集光して仮想的な2次光源を作る集光ミラー2と、仮想的な2次光源の位置に入射面3aが位置するように配置されて仮想的な2次光源からの光束の輝度分布を均一化して出射面3bから出射するライトトンネル3(輝度ムラ低減素子)と、ライトトンネル3からの出射光束を画像形成素子6であるDMDに導くアフォーカル光学系とで構成されている。
【0059】
照明光学系に用いたアフォーカル光学系は、図15に示すように、第1のレンズ4aと第2のレンズ4bの2つの屈折型光学素子および正のパワーを持つ反射ミラー4dと光路折り曲げ用の反射ミラー5で構成している。反射ミラー5は凸面鏡を用いた。アフォーカル光学系の照射面には画像形成素子6としてDMDが配置される。この実施形態においては、θは7.8°であり、画像形成素子上の照明状態は図16のように、画像形成素子サイス゛と照射領域をほぼ同一にすることができ、歪みのない均一な照度分布が得られた。なお、図16における画像形成素子周辺の曲線は等照度曲線を示している。なる。
【0060】
図15に示した照明光学系の各光学素子の具体的な構成をDMDも含めて表3に示す。
【0061】
【表3】
【0062】
表3の面属性欄における面番号1の「出射面」は、第1実施形態の場合と同様、輝度ムラ低減素子(ライトトンネル3)の光線出口面(出射面3b)のことである。また、このライトトンネル3の出射面3bの中心点を原初期原点として初期の座標系を設定するのも第1実施形態の場合と同様である。
【0063】
表中、面番号「2」〜「4」は第1のレンズ4a、面番号「5」〜「9」は第2のレンズ4b、面番号「10」〜「15」は反射ミラー5、面番号「16」〜「23」は正のパワーを持つ反射光学素子4d、面番号「24」〜「31」はDMDの各配置位置と向き及び形状をそれぞれ表している。なお、面番号「29」、「30」の平面は、DMD表面に設けたカバーガラスを意味している。
【0064】
(第4の実施の形態)
本実施の形態は、照明光学系に非球面光学素子を含む拡大投写型ディスプレイ装置の例である。この拡大投写型ディスプレイ装置は、画像形成素子を照明する照明光学系と、画像形成素子と、画像形成素子からの光束をスクリーンに投写する投写レンズとから成るのは上記3つの実施形態と同じである。本実施形態の拡大投写型ディスプレイ装置は、図15において、反射ミラー5を非球面反射ミラーに替えた構成になっていて、この他は第3実施形態と同じ構成である。この装置における照明光学系の各光学素子の具体的な構成をDMDも含めて表4に示す。画像形成素子上の照明状態は図17のようになった。
【0065】
【表4】
【0066】
尚、表4における面番号16のシリンダーとはかまぼこ形状のことで、面番号16の面はy−z平面(面番号16の面の座標系)に平行な任意の面で切った断面が非球面を表す式を満足しているということである。また、非球面とは通常の非球面の式(上記「課題を解決するための手段」の欄に記載の式(1)〜(3))で表記される面のことである。
【0067】
表の見方は上記3つの実施形態と同じである。表中、面番号「2」〜「4」は第1のレンズ4a、面番号「5」〜「9」は第2のレンズ4b、面番号「10」〜「16」は非球面反射ミラー、面番号「16」〜「25」は正のパワーを持つ反射光学素子4d、面番号「26」〜「33」はDMDの各配置位置と向き及び形状をそれぞれ表している。なお、面番号「31」、「32」の平面は、DMD表面に設けたカバーガラスを意味している。
【0068】
この実施形態では反射ミラーを非球面光学素子としたが、反射ミラーに限らず、非球面光学素子に非球面レンズを用いてもよい。
【0069】
(第5の実施の形態)
本実施の形態は、投写光学系に工夫を加えて投写画像の照度ムラを低減した拡大投写型ディスプレイ装置の例である。
【0070】
拡大投写型ディスプレイ装置は、画像形成素子を照明する照明光学系と、画像形成素子と、画像形成素子からの光束をスクリーンに投写する投写光学系とから成るのは上記の実施形態と同じである。照明光学系が、光源と、この光源からの光束を集光して仮想的な2次光源を作る集光ミラー仮想的な2次光源の位置に入射端面が位置するように配置されて仮想的な2次光源からの光束の輝度分布を均一化して出射面から出射するライトトンネル(輝度ムラ低減素子)と、ライトトンネルからの出射光束を画像形成素子であるDMDに導くアフォーカル光学系とで構成されているのも上記4つの実施形態と同じである。本実施形態においては、図4に示す構成の照明光学系、即ち、第1の実施形態と同じ照明光学系を用いた。
【0071】
投写光学系はテレセントリックな屈折型結像光学系(投写レンズ)を用い、この屈折型結像光学系中に用いられている絞りの中心を、屈折型結像光学系の光軸(図18のL1)から偏心(図18中、偏心量h)させた構成になっている。かかる構成によって、投写画像の照度ムラが低減され、高輝度の投写画像が得られる。この投写光学系の具体例を図18に示す。
【0072】
図18に示すように、投写レンズは、スクリーン側から順に第1レンズ群G1〜第4レンズ群G4から成る計14枚のレンズと平行平面ガラスG5とから構成されている。第2レンズ群G2と第3レンズ群G3の間に絞りSが設けられている。この絞りの中心は投写レンズの光軸L1からhだけ偏心している。投写レンズを構成するレンズ群G1〜G4における各レンズのデータは表5に示す通りである。
【0073】
【表5】
【0074】
なお、表中では、最もスクリーンに近い屈折面から順に面番号iを付しており、d線(波長587.6nm)に対する屈折率が示された番号の屈折面とその次の屈折面とによって1つの光学要素が構成される。面間隔d(単位mm)は対応する番号の屈折面と次の屈折面とのレンズ厚み若しくは空気間隔を示している。なお、最終面の面間隔は平行平面ガラスから画像形成素子までの距離である。
【0075】
第1レンズ群G1は、スクリーン側に凸面を向けた凸メニスカスレンズG11、画像形成素子側に凹面を向けた凹メニスカスレンズG12、凹レンズG13の計3枚のレンズで構成されている。第2レンズ群G2は、画像形成素子側に凸面を向けた凸メニスカスレンズG21とスクリーン側に凹面を向けた凹メニスカスレンズG22の接合レンズと、凸レンズG23とで構成されている。第3レンズ群G3は、凹レンズG31と凸レンズG32の接合レンズで構成されている。第4レンズ群G4は、凹レンズG41、画像形成素子側に凸面を向けた凸メニスカスレンズG42、凹レンズG43と凸レンズG44の接合レンズ、画像形成素子側に凸面を向けた凸メニスカスレンズG45と凸レンズG46で構成されている。凹レンズG43と凸レンズG44の接合レンズはその凹面をスクリーン側に向けて配置されている。
【0076】
投写レンズは、フォーカス時に面番号6における面間隔d6が変化して第1レンズ群G1が光軸L1に沿ってスクリーン側と画像形成素子側とに進退する。第1レンズ群G1以外の他のレンズ群G2〜G4は固定されている。変倍時においては、面番号11、15における面間隔d11、d15が変化して第2レンズ群G2、絞りS1、第3レンズ群G3が光軸L1に沿って移動する。絞りSは光軸L1に対して垂直方向に偏心しており、絞りSの開口中心から光軸L1までの距離hを絞り偏心量として示している。投写距離を無限遠とした時の広角端、標準、望遠端における全系の焦点距離、fナンバー、可変面間隔を表6に示す。
【0077】
【表6】
【0078】
投写距離無限遠時のレンズ系全長L、絞り偏心量h1、各レンズ群G1〜G4の焦点距離f1〜f4、広角端における全系の合成焦点距離fwはそれぞれ
L=139.5mm
h=4.5mm
f1=−34.97mm
f2=37.24mm
f3=125.91mm
f4=49.03mm
fw=28.58mm
である。
【0079】
上記第1〜第5の実施形態では投写光学系として投写レンズ(屈折型結像光学系)を用いたが、この投写レンズに替えて1枚或いは複数枚の反射ミラーで構成した反射型結像光学系で投写光学系を構成してもよい。また、上記何れの実施の形態も画像形成素子6にDMDを用いた例であるが、例えば反射型液晶ライトバルブ、透過型液晶ライトバルブ等、DMD以外の画像形成素子を用いて拡大投写型ディスプレイ装置を構成しても上記実施形態と同様の効果が得られる。
【0080】
(第6の実施の形態)
本発明の照明光学系を用いた拡大投写型ディスプレイ装置の第6の実施形態を図19に示す。本実施形態は、投写光学系に反射型結像光学系を用いた例である。
【0081】
図19に示す如く、拡大投写型ディスプレイ装置は、画像形成素子6と、画像形成素子6を照明する照明光学系11と、画像形成素子6からの出射光束をスクリーン(図示省略)に投写する投写光学系とから成る。画像形成素子6と照明光学系11は第1の実施形態と同じものを用い、同じ配置になっている。
【0082】
投写光学系は4枚の反射鏡から成るテレセントリック反射型結像光学系から成る。投写光学系を構成するテレセントリックな反射型結像光学系は、回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第1の反射鏡7aと、第1の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第2の反射鏡7bと、第2の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第3の反射鏡7cと、第3の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第4の反射鏡7dの4つの反射鏡から構成され、反射鏡7a、7b、7c、7dで順次反射された光束の光路がジグザグになるように反射鏡が配置されて、第4の反射鏡7dで反射された光束が投写スクリーン(図示省略)に拡大投写される構成のテレセントリックな反射型結像光学系である。この反射型結像光学系の結像面にはDMDで構成された反射型の画像形成素子6が配置されている。
【0083】
反射鏡7a〜7dの反射面形状(回転対称非球面形状)は、図20に示すように、光軸をz軸、z軸に垂直な平面をx−y平面(図中4つの頂点A、B、C、Dが張る平面)、z軸とx−y平面との交点を原点O、原点Oで交わりx−y平面上の互いに直交する軸をx軸、y軸に座標軸を設定すると、下記の(1)式〜(3)式を満足する形状になっている。
【0084】
ρ2=x2+y2 (2)
c=1/r (3)
ここで、αi(i=1、2、・・・、8)は補正係数、rは反射面の曲率半径、kは円錐係数である。
【0085】
