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JP4094218B2 - Condensing optical system and image display device - Google Patents

Condensing optical system and image display device Download PDF

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JP4094218B2
JP4094218B2 JP2000333197A JP2000333197A JP4094218B2 JP 4094218 B2 JP4094218 B2 JP 4094218B2 JP 2000333197 A JP2000333197 A JP 2000333197A JP 2000333197 A JP2000333197 A JP 2000333197A JP 4094218 B2 JP4094218 B2 JP 4094218B2
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light beam
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暁 関口
智広 笹川
令幸 後藤
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Mitsubishi Electric Corp
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、反射型光空間変調素子であるデジタルマイクロミラーデバイス(DMDTM,Digital Micro−mirror Deviceの略、以下DMD)へ光を集光する集光光学系システムおよびこの集光光学系システムを用いた画像表示装置に係るものである。
【0002】
【従来の技術】
DMDは、例えば投影型スクリーンを備えた画像表示装置などに適用され、デジタル画像情報に基づいて空間的に光を強度変調する反射型の半導体素子である。集光光学系システムからリア面で光を受けて投影光学系システムへフロント面から強度変調光を出射する透過型の液晶方式と異なり、DMDを用いた画像表示装置は、集光光学系システムと投影光学系システムとをDMDの反射面側に設けて反射光学系システムを構成している。
【0003】
DMDの反射面には16μm平方角の微小ミラーが17μmのピッチで2次元マトリクス状に画面を構成する画素数相当、具体的には数十万個以上が配置されている。この微小ミラーは画像の一画素と一対一に対応しており、集光レンズを介してランプ光源からの光をDMDが反射面で受けると、各微小ミラーはデジタル画像情報にしたがって光を強度変調する。強度変調された光は、時間的なON/OFF制御によって画像情報光として反射面から出射する。
【0004】
図12はDMDの反射面の一部を拡大した図である。
図12において、101はDMDの反射面、102は反射面101に設けられた正方形形状の微小ミラー、Oは微小ミラー102を傾斜制御するための回転軸である。微小ミラー102はその対角線上に回転軸Oを有しており、この微小ミラー102への入射主光線の入射方向は、反射面101に対して他方の対角線と平行になるように、そして反射面101の法線に対して20°の入射角となるように設定される。
【0005】
各微小ミラー102は、メモリのデジタル画像情報に基づくコントロール電圧によって回転軸Oを中心としてON/OFFの2値制御を行うことができる。それぞれの傾斜角度は±10°に設定されて入射光の反射方向をスイッチする。この微小ミラー102の傾斜制御の動作について次に説明する。
【0006】
図13は微小ミラーの傾斜制御の動作を説明するための図である。
図13において、101はDMDの反射面であり、ここでは反射面101を水平としてある。102Aは反射面101とのなす傾斜角が+10°の場合の微小ミラー、102Bは反射面101とのなす傾斜角が−10°の場合の微小ミラー、Oは微小ミラー102A,102Bの回転軸である。図13では、回転軸Oを中心に時計周りの方向を+の傾斜角、反時計周りの方向を−の傾斜角としている。
【0007】
103は不図示の集光光学系システムから微小ミラー102A,102Bへ入射する入射主光線、104Aは微小ミラー102Aからの出射主光線、104Bは微小ミラー102Bからの出射主光線、105はスクリーン、105Aは微小ミラー102A,102Bと対応するスクリーン105の一絵素、106はDMDの反射面101とスクリーン105との間に設けられた投影光学系システムの投影レンズであり、投影レンズ106は出射主光線104Aを一絵素105Aへ投影する。
【0008】
入射主光線103は反射面101の法線nと20°の角度をなして微小ミラー102Aまたは102Bへ入射している。
スクリーン105の一絵素105Aへ光を投影する場合には、コントロール電圧によって傾斜角を+10°に傾斜制御する。このとき、入射主光線103は微小ミラー102Aの法線nAと10°の角度をなして微小ミラー102Aへ入射することになる。したがって反射の法則により、入射主光線103は反射面101の法線nの方向へ反射主光線104Aとして反射され、投影レンズ106を介してスクリーン105の一絵素105Aを明るくする(ON状態)。
【0009】
また、スクリーン105の一絵素105Aへ光を投影しない場合には、コントロール電圧によって傾斜角を−10°に傾斜制御する。このとき、入射主光線103は微小ミラー102Bの法線nBと30°の角度をなして微小ミラー102Bへ入射することになる。したがって反射の法則により、入射主光線103は反射面101の法線nと40°の角度をなす方向へ反射主光線104Bとして反射される。反射主光線104Bは、投影レンズ106の開口から外れる方向へ向うので、スクリーン105の一絵素105Aを明るくしない(OFF状態)。
【0010】
このように、DMDでは、微小ミラー102A,102Bを通常±10°の傾斜角でON/OFF制御する。傾斜角+10°(―10°)から傾斜角―10°(+10°)へ変化させる際の所要時間は10μsec以下であり、DMDは光を高速変調することができる。
【0011】
図13から分かるように、微小ミラー102A,102Bは傾斜角±10°で傾斜制御されるので、OFF状態の場合の入射主光線103と出射主光線104Bとは60°の角度をなす。一方、ON状態の場合の入射主光線103と出射主光線104Aとは20°の角度をなして最も接近する。このことを踏まえると、DMDへ入射可能な光束のF値は微小ミラーの傾斜角±10°によって制約されることが分かる。
【0012】
図14はF=3の円錐形の光束がON状態の微小ミラーへ入射する状態を表す図である。図13と同一または相当する構成については同一符号を付してある。図14において、107,108はそれぞれ微小ミラーの中心を頂点とするF=3(広がり角10°、立体角)の円錐形の入射光束、出射光束である。入射光束107,出射光束108は、微小ミラーの中心から観測したときの入射側、出射側の光の広がり方の様子をそれぞれ表している。
【0013】
107A,107Bは入射光束107に含まれる入射光線であり、108A,108Bは出射光束108に含まれる出射光線である。入射光線107Aは出射主光線104Aに最も近く、入射光線107Bは出射主光線104Aに最も遠くなっている。また、出射光線108Aは入射主光線103に最も近く、出射光線108Bは入射主光線103に最も遠くなっている。
【0014】
つまり、入射光線107A,107Bはそれぞれ最も外側の入射光束であり、入射主光線103と広がり角θ=10°をなして微小ミラー102Aへ入射して、微小ミラー102Aで反射されてそれぞれ出射光線108A,108Bになる。109Aは光軸nAと直交する平面であり、平面109Aで切断した場合の図14(a)の入射光束107,出射光束108を図14(b)に示している。図14(b)では、便宜的に光線103,104Aを平行とみなした場合の入射光束107,出射光束108を示している。
【0015】
図14(a)のON状態の微小ミラー102Aにおいて、入射主光線103と出射主光線104Aとは20°の角度をなしているので、入射主光線103を中心にした入射光束107の広がり角θをどの方向についても一定量と設定してあると、角度θ=10°の場合に入射光線107A,出射光線108Aが同一の法線nA上において一致する(図14(b))。
【0016】
したがって、角度θが10°を超えると、入射光線107Aを含む入射光束107の一部と、出射光線108Aを含む出射光束108の一部とが干渉してしまう。すなわち、入射光束を与える照明光学系と出射光束を取り込む投影光学系とが構造上重なってしまうことになる。このような理由によって、入射光束107と出射光束108との干渉を避けて角度θを10°に設定する。
【0017】
このとき、空気中の屈折率を1としてF=1/[2sin(θ)]からF値を求めると、F値の最小値は約3であることが分かる。一般に、F値は光学系の明るさを表しており、F値が小さいほど(θが大きいほど)光学系は明るくなるので、傾斜角±10°で傾斜制御される微小ミラー102Aへ光を集光する従来の集光光学系システムでは、F=3,すなわちθ=10°の円錐形の光束を入射する場合に、最も明るい光学系を作ることができる。
【0018】
続いて、DMD用の集光光学系システムを用いた画像表示装置について説明する。図15は従来の集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
図15において、111は光を発する発光体、112は発光体111を焦点に備える回転放物面形状のパラボラリフレクタであり、発光体111,パラボラリフレクタ112からランプ光源が構成されている。113はパラボラリフレクタ112が反射した光を集光する集光レンズ、114は集光レンズ113からの光を3原色に色分離するカラーホイールである。以下では、1枚のカラーホイールを用いてRGB3原色を時分割で照射し、3原色による色空間を再現できる単板方式で説明を進めるが、RGB3原色をそれぞれ独立にDMDへ照射する3板方式の場合もある。
【0019】
115はカラーホイール114からの光を入射端面で受け、輝度分布を均一化した光を出射端面から出射する4角柱形状のロッドインテグレータ、116はロッドインテグレータ115からの光をリレーするリレーレンズ、118は光路を折り曲げる折り返しミラー、119は入射光束中の各点の主光線方向をそろえるフィールドレンズである。
【0020】
120はTIRプリズムであり、投影光学系システムの入射部によって入射光束がケラレるのを防止するため、入射光束のみ全反射し、出射光束は直進させてそのまま通過させることで集光光学系システムと投影光学系システムとを構造的に分離する働きをしている。121は前述したDMD、122はDMD121の強度変調光を結像させる投影レンズ、123は投影レンズ122が結像した光を背面から受光して画像を表示する背面投影型のスクリーン、124は画像表示装置の各構成要素が共有する光軸である。
【0021】
次に動作について説明する。
パラボラリフレクタ112の焦点には、できるかぎり点光源を目指した発光体111が設置されているので、発光体111が発した光はパラボラリフレクタ112によって反射されて概ね平行光として出射する。集光レンズ113は、パラボラリフレクタ112からの平行光をF1=1(光軸124とのなす広がり角θ1=30°)の円錐形の光束として焦点に集光する。カラーホイール114を利用する場合には集光径を小さくする必要があるため、F=1が最適なF値として一般的に選ばれる。
【0022】
集光レンズ113の焦点にはロッドインテグレータ115の入射端面が設置してあり、カラーホイール114によって指定した色のみが選択された光は、矩形形状の入射端面からロッドインテグレータ115へ入射する。ロッドインテグレータ115へ入射した光は、ロッドインテグレータ115の側面を複数回反射することによって平均化され、出射端面では面内でほぼ均一な光強度分布になる。
【0023】
ロッドインテグレータ115の出射端面から出射した光は、入射端面への入射光と同様にF1=1で出射し、リレーレンズ116、折り返しミラー118、フィールドレンズ119を介してTIRプリズム120へ入射する。TIRプリズム120への入射光はTIRプリズム120内部で反射され、DMD121へ照射されると、DMD121はデジタル画像情報により画像情報を光束に与えて強度変調光を出射する。このときDMD121へ向う光はF=3が最適値として選ばれている。DMD121が出射した画像情報光は、TIRプリズム120を再び透過して投影レンズ122からスクリーン123へと投影される。
【0024】
以上の画像表示装置では、ロッドインテグレータ115の入射端面への入射光束のF値とDMD121の反射面への入射光束のF値とによって、ロッドインテグレータ115の入射端面・出射端面とDMD121の反射面とのサイズ比が決定される。
【0025】
図16はロッドインテグレータおよびDMDの関係を説明するための図である。図15と同一または相当する構成については同一の符号を付してあり、折り返しミラー118、フィールドレンズ119、TIRプリズム120などは図示を省略するとともに、フィールドレンズ119の特性はリレーレンズ116に含めて図示している。本来はDMDへの入射光はDMD光軸に対して20°の方向から入射するが、以下ではDMDへの入射条件のみを論じるので、入射主光線をDMDへ垂直に入射した場合の図も便宜的に用いることにする。
【0026】
図16において、wはロッドインテグレータ115の入射端面および出射端面の1辺長、aはロッドインテグレータ115からリレーレンズ116までの光軸124の長さ、bはリレーレンズ116からDMD121までの光軸124の長さ、WはDMD121の反射面の1辺長である。
【0027】
また、θ1はロッドインテグレータ115の出射端面からの光束が光軸124となす開き角、θ2はDMD121の反射面へ入射する光束が光軸124となす開き角である。一般に、角度θ1,θ2がさほど大きくない場合には、w/W=a/b=θ2/θ1=F1/F2の関係式が近似的に成り立つ。
【0028】
カラーホイール114を使用するためにθ1=30°(F=1)としてあり、また傾斜角±10°で傾斜制御されるDMD121の使用条件からθ2=10°(F2=3)としているので、w/W=a/b=F1/F2=1/3の関係式が得られる。つまり、図16の光学系では、リレーレンズ116を媒介して、1辺長wのロッドインテグレータ115からの光が1辺長WのDMD121へ倍率W/w=3で光が照射されている。このように、DMD121の反射面サイズと角度θ1,θ2とが決定されると、ロッドインテグレータ115の出射端面(入射端面)サイズも自動的に決定される。
【0029】
【発明が解決しようとする課題】
従来の集光光学系システムは以上のように構成されているので、傾斜角によってDMDへの入射光束のF値が制約されて、ロッドインテグレータの入射端面を大きくして損失を軽減することができず、光学系の明るさが制約されてしまうという課題があった。
【0030】
上の課題について具体的に説明する。
図15の画像表示装置に適用した集光光学系システムでは、できる限り点光源を目指した発光体111から全方向へ出射された光をパラボラリフレクタ112と集光レンズ113とによってF1=1(光軸124とのなす開き角が30°)の光線を変換してロッドインテグレータ115の入射面上へ集光している。図17(b)に示すように、このときのロッドインテグレータ115の入射面115Aへの集光分布125は光軸124に対して回転対象体となっている。
【0031】
ここで、もしランプ光源の大きさが無限小であれば、ロッドインテグレータ115上での集光面積もゼロになり、全ての光がロッドインテグレータ115内に取り込まれる。しかしながら、実際には、発光体111は有限の大きさを持っており、全方向へ出射された光を開き角30°まで縮めることは、リレーレンズと同様の原理によって、ランプ光源の大きさが拡大投影されてロッドインテグレータ115の入射面上に投影像として照射される。
【0032】
このランプ光源の投影像125Aは、ロッドインテグレータ115の入射面115Aよりも大きく(図17(c))、ランプ光源からの全ての光が入射面115Aへ取り込まれるわけではなく、一部の光はケラレて無駄になっており、全体の光利用効率の低下につがっている。
【0033】
この光のケラレを減少させるためにロッドインテグレータ115の入射端面を大きくしようとすると、前述したように、集光レンズ113からの光のF値(F1=1)と、DMD121への光のF値(F2=3)とが定まっているため、倍率W/w=3の関係を満たすようにDMD121のサイズを大きくしなければならず、コストアップにつながってしまう。
