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JP2007121602A - Illumination optical system - Google Patents

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JP2007121602A
JP2007121602A JP2005312399A JP2005312399A JP2007121602A JP 2007121602 A JP2007121602 A JP 2007121602A JP 2005312399 A JP2005312399 A JP 2005312399A JP 2005312399 A JP2005312399 A JP 2005312399A JP 2007121602 A JP2007121602 A JP 2007121602A
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JP
Japan
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optical system
illumination
light
fly
illumination optical
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JP2005312399A
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Japanese (ja)
Inventor
Ken Kobayashi
建 小林
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Victor Company of Japan Ltd
Original Assignee
Victor Company of Japan Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an illumination optical system, capable of adjusting to luminance with which a display image is made more visible, without adversely affecting the reliability, the lifetime, and so on of a light source, when the illumination optical system is used in the illuminating device of an image display device and without causing degradations in the contrast and color reproducibility of a display image and nonuniform luminance and nonuniform color. <P>SOLUTION: The illumination optical system includes a fly-eye integrator comprising a first fly-eye lens array 5 and a second fly-eye lens array 6, and a superposition lens 7. In the illumination optical system, the superposition lens 7 is set operable so as to move along an optical axis, and the distance of the superposition lens 7 with respect to the second fry-eye lens array 6 is made adjustable. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、画像表示装置等において光源からの光束を導いて空間光変調素子等の被照明物を照明するための照明光学系に関する。   The present invention relates to an illumination optical system for illuminating an object to be illuminated such as a spatial light modulator by guiding a light beam from a light source in an image display device or the like.

従来、複数の空間光変調素子を備え、これら空間光変調素子を照明装置により照明し、各空間光変調素子を経て変調された照明光を結像させて画像表示を行う画像表示装置が提案されている。このような画像表示装置における照明装置は、光源と、この光源からの光束を導いて空間光変調素子を照明する照明光学系とを有して構成されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, there has been proposed an image display device that includes a plurality of spatial light modulation elements, illuminates these spatial light modulation elements with an illumination device, and forms an image of illumination light modulated through each spatial light modulation element. ing. The illumination device in such an image display device includes a light source and an illumination optical system that guides a light beam from the light source and illuminates the spatial light modulation element.

照明装置における光源としては、超高圧水銀ランプ等が使用されている。また、照明光学系としては、光源からの光束の輝度を均一化して空間光変調素子に導くため、一対のフライアイレンズアレイからなるフライアイインテグレータなどのインテグレータを有するものが使用されている。   An ultra-high pressure mercury lamp or the like is used as a light source in the illumination device. As the illumination optical system, an illumination optical system having an integrator such as a fly-eye integrator made up of a pair of fly-eye lens arrays is used in order to equalize the brightness of the light beam from the light source and guide it to the spatial light modulator.

このような画像表示装置においては、明るい部屋において表示画像を観賞する場合には、空間光変調素子を照明する照明光を高輝度とし、一方、暗い部屋において表示画像を観賞する場合には、空間光変調素子を照明する照明光の輝度を抑えて、表示画像を見やすい輝度に調節する必要がある。   In such an image display device, when viewing a display image in a bright room, the illumination light that illuminates the spatial light modulation element is set to a high brightness, while when viewing a display image in a dark room, It is necessary to reduce the luminance of the illumination light that illuminates the light modulation element and adjust the luminance so that the displayed image is easy to see.

空間光変調素子を照明する照明光の輝度を調整する手段としては、従来、照明装置の光源であるランプの出力をランプ電源を介して調整することが行われている。すなわち、ランプに供給する電流量を調整することにより、ランプの出力を調整して、照明光の輝度を調整する手段である。また、ランプの出力を調整することなく、照明光の輝度を調整する手段としては、照明光学系における入射瞳を絞り、照明光学系のFナンバを調整することが行われている。   As means for adjusting the luminance of illumination light for illuminating the spatial light modulation element, conventionally, the output of a lamp, which is a light source of an illumination device, is adjusted via a lamp power supply. That is, it is a means for adjusting the brightness of the illumination light by adjusting the amount of current supplied to the lamp to adjust the output of the lamp. Further, as means for adjusting the luminance of the illumination light without adjusting the output of the lamp, the entrance pupil in the illumination optical system is stopped and the F number of the illumination optical system is adjusted.

さらに、照明光の輝度を調整することなく、表示画像の輝度を調整する手段として、空間光変調素子を経た照明光を結像させる投射光学系(投射レンズ)の可変絞りを用いて、投射光学系のFナンバを調整することが行われている。   Further, as a means for adjusting the luminance of the display image without adjusting the luminance of the illumination light, a projection optical system using a variable aperture of a projection optical system (projection lens) that forms an image of the illumination light that has passed through the spatial light modulation element is used. The F number of the system is adjusted.

なお、特許文献1には、フライアイインテグレータをなすフライアイレンズアレイのうちの一方を光軸に直交する方向に移動調整することにより、光源からの光束による空間光変調素子に対する照明効率を向上させる構成が記載されている。これは、照明光学系による照明範囲と、空間光変調素子の位置とを一致させることによって、照明効率を向上させ、照明光の輝度を高くしようとするものであって、照明光の輝度を調整する手段を提示するものではない。   In Patent Document 1, the illumination efficiency for the spatial light modulation element by the light flux from the light source is improved by moving and adjusting one of the fly-eye lens arrays forming the fly-eye integrator in a direction orthogonal to the optical axis. The configuration is described. This is intended to improve the illumination efficiency and increase the brightness of the illumination light by matching the illumination range by the illumination optical system with the position of the spatial light modulator, and adjust the brightness of the illumination light. It does not present a means to do.