上記の式を満足する反射面形状を持つ反射鏡はz軸が中心を通る曲面α(図20における点a、b、c、dが張る曲面)を反射面とした反射鏡でも、或いは、z軸が中心を通らない、所謂オフセット型の曲面β(図20における点a’、b’、c’、d’が張る曲面)を反射面とした反射鏡でもよい。本実施の形態ではオフセット型を採用している。
【0086】
各反射鏡間の空間的位置関係は、反射面形状を定める各反射鏡の座標系の原点が同一平面上にあるように配置するが、反射面形状とは異なり、単純な関係式で表現するのが難しいので、反射面形状を定める上記の(1)式〜(3)式と画像形成素子6への主光線の入射角、画像形成素子6から出射する光束の開き角や光学系の空間的大きさの制限、反射型結像光学系と組み合わせる画像形成素子6(液晶表示素子やDMD等)の種類とサイズ、画面投写位置等の設計仕様を基に、公知の光線追跡シミュレーションにより反射面形状と共に反射鏡7a〜7dの配置位置を決定する。この時、反射型結像光学系の光軸(図22のA−A軸、即ちZ軸)とスクリーン(図22参照)到達光線の角度、所謂、半画角が40°以上90°未満で、且つ、画像形成素子6から反射型結像光学系(投写光学系)への主光線角度θ(画像形成素子6から出射する主光線と画像形成素子の法線との成す角度(図1参照))を5°以上にする。主光線角度が5°以下の場合、画像形成素子6から反射型結像光学系への光線と照明光学系が干渉して光線のケラレが発生するので、主光線角度θを5°以下とするのは望ましくない。主光線角度θの上限は特にないが、反射型結像光学系を組み込む拡大投写型ディスプレイ装置の大きさによって上限は決まる。反射鏡間の上下方向の間隔が広がりすぎずにコンパクトにおさめ、小型化を図るためには、主光線角度の上限を20°前後にとどめるのがよい。
【0087】
光線追跡シミュレーションにより各反射鏡間の空間的位置関係を求める手順は、図21に示すように、先ず、画角、画面サイズ、光学系の空間的大きさ、画像形成素子の種類と大きさ、画面投写位置等の設計仕様を定める(ステップS1)。次いで、設計仕様に基づいて、光学系の種類(テレセントリック系か否かを決める。本発明ではテレセントリック系を選択)、反射鏡数(本実施形態では4枚)、光軸シフト量等、設計構想を決める(ステップS2)。ステップS1、ステップS2の情報を基に、絞り位置、反射鏡の空間的配置の概略(各反射鏡が相互に干渉して反射光線の一部が遮蔽されることがないように配置)、反射鏡の形状決定方程式(本発明は上記(1)式〜(3)式を用いる)、光線追跡に必要な光学系要素の初期値等の初期データを作成する(ステップS3)。初期データを基に光線追跡シミュレーションを行い、各反射鏡の大きさ、空間的位置、傾き角度等を決定する。なお、光線追跡シミュレーションに当たっては、公知の方法を用いた。本発明者は市販の光学系設計ソフトウェアを用いて光線追跡シミュレーションを行った。光線追跡シミュレーションにおいては、先ず、光線追跡により(1)式〜(3)式におけるx、yの取り得る範囲、αi、r、kをはじめとし、各反射鏡の大きさ、空間的位置、傾き角度等を決めるパラメータの値を算出する(ステップS4)。このステップS4の結果を基にMTF、公差、湾曲、収差、反射鏡の有効光束マージン等の性能評価を行い(ステップS5)、評価結果が設計仕様を満足するまでパラメータの算出・性能評価を繰り返し、反射鏡の形状と空間位置を決定する。
【0088】
上記の手順に基づいて4枚の各反射面形状を最適化することにより、テレセントリック光学系における広画角化及び小型化に好適な反射鏡形状を得る。得られた結果の一例を図22及び表7に示す。また、投写光学系を最適化された回転対称非球面形状の反射鏡から成るテレセントリックな反射結像光学系で構成することによって、広い画角が実現され、且つ、各反射鏡の間隔も小さくなり、装置の小型化が可能になる。さらに、反射結像光学系を構成する反射鏡が回転対称非球面形状の場合、加工がしやすく、樹脂化に対応でき、安価な反射型結像光学系に実現が可能となる。
【0089】
【表7】
【0090】
図22は反射鏡の配置を示す概略図、表7は反射鏡及びその配置を示す各パラメータの具体的な数値を示す表である。
【0091】
図22において、画像形成素子6と4枚の反射鏡7a〜7dとから成る光学系の座標系(座標軸を大文字で表す)は画像形成素子6の光軸A−AをZ軸、Z軸に交わり紙面に垂直な軸をX軸、Z軸と垂直に交わり紙面に平行な軸(紙面上の軸)をY軸とし、図の右方向をZ軸の正の方向、左方向をZ軸の負の方向、図の上方をY軸の正の方向、図の下方、Z軸より下をY軸の負の方向、紙面表面から裏面に向かう方向をX軸の正の方向に設定し、紙面がY−Z平面になっている。座標原点は何処に設定してもよいが、便宜上Z軸と画像形成素子6の交点を座標原点としている。
【0092】
表7の「No」は反射鏡7a〜7d及び画像形成素子6を識別するための番号を示しており、「0」は画像形成素子6を、「1」は第1の反射鏡7aを、「2」は第2の反射鏡7bを、「3」は第3の反射鏡7cを、「4」は第4の反射鏡7dを表している。「dj」は反射鏡間の距離を表しており、画像形成素子の欄、即ち、No.0の欄のdjは図22に示したd0を表し、画像形成素子6から第1の反射鏡7aまでの距離を示している。同様にして、No.1の欄、即ち、第1の反射鏡の欄のdjは図22に示したd1を表し、第1の反射鏡7aから第2の反射鏡7bまでの距離を示している。以下、同様である。No.4の欄(第4の反射鏡の欄)のdj、即ち、d4は第4の反射鏡7dからスクリーン9までの距離を示している。
【0093】
図22、表7における各パラメータ、即ち、反射鏡7a〜7dの曲率半径r、画像形成素子6と第1の反射鏡7aとの距離d0、反射鏡間の距離d1〜d3、第4の反射鏡7dからスクリーン9までの距離d4、及びZ軸(画像形成素子の光軸A−A)から反射鏡7a〜7dの座標原点(反射鏡面形状を定義する座標原点、即ち反射鏡面形状を計算する際の座標の原点)までの距離X、Yの単位は「mm」である。反射鏡7a〜7dの回転角aの単位は「度」で、反射鏡の反射面形状を定義する座標系(座標軸は小文字で表す)の座標軸x、y、zが光学系の座標軸X、Y、Zに平行な状態(y軸がZ軸(光軸A−A)に垂直な状態)を基準にしてx軸を回転軸として図中右回り(時計回り)回転を「+」、左回り(反時計回り)回転を「−」とした。上記以外の各パラメータ(円錐係数k、補正係数α1〜α7)は無名数である。距離dj(j=0〜4、即ち、図中のd0、d1、d2、d3、d4)は、各反射面形状を定義する座標の原点間を光軸A−A(Z軸)に平行に測った距離、即ち、各反射面形状を定義する各座標の原点のZ座標間の間隔、Xは各反射面形状を定義する座標の原点を光軸A−A(Z軸)からX軸方向に光軸A−A(Z軸)に垂直に測った距離、Yは各反射鏡面形状を定義する座標の原点を光軸A−A(Z軸)からY軸方向に光軸A−A(Z軸)に垂直に測った距離である。図22の例では、反射鏡はオフセット型としたのでその反射鏡の座標原点は反射鏡の中心からずれた位置にあり、距離dj(j=0〜4)は、各反射鏡面形状を定義する各座標の原点の相対的なZ座標が分かればよい(X座標とY座標は不要)ので、図では各反射鏡面形状を定義する各座標の座標原点のZ座標の位置は示しているが、X座標、Y座標の位置は明示していない。反射鏡3dは左回転させたものであるが、オフセット型の反射鏡面形状の関係で見かけ上右回転したように描かれている。反射鏡の大きさは任意で、上記の反射鏡位置関係において光線が遮られないように大きさを設定すればよい。
【0094】
図19において、光源より発せられた光束は照明光学系11の照射面(反射型結像光学系の結像面でもある)に配置された画像形成素子6に入射し、画像に応じた光強度分布に空間変調されて反射して反射型結像光学系に入射する。反射型結像光学系に入射した光束は、第1の反射鏡7a、第2の反射鏡7b、第3の反射鏡7c、第4の反射鏡7dで順次反射・拡大され、第4の反射鏡で反射された光束は投写スクリーン(図示省略)上に拡大投影される。このときの投写画像の投影画角は140°以上の広画角であった。
【0095】
反射型結像光学系はテレセントリックな光学系で、主光線は画像形成素子6の法線に対し図23に示すように所定の角度θを持つ。光束の主光線8に対する光束の開き角ψ(通常、NA及びFNOに相当する)を持った光束が画像形成素子6に入射し、反射するときに画像形成素子6の法線に対して主光線が角度θを持つことで照明部の光学部品との干渉をなくし、ケラレ等発生させることなく光学系を構成することが出来る。また照明光学系をアフォーカル光学系にすることにより照射面での歪をなくし、照明効率も向上する。しかも画像形成素子が透過型でも反射型でも同一の反射型結像光学系で拡大投写型ディスプレイ装置等のディスプレイ装置を構成できる。
【0096】
反射型結像光学系では光束が主光線角度θを持つことにより、一般的には投影画面の下側が狭くなり、上側は広がるといった扇形の歪曲収差が必然的に発生する。しかも広画角化にともなってそれはより顕著となる。本実施形態は回転対称非球面形状を持つ反射鏡4枚の構成で歪曲収差を良好にし、各光学部品が比較的大きくなり、高価になるというテレセントリック光学系の欠点を、回転対称非球面形状の反射鏡を使用することで各反射鏡の加工上の精度を緩和し、比較的大型の反射鏡でもプラスチック化を可能にして反射鏡の樹脂化によりコスト低減を実現した。また、反射面が回転対称非球面形状であるため各反射鏡間隔を150mm以下と小さくでき、装置がコンパクトになった。
【0097】
拡大投写型ディスプレイ装置に適用した場合はその光源からの熱影響を考慮する必要がある。そのため、特に図19における反射鏡7bにおいては、画像形成素子6の近くに配置されるので熱の影響を受け易いから画像歪を抑制する上でその材質の線膨張係数αを
α<6×10-5
に抑えることが望ましい。
【0098】
(第7の実施の形態)
本発明の照明光学系を用いてスクリーンと一体化した背面投写型のディスプレイ装置を構成した例を図24に示す。図24の背面投写型ディスプレイ装置は、照明光学系11と、透過型画像形成素子6aと、反射型結像光学系70から成る投写光学系と、平面反射鏡12a、12bと、透過型スクリーン9とから構成されている。照明光学系11と透過型画像形成素子6aおよび反射型結像光学系70の第1の反射鏡7aは一直線上にあり、反射型結像光学系70の結像面(照明光学系の像面でもある)に透過型画像形成素子6aが配置されている。照明光学系11は第1の実施形態のものと同じ照明光学系である。また、投写光学系を構成する反射型結像光学系70は第6の実施形態のものと同じテレセントリックな反射型結像光学系を用いた。
【0099】
照明光学系11の光源より発せられた光束は透過型液晶ライトバルブに代表される透過型画像形成素子6aに入射する。透過型画像形成素子6aを透過した光束はその主光線に対する開き角を持ったままテレセントリックな反射型結像光学系70から成る投写光学系に入射する。反射型結像光学系70は図19に示した回転対称非球面形状を持つ4枚の反射鏡7a〜7dで構成されて、反射型結像光学系70から出射した光束は、照度が均一で広画角になっている。反射型結像光学系70を出射した光束は、反射型結像光学系70の出射側の反射鏡3dに対向して反射面を垂直に配置した平面反射鏡12aと、平面反射鏡12aの上方に反射面を下に向けて反射面を水平に配置(平面反射鏡12aに垂直に配置)した平面反射鏡12bとで順次反射し、平面反射鏡12aに平行に配置した透過型スクリーン9に拡大投射される。
【0100】
図24に示すように、反射型結像光学系70に対して透過型スクリーン9および平面反射鏡12a、12bを配置すると、空間的に少ないスペースでスクリーン9に拡大投射できる。特に、平面反射鏡12bを画像形成素子6aの法線に対して平行に配置・構成することにより、透過型スクリーン9を観察する観察者の視界より装置全体を見えなくすることができる。また、照明光学系11は、図4に示すように、光路折り返し用の反射ミラーを有するものを用いており、ディスプレイ装置の奥行きを小さくできる利点がある。
【0101】
上記第6、第7の実施の形態は反射型結像光学系70の第3の反射鏡7cに回転対称非球面形状の凹面鏡を用いた例であるが、第3の反射鏡7cを回転対称非球面形状の凸面鏡としても回転対称非球面形状の凹面鏡の場合と同様の効果が得られる。また、第6、第7の実施の形態は投写光学系にテレセントリックな反射結像光学系を用いたが、テレセントリックな反射結像光学系に替えて通常の反射光学系、例えば、極端な例だが、反射鏡1枚、或いは、複数枚で光路を折り返すように構成してもよい。
【0102】
【発明の効果】
本発明は、照明光学系に、正のパワーを有する最終段の結像光学素子を含む2以上の光学素子によって構成され、それら2以上の光学素子の少なくとも一つが輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置されているアフォーカル光学系を含むことによって、キーストーン歪や、光路折り返し用の反射光学素子を用いたことによる歪の発生を抑制でき、画像形成素子サイズと照射領域をほぼ同一にできた。また、輝度ムラ低減素子の出射面の輝度分布を保ったまま高い照度で均一な照度分布の矩形照射領域を形成でき、光利用効率が向上した。さらに、アフォーカル光学系を構成する光学素子に、光路を折り返す機能とアファーカル光学系を構成する機能とを兼ね備えた1つの反射型光学素子を用いれば、装置全体の小型化が可能になる。
【0103】
画像形成素子の任意の点から出射する光束の主光線と、画像形成素子の法線とのなす角度θ(図1、2、3参照)が5°以上となる入射角度で画像形成素子に光を入射させることで、照明光学系と投写光学系の干渉を無くすことができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 DMDから成る画像形成素子に入・出射する光束及び主光線の様子を示す図。
【図2】 正反射型画像形成素子に入・出射する光束及び主光線の様子を示す図。
【図3】 透過型画像形成素子に入・出射する光束及び主光線の様子を示す図。
【図4】 第1の実施形態の斜視図。
【図5】 第2の実施形態の斜視図。
【図6】 光学素子の配置と座標軸の関係を模式的に示す図。
【図7】 従来の照明光学系により斜め方向から画像形成素子を照射する様子を示す概略図。
【図8】 従来の照明光学系による画像形成素子上の照明状態を示す図。
【図9】 キーストーン歪補正の基本的な考え方を示す概略図。
【図10】 正のパワーを持つ反射型光学素子を用いた時に歪が発生する様子を示す図。
【図11】 歪補正の基本的な考え方を示す概略図。
【図12】 第1の実施形態における画像形成素子上の照明状態を示す図。
【図13】 第1の実施形態における画像形成素子上の照度分布を示す図。
【図14】 第2の実施形態における画像形成素子上の照明状態を示す図。
【図15】 第3の実施形態の斜視図。
【図16】 第3の実施形態における画像形成素子上の照明状態を示す図。
【図17】 第4の実施形態における画像形成素子上の照明状態を示す図。
【図18】 第5の実施形態で用いた投写光学系の概略図。
【図19】 第6の実施形態の概略図。
【図20】 第6の実施形態の投写光学系で用いた反射鏡の形状と座標軸との関係を示す図。
【図21】 反射鏡形状と配置を決定する手順を示す流れ図。
【図22】 各反射鏡の位置関係及び反射面形状の各パラメータを示す図。
【図23】 画像形成素子と反射型結像光学系の部分拡大図。
【図24】 第7の実施形態の概略図。
【符号の説明】
1 光源
2 集光ミラー
3 ライトトンネル(輝度ムラ低減素子)
3a 入射端面
3b 出射面
4a 第1のレンズ
4b 第2のレンズ
4c 第3のレンズ
4d 正のパワーを持つ反射光学素子
40 レンズ系
41 正のパワーを持つ光学系
42 正のパワーを持つ反射型光学素子
5 反射ミラー
6 画像形成素子
6a 透過型画像形成素子
60 照射領域
7 投写レンズ
7a 第1の反射鏡(凹面鏡)
7b 第2の反射鏡(凸面鏡)
7c 第3の反射鏡(凹面鏡又は凸面鏡)
7d 第4の反射鏡(凸面鏡)
70 反射型結像光学系
8 主光線
8a 入射光束
8b 出射光束
9 スクリーン
10 画像形成素子の法線
11 照明光学系
12a 平面反射鏡
12b 平面反射鏡
13a 照度分布を示す曲線
13b 照度分布を示す曲線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an enlarged projection display apparatus that enlarges and projects an image provided by an image forming element such as a liquid crystal light valve or DMD (Digital Micromirror Device (registered trademark of Texas Instruments)) on a screen. The present invention also relates to an illumination optical system used for an enlarged projection display device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, various enlargement projection type display apparatuses that enlarge and project an image provided by an image forming element such as a liquid crystal light valve or DMD onto a screen have been proposed. In recent years, in such an enlarged projection display device, with the improvement in performance, the amount of light flux reaching the screen is small, that is, improvement in light utilization efficiency is required. In particular, the need for an enlarged projection type display device using DMD as an image forming element is increasing.
[0003]
As an illumination optical system for an enlarged projection display device using DMD as an image forming element, a small and highly efficient illumination optical system using a reflective optical element is disclosed in WO98 / 029773. The illumination optical system described in this publication is configured such that light emitted from an arc lamp of a white light source enters a DMD at a high angle through a condenser lens and a spherical mirror.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the illumination optical system described in the above publication does not correct the keystone distortion or the like, and no means is taken to resemble the shape of the irradiation region with the shape of an image forming element such as DMD. For this reason, illumination efficiency is inferior.
[0005]