【0034】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、傾斜角によるDMDへの入射光束のF値の制約を受けることなく、ロッドインテグレータの入射端面を大きくして損失を軽減し、光学系の明るさを改善することができるDMD用の集光光学系システムおよびこの集光光学系システムを用いた画像表示装置を構成することを目的とする。
【0035】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る集光光学系システムは、ロッドインテグレータからの光線の出射端面における位置情報を、ロッドインテグレータの光軸と光線とがなす広がり角情報に変換したフーリエ変換面を作り出す第1レンズ群と、フーリエ変換面の近傍に配置され、ON状態の微小ミラーにおいて干渉成分となる部分光束を広がり角情報にしたがって遮蔽除去する遮蔽部を有する変形絞りと、変形絞りを透過した光線を受光して、デジタルマイクロミラーデバイスへ第2のF値の光束を入射する第2レンズ群とからリレー系を構成するようにしたものである。
【0036】
この発明に係る集光光学系システムは、集光レンズの光軸と直交する第1の座標軸方向の幅をデジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角で決まるF値を基に設定し、集光レンズの光軸および第1の座標軸とそれぞれ直交する第2の座標軸方向の平行光の幅を第1の座標軸方向の平行光の幅よりも大きくして出射する平行光変換手段をランプ光源と集光レンズとの間に備え、デジタルマイクロミラーデバイスの回転軸と第2の座標軸方向とを平行にしてリレー系が光束をリレーするようにしたものである。
【0037】
この発明に係る集光光学系システムは、集光レンズの光軸と一致する光軸を備え、第1の座標軸方向にのみレンズ作用を有するシリンドリカルレンズ群を平行光変換手段とするようにしたものである。
【0038】
この発明に係る集光光学系システムは、第1の座標軸方向においてのみ、集光レンズの光軸に対して斜めに出射されたランプ光源からの平行光を集光レンズの光軸と平行な方向へ屈折するプリズムを平行光変換手段とするようにしたものである。
【0039】
この発明に係る集光光学系システムは、光を発する発光体および発光体を焦点に備えたパラボラリフレクタからランプ光源が構成され、パラボラリフレクタの開口に設けらた開口板を平行光変換手段とするようにしたものである。
【0042】
この発明に係る画像表示装置は、上記の集光光学系システムと、マイクロミラーデバイスから出射した光束を投影する投影レンズと、投影レンズからの光束を結像するスクリーンとを備えるようにしたものである。
【0043】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
図1において、1は光を発する発光体(ランプ光源)、2は発光体1を焦点に備える回転放物面形状のパラボラリフレクタ(ランプ光源)であり、発光体1,パラボラリフレクタ2からランプ光源が構成されている。3はパラボラリフレクタ2が反射した光を集光する集光レンズ、4は集光レンズ3からの光を3原色に色分離するカラーホイールである。以下では、1枚のカラーホイールを用いてRGB3原色を時分割で照射し、3原色による色空間を再現できる単板方式で説明を進めるが、RGB3原色をそれぞれ独立にDMDへ照射する3板方式の場合もある。
【0044】
5はカラーホイール4からの光を入射端面で受け、輝度分布を均一化した光を出射端面から出射する4角柱形状のロッドインテグレータ、6はロッドインテグレータ5からの光を平行化する第1レンズ群(リレー系、図1では単レンズで図示)、7はロッドインテグレータ5からの出射光束を整形する変形絞り(リレー系)、8は光路を折り曲げる折り返しミラー、9は入射光束中の各点の主光線方向をそろえる第2レンズ群(リレー系、図1では単レンズで図示)である。第1レンズ群6、変形絞り7、第2レンズ群9は、この実施の形態1を特徴付ける構成要素であり、後述する非対称光束を生成する。
【0045】
10はTIRプリズムであり、投影光学系システムの入射部によって入射光束がケラレるのを防止するため、入射光束のみ全反射し、出射光束は直進させてそのまま通過させることで集光光学系システムと投影光学系システムとを光学的に分離する働きをしている。11は傾斜角±10°で傾斜制御される多数の微小ミラーによって空間的に光を強度変調するDMD,12はDMD11の強度変調光を結像させる投影レンズ、13は投影レンズ12が結像した光を背面から受光して画像を表示する背面投影型のスクリーン、14は画像表示装置の各構成要素が共有する光軸である。
【0046】
次に動作について説明する。
パラボラリフレクタ2の焦点には、アーク長が短く点光源に近い発光体11が設置されているので、発光体1が発した光はパラボラリフレクタ2によって反射されて概ね平行光として出射する。集光レンズ3は、パラボラリフレクタ2からの平行光をF1=1(光軸14とのなす広がり角θ1=30°)の円錐形の光束として焦点に集光する。カラーホイール4を利用する場合には集光径を小さくする必要があるため、F1=1(第1のF値)が最適なF値として一般的に選ばれる。
【0047】
集光レンズ3の焦点にはロッドインテグレータ5の入射端面が設置してあり、カラーホイール4によって指定した色のみが選択された光は、矩形形状の入射端面からロッドインテグレータ5へ入射する。この実施の形態1では、DMD11の反射面サイズWに対して、ロッドインテグレータ5の入射端面(出射端面)サイズwをW/2に設定して倍率W/w=2にしてある。従来と比較して、ロッドインテグレータ5の入射端面サイズを大きく設定しているので、集光レンズ3からの受光効率が改善されることになる。
【0048】
ロッドインテグレータ5へ入射した光は、ロッドインテグレータ5の壁面を複数回反射することによって平均化され、出射端面では面内でほぼ均一な光強度分布になる。ロッドインテグレータ5の出射端面から出射した光は、入射端面への入射光と同様にF1=1で出射し、第1レンズ群6、変形絞り7、折り返しミラー8、第2レンズ群9を介して非対称光束に変換され、TIRプリズム10へ入射する。
【0049】
TIRプリズム10へ入射した非対称光束はTIRプリズム10内部で反射され、DMD11を照射する。DMD11は、デジタル画像情報により非対称光束に画像情報を与えた強度変調光を出射する。DMD11より出射した強度変調光は、TIRプリズム10を再び透過して投影レンズ12からスクリーン13へと投影される。
【0050】
さて、従来(W/w=3)と比較して受光効率を改善するために、この実施の形態1では倍率W/w=2に設定しているので、w/W=θ2/θ1=F1/F2の関係から、DMD11を照射する光のF値はF2=2(第2のF値、広がり角θ2=15°)となっている。F2=2の場合には、従来の構成によると、次に示すような問題が発生する。
【0051】
図2はF2=2の円錐形の光束がON状態の微小ミラーへ入射する状態を表す図である。
図2において、15は水平に設置したDMD反射面、nはDMD反射面15の法線、16はDMDの微小ミラー、nAは微小ミラー16の法線である。微小ミラー16はON状態に傾斜制御されており、DMD反射面15と+10°の傾斜角をなしており、このとき法線nAと法線nとはθ=10°の角度をなしている。
【0052】
17は微小ミラー16の中心へ入射する入射主光線、18は入射主光線17を中心としたF2=2(広がり角15°、立体角)の入射光束、18A,18Bはそれぞれ入射光束18に含まれる入射光線、19は微小ミラー16で入射主光線17が反射された出射主光線、20は出射主光線19を中心としたF2=2の出射光束、20A,20Bはそれぞれ出射光束20に含まれる出射光線である。
【0053】
入射光束18,出射光束20は、微小ミラー16から観測したときの入射側、出射側の光の広がり方の様子をそれぞれ表している。入射光線18Aは出射主光線19に最も近く、入射光線18Bは出射主光線19に最も遠くなっている。また、出射光線20Aは入射主光線17に最も近く、出射光線20Bは入射主光線17に最も遠くなっている。
【0054】
つまり、入射光線18A,18Bはそれぞれ最も外側の入射光束中の光線であり、入射主光線17と角度θ2=15°をなして微小ミラー16へ入射し、微小ミラー16で反射されてそれぞれ出射光線20A,20Bになる。
【0055】
21は入射光束18と出射光束20との干渉成分、22Aは入射主光線17と直交する平面、22Bは出射主光線19と直交する平面であり、平面22Aで切断した入射光束18、平面22Bで切断した出射光束20の断面をともに図2(b)に示している。図2(b)では、便宜的に入射主光線17、出射主光線19を平行とみなしている。比較のために、図12(b)を図2(c)に再掲する。
【0056】
傾斜角±10°で傾斜制御される微小ミラー16において、入射主光線17は法線nAと角度θ=10°をなしており、反射の法則により、出射主光線19は法線nAと角度θ=10°をなすので、入射主光線17と出射主光線19とは20°の角度をなしている。このような場合に、広がり角θ2=15°の入射光束18が微小ミラー16へ入射すると、入射光束18と出射光束20との間で干渉成分21(図2の斜線部分)が発生する。
【0057】
図2(b)と図2(c)とを比較すると、広がり角θ2=15°にした図2(b)の方が、広がり角を10°にした従来の図2(c)よりも光束の断面積が大きくなって光利用の照明効率を向上できるが、干渉成分21が発生してしまうため、F2=3より小さなF値の入射光束はDMDへ入射できないものと考えていたのが従来の設計基準であった。
【0058】
この干渉成分21の発生を回避するように光学系の設計を制約しなければならないという考え方が従来の基本設計であり、この考え方に立脚して構成した光学系では、DMDの傾斜角によって決まるF値が制約されて、画像表示装置の明るさを改善することができない。
【0059】
これに対して、この実施の形態1では、従来の基本設計に全く則らず、F値がF2=2の光束をDMDへ入射するようにして光学系の明るさを改善している。このときに、F2=2の入射光束から干渉成分21を除去した非対称光束を生成するために、第1レンズ群6、変形絞り7、第2レンズ群9をリレー系として設けている。以下、第1レンズ群6、変形絞り7、第2レンズ群9の具体的な動作について詳述する。
【0060】
図3は第1レンズ群6および第2レンズ群9の働きを説明するための図である。図1と同一または相当する構成については同一の符号を付してあり、説明の便宜上、折り返しミラー8やTIRプリズム10の図示を省略して、DMD11の反射面に対して入射主光線を垂直に入射している。
【0061】
図3において、23はロッドインテグレータ5の出射端面上の3点A,B,Cからそれぞれ出射したF=1の各光束である。ここでは点A,B,Cからの光束23を代表として考える。点Aから出射する光束23(1点破線)、点Bから出射する光束23(実線)、点Cから出射する光束23(破線)はいずれもF1=1でロッドインテグレータ5の出射端面から出射している。
【0062】
各光束23の主光線には○印をそれぞれ付しており、○印の各主光線とθ1=30°の広がり角をなして出射する互いに平行な各光線には×印、△印をそれぞれ付してある。このうち×印の光線とその近傍の光線が図2の干渉成分21になるものとする。
【0063】
ロッドインテグレータ5の出射端面上の点A〜Cから広がり角θ1=30°でそれぞれ出射した各光束23は、第1レンズ群6へ入射する。第1レンズ群6は、各光束23に含まれる光線を全て平行化するように作用するので、各点A〜Cから出射した×印、○印、△印の各光線は、光軸14と直交するフーリエ変換面7A上の点D,E,Fにそれぞれ集められる。
【0064】
すなわち、第1レンズ群6は、ロッドインテグレータ5の出射端面の位置情報を広がり角情報に2次元フーリエ変換している。したがって、フーリエ変換面7A上の各点D〜Fでは、広がり角θ1が等しい光線は全て同一の1点に集光され、×印の光線、○印の光線、△印の光線は、点D,E,Fにそれぞれ集まる。
【0065】
点D〜Fを透過した各光線は第2レンズ群9へ入射する。第2レンズ群9は、DMD11反射面の各点G,H,IへF2=2の光束を入射する働きをしている。各点G〜Iへ入射する光束では、○印を付した各主光線に対して、×印の光線と△印の光線とは広がり角θ2=15°をなしている。
【0066】
図4はロッドインテグレータからの出射光束、変形絞りおよび非対称光束の断面形状を示す図である。図4(a)はロッドインテグレータから出射したF=1の出射光束23の断面形状、図4(b)は変形絞り7の断面形状、図4(c)はDMD11へ入射する非対称光束の断面形状である。図1,3と同一または相当する構成については、同一の符号を付してある。DMDおよびTIRプリズムの特性から、変形絞りの断面形状は図4に示されるように、わずかに湾曲するD字形が最適となる。
【0067】
図4において、7Zは変形絞り7に設けられた遮蔽部であり、干渉成分を発生させる光線を遮蔽除去する。遮蔽部7Z以外の部分は変形絞り7のD字形開口である。24は変形絞り7によって形成された非対称光束、24Zは変形絞り7の遮蔽部7Zによって遮蔽除去された部分光束であり、部分光束24Zが図2の干渉成分21を発生させる。
【0068】
図5は変形絞り9の働きを説明するための図である。図1,3と同一または相当する構成については同一の符号を付してある。図5では、第1群レンズ6と第2群レンズ9からなる図3の光学系において、図4(b)の変形絞り7を光軸14に開口を直交させてフーリエ変換面7Aの近傍に設置している。
【0069】
フーリエ変換面7Aに設置された変形絞り7は、干渉成分21に含まれる×印の光線とその近傍の光線(干渉成分21を発生する部分光束24Z)を遮蔽部7Zによって一括して遮蔽除去する。したがって、図5では、○印の主光線と20°の角度をなす□印の光線(広がり角20°)と、○印の主光線と30°の角度をなす△印の光線および○印の主光線が、変形絞り7の開口を通過して第2レンズ群9へ入射する。以上では、変形絞りが明らかな開口を有するように説明したが、円形部分は入射側で制限されている場合、図4の遮蔽部7Zのみで同等の作用を得ることができる。
【0070】
第2レンズ群9は、DMD11の点G〜Iを照射する。点G〜Iへは、破線の光線、実線の光線、一点破線の光線がそれぞれ集光され、×印を付した光線は変形絞り7によって遮蔽除去されているので、点G〜Hへ入射する○印の主光線に対して広がり角15°の△印の光線、広がり角20°の□印の光線を含んだ各非対称光束24がDMD11へ入射する。以上のように、第1レンズ群6,変形絞り7,第2レンズ群9によって非対称光束24を作り出している。
【0071】
図6は非対称光束がON状態の微小ミラーへ入射する状態を表す図である。図2と同一または相当する構成については同一の符号を付してある。ここでのリレー系は従来と同様の構成であっても良い。
DMDの微小ミラー16へ入射する非対称入射光束18Zは、入射光線18Bや入射光線18Cを含んでいる。入射光線18Bは図3,5の△印を付した光線に相当する。また、入射光線18Cは変形絞り7の遮蔽部7Zによって遮蔽除去された図2の干渉成分21と接する光線であり、図5の□印を付した光線に相当し、微小ミラー16の反射によって出射光線20Cになる。
【0072】
非対称光束18Zは、図6(b)に示した従来の光束107,108と比較して、DMD11の微小ミラー16をより多く照明できるようになっており、かつ、入射主光線17に対して非対称な断面形状を有しているので、非対称出射光束20Zと干渉することなく微小ミラー16によって反射される。図6(b)の斜線を施した部分がこの実施の形態1の効果であり、照明効率の改善結果に相当する。
【0073】
以上のように、この実施の形態1によれば、F1=1の光束を受光するロッドインテグレータ5の入射端面サイズwをDMD11の反射面サイズWの1/2倍に設定するとともに、ロッドインテグレータ5の出射光束の位置情報を第1レンズ群6によって広がり角情報にフーリエ変換し、干渉成分21を発生させる部分光束24ZをD字形開口の変形絞り7によって一括して遮蔽除去し、変形絞り7の出射光線から第2レンズ群9によって非対称光束24を生成してDMD11へ照射するようにしたので、DMD11の傾斜角によって入射光束のF値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【0074】
なお、遮蔽部7Zの形状は、DMD11へ入射する光束のF値や入射角に応じて、干渉成分21が発生しないように設計する。
【0075】
実施の形態2.
