JP3909703B2

JP3909703B2 - Collimator lens

Info

Publication number: JP3909703B2
Application number: JP2003085190A
Authority: JP
Inventors: 竜作高橋
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2019-04-13
Also published as: JP2003329923A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、収斂光束を平行光束へ変換するコリメータレンズに係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、空間光変調素子へ光束を照射し、当該空間光変調素子により変調された光をスクリーン上へ投射し画像を表示する投写表示装置が知られている。またこの投写表示装置に使用される照明装置として種々の照明装置が知られている。
【０００３】
図６は、このような照明装置の一例を模式的に示す。図６において、光源２１から射出された光線は反射鏡２３で反射された後、コリメータレンズ２５により平行光へ変換され、第１フライアイレンズ２７及び第２フライアイレンズ２９からなるインテグレータ３１へ入射される。ここに前記第１及び第２のフライアイレンズ２７，２９はそれぞれ、（図６に於いて例えば左側から見た場合に）格子状に配置された微小なレンズセグメント２７ｅ及び２９ｅから成っている。そしてこのインテグレータ３１は、第１フライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅによる光源２１のスポット像が、前記第２フライアイレンズ２９の対応するレンズセグメント２９ｅの上に結像するように構成されている。図７は、前記第２フライアイレンズ２９のレンズセグメント２９ｅ上に結像する光源２１のスポット像３２を示す。
【０００４】
再び図６を参照すると、前記第２フライアイレンズ２９から射出された光線は集光レンズ３３を介して空間光変調素子３５へ照射される。前記空間光変調素子３５は、例えば液晶の複屈折を利用して入射光へ映像信号に応じた光変調を与える素子である。この場合、集光レンズ３３からの光線が前記空間光変調素子３５により変調・反射され、この反射光が図示しないスクリーン上に画像を生成する。
【０００５】
ところで図６に示すように、従来のコリメータレンズ２５は、その入射面・射出面が単純な球面形状を有していた。しかしこのようなコリメータレンズ２５及びこれを使用した照明装置には次のような種々の問題点があった。
【０００６】
第１に、図８に示すように、前記従来のコリメータレンズ２５では、光軸Ｏ付近の領域Ａにおける射出光は比較的正確な平行光束へ変換されるが、光軸から離れた領域Ｂ及びＣにおける光束はコリメータレンズ２５から離れるに従って徐々に広がる傾向を有していた。
【０００７】
このような光束の広がりを補正するために、前記第１フライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅの光軸をシフトする試みがなされた。しかしながら、前記レンズセグメント２７ｅの光軸をシフトすると、隣り合うレンズセグメント２７ｅの端部に段差が生じることとなり、第１フライアイレンズ２７成形時にこの端部にダレが生ずるという問題があった。また前記レンズセグメント２７ｅの真球度が低下すると言う問題及び、前記レンズセグメント２７ｅ間で曲率半径がばらつくなどの問題点も発生した。そしてこのような問題点は前記照明装置に使用された場合にその照明効率が低下すると言う問題をもたらした。
【０００８】
また前記コリメータレンズ２５及びこれを使用した照明装置には以下の問題点もあった。
【０００９】
即ち、図９に示すように、前記第１フライアイレンズ２７へ入射する光線が、光軸Ｏに対して小さな角度を有する平行光束１４１である場合、前記第１フライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅを通過した光束は前記第２フライアイレンズ２９のレンズセグメント２９ｅ表面の所定位置へ集束する。そして前記第２フライアイレンズ２９の各レンズセグメント２９ｅから射出された光束１４３は、集光レンズ３３を介して空間光変調素子３５上へ正しく集束する。即ち、前記第１フライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅの像が、前記空間光変調素子３５上に、当該空間光変調素子３５の形状とほぼ相似形に結像される。ところで、前記光源２１からの光線を有効に利用するためには、前記インテグレータ３１の口径を前記光源２１の反射鏡２３の口径に合わせて大きくするのが望ましい。ところが、前記インテグレータ３１の口径サイズを大きくすると、図９に示すように、前記インテグレータ３１の外周部レンズセグメント２７ｅ，２９ｅを通過した光線１４５は前記空間光変調素子３５へ大きな入射角度θをもって入射することとなる。しかし、前記空間光変調素子３５が液晶の複屈折を利用して入射光へ映像信号に応じた光変調を与える素子である場合、前記入射光１４５の入射角度θが大きくなると、投写表示装置のコントラストが劣化するという問題があった。
【００１０】
従って、前記空間光変調素子３５の寸法に比べて所定比率以上に大きな寸法或いは口径を有するインテグレータ３１は、たとえその入射光が平行光束であっても、前記空間光変調素子３５への照明光束が光軸Ｏに対して大きな角度を有する成分を含むこととなり、投写表示装置のコントラストを劣化させるという問題があった。