An object of the present invention is to achieve high efficiency of light utilization by correcting keystone distortion and making the shape of an irradiation region formed by an illumination optical system substantially the same as the shape of an image forming element. In order to achieve further miniaturization as an illumination optical system for image forming elements such as a regular reflection type image forming element (for example, a regular reflection type liquid crystal light valve) and a transmission type image forming element (for example, a transmissive liquid crystal light valve). In addition, the present invention provides an illumination optical system and a projection display device that have high light utilization even when the illumination optical path is folded back with a reflection mirror or the like and the image forming element is illuminated obliquely.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention relates to an enlarged projection display device having an image forming element represented by a liquid crystal light valve, DMD, etc.2 includes an illumination optical system that irradiates the image forming element with light emitted from a light source from a direction non-parallel to the normal line of the image forming element, and includes an imaging optical element having positive power at the final stage. With the above optical elementsAn afocal optical system (an afocal system is an optical system in which a parallel light beam becomes a parallel light beam again after passing through a lens system)Furthermore, by arranging at least one of the two or more optical elements to be rotationally decentered with respect to the optical axis of the luminance unevenness reducing means,The light utilization efficiency is improved and the miniaturization is achieved.When the illumination optical system of the present invention is incorporated in an enlarged projection display device, the incident angle between the principal ray of the light beam emitted from an arbitrary point of the image forming element and the normal line of the image forming element is 5 ° or more. Thus, it is desirable that light be incident on the image forming element.
[0007]
The illumination optical system of the present inventionAn illumination optical system for irradiating the image forming element with light emitted from a light source from a direction non-parallel to the normal of the image forming element,A condensing mirror that condenses light from the light source to form a virtual secondary light source, and an incident end face is disposed at the position where the secondary light source is formed.The aboveLuminance unevenness reducing means for uniforming the luminance distribution of the light from the secondary light source, so-called light tunnel, rod lens, etc. Optical that uniformizes the luminance unevenness on the exit surface by repeatedly reflecting the light beam on the inner surface The output surface of the element and the luminance unevenness reducing means is the object surface,The irradiation surface irradiated with light is the image plane.With afocal opticsThe afocal optical system includes two or more optical elements including a final-stage imaging optical element having a positive power, and at least one of the two or more optical elements includes the luminance unevenness reducing unit. Arranged rotationally decentered with respect to the optical axisIt is an illumination optical system characterized by.
[0008]
The afocal optical system provided between the luminance unevenness reducing element typified by a light tunnel or a rod lens and the image forming element emits from the
[0009]
The second feature of the illumination optical system of the present invention is that each element constituting the afocal optical system is arranged in a three-dimensional space. Taking the case where DMD is used as an image forming element as an example, it is as shown in FIG. FIG. 4 is a side view in which the illumination optical system of the present invention is applied to the illumination optical system of an enlarged projection display device using DMD as the
[0010]
In FIG. 4, the light tunnel 3 is used as the luminance unevenness reducing element. The light tunnel 3 is arranged so that the incident end face 3a is located at a position of a virtual secondary light source formed by condensing the light beam from the
[0011]
In the three
[0012]
In the illumination optical system of the present invention, the afocal optical system may be composed of at least two refractive optical elements (
[0013]
If at least one of the optical elements constituting the afocal optical system is made of a plastic optical element, the illumination optical system can be constructed easily and inexpensively.
[0014]
As shown in FIGS. 4 and 5, the enlarged projection display device using the illumination optical system is arranged on the illumination optical system and the irradiation surface (image plane) of the afocal optical system constituting the illumination optical system. The
[0015]
Enlarged projection display device using a refraction-type imaging optical system as a projection optical systemsoRefracts and projects onto a screen an illumination optical system having a light source and an afocal optical system, an image forming element disposed on an irradiation surface (image surface) of the illumination optical system, and a light beam emitted from the image forming element At least a telecentric refractive imaging optical system, and the diaphragm of the refractive imaging optical system is disposed at a position decentered from the optical axis of the refractive imaging optical system.It is desirable.
[0016]
When the aperture of the refractive imaging optical system is decentered, the upper and lower rays of light emitted from a specific light spot on the image forming element have their emission directions asymmetric with respect to the projection optical axis, and It is tilted with respect to the projection optical axis. As a result, the light rays emitted from the respective points on the image forming element become parallel, and projection light with no unevenness in brightness can be obtained. As a result, the unevenness in illuminance of the projected image is reduced, and a projected image with high brightness is obtained.
[0017]
Enlarged projection display device using a reflective imaging optical system as a projection optical systemsoReflects and projects an illumination optical system having a light source and an afocal optical system, an image forming element disposed on an irradiation surface (image surface) of the illumination optical system, and a light beam emitted from the image forming element on a screen A first reflecting mirror having a concave reflecting surface of a rotationally symmetric aspherical shape with a reflecting surface facing the image forming element. A second reflecting mirror having a rotationally symmetric aspherical convex reflecting surface facing the light beam from the first reflecting mirror, and a reflecting surface facing the light beam from the second reflecting mirror A third reflecting mirror having a rotationally symmetric aspherical concave reflecting surface or a rotationally symmetric aspherical convex reflecting surface, and a rotationally symmetric aspherical surface with the reflecting surface facing the light beam from the third reflecting mirror. A fourth reflecting mirror having a convex reflecting surface having a shape; Are al configurationIt is desirable.
[0018]
Specifically, the reflecting surface shape of the reflecting mirror is such that the optical axis of the reflecting mirror is the z axis, the plane perpendicular to the z axis is the xy plane, the intersection of the z axis and the xy plane is the origin O, and the origin When the coordinate axes are set with the axes intersecting at O and perpendicular to each other on the xy plane as the x-axis and the y-axis, the rotationally symmetric aspheric shape represented by the following formulas (1) to (3) is obtained. .
[0019]
ρ2= X2+ Y2 (2)
c = 1 / r (3)
Where αi(I = 1, 2,..., 8) is a correction coefficient, k is a conical coefficient, and r is a radius of curvature of the reflecting surface.
[0020]
In the above-described enlarged projection display device, when the illumination optical system is provided with an optical path conversion element represented by a reflecting mirror, a prism or the like, there is an advantage that the depth of the enlarged projection display device can be reduced.
[0021]
(Action / Principle)
In general, as shown in FIGS. 1, 2, and 3, the
[0022]
FIG. 7 is a schematic diagram showing a state in which the exit surface image of the luminance unevenness reducing element is guided to the image forming element surface from an oblique direction using a normal imaging optical system (lens system 40). FIG. 8 is a diagram showing an irradiation state on the irradiation surface in FIG. 7, that is, an illuminance distribution. Curves such as contour lines drawn around the
[0023]
The reason why the afocal optical system can correct the keystone distortion will be described with reference to FIG.
[0024]
FIG. 9 is a schematic diagram showing the basic concept of keystone distortion correction. In the optical system of FIG. 9, the illumination optical system described in FIG. 7 (the light source and the luminance unevenness reducing element are not shown. Only the
[0025]
Thus, by arranging the optical system 41 having a positive power, the keystone distortion can be effectively corrected. In the illumination optical system in which the optical system 41 having a positive power is arranged, the angle formed between the
[0026]
As shown in FIG. 10, when the optical system having a positive power is configured by the reflective optical element 42, interference between the incident light beam on the reflective optical element 42 and the light beam emitted from the
[0027]
The distortion caused by tilting the optical system having positive power is corrected by combining the following two configurations alone or in combination. As shown in FIG. 11, the first configuration is a method in which the
[0028]
The second configuration is a configuration in which the
[0029]
From the above description, the illumination optical system of the present invention can obtain an illumination region substantially similar to the shape of the image forming element. However, when a DMD or a specular reflection type image forming element is used, it is incident on the image forming element. Since the optical paths of the light and the outgoing light overlap, it is clear that the optical elements constituting the illumination optical system interfere with the projection optical system placed on the optical path. Therefore, the principal ray of the light emitted from the image forming element is given a predetermined angle θ (angle formed with the normal of the image forming element), and the projection optical system is configured with an angled telecentric optical system so that no light loss occurs. It is desirable to do so. In the present invention, this angle θ is set to θ ≧ 5 ° to prevent interference.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
One embodiment of the illumination optical system of the present invention is shown in FIG. FIG. 4 is a side view in which the illumination optical system of the present invention is applied to the illumination optical system of the enlargement projection display apparatus with the
[0031]
The illumination optical system is arranged so that the incident end face 3a is located at the position of the
[0032]
Since the shape of the image forming element is quadrangular, the light tunnel 3 has a hollow quadrangular prism shape so that the illumination area is square. The inner wall of the light tunnel 3 is a reflection surface, and light rays incident on the light tunnel 3 are repeatedly reflected and propagated several times inside, thereby reducing unevenness in luminance at the light tunnel exit end. The same effect as that of the light tunnel can be obtained by using a prismatic, cylindrical, or rod-shaped lens, so-called rod lens, instead of the light tunnel 3. The contour shape of the light tunnel or rod lens may be matched to the shape of the image forming element.
[0033]
The afocal optical system includes first to
[0034]
Of the three lenses constituting the afocal optical system, the
[0035]
According to the configuration of FIG. 4, the light beam emitted from the
[0036]
A specific configuration of each optical element of the illumination optical system shown in FIG. 4 is shown in Table 1 and FIGS. 6A to 6C including the DMD. Here, Table 1 shows the specific position and orientation of each optical element by numerical values. 6 (a) to 6 (c) are diagrams schematically showing the arrangement of optical elements. FIG. 6 (a) is a top view, FIG. 6 (b) is a side view, and FIG. 6 (c) is a front view. Show.
[0037]
[Table 1]
[0038]
The “exit surface” of
[0039]
In the table, surface numbers “2” to “4” are the
[0040]
The “distance between planes” represents the distance (unit: mm) in the z-axis direction from the plane with the plane number to the next plane. In other words, it is a distance obtained by translating (or translating) the coordinate system in the z-axis direction from the surface of the surface number to the next surface. For example, the inter-surface distance of the surface number “1” is the parallel movement distance along the z-axis from the surface of the surface number (the
[0041]
The “x-axis direction” and “y-axis direction” in the shift amount column indicate that the coordinate origin of the surface of the optical element is in the x-axis direction and y-axis direction from the position of the origin determined by the previous surface number of the surface. The shift amount (unit is mm) is shown. For example, in the example of the
[0042]
It should be noted that the curvature radius is represented by “−” because the attribute of the surface is coordinate conversion, and there is no definition of the curvature radius itself, so it is represented by “−”. It is correct to indicate “−” for all virtual surfaces.
[0043]
“X-axis center”, “y-axis center”, and “z-axis center” in the rotation amount column mean rotation axes when the optical element is rotated. For example, in the case of the surface number “1”, the x-axis center and the y-axis center are 0, and the z-axis center is 21.4 °, so that the exit surface, that is, the light tunnel 3 is rotated about the z axis as shown in FIG. In the front view of (), it is shown that it is rotated 21.4 ° counterclockwise.