特開平10−115803号公報JP-A-10-115803

ところで、前述のような画像表示装置において、光源(ランプ)の出力の調整により照明光の輝度を調整する場合には、光源の信頼性や寿命等に悪影響を及ぼすという問題がある。   By the way, in the image display apparatus as described above, when adjusting the luminance of the illumination light by adjusting the output of the light source (lamp), there is a problem of adversely affecting the reliability and life of the light source.

すなわち、光源として使用される超高圧水銀ランプ等のランプにおいては、安定して発光するための温度条件やバルブ内圧条件等が設定されているが、ランプ電源を介してランプ出力を調整すると、これらの条件から逸脱してしまう虞れがある。ランプは、これら適切な温度条件やバルブ内圧条件等から逸脱した状態での使用を続けると、信頼性や寿命等が損なわれるという問題があった。   That is, in a lamp such as an ultra-high pressure mercury lamp used as a light source, a temperature condition for stable light emission, a bulb internal pressure condition, and the like are set. There is a risk of deviating from this condition. If the lamp is used in a state deviating from these appropriate temperature conditions, bulb internal pressure conditions, etc., there is a problem that reliability, life, etc. are impaired.

また、画像表示装置において、照明光学系における入射瞳を絞ることによる照明光学系のFナンバの調整や、投射光学系の可変絞りによる投射光学系のFナンバの調整によって表示画像の輝度を調整する場合には、表示画像におけるコントラストの劣化、色再現性の劣化、あるいは、輝度ムラや色ムラを招来するという問題があった。   Further, in the image display device, the brightness of the display image is adjusted by adjusting the F number of the illumination optical system by narrowing the entrance pupil in the illumination optical system, or by adjusting the F number of the projection optical system by the variable diaphragm of the projection optical system. In such a case, there has been a problem in that contrast degradation, color reproducibility degradation, luminance unevenness or color unevenness is caused in the display image.

すなわち、画像表示装置においては、反射型空間光変調素子を経た光束について、偏光変調された光と偏光変調されなかった光とを偏光ビームスプリッタ等の偏光光学素子によって分離させ、強度変調に変換している。また、画像表示装置においては、R(赤色)、G(緑色)及びB(青色)の各色光の色分離や色合成のために、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズム等の分光光学素子を用いている。このような偏光光学素子や分光光学素子は、偏光分離特性や分光特性について入射角依存性を有しており、入射角が所定の角度範囲から外れた場合には、所定の偏光分離特性や分光特性を発揮できない虞れがある。したがって、照明光学系や投射光学系のFナンバが変化すると、偏光光学素子や分光光学素子に対する入射光束の入射角分布が変化してしまい、表示画像におけるコントラストや色再現性の劣化、または、輝度ムラや色ムラが招来されるという問題があった。   That is, in the image display device, the light that has passed through the reflective spatial light modulation element is separated into polarization-modulated light and light that has not been polarization-modulated by a polarization optical element such as a polarization beam splitter, and converted into intensity modulation. ing. Further, in the image display device, spectral optical elements such as a dichroic mirror and a dichroic prism are used for color separation and color synthesis of each color light of R (red), G (green), and B (blue). Such a polarizing optical element and a spectroscopic optical element have an incident angle dependency with respect to the polarization separation characteristic and the spectral characteristic, and when the incident angle is out of a predetermined angle range, the predetermined polarization separation characteristic or spectral characteristic is obtained. There is a possibility that the characteristics cannot be exhibited. Therefore, when the F number of the illumination optical system or the projection optical system changes, the incident angle distribution of the incident light beam with respect to the polarization optical element or the spectroscopic optical element changes, and the contrast or color reproducibility in the display image deteriorates, or the luminance. There was a problem that unevenness and color unevenness were invited.

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、画像表示装置の照明装置に使用した場合において、光源の信頼性や寿命等に悪影響を及ぼすことなく、また、表示画像におけるコントラストや色再現性の劣化、輝度ムラや色ムラを招来することなく、表示画像を見やすい輝度に調節することが可能となされた照明光学系を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points. When used in an illumination device of an image display device, the present invention does not adversely affect the reliability and life of the light source, and contrast and color reproducibility in a display image. It is an object of the present invention to provide an illumination optical system that can adjust the brightness of a display image so that the display image can be easily seen without causing deterioration of the brightness, uneven brightness, or uneven color.

本発明は、上記課題を解決するために、以下の1)〜2)に記載の手段よりなる。
すなわち、
1)光源からの光束が入射される第1のフライアイレンズアレイと、この第1のフライアイレンズアレイを経た光束が入射される第2のフライアイレンズアレイと、重畳レンズとを備え、前記第2のフライアイレンズアレイを経た光束を前記重畳レンズにより、前記第1のフライアイレンズアレイに対して略共役の位置にある被照明物を照明する照明光学系において、
光軸に沿って前記重畳レンズを移動操作可能とすることにより、前記被照明物を照明する光束を調整する調整手段を有することを特徴とする照明光学系。
2)光源からの光束が一端側より入射され該光束を内面反射させつつ他端側より出射する柱状の領域を有するインテグレータと重畳レンズとを備え、このインテグレータを経た光束を前記重畳レンズにより、被照明物を照明する照明光学系において、
光軸に沿って前記重畳レンズを移動操作可能とすることにより、前記被照明物を照明する光束を調整する調整手段を有することを特徴とする照明光学系。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention comprises means described in the following 1) to 2).
That is,
1) a first fly-eye lens array into which a light beam from a light source is incident; a second fly-eye lens array into which a light beam that has passed through the first fly-eye lens array is incident; and a superimposing lens, In an illumination optical system that illuminates an object to be illuminated at a position substantially conjugate with respect to the first fly-eye lens array by the superimposing lens with the light beam that has passed through the second fly-eye lens array,
An illuminating optical system comprising adjusting means for adjusting a light beam for illuminating the object to be illuminated by enabling the superimposing lens to be moved along an optical axis.
2) An integrator having a columnar region in which a light beam from a light source is incident from one end side and is reflected from the inner surface and is emitted from the other end side, and a superimposing lens. In an illumination optical system that illuminates an illumination object,
An illuminating optical system comprising adjusting means for adjusting a light beam for illuminating the object to be illuminated by enabling the superimposing lens to be moved along an optical axis.

本発明においては、フライアイレンズアレイインテグレータを備えた照明光学系において、重畳レンズが光軸に沿って移動操作可能となされ、第2のフライアイレンズアレイに対する距離が調整可能となっていることにより、被照明物と共役な関係にある第1のフライアイレンズアレイの結像倍率を調節し、照明領域を大きさを変化させて単位面積当たりの光束量を調整することができるので、光学系としてのFナンバを変えることなく、照明光の輝度を調整することができる。   In the present invention, in the illumination optical system provided with the fly-eye lens array integrator, the superimposing lens can be moved along the optical axis, and the distance to the second fly-eye lens array can be adjusted. Since the imaging magnification of the first fly-eye lens array having a conjugate relationship with the object to be illuminated can be adjusted, and the size of the illumination area can be changed to adjust the amount of light flux per unit area. The brightness of the illumination light can be adjusted without changing the F number.

なお、重畳レンズの位置の調整範囲は、光軸方向に10mm程度あればよい。このような位置調整は、簡単な調整機構を付加することのみで実現することができる。   The adjustment range of the position of the superimposing lens may be about 10 mm in the optical axis direction. Such position adjustment can be realized only by adding a simple adjustment mechanism.

また、本発明は、ロッドインテグレータやライトパイプ、ライトチューブなど、光源からの光束が一端側より入射され該光束を内面反射させつつ他端側より出射する柱状の領域を有するインテグレータを備えた照明光学系において、重畳レンズが光軸に沿って移動操作可能となされ、被照明物に対する距離が調整可能となっていることにより、光学系としてのFナンバを変えることなく、照明光の輝度を調整することができる。   The present invention also provides illumination optics including an integrator having a columnar region in which a light beam from a light source is incident from one end side and is reflected from the inner surface and emitted from the other end side, such as a rod integrator, a light pipe, and a light tube. In the system, the superimposing lens can be moved along the optical axis, and the distance to the object to be illuminated can be adjusted, thereby adjusting the luminance of the illumination light without changing the F number as the optical system. be able to.

すなわち、本発明は、画像表示装置の照明装置に使用した場合において、光源の信頼性や寿命等に悪影響を及ぼすことなく、また、表示画像におけるコントラストや色再現性の劣化、輝度ムラや色ムラを招来することなく、表示画像を見やすい輝度に調節することが可能となされた照明光学系を提供することができるものである。   That is, the present invention, when used in an illuminating device of an image display device, does not adversely affect the reliability, life, etc. of the light source, and deteriorates contrast and color reproducibility, luminance unevenness and color unevenness in the display image. Therefore, it is possible to provide an illumination optical system that can adjust the display image to a brightness that allows easy viewing.

以下、本発明に係る照明光学系の発明を実施するための最良の形態につき、好ましい実施例により説明する。   The best mode for carrying out the invention of the illumination optical system according to the present invention will be described below with reference to preferred embodiments.

まず、画像表示装置の照明装置において用いられる照明光学系として一般的なインテグレータ光学系について説明する。   First, a general integrator optical system will be described as an illumination optical system used in an illumination device of an image display device.

画像表示装置の照明装置における照明光学系は、光源となるランプから出射された光束を被正面物となる空間光変調素子上に効率よく集める必要がある。そのため、このような照明光学系においては、「クリティカル照明」及び「ケラー照明」の2方式に大別される方式が使用されている。   An illumination optical system in an illumination device of an image display device needs to efficiently collect a light beam emitted from a lamp serving as a light source on a spatial light modulation element serving as a front object. Therefore, in such an illumination optical system, systems roughly classified into two systems, “critical illumination” and “Keller illumination”, are used.

図1は、クリティカル照明の原理を説明する斜視図である。   FIG. 1 is a perspective view for explaining the principle of critical illumination.

クリティカル照明は、図1に示すように、光源1の像をコンデンサレンズ2によって被照明物(空間光変調素子)3上に結像させる照明光学系である。光源1と被照明物3とが共役の関係になる。   As shown in FIG. 1, critical illumination is an illumination optical system that forms an image of a light source 1 on an object to be illuminated (spatial light modulation element) 3 by a condenser lens 2. The light source 1 and the object to be illuminated 3 are in a conjugate relationship.

この照明光学系においては、光源1の像を被照明物3上に形成するため、非常に高輝度の照明できる一方で、光源像が被照明物3上に形成されるので、光源1における発光分布(発光体の形状)による照明ムラができやすい。   In this illumination optical system, since the image of the light source 1 is formed on the object 3 to be illuminated, it is possible to illuminate with very high luminance, while the light source image is formed on the object 3 to be illuminated. Illumination unevenness due to distribution (shape of light emitter) is likely to occur.

図2は、ケラー照明の原理を説明する斜視図である。   FIG. 2 is a perspective view for explaining the principle of Keller illumination.

ケラー照明は、図2に示すように、光源1と被照明物3の間に、開口絞りとしてのリレーレンズ4を配置し、被照明物3に開口絞りの像を結像させる照明光学系である。光源1とリレーレンズ4とが共役の関係になり、また、コンデンサレンズ2と被照明物3とが共役の関係になる。この照明光学系は、前述のクリティカル照明の問題点を解決するために考えられた照明光学系といえる。   As shown in FIG. 2, Keller illumination is an illumination optical system in which a relay lens 4 as an aperture stop is arranged between a light source 1 and an object to be illuminated 3 and an image of the aperture stop is formed on the object to be illuminated 3. is there. The light source 1 and the relay lens 4 have a conjugate relationship, and the condenser lens 2 and the object to be illuminated 3 have a conjugate relationship. This illumination optical system can be said to be an illumination optical system conceived for solving the above-mentioned problems of critical illumination.

ケラー照明における被照明物3上における照明光は、比較的均一な照度分布となる。ただし、被照明物3が矩形である場合には、開口絞りとしてのリレーレンズ4が円形であると、この開口絞りの像が結像されるため、照明効率が悪くなる。また、光源として放電ランプ(HIDランプ)を用いる場合には、ランプバルブ内のガスの対流及び輝点の変化が、被照明物3上において揺らぎとして現れてしまうという問題がある。   Illumination light on the object to be illuminated 3 in Keller illumination has a relatively uniform illuminance distribution. However, when the object to be illuminated 3 is rectangular, if the relay lens 4 as the aperture stop is circular, an image of the aperture stop is formed, resulting in poor illumination efficiency. Further, when a discharge lamp (HID lamp) is used as the light source, there is a problem that the convection of the gas in the lamp bulb and the change of the bright spot appear as fluctuations on the illuminated object 3.

本発明に係る照明光学系は、ケラー照明を発展させたもので、被照明物3上における輝度の揺らぎを解消するため、照明領域と相似形の矩形レンズ(セル)を50個乃至100個マトリクス状に配列させた一対のフライアイレンズアレイを用いて、擬似的に多数個のケラー照明系を被照明物3上で重ね合わせるようにしたインテグレータ照明光学系である。   The illumination optical system according to the present invention is an extension of Keller illumination, and a matrix of 50 to 100 rectangular lenses (cells) similar to the illumination area in order to eliminate luminance fluctuations on the object 3 to be illuminated. This is an integrator illumination optical system in which a large number of pseudo-Keller illumination systems are superimposed on the object to be illuminated 3 using a pair of fly-eye lens arrays arranged in a shape.

図3は、本発明に係る照明光学系の原理を説明する斜視図である。   FIG. 3 is a perspective view for explaining the principle of the illumination optical system according to the present invention.

本発明に係る照明光学系は、図3に示すように、光源1側に配置されこの光源1からの光束が入射される第1のフライアイレンズアレイ5と、この第1のフライアイレンズアレイ5を経た光束が入射される第2のフライアイレンズアレイ6とを備えている。第2のフライアイレンズアレイ6を構成する各セル(矩形レンズ)は、ケラー照明における開ロ絞り(リレーレンズ4)に相当し、光源1と共役の関係になる。また、第1のフライアイレンズアレイ5を構成する各セル(矩形レンズ)は、被照明物3と共役の関係になる。すなわち、第1のフライアイレンズアレイ5の各セルの第2のフライアイレンズアレイ6の各セルによる共役像が、被照明物3上における照明エリアということになる。これら第1のフライアイレンズアレイ5の各セルの像は、重畳レンズ7により、被照明物3上にいて重ね合わされる。そのため、被照明物3上においては、照度分布が均一で、かつ、高効率の照明が行われる。   As shown in FIG. 3, the illumination optical system according to the present invention includes a first fly-eye lens array 5 which is disposed on the light source 1 side and into which a light beam from the light source 1 is incident, and the first fly-eye lens array. 5 and a second fly-eye lens array 6 on which the light beam having passed through 5 is incident. Each cell (rectangular lens) constituting the second fly-eye lens array 6 corresponds to an open stop (relay lens 4) in Keller illumination, and has a conjugate relationship with the light source 1. Each cell (rectangular lens) constituting the first fly's eye lens array 5 has a conjugate relationship with the object 3 to be illuminated. That is, a conjugate image of each cell of the first fly-eye lens array 5 by each cell of the second fly-eye lens array 6 is an illumination area on the illumination object 3. The images of the cells of the first fly-eye lens array 5 are superimposed on the object 3 by the superimposing lens 7. Therefore, illumination with a uniform illuminance distribution and high efficiency is performed on the object 3 to be illuminated.

ここで、第2のフライアイレンズアレイ6がこの照明光学系における開口絞りにあたることから、照明光学系のFナンバは、第2のフライアイレンズアレイ6の各セルの口径と、重畳レンズ7の焦点距離fとによって決定される。また、第2のフライアイレンズアレイ6は、共役関係にある第1のフライアイレンズアレイ5と被照明物3との間で開口絞りになっている。そのため、開口絞りの像は、光源1の像になっている。   Here, since the second fly-eye lens array 6 corresponds to an aperture stop in the illumination optical system, the F number of the illumination optical system is determined by the aperture of each cell of the second fly-eye lens array 6 and the superimposing lens 7. And the focal length f. Further, the second fly-eye lens array 6 is an aperture stop between the first fly-eye lens array 5 and the object to be illuminated 3 that are in a conjugate relationship. Therefore, the image of the aperture stop is an image of the light source 1.

図4は、第2のフライアイレンズアレイ6上に形成される光源像を示す側面図である。   FIG. 4 is a side view showing a light source image formed on the second fly-eye lens array 6.

前述のように、本発明に係る照明光学系は、インテグレータ光学系であって、ケラー照明の集合体といえる。1組のケラー照明に関して考えると、図4中の(a)に示すように、第1のフライアイレンズアレイ5上のレンズ面Aは、共役な関係にある被照明物3上の照明エリアA´に拡大結像されることになる。このとき、光源1からの光が照明に使用される効率を考えると、光源1からの光線が、レンズ面Aにより、開口絞りである第2のフライアイレンズアレイ6のレンズB上に集光されるときが、最も高効率になる。   As described above, the illumination optical system according to the present invention is an integrator optical system and can be said to be an assembly of Keller illumination. Considering a set of Keller illuminations, as shown in FIG. 4A, the lens surface A on the first fly-eye lens array 5 has an illumination area A on the object 3 to be conjugated. The image is magnified to '. At this time, considering the efficiency with which the light from the light source 1 is used for illumination, the light from the light source 1 is condensed on the lens B of the second fly-eye lens array 6 that is an aperture stop by the lens surface A. When it is done, it becomes the most efficient.

一方、被照明物3上の照明領域は、レンズ面Aと共役な関係にあるので、図4中の(b)に示すように、レンズ面Aを被照明物3上に結像する光学系の焦点距離fとすると、照明領域A´の倍率βは、ニュー卜ンの公式により、以下のような関係にある。
β=A´/A=S´/S
ただし、Sは、レンズ面AからレンズBまでの距離であり、S´は、レンズBから照明領域A´(被照明物3)までの距離である。ここで、S及びS´は、それぞれレンズ面AからレンズBの物体側主面までの距離及びレンズBの像側主面から照明領域A´までの距離である。
On the other hand, the illumination area on the object to be illuminated 3 is in a conjugate relationship with the lens surface A, so that an optical system that forms an image of the lens surface A on the object to be illuminated 3 as shown in FIG. , The magnification β of the illumination area A ′ has the following relationship according to Newen's formula.
β = A ′ / A = S ′ / S
However, S is the distance from the lens surface A to the lens B, and S ′ is the distance from the lens B to the illumination area A ′ (illuminated object 3). Here, S and S ′ are the distance from the lens surface A to the object side main surface of the lens B and the distance from the image side main surface of the lens B to the illumination area A ′, respectively.

ここで、レンズ面Aは、レンズではあるが光束を集光するためのレンズであり、レンズ面Aの照明領域A´に対する結像関係には何も寄与しない。そして、レンズA面とレンズBとの間隔(第1のフライアイレンズアレイ5と第2のフライアイレンズアレイ6との間隔)を変えると、前記の式において、Sを変化させることになる。そして、Sを小さくすると、結像倍率βは大きくなり、逆に、Sを大きくすると、結像倍率βは小さくなる。   Here, although the lens surface A is a lens, it is a lens for condensing a light beam, and does not contribute anything to the imaging relationship of the lens surface A with respect to the illumination area A ′. When the distance between the lens A surface and the lens B (the distance between the first fly-eye lens array 5 and the second fly-eye lens array 6) is changed, S in the above equation is changed. When S is decreased, the imaging magnification β is increased. Conversely, when S is increased, the imaging magnification β is decreased.

図5は、本発明に係る照明光学系の第1の実施例における構成を示す側面図である。   FIG. 5 is a side view showing the configuration of the illumination optical system according to the first embodiment of the present invention.

この照明光学系においては、光源1として、超高圧水銀ランプ等の放電ランプ等を用い、このランプから出射された光束を放物面リフレクタ8によって略平行光として、第1のフライアイインテグレータ5に入射させる。第1のフライアイレンズアレイ5を透過した光束は、第2のフライアイレンズアレイ6の相対する各セルに集光される。   In this illumination optical system, a discharge lamp such as an ultra-high pressure mercury lamp is used as the light source 1, and a light beam emitted from this lamp is converted into substantially parallel light by the paraboloid reflector 8 to the first fly eye integrator 5. Make it incident. The light beam that has passed through the first fly-eye lens array 5 is condensed on each of the opposing cells of the second fly-eye lens array 6.

そして、第2のフライアイレンズアレイ6を透過した光束は、PBSアレイ9に入射される。このPBSアレイ9は、PS合成プリズムであり、第2のフライアイレンズアレイ6を透過した無偏光光をP偏光成分とS偏光成分とに分離し、λ/2板(二分の一波長板)によりS偏光成分をP偏光成分に変換(あるいは、P偏光成分をS偏光成分に変換)することにより、照明光の偏光方向を一定の方向に揃える光学素子である。   Then, the light beam transmitted through the second fly-eye lens array 6 is incident on the PBS array 9. This PBS array 9 is a PS synthesis prism, which separates the non-polarized light transmitted through the second fly-eye lens array 6 into a P-polarized component and an S-polarized component, and a λ / 2 plate (a half-wave plate). By converting the S-polarized component into the P-polarized component (or converting the P-polarized component into the S-polarized component), the optical element aligns the polarization direction of the illumination light in a fixed direction.

PBSアレイ9を透過した光束は、重畳レンズ7により、被照明物3となる空間光変調素子上の照明領域に集光される。照明領域に集光された光束の形状は、第1のフライアイレンズアレイ5の各セルに相似形の結像であり、すべてのセルの像が重ね合わせられたものである。照明領域における集光の状態によって、画像表示装置における表示画像の明るさと面内輝度の均一性が決まる。   The light beam that has passed through the PBS array 9 is condensed by the superimposing lens 7 onto the illumination area on the spatial light modulation element that becomes the object to be illuminated 3. The shape of the light beam condensed in the illumination area is a similar image to each cell of the first fly-eye lens array 5, and the images of all the cells are superimposed. The brightness of the display image and the uniformity of the in-plane brightness in the image display device are determined by the state of light collection in the illumination area.

この照明光学系においては、重畳レンズ7は、図5中に矢印Aで示すように、光軸に沿って移動操作可能となされており、PBSアレイ9に対する距離が調整可能となっている。重畳レンズ7を光軸方向に移動操作する機構としては、カム機構など、種々の機構を使用することができる。   In this illumination optical system, as shown by an arrow A in FIG. 5, the superimposing lens 7 can be moved along the optical axis, and the distance to the PBS array 9 can be adjusted. Various mechanisms such as a cam mechanism can be used as the mechanism for moving the superimposing lens 7 in the optical axis direction.

図6は、本発明に係る照明光学系において重畳レンズ7を移動操作する前後の状態を示す側面図である。   FIG. 6 is a side view showing a state before and after moving the superimposing lens 7 in the illumination optical system according to the present invention.

図7は、本発明に係る照明光学系において重畳レンズ7の移動による照明領域の変化を示す正面図である。   FIG. 7 is a front view showing a change in the illumination area due to the movement of the superimposing lens 7 in the illumination optical system according to the present invention.

そして、図6中の(a)に示す状態から、図6中の(b)に示すように、この照明光学系において、重畳レンズ7を光軸に沿ってPBSアレイ9に近づける方向に移動操作すると、図7に示すように、第1のフライアイレンズアレイ5の照明領域における結像倍率が大きくなる。すると、単位面積当たりの光束量(輝度)が小さくなり、照明光として暗くなる。このとき、開口絞りである第2のフライアイレンズアレイ6の位置及び口径は変化しないので、照明光学系としてのFナンバは変化しない。   Then, from the state shown in FIG. 6 (a), as shown in FIG. 6 (b), in this illumination optical system, the superimposing lens 7 is moved along the optical axis toward the PBS array 9. Then, as shown in FIG. 7, the imaging magnification in the illumination area of the first fly-eye lens array 5 increases. Then, the light flux amount (luminance) per unit area becomes small and the illumination light becomes dark. At this time, since the position and aperture of the second fly-eye lens array 6 that is an aperture stop do not change, the F number as the illumination optical system does not change.

図8は、本発明に係る照明光学系における重畳レンズ7の移動と照明領域における輝度との関係を示すグラフである。   FIG. 8 is a graph showing the relationship between the movement of the superimposing lens 7 and the luminance in the illumination area in the illumination optical system according to the present invention.

前述のように、この照明光学系においては、重畳レンズ7を光軸に沿って移動操作し、PBSアレイ9に対する距離を調整することにより、光学系としてのFナンバを変えることなく、また、光源1の出力を変化させることなく、図8に示すように、照明領域における輝度を変化させることが可能である。なお、重畳レンズ7の移動量は、実用上、10mm程度で十分である。   As described above, in this illumination optical system, the superimposing lens 7 is moved along the optical axis and the distance to the PBS array 9 is adjusted, so that the F number as the optical system is not changed, and the light source Without changing the output of 1, it is possible to change the luminance in the illumination area as shown in FIG. It should be noted that a moving amount of the superimposing lens 7 is practically about 10 mm.

なお、この照明光学系を有する照明装置を用いて、画像表示装置を構成するには、照明装置によって照明される空間光変調素子の像を、図示しない投射光学系(投射レンズ)により、スクリーン上に拡大して結像させる。このとき、空間光変調素子が偏光変調を行う素子である場合には、空間光変調素子を経た照明光のうち、偏光変調された成分と偏光変調されていない成分とを、偏光ビームスプリッタのような偏光分離素子によって分離させ、偏光変調された成分のみを投射光学系に導くようにする。   In order to configure an image display device using an illumination device having this illumination optical system, an image of a spatial light modulation element illuminated by the illumination device is displayed on a screen by a projection optical system (projection lens) (not shown). And zoom in on the image. At this time, when the spatial light modulation element is an element that performs polarization modulation, the polarization-modulated component and the non-polarization-modulated component of the illumination light that has passed through the spatial light modulation element are converted into a polarization beam splitter. The light is separated by a polarization separation element, and only the polarization-modulated component is guided to the projection optical system.

さらに、カラー画像を表示する画像表示装置を構成するには、光源からの光束をダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムのような分光素子によって色分解し、R(赤色)用の照明光学系及び空間光変調素子、G(緑色)用の照明光学系及び空間光変調素子、B(青色)用の照明光学系及び空間光変調素子のそれぞれに単色光を入射させ、各空間光変調素子を経て変調された光束をダイクロイックプリズムのような分光素子によって色合成して、投射光学系に導くようにする。そして、投射光学系により、各空間光変調素子の像をスクリーン上に拡大して結像させる。   Furthermore, in order to construct an image display device for displaying a color image, the luminous flux from the light source is color-separated by a spectroscopic element such as a dichroic mirror or a dichroic prism, and an R (red) illumination optical system and a spatial light modulator , G (green) illumination optical system and spatial light modulation element, B (blue) illumination optical system and spatial light modulation element are each made incident with monochromatic light, and modulated through each spatial light modulation element. Is synthesized by a spectroscopic element such as a dichroic prism and guided to the projection optical system. Then, an image of each spatial light modulation element is enlarged and formed on the screen by the projection optical system.

図9は、本発明に係る照明光学系の第2の実施例における構成を示す側面図である。   FIG. 9 is a side view showing the configuration of the illumination optical system according to the second embodiment of the present invention.

実施例2に係る照明光学系は、図9に示すように、ロッドインテグレータやライトパイプ、ライトチューブなど、光源1からの光束が一端側より入射され、この光束を内面反射させつつ他端側より出射する柱状の領域を有する柱状インテグレータ10を備え、この柱状インテグレータ10を経た光束により被照明物3を照明する照明光学系としても構成することができる。   As shown in FIG. 9, in the illumination optical system according to the second embodiment, a light beam from a light source 1 such as a rod integrator, a light pipe, or a light tube is incident from one end side. It can also be configured as an illumination optical system that includes a columnar integrator 10 having a columnar region that emits light, and that illuminates the illuminated object 3 with a light beam that has passed through the columnar integrator 10.

この照明光学系を用いた照明装置においては、光源1として超高圧水銀ランプ等の放電ランプ等を用い、このランプから出射された光束を放物面リフレクタ8によって略平行光とし、集光レンズ11によって集光させて、柱状インテグレータ10の一端側に入射させる。柱状インテグレータ10に入射された光束は、この柱状インテグレータ10の内面において多重反射されて輝度分布を均一化されて、柱状インテグレータ10の他端側より出射される。柱状インテグレータ10より出射された光束は、重畳レンズ7により、被照明物3となる空間光変調素子上の照明領域に集光される。   In an illuminating device using this illumination optical system, a discharge lamp such as an ultra-high pressure mercury lamp is used as the light source 1, and a light beam emitted from this lamp is made into substantially parallel light by a paraboloid reflector 8, and a condenser lens 11. Then, the light is condensed and made incident on one end side of the columnar integrator 10. The light beam incident on the columnar integrator 10 is multiple-reflected on the inner surface of the columnar integrator 10 to make the luminance distribution uniform, and is emitted from the other end side of the columnar integrator 10. The light beam emitted from the column integrator 10 is condensed by the superimposing lens 7 onto the illumination area on the spatial light modulation element that becomes the illumination object 3.

図10は、柱状インテグレータであるロッドインテグレータの構成を示す断面図である。   FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a rod integrator that is a columnar integrator.

柱状インテグレータ10は、図10に示すように、ロッドインテグレータとして構成することができる。このロッドインテグレータは、透明材料により、照明領域に対する相似形である矩形の断面形状を有する角柱状に一体的に形成されている。このロッドインテグレータにおいては、一端側から小さい入射角で入射した光束は、このロッドインテグレータを透過して他端側に到達するとともに、一端側から大きな入射角で入射した光束は、このロッドインテグレータの各側面部において内面反射を繰返して、他端側に到達する。このようにロッドインテグレータ内で内面反射を繰返した光束を重畳レンズ7によって空間光変調素子上の照明領域に集光することにより、この照明領域における輝度が均一化される。   As shown in FIG. 10, the columnar integrator 10 can be configured as a rod integrator. The rod integrator is integrally formed of a transparent material into a prismatic shape having a rectangular cross-sectional shape that is similar to the illumination area. In this rod integrator, a light beam incident at a small incident angle from one end side passes through this rod integrator and reaches the other end side, and a light beam incident at a large incident angle from one end side is Internal reflection is repeated at the side surface to reach the other end. In this way, by condensing the luminous flux that has been repeatedly reflected internally in the rod integrator onto the illumination area on the spatial light modulator by the superimposing lens 7, the luminance in the illumination area is made uniform.

図11は、柱状インテグレータであるライトパイプ(ライトチューブ)の構成を示す断面図である。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration of a light pipe (light tube) which is a columnar integrator.

また、柱状インテグレータ10は、図11に示すように、ライトパイプ(ライトチューブ)として構成することができる。このライトパイプ(ライトチューブ)は、中空の筒状に形成され、中空部の断面形状が照明領域に相似形の矩形となっている。このライトパイプ(ライトチューブ)においては、一端側から小さい入射角で入射した光束は、このライトパイプ(ライトチューブ)内を通過して他端側に到達するとともに、一端側から大きな入射角で入射した光束は、このライトパイプ(ライトチューブ)の各側壁の内面において繰返し反射されて、他端側に到達する。このようにライトパイプ(ライトチューブ)内での反射を繰返した光束を重畳レンズ7によって空間光変調素子上の照明領域に集光することにより、この照明領域における輝度が均一化される。   Moreover, the columnar integrator 10 can be configured as a light pipe (light tube) as shown in FIG. The light pipe (light tube) is formed in a hollow cylindrical shape, and the cross-sectional shape of the hollow portion is a rectangle that is similar to the illumination area. In this light pipe (light tube), a light beam incident at a small incident angle from one end side passes through the light pipe (light tube) and reaches the other end side, and is incident at a large incident angle from one end side. The luminous flux is repeatedly reflected on the inner surface of each side wall of the light pipe (light tube) and reaches the other end. Thus, by condensing the luminous flux repeatedly reflected in the light pipe (light tube) onto the illumination area on the spatial light modulation element by the superimposing lens 7, the luminance in the illumination area is made uniform.

重畳レンズ7は、図9中に矢印Bで示すように、光軸に沿って移動操作可能となされ、被照明物3に対する距離が調整可能となっている。重畳レンズ7を光軸方向に移動操作する機構としては、カム機構など、種々の機構を使用することができる。   As shown by an arrow B in FIG. 9, the superimposing lens 7 can be moved along the optical axis, and the distance to the object to be illuminated 3 can be adjusted. Various mechanisms such as a cam mechanism can be used as the mechanism for moving the superimposing lens 7 in the optical axis direction.

この照明光学系においても、重畳レンズ7を光軸に沿って移動操作し、被照明物3に対する距離を調整することにより、前述の第1の実施例における照明光学系と同様に、光学系としてのFナンバを変えることなく、また、光源1の出力を変化させることなく、照明光の輝度を調整することができる。   Also in this illumination optical system, by operating the superimposing lens 7 to move along the optical axis and adjusting the distance to the object 3 to be illuminated, as the illumination optical system in the first embodiment, as an optical system, The brightness of the illumination light can be adjusted without changing the F number of the light source and without changing the output of the light source 1.

照明装置の照明光学系として使用されるクリティカル照明の原理を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the principle of the critical illumination used as an illumination optical system of an illuminating device. 照明装置の照明光学系として使用されるケラー照明の原理を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the principle of Keller illumination used as an illumination optical system of an illuminating device. 発明に係る照明光学系の原理を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the principle of the illumination optical system which concerns on invention. 前記照明光学系において、第2のフライアイレンズアレイ上に形成される光源像を示す側面図である。In the said illumination optical system, it is a side view which shows the light source image formed on the 2nd fly eye lens array. 前記照明光学系の第1の実施例における構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure in the 1st Example of the said illumination optical system. 前記照明光学系において重畳レンズを移動操作する前後の状態を示す側面図である。It is a side view which shows the state before and behind moving operation of a superimposition lens in the said illumination optical system. 前記照明光学系において重畳レンズの移動による照明領域の変化を示す正面図である。It is a front view which shows the change of the illumination area | region by the movement of a superimposition lens in the said illumination optical system. 前記照明光学系における重畳レンズと照明領域における輝度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the superimposition lens in the said illumination optical system, and the brightness | luminance in an illumination area | region. 本発明に係る照明光学系の第2の実施例における構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure in the 2nd Example of the illumination optical system which concerns on this invention. 前記照明光学系における柱状インテグレータであるロッドインテグレータの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the rod integrator which is a columnar integrator in the said illumination optical system. 前記照明光学系における柱状インテグレータであるライトパイプ(ライトチューブ)の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the light pipe (light tube) which is a columnar integrator in the said illumination optical system.

符号の説明Explanation of symbols

1 光源
2 コンデンサレンズ
3 被照明物
5 第1のフライアイレンズアレイ
6 第2のフライアイレンズアレイ
7 重畳レンズ
10 柱状インテグレータ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Condenser lens 3 Illuminated object 5 1st fly eye lens array 6 2nd fly eye lens array 7 Superimposition lens 10 Column-shaped integrator

Claims (2)

光源からの光束が入射される第1のフライアイレンズアレイと、この第1のフライアイレンズアレイを経た光束が入射される第2のフライアイレンズアレイと、重畳レンズとを備え、前記第2のフライアイレンズアレイを経た光束を前記重畳レンズにより、前記第1のフライアイレンズアレイに対して略共役の位置にある被照明物を照明する照明光学系において、
光軸に沿って前記重畳レンズを移動操作可能とすることにより、前記被照明物を照明する光束を調整する調整手段を有することを特徴とする照明光学系。
A first fly-eye lens array into which a light beam from a light source is incident; a second fly-eye lens array into which a light beam that has passed through the first fly-eye lens array is incident; and a superimposing lens. In the illumination optical system for illuminating an object to be illuminated at a position substantially conjugate with respect to the first fly-eye lens array by the superimposing lens with the light beam that has passed through the fly-eye lens array of
An illuminating optical system comprising adjusting means for adjusting a light beam for illuminating the object to be illuminated by enabling the superimposing lens to be moved along an optical axis.
光源からの光束が一端側より入射され該光束を内面反射させつつ他端側より出射する柱状の領域を有するインテグレータと重畳レンズとを備え、このインテグレータを経た光束を前記重畳レンズにより、被照明物を照明する照明光学系において、
光軸に沿って前記重畳レンズを移動操作可能とすることにより、前記被照明物を照明する光束を調整する調整手段を有することを特徴とする照明光学系。

A light beam from a light source is incident from one end side, and includes an integrator having a columnar region that reflects the light beam from the other side and exits from the other end side, and a superimposing lens. The light beam that has passed through the integrator is illuminated by the superimposing lens. In the illumination optical system that illuminates
An illuminating optical system comprising adjusting means for adjusting a light beam for illuminating the object to be illuminated by allowing the superimposing lens to be moved along the optical axis.

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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009288407A (en) * 2008-05-28 2009-12-10 Canon Inc Lighting optical system and image projection apparatus
WO2012132579A1 (en) * 2011-03-25 2012-10-04 日本精機株式会社 Head-up display device
CN103246147A (en) * 2012-02-13 2013-08-14 佳能株式会社 Illumination optical system and image projection apparatus
US20130208363A1 (en) * 2012-02-10 2013-08-15 Yazaki Corporation Display device for vehicle
JP2016142901A (en) * 2015-02-02 2016-08-08 セイコーエプソン株式会社 Lighting device and projector
CN108037589A (en) * 2017-12-14 2018-05-15 中国科学院西安光学精密机械研究所 Laser beam shaping system applied to underwater camera lighting system
CN114859542A (en) * 2021-11-05 2022-08-05 郑州思昆生物工程有限公司 Illumination system and microscope equipment

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009288407A (en) * 2008-05-28 2009-12-10 Canon Inc Lighting optical system and image projection apparatus
WO2012132579A1 (en) * 2011-03-25 2012-10-04 日本精機株式会社 Head-up display device
JP2012203176A (en) * 2011-03-25 2012-10-22 Nippon Seiki Co Ltd Head-up display device
US9081179B2 (en) 2011-03-25 2015-07-14 Nippon Seiki Co., Ltd. Head-up display device
US20130208363A1 (en) * 2012-02-10 2013-08-15 Yazaki Corporation Display device for vehicle
CN103246147A (en) * 2012-02-13 2013-08-14 佳能株式会社 Illumination optical system and image projection apparatus
CN103246147B (en) * 2012-02-13 2015-07-29 佳能株式会社 Illumination optical system is unified image projection device
US9223122B2 (en) 2012-02-13 2015-12-29 Canon Kabushiki Kaisha Illumