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JP6698873B2 - Illumination optical system and projection type image display device - Google Patents

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JP6698873B2
JP6698873B2 JP2018555351A JP2018555351A JP6698873B2 JP 6698873 B2 JP6698873 B2 JP 6698873B2 JP 2018555351 A JP2018555351 A JP 2018555351A JP 2018555351 A JP2018555351 A JP 2018555351A JP 6698873 B2 JP6698873 B2 JP 6698873B2
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Description

本発明は、投射型映像表示装置の技術に関し、特に、光源からの光の利用効率を向上させる照明光学系およびこれを用いた投射型映像表示装置に適用して有効な技術に関するものである。  The present invention relates to a technique of a projection-type image display device, and more particularly, to a technique effective when applied to an illumination optical system that improves utilization efficiency of light from a light source and a projection-type image display device using the illumination optical system.

投射型映像表示装置(プロジェクタ)が広く普及しており、その中で、光源から出射された光の利用効率を向上させる、すなわち、照明光学系において、映像を表示するパネルに対して光源から出射された光を照射する際の照明効率を向上させることが検討されており、各種の手段が提案されている。  Projection-type image display devices (projectors) are widely used. Among them, the utilization efficiency of the light emitted from the light source is improved, that is, in the illumination optical system, the light is emitted from the light source to the panel displaying the image. It has been studied to improve the illumination efficiency when irradiating the emitted light, and various means have been proposed.

照明光学系における光の利用効率(以下では単に「効率」と記載する場合がある)を向上させる技術に関連するものとして、例えば、特開2012−155344号公報(特許文献1)には、フィールドレンズとコンデンサレンズとによって、第1のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を複数の表示パネルに略平行に入射させ、かつ複数の表示パネル上に重畳させるよう構成された照明光学系が記載されている。この構成の場合、フィールドレンズおよびコンデンサレンズとして合成焦点距離が短いものを使用することにより、これらの間隔を短くすることができ、第1のインテグレータの焦点距離が短い光学系を実現することが可能となる。よって、第2のインテグレータ上に形成する光源のアーク像を小さくすることが可能となり、偏光変換素子の各偏光変換部の有効開口から外れる光の量を低減することができ、照明効率が向上するとされる。  As a technique related to a technique for improving the use efficiency of light in an illumination optical system (hereinafter, may be simply referred to as “efficiency”), for example, JP 2012-155344 A (Patent Document 1) describes a field. There is described an illumination optical system configured to cause a light flux passing through each lens cell of the first integrator to enter a plurality of display panels substantially in parallel and to be superimposed on the plurality of display panels by a lens and a condenser lens. ing. In the case of this configuration, by using a field lens and a condenser lens having a short combined focal length, it is possible to shorten the interval between them, and it is possible to realize an optical system with a short focal length of the first integrator. Becomes Therefore, it is possible to reduce the arc image of the light source formed on the second integrator, reduce the amount of light that deviates from the effective aperture of each polarization conversion unit of the polarization conversion element, and improve the illumination efficiency. To be done.

また、特開2006−318922号公報(特許文献2)には、拡散放射特性を有するLED(Light Emitting Diode)と、入射端面から取り込んだLEDからの光の一部または全部を反射面で反射することにより出射端面に導光する導光ロッドやテーパーロッドと、これらの出射端面からの射出光の配光角度強度を所定の照射領域内の位置強度に変換する照明レンズとから構成される照明装置が記載されている。これにより、LEDのような微小面光源を用いて、効率が良くかつ所望の平行性を有する均一照明を実現することができるとされる。  Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-318922 (Patent Document 2), an LED (Light Emitting Diode) having a diffused emission characteristic and a part or all of the light from the LED captured from the incident end face is reflected by a reflecting surface. A lighting device including a light guide rod or a taper rod that guides light to the emission end face by this, and an illumination lens that converts the intensity intensity of the light distribution of the emission light from these emission end faces into the position intensity within a predetermined irradiation region. Is listed. This makes it possible to realize uniform illumination with high efficiency and desired parallelism by using a minute surface light source such as an LED.

また、国際公開第2008/069143号(特許文献3)には、光源とコリメータレンズを有する照明装置が記載されている。ここでは、光源から放出された光束はコリメータレンズの球面に略垂直に入射し、このうちの光軸との成す角が小さい光線は第1の楕円面に入射、屈折される。当該第1の楕円面は、その第1焦点に位置する光源から発散する光束を平行光束に変換する。また、光軸との成す角が大きい光線は第2の楕円面に入射し、当該第2の楕円面により全反射される。当該第2の楕円面は、その第1焦点に位置する光源から発散する光束を第2焦点に集光する光束に変換する。また、第3の楕円面は、その第2焦点に集光する光束を平行光束に変換する。これらにより、光源から発せられた光束はコリメータレンズにより略平行光に変換され、指向性が高く高効率であり、かつ光量分布の均一性が高い照明装置を実現することができるとされる。  In addition, International Publication No. 2008/069143 (Patent Document 3) describes an illumination device having a light source and a collimator lens. Here, the light flux emitted from the light source is incident on the spherical surface of the collimator lens substantially perpendicularly, and the light ray of which the angle formed with the optical axis is small is incident on the first elliptical surface and refracted. The first elliptical surface converts a light beam diverging from a light source located at the first focal point into a parallel light beam. A light ray having a large angle with the optical axis is incident on the second elliptical surface and is totally reflected by the second elliptic surface. The second elliptical surface converts a light beam diverging from the light source located at the first focus into a light beam that focuses on the second focus. In addition, the third elliptical surface converts the light beam condensed at the second focal point into a parallel light beam. With these, the light flux emitted from the light source is converted into substantially parallel light by the collimator lens, and it is possible to realize an illuminating device having high directivity, high efficiency, and high uniformity of light amount distribution.

特開2012−155344号公報JP, 2012-155344, A 特開2006−318922号公報JP, 2006-318922, A 国際公開第2008/069143号International Publication No. 2008/069143

近年、プロジェクタにおいては、パネル(映像表示素子)として、DMD(Digital Micromirror Device)を用いたDLP(Digital Light Processing、登録商標)プロジェクタが普及してきている。DMDパネルを用いる場合、光束をパネルに対して垂直に入射させるのではなく、その仕様に応じてパネルの法線に対して一定の角度を持って入射させなければならない場合がある。この場合、照明効率を向上させるためには、一定の角度空間(すなわち、開口数NA(Numerical Aperture))の光束をパネルの一点に可能な限り収差なく結像させる必要がある。この点、従来技術ではこのような課題については考慮されていない。  In recent years, in projectors, DLP (Digital Light Processing, registered trademark) projectors using DMD (Digital Micromirror Device) as a panel (video display element) have become widespread. In the case of using a DMD panel, there are cases where the luminous flux must be incident at a certain angle with respect to the normal line of the panel according to its specifications, instead of being incident perpendicularly to the panel. In this case, in order to improve the illumination efficiency, it is necessary to form a light beam having a constant angular space (that is, a numerical aperture NA (Numerical Aperture)) on one point of the panel with as little aberration as possible. In this respect, the related art does not consider such a problem.

そこで本発明の目的は、映像表示素子に対して一定の角度を持って照射する照明光学系において、光源から出射され、インテグレータ等の光学素子を通過した光束を、一定の角度空間の光束として、映像表示素子上の一点に可能な限り収差無く結像させる照明光学系およびこれを用いた投射型映像表示装置を提供することにある。  Therefore, an object of the present invention is, in an illumination optical system for irradiating a video display element at a constant angle, a light flux emitted from a light source and passing through an optical element such as an integrator, as a light flux in a constant angular space, It is an object of the present invention to provide an illumination optical system for forming an image on one point on an image display element with as little aberration as possible and a projection type image display device using the illumination optical system.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。  The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。  The following is a brief description of the outline of the typical inventions among the inventions disclosed in the present application.