[0044]
The coordinate conversion is performed in ascending order of the surface number: (1) parallel translation on the z-axis (movement of distance between surfaces), (2) parallel translation on the x-axis (x shift amount), and (3) parallel translation on the y-axis (y shift) (4) Rotation about the z-axis, (5) Rotation about the y-axis, and (6) Rotation about the x-axis.
[0045]
According to this coordinate conversion, in the example of the second lens 4b (surface numbers “5” to “10”), the distance between the surfaces of the spherical surface with the surface number “4” (the light emitting surface of the
[0046]
A coordinate system (spherical surface (surface number “10”) in which the coordinate origin of the plane (surface number “9”) is translated by 10 mm along the z axis and the coordinate origin is moved to the center of the spherical surface (surface number “10”). The coordinate system is the next optical element, in this embodiment, the position and orientation of the reflecting
[0047]
In the example of the reflection mirror 5 (surface numbers “11” to “17”), the distance between the surfaces on the spherical surface (surface of the second lens 4b) of the surface number “10” is 0 mm, and the coordinates of the surface number “11” are used. The rotation amount in the conversion is −11.7 ° at the center of the x axis, the rotation amount in the coordinate conversion of the surface number “12” is 5.2 ° at the center of the y axis, and the shift amount in the coordinate conversion of the surface number “13” is the x axis. Since the direction is -0.5 mm and the y-axis direction is 1 mm, the coordinate origin in the z-axis direction is not moved. First, in the coordinate system of the spherical surface (surface number “10”), the x-axis is the center of rotation. The axis is rotated by −11.7 ° (surface number “11”), and the y-axis is rotated by 5.2 ° (surface number “12”). Each coordinate axis of the coordinate system obtained by the coordinate conversion of the rotation operation becomes a coordinate system parallel to each corresponding coordinate axis of the initial coordinate system. Thereafter, in this coordinate system (coordinate system obtained by coordinate conversion by rotating the surface numbers “11” and “12”), the coordinate origin (spherical surface (in the center of the surface number “10”)) is set to −0 in the x-axis direction. A coordinate system obtained by parallel translation of 5 mm and 1 mm (surface number “13”) in the y-axis direction is used as a virtual surface (surface number “17”) coordinate system, and the xy plane of this coordinate system is the virtual surface ( Surface number “17”) The coordinate origin is the center of the virtual surface (surface number “17”).
[0048]
The distance between the surfaces of the virtual surface (surface number “17”) is 40 mm, the rotation amount in the coordinate conversion of the surface number “15” is −34 ° at the center of the y axis, and the rotation amount in the coordinate conversion of the surface number “16” is the x axis. Since it is 15 ° at the center, in the coordinate system of the virtual plane, after moving the coordinate origin by 40 mm on the z axis and translating the coordinate system, the coordinate axis is -34 ° with the y axis as the rotation center axis, and the x axis is The coordinate system obtained by sequentially rotating 15 ° as the rotation center axis is the coordinate system of the
[0049]
The coordinate conversion of Table 1 has been described above by taking the second lens 4b and the
[0050]
Illumination states on the image forming element obtained in this embodiment are shown in FIGS. 12 and 13A (the same view as FIG. 12). Further, the illuminance distribution on the image forming element is shown in FIG. As shown in FIG. 12, the image forming element size and the
[0051]
FIG. 13B is a diagram showing the illuminance distribution on AA and BB shown in FIG. 13A on the image forming element. In the figure, the vertical axis indicates illuminance, the horizontal axis indicates the position on the image forming element, the
[0052]
(Second Embodiment)
FIG. 5 shows a second embodiment of the illumination optical system of the present invention. FIG. 5 is a side view in which the illumination optical system of the present invention is applied to the illumination optical system of the enlargement projection display apparatus with the
[0053]
As shown in FIG. 5, the afocal optical system used in the illumination optical system includes two refractive optical elements, a
[0054]
The specific configuration of each optical element of the illumination optical system shown in FIG. 5 is shown in Table 2 including the DMD.
[0055]
[Table 2]
[0056]
The “exit surface” of
[0057]
In the table, surface numbers “2” to “4” are the
[0058]
(Third embodiment)
FIG. 15 shows a third embodiment of an enlargement projection type display device using the illumination optical system of the present invention. The present embodiment is a configuration example in which a single reflection mirror having positive power is used in the afocal optical system. As shown in FIG. 15, the enlargement projection display device includes an illumination optical system that illuminates the
[0059]
As shown in FIG. 15, the afocal optical system used for the illumination optical system includes two refractive optical elements, a
[0060]
Table 3 shows a specific configuration of each optical element of the illumination optical system shown in FIG. 15 including the DMD.
[0061]
[Table 3]
[0062]
The “exit surface” of
[0063]
In the table, surface numbers “2” to “4” are the
[0064]
(Fourth embodiment)
The present embodiment is an example of an enlarged projection display device that includes an aspheric optical element in the illumination optical system. This enlargement projection type display apparatus includes the illumination optical system that illuminates the image forming element, the image forming element, and the projection lens that projects the light beam from the image forming element onto the screen, as in the above three embodiments. is there. The enlarged projection display device of this embodiment has a configuration in which the
[0065]
[Table 4]
[0066]
The cylinder of surface number 16 in Table 4 has a semi-cylindrical shape, and the surface of surface number 16 has a non-cross section cut by an arbitrary plane parallel to the yz plane (coordinate system of the surface of surface number 16). That is, the expression representing the spherical surface is satisfied. An aspherical surface is a surface represented by an ordinary aspherical expression (equations (1) to (3) described in the above section “Means for Solving the Problems”).
[0067]
The way of viewing the table is the same as in the above three embodiments. In the table, surface numbers “2” to “4” are the
[0068]
In this embodiment, the reflecting mirror is an aspherical optical element, but the present invention is not limited to the reflecting mirror, and an aspherical lens may be used for the aspherical optical element.
[0069]
(Fifth embodiment)
The present embodiment is an example of an enlarged projection display device in which the projection optical system is devised to reduce unevenness in illuminance of the projected image.
[0070]
The magnifying projection display apparatus is the same as the above-described embodiment, comprising an illumination optical system that illuminates an image forming element, an image forming element, and a projection optical system that projects a light beam from the image forming element onto a screen. . The illumination optical system is arranged so that the incident end face is positioned at the position of the virtual secondary light source, which is a light source and a condensing mirror that condenses the light flux from the light source to create a virtual secondary light source. A light tunnel (luminance unevenness reducing element) that emits light from a secondary light source with a uniform luminance distribution, and an afocal optical system that guides the emitted light beam from the light tunnel to a DMD that is an image forming element. The configuration is the same as that of the above-described four embodiments. In the present embodiment, the illumination optical system having the configuration shown in FIG. 4, that is, the same illumination optical system as that in the first embodiment is used.
[0071]
The projection optical system uses a telecentric refractive imaging optical system (projection lens), and the center of the diaphragm used in the refractive imaging optical system is set to the optical axis of the refractive imaging optical system (in FIG. 18). L1) is eccentric (the amount of eccentricity h in FIG. 18).With this configuration, unevenness in illuminance of the projected image is reduced, and a projected image with high brightness can be obtained.A specific example of this projection optical system is shown in FIG.
[0072]
As shown in FIG. 18, the projection lens is composed of a total of 14 lenses including a first lens group G1 to a fourth lens group G4 and a plane parallel glass G5 in order from the screen side. A diaphragm S is provided between the second lens group G2 and the third lens group G3. The center of this stop is decentered by h from the optical axis L1 of the projection lens. The data of each lens in the lens groups G1 to G4 constituting the projection lens is as shown in Table 5.
[0073]
[Table 5]
[0074]
In the table, the surface number i is assigned in order from the refracting surface closest to the screen, and the refractive index of the number indicating the refractive index for the d-line (wavelength 587.6 nm) and the next refracting surface. One optical element is constructed. The surface interval d (unit: mm) indicates the lens thickness or the air interval between the corresponding refractive surface and the next refractive surface. The surface interval of the final surface is the distance from the parallel flat glass to the image forming element.
[0075]
The first lens group G1 includes a total of three lenses, a convex meniscus lens G11 having a convex surface facing the screen, a concave meniscus lens G12 having a concave surface facing the image forming element, and a concave lens G13. The second lens group G2 includes a cemented lens of a convex meniscus lens G21 having a convex surface facing the image forming element, a concave meniscus lens G22 having a concave surface facing the screen, and a convex lens G23. The third lens group G3 includes a cemented lens of a concave lens G31 and a convex lens G32. The fourth lens group G4 includes a concave lens G41, a convex meniscus lens G42 having a convex surface facing the image forming element, a cemented lens of the concave lens G43 and the convex lens G44, and a convex meniscus lens G45 and a convex lens G46 having a convex surface facing the image forming element. It is configured. The cemented lens of the concave lens G43 and the convex lens G44 is disposed with its concave surface facing the screen side.
[0076]
In the projection lens, the surface distance d6 at the
[0077]
[Table 6]
[0078]
The total length L of the lens system when the projection distance is infinite, the diaphragm decentering amount h1, the focal lengths f1 to f4 of the lens groups G1 to G4, and the combined focal length fw of the entire system at the wide-angle end, respectively.
L = 139.5mm
h = 4.5mm
f1 = −34.97 mm
f2 = 37.24mm
f3 = 125.91mm
f4 = 49.03mm
fw = 28.58mm
It is.
[0079]
In the first to fifth embodiments, a projection lens (refractive imaging optical system) is used as the projection optical system. However, instead of this projection lens, a reflective imaging formed by one or a plurality of reflecting mirrors. You may comprise a projection optical system with an optical system. Each of the above embodiments is an example in which a DMD is used for the
[0080]
(Sixth embodiment)
FIG. 19 shows a sixth embodiment of the enlargement projection type display apparatus using the illumination optical system of the present invention. The present embodiment is an example in which a reflective imaging optical system is used as a projection optical system.
[0081]
As shown in FIG. 19, the enlarged projection display device projects an
[0082]
The projection optical system is a telecentric reflection type imaging optical system composed of four reflecting mirrors. The telecentric reflective imaging optical system that constitutes the projection optical system includes a first reflecting
[0083]
As shown in FIG. 20, the reflecting surface shape (rotationally symmetric aspherical shape) of the reflecting
[0084]
ρ2= X2+ Y2 (2)
c = 1 / r (3)
Where αi(I = 1, 2,..., 8) is a correction coefficient, r is a radius of curvature of the reflecting surface, and k is a cone coefficient.
[0085]
A reflecting mirror having a reflecting surface shape that satisfies the above formula may be a reflecting mirror having a reflecting surface that is a curved surface α (a curved surface extending from points a, b, c, and d in FIG. 20) passing through the center of the z axis, or z A so-called offset-type curved surface β (a curved surface stretched by points a ′, b ′, c ′, and d ′ in FIG. 20) whose axis does not pass through the center may be used. In this embodiment, an offset type is adopted.
[0086]
The spatial positional relationship between the reflecting mirrors is arranged so that the origin of the coordinate system of each reflecting mirror that defines the reflecting surface shape is on the same plane, but unlike the reflecting surface shape, it is expressed by a simple relational expression. Therefore, the above formulas (1) to (3) that define the shape of the reflecting surface, the incident angle of the principal ray to the
[0087]
As shown in FIG. 21, the procedure for obtaining the spatial positional relationship between the reflecting mirrors by the ray tracing simulation is as follows. First, the angle of view, the screen size, the spatial size of the optical system, the type and size of the image forming element, Design specifications such as the screen projection position are determined (step S1). Next, based on the design specifications, the type of optical system (determines whether or not it is a telecentric system. In the present invention, the telecentric system is selected), the number of mirrors (four in this embodiment), the optical axis shift amount, etc. Is determined (step S2). Based on the information of step S1 and step S2, the aperture position, the outline of the spatial arrangement of the reflectors (arranged so that each reflector does not interfere with each other and part of the reflected light is blocked), reflection Initial data such as a mirror shape determination equation (the present invention uses the above formulas (1) to (3)) and initial values of optical system elements necessary for ray tracing are created (step S3). A ray tracing simulation is performed based on the initial data, and the size, spatial position, tilt angle, etc. of each reflector are determined. In the ray tracing simulation, a known method was used. The present inventor performed ray tracing simulation using commercially available optical system design software. In the ray tracing simulation, first, the range of x and y in the equations (1) to (3) by ray tracing, αi, R, k, and other parameter values that determine the size, spatial position, tilt angle, etc. of each reflector are calculated (step S4). Based on the result of step S4, performance evaluation such as MTF, tolerance, curvature, aberration, effective luminous flux margin of the reflector is performed (step S5), and parameter calculation and performance evaluation are repeated until the evaluation result satisfies the design specification. Determine the shape and spatial position of the reflector.
[0088]
By optimizing the shape of each of the four reflecting surfaces based on the above procedure, a reflecting mirror shape suitable for widening the angle of view and reducing the size of the telecentric optical system is obtained. An example of the obtained results is shown in FIG.In addition, by constructing the projection optical system with a telecentric reflective imaging optical system consisting of optimized rotationally symmetric aspherical reflecting mirrors, a wide angle of view is realized and the interval between the reflecting mirrors is reduced. The apparatus can be downsized. Further, when the reflecting mirror constituting the reflection imaging optical system has a rotationally symmetric aspherical shape, it can be easily processed, can be made into resin, and can be realized as an inexpensive reflection type imaging optical system.
[0089]
[Table 7]
[0090]
FIG. 22 is a schematic diagram showing the arrangement of the reflecting mirrors, and Table 7 is a table showing specific numerical values of the reflecting mirrors and the respective parameters showing the arrangement thereof.
[0091]
In FIG. 22, an optical system coordinate system (coordinate axes are indicated by capital letters) composed of an
[0092]
“No” in Table 7 indicates a number for identifying the reflecting
[0093]
22, parameters shown in Table 7, that is, the radius of curvature r of the reflecting
[0094]
In FIG. 19, the light beam emitted from the light source is incident on the
[0095]
The reflective imaging optical system is a telecentric optical system, and the principal ray has a predetermined angle θ with respect to the normal line of the
[0096]
In the reflection-type imaging optical system, since the light beam has a principal ray angle θ, generally, a fan-shaped distortion aberration in which the lower side of the projection screen is narrowed and the upper side is widened inevitably occurs. Moreover, it becomes more noticeable as the angle of view increases. In this embodiment, the configuration of four reflecting mirrors having a rotationally symmetric aspheric shape improves the distortion, and each optical component becomes relatively large and expensive. By using reflectors, the processing accuracy of each reflector was eased, and even relatively large reflectors could be made into plastics, and the cost was reduced by using plastic reflectors. In addition, since the reflecting surface has a rotationally symmetric aspherical shape, the distance between the reflecting mirrors can be reduced to 150 mm or less, and the apparatus becomes compact.
[0097]
When applied to an enlarged projection display device, it is necessary to consider the thermal effect from the light source. For this reason, in particular, the reflecting
α <6 × 10-Five
It is desirable to keep it down.
[0098]
(Seventh embodiment)
FIG. 24 shows an example in which a rear projection type display device integrated with a screen using the illumination optical system of the present invention is constructed. The rear projection display device of FIG. 24 includes an illumination
[0099]
A light beam emitted from the light source of the illumination
[0100]
As shown in FIG. 24, when the
[0101]
The sixth and seventh embodiments are examples in which a rotationally symmetric aspherical concave mirror is used as the third reflecting
[0102]
【The invention's effect】
The present invention provides an illumination optical system., Constituted by two or more optical elements including a final-stage imaging optical element having a positive power, and at least one of the two or more optical elements is disposed rotationally decentered with respect to the optical axis of the luminance unevenness reducing means. HaveBy including an afocal optical system, generation of keystone distortion and distortion due to the use of a reflection optical element for turning back an optical path can be suppressed, and the image forming element size and irradiation area can be made substantially the same. In addition, a rectangular irradiation region with a high illuminance and a uniform illuminance distribution can be formed while maintaining the luminance distribution on the emission surface of the luminance unevenness reducing element, and the light utilization efficiency is improved. Furthermore, one reflective optical element that combines the function of folding the optical path and the function of forming the afacial optical system is used for the optical element that forms the afocal optical system.If you haveThe entire device can be downsizedbecome.