実施の形態1では、干渉成分となる光線を遮蔽除去した非対称光束を用いた例について説明したが、この実施の形態2では、楕円断面形状を有する光束について説明する。
【0076】
図7はこの発明の実施の形態2による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。図7では、光軸14の方向にz軸、z軸と垂直にx軸(第1の座標軸)とy軸(第2の座標軸)とをそれぞれ設定しており、図7(a)はx−z面における断面図、図7(b)はy−z面における断面図である。図1と同一または相当する構成については同一の符号を付してある。
【0077】
図7において、25,26はランプ光源と集光レンズ3との間にそれぞれ設けられたシリンドリカルレンズ(平行光変換手段、シリンドリカルレンズ群)である。シリンドリカルレンズ25,26は、x軸方向にのみレンズ作用を有しており、シリンドリカルレンズ25は正レンズ、シリンドリカルレンズ26は負レンズとして働く。図7(a)のx軸方向において、ランプ光源からの平行光は、シリンドリカルレンズ25,26を介して幅Axの平行光に変換される。
【0078】
一方、図7(b)のy軸方向では、シリンドリカルレンズ25,26はレンズ作用を有さないため、パラボラリフレクタ2からの幅Ayの平行光は、シリンドリカルレンズ25,26をそのまま平行に透過する。
【0079】
このときに、Ax:Ay=2:3の比率になるように、シリンドリカルレンズ25,26のレンズ作用を設計しておくと、集光レンズ3を透過した幅Ax,Ayの平行光は、x軸方向の広がり角20°、y軸方向の広がり角30°で集光される。
【0080】
このように、ロッドインテグレータ5の入射端面側において、直交する2つのx、y軸方向で異なる角度分布の光束を生成することにより、楕円状の角度分布を有する入射光束を生成するようにしている。
【0081】
ロッドインテグレータ5の出射端面の縦軸、横軸方向のサイズをそれぞれWx/2,Wy/2(Wx,WyはDMD11の縦軸、横軸方向の反射面サイズ)とすると、x、y軸方向にそれぞれ光軸と広がり角20°、30°をなした光束がロッドインテグレータ5から出射し、x,y軸方向に10°,15°の角度分布をそれぞれ有する光束がDMD11へ入射する。このときのDMD11への光束は、y軸方向に3の長軸、x軸方向に2の短軸をそれぞれ有する図7(c)の楕円断面形状の入射光束27となる。
【0082】
実施の形態1と同様に、DMD11の微小ミラーによって入射光束27を反射した出射光束28の主光線をDMD11の反射面の法線方向へ出射し、この法線方向に対して光束27の主光線を20°の角度をなして、かつ微小ミラーの回転軸と入射光束27、出射光束28の長軸(y軸)の関係は平行になるようにして微小ミラーへ入射すると、図7(c)に示すように、入射光束27と出射光束28との間に干渉成分を生じないようにすることができ、真円断面形状の従来の光束107,108と比較して、入射光束27、出射光束28の断面積の方が大きくなっているので、照明効率を改善することができるという効果が得られる。
【0083】
なお、入射光束27、出射光束28の楕円断面形状は、投影レンズ9の受光能力29に合わせて決定する。また、シリンドリカルレンズ25,26の個数は特に限定されない。
【0084】
図7に示す構成の他にも、楕円断面形状の光束を生成することができる。
図8はこの発明の実施の形態2による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図であり、図8(a)は側面図(x−z面)、図8(b)は上面図(y−z面)である。図1と同一または相当する構成については同一の符号を付してあり、ロッドインテグレータ以降の構成は図示を省略している。
【0085】
図8において、30はランプ光源と集光レンズ3との間に設けられたプリズム(平行光変換手段)である。図8(a)のx−z面では、発光体1、パラボラリフレクタ2から構成されるランプ光源からの平行光を光軸14に対して斜めに屈折し、この平行光をプリズム30によって光軸14と平行にする。プリズム30から出射した平行光のx軸方向の幅はAxとなって集光レンズ3へ入射し、x軸方向の光軸14とのなす広がり角が20°の光束として集光レンズ3から不図示のロッドインテグレータへ入射する。
【0086】
一方、図8(b)のy−z面では、ランプ光源からの平行光はy軸方向の幅Ayを保ったままプリズム30を透過して、光軸14とのなす広がり角が30°の光束として集光レンズ3から不図示のロッドインテグレータ5へ入射する。図7と同様に、Ax:Ay=2:3となるようにプリズム30は設計されているので、以下の動作は、シリンドリカルレンズ25,26と同様である。
【0087】
このように、プリズム30を用いることで、図5の場合と同様に、x,y軸方向の角度分布が異なる光束をロッドインテグレータへ入射しているので、楕円断面形状の光束を生成して干渉成分を発生させることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【0088】
図9はこの発明の実施の形態2による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図であり、図9(a)は側面図(x−z面)、図9(b)は上面図(y−z面)である。図1と同一または相当する構成については同一の符号を付してあり、ロッドインテグレータ以降の構成は図示を省略している。
【0089】
図7において、31はパラボラリフレクタ2の開口を制限する開口板(平行光変換手段)である。開口板31は、図7(b)のy−z面では開口板31から幅Ayの平行光を出射し、図7(a)のx−z面では幅Axの開口板31によってx軸方向の幅をAxに制限して平行光を集光レンズ3へ出射する。この場合にも、Ax:Ay=2:3である。このようにして開口板31から出射した平行光は、x軸方向の平行光の幅Ax,y軸方向の平行光の幅Ayに応じて、光軸14とのなすx軸方向の広がり角が20°,光軸14とのなすy軸方向の広がり角が30°の光束として集光レンズ3から不図示のロッドインテグレータへ入射する。
【0090】
このようにしても、図7や図8と同様に、x,y軸方向の角度分布が異なる光束をロッドインテグレータへ入射しているので、楕円断面形状の光束を生成して干渉成分を発生させることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【0091】
なお、図7のシリンドリカルレンズ25,26や図8のプリズム30は、ランプ光源からの平行光を全て透過して利用しているので、平行光の無駄なく利用することができる。
【0092】
また、図7のシリンドリカルレンズ25,26や図8のプリズム30と比較して、図9の開口板31は構成が簡単であり、楕円断面形状の光束をより容易に生成することができる。
【0093】
さらに、図9の開口板31は、開口板31のパラボラリフレクタを向いた裏面によって遮られた発光体1からの20°から30°までの広い角度領域の光は、開口板31の裏面とパラボラリフレクタ2との間を複数回反射して開口板31から広がり角20°以下の狭い領域の光を出射するようになるので、ランプ光源の効率を向上するようにすることができる。
【0094】
実施の形態3.
実施の形態2では、ロッドインテグレータ5の入射端面側で楕円断面形状の光束を生成する構成を説明したが、この実施の形態3では、ロッドインテグレータ5の出射端面側で楕円断面形状の光束を生成する構成について説明する。
【0095】
図10はこの発明の実施の形態3による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図であり、図10(a)は側面図(x−z面)、図10(b)は上面図(y−z面)である。図1と同一または相当する構成については同一の符号を付してあり、説明の便宜上、折り返しミラー8やTIRプリズム10の図示を省略して、DMD11の反射面に対して入射主光線を垂直に入射している。
【0096】
図10において、32は入射端面・出射端面が平行四辺形形状に形成されたロッドインテグレータであり、DMD11のx,y軸方向の反射面サイズをWx,Wyとすると、ロッドインテグレータ32の入射端面・出射端面サイズはx軸方向でWx/3,y軸方向でWy/2に設定してある。33,34はそれぞれロッドインテグレータ32とDMD11との間に設けられたシリンドリカルレンズ(それぞれ第1のシリンドリカルレンズ群、第2のシリンドリカルレンズ群)である。シリンドリカルレンズ33はx軸方向にのみ、シリンドリカルレンズ34はy軸方向にのみ、それぞれ異なる正レンズ作用を有している。
【0097】
パラボラリフレクタ2からの平行光は、集光レンズ3によってF=1の光としてロッドインテグレータ32の入射端面へ集光され、ロッドインテグレータ32の出射端面からx軸方向、y軸方向ともに広がり角30°のF=1の光としてシリンドリカルレンズ33,34へ出射する。x軸方向に正レンズ作用を有するシリンドリカルレンズ33は、x−z面において光軸14とのなす広がり角10°(F=3に相当)の光束をDMD11へ入射し、y軸方向に正レンズ作用を有するシリンドリカルレンズ34は、y−z面において光軸14とのなす広がり角15°(F=2に相当)の光束をDMD11へ入射する。
【0098】
このロッドインテグレータ32の出射光束は、x軸方向、y軸方向ともに広がり角30°だが、シリンドリカルレンズ33によってx軸方向は3倍、y軸方向は2倍と倍率を変えることで、倍率の関係式からx軸方向で開き角10°、y軸方向で15°になる。
【0099】
このとき、DMD11の反射面サイズWx,Wyに対して、図10(a)のx−z面ではロッドインテグレータ32の出射端面サイズをWx/3、図10(b)のy−z面ではロッドインテグレータ32の出射端面サイズをWy/2としてあるので、図16に示した従来の場合の倍率3と比較すると、図10(a)では従来と同様に倍率3(倍率比3÷3=1)、図10(b)では倍率2(倍率比3÷2=1.5)になっている。
【0100】
したがって、実施の形態2と同様に、x軸方向の倍率とy軸方向の倍率とが異なっているので,x,y軸方向に短軸、長軸をそれぞれ有する楕円断面形状の光束を生成して光学系の明るさを向上することができるようになる。
【0101】
このときのロッドインテグレータ32の入射端面・出射端面サイズとDMD11の反射面サイズとの倍率比は、x軸方向に倍率3、y軸方向に倍率2となっているので、ロッドインテグレータサイズと倍率の積が反射面サイズとなることから、従来のx、y軸がともに3倍の光学系に比べて、図16のロッドインテグレータ115の入射端面・出射端面のx軸方向を×1の長さ、y軸方向を×1.5の長さにする必要がある。
【0102】
図16のロッドインテグレータ115の出射端面とロッドインテグレータ32の出射端面を図10(c)にしてある。DMD11の正方形の微小ミラーはその対角線上に回転軸を有しており、この正方形の微小ミラーが縦横比3:4の反射面に配列されている。
【0103】
ロッドインテグレータの出射端面とDMD11反射面とは互いに結像関係にあるので、倍率3のロッドインテグレータ115の出射端面に対して微小ミラーと回転軸を投影すると、図7(c)と同様に、回転軸方向に楕円長軸方向が来るようにして干渉成分の発生を防ぐので、回転軸は図10(c)のy軸に相当することが分かる。したがって、このy軸と直交する方向にx軸が存在し、x,y軸方向の倍率比がそれぞれ1,1.5なので、ロッドインテグレータ32の出射端面は、y軸方向の長さlだけを×1.5にした平行四辺形にする。
【0104】
以上のように、この実施の形態3によれば、x,y軸方向の出射端面サイズをWx/3,Wy/2とした平行四辺形の出射端面を有するロッドインテグレータ32と、ロッドインテグレータ32から出射されたF1=1の光束を受光して、x軸方向にのみ正レンズ作用を光束に与えてF2=3の光束をDMD11へ出射するシリンドリカルレンズ33と、ロッドインテグレータ32から出射されたF1=1の光束を受光して、y軸方向にのみ正レンズ作用を光束に与えてF2=2の光束をDMD11へ出射するシリンドリカルレンズ34とを備えるようにしたので、実施の形態2と同様に、微小ミラーの回転軸に平行な長軸を有する楕円断面形状の光束をDMD11へ入射することができるようになり、ロッドインテグレータ32の入射端面を大きくして受光効率を向上させ、干渉成分をDMD11で発生させることなく、光学系の明るさを向上することができるという効果が得られる。
【0105】
なお、シリンドリカルレンズ33,34の枚数は2枚に限定されることなく、複数枚のシリンドリカルレンズによって構成するようにしても良い。
【0106】
実施の形態4.
図11はこの発明の実施の形態4による集光光学系システムからの入射光束がON状態の微小ミラーへ入射する状態を表す図である。図6,7と同一または相当する構成については同一の符号を付してある。
【0107】
図11において、35は法線nAと角度10°+αをなして微小ミラー16へ入射する入射主光線、36は入射主光線35を中心として微小ミラー16の中心を頂点とする円錐形の入射光束、36A,36Bは入射光束36に含まれる入射光線、37は法線nAと角度10°+αをなして微小ミラー16から出射する出射主光線、38は出射主光線37を中心として微小ミラー16の中心を頂点とする円錐形の出射光束、38A,38Bは出射光束38に含まれる出射光線である。
【0108】
微小ミラー16の反射によって、入射主光線35および入射光線36A,36Bはそれぞれ出射主光線37および出射光線38A,38Bになる。ここでは例として、入射光束27,36および出射光束28,38は、実施の形態2,3にしたがって楕円断面形状の光束としてある。
【0109】
図11(a)に示すように、これまでの考え方では、傾斜角10°で傾斜制御されるDMDの反射面15の法線n方向へ出射主光線19を出射するために、微小ミラー16の法線nAに対して10°の角度をなすように入射主光線17を微小ミラー16へ入射するようにしていた。この場合には、入射主光線17と出射主光線19とは20°の角度をなしており、このため、入射主光線17が伴う入射光束27と出射主光線19が伴う出射光束28との干渉が発生しないように、入射光束27の広がり角を制限する必要が生じていた。
【0110】
これに対して、この実施の形態4では、法線nAとのなす角度を10°+αとして入射主光線35を微小ミラー16へ入射して、法線nAに対して10°+αの角度をなして法線nの斜め方向へ出射主光線37を微小ミラー16から出射するようにしている。入射主光線17、出射主光線19の場合と比較すると、入射主光線35と出射主光線37との間のなす角は20°+2αになっている。
【0111】
したがって、図11(b)に示すように、入射光束27、出射光束28の場合と比較すると、入射光束36、出射光束38の広がり角に角度2αのマージンを与えることができるようになり、このマージン角度2αに応じてより小さなF値(より広がり角の大きな)の光束を微小ミラー16へ入射し、光学系の明るさを向上することができるようになる。
【0112】
なお、不図示の投影レンズの光軸は法線nに一致させるので、法線nに対して斜めに出射する出射主光線37の出射光束38を全て受光できるように、出射光束38に含まれる光線の中で、法線nと最も大きな角度をなす出射光線38Bを受光できるように投影レンズ29を設計する。
【0113】
なお、以上では、楕円断面形状の入射光束36、出射光束38を用いて説明を進めてきたが、この実施の形態4はこれに限定されるものではなく、従来の技術の真円断面形状を有する光束や、実施の形態1の非対称光束に適用するようにしても良い。
【0114】
以上のように、この実施の形態4によれば、傾斜角10°で制御されるDMDの微小ミラー16の法線nAに対して、角度10°+αをなす方向から入射主光線35を微小ミラー16へ入射するようにしたので、入射主光線35と出射主光線37とが角度20°+2αをなすようになり、マージン角度2αに応じてより小さなF値の光束をDMDへ入射して、DMDの傾斜角によって入射光束のF値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【0115】
以上の説明では、DMDの傾斜角を10°としてきたが、この発明はこれに限定されるものではなく、DMDの傾斜角が10°以外の値にも適用することができ、傾斜角の値に応じて各角度を正比例の関係で計算すれば良い。また、各実施の形態では、拡大する光の広がり角を15°(F=2)で説明したが、かならずしも15°である必要はなく、微小ミラーの傾斜角以上であれば明るさ改善の効果があることは言うまでもない。
【0116】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ロッドインテグレータからの光線の出射端面における位置情報を、ロッドインテグレータの光軸と光線とがなす広がり角情報に変換したフーリエ変換面を作り出す第1レンズ群と、フーリエ変換面の近傍に配置され、ON状態の微小ミラーにおいて干渉成分となる部分光束を広がり角情報にしたがって遮蔽除去する遮蔽部を有する変形絞りと、変形絞りを透過した光線を受光して、デジタルマイクロミラーデバイスへ第2のF値の光束を入射する第2レンズ群とからリレー系を構成するようにしたので、デジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角によって入射光束のF値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【0117】
この発明によれば、集光レンズの光軸と直交する第1の座標軸方向の幅をデジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角で決まるF値を基に設定し、集光レンズの光軸および第1の座標軸とそれぞれ直交する第2の座標軸方向の平行光の幅を第1の座標軸方向の平行光の幅よりも大きくして出射する平行光変換手段をランプ光源と集光レンズとの間に備え、デジタルマイクロミラーデバイスの回転軸と第2の座標軸方向とを平行にしてリレー系が光束をリレーするようにしたので、デジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角によって入射光束のF値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【0118】
この発明によれば、集光レンズの光軸と一致する光軸を備え、第1の座標軸方向にのみレンズ作用を有するシリンドリカルレンズ群を平行光変換手段とするようにしたので、デジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角によって入射光束のF値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができ、ランプ光源からの平行光を全て無駄なく利用することができるという効果が得られる。
【0119】
この発明によれば、第1の座標軸方向においてのみ、集光レンズの光軸に対して斜めに出射されたランプ光源からの平行光を集光レンズの光軸と平行な方向へ屈折するプリズムを平行光変換手段とするようにしたので、デジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角によって入射光束のF値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができ、ランプ光源からの平行光を全て無駄なく利用することができるという効果が得られる。
【0120】
この発明によれば、光を発する発光体および発光体を焦点に備えたパラボラリフレクタからランプ光源が構成され、パラボラリフレクタの開口に設けらた開口板を平行光変換手段とするようにしたので、デジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角によって入射光束のF値を制約されることなく、光学系の明るさを簡単な構成で改善することができ、ランプ光源の効率を向上するようにすることができるという効果が得られる。
【0121】
この発明によれば、ロッドインテグレータの光軸と直交する第1の座標軸方向にのみ第1のレンズ作用を有する第1のシリンドリカルレンズ群と、ロッドインテグレータの光軸および第1の座標軸とそれぞれ直交する第2の座標軸方向にのみ第2のレンズ作用を有する第2のシリンドリカルレンズ群とからリレー系を構成するようにしたので、デジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角によって入射光束のF値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【0122】
この発明によれば、デジタルマイクロミラーデバイスが有するON状態の微小ミラーの法線に対して、微小ミラーの傾斜角よりも大きな入射角で入射光束の主光線をリレー系が微小ミラーへ入射するようにしたので、デジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角によって入射光束のF値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【0123】
この発明によれば、上記の集光光学系システムと、マイクロミラーデバイスから出射した光束を投影する投影レンズと、投影レンズからの光束を結像するスクリーンとを備えるようにしたので、光学系の明るさを改善した画像表示装置を構成することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
【図2】 F値が2の円錐形の光束がON状態の微小ミラーへ入射する状態を表す図である。
【図3】 第1レンズ群および第2レンズ群の働きを説明するための図である。
【図4】 ロッドインテグレータからの出射光束、変形絞りおよび非対称光束の断面形状を示す図である。
【図5】 変形絞りの働きを説明するための図である。
【図6】 非対称光束がON状態の微小ミラーへ入射する状態を表す図である。
【図7】 この発明の実施の形態2による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
【図8】 この発明の実施の形態2による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
【図9】 この発明の実施の形態2による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
【図10】 この発明の実施の形態3による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
【図11】 この発明の実施の形態4による集光光学系システムからの入射光束がON状態の微小ミラーへ入射する状態を表す図である。
【図12】 DMDの反射面の一部を拡大した図である。
【図13】 微小ミラーの傾斜制御の動作を説明するための図である。
【図14】 F値が3の円錐形の光束がON状態の微小ミラーへ入射する状態を表す図である。
【図15】 従来の集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
【図16】 ロッドインテグレータおよびDMDの関係を説明するための図である。
【図17】 ロッドインテグレータに対する集光分布を説明するための図である。
【符号の説明】
1 発光体(ランプ光源)、2 パラボラリフレクタ(ランプ光源)、3 集光レンズ、4 カラーホイール、5 ロッドインテグレータ、6 第1レンズ群(リレー系)、7 変形絞り(リレー系)、7Z 遮蔽部、8 折り返しミラー、9 第2レンズ群(リレー系)、10 TIRプリズム、11 デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、12 投影レンズ、13 スクリーン、14 光軸、15 DMD反射面、n 法線、16 微小ミラー、nA 法線、17 入射主光線、18 入射光束、18A,18B,18C 入射光線、19 出射主光線、20 出射光束、20A,20B,20C 出射光線、21 干渉成分、22A 平面、22B 平面、23 光束、24 非対称光束、24Z 部分光束、25,26 シリンドリカルレンズ(平行光変換手段、シリンドリカルレンズ群)、30 プリズム(平行光変換手段)、31 開口板(平行光変換手段)、32 ロッドインテグレータ、33 シリンドリカルレンズ(第2のシリンドリカルレンズ群)、34 シリンドリカルレンズ(第2のシリンドリカルレンズ群)、35 入射主光線、36 入射光束、36A,36B 入射光線、37 出射主光線、38 出射光束、38A,38B 出射光線。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a digital micromirror device (DMD) which is a reflective spatial light modulator. TM , Digital Micro-mirror Device, hereinafter referred to as DMD), and a light collecting optical system that collects light and an image display apparatus using the light collecting optical system.
[0002]
[Prior art]
The DMD is a reflective semiconductor element that is applied to, for example, an image display device including a projection screen and spatially modulates light intensity based on digital image information. Unlike a transmissive liquid crystal system that receives light from the condensing optical system at the rear surface and emits intensity-modulated light from the front surface to the projection optical system, an image display device using DMD is a condensing optical system. A projection optical system is provided on the reflection surface side of the DMD to constitute a reflection optical system.
[0003]
On the reflecting surface of the DMD, micromirrors with a square diameter of 16 μm are arranged at a pitch of 17 μm, corresponding to the number of pixels constituting a screen in a two-dimensional matrix, specifically several hundred thousand or more. This micro mirror has a one-to-one correspondence with one pixel of the image. When the DMD receives light from the lamp light source through the condenser lens on the reflecting surface, each micro mirror modulates the light intensity according to the digital image information. To do. The intensity-modulated light is emitted from the reflecting surface as image information light by temporal ON / OFF control.
[0004]
FIG. 12 is an enlarged view of a part of the reflection surface of the DMD.
In FIG. 12, reference numeral 101 denotes a DMD reflecting surface, 102 denotes a square-shaped micromirror provided on the reflecting surface 101, and O denotes a rotation axis for controlling the tilt of the micromirror 102. The micromirror 102 has a rotation axis O on the diagonal, and the incident direction of the principal ray incident on the micromirror 102 is parallel to the other diagonal with respect to the reflective surface 101 and the reflective surface. The incident angle is set to 20 ° with respect to the normal of 101.
[0005]
Each micromirror 102 can perform ON / OFF binary control around the rotation axis O by a control voltage based on the digital image information in the memory. Each inclination angle is set to ± 10 ° to switch the reflection direction of incident light. Next, the tilt control operation of the micromirror 102 will be described.
[0006]
FIG. 13 is a diagram for explaining the operation of tilt control of the micromirror.
In FIG. 13, reference numeral 101 denotes a DMD reflecting surface, and here, the reflecting surface 101 is horizontal. 102A is a micro mirror when the tilt angle formed with the reflecting surface 101 is + 10 °, 102B is a micro mirror when the tilt angle formed with the reflecting surface 101 is −10 °, and O is the rotation axis of the micro mirrors 102A and 102B. is there. In FIG. 13, a clockwise direction around the rotation axis O is a positive inclination angle, and a counterclockwise direction is a negative inclination angle.
[0007]
Reference numeral 103 denotes an incident principal ray incident on the micromirrors 102A and 102B from a condensing optical system (not shown), 104A denotes an outgoing principal ray from the micromirror 102A, 104B denotes an outgoing principal ray from the micromirror 102B, 105 denotes a screen, and 105A. Is a picture element of the screen 105 corresponding to the micromirrors 102A and 102B, 106 is a projection lens of the projection optical system provided between the reflective surface 101 of the DMD and the screen 105, and the projection lens 106 is an outgoing principal ray. 104A is projected onto one picture element 105A.
[0008]
The incident principal ray 103 is incident on the micromirror 102A or 102B at an angle of 20 ° with the normal line n of the reflecting surface 101.
When light is projected onto one picture element 105A of the screen 105, the tilt angle is controlled to + 10 ° by the control voltage. At this time, the incident principal ray 103 is incident on the micromirror 102A at an angle of 10 ° with the normal line nA of the micromirror 102A. Therefore, according to the law of reflection, the incident principal ray 103 is reflected as a reflected principal ray 104A in the direction of the normal line n of the reflecting surface 101, and the picture element 105A of the screen 105 is brightened through the projection lens 106 (ON state).
[0009]
When light is not projected onto one picture element 105A of the screen 105, the tilt angle is controlled to −10 ° by the control voltage. At this time, the incident principal ray 103 is incident on the micromirror 102B at an angle of 30 ° with the normal nB of the micromirror 102B. Therefore, according to the law of reflection, the incident principal ray 103 is reflected as a reflected principal ray 104B in a direction that forms an angle of 40 ° with the normal line n of the reflecting surface 101. Since the reflected principal ray 104B is directed in a direction away from the opening of the projection lens 106, one picture element 105A of the screen 105 is not brightened (OFF state).
[0010]
Thus, in the DMD, the micromirrors 102A and 102B are normally ON / OFF controlled at an inclination angle of ± 10 °. The time required for changing from the tilt angle + 10 ° (−10 °) to the tilt angle −10 ° (+ 10 °) is 10 μsec or less, and the DMD can modulate light at high speed.
[0011]
As can be seen from FIG. 13, since the micromirrors 102A and 102B are controlled to be tilted at a tilt angle of ± 10 °, the incident principal ray 103 and the outgoing principal ray 104B in the OFF state form an angle of 60 °. On the other hand, the incident principal ray 103 and the outgoing principal ray 104A in the ON state are closest to each other at an angle of 20 °. In light of this, it can be seen that the F value of the light beam that can enter the DMD is limited by the tilt angle ± 10 ° of the micromirror.
[0012]
FIG. 14 is a diagram illustrating a state in which a conical light beam of F = 3 is incident on a micro mirror in an ON state. The same or corresponding components as those in FIG. 13 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 14, reference numerals 107 and 108 denote conical incident light fluxes and outgoing light fluxes with F = 3 (spreading angle 10 °, solid angle) centered at the center of the micromirror. The incident light beam 107 and the outgoing light beam 108 represent how the light on the incident side and the outgoing side spread when observed from the center of the micromirror.
[0013]
107A and 107B are incident light beams included in the incident light beam 107, and 108A and 108B are output light beams included in the output light beam 108. The incident ray 107A is closest to the outgoing principal ray 104A, and the incident ray 107B is farthest from the outgoing principal ray 104A. Further, the outgoing light beam 108 A is closest to the incident principal light beam 103, and the outgoing light beam 108 B is farthest from the incident principal light beam 103.
[0014]
That is, the incident light beams 107A and 107B are the outermost incident light beams, respectively, enter the minute mirror 102A with a divergence angle θ = 10 ° with the incident principal ray 103, reflected by the minute mirror 102A, and respectively emitted light beams 108A. , 108B. 109A is a plane orthogonal to the optical axis nA, and FIG. 14B shows the incident light beam 107 and the outgoing light beam 108 in FIG. 14A when cut by the plane 109A. FIG. 14B shows an incident light beam 107 and an outgoing light beam 108 when the light beams 103 and 104A are regarded as parallel for convenience.
[0015]
In the micro mirror 102A in the ON state in FIG. 14A, the incident chief ray 103 and the outgoing chief ray 104A form an angle of 20 °, and therefore the spread angle θ of the incident light beam 107 with the incident chief ray 103 as the center. Is set to be a constant amount in any direction, the incident light beam 107A and the outgoing light beam 108A coincide on the same normal nA when the angle θ = 10 ° (FIG. 14B).
[0016]
Therefore, when the angle θ exceeds 10 °, a part of the incident light beam 107 including the incident light beam 107A interferes with a part of the output light beam 108 including the output light beam 108A. That is, the illumination optical system that provides the incident light beam and the projection optical system that captures the outgoing light beam are structurally overlapped. For this reason, the angle θ is set to 10 ° while avoiding interference between the incident light beam 107 and the outgoing light beam 108.
[0017]
At this time, when the refractive index in the air is set to 1 and the F value is obtained from F = 1 / [2 sin (θ)], it is found that the minimum value of the F value is about 3. In general, the F value represents the brightness of the optical system, and the smaller the F value (the larger the θ), the brighter the optical system, so that light is collected on the micromirror 102A that is controlled to tilt at an inclination angle of ± 10 °. In the conventional condensing optical system that emits light, the brightest optical system can be formed when a conical light beam of F = 3, that is, θ = 10 ° is incident.
[0018]
Next, an image display apparatus using a condensing optical system for DMD will be described. FIG. 15 is a diagram showing a configuration of an image display apparatus using a conventional condensing optical system.
In FIG. 15, reference numeral 111 denotes a light emitter that emits light, and 112 denotes a parabolic reflector having a paraboloid shape that includes the light emitter 111 at a focal point. The light emitter 111 and the parabolic reflector 112 constitute a lamp light source. A condensing lens 113 condenses the light reflected by the parabolic reflector 112, and a color wheel 114 separates the light from the condensing lens 113 into three primary colors. In the following, the explanation will be given with a single-plate method capable of irradiating the RGB three primary colors in a time-sharing manner using a single color wheel to reproduce the color space of the three primary colors. In some cases.
[0019]
115 is a quadrangular prism-shaped rod integrator that receives light from the color wheel 114 at the incident end face and emits light having a uniform luminance distribution from the exit end face; 116 is a relay lens that relays light from the rod integrator 115; A folding mirror 119 that bends the optical path is a field lens that aligns the principal ray direction of each point in the incident light beam.
[0020]
Reference numeral 120 denotes a TIR prism. In order to prevent the incident light beam from being vignetted by the incident portion of the projection optical system, only the incident light beam is totally reflected, and the emitted light beam is allowed to travel straight and pass as it is. It functions to structurally separate the projection optical system. Reference numeral 121 denotes the DMD described above, 122 denotes a projection lens that forms an image of the intensity-modulated light of the DMD 121, 123 denotes a rear projection screen that receives the light imaged by the projection lens 122 from the back and displays an image, and 124 denotes an image display. This is an optical axis shared by each component of the apparatus.
[0021]
Next, the operation will be described.
Since the light emitter 111 aiming at a point light source as much as possible is installed at the focal point of the parabolic reflector 112, the light emitted from the light emitter 111 is reflected by the parabolic reflector 112 and emitted as almost parallel light. The condensing lens 113 condenses the parallel light from the parabolic reflector 112 at the focal point as a conical light beam having F1 = 1 (a spread angle θ1 = 30 ° formed with the optical axis 124). When the color wheel 114 is used, it is necessary to reduce the light collection diameter, so F = 1 is generally selected as the optimum F value.
[0022]
The incident end face of the rod integrator 115 is installed at the focal point of the condenser lens 113, and light having only a color designated by the color wheel 114 enters the rod integrator 115 from the rectangular incident end face. The light that has entered the rod integrator 115 is averaged by reflecting the side surface of the rod integrator 115 a plurality of times, and has a substantially uniform light intensity distribution within the surface at the exit end surface.
[0023]
The light emitted from the exit end face of the rod integrator 115 is emitted at F1 = 1, like the incident light on the entrance end face, and enters the TIR prism 120 via the relay lens 116, the folding mirror 118, and the field lens 119. Incident light to the TIR prism 120 is reflected inside the TIR prism 120 and irradiated to the DMD 121. The DMD 121 gives image information to the light flux by digital image information and emits intensity-modulated light. At this time, F = 3 is selected as the optimum value for the light toward the DMD 121. The image information light emitted from the DMD 121 passes through the TIR prism 120 again and is projected from the projection lens 122 onto the screen 123.
[0024]
In the image display apparatus described above, the incident end face / exit end face of the rod integrator 115 and the reflecting face of the DMD 121 are determined based on the F value of the incident light flux on the incident end face of the rod integrator 115 and the F value of the incident light flux on the reflecting face of the DMD 121. The size ratio is determined.
[0025]
FIG. 16 is a diagram for explaining the relationship between the rod integrator and the DMD. Components identical or equivalent to those in FIG. 15 are given the same reference numerals, and the folding mirror 118, the field lens 119, the TIR prism 120, etc. are not shown, and the characteristics of the field lens 119 are included in the relay lens 116. It is shown. Originally, the incident light on the DMD is incident from a direction of 20 ° with respect to the DMD optical axis, but only the incident condition on the DMD will be discussed below. I will use it.
[0026]
In FIG. 16, w is the length of one side of the incident end face and the exit end face of the rod integrator 115, a is the length of the optical axis 124 from the rod integrator 115 to the relay lens 116, and b is the optical axis 124 from the relay lens 116 to the DMD 121. , W is the length of one side of the reflecting surface of the DMD 121.
[0027]
Θ1 is an opening angle formed by the light beam from the exit end face of the rod integrator 115 and the optical axis 124, and θ2 is an opening angle formed by the light beam incident on the reflecting surface of the DMD 121 and the optical axis 124. In general, when the angles θ1 and θ2 are not so large, the relational expression of w / W = a / b = θ2 / θ1 = F1 / F2 holds approximately.
[0028]
Since θ1 = 30 ° (F = 1) in order to use the color wheel 114, and θ2 = 10 ° (F2 = 3) based on the use conditions of the DMD 121 controlled to tilt at an inclination angle of ± 10 °, w A relational expression of / W = a / b = F1 / F2 = 1/3 is obtained. That is, in the optical system of FIG. 16, light from the rod integrator 115 with one side length w is irradiated to the DMD 121 with one side length W at a magnification W / w = 3 through the relay lens 116. Thus, when the reflecting surface size and the angles θ1 and θ2 of the DMD 121 are determined, the exit end surface (incident end surface) size of the rod integrator 115 is also automatically determined.
[0029]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional condensing optical system is configured as described above, the F value of the incident light beam on the DMD is restricted by the tilt angle, and the incident end face of the rod integrator can be enlarged to reduce the loss. However, there is a problem that the brightness of the optical system is limited.
[0030]
The above problem will be described specifically.
In the condensing optical system applied to the image display apparatus of FIG. 15, the light emitted in all directions from the light emitter 111 aiming at the point light source as much as possible is transmitted by the parabolic reflector 112 and the condensing lens 113 with F1 = 1 (light A light beam having an opening angle of 30 ° with the shaft 124 is converted and condensed onto the incident surface of the rod integrator 115. As shown in FIG. 17B, the light collection distribution 125 on the incident surface 115 </ b> A of the rod integrator 115 at this time is a rotating object with respect to the optical axis 124.
[0031]
Here, if the size of the lamp light source is infinitely small, the light condensing area on the rod integrator 115 becomes zero, and all light is taken into the rod integrator 115. However, in reality, the light emitter 111 has a finite size, and reducing the light emitted in all directions to an opening angle of 30 ° is based on the same principle as that of a relay lens. The projected image is enlarged and irradiated onto the incident surface of the rod integrator 115 as a projected image.
[0032]
The projected image 125A of the lamp light source is larger than the incident surface 115A of the rod integrator 115 (FIG. 17C), and not all the light from the lamp light source is taken into the incident surface 115A, and some of the light is It is vignetting and wasted, leading to a reduction in overall light utilization efficiency.
[0033]
If the incident end face of the rod integrator 115 is increased in order to reduce the vignetting of the light, as described above, the F value (F1 = 1) of the light from the condenser lens 113 and the F value of the light to the DMD 121 are obtained. Since (F2 = 3) is determined, the size of the DMD 121 must be increased so as to satisfy the relationship of the magnification W / w = 3, leading to an increase in cost.
[0034]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and reduces the loss by increasing the incident end face of the rod integrator without being restricted by the F value of the incident light beam on the DMD due to the inclination angle. It is an object of the present invention to configure a condensing optical system for DMD that can improve the brightness of the optical system and an image display device using the condensing optical system.
[0035]
[Means for Solving the Problems]
The condensing optical system according to the present invention includes a first lens group that creates a Fourier transform surface obtained by converting position information on the exit end face of the light beam from the rod integrator into spread angle information formed by the optical axis of the rod integrator and the light beam. , Arranged in the vicinity of the Fourier transform plane, receiving a deformed diaphragm having a shielding part that spreads and removes a partial light beam that becomes an interference component in the micro mirror in the ON state according to angle information, and a light beam that has passed through the deformed diaphragm, A relay system is constituted by a second lens group that makes a second F-number light beam incident on the digital micromirror device.
[0036]
In the condensing optical system according to the present invention, the width in the first coordinate axis direction orthogonal to the optical axis of the condensing lens is set based on the F value determined by the tilt angle of the digital micromirror device. A parallel light converting means for emitting the parallel light in the second coordinate axis direction orthogonal to the axis and the first coordinate axis to be larger than the parallel light width in the first coordinate axis direction; The relay system relays the luminous flux with the rotation axis of the digital micromirror device and the second coordinate axis direction parallel to each other.
[0037]
The condensing optical system according to the present invention has an optical axis that coincides with the optical axis of the condensing lens, and uses a cylindrical lens group having a lens action only in the first coordinate axis direction as parallel light converting means. It is.
[0038]
In the condensing optical system according to the present invention, only in the first coordinate axis direction, parallel light from a lamp light source emitted obliquely with respect to the optical axis of the condensing lens is parallel to the optical axis of the condensing lens. A prism that refracts the light is used as a parallel light converting means.
[0039]
In the condensing optical system according to the present invention, a lamp light source is composed of a light emitter that emits light and a parabolic reflector that includes the light emitter at the focal point, and an aperture plate provided at the opening of the parabolic reflector is used as parallel light conversion means. It is what I did.
[0042]
An image display apparatus according to the present invention includes the above-described condensing optical system, a projection lens that projects a light beam emitted from a micromirror device, and a screen that forms an image of the light beam from the projection lens. is there.
[0043]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an image display apparatus using a condensing optical system according to Embodiment 1 of the present invention.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a light emitter (lamp light source) that emits light, and 2 denotes a parabolic reflector (lamp light source) having a paraboloid shape that includes the light emitter 1 at a focal point. Is configured. 3 is a condensing lens that condenses the light reflected by the parabolic reflector 2, and 4 is a color wheel that separates the light from the condensing lens 3 into three primary colors. In the following, the explanation will be given with a single-plate method capable of irradiating the RGB three primary colors in a time-sharing manner using a single color wheel to reproduce the color space of the three primary colors. In some cases.
[0044]
Reference numeral 5 denotes a quadrangular prism-shaped rod integrator that receives light from the color wheel 4 at the incident end face and emits light having a uniform luminance distribution from the outgoing end face. Reference numeral 6 denotes a first lens group that collimates the light from the rod integrator 5. (Relay system, shown as a single lens in FIG. 1), 7 is a deformed stop (relay system) that shapes the light beam emitted from the rod integrator 5, 8 is a folding mirror that bends the optical path, and 9 is the main point of each point in the incident light beam. This is a second lens group (relay system, shown as a single lens in FIG. 1) for aligning the light beam direction. The first lens group 6, the deformed diaphragm 7, and the second lens group 9 are components that characterize the first embodiment, and generate an asymmetric light beam to be described later.