本発明の代表的な実施の形態による照明光学系は、完全拡散性を有する光源と、前記光源からの照明光束を取り込み、所定の径を有しつつ小さいNAに変換するコリメータと、前記コリメータを通過した前記照明光束の明るさを均一化するインテグレータと、前記照明光束を集光する集光レンズと、を有し、プリズムを介して被照明体の照射面の法線に対して一定の角度で前記照明光束を照射する照明光学系であって、以下の特徴を有するものである。  An illumination optical system according to a typical embodiment of the present invention includes a light source having perfect diffusivity, a collimator that captures an illumination light flux from the light source, converts the illumination light flux into a small NA while having a predetermined diameter, and the collimator. An integrator that uniformizes the brightness of the illumination light flux that has passed through, and a condenser lens that condenses the illumination light flux, and a constant angle with respect to a normal line of the irradiation surface of the illumination target through a prism. And an illumination optical system for irradiating the illumination luminous flux with the following features.

すなわち、前記インテグレータと前記被照明体との間に、前記集光レンズおよび前記プリズムが、この順で前記照明光束が通過するよう配置される。そして、前記集光レンズおよび前記プリズムは、前記被照明体の照射面に対して、前記照明光束の主光線が前記被照明体の照射面の法線に対して所定の角度をもって入射するよう構成される。  That is, the condenser lens and the prism are arranged between the integrator and the object to be illuminated so that the illumination light flux passes in this order. The condensing lens and the prism are configured such that the chief ray of the illumination light flux is incident on the irradiation surface of the object to be illuminated at a predetermined angle with respect to the normal to the irradiation surface of the object to be illuminated. To be done.

また、前記プリズムは、前記照明光束の入射面が出射面に対して傾斜し、前記入射面に入射する主光線が前記入射面の法線に対して前記プリズムの頂点とは反対側から入射し、前記出射面から出射する主光線が前記出射面の法線に対して前記プリズムの頂点とは反対側から出射するよう構成され、前記プリズムの出射面が前記被照明体の照射面と略平行になるよう配置される。また、前記集光レンズは、前記集光レンズから出射された後の各主光線が互いに略平行となるよう構成され、前記プリズムの入射面と同じ向きに回転し、さらに軸ずれして配置される。  Further, in the prism, an incident surface of the illumination light beam is inclined with respect to an exit surface, and a chief ray incident on the incident surface enters from a side opposite to a vertex of the prism with respect to a normal line of the incident surface. , The principal ray emitted from the emission surface is configured to be emitted from the side opposite to the vertex of the prism with respect to the normal to the emission surface, and the emission surface of the prism is substantially parallel to the irradiation surface of the illuminated body. Will be arranged. Further, the condensing lens is configured such that the respective chief rays after being emitted from the condensing lens are substantially parallel to each other, rotate in the same direction as the incident surface of the prism, and are further offset from each other. It

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。  The effects obtained by the typical ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.

すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、映像表示素子に対して一定の角度を持って照射する照明光学系において、光源から出射され、インテグレータ等の光学素子を通過した光束を、一定の角度空間の光束として、映像表示素子上の一点に可能な限り収差無く結像させることで、光の利用効率を向上させることが可能となる。  That is, according to a representative embodiment of the present invention, in an illumination optical system that irradiates a video display element at a constant angle, a light beam emitted from a light source and passing through an optical element such as an integrator, By forming a light beam with a constant angular space at one point on the image display element with as little aberration as possible, it is possible to improve the light utilization efficiency.

(a)、(b)は、本発明の実施の形態1における投射型映像表示装置の外観について例を示した図である。(A), (b) is the figure which showed the example about the external appearance of the projection type video display apparatus in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における投射光学系の構成について例を示した断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the projection optical system in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における投射型映像表示装置の内部構造について例を示した上面図である。FIG. 3 is a top view showing an example of the internal structure of the projection-type image display device in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における投射型映像表示装置の照明光学系および投射光学系の構造について例を示した上面図である。FIG. 3 is a top view showing an example of structures of an illumination optical system and a projection optical system of the projection type image display device in the first embodiment of the present invention. (a)、(b)は、本発明の実施の形態1である照明光学系の論理的な構成について例を示した図である。(A), (b) is the figure which showed the example about the logical structure of the illumination optical system which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1におけるインテグレータの構成例について概要を示した図である。It is the figure which showed the outline about the structural example of the integrator in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1におけるDMDパネルと入射光の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship of DMD panel and incident light in Embodiment 1 of this invention. 映像表示素子の表示面における光強度の分布状況について例を示した図である。It is the figure which showed the example about the distribution condition of the light intensity on the display surface of an image display element. 本発明の実施の形態1におけるプリズムの偏角を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a deviation angle of a prism according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1におけるプリズムを展開した仮想プリズムと、集光レンズおよびDMDパネルの構成について例を示した図である。It is the figure which showed the example about the structure of the virtual prism which expanded the prism in Embodiment 1 of this invention, a condensing lens, and a DMD panel. 本発明の実施の形態1における集光レンズおよび仮想プリズムを介した光線の状況について例を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a situation of light rays that have passed through a condenser lens and a virtual prism in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における展開した後段のプリズムと、集光レンズおよびDMDパネルの構成について例を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of configurations of a developed rear prism, a condenser lens, and a DMD panel in Embodiment 1 of the present invention. (a)、(b)は、本発明の実施の形態2である照明光学系のコリメータの論理的な構成と光線の状況の例について概要を示した図である。(A), (b) is the figure which showed the outline about the logical structure of the collimator of the illumination optical system which is Embodiment 2 of this invention, and the example of the condition of a light ray.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。一方で、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示はしないが同一の符号を付して言及する場合がある。  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for explaining the embodiments, the same parts are designated by the same reference numerals in principle, and the repeated description thereof will be omitted. On the other hand, parts described with reference numerals in a certain drawing may be referred to with the same reference numeral although not shown again in the description of other drawings.

(実施の形態1)
<投射型映像表示装置の構成>
図1は、本発明の実施の形態1における投射型映像表示装置(プロジェクタ)の外観について例を示した図である。図1(a)は、投射型映像表示装置1の正面図であり、図1(b)は側面図である。
(Embodiment 1)
<Structure of projection type video display device>
FIG. 1 is a diagram showing an example of an external appearance of a projection-type image display device (projector) according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1A is a front view of the projection-type image display device 1, and FIG. 1B is a side view.

投射型映像表示装置1は、例えば、略平箱状の外形形状の筐体2を有する。この形状により、使用状態として、例えば、机やテーブルの表面に立てた状態で使用する場合(机やテーブルの表面に映像が投射される場合)をも考慮して、その背面側を底面として直立させることが可能である。なお、筐体2に着脱が可能、または筐体2に内蔵されて取り出しが可能な図示しないスタンド等の手段を有していてもよい。  The projection-type image display device 1 has, for example, a housing 2 having a substantially flat box-like outer shape. Due to this shape, when using it upright on the surface of a desk or a table (when an image is projected on the surface of a desk or a table), the back side of the shape stands upright. It is possible to It should be noted that the housing 2 may have a detachable means or a means such as a stand (not shown) that is built in the housing 2 and can be taken out.

筐体2の上面には、開閉可能なミラーカバー3が形成されている。ミラーカバー3の内側には、凸形状で回転非対称に形成された反射ミラー(自由曲面ミラー)31が取り付けられている。また、筐体2の上側の略中央部に形成された凸状部の内部には、投射レンズ系52が配置され、投射光を外部に導くための開口部が形成されている。なお、図中では、投射レンズ系52の一部のみが当該開口部を介して示されている。また、筐体2の上部には、図示しないレンズ調整機構によりレンズ位置を変えて投射映像のフォーカス状態を調整するための、いわゆるフォーカス調整用リング6の一部(筐体2から外部に突出した上端部)を示している。  A mirror cover 3 that can be opened and closed is formed on the upper surface of the housing 2. A reflection mirror (free-form curved mirror) 31 formed in a convex shape and rotationally asymmetrical is attached to the inside of the mirror cover 3. In addition, a projection lens system 52 is arranged inside the convex portion formed in the substantially central portion on the upper side of the housing 2, and an opening portion for guiding the projection light to the outside is formed. In the figure, only a part of the projection lens system 52 is shown through the opening. Further, a part of a so-called focus adjustment ring 6 (projected to the outside from the case 2) for adjusting the focus state of the projected image by changing the lens position by a lens adjusting mechanism (not shown) is provided on the upper side of the case 2. The upper end) is shown.