[0103]
The principal ray of the light beam emitted from an arbitrary point of the image forming element and the normal line of the image forming elementAngle θ (see Figures 1, 2, and 3) is 5 ° or moreBy making light incident on the image forming element at an incident angle ofInterference between the illumination optical system and the projection optical system could be eliminated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a state of a light beam entering and exiting an image forming element made of DMD and a principal ray.
FIG. 2 is a view showing a state of a light beam and a chief ray entering / exiting a regular reflection type image forming element.
FIG. 3 is a view showing a state of a light beam entering and exiting a transmissive image forming element and a principal ray.
FIG. 4 is a perspective view of the first embodiment.
FIG. 5 is a perspective view of a second embodiment.
FIG. 6 is a diagram schematically showing the relationship between the arrangement of optical elements and coordinate axes.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a state in which an image forming element is irradiated from an oblique direction by a conventional illumination optical system.
FIG. 8 is a diagram showing an illumination state on an image forming element by a conventional illumination optical system.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a basic concept of keystone distortion correction.
FIG. 10 is a diagram showing how distortion occurs when a reflective optical element having positive power is used.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a basic concept of distortion correction.
FIG. 12 is a view showing an illumination state on the image forming element in the first embodiment.
FIG. 13 is a diagram showing an illuminance distribution on the image forming element in the first embodiment.
FIG. 14 is a diagram showing an illumination state on an image forming element in the second embodiment.
FIG. 15 is a perspective view of a third embodiment.
FIG. 16 is a diagram illustrating an illumination state on an image forming element according to a third embodiment.
FIG. 17 is a view showing an illumination state on an image forming element in a fourth embodiment.
FIG. 18 is a schematic diagram of a projection optical system used in the fifth embodiment.
FIG. 19 is a schematic diagram of a sixth embodiment.
FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the shape of a reflecting mirror used in the projection optical system of the sixth embodiment and the coordinate axes.
FIG. 21 is a flowchart showing a procedure for determining a reflector shape and arrangement.
FIG. 22 is a diagram showing the positional relationship of each reflecting mirror and each parameter of the reflecting surface shape.
FIG. 23 is a partially enlarged view of an image forming element and a reflective imaging optical system.
FIG. 24 is a schematic diagram of a seventh embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Light source
2 Focusing mirror
3 Light tunnel (luminance unevenness reducing element)
3a Incident end face
3b Outgoing surface
4a First lens
4b Second lens
4c Third lens
4d Reflective optical element with positive power
40 Lens system
41 Optical system with positive power
42 Reflective optical elements with positive power
5 Reflection mirror
6 Image forming elements
6a Transmission type image forming element
60 Irradiation area
7 Projection lens
7a First reflecting mirror (concave mirror)
7b Second reflecting mirror (convex mirror)
7c Third reflecting mirror (concave mirror or convex mirror)
7d Fourth reflector (convex mirror)
70 Reflective imaging optical system
8 chief rays
8a Incident luminous flux
8b Outgoing luminous flux
9 screens
10 Normal of image forming element
11 Illumination optical system
12a Planar reflector
12b Planar reflector
13a Curve showing illuminance distribution
13b Curve showing illuminance distribution
Claims (13)
前記光源からの光を集光する集光手段と、
前記集光手段によって集光された光が入射するように入射端面が配置された輝度ムラ低減手段と、
前記輝度ムラ低減手段からの出射光を前記画像形成素子に照射するアフォーカル光学系と、を有し、
前記アフォーカル光学系は、正のパワーを有する最終段の結像光学素子を含む2以上の光学素子によって構成され、
前記アフォーカル光学系を構成している2以上の光学素子の少なくとも一つは、前記輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置されていることを特徴とする照明光学系。 An illumination optical system that irradiates the image forming element with light emitted from a light source from a direction non-parallel to the normal of the image forming element,
Condensing means for condensing light from the light source;
Luminance unevenness reducing means in which an incident end face is arranged so that light condensed by the light collecting means is incident ;
An afocal optical system that irradiates the image forming element with light emitted from the luminance unevenness reducing unit ;
The afocal optical system is composed of two or more optical elements including a final-stage imaging optical element having a positive power,
An illumination optical system , wherein at least one of the two or more optical elements constituting the afocal optical system is rotationally decentered with respect to the optical axis of the luminance unevenness reducing means .
前記光源からの光を集光して仮想的な2次光源を形成する集光ミラーと、
前記2次光源が形成される位置に入射端面が配置され、前記2次光源からの光の輝度分布を均一化して出射する輝度ムラ低減手段と、
前記輝度ムラ低減手段の出射面を物体面とし、前記物体面からの光が照射される照射面を像面とするアフォーカル光学系と、を有し、
前記アフォーカル光学系は、正のパワーを有する最終段の結像光学素子を含む2以上の光学素子によって構成され、
前記アフォーカル光学系を構成している2以上の光学素子の少なくとも一つは、前記輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置されていることを特徴とする照明光学系。 An illumination optical system that irradiates the image forming element with light emitted from a light source from a direction non-parallel to the normal of the image forming element,
A condensing mirror that condenses the light from the light source to form a virtual secondary light source;
Luminance unevenness reducing means in which an incident end face is arranged at a position where the secondary light source is formed, and the luminance distribution of light from the secondary light source is made uniform and emitted,
An afocal optical system having an emission surface of the luminance unevenness reducing unit as an object surface and an irradiation surface irradiated with light from the object surface as an image surface;
The afocal optical system is composed of two or more optical elements including a final-stage imaging optical element having a positive power,
An illumination optical system , wherein at least one of the two or more optical elements constituting the afocal optical system is rotationally decentered with respect to the optical axis of the luminance unevenness reducing means .
前記第2の光学素子及び前記第3の光学素子は、前記輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置されていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の照明光学系。 The afocal optical system includes a first optical element, a second optical element, and a third optical element that are sequentially arranged along an optical path.
3. The illumination optical system according to claim 1, wherein the second optical element and the third optical element are arranged so as to be rotationally decentered with respect to the optical axis of the luminance unevenness reducing unit. .
前記照明光学系によって、法線と非平行な方向から光が照射される画像形成素子と、
前記画像形成素子の出射側に配置されて前記画像形成素子からの出射光束を投写する投 写光学系と、を有し、
前記アフォーカル光学系は、正のパワーを有する最終段の結像光学素子を含む2以上の光学素子によって構成され、
前記アフォーカル光学系を構成している2以上の光学素子の少なくとも一つは、前記輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置されていることを特徴とする拡大投写型ディスプレイ装置。 An illumination optical system including an afocal optical system and luminance unevenness reducing means;
An image forming element irradiated with light from a direction non-parallel to the normal by the illumination optical system;
Anda projection shooting optical system for projecting the light beam emitted from the image forming element disposed on the exit side of the image forming device,
The afocal optical system is composed of two or more optical elements including a final-stage imaging optical element having a positive power,
At least one of the two or more optical elements constituting the afocal optical system is arranged to be rotationally decentered with respect to the optical axis of the luminance unevenness reducing means .
前記第2の光学素子及び前記第3の光学素子は、前記輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置されていることを特徴とする請求項8記載の拡大投写型ディスプレイ装置。 The afocal optical system includes a first optical element, a second optical element, and a third optical element that are sequentially arranged along an optical path.
9. The enlarged projection display device according to claim 8, wherein the second optical element and the third optical element are arranged to be rotationally decentered with respect to the optical axis of the luminance unevenness reducing means .
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