[0045]
Reference numeral 10 denotes a TIR prism. In order to prevent the incident light beam from being vignetted by the incident portion of the projection optical system, only the incident light beam is totally reflected, and the emitted light beam travels straight and passes as it is. It functions to optically separate the projection optical system. 11 is a DMD that spatially modulates the intensity of light by a number of micromirrors whose inclination is controlled at an inclination angle of ± 10 °, 12 is a projection lens that images the intensity-modulated light of the DMD 11, and 13 is an image formed by the projection lens 12. A rear projection type screen that receives light from the back and displays an image, and 14 is an optical axis shared by each component of the image display apparatus.
[0046]
Next, the operation will be described.
Since the light emitter 11 having a short arc length and close to a point light source is installed at the focal point of the parabolic reflector 2, the light emitted from the light emitter 1 is reflected by the parabolic reflector 2 and is emitted as substantially parallel light. The condensing lens 3 condenses the parallel light from the parabolic reflector 2 at the focal point as a conical light beam of F1 = 1 (a spread angle θ1 = 30 ° with the optical axis 14). When the color wheel 4 is used, it is necessary to reduce the condensing diameter, and therefore F1 = 1 (first F value) is generally selected as the optimum F value.
[0047]
The incident end face of the rod integrator 5 is installed at the focal point of the condenser lens 3, and the light of which only the color designated by the color wheel 4 is selected enters the rod integrator 5 from the rectangular incident end face. In the first embodiment, the incident end face (outgoing end face) size w of the rod integrator 5 is set to W / 2 with respect to the reflecting face size W of the DMD 11, and the magnification W / w = 2. Compared with the prior art, the incident end face size of the rod integrator 5 is set larger, so that the light receiving efficiency from the condenser lens 3 is improved.
[0048]
The light incident on the rod integrator 5 is averaged by reflecting the wall surface of the rod integrator 5 a plurality of times, and the light intensity distribution is substantially uniform within the surface at the exit end face. The light emitted from the exit end face of the rod integrator 5 is emitted at F1 = 1, similarly to the incident light on the entrance end face, and passes through the first lens group 6, the deformed stop 7, the folding mirror 8, and the second lens group 9. It is converted into an asymmetrical light beam and enters the TIR prism 10.
[0049]
The asymmetric light beam incident on the TIR prism 10 is reflected inside the TIR prism 10 and irradiates the DMD 11. The DMD 11 emits intensity-modulated light in which image information is given to an asymmetric light beam by digital image information. The intensity-modulated light emitted from the DMD 11 passes through the TIR prism 10 again and is projected from the projection lens 12 onto the screen 13.
[0050]
Now, in order to improve the light receiving efficiency as compared with the conventional case (W / w = 3), the magnification W / w = 2 is set in the first embodiment, so w / W = θ2 / θ1 = F1. From the relationship of / F2, the F value of the light irradiating the DMD 11 is F2 = 2 (second F value, spread angle θ2 = 15 °). In the case of F2 = 2, the following problem occurs according to the conventional configuration.
[0051]
FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which a conical light beam with F2 = 2 is incident on a micro mirror in an ON state.
In FIG. 2, 15 is a DMD reflecting surface installed horizontally, n is a normal line of the DMD reflecting surface 15, 16 is a DMD micromirror, and nA is a normal line of the micromirror 16. The micromirror 16 is controlled to be tilted to the ON state, and forms a tilt angle of + 10 ° with respect to the DMD reflecting surface 15. At this time, the normal line nA and the normal line n form an angle of θ = 10 °.
[0052]
Reference numeral 17 denotes an incident principal ray incident on the center of the micromirror 16, 18 denotes an incident luminous flux having an F2 = 2 (a spread angle of 15 °, a solid angle) centering on the incident principal ray 17, and 18 A and 18 B are included in the incident luminous flux 18, respectively. The incident light beam 19, 19 is an outgoing chief ray reflected from the incident chief ray 17 by the micromirror 16, 20 is an outgoing light beam with F 2 = 2 centered on the outgoing chief ray 19, and 20 A and 20 B are included in the outgoing light beam 20, respectively. It is an outgoing ray.
[0053]
The incident light beam 18 and the outgoing light beam 20 represent how the light on the incident side and the outgoing side spread when observed from the micromirror 16. The incident ray 18A is closest to the outgoing principal ray 19 and the incident ray 18B is farthest from the outgoing principal ray 19. Further, the outgoing light ray 20A is closest to the incident principal ray 17, and the outgoing light ray 20B is farthest from the incident principal ray 17.
[0054]
That is, the incident light beams 18A and 18B are light beams in the outermost incident light beam, and enter the minute mirror 16 at an angle θ2 = 15 ° with the incident principal ray 17, and are reflected by the minute mirror 16 and emitted respectively. 20A and 20B.
[0055]
21 is an interference component between the incident light beam 18 and the outgoing light beam 20, 22A is a plane perpendicular to the incident principal ray 17, 22B is a plane perpendicular to the outgoing principal ray 19, and the incident light beam 18 cut by the plane 22A is a plane 22B. A cross section of the cut outgoing light beam 20 is shown in FIG. In FIG. 2B, the incident principal ray 17 and the outgoing principal ray 19 are regarded as parallel for convenience. For comparison, FIG. 12B is repeated in FIG.
[0056]
In the micromirror 16 that is tilt-controlled at an inclination angle of ± 10 °, the incident principal ray 17 has an angle θ = 10 ° with the normal nA, and the outgoing principal ray 19 has an angle θ with the normal nA according to the law of reflection. = 10 °, the incident principal ray 17 and the outgoing principal ray 19 form an angle of 20 °. In such a case, when an incident light beam 18 having a divergence angle θ2 = 15 ° is incident on the micromirror 16, an interference component 21 (shaded portion in FIG. 2) is generated between the incident light beam 18 and the outgoing light beam 20.
[0057]
Comparing FIG. 2 (b) and FIG. 2 (c), the light flux in FIG. 2 (b) with the divergence angle θ2 = 15 ° is larger than that in the conventional FIG. 2 (c) with the divergence angle set to 10 °. The cross-sectional area of the light can be increased to improve the illumination efficiency of light utilization, but the interference component 21 is generated, so that it has been thought that an incident light beam having an F value smaller than F2 = 3 cannot enter the DMD. It was a design standard.
[0058]
The idea that the design of the optical system must be constrained so as to avoid the generation of the interference component 21 is a conventional basic design. In an optical system constructed based on this idea, F determined by the tilt angle of the DMD. The value is restricted and the brightness of the image display device cannot be improved.
[0059]
On the other hand, in the first embodiment, the brightness of the optical system is improved by making a light beam having an F value of F2 = 2 incident on the DMD, in accordance with the conventional basic design. At this time, in order to generate an asymmetrical light beam obtained by removing the interference component 21 from the incident light beam of F2 = 2, the first lens group 6, the modified diaphragm 7, and the second lens group 9 are provided as a relay system. Hereinafter, specific operations of the first lens group 6, the deformed diaphragm 7, and the second lens group 9 will be described in detail.
[0060]
FIG. 3 is a diagram for explaining the function of the first lens group 6 and the second lens group 9. 1 are assigned the same reference numerals, and for convenience of explanation, the folding mirror 8 and the TIR prism 10 are not shown, and the incident principal ray is perpendicular to the reflecting surface of the DMD 11. Incident.
[0061]
In FIG. 3, reference numerals 23 denote F = 1 light beams respectively emitted from the three points A, B, and C on the emission end face of the rod integrator 5. Here, the light beam 23 from points A, B, and C is considered as a representative. The light beam 23 emitted from the point A (one dotted line), the light beam 23 emitted from the point B (solid line), and the light beam 23 emitted from the point C (broken line) are all emitted from the emission end face of the rod integrator 5 with F1 = 1. ing.
[0062]
The chief rays of each luminous flux 23 are marked with ◯, and the X rays and △ marks are given to each of the parallel rays emitted with a divergence angle of θ1 = 30 ° with each chief ray of ○ mark. It is attached. Of these, the light beam marked with x and the light beam in the vicinity thereof become the interference component 21 in FIG.
[0063]
Each light beam 23 emitted from the points A to C on the emission end face of the rod integrator 5 at a spread angle θ1 = 30 ° is incident on the first lens group 6. Since the first lens group 6 acts to collimate all the light rays contained in each light beam 23, the light beams emitted from the points A to C are marked with the optical axis 14. They are collected at points D, E, and F on the orthogonal Fourier transform plane 7A.
[0064]
That is, the first lens group 6 performs two-dimensional Fourier transform on the position information of the exit end face of the rod integrator 5 to spread angle information. Therefore, at the points D to F on the Fourier transform plane 7A, all the light beams having the same spread angle θ1 are collected at the same one point, and the light beam with x mark, the light beam with ○ mark, and the light beam with Δ mark are point D. , E, F.
[0065]
Each light beam transmitted through the points D to F enters the second lens group 9. The second lens group 9 functions to make a light flux of F2 = 2 incident on each point G, H, I of the DMD 11 reflecting surface. In the light flux incident on each of the points G to I, the light beam of the X mark and the light beam of the Δ mark form a spread angle θ2 = 15 ° with respect to each principal ray marked with a circle.
[0066]
FIG. 4 is a diagram showing the cross-sectional shapes of the light beam emitted from the rod integrator, the deformed stop, and the asymmetric light beam. 4A is a cross-sectional shape of the emitted light beam 23 of F = 1 emitted from the rod integrator, FIG. 4B is a cross-sectional shape of the deformed stop 7, and FIG. 4C is a cross-sectional shape of the asymmetric light beam incident on the DMD 11. It is. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals. From the characteristics of the DMD and TIR prism, the cross-sectional shape of the deformed diaphragm is optimally a D-shape that is slightly curved, as shown in FIG.
[0067]
In FIG. 4, 7Z is a shielding part provided in the deformed stop 7, which shields and removes light rays that generate interference components. The part other than the shielding part 7Z is a D-shaped opening of the deformation stop 7. Reference numeral 24 denotes an asymmetrical light beam formed by the deformed stop 7, 24Z denotes a partial light beam shielded and removed by the shielding portion 7Z of the deformed stop 7, and the partial light beam 24Z generates the interference component 21 of FIG.
[0068]
FIG. 5 is a diagram for explaining the function of the deformation diaphragm 9. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals. 5, in the optical system of FIG. 3 comprising the first group lens 6 and the second group lens 9, the deformed diaphragm 7 of FIG. 4B is placed in the vicinity of the Fourier transform plane 7A with the aperture orthogonal to the optical axis. It is installed.
[0069]
The deformed stop 7 installed on the Fourier transform plane 7A shields and removes the light beam indicated by x and the light beam in the vicinity thereof (partial light beam 24Z generating the interference component 21) included in the interference component 21 by the shielding portion 7Z. . Therefore, in FIG. 5, a light beam of □ (a spread angle of 20 °) that forms an angle of 20 ° with the chief ray of ○ mark, a light beam of a △ mark that forms an angle of 30 ° with the chief light beam of ○, The chief ray passes through the aperture of the deformed stop 7 and enters the second lens group 9. In the above description, the deformed diaphragm has been described as having an obvious opening. However, when the circular portion is limited on the incident side, the same action can be obtained only by the shielding portion 7Z in FIG.
[0070]
The second lens group 9 irradiates points G to I of the DMD 11. Since the broken line, the solid line, and the one-point broken line are condensed on the points G to I, and the light beam marked with x is shielded and removed by the deformation stop 7, it enters the points G to H. Each asymmetrical light beam 24 including a light beam of Δ mark having a divergence angle of 15 ° and a light beam of □ mark having a divergence angle of 20 ° is incident on the DMD 11 with respect to the chief ray of the mark ○. As described above, the first lens group 6, the deformed stop 7, and the second lens group 9 produce an asymmetric light beam 24.
[0071]
FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which an asymmetrical light beam is incident on a minute mirror in an ON state. The same or corresponding components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. The relay system here may have the same configuration as the conventional one.
The asymmetric incident light beam 18Z incident on the micromirror 16 of the DMD includes an incident light beam 18B and an incident light beam 18C. The incident light beam 18B corresponds to the light beam marked with Δ in FIGS. Further, the incident light ray 18C is a light ray that is in contact with the interference component 21 of FIG. 2 that has been shielded and removed by the shielding part 7Z of the deformed stop 7, corresponds to the light beam marked with a square in FIG. It becomes the light ray 20C.
[0072]
Compared with the conventional light beams 107 and 108 shown in FIG. 6B, the asymmetric light beam 18Z can illuminate more micromirrors 16 of the DMD 11 and is asymmetric with respect to the incident principal light beam 17. Therefore, the light is reflected by the micro mirror 16 without interfering with the asymmetrical emitted light beam 20Z. The hatched portion in FIG. 6B is the effect of the first embodiment and corresponds to the improvement result of the illumination efficiency.
[0073]
As described above, according to the first embodiment, the incident end surface size w of the rod integrator 5 that receives the light flux of F1 = 1 is set to ½ times the reflection surface size W of the DMD 11, and the rod integrator 5 The position information of the emitted light beam is Fourier-transformed into divergence angle information by the first lens group 6, and the partial light beam 24 </ b> Z that generates the interference component 21 is collectively shielded and removed by the deformed diaphragm 7 having the D-shaped opening. Since the asymmetrical light beam 24 is generated from the emitted light by the second lens group 9 and irradiated to the DMD 11, the brightness of the optical system is improved without restricting the F value of the incident light beam by the inclination angle of the DMD 11. The effect that it can be obtained.
[0074]
The shape of the shielding portion 7Z is designed so that the interference component 21 does not occur according to the F value and the incident angle of the light beam incident on the DMD 11.
[0075]
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, an example using an asymmetric light beam obtained by shielding and removing a light beam that becomes an interference component has been described. In the second embodiment, a light beam having an elliptical cross-sectional shape will be described.