【００１１】
また、前記空間光変調素子３５の寸法に応じて前記インテグレータ３１の寸法を小さく設定する場合は以下のような問題が有った。即ち、前記光源２１から射出された光線を有効に利用しようとして、前記コリメータレンズ２５から前記インテグレータ３１へ収斂光束あるいは平行光束を入射させると、図９に示すように、前記第１フライアイレンズ２７へ入射する光線の中に光軸Ｏに対して大きな角度を有する光線１４７及び１４９が含まれ、前記第１フライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅから前記第２フライアイレンズ２９の各レンズセグメント２９ｅへの集光性が低下し、光利用率が低下する問題があった。すなわち、前述の如く、前記第１フライアイレンズ２７の１つのレンズセグメント２７ｅによる光源２１のスポット像は、前記第２フライアイレンズ２９の１つのレンズセグメント２９ｅの上に結像されなければならないが、図９に示すように、前記光軸Ｏに対して大きな角度を有する光線１４７及び１４９では、前記第１フライアイレンズ２７の１つのレンズセグメント２７ｅによる光源のスポット像が前記第２フライアイレンズ２９の１つのレンズセグメント２９ｅの寸法よりも大きくなり複数のレンズセグメント２９ｅの上に結像されることとなる（図７は、前記第２フライアイレンズ２９上で前記レンズセグメント２９ｅの寸法より大きく結像された光源のスポット像３２’を示す）。このため、前記第２フライアイレンズ２９のレンズセグメント２９ｅから射出された光線が、前記空間変調素子３５から上下又は左右方向にずれた領域に収斂し光利用率が低下することとなる。
【００１２】
再び図６を参照するに、前記従来の照明装置においてはさらに次の問題があった。すなわち、前記光源２１は一対の電極３７とこれに挟まれる発光部３９とを備える。この発光部３９から射出された光線が前記反射鏡２３により図６に於いて左方向へ反射・射出される。前記光源２１からの射出光束は、前記反射鏡２３の焦点Ｆに対する発光部３９の位置関係により収斂光束あるいは平行光束あるいは発散光束となる。例えば前記発光部３９を、前記反射鏡２３の焦点Ｆの射出側前方位置（図６に於ける番号３９´の位置）に置いた場合、前記射出光束は図６において破線で表わした収斂光束となる。この発光部３９の位置を焦点Ｆの位置に近づけると、射出光成分は次第に主光線に平行な成分が増大し平行光束となる。しかし、この構成においては、前記電極３７及び、反射鏡２３の後部に設けた前記電極３７を通すための開口部（図示せず）により、前記射出光の強度分布はその光軸に対応する中心部に暗部を有する。図１０は前記射出平行光束４０の中心に発生する暗部４１を示す。従ってこの暗部４１の発生により光利用率が低下する問題が有った。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、前記問題点を解決することであり、射出光を光軸からの距離に関わらず正確に平行光束に変換することができるコリメータレンズを提供することである。
【００１４】
この発明の他の目的は、光軸から離れた位置における射出光も正確な平行光にすることができるコリメータレンズを提供することである。
【００１５】
この発明のさらに他の目的は、射出光を、光軸に対する大きな角度成分を生成することなく幅の狭い光束にすることができるコリメータレンズを提供することである。
【００１６】
この発明の更に他の目的は、画像のコントラストを低下させることなく光源からの光束を有効に利用することができるコリメータレンズを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためのこの発明のコリメータレンズは、以下の通りである。
【００１８】
収斂光束を平行光束へ変換するコリメータレンズにおいて、前記コリメータレンズは、所定の曲率半径を有する入射面と、この入射面よりも小さい曲率半径を有する射出面を備えた凹レンズからなり、前記射出面の外周部に、所定の角度で傾斜したリング状の縁取り部を有すると共に、前記入射面の光軸上に円錐状の窪みを備え、かつ、前記リング状縁取り部側面及び前記円錐状窪み側面にそれぞれ反射手段を備えたことを特徴とするコリメータレンズ。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図５を参照してこの発明の実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明のコリメータレンズ及びこれを用いた照明装置の第１の実施形態の模式図である。
【００２１】
図１に示すように、この実施形態のコリメータレンズ４３では、光軸Ｏを中心とする複数の同心リング領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃ毎に、入射面４５が焦点距離の異なる分割入射面４５ａ，４５ｂ，４５ｃに分割されている。ここに中心領域４３ａの入射面４５ａは、負の度を有する（即ち曲率の中心が図１に於いてレンズ４３の右側に有る）。これに対して中間領域４３ｂの入射面４５ｂは平面であり零の曲率を有する。また外側領域４３ｃにおける入射面４５ｃは、射出面４７と同じ曲率半径を有する。尚、このコリメータレンズ４３の射出面４７は全レンズ平面において同一の曲率半径を有し、且つ、負の度合いを有する（すなわち曲率の中心が図１においてレンズ４３の左側にある）曲面に設計されている。この射出面４７は平面であってもよい。