図2は、本実施の形態における投射光学系5の構成について例を示した断面図である。例えば、図示しない照明光学系において、LEDや半導体レーザ等からなる光源からの光を、外部からの映像信号(例えば、携帯端末やタブレット端末、PC(Personal Computer)等からの映像信号)に応じて、DMDパネル48等の映像表示素子に入射させて変調する。そして、得られた映像をTIR(Total Internal Reflection:内部全反射)プリズム51で合成し、複数のレンズからなる投射レンズ系52を介して反射ミラー31に投射して反射させて拡大投射する。  FIG. 2 is a sectional view showing an example of the configuration of the projection optical system 5 in the present embodiment. For example, in an illumination optical system (not shown), light from a light source such as an LED or a semiconductor laser is supplied in accordance with an external video signal (for example, a video signal from a mobile terminal, a tablet terminal, a PC (Personal Computer), etc.). , DMD panel 48 and other image display elements are made incident and modulated. Then, the obtained image is combined by a TIR (Total Internal Reflection) prism 51, projected onto a reflection mirror 31 via a projection lens system 52 composed of a plurality of lenses, reflected, and enlarged and projected.

なお、投射レンズ系52は、映像の拡大投射に伴う各種の歪み、例えば、斜め入射による歪みや台形歪みなどを補正するために必要な、回転対称でない自由曲面形状のレンズ等を含めて、各種のレンズを含んで構成されている。また、投射レンズ系52は、投射レンズベース53上に移動可能なように搭載されており、レンズ調整機構54により、図中の上下方向に投射レンズの一部のレンズまたはレンズ群を移動させることでフォーカス性能を調整することが可能である。  It should be noted that the projection lens system 52 includes various types of distortion, such as a lens having a free-form curved surface that is not rotationally symmetric and is necessary for correcting various types of distortion associated with enlarged projection of an image, such as distortion due to oblique incidence and trapezoidal distortion. The lens is included. Further, the projection lens system 52 is movably mounted on the projection lens base 53, and a lens adjusting mechanism 54 moves a part of the projection lens or a lens group in the vertical direction in the drawing. It is possible to adjust the focus performance with.

また、図示しない照明光学系からDMDパネル48(映像表示素子)に照射され、DMDパネル48により変調された映像光は、図中の破線で示すように投射レンズ系52により拡大されて反射ミラー31に投射され、その表面で反射されて、例えば、図示しないスクリーンや壁面、机、テーブル等の表面に投射される。図中では、その上限光と下限光がそれぞれ矢印により示されている。  Further, the image light, which is irradiated onto the DMD panel 48 (image display element) from an illumination optical system (not shown) and is modulated by the DMD panel 48, is enlarged by the projection lens system 52 and is reflected by the reflection mirror 31 as shown by a broken line in the figure. Is reflected on the surface and is projected on the surface of a screen, a wall surface, a desk, a table, or the like (not shown). In the figure, the upper limit light and the lower limit light are respectively indicated by arrows.

また、本実施の形態では、筐体2の高さをできるだけ低くして小型化を図るため、反射ミラー31と投射レンズ系52とを含む投射光学系5を、平面上に(具体的には、筐体2の底部に設けられた投射レンズベース53上に)、その表面と略平行になるように配置する。一般的に、所定の投射距離においてより大きな投射映像を得るためには、例えば、投射レンズ系52を底面に対して傾斜させた状態(スクリーン等に対して垂直とせず傾けた状態)で配置し、他方、反射ミラー31での映像光の拡散角度(例えば、図中の上限光と下限光がなす角度)を大きくすることが考えられる。しかし、この場合、投射レンズ系52を傾斜して配置することで筐体2の高さが増大してしまい、小型化という観点ではデメリットとなる。  Further, in the present embodiment, the projection optical system 5 including the reflection mirror 31 and the projection lens system 52 is placed on a plane (specifically, in order to make the height of the housing 2 as small as possible to achieve size reduction. , On the projection lens base 53 provided at the bottom of the housing 2) so as to be substantially parallel to the surface thereof. Generally, in order to obtain a larger projected image at a predetermined projection distance, for example, the projection lens system 52 is arranged in a state of being tilted with respect to the bottom surface (a state of being tilted without being perpendicular to the screen or the like). On the other hand, it is conceivable to increase the diffusion angle of the image light on the reflection mirror 31 (for example, the angle formed by the upper limit light and the lower limit light in the figure). However, in this case, by arranging the projection lens system 52 in an inclined manner, the height of the housing 2 increases, which is a disadvantage from the viewpoint of downsizing.

図3は、本実施の形態における投射型映像表示装置1の内部構造について例を示した上面図である。また、図4は、本実施の形態における投射型映像表示装置1の照明光学系4および投射光学系5の構造について例を示した上面図である。  FIG. 3 is a top view showing an example of the internal structure of the projection-type image display device 1 according to the present embodiment. Further, FIG. 4 is a top view showing an example of the structures of the illumination optical system 4 and the projection optical system 5 of the projection type image display device 1 according to the present embodiment.

図3では、筐体2の上部のケースを外した状態を示している。図3において、反射ミラー31や投射レンズ系52を含む投射光学系5は、筐体2のほぼ中央部に図中の垂直方向に沿って配置されている。また、投射レンズ系52を中心に、その一方の側(図中の左側)には電源ユニット7や、放熱のための複数台(図中の例では2台)の軸流ファン81が配置されている。また、投射レンズ系52の他方の側(図中の右側)には、放熱のためのシロッコファン82が配置されている。  FIG. 3 shows a state in which the upper case of the housing 2 is removed. In FIG. 3, the projection optical system 5 including the reflection mirror 31 and the projection lens system 52 is arranged substantially in the center of the housing 2 along the vertical direction in the drawing. Further, the power source unit 7 and a plurality of (two in the example in the figure) axial fans 81 for heat dissipation are arranged on one side (left side in the figure) of the projection lens system 52 as a center. ing. A sirocco fan 82 for heat dissipation is arranged on the other side (right side in the drawing) of the projection lens system 52.

図3、図4に示すように、シロッコファン82の一部は放熱用フィンと略一体化されており、光源を構成するLED照明ユニット41における緑色(G)光発光用のLED42Gで発生した熱は、ヒートパイプ83Gを介して放熱用フィンまで伝搬される。同様に、赤色(R)光発光用のLED42Rで発生した熱は、ヒートパイプ83Rを介して、青色(B)光発光用のLED42Bで発生した熱は、ヒートパイプ83Bを介して、それぞれ放熱フィンまで伝搬される。そして、シロッコファン82により発生した冷却風により冷却されて、筐体2に設けられた排気口から放熱される。なお、DMDパネル48は、冷却用のヒートシンク84により冷却される。  As shown in FIGS. 3 and 4, a part of the sirocco fan 82 is substantially integrated with the heat radiation fins, and heat generated by the LED 42G for emitting green (G) light in the LED lighting unit 41 that constitutes the light source. Is propagated to the heat radiation fin via the heat pipe 83G. Similarly, the heat generated by the LED 42R for emitting red (R) light is emitted through the heat pipe 83R, and the heat generated by the LED 42B for emitting blue (B) light is emitted through the heat pipe 83B. Is propagated to. Then, it is cooled by the cooling air generated by the sirocco fan 82 and radiated from the exhaust port provided in the housing 2. The DMD panel 48 is cooled by the heat sink 84 for cooling.

<照明光学系の構成>
図5は、本実施の形態である照明光学系4の論理的な構成について例を示した図である。図5(a)は論理的な構成における上面図を示し、そのA−A’断面を図5(b)に示している。なお、図5における上面と、上記の図2〜図4に示した実装例における上面とは必ずしも一致しなくてもよい。
<Structure of illumination optical system>
FIG. 5 is a diagram showing an example of a logical configuration of the illumination optical system 4 according to the present embodiment. FIG. 5A shows a top view in a logical configuration, and its AA′ cross section is shown in FIG. 5B. It should be noted that the upper surface in FIG. 5 and the upper surface in the mounting example shown in FIGS.