[0076]
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an image display apparatus using a condensing optical system according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 7, the z axis is set in the direction of the optical axis 14, and the x axis (first coordinate axis) and the y axis (second coordinate axis) are set perpendicular to the z axis. FIG. FIG. 7B is a cross-sectional view in the yz plane, and FIG. 7B is a cross-sectional view in the yz plane. The same or corresponding components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
[0077]
In FIG. 7, reference numerals 25 and 26 denote cylindrical lenses (parallel light converting means, cylindrical lens group) provided between the lamp light source and the condenser lens 3, respectively. The cylindrical lenses 25 and 26 have a lens action only in the x-axis direction. The cylindrical lens 25 functions as a positive lens and the cylindrical lens 26 functions as a negative lens. In the x-axis direction of FIG. 7A, the parallel light from the lamp light source is converted into parallel light having a width Ax through the cylindrical lenses 25 and 26.
[0078]
On the other hand, in the y-axis direction of FIG. 7B, since the cylindrical lenses 25 and 26 do not have a lens action, the parallel light having the width Ay from the parabolic reflector 2 passes through the cylindrical lenses 25 and 26 in parallel as they are. .
[0079]
At this time, if the lens action of the cylindrical lenses 25 and 26 is designed so that the ratio of Ax: Ay = 2: 3, the parallel light having the widths Ax and Ay transmitted through the condenser lens 3 is x The light is condensed with an expansion angle of 20 ° in the axial direction and a expansion angle of 30 ° in the y-axis direction.
[0080]
Thus, on the incident end face side of the rod integrator 5, by generating light beams having different angular distributions in two orthogonal x and y axis directions, an incident light beam having an elliptical angular distribution is generated. .
[0081]
When the vertical and horizontal axis sizes of the output end surface of the rod integrator 5 are Wx / 2 and Wy / 2 (Wx and Wy are the vertical axis size of the DMD 11 and the reflection surface size in the horizontal axis direction), respectively, the x and y axis directions Are respectively emitted from the rod integrator 5, and light beams having angular distributions of 10 ° and 15 ° in the x and y axis directions are incident on the DMD 11. At this time, the light beam to the DMD 11 becomes an incident light beam 27 having an elliptical cross-sectional shape in FIG. 7C having 3 major axes in the y-axis direction and 2 minor axes in the x-axis direction.
[0082]
Similar to the first embodiment, the principal ray of the outgoing light beam 28 reflected from the incident light beam 27 by the micro mirror of the DMD 11 is emitted in the normal direction of the reflecting surface of the DMD 11, and the principal ray of the light beam 27 with respect to this normal direction. Is incident on the minute mirror so that the rotation axis of the minute mirror and the long axis (y axis) of the incident light beam 27 and the emitted light beam 28 are parallel to each other at an angle of 20 °. As shown in FIG. 4, it is possible to prevent an interference component between the incident light beam 27 and the outgoing light beam 28, and the incident light beam 27 and the outgoing light beam are compared with the conventional light beams 107 and 108 having a perfect circular cross section. Since the sectional area of 28 is larger, the effect that the illumination efficiency can be improved is obtained.
[0083]
The elliptical cross-sectional shapes of the incident light beam 27 and the outgoing light beam 28 are determined according to the light receiving ability 29 of the projection lens 9. The number of cylindrical lenses 25 and 26 is not particularly limited.
[0084]
In addition to the configuration shown in FIG. 7, a light beam having an elliptical cross-sectional shape can be generated.
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of an image display apparatus using a condensing optical system according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 8 (a) is a side view (xz plane) and FIG. 8 (b). Is a top view (yz plane). The same or corresponding components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the components subsequent to the rod integrator are not shown.
[0085]
In FIG. 8, reference numeral 30 denotes a prism (parallel light converting means) provided between the lamp light source and the condenser lens 3. In the xz plane of FIG. 8A, parallel light from a lamp light source composed of the light emitter 1 and the parabolic reflector 2 is refracted obliquely with respect to the optical axis 14, and this parallel light is reflected by the prism 30 on the optical axis. 14 and parallel. The width in the x-axis direction of the parallel light emitted from the prism 30 is Ax, enters the condenser lens 3, and is not emitted from the condenser lens 3 as a light beam having a divergence angle of 20 ° with the optical axis 14 in the x-axis direction. It enters the rod integrator shown.
[0086]
On the other hand, in the yz plane of FIG. 8B, the parallel light from the lamp light source passes through the prism 30 while maintaining the width Ay in the y-axis direction, and the spread angle formed with the optical axis 14 is 30 °. The light enters the rod integrator 5 (not shown) from the condenser lens 3 as a light beam. As in FIG. 7, the prism 30 is designed so that Ax: Ay = 2: 3. Therefore, the following operations are the same as those of the cylindrical lenses 25 and 26.
[0087]
In this way, by using the prism 30, as in the case of FIG. 5, light beams having different angular distributions in the x and y axis directions are incident on the rod integrator. There is an effect that the brightness of the optical system can be improved without generating a component.
[0088]
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an image display device using a condensing optical system according to Embodiment 2 of the present invention, in which FIG. 9 (a) is a side view (xz plane), and FIG. 9 (b). Is a top view (yz plane). The same or corresponding components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the components subsequent to the rod integrator are not shown.
[0089]
In FIG. 7, reference numeral 31 denotes an aperture plate (parallel light converting means) for limiting the aperture of the parabolic reflector 2. The aperture plate 31 emits parallel light having a width Ay from the aperture plate 31 in the yz plane of FIG. 7B, and the x-axis direction by the aperture plate 31 having a width Ax in the xz plane of FIG. The parallel light is emitted to the condenser lens 3 by limiting the width of the light to Ax. Also in this case, Ax: Ay = 2: 3. The parallel light emitted from the aperture plate 31 in this way has a spread angle in the x-axis direction formed with the optical axis 14 in accordance with the parallel light width Ax in the x-axis direction and the parallel light width Ay in the y-axis direction. The light is incident on a rod integrator (not shown) from the condenser lens 3 as a light beam having a 20 ° spread angle in the y-axis direction formed by the optical axis 14 and 30 °.
[0090]
Even in this case, similarly to FIGS. 7 and 8, since light beams having different angular distributions in the x- and y-axis directions are incident on the rod integrator, an elliptical cross-sectional light beam is generated and an interference component is generated. Thus, the effect of improving the brightness of the optical system can be obtained.
[0091]
The cylindrical lenses 25 and 26 in FIG. 7 and the prism 30 in FIG. 8 transmit and use all the parallel light from the lamp light source, so that the parallel light can be used without waste.
[0092]
In addition, compared with the cylindrical lenses 25 and 26 in FIG. 7 and the prism 30 in FIG. 8, the aperture plate 31 in FIG. 9 has a simple configuration and can more easily generate a light beam having an elliptical cross-sectional shape.
[0093]
Further, the aperture plate 31 of FIG. 9 is configured to transmit light in a wide angle region from 20 ° to 30 ° from the light emitter 1 blocked by the back surface of the aperture plate 31 facing the parabolic reflector. Since the light reflected from the reflector 2 is reflected a plurality of times and light in a narrow region having a spread angle of 20 ° or less is emitted from the aperture plate 31, the efficiency of the lamp light source can be improved.
[0094]
Embodiment 3 FIG.
In the second embodiment, the configuration in which the light beam having the elliptical cross section shape is generated on the incident end face side of the rod integrator 5 has been described. In the third embodiment, the light beam having the elliptic cross section shape is generated on the emission end face side of the rod integrator 5. The structure to perform is demonstrated.
[0095]
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of an image display device using a condensing optical system according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 10 (a) is a side view (xz plane), and FIG. 10 (b). Is a top view (yz plane). 1 are assigned the same reference numerals, and for convenience of explanation, the folding mirror 8 and the TIR prism 10 are not shown, and the incident principal ray is perpendicular to the reflecting surface of the DMD 11. Incident.
[0096]
In FIG. 10, reference numeral 32 denotes a rod integrator in which the incident end face and the outgoing end face are formed in a parallelogram shape. When the reflecting surface sizes of the DMD 11 in the x and y axis directions are Wx and Wy, the incident end face of the rod integrator 32 The exit end face size is set to Wx / 3 in the x-axis direction and Wy / 2 in the y-axis direction. Reference numerals 33 and 34 denote cylindrical lenses (a first cylindrical lens group and a second cylindrical lens group, respectively) provided between the rod integrator 32 and the DMD 11. The cylindrical lens 33 has a different positive lens action only in the x-axis direction, and the cylindrical lens 34 has a different positive lens action only in the y-axis direction.
[0097]
The parallel light from the parabolic reflector 2 is condensed as light of F = 1 by the condenser lens 3 onto the incident end face of the rod integrator 32 and spreads from the exit end face of the rod integrator 32 in both the x-axis direction and the y-axis direction at an angle of 30 °. Is emitted to the cylindrical lenses 33 and 34 as F = 1 light. The cylindrical lens 33 having a positive lens action in the x-axis direction enters a light beam having a divergence angle of 10 ° (corresponding to F = 3) formed with the optical axis 14 in the xz plane into the DMD 11 and is a positive lens in the y-axis direction. The cylindrical lens 34 having an action enters the DMD 11 with a divergence angle of 15 ° (corresponding to F = 2) formed with the optical axis 14 in the yz plane.
[0098]
The emitted light beam of the rod integrator 32 has a divergence angle of 30 ° in both the x-axis direction and the y-axis direction. However, the cylindrical lens 33 changes the magnification to 3 times in the x-axis direction and 2 times in the y-axis direction. From the equation, the opening angle is 10 ° in the x-axis direction and 15 ° in the y-axis direction.
[0099]
At this time, with respect to the reflective surface sizes Wx and Wy of the DMD 11, the exit end face size of the rod integrator 32 is Wx / 3 in the xz plane of FIG. 10A and the rod is in the yz plane of FIG. 10B. Since the output end face size of the integrator 32 is Wy / 2, compared with the conventional magnification 3 shown in FIG. 16, the magnification 3 (magnification ratio 3 ÷ 3 = 1) in FIG. In FIG. 10B, the magnification is 2 (magnification ratio 3 ÷ 2 = 1.5).
[0100]
Therefore, as in the second embodiment, the magnification in the x-axis direction is different from the magnification in the y-axis direction, so that a light beam having an elliptical cross section having a minor axis and a major axis in the x and y axis directions is generated. As a result, the brightness of the optical system can be improved.
[0101]
At this time, the magnification ratio of the entrance end face / exit end face size of the rod integrator 32 and the reflection surface size of the DMD 11 is 3 in the x-axis direction and 2 in the y-axis direction. Since the product is the size of the reflecting surface, the x-axis direction of the incident end face and the outgoing end face of the rod integrator 115 in FIG. The y-axis direction needs to be a length of x1.5.
[0102]
The exit end face of the rod integrator 115 in FIG. 16 and the exit end face of the rod integrator 32 are shown in FIG. The square micromirrors of the DMD 11 have a rotation axis on the diagonal line, and the square micromirrors are arranged on a reflection surface having an aspect ratio of 3: 4.
[0103]
Since the exit end surface of the rod integrator and the DMD 11 reflecting surface are in an imaging relationship with each other, if a micromirror and a rotation axis are projected onto the exit end surface of the rod integrator 115 having a magnification of 3, the rotation is performed as in FIG. It can be seen that the rotation axis corresponds to the y-axis of FIG. 10C because the generation of interference components is prevented by making the elliptical long axis direction in the axial direction. Therefore, the x-axis exists in the direction orthogonal to the y-axis, and the magnification ratios in the x- and y-axis directions are 1 and 1.5, respectively. Therefore, the exit end face of the rod integrator 32 has only the length l in the y-axis direction. A parallelogram with x1.5.
[0104]
As described above, according to the third embodiment, the rod integrator 32 having the parallelogram exit end face with the exit end face size in the x and y axis directions set to Wx / 3 and Wy / 2, and the rod integrator 32 A cylindrical lens 33 that receives the emitted F1 = 1 luminous flux, applies a positive lens action to the luminous flux only in the x-axis direction, and emits a F2 = 3 luminous flux to the DMD 11, and F1 = emitted from the rod integrator 32. Since the cylindrical lens 34 that receives the light beam 1 and applies a positive lens action to the light beam only in the y-axis direction and emits the light beam F2 = 2 to the DMD 11 is provided, as in the second embodiment, An elliptical cross-section light beam having a long axis parallel to the rotation axis of the micromirror can be incident on the DMD 11, and the incident end surface of the rod integrator 32 Increased to improve the light receiving efficiency, the interference component without causing in DMD11, there is an advantage that it is possible to improve the brightness of the optical system.
[0105]
Note that the number of the cylindrical lenses 33 and 34 is not limited to two, and may be configured by a plurality of cylindrical lenses.
[0106]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 11 is a diagram illustrating a state in which an incident light beam from a condensing optical system according to Embodiment 4 of the present invention is incident on a micro mirror in an ON state. The same or corresponding components as those in FIGS. 6 and 7 are denoted by the same reference numerals.
[0107]
In FIG. 11, reference numeral 35 denotes an incident principal ray incident on the micromirror 16 at an angle of 10 ° + α with the normal line nA, and 36 denotes a conical incident light flux centering on the incident principal ray 35 and having the center of the micromirror 16 as a vertex. , 36A and 36B are incident rays included in the incident light flux 36, 37 is an outgoing chief ray emitted from the micromirror 16 at an angle of 10 ° + α with the normal nA, and 38 is an outgoing chief ray 37 centered on the outgoing chief ray 37. Conical outgoing light fluxes 38 </ b> A and 38 </ b> B having apexes at the center are outgoing light rays included in the outgoing light flux 38.
[0108]
By the reflection of the micromirror 16, the incident principal ray 35 and the incident rays 36A and 36B become the outgoing principal ray 37 and the outgoing rays 38A and 38B, respectively. Here, as an example, incident light beams 27 and 36 and outgoing light beams 28 and 38 are elliptical cross-section light beams according to the second and third embodiments.
[0109]
As shown in FIG. 11 (a), in the conventional idea, in order to emit the outgoing principal ray 19 in the normal n direction of the reflecting surface 15 of the DMD whose inclination is controlled at an inclination angle of 10 °, The incident principal ray 17 is incident on the micromirror 16 so as to form an angle of 10 ° with respect to the normal line nA. In this case, the incident chief ray 17 and the outgoing chief ray 19 form an angle of 20 °, and therefore, interference between the incident luminous flux 27 accompanied by the incident chief ray 17 and the outgoing luminous flux 28 accompanied by the outgoing chief ray 19. Therefore, it is necessary to limit the divergence angle of the incident light beam 27 so as not to occur.
[0110]
On the other hand, in the fourth embodiment, the angle formed with the normal line nA is 10 ° + α and the incident principal ray 35 is incident on the micromirror 16 to form an angle of 10 ° + α with respect to the normal line nA. Thus, the outgoing principal ray 37 is emitted from the micromirror 16 in an oblique direction of the normal line n. Compared to the incident principal ray 17 and the outgoing principal ray 19, the angle formed between the incident principal ray 35 and the outgoing principal ray 37 is 20 ° + 2α.
[0111]
Therefore, as shown in FIG. 11B, compared to the incident light beam 27 and the outgoing light beam 28, a margin of an angle 2α can be given to the spread angles of the incident light beam 36 and the outgoing light beam 38. A light beam having a smaller F value (a larger divergence angle) is incident on the micromirror 16 in accordance with the margin angle 2α, and the brightness of the optical system can be improved.
[0112]
Since the optical axis of the projection lens (not shown) coincides with the normal line n, it is included in the output light beam 38 so that all of the output light beam 38 of the output principal ray 37 emitted obliquely with respect to the normal line n can be received. The projection lens 29 is designed so as to receive the outgoing light beam 38B having the largest angle with the normal line n.
[0113]
In the above description, the description has been made using the incident light beam 36 and the outgoing light beam 38 having an elliptical cross-sectional shape. However, the fourth embodiment is not limited to this, and the perfect circular cross-sectional shape of the prior art is used. You may make it apply to the light beam which has, and the asymmetrical light beam of Embodiment 1. FIG.
[0114]
As described above, according to the fourth embodiment, the incident principal ray 35 is incident on the micromirror from the direction forming an angle of 10 ° + α with respect to the normal line nA of the DMD micromirror 16 controlled at an inclination angle of 10 °. 16, the incident principal ray 35 and the outgoing principal ray 37 form an angle of 20 ° + 2α, and a light beam having a smaller F value is incident on the DMD in accordance with the margin angle 2α. There is an effect that the brightness of the optical system can be improved without restricting the F value of the incident light beam by the inclination angle.
[0115]
In the above description, the inclination angle of DMD is 10 °. However, the present invention is not limited to this, and the inclination angle of DMD can be applied to values other than 10 °. Each angle may be calculated in a directly proportional relationship. In each of the embodiments, the spread angle of the light to be expanded has been described as 15 ° (F = 2). However, it is not always necessary to be 15 °. It goes without saying that there is.
[0116]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the first lens group that creates the Fourier transform surface obtained by converting the position information on the exit end face of the light beam from the rod integrator into the spread angle information formed by the optical axis of the rod integrator and the light beam, , Arranged in the vicinity of the Fourier transform plane, receiving a deformed diaphragm having a shielding part that spreads and removes a partial light beam that becomes an interference component in the micro mirror in the ON state according to angle information, and a light beam that has passed through the deformed diaphragm, Since the relay system is configured with the second lens group that enters the second F-number light beam into the digital micromirror device, the F-number of the incident light beam is not limited by the tilt angle of the digital micromirror device. The effect that the brightness of the optical system can be improved is obtained.
[0117]
According to this invention, the width in the first coordinate axis direction orthogonal to the optical axis of the condenser lens is set based on the F value determined by the tilt angle of the digital micromirror device, and the optical axis of the condenser lens and the first A parallel light converting means for emitting the parallel light in the second coordinate axis direction orthogonal to the coordinate axis in a direction larger than the parallel light width in the first coordinate axis direction between the lamp light source and the condenser lens; Since the relay system relays the light beam in parallel with the rotation axis of the digital micromirror device and the second coordinate axis direction, the F value of the incident light beam is not restricted by the tilt angle of the digital micromirror device, The effect that the brightness of the optical system can be improved is obtained.
[0118]
According to the present invention, the cylindrical lens group having an optical axis that coincides with the optical axis of the condensing lens and having a lens action only in the first coordinate axis direction is used as the parallel light converting means. The brightness of the optical system can be improved without restricting the F value of the incident light beam by the inclination angle of the light beam, and the parallel light from the lamp light source can be used without any waste.
[0119]
According to the present invention, the prism that refracts the parallel light from the lamp light source emitted obliquely with respect to the optical axis of the condenser lens in the direction parallel to the optical axis of the condenser lens only in the first coordinate axis direction. Since the parallel light converting means is used, the brightness of the optical system can be improved without constraining the F value of the incident light flux by the tilt angle of the digital micromirror device, and the parallel light from the lamp light source can be reduced. All can be used without waste.
[0120]
According to the present invention, the lamp light source is composed of the light emitter that emits light and the parabolic reflector that includes the light emitter at the focal point, and the aperture plate provided at the opening of the parabolic reflector is used as the parallel light conversion means. The brightness of the optical system can be improved with a simple configuration and the efficiency of the lamp light source can be improved without restricting the F value of the incident light flux by the tilt angle of the digital micromirror device. An effect is obtained.
[0121]
According to the present invention, the first cylindrical lens group having the first lens action only in the first coordinate axis direction orthogonal to the optical axis of the rod integrator, and the optical axis and first coordinate axis of the rod integrator are orthogonal to each other. Since the relay system is constituted by the second cylindrical lens group having the second lens action only in the second coordinate axis direction, the F value of the incident light beam is restricted by the tilt angle of the digital micromirror device. The effect that the brightness of the optical system can be improved is obtained.
[0122]
According to this invention, the principal ray of the incident light beam is incident on the micromirror at an incident angle larger than the tilt angle of the micromirror with respect to the normal line of the micromirror in the ON state of the digital micromirror device. Therefore, the brightness of the optical system can be improved without restricting the F value of the incident light flux by the tilt angle of the digital micromirror device.
[0123]
According to the present invention, the above-described condensing optical system, the projection lens that projects the light beam emitted from the micromirror device, and the screen that forms the light beam from the projection lens are provided. An effect is obtained that an image display device with improved brightness can be configured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an image display device using a condensing optical system according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which a conical light beam having an F value of 2 is incident on a micro mirror in an ON state.
FIG. 3 is a diagram for explaining the functions of a first lens group and a second lens group;
FIG. 4 is a diagram showing cross-sectional shapes of a light beam emitted from a rod integrator, a deformed stop, and an asymmetric light beam.
FIG. 5 is a diagram for explaining the function of a deformed diaphragm.
FIG. 6 is a diagram illustrating a state where an asymmetrical light beam is incident on a micro mirror in an ON state.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an image display apparatus using a condensing optical system according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of an image display apparatus using a condensing optical system according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an image display device using a condensing optical system according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of an image display device using a condensing optical system according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a state in which an incident light beam from a condensing optical system according to Embodiment 4 of the present invention is incident on a minute mirror in an ON state.
FIG. 12 is an enlarged view of a part of a reflection surface of a DMD.
FIG. 13 is a diagram for explaining an operation of tilt control of a micromirror.
FIG. 14 is a diagram illustrating a state in which a conical light beam having an F value of 3 is incident on a minute mirror in an ON state.
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of an image display apparatus using a conventional condensing optical system.
FIG. 16 is a diagram for explaining a relationship between a rod integrator and a DMD.
FIG. 17 is a diagram for explaining a light collection distribution with respect to a rod integrator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light emitter (lamp light source), 2 Parabolic reflector (lamp light source), 3 Condensing lens, 4 Color wheel, 5 Rod integrator, 6 1st lens group (relay system), 7 Deformation diaphragm (relay system), 7Z Shielding part , 8 Folding mirror, 9 Second lens group (relay system), 10 TIR prism, 11 Digital micromirror device (DMD), 12 Projection lens, 13 Screen, 14 Optical axis, 15 DMD reflecting surface, n normal, 16 micro Mirror, nA normal line, 17 incident chief ray, 18 incident beam, 18A, 18B, 18C incident beam, 19 outgoing chief ray, 20 outgoing beam, 20A, 20B, 20C outgoing beam, 21 interference component, 22A plane, 22B plane, 23 luminous flux, 24 asymmetric luminous flux, 24Z partial luminous flux, 25, 26 cylindrical lens (parallel light conversion means, cylindrical (Rical lens group), 30 prism (parallel light conversion means), 31 aperture plate (parallel light conversion means), 32 rod integrator, 33 cylindrical lens (second cylindrical lens group), 34 cylindrical lens (second cylindrical lens group) ), 35 incident principal ray, 36 incident luminous flux, 36A, 36B incident ray, 37 outgoing principal ray, 38 outgoing luminous flux, 38A, 38B outgoing ray.

Claims (6)

平行光を出射するランプ光源と、平行光を受光すると第1のF値の光束として集光する集光レンズと、上記第1のF値の光束をその出射端面で均一な強度分布にして出射するロッドインテグレータと、上記第1のF値の光束を第2のF値の光束としてデジタルマイクロミラーデバイスへリレーするリレー系とを備えた集光光学系システムにおいて、
リレー系は、上記ロッドインテグレータからの光線の上記出射端面における位置情報を、上記ロッドインテグレータの光軸と上記光線とがなす広がり角情報に変換したフーリエ変換面を作り出す第1レンズ群と、
上記フーリエ変換面の近傍に配置され、ON状態の微小ミラーにおいて干渉成分となる部分光束を広がり角情報にしたがって遮蔽除去する変形絞りと、
上記変形絞りを透過した光線を受光して、上記デジタルマイクロミラーデバイスへ上記第2のF値の光束を入射する第2レンズ群とから構成することを特徴とする集光光学系システム。
A lamp light source that emits parallel light, a condensing lens that collects the first F-number light beam when receiving the parallel light, and emits the first F-value light beam with a uniform intensity distribution at its emission end face. A condensing optical system comprising: a rod integrator that relays the first F-number light flux as a second F-value light flux to the digital micromirror device;
The relay system includes a first lens group that creates a Fourier transform surface obtained by converting position information of the light beam from the rod integrator at the emission end surface into spread angle information formed by the optical axis of the rod integrator and the light beam;
A deformed stop disposed in the vicinity of the Fourier transform surface and shields and removes a partial light beam that becomes an interference component in a micromirror in an ON state according to the spread angle information;
A condensing optical system comprising: a second lens group configured to receive a light beam transmitted through the deformed diaphragm and to input the light beam having the second F value to the digital micromirror device.
平行光を出射するランプ光源と、平行光を受光すると第1のF値の光束として集光する集光レンズと、上記第1のF値の光束をその出射端面で均一な強度分布にして出射するロッドインテグレータと、上記第1のF値の光束を第2のF値の光束としてデジタルマイクロミラーデバイスへリレーするリレー系とを備えた集光光学系システムにおいて、
上記集光レンズの光軸と直交する第1の座標軸方向の幅を上記デジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角で決まるF値を基に設定し、上記集光レンズの光軸および上記第1の座標軸とそれぞれ直交する第2の座標軸方向の上記平行光の幅を上記第1の座標軸方向の上記平行光の幅よりも大きくして出射する平行光変換手段を上記ランプ光源と上記集光レンズとの間に備え、
上記リレー系は、上記デジタルマイクロミラーデバイスの回転軸と上記第2の座標軸方向とを平行にして上記光束をリレーすることを特徴とする集光光学系システム。
A lamp light source that emits parallel light, a condensing lens that collects the first F-number light beam when receiving the parallel light, and emits the first F-value light beam with a uniform intensity distribution at its emission end face. A condensing optical system comprising: a rod integrator that relays the first F-number light flux as a second F-value light flux to the digital micromirror device;
The width in the first coordinate axis direction orthogonal to the optical axis of the condenser lens is set based on the F value determined by the tilt angle of the digital micromirror device, and the optical axis of the condenser lens and the first coordinate axis Parallel light conversion means for emitting light with a width of the parallel light in the second coordinate axis direction orthogonal to each other larger than the width of the parallel light in the first coordinate axis direction is provided between the lamp light source and the condenser lens. In preparation for
The condensing optical system, wherein the relay system relays the light flux with the rotation axis of the digital micromirror device and the second coordinate axis direction parallel to each other.
平行光変換手段は、集光レンズの光軸と一致する光軸を備え、第1の座標軸方向にのみレンズ作用を有するシリンドリカルレンズ群とすることを特徴とする請求項2記載の集光光学系システム。  3. The condensing optical system according to claim 2, wherein the parallel light converting means is a cylindrical lens group having an optical axis that coincides with the optical axis of the condensing lens and having a lens function only in the first coordinate axis direction. system. 平行光変換手段は、第1の座標軸方向においてのみ、集光レンズの光軸に対して斜めに出射されたランプ光源からの平行光を上記集光レンズの光軸と平行な方向へ屈折するプリズムとすることを特徴とする請求項2記載の集光光学系システム。  The parallel light converting means is a prism that refracts the parallel light from the lamp light source emitted obliquely with respect to the optical axis of the condenser lens in the direction parallel to the optical axis of the condenser lens only in the first coordinate axis direction. The condensing optical system according to claim 2, wherein ランプ光源は、光を発する発光体および上記発光体を焦点に備えたパラボラリフレクタから構成され、
平行光変換手段は、上記パラボラリフレクタの開口に設けらた開口板とすることを特徴とする請求項2記載の集光光学系システム。
The lamp light source is composed of a light emitter that emits light and a parabolic reflector provided with the light emitter at a focal point,
3. The condensing optical system according to claim 2, wherein the parallel light converting means is an aperture plate provided at the aperture of the parabolic reflector.
請求項1から請求項5記載の集光光学系システムと、
マイクロミラーデバイスから出射した光束を投影する投影レンズと、
上記投影レンズからの光束を結像するスクリーンとを備えることを特徴とする画像表示装置。
The condensing optical system according to claim 1 ,
A projection lens that projects the light beam emitted from the micromirror device;
An image display device comprising: a screen that forms an image of a light beam from the projection lens.
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