【００２２】
このように構成することにより、コリメータレンズ４３は、光軸から離れるほど負の度合いが弱くなる。従って、光軸Ｏから離れるに従って射出光の光束が広がる傾向を防止することができ、全ての領域において光軸と平行な射出光束を得ることができる。
【００２３】
なお前記において、前記入射面４５ａ及び４５ｃ及び射出面４７の曲率半径の値は、前記第２フライアイレンズ２９上での光源のスポット像３２（図７）が各レンズセグメント２９ｅの中心を通るように決定される。
【００２４】
尚、この実施形態では入射面４５を、光軸Ｏを中心とする同心円で３個の領域４５ａ、４５ｂ、４５ｃに分割したが、同心円により入射面４５を２個あるいは４個以上の領域に分割することもできる。さらに入射面４５ではなく射出面４７を複数の同心円領域に分割することもできる。また、同心円領域は、近似的に面全体が非球面形状であっても良い。
【００２５】
図２及び図３は、本発明のコリメータレンズ及びこれを用いた照明装置の第２の実施形態を示す。なお、図３は、図２の矢印IIIに沿って見たコリメータレンズの正面図である。
【００２６】
図２及び図３に示すように、このコリメータレンズ４９は、前記第１のフライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅに対応する負の（すなわち曲率の中心が図２においてコリメータレンズ４９の左側にある）分割レンズアレイ４９ｅを備える。より詳細には、前記コリメータレンズ４９は、その射出面５３が、前記第１のフライアイレンズ２７に対応する複数のアレイ状分割射出面５３ｅに分割されることにより、前記負の分割レンズアレイ４９ｅを有する。
【００２７】
ここに、前記各分割射出面５３ｅの偏心量（即ち各分割射出面５３ｅに於ける光軸のシフト量）は射出光が光軸Ｏに対して平行になるように決定する。即ち、前記コリメータレンズ４９からの射出光の光束が、光軸Ｏからの距離に関わらず光軸Ｏに対して平行となる様に決定する。また、各分割射出面５３ｅの曲率は、前記光源のスポット像３２（図７）が前記第２フライアイレンズ２９上で各レンズエレメント２９ｅの中心に位置し且つ最小寸法になるように決定する。
【００２８】
この第２の実施形態のコリメータレンズ４９の入射面５１は平面で有っても、曲率が有ってもどちらでも良い。
【００２９】
また、前記において、コリメータレンズ４９の分割射出面５３ｅの数は、前記第１、第２フライアイレンズ２７，２９の分割数と異なっても良い。また、このコリメータレンズ４９の形状は、前記第１フライアイレンズ２７の形状と異なっても良い。
【００３０】
図４は、この発明のコリメータレンズ及びこれを用いた照明装置の第３の実施形態の模式図である。
【００３１】
図４に示すように、このコリメータレンズ５５の入射面５７は、前記第１の実施形態のコリメータレンズ４３と同様に、３つの同心円で分割入射面５７ａ，５７ｂ，５７ｃに分割されている。ここに分割入射面５７ａは負の度を有する（すなわち曲率の中心が図４においてコリメータレンズ５５の右側にある）曲面であり、分割入射面５７ｂは平面であり、分割入射面５７ｃは正の度を有する曲面である。
【００３２】
一方、このコリメータレンズ５５の射出面５９は、前記第２の実施形態のコリメータレンズ４９と同様に、前記第１フライアイレンズ２７のレンズセグメント２７ｅに対応する複数のアレイ状分割射出面５９ｅに分割されている。但しこのコリメータレンズ５５では各射出面５９ｅの光軸は偏心量は零であり各射出面５９ｅの中心に設けられている。これは、このコリメータレンズ５５では、入射面５７を複数の入射面５７ａ，５７ｂ，５７ｃへ分割することにより射出光の光束を光軸Ｏからの距離に関わらず光軸に対して平行にすることが出来るからである。
【００３３】
また、前記各射出面５９ｅの曲率は、前記第２実施形態の場合と同様に、光源２１のスポット像３２（図７）が前記第２フライアイレンズ２９上で各レンズエレメント２９ｅの中心に位置し且つ最小寸法になるように決定する。
【００３４】
従って、この第３の実施形態のコリメータレンズ５５においても、前記第１フライアイレンズ２７からの射出光の、前記第２フライアイレンズ２９のレンズエレメント２９ｅ上への集光特性を改善することができる。
【００３５】
尚、前記第１乃至第３の実施形態において、コリメータレンズ４３、５５の分割入射面４５ａ，４５ｂ，４５ｃ、５７ａ、５７ｂ、５７ｃの曲面或いはコリメータレンズ４９、５５の分割射出面５３ｅ、５９ｅの曲面は球面あるいは非球面の何れでも良い。
【００３６】
以上説明したように、第１乃至第３の実施形態のコリメータレンズにおいては、コリメータレンズの入射面或いは射出面を複数の領域に分割することにより、コリメータレンズを複数の領域へ分割する。そしてこれにより、従来インテグレータ（或いはフライアイレンズ）に持たせていた補正機能をコリメータレンズに持たせることが可能となり、照明効率の改善及び量産性の向上が達成される。
【００３７】
図５は、この発明のコリメータレンズの第４の実施形態を示す。
【００３８】
図５に示すように、この実施形態のコリメータレンズ６１は、曲率半径の大きい球面状の入射面６２と、これよりも曲率半径の小さい球面状の射出面６３を備えた凹レンズからなる。
【００３９】
このコリメターレンズ６１には更に、前記射出面６３の外周部に、光軸Ｏに対して所定角度だけ傾斜したリング状縁取り部６５が形成されている。また、前記入射面６２の光軸Ｏの近傍に円錐状の窪み６７が形成されている。そして、前記リング状縁取り部６５のリング状側面には反射面をレンズ媒質側に向けたリング状反射鏡６９が設けてあり、前記円錐状窪み部分６７の円錐状側面には反射面をレンズ媒質側に向けた円錐状反射鏡７１が設けてある。なお、前記円錐状反射鏡７１の形状は、その円錐形の底面積が図１０に示した暗部４１の断面積に対応するように設定されている。
【００４０】
前記第４実施形態の作用は以下の通りである。
【００４１】
図５に示すように、コリメータレンズ６１の周辺部に入射した光線は、レンズ内部に進入した後、前記リング状縁取り部６５に設けた前記リング状反射鏡６９へ入射し、このリング状反射鏡６９により反射された後、レンズ６１中心方向に向かう。そして前記レンズ中心付近で前記入射面６２により全反射された後、前記円錐状窪み部分６７の円錐状側面に設けた前記円錐状反射鏡７１へ向かい、この反射鏡７１で反射された後、前記射出面６３から光軸Ｏに沿って射出される。ここに、前記したように、前記円錐状反射鏡７１の底面積は、前記平行光束中心部の暗部４１に相当する大きさに形成されている。従って、前記円錐状反射鏡７１の円錐側面で反射された光線は前記暗部４１を補償する。これにより前記コリメータレンズ６１からの射出光は光束全体にわたって均一な照度分布を有する事となる。
【００４２】
また、前記コリメータレンズ６１からの射出光の直径ｗ１は、前記コリメータレンズ６１の周辺部へ入射された光線が射出光から除去されるから、入射光束の直径ｗ２よりも小さくなる。従って、このコリメータレンズ６１によれば、前記第１フライアイレンズ２７の寸法を小さくしても、この第１フライアイレンズインテグレータ２７へ入射される光線は光軸Ｏに対して小さな角度を有する光線のみからなる。従ってまた、前記第１フライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅからの光線を前記第２フライアイレンズ２９の各レンズセグメント２９ｅへ正確に集光することができ、光利用率を最大にすることができる。
【００４３】
このように、この第４の実施態様のコリメータレンズによれば、光軸に対して大きく傾斜した光線を射出光束中に生成することなく光束半径を縮小することができ、且つ、均一な照度分布の平行光束を得ることができる。
【００４４】
尚、前記反射鏡の形状は楕円面あるいは放物面あるいは球面あるいはその他複雑な非球面形状であっても、収斂光束を発生するような光源の配置、反射鏡の形状であればどのようなものでも良い。
【００４５】
またコリメータレンズの同心リング状の球面形状を反射鏡に持たせることもできる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の第１の側面によるコリメータレンズによれば、インテグレータ或いはフライアイレンズの成形性が改善され量産性を向上させ且つコストダウンを図ることができる。
【００４７】
またこの発明の第２の側面によれば、射出光束中に、その主光線に対して大きく傾いた光線の生成することなく光束を縮小できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態のコリメータレンズ及びこのコリメータレンズを用いた照明装置の説明図である。
【図２】この発明の第２の実施形態のコリメータレンズ及びこのコリメータレンズを用いた照明装置の説明図である。
【図３】図２の矢印IIIに沿って見たコリメータレンズの正面図である。
【図４】この発明の第３の実施形態のコリメータレンズ及びこのコリメータレンズを用いた照明装置の説明図である。
【図５】この発明の第４の実施形態のコリメータレンズの断面図である。
【図６】投写表示装置に使用される従来の照明装置の構成を示す模式図である。
【図７】図６の照明装置に設けた第１、第２のフライアイレンズの作用を表す説明図である。
【図８】従来のコリメータレンズ及びこのコリメータレンズを用いた照明装置の作用を表わす説明図である。
【図９】前記コリメータレンズを用いた照明装置の作用を表わす他の説明図である。
【図１０】従来の照明装置における反射鏡からの光束の光強度分布を表わす説明図である。
【符号の説明】
２１：光源
２３：反射鏡
２５、４３、４９、５５、６１：コリメータレンズ
２７：第１フライアイレンズ
２９：第２フライアイレンズ
３３：集光レンズ
３５：空間光変調素子
６９：リング状反射鏡
７１：円錐状反射鏡[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a collimator lens that converts a convergent light beam into a parallel light beam.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a projection display device that displays an image by irradiating a light beam to a spatial light modulation element and projecting light modulated by the spatial light modulation element onto a screen. Various illumination devices are known as illumination devices used in the projection display device.
[0003]
FIG. 6 schematically shows an example of such an illumination device. In FIG. 6, the light beam emitted from the light source 21 is reflected by the reflecting mirror 23, converted into parallel light by the collimator lens 25, and enters the integrator 31 including the first fly-eye lens 27 and the second fly-eye lens 29. Is done. Here, the first and second fly-eye lenses 27 and 29 are each composed of minute lens segments 27e and 29e arranged in a lattice shape (when viewed from the left side in FIG. 6 for example). The integrator 31 is configured such that the spot image of the light source 21 by each lens segment 27e of the first fly-eye lens 27 is formed on the corresponding lens segment 29e of the second fly-eye lens 29. . FIG. 7 shows a spot image 32 of the light source 21 that forms an image on the lens segment 29 e of the second fly-eye lens 29.
[0004]
Referring again to FIG. 6, the light beam emitted from the second fly's eye lens 29 is applied to the spatial light modulator 35 via the condenser lens 33. The spatial light modulation element 35 is an element that applies light modulation corresponding to a video signal to incident light using, for example, birefringence of liquid crystal. In this case, the light beam from the condenser lens 33 is modulated and reflected by the spatial light modulator 35, and the reflected light generates an image on a screen (not shown).
[0005]
Incidentally, as shown in FIG. 6, the conventional collimator lens 25 has a simple spherical shape on its entrance surface and exit surface. However, the collimator lens 25 and the illumination device using the same have various problems as follows.
[0006]
First, as shown in FIG. 8, in the conventional collimator lens 25, the emitted light in the region A in the vicinity of the optical axis O is converted into a relatively accurate parallel light beam. The light flux at C had a tendency to gradually spread away from the collimator lens 25.
[0007]
In order to correct such spread of the luminous flux, an attempt was made to shift the optical axis of each lens segment 27e of the first fly-eye lens 27. However, when the optical axis of the lens segment 27e is shifted, a step is generated at the end of the adjacent lens segment 27e, and there is a problem that sagging occurs at the end when the first fly-eye lens 27 is molded. In addition, a problem that the sphericity of the lens segment 27e is lowered and a problem that the radius of curvature varies between the lens segments 27e also occur. And such a problem brought about the problem that the illumination efficiency fell, when used for the said illuminating device.
[0008]
Further, the collimator lens 25 and the illumination device using the same have the following problems.
[0009]
That is, as shown in FIG. 9, when the light beam incident on the first fly-eye lens 27 is a parallel light beam 141 having a small angle with respect to the optical axis O, each lens segment of the first fly-eye lens 27. The light beam that has passed through 27e is focused on a predetermined position on the surface of the lens segment 29e of the second fly-eye lens 29. The light beam 143 emitted from each lens segment 29e of the second fly-eye lens 29 is correctly focused on the spatial light modulation element 35 via the condenser lens 33. That is, an image of each lens segment 27 e of the first fly-eye lens 27 is formed on the spatial light modulation element 35 in a shape that is substantially similar to the shape of the spatial light modulation element 35. By the way, in order to effectively use the light beam from the light source 21, it is desirable to increase the diameter of the integrator 31 in accordance with the diameter of the reflecting mirror 23 of the light source 21. However, when the aperture size of the integrator 31 is increased, the light beam 145 that has passed through the outer peripheral lens segments 27e and 29e of the integrator 31 is incident on the spatial light modulator 35 with a large incident angle θ, as shown in FIG. It will be. However, when the spatial light modulator 35 is an element that applies light modulation according to the video signal to the incident light by utilizing the birefringence of the liquid crystal, if the incident angle θ of the incident light 145 increases, There was a problem that the contrast deteriorated.
[0010]
Therefore, the integrator 31 having a size or aperture larger than a predetermined ratio as compared with the size of the spatial light modulation element 35 has an illumination light flux to the spatial light modulation element 35 even if the incident light is a parallel light flux. A component having a large angle with respect to the optical axis O is included, and there is a problem that the contrast of the projection display device is deteriorated.
[0011]
Further, when the size of the integrator 31 is set small according to the size of the spatial light modulator 35, there are the following problems. That is, when a convergent light beam or a parallel light beam is incident on the integrator 31 from the collimator lens 25 in an attempt to effectively use the light beam emitted from the light source 21, as shown in FIG. The light rays 147 and 149 having a large angle with respect to the optical axis O are included in the light rays incident on the first fly-eye lens 27 and the lens segments 29 e of the second fly-eye lens 29. There was a problem that the light condensing performance was reduced and the light utilization rate was lowered. That is, as described above, the spot image of the light source 21 by one lens segment 27e of the first fly-eye lens 27 must be formed on one lens segment 29e of the second fly-eye lens 29. As shown in FIG. 9, in the light rays 147 and 149 having a large angle with respect to the optical axis O, the spot image of the light source by one lens segment 27e of the first fly-eye lens 27 is the second fly-eye lens. 29 is larger than the size of one lens segment 29e and is imaged on a plurality of lens segments 29e (FIG. 7 is larger than the size of the lens segment 29e on the second fly-eye lens 29). A spot image 32 ′ of the imaged light source is shown). For this reason, the light beam emitted from the lens segment 29e of the second fly-eye lens 29 converges in a region shifted in the vertical and horizontal directions from the spatial modulation element 35, and the light utilization rate decreases.
[0012]
Referring to FIG. 6 again, the conventional lighting device has the following problem. That is, the light source 21 includes a pair of electrodes 37 and a light emitting unit 39 sandwiched between the electrodes 37. The light beam emitted from the light emitting unit 39 is reflected and emitted in the left direction in FIG. The emitted light beam from the light source 21 becomes a converged light beam, a parallel light beam, or a divergent light beam depending on the positional relationship of the light emitting unit 39 with respect to the focal point F of the reflecting mirror 23. For example, when the light emitting unit 39 is placed at the front position on the exit side of the focal point F of the reflecting mirror 23 (the position indicated by the number 39 'in FIG. 6), the emitted light flux is a convergent light flux indicated by a broken line in FIG. Become. When the position of the light emitting unit 39 is brought close to the position of the focal point F, the emitted light component gradually increases in parallel to the principal ray and becomes a parallel light flux. However, in this configuration, the intensity distribution of the emitted light is a center corresponding to the optical axis due to the electrode 37 and an opening (not shown) for passing the electrode 37 provided at the rear of the reflecting mirror 23. There is a dark part in the part. FIG. 10 shows a dark part 41 generated at the center of the emitted parallel light beam 40. Therefore, there is a problem that the light utilization rate is reduced by the generation of the dark part 41.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a collimator lens that can accurately convert the emitted light into a parallel light beam regardless of the distance from the optical axis.
[0014]
Another object of the present invention is to provide a collimator lens capable of making the emitted light at a position away from the optical axis into an accurate parallel light.
[0015]
Still another object of the present invention is to provide a collimator lens that can make emitted light into a narrow luminous flux without generating a large angle component with respect to the optical axis.
[0016]
Still another object of the present invention is to provide a collimator lens that can effectively use a light beam from a light source without reducing the contrast of an image.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The collimator lens of the present invention for solving the above problems is as follows.
[0018]
In the collimator lens for converting a convergent light beam into a parallel light beam, the collimator lens is composed of an entrance surface having a predetermined radius of curvature and a concave lens having an exit surface having a smaller radius of curvature than the entrance surface. The outer peripheral portion has a ring-shaped edge inclined at a predetermined angle, and has a conical recess on the optical axis of the incident surface, and the ring-shaped edge portion side surface and the conical recess side surface respectively. A collimator lens comprising a reflecting means.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0020]
FIG. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of a collimator lens of the present invention and an illumination device using the same.
[0021]
As shown in FIG. 1, in the collimator lens 43 of this embodiment, for each of a plurality of concentric ring regions 43a, 43b, and 43c centered on the optical axis O, the divided incident surfaces 45a and 45b having different focal lengths are used for the incident surface 45. , 45c. Here, the incident surface 45a of the central region 43a has a negative degree (that is, the center of curvature is on the right side of the lens 43 in FIG. 1). On the other hand, the incident surface 45b of the intermediate region 43b is a flat surface and has zero curvature. Further, the incident surface 45 c in the outer region 43 c has the same radius of curvature as that of the exit surface 47. The exit surface 47 of the collimator lens 43 is designed to be a curved surface having the same radius of curvature in all lens planes and having a negative degree (that is, the center of curvature is on the left side of the lens 43 in FIG. 1). ing. The emission surface 47 may be a flat surface.
[0022]
By configuring in this way, the collimator lens 43 becomes weaker in negative degree as the distance from the optical axis increases. Therefore, the tendency of the luminous flux of the emitted light to spread as it moves away from the optical axis O can be prevented, and the emitted luminous flux parallel to the optical axis can be obtained in all regions.
[0023]
In the above description, the radius of curvature of the entrance surfaces 45a and 45c and the exit surface 47 is such that the spot image 32 (FIG. 7) of the light source on the second fly-eye lens 29 passes through the center of each lens segment 29e. To be determined.
[0024]
In this embodiment, the incident surface 45 is divided into three regions 45a, 45b, and 45c by concentric circles around the optical axis O. However, the incident surface 45 is divided into two or more regions by concentric circles. You can also Furthermore, not the incident surface 45 but the exit surface 47 can be divided into a plurality of concentric regions. Further, the concentric region may be approximately aspherical in its entirety.
[0025]
2 and 3 show a collimator lens according to a second embodiment of the present invention and an illumination device using the same. FIG. 3 is a front view of the collimator lens viewed along the arrow III in FIG.
[0026]
As shown in FIGS. 2 and 3, the collimator lens 49 is negative (that is, the center of curvature is on the left side of the collimator lens 49 in FIG. 2) corresponding to each lens segment 27e of the first fly-eye lens 27. ) A split lens array 49e is provided. More specifically, the collimator lens 49 has its exit surface 53 divided into a plurality of array-shaped split exit surfaces 53e corresponding to the first fly-eye lens 27, whereby the negative split lens array 49e. Have
[0027]
Here, the amount of eccentricity of each of the divided exit surfaces 53e (that is, the shift amount of the optical axis at each of the divided exit surfaces 53e) is determined so that the emitted light is parallel to the optical axis O. That is, the light beam emitted from the collimator lens 49 is determined to be parallel to the optical axis O regardless of the distance from the optical axis O. The curvature of each divided exit surface 53e is determined so that the spot image 32 (FIG. 7) of the light source is located at the center of each lens element 29e on the second fly-eye lens 29 and has a minimum dimension.
[0028]
The incident surface 51 of the collimator lens 49 of the second embodiment may be either a flat surface or a curved surface.
[0029]
In the above description, the number of split exit surfaces 53e of the collimator lens 49 may be different from the number of splits of the first and second fly-eye lenses 27 and 29. Further, the shape of the collimator lens 49 may be different from the shape of the first fly-eye lens 27.
[0030]
FIG. 4 is a schematic view of a third embodiment of a collimator lens of the present invention and an illumination device using the same.
[0031]
As shown in FIG. 4, the incident surface 57 of the collimator lens 55 is divided into three separate concentric incident surfaces 57a, 57b, and 57c in the same manner as the collimator lens 43 of the first embodiment. Here, the divided incident surface 57a is a curved surface having a negative degree (that is, the center of curvature is on the right side of the collimator lens 55 in FIG. 4), the divided incident surface 57b is a flat surface, and the divided incident surface 57c is a positive degree. Is a curved surface.
[0032]
On the other hand, the exit surface 59 of the collimator lens 55 is divided into a plurality of array-shaped split exit surfaces 59e corresponding to the lens segments 27e of the first fly-eye lens 27, similarly to the collimator lens 49 of the second embodiment. Has been. However, in this collimator lens 55, the optical axis of each exit surface 59e has zero eccentricity and is provided at the center of each exit surface 59e. In this collimator lens 55, the incident surface 57 is divided into a plurality of incident surfaces 57a, 57b, and 57c so that the luminous flux of the emitted light is parallel to the optical axis regardless of the distance from the optical axis O. Because you can.
[0033]
The curvature of each exit surface 59e is such that the spot image 32 (FIG. 7) of the light source 21 is positioned at the center of each lens element 29e on the second fly-eye lens 29, as in the case of the second embodiment. And determined to be the minimum dimension.
[0034]
Therefore, also in the collimator lens 55 of the third embodiment, it is possible to improve the condensing characteristic of the light emitted from the first fly eye lens 27 onto the lens element 29e of the second fly eye lens 29. it can.
[0035]
In the first to third embodiments, the curved surfaces of the split incident surfaces 45a, 45b, 45c, 57a, 57b, 57c of the collimator lenses 43, 55 or the curved surfaces of the split exit surfaces 53e, 59e of the collimator lenses 49, 55 are used. May be either spherical or aspherical.
[0036]
As described above, in the collimator lenses of the first to third embodiments, the collimator lens is divided into a plurality of regions by dividing the incident surface or the exit surface of the collimator lens into a plurality of regions. As a result, the collimator lens can be provided with a correction function that has been given to an integrator (or fly-eye lens) in the past, and an improvement in illumination efficiency and an increase in mass productivity can be achieved.
[0037]
FIG. 5 shows a fourth embodiment of the collimator lens of the present invention.
[0038]
As shown in FIG. 5, the collimator lens 61 of this embodiment includes a concave lens having a spherical incident surface 62 having a large curvature radius and a spherical exit surface 63 having a smaller curvature radius.
[0039]
Further, the collimator lens 61 is formed with a ring-shaped rim portion 65 inclined at a predetermined angle with respect to the optical axis O on the outer peripheral portion of the emission surface 63. A conical recess 67 is formed in the vicinity of the optical axis O of the incident surface 62. The ring-shaped side surface of the ring-shaped rim 65 is provided with a ring-shaped reflecting mirror 69 having a reflecting surface directed toward the lens medium, and the reflecting surface is disposed on the conical side surface of the conical recess portion 67 as a lens medium. A conical reflecting mirror 71 directed to the side is provided. The shape of the conical reflecting mirror 71 is set so that the bottom area of the conical shape corresponds to the cross-sectional area of the dark part 41 shown in FIG.
[0040]
The operation of the fourth embodiment is as follows.
[0041]
As shown in FIG. 5, the light beam that has entered the periphery of the collimator lens 61 enters the inside of the lens, and then enters the ring-shaped reflecting mirror 69 provided in the ring-shaped edge portion 65, and this ring-shaped reflecting mirror. After being reflected by the lens 69, it goes toward the center of the lens 61. Then, after being totally reflected by the incident surface 62 in the vicinity of the center of the lens, it is directed to the conical reflecting mirror 71 provided on the conical side surface of the conical depression portion 67, and after being reflected by the reflecting mirror 71, The light exits from the exit surface 63 along the optical axis O. Here, as described above, the bottom area of the conical reflecting mirror 71 is formed in a size corresponding to the dark portion 41 at the center of the parallel light flux. Therefore, the light beam reflected by the conical side surface of the conical reflecting mirror 71 compensates the dark portion 41. As a result, the light emitted from the collimator lens 61 has a uniform illuminance distribution over the entire luminous flux.
[0042]
In addition, the diameter w1 of the light emitted from the collimator lens 61 is smaller than the diameter w2 of the incident light beam because the light incident on the peripheral portion of the collimator lens 61 is removed from the emitted light. Therefore, according to the collimator lens 61, even if the size of the first fly-eye lens 27 is reduced, the light incident on the first fly-eye lens integrator 27 has a small angle with respect to the optical axis O. Consist only of. Therefore, the light rays from the lens segments 27e of the first fly-eye lens 27 can be accurately condensed on the lens segments 29e of the second fly-eye lens 29, and the light utilization rate can be maximized. it can.
[0043]
Thus, according to the collimator lens of the fourth embodiment, the radius of the light beam can be reduced without generating a light beam greatly inclined with respect to the optical axis in the emitted light beam, and a uniform illuminance distribution is obtained. Can be obtained.
[0044]
Even if the shape of the reflecting mirror is an ellipsoid, a paraboloid, a spherical surface, or any other complicated aspherical shape, any arrangement of the light source that generates a convergent light beam and the shape of the reflecting mirror can be used. But it ’s okay.
[0045]
The reflecting mirror may have a concentric ring-shaped spherical shape of the collimator lens.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the collimator lens of the first aspect of the present invention, the moldability of the integrator or fly-eye lens can be improved, the mass productivity can be improved, and the cost can be reduced.
[0047]
According to the second aspect of the present invention, the luminous flux can be reduced in the outgoing luminous flux without generating a light ray greatly inclined with respect to the principal ray.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a collimator lens according to a first embodiment of the present invention and an illumination device using the collimator lens.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a collimator lens according to a second embodiment of the present invention and an illumination device using the collimator lens.
FIG. 3 is a front view of a collimator lens viewed along an arrow III in FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a collimator lens according to a third embodiment of the present invention and an illumination apparatus using the collimator lens.
FIG. 5 is a sectional view of a collimator lens according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional illumination device used for a projection display device.
7 is an explanatory diagram showing the operation of first and second fly-eye lenses provided in the illumination device of FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the operation of a conventional collimator lens and an illumination device using the collimator lens.
FIG. 9 is another explanatory diagram showing the operation of the illumination device using the collimator lens.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a light intensity distribution of a light beam from a reflecting mirror in a conventional illumination device.
[Explanation of symbols]
21: Light source 23: Reflective mirrors 25, 43, 49, 55, 61: Collimator lens 27: First fly-eye lens 29: Second fly-eye lens 33: Condensing lens 35: Spatial light modulator 69: Ring-shaped reflector 71: Conical reflector

Claims

In the collimator lens for converting a convergent light beam into a parallel light beam, the collimator lens includes an incident surface having a predetermined radius of curvature and a concave lens having an exit surface having a smaller radius of curvature than the incident surface. The outer peripheral portion has a ring-shaped edge inclined at a predetermined angle, and has a conical recess on the optical axis of the incident surface, and the ring-shaped edge portion side surface and the conical recess side surface respectively. A collimator lens comprising a reflecting means.