本実施の形態の照明光学系4は、一般的なプロジェクタ等で用いられる照明光学系と概ね同様の構成要素と配置からなる。ここでは、LED照明ユニット41を構成するLED42R、42G、42B(以下ではこれらをLED42と総称する場合がある)と、これらの光源から出射された光をそれぞれ平行化する1つ以上のレンズ等からなるコリメータ43R、43G、43B(以下ではこれらをコリメータ43と総称する場合がある)、および平行化した光束を合成するダイクロイックミラー44、合成光を均一化する1つ以上のレンズ等からなるインテグレータ45等の光学素子を有する。  The illumination optical system 4 of the present embodiment has substantially the same components and arrangement as those of an illumination optical system used in a general projector or the like. Here, the LEDs 42R, 42G, and 42B (which may be collectively referred to as “LEDs 42” below) that constitute the LED lighting unit 41, and one or more lenses that parallelize the light emitted from these light sources, respectively. Collimators 43R, 43G, 43B (hereinafter, these may be collectively referred to as collimator 43), a dichroic mirror 44 that synthesizes collimated light beams, an integrator 45 that includes one or more lenses that homogenize the synthesized light, and the like. And other optical elements.

そして、インテグレータ45を通過した光束を、一定の角度を持ってDMDパネル48に照射するため、インテグレータ45とDMDパネル48との間に集光レンズ46および少なくとも2枚のプリズム47を有する。すなわち、図6の右側の図に示したインテグレータ45の正面図におけるレンズアレイの各セル45aの光学像(照明領域)が、集光レンズ46(およびプリズム47)によってDMDパネル48上に重畳される。図6の例では、7×7=49個のセル45aの光学像がDMDパネル48上に重畳される。  The condenser lens 46 and at least two prisms 47 are provided between the integrator 45 and the DMD panel 48 in order to irradiate the DMD panel 48 with the light flux that has passed through the integrator 45 at a constant angle. That is, the optical image (illumination area) of each cell 45a of the lens array in the front view of the integrator 45 shown in the diagram on the right side of FIG. 6 is superimposed on the DMD panel 48 by the condenser lens 46 (and the prism 47). .. In the example of FIG. 6, the optical images of 7×7=49 cells 45 a are superimposed on the DMD panel 48.

なお、「一定の角度を持ってDMDパネル48に照射する」とは、図7に示すように、照明光束の主光線(DMDパネル48の各点を照射する光束に着目した場合の光束の中心光線)を、DMDパネル48の照射面の法線に対して、DMDパネル48の仕様に応じて角度をもって入射させることをいう。所定の角度をもって入射した入射光は、DMDパネル48の表面に形成されたマイクロミラーにより、図示するようにDMDパネル48の略法線方向に反射して出射光となる。  It should be noted that “irradiating the DMD panel 48 at a certain angle” means that, as shown in FIG. 7, the principal ray of the illumination light flux (the center of the light flux when focusing on the light flux irradiating each point of the DMD panel 48). Light beam) is incident on the normal line of the irradiation surface of the DMD panel 48 at an angle according to the specifications of the DMD panel 48. Incident light that has entered at a predetermined angle is reflected by the micromirrors formed on the surface of the DMD panel 48 in the substantially normal direction of the DMD panel 48 to become outgoing light.

<光の利用効率の向上>
ここで、一般的に、照明光学系4において光の利用効率を向上させる、すなわち、光源であるLED42から出射された光をできるだけ損失させずに被照明体であるDMDパネル48に照射するための基本的な手法は、LED42からDMDパネル48までの間で、以下の式で示されるEtendueと呼ばれる量のマッチングを行うことである。
<Improvement of light utilization efficiency>
Here, in general, in order to improve the light utilization efficiency in the illumination optical system 4, that is, to irradiate the DMD panel 48, which is the illuminated object, with the light emitted from the LED 42, which is the light source, with as little loss as possible. The basic method is to perform matching between the LED 42 and the DMD panel 48 by a quantity called “Entdue” represented by the following equation.

Etendue=π×(光源の発光面積)×(光源から発散する光の立体角)
=π×(光源の発光面積)×(NA)
(NA=sinθ、θは光軸の中心からの光の角度)
例えば、光源側のEtendueに対して被照明体のEtendueが非常に小さい場合、もしくは非常に大きい場合等、光源側と被照明体側のEtendueの差が大きい場合は、一般的に、照明光学系の設計の内容が効率に及ぼす影響は相対的に小さくなる(すなわち、設計でカバーできる余地が小さい)。一方で、光源側と被照明体側のEtendueが同程度の場合は、効率を上げるには照明光学系の設計を注意深く行う必要がある。
Etendue=π×(light emitting area of light source)×(solid angle of light emitted from light source)
=π×(light emitting area of light source)×(NA) 2
(NA=sin θ, θ is the angle of light from the center of the optical axis)
For example, when the difference between the light source side and the illuminated object side is large, such as when the illuminated object has a very small or very large Etendue with respect to the light source side, the illumination optical system generally The impact of design content on efficiency is relatively small (ie, there is little room for design to cover). On the other hand, when the light source side and the illuminated body side are about equal in Etendue, it is necessary to carefully design the illumination optical system in order to improve efficiency.

LEDを光源とする場合、光量を上げるためには放熱の関係でダイのサイズを大きくする必要がある。一方で、DMDパネルを被照明体とする場合、サイズが小さい方がコストを低減させることができる。このため、両者のEtendueは同程度の大きさとなる傾向にある。したがって、本実施の形態のように光源にLED42を用い、被照明体としてDMDパネル48を用いる場合には、照明光学系4の設計を注意深く行う必要がある。  When an LED is used as a light source, it is necessary to increase the size of the die in order to increase the amount of light due to heat dissipation. On the other hand, when the DMD panel is used as the illumination target, the smaller size can reduce the cost. For this reason, the Etendues of both tend to have the same size. Therefore, when the LED 42 is used as the light source and the DMD panel 48 is used as the object to be illuminated as in the present embodiment, it is necessary to carefully design the illumination optical system 4.

本実施の形態の照明光学系4は、図5に示したように、光源側から順に、
(1)完全拡散性を有する光源(図5の例ではLED42)
(2)光源からの光束を取り込み、所定の径を有しつつ小さいNAに
変換するコリメータ(図5の例ではコリメータ43)
(3)被照明体(図5の例ではDMDパネル48)上の光束の均一性を
実現するためのインテグレータ(図5の例ではインテグレータ45)
(4)被照明体に集光するための集光レンズ(図5の例では集光レンズ46)
の各光学要素を含む基本構成を有している。
The illumination optical system 4 of the present embodiment, as shown in FIG.
(1) Light source having perfect diffusivity (LED 42 in the example of FIG. 5)
(2) Collimator that takes in the light flux from the light source and converts it into a small NA while having a predetermined diameter (collimator 43 in the example of FIG. 5)
(3) An integrator (integrator 45 in the example of FIG. 5) for realizing the uniformity of the luminous flux on the illuminated object (the DMD panel 48 in the example of FIG. 5)
(4) Condensing lens for condensing on the illuminated object (condensing lens 46 in the example of FIG. 5)
It has a basic configuration including each optical element of.

効率を向上させる場合、上記の各段階の構成において、それぞれEtendueの損失が少なくなるように設計することが重要である。例えば、光源と被照明体のEtendueが略等しい場合は、光源から被照明体に至る上記の(1)〜(4)の各段階のEtendueが略等しくなるように照明光学系4を設計する必要がある。途中の光学要素でEtendueが増加すると、増加したEtendueを効率を低下させずに減少させることはできないため、被照明体のEtendueとのマッチングができずに効率が低下してしまう。なお、光源のEtendueより被照明体のEtendueの方が大きい場合は、上記の(1)〜(4)の各段階のEtendueが略等しくなるか、単調増加するように照明光学系4を設計する。  In order to improve efficiency, it is important to design each of the above stages so that the loss of Etendue is reduced. For example, when the light source and the illuminated object have substantially equal Etendues, it is necessary to design the illumination optical system 4 so that the Etendues at the respective steps (1) to (4) from the light source to the illuminated object are approximately equal. There is. When the etendue increases in the optical element on the way, the increased etendue cannot be reduced without lowering the efficiency, and thus the efficiency cannot be lowered because the etendue of the illuminated object cannot be matched. When the Etendue of the illuminated object is larger than the Etendue of the light source, the illumination optical system 4 is designed so that the Etendues at the respective steps (1) to (4) are substantially equal or monotonically increase. ..

本実施の形態では、上記の(1)〜(4)の各段階のうち、(4)の集光レンズにおいてEtendueの損失を低減して効率を向上させるように設計を行うものである。なお、上記の(1)〜(4)の各段階での設計内容について、これらの間、および照明光学系4におけるその他の各種の設計内容との間で、パラメータ的には相互に影響を及ぼし合う場合がある。したがって、整合性を維持しつつ全体として最適化する必要があるが、本実施の形態における(4)の集光レンズの設計内容は、他の項目の設計内容とは独立して考えることができる。  In the present embodiment, of the stages (1) to (4) above, the condenser lens of (4) is designed to reduce the loss of etendue and improve the efficiency. In addition, regarding the design contents in each of the above-mentioned steps (1) to (4), these and the other various design contents in the illumination optical system 4 influence each other in terms of parameters. It may fit. Therefore, it is necessary to optimize overall while maintaining consistency, but the design content of the condenser lens of (4) in the present embodiment can be considered independently of the design content of other items. ..

<集光レンズ周辺の設計条件>
本実施の形態では、光源からの光の利用効率を向上させるため、集光レンズ46について、前段のインテグレータ45から出射した光束が、小さい収差でDMDパネル48相当面に集光するための設計を行う際の条件を規定している。
<Design conditions around the condenser lens>
In the present embodiment, in order to improve the utilization efficiency of the light from the light source, the condenser lens 46 is designed so that the light flux emitted from the integrator 45 in the preceding stage is condensed on the surface corresponding to the DMD panel 48 with a small aberration. It specifies the conditions for performing.

光の利用効率を決定する大きな要素の一つとして、DMDパネル48の周囲にどの程度の調整余裕量を確保するかという点がある。例えば、長さで1割の余裕量を確保すると、実際にDMDパネル48を照射する効率は、(1.1)=1.21となり、約20%の効率低下となる。これに加えてさらに収差も大きい場合、照明の境界領域がぼやけてしまう場合がある。One of the major factors that determine the light utilization efficiency is how much adjustment margin is secured around the DMD panel 48. For example, if a margin of 10% is secured for the length, the efficiency of actually irradiating the DMD panel 48 is (1.1) 2 =1.21, which is a decrease in efficiency of about 20%. In addition to this, when the aberration is large, the boundary area of illumination may be blurred.

図8は、映像表示素子の表示面における光強度の分布状況について例を示した図である。例えば、上述の図6の例で示したように、インテグレータ45におけるレンズアレイの各セル45aの光学像(照明領域)は、集光レンズ46(およびプリズム47)によってDMDパネル48上に重畳されるが、その重畳の精度が悪くなると、図8の例に示すように、映像表示素子(DMDパネル48)に照射される照明領域の境界がぼやけてしまう。  FIG. 8 is a diagram showing an example of light intensity distribution on the display surface of the image display element. For example, as shown in the example of FIG. 6 described above, the optical image (illumination area) of each cell 45a of the lens array in the integrator 45 is superimposed on the DMD panel 48 by the condenser lens 46 (and the prism 47). However, if the precision of the superimposition is deteriorated, the boundary of the illumination area irradiated to the image display element (DMD panel 48) becomes blurred as shown in the example of FIG.

図8の上段の図では、映像表示素子の有効表示幅(例えば、下段の図に示したDMDパネル48の表示面48aの幅)に対する理想的な光強度の分布を実線で示している。なお、図8の例では、映像表示素子(DMDパネル48)の幅方向について示しているが、高さ方向についても同様である。理想的な光強度の分布では、表示素子の有効表示幅より少し外側の領域までは均一な光強度である一方、当該領域の外側では光強度がほぼゼロとなる。すなわち、照明領域の境界では傾斜が急峻な分布となる。  In the upper diagram of FIG. 8, the ideal light intensity distribution with respect to the effective display width of the image display element (for example, the width of the display surface 48a of the DMD panel 48 shown in the lower diagram) is shown by a solid line. Although the example of FIG. 8 shows the width direction of the image display element (DMD panel 48), the same applies to the height direction. With an ideal light intensity distribution, the light intensity is uniform up to a region slightly outside the effective display width of the display element, while the light intensity is substantially zero outside the region. That is, the distribution has a steep slope at the boundary of the illumination region.

一方、照明領域の境界での光強度の分布がぼやけて傾斜が急峻ではなくなると、表示素子の有効表示幅の端部付近での光強度が下がってしまうとともに、有効表示幅より外側の領域を照射する(映像表示素子に入射しない)無駄な光が増え、光の利用効率が落ちてしまう。そして、これを回避して映像表示素子の有効表示幅内では均一な光強度の分布とするためには、さらに調整余裕量を確保して、光強度の分布がぼやける(傾斜する)領域を有効表示幅よりも外側にすることが必要となり、より一層の効率低下につながる。  On the other hand, if the distribution of the light intensity at the boundary of the illumination area is blurred and the inclination is not steep, the light intensity near the end of the effective display width of the display element decreases, and the area outside the effective display width is reduced. The amount of wasted light that is emitted (not incident on the image display element) increases, and the light utilization efficiency decreases. Then, in order to avoid this and obtain a uniform light intensity distribution within the effective display width of the image display element, an adjustment margin amount is further secured, and a region where the light intensity distribution is blurred (sloping) is effective. It is necessary to set it outside the display width, which leads to a further decrease in efficiency.

そこで、本実施の形態では、集光レンズ46における収差発生を抑制し、照射領域の境界付近において光強度の分布がぼやけることを防ぐように設計する。  Therefore, in the present embodiment, it is designed to suppress the occurrence of aberrations in the condenser lens 46 and prevent the light intensity distribution from being blurred near the boundary of the irradiation region.

設計を行う際に基本となる条件は、図5に示すように、
・条件1:インテグレータ45とDMDパネル48との間に、
集光レンズ46とプリズム47がこの順で配置される。
The basic conditions for designing are as shown in FIG.
-Condition 1: Between the integrator 45 and the DMD panel 48,
The condenser lens 46 and the prism 47 are arranged in this order.

・条件2:プリズム47は少なくとも2枚備える。  Condition 2: At least two prisms 47 are provided.

・条件3:DMDパネル48に対して、照明光束の主光線がDMD
パネル48の法線に対して角度をもって入射する(図7参照)。
-Condition 3: The principal ray of the illumination luminous flux is DMD with respect to the DMD panel 48.
The light is incident at an angle with respect to the normal line of the panel 48 (see FIG. 7).

(当該条件はDMDパネル48の仕様に基づく)
・条件4:プリズム47の(少なくとも)1つの面がミラー面である。
(The conditions are based on the specifications of the DMD panel 48)
Condition 4: One (at least) one surface of the prism 47 is a mirror surface.

(プリズム47に対する光束の入射角度に応じて屈折が全反射
とならない場合にのみ当該条件を満たすようにすればよい)
である。
(Refraction is totally reflected depending on the angle of incidence of the light beam on the prism 47.
Only if the condition is not satisfied, the condition should be met.)
Is.

条件2において、プリズム47を1枚の構成とすることも可能であるが、この場合、設計の自由度が少なく収差補正の難易度が高くなってしまう場合がある。そこで、本実施の形態では、プリズム47を少なくとも2枚備える構成とする。これにより、前段の集光レンズ46の偏心と、プリズム47の特定形状の組み合わせにより、照明光束の結像特性を改善することが可能となる。具体的には、後述するように、展開したプリズム形状が楔形となるようにし、偏心させた集光レンズ46と組み合わせると効果的である。  Although it is possible to configure the prism 47 to have a single structure under the condition 2, in this case, the degree of freedom in design is low and the difficulty of aberration correction may be high. Therefore, in the present embodiment, at least two prisms 47 are provided. This makes it possible to improve the imaging characteristics of the illumination light flux by combining the decentering of the condenser lens 46 in the preceding stage and the specific shape of the prism 47. Specifically, as described later, it is effective to make the expanded prism shape into a wedge shape and combine it with the decentered condenser lens 46.

本実施の形態では、上記の条件1〜条件4の基本条件を満たした上で、プリズム47における光の屈折を最小偏角(偏角とは図9に示すようにプリズムへの入射光と出射光がなす角である)に近付けるよう設計することで、収差を低減し、効率低下を防止する。  In the present embodiment, the basic conditions of the above conditions 1 to 4 are satisfied, and the refraction of the light in the prism 47 is minimized by the minimum deviation angle (the deviation angle is defined as the incident light to the prism and the exit light as shown in FIG. It is designed to be closer to the angle formed by the incident light) to reduce aberrations and prevent efficiency deterioration.

図10は、本実施の形態におけるプリズム47を展開した仮想プリズムと、集光レンズ46およびDMDパネル48の構成について例を示した図である。また、図11は、集光レンズ46および仮想プリズム47vを介した光線の状況について例を示した図である。図10では、2枚のプリズム(プリズム47a、47b)のうちプリズム47aを展開(第1展開、第2展開)したものとプリズム47bとから、等価な楔形の仮想プリズム47v(展開プリズム)を得た状態を示している。  FIG. 10 is a diagram showing an example of the configuration of the virtual prism in which the prism 47 according to the present embodiment is expanded, the condenser lens 46, and the DMD panel 48. In addition, FIG. 11 is a diagram showing an example of a situation of a light beam passing through the condenser lens 46 and the virtual prism 47v. In FIG. 10, an equivalent wedge-shaped virtual prism 47v (developing prism) is obtained from the prism 47b of the two prisms (prisms 47a, 47b) that is developed (first development, second development). The state is shown.

仮想プリズム47vのような楔形プリズムを光が通過して屈折する場合、入射光と出射光の角度が等しくなるときに収差の発生が最小となる。したがって、図11に示すように、
・条件5:プリズム(仮想プリズム47v)の入射面は出射面に対して
傾斜している。
When light passes through a wedge prism such as the virtual prism 47v and is refracted, the occurrence of aberration is minimized when the angles of incident light and outgoing light are equal. Therefore, as shown in FIG.
-Condition 5: The entrance surface of the prism (virtual prism 47v) is relative to the exit surface
It is inclined.

・条件6:プリズム(仮想プリズム47v)の入射面に入射する主光線は、
入射面の法線に対してプリズム頂点とは反対側から入射する。
-Condition 6: The principal ray incident on the incident surface of the prism (virtual prism 47v) is
The light enters from the side opposite to the prism apex with respect to the normal to the incident surface.

・条件7:プリズム(仮想プリズム47v)の出射面から出射する主光線
は、出射面の法線に対してプリズム頂点とは反対側から出射
する。
の各条件を満たした上で設計することで、偏角を小さくして収差を低減し、効率低下を防止することができる。
-Condition 7: A principal ray emitted from the exit surface of the prism (virtual prism 47v)
Is emitted from the side opposite to the prism apex with respect to the normal of the emission surface.
To do.
By designing after satisfying the above conditions, it is possible to reduce the declination angle, reduce aberrations, and prevent efficiency deterioration.

なお、DMDパネル48から後段の投射光学系5の投射レンズ系52を照射する際の収差を最小とするため、図11に示すように、
・条件8:プリズム(仮想プリズム47v)の出射面とDMDパネル48
は略平行に配置される
の条件も満たすようにする。
In order to minimize the aberration when irradiating the projection lens system 52 of the projection optical system 5 in the subsequent stage from the DMD panel 48, as shown in FIG.
Condition 8: exit surface of prism (virtual prism 47v) and DMD panel 48
Should satisfy the condition that they are arranged substantially parallel to each other.

なお、この条件の前提として、後段のプリズム47bを展開すると、プリズム47bの出射面と後段の投射光学系5の投射レンズ系52との間が平行平面板と同じ状態になるものとする。図12は、本実施の形態における展開したプリズム47bと、集光レンズ46およびDMDパネル48の構成について例を示した図である。ここで、図示するように後段のプリズム47bを展開すると、上記の前提条件は、プリズム47bの出射面(P4−P5面)と、展開後のプリズム47bの投射レンズ系52に対向する面(P5’−P6’面)とが平行になる、すなわち、P4の角度とP6の角度が等しい、ということを意味する。  As a premise of this condition, when the rear-stage prism 47b is developed, the state between the exit surface of the prism 47b and the projection lens system 52 of the rear-stage projection optical system 5 becomes the same as a plane-parallel plate. FIG. 12 is a diagram showing an example of the configurations of the expanded prism 47b, the condenser lens 46, and the DMD panel 48 in the present embodiment. Here, when the prism 47b in the latter stage is expanded as shown in the figure, the above-mentioned precondition is that the exit surface (P4-P5 surface) of the prism 47b and the surface (P5) of the expanded prism 47b that faces the projection lens system 52 (P5). '-P6' plane) becomes parallel, that is, the angle of P4 and the angle of P6 are equal.

本実施の形態では、さらに、図11に示すように、
・条件9:集光レンズ46から出射された後の主光線は互いに略平行で
ある。
の条件を満たした上で設計することで、DMDパネル48を照射する主光線の光路を揃えて同じ角度で入射させ、収差を低減させることができる。
In the present embodiment, further, as shown in FIG.
-Condition 9: The chief rays emitted from the condenser lens 46 are substantially parallel to each other.
is there.
By designing under the condition (1), it is possible to reduce the aberration by aligning the optical paths of the principal rays illuminating the DMD panel 48 and making them incident at the same angle.

図7に示したように、DMDパネル48の仕様に基づいて、DMDパネル48に対して光を傾けて入射させる必要がある(条件3)。しかし、光を傾けて入射させるだけでは、収差(コマ収差、非点収差、像面湾曲、台形歪み等)が発生し、効率が低下してしまう。そこで、本実施の形態ではさらに、図10に示すように、集光レンズ46において、
・条件10:集光レンズ46はプリズム(仮想プリズム47v)の入射面
と同じ向きに回転して(傾けて)配置される。
As shown in FIG. 7, based on the specifications of the DMD panel 48, the light needs to be incident on the DMD panel 48 at an angle (condition 3). However, if the light is incident at an angle, aberrations (coma aberration, astigmatism, curvature of field, trapezoidal distortion, etc.) occur and the efficiency decreases. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG.
-Condition 10: The condenser lens 46 is the incident surface of the prism (virtual prism 47v).
It is placed by rotating (tilting) in the same direction as.

・条件11:集光レンズ46は軸ずれして配置される。
の各条件を満たした上で設計する。これにより、インテグレータ45からDMDパネル48までの間の収差を低減して効率低下を防止することができる。
Condition 11: The condenser lens 46 is arranged off axis.
Design after satisfying each condition of. As a result, it is possible to reduce the aberration between the integrator 45 and the DMD panel 48 and prevent the efficiency from decreasing.

また、上述したような多くの収差を制御するため、集光レンズ46の形状について設計する際に、球面を偏心させるだけでは設計の自由度が不足する場合がある。そこで本実施の形態では、さらに、
・条件12:集光レンズ46は非球面の形状を有する。
の条件に従うようにしてもよい。これにより、収差を制御するための設計の自由度をさらに高めてより一層の収差低減を図ることができる。集光レンズ46の非球面化に加えて、もしくはこれに代えて、複数枚のレンズを用いる構成として設計の自由度を高めるようにしてもよい。
Further, in order to control many aberrations as described above, when designing the shape of the condenser lens 46, the degree of freedom in design may be insufficient only by decentering the spherical surface. Therefore, in the present embodiment,
Condition 12: The condenser lens 46 has an aspherical shape.
You may make it obey the conditions of. As a result, the degree of freedom in design for controlling the aberration can be further increased, and the aberration can be further reduced. In addition to or instead of making the condenser lens 46 aspherical, a configuration using a plurality of lenses may be used to increase the degree of freedom in design.

以上に説明したように、本実施の形態の照明光学系4によれば、集光レンズ46(およびプリズム47、DMDパネル48)において、上記の条件1〜条件11(さらに条件12を加えてもよい)を満たした上で設計を行うことで、Etendueの損失を低減して光の利用効率を向上させることができる。すなわち、集光レンズ46において、前段のインテグレータ45から出射した光束を、小さい収差でDMDパネル48に集光させることができる。  As described above, according to the illumination optical system 4 of the present embodiment, in the condensing lens 46 (and the prism 47, the DMD panel 48), the above conditions 1 to 11 (even if the condition 12 is further added). By performing the design after satisfying (good), the loss of etendue can be reduced and the light utilization efficiency can be improved. That is, in the condenser lens 46, the light flux emitted from the integrator 45 in the previous stage can be condensed on the DMD panel 48 with a small aberration.

(実施の形態2)
本発明の実施の形態2である照明光学系は、上述の実施の形態1における投射型映像表示装置1の照明光学系4と同様の構成において、上記の図5で示した光源から被照明体までの(1)〜(4)の各段階の光学要素のうち、(2)のコリメータ43においてEtendueの損失を低減して光の利用効率を向上させるように設計を行うものである。なお、上述の実施の形態1の集光レンズ46の場合と同様に、本実施の形態における(2)のコリメータ43の設計内容は、他の項目の設計内容とは独立して考えることができる。
(Embodiment 2)
The illumination optical system according to the second embodiment of the present invention has the same configuration as the illumination optical system 4 of the projection type image display apparatus 1 according to the first embodiment described above, and includes the light source shown in FIG. Among the optical elements at the respective stages (1) to (4) up to, the collimator 43 of (2) is designed to reduce the loss of etendue and improve the light utilization efficiency. As in the case of the condenser lens 46 of the first embodiment described above, the design content of the collimator 43 of (2) in the present embodiment can be considered independently of the design content of other items. ..

<コリメータの設計条件>
本実施の形態では、コリメータ43について、前段の光源であるLED42からの光束を、Etendueの損失なく所定の径まで拡大し、後段の均一化手段であるインテグレータ45に入射させるための設計を行う際の条件を規定している。換言すれば、コリメータ43が照明の対象面(例えば、光源に近い方のインテグレータ45)において最大の効率を得るために、照明の対象面の全面で均一かつ有効なNAの範囲の光束を形成するための設計を行う際の条件を規定している。
<Collimator design conditions>
In the present embodiment, when the collimator 43 is designed to expand the luminous flux from the LED 42, which is the light source in the preceding stage, to a predetermined diameter without loss of Ettenue, and to make it enter the integrator 45, which is the equalizing means in the latter stage. Stipulates the conditions of. In other words, the collimator 43 forms a luminous flux in the uniform and effective NA range over the entire surface of the illumination target in order to obtain maximum efficiency in the target surface of the illumination (eg, the integrator 45 closer to the light source). The conditions for designing are specified.

図13は、本発明の実施の形態2である照明光学系4のコリメータ43の論理的な構成と光線の状況の例について概要を示した図である。図13(a)の例では、光源のLED42から出射された主光線について、光軸付近の光束と周辺光束(外側の光束)、およびこれらの間の中間光束が、それぞれコリメータ43(図中では前段の第1コリメータ43aおよび後段の第2コリメータ43b)およびダイクロイックミラー44を通る状況を示している。また、図13(b)の例では、光軸付近の光束と周辺光束、および中間光束についての集光状況をそれぞれ示している。  FIG. 13 is a diagram schematically showing an example of a logical configuration of the collimator 43 of the illumination optical system 4 and an example of the state of light rays according to the second embodiment of the present invention. In the example of FIG. 13A, with respect to the principal ray emitted from the LED 42 of the light source, a collimator 43 (in the figure, a luminous flux near the optical axis, a peripheral luminous flux (outer luminous flux), and an intermediate luminous flux between them are respectively generated. A situation is shown in which the light passes through the first collimator 43a in the front stage, the second collimator 43b in the rear stage) and the dichroic mirror 44. Further, in the example of FIG. 13B, the light collection states of the light flux near the optical axis, the peripheral light flux, and the intermediate light flux are shown.

本実施の形態では、光源であるLED42から光軸に対して大きな角度で出射される光束(周辺光束)を有効に利用して効率を向上させるため、図13(a)に示すように、
・条件21:照明の対象面における主光線の像高さはfsinθ特性を
有する。
の条件を満たした上でコリメータ43を設計する。このように、主光線の像高さが照明の対象面の周辺付近で圧縮されるような射影特性をとることで、光軸から90°近い角度の光束まで取り込むことが可能である。なお、像高さはfsinθに限定されるものではなく、大きなマイナスの歪曲収差を持つような設計とすることで同様の効果を得ることができる。
In the present embodiment, in order to improve the efficiency by effectively using the luminous flux (peripheral luminous flux) emitted from the LED 42 which is the light source at a large angle with respect to the optical axis, as shown in FIG.
-Condition 21: The image height of the chief ray on the target surface of the illumination has the fsinθ characteristic.
Have.
The collimator 43 is designed after satisfying the above condition. In this way, by taking the projection characteristic that the image height of the chief ray is compressed near the periphery of the target surface of the illumination, it is possible to capture even a light flux having an angle of about 90° from the optical axis. The image height is not limited to fsin θ, and the same effect can be obtained by designing the image with large negative distortion.

ここで、上記の条件21を満たすことで大きな角度の光束を取り込んだとしても、周辺光束については、NAの広がりによって損失が生じる場合がある。そこで、本実施の形態では、この損失を低減させるため、さらに、図13(b)に示すように、
・条件22:メリディオナル面での像面湾曲が正方向である。
の条件を満たした上でコリメータ43を設計する。これにより、外側の光束ほど集光点までの距離(焦点距離)が長くなるため、周辺光束のNAを小さくすることができる。したがって、後段のインテグレータ45に入射する際の損失を少なくすることができる。
Here, even if a light beam with a large angle is captured by satisfying the above-mentioned condition 21, the peripheral light beam may cause a loss due to the spread of NA. Therefore, in the present embodiment, in order to reduce this loss, as shown in FIG.
Condition 22: The field curvature on the meridional surface is in the positive direction.
The collimator 43 is designed after satisfying the condition of. As a result, the outer light flux has a longer distance (focal length) to the converging point, so that the NA of the peripheral light flux can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the loss when the light enters the integrator 45 in the subsequent stage.

上記の条件22に加えて、さらに周辺光束での損失を低減させるため、図13(a)に示すように、
・条件23:周辺光束の主光線角度は光軸方向に向かって集光される。
の条件を満たした上でコリメータ43を設計する。上記の条件22を満たしていることで周辺光束のNAは小さくなっているため、周辺光束の主光線の角度を制御しても損失は小さい。したがって、このような設計を行うことが可能である。
In addition to the above condition 22, in order to further reduce the loss in the peripheral light flux, as shown in FIG.
-Condition 23: The chief ray angle of the peripheral light flux is converged in the optical axis direction.
The collimator 43 is designed after satisfying the above condition. Since the NA of the peripheral light flux is reduced by satisfying the above condition 22, the loss is small even if the angle of the chief ray of the peripheral light flux is controlled. Therefore, such a design can be performed.

また、本実施の形態では、上記の条件22に関連して、図13(b)に示すように、
・条件24:光軸(付近)の光束のNAが周辺と比べて大きい
(焦点距離が短い)。
の条件を満たした上でコリメータ43を設計する。
Further, in the present embodiment, in relation to the above condition 22, as shown in FIG.
-Condition 24: NA of the light flux on the optical axis (near) is larger than that of the surrounding area.
(Short focal length).
The collimator 43 is designed after satisfying the above condition.

基本的なEtendueの考え方からすると、コリメータ43から出射された光束が、光軸から周辺まで同じNAとなるよう制御することが望ましい。しかしながら、このように構成した場合、上述したように、周辺光束において損失が発生し得る。したがって、本実施の形態のように、あえて光軸付近の光束のNAを大きくする一方、周辺光束でNAを小さくし、かつ正の像面湾曲を持たせることで、損失の低減と効率の向上の両立を図ることができる。なお、光軸付近の大きなNAを有する光束の一部は、周辺の光束の小さいNAを補完する役割も有する。  From the basic idea of etendue, it is desirable to control the luminous flux emitted from the collimator 43 so that the luminous flux has the same NA from the optical axis to the periphery. However, when configured in this way, a loss may occur in the peripheral light flux, as described above. Therefore, as in the present embodiment, the NA of the light flux near the optical axis is intentionally increased, while the NA of the peripheral light flux is decreased and the positive field curvature is provided, thereby reducing loss and improving efficiency. It is possible to achieve both. Note that a part of the light flux having a large NA near the optical axis also has a role of complementing the small NA of the peripheral light flux.

上述したように、条件21〜条件24の各条件は相互に関連しており、これらの条件を総合的に適用することで、照明の対象面の全面で均一かつ有効な範囲のNAを有する照明光束を得るコリメータ43を設計することができる。  As described above, the conditions 21 to 24 are related to each other, and by comprehensively applying these conditions, the illumination having the NA in the uniform and effective range over the entire target surface of the illumination is obtained. It is possible to design the collimator 43 that obtains the luminous flux.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、上記の実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。  Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say. For example, the above embodiments have been described in detail for the purpose of explaining the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. .. Further, it is possible to add/delete/replace other configurations with respect to a part of the configurations of the respective embodiments.

本発明は、光源からの光の利用効率を向上させる照明光学系およびこれを用いた投射型映像表示装置に利用可能である。  INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for an illumination optical system that improves the efficiency of use of light from a light source and a projection-type image display device using the same.

1…投射型映像表示装置、2…筐体、3…ミラーカバー、4…照明光学系、5…投射光学系、6…フォーカス調整用リング、7…電源ユニット、
31…反射ミラー、
41…LED照明ユニット、42、42R、42G、42B…LED、43、43R、43G、43B…コリメータ、43a…第1コリメータ、43b…第2コリメータ、44…ダイクロイックミラー、45…インテグレータ、45a…セル、46…集光レンズ、47、47a、47b…プリズム、47v…仮想プリズム、48…DMDパネル、48a…表示面、
51…TIRプリズム、52…投射レンズ系、53…投射レンズベース、54…レンズ調整機構、
81…軸流ファン、82…シロッコファン、83R、83G、83B…ヒートパイプ、84…ヒートシンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Projection-type image display apparatus, 2... Casing, 3... Mirror cover, 4... Illumination optical system, 5... Projection optical system, 6... Focus adjustment ring, 7... Power supply unit,
31... Reflective mirror,
41... LED lighting unit, 42, 42R, 42G, 42B... LED, 43, 43R, 43G, 43B... Collimator, 43a... 1st collimator, 43b... 2nd collimator, 44... Dichroic mirror, 45... Integrator, 45a... Cell , 46... Condensing lens, 47, 47a, 47b... Prism, 47v... Virtual prism, 48... DMD panel, 48a... Display surface,
51... TIR prism, 52... Projection lens system, 53... Projection lens base, 54... Lens adjustment mechanism,
81... Axial fan, 82... Sirocco fan, 83R, 83G, 83B... Heat pipe, 84... Heat sink

Claims (7)

プリズムを介して被照明体の照射面の法線に対して一定の角度で照明光束を照射する照明光学系であって、
完全拡散性を有する光源と、
前記光源からの照明光束を取り込み、所定の径を有しつつ小さいNAに変換するコリメータと、
前記コリメータを通過した前記照明光束の明るさを均一化するインテグレータと、
前記照明光束を集光する集光レンズと、を有し、
前記インテグレータと前記被照明体との間に、前記集光レンズおよび前記プリズムが、この順で前記照明光束が通過するよう配置され、
前記集光レンズおよび前記プリズムは、前記被照明体の照射面に対して、前記照明光束の主光線が前記被照明体の照射面の法線に対して所定の角度をもって入射するよう構成され、
前記プリズムは、前記照明光束の入射面が出射面に対して傾斜し、前記入射面に入射する主光線が前記入射面の法線に対して前記プリズムの頂点とは反対側から入射し、前記出射面から出射する主光線が前記出射面の法線に対して前記プリズムの頂点とは反対側から出射するよう構成され、前記プリズムの出射面が前記被照明体の照射面と略平行になるよう配置され、
前記集光レンズは、前記集光レンズから出射された後の各主光線が互いに略平行となるよう構成され、前記プリズムの入射面と同じ向きに回転し、さらに軸ずれして配置されるとともに、前記インテグレータの出射側光軸方向と前記プリズムの出射光軸方向は同一である、照明光学系。
An illumination optical system that illuminates an illumination light flux at a constant angle with respect to a normal line of an illumination surface of an illuminated object through a prism,
A light source having perfect diffusivity,
A collimator that takes in the illumination light flux from the light source and converts it into a small NA while having a predetermined diameter,
An integrator for uniformizing the brightness of the illumination light flux that has passed through the collimator,
A condenser lens that condenses the illumination light flux,
Between the integrator and the object to be illuminated, the condenser lens and the prism are arranged so that the illumination light flux passes in this order,
The condensing lens and the prism are configured such that the chief ray of the illumination light flux is incident on the irradiation surface of the illuminated body at a predetermined angle with respect to the normal line of the irradiation surface of the illuminated body,
In the prism, an incident surface of the illumination light beam is inclined with respect to an exit surface, and a chief ray incident on the incident surface enters from a side opposite to a vertex of the prism with respect to a normal line of the incident surface, The principal ray emitted from the emission surface is configured to be emitted from the side opposite to the vertex of the prism with respect to the normal line of the emission surface, and the emission surface of the prism is substantially parallel to the irradiation surface of the illuminated body. Is arranged as
The condenser lens, the respective principal rays after being emitted from the condensing lens is configured so as to be substantially parallel to each other, rotating in the same direction as the incident surface of the prism, disposed shifted further axial Rutotomoni An illumination optical system in which an emission side optical axis direction of the integrator and an emission side optical axis direction of the prism are the same .
請求項1に記載の照明光学系において、
前記プリズムを複数枚備えた、照明光学系。
The illumination optical system according to claim 1,
An illumination optical system including a plurality of the prisms.
請求項1または2に記載の照明光学系において、
前記プリズムの少なくとも1つの面がミラー面である、照明光学系。
The illumination optical system according to claim 1 or 2,
An illumination optical system in which at least one surface of the prism is a mirror surface.
請求項1に記載の照明光学系において、
前記集光レンズは非球面の形状を有する、照明光学系。
The illumination optical system according to claim 1,
The illumination optical system, wherein the condenser lens has an aspherical shape.
請求項1に記載の照明光学系において
前記コリメータは、通過した前記照明光束によって照射する前記インテグレータの対象面における主光線の像高さの射影特性がマイナスの歪曲収差となり、また、正方向の像面湾曲を有し、周辺領域の光束の主光線の角度が光軸方向に向かって集光され、光軸付近の光束のNAが周辺領域の光束のNAと比べて大きくなるよう構成された、照明光学系。
The illumination optical system according to claim 1 ,
The collimator has a negative distortion aberration when the projection characteristic of the image height of the chief ray on the target surface of the integrator that is irradiated by the passing illumination light flux has a negative curvature of field, and the light flux in the peripheral region. The illumination optical system is configured such that the angle of the principal ray is condensed in the optical axis direction and the NA of the light beam near the optical axis is larger than the NA of the light beam in the peripheral region.
請求項5に記載の照明光学系において、
前記コリメータにおける前記射影特性はfsinθ特性である、照明光学系。
The illumination optical system according to claim 5,
An illumination optical system in which the projection characteristic of the collimator is an fsin θ characteristic.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の照明光学系を有する、投射型映像表示装置。   A projection-type image display device, comprising the illumination optical system according to claim 1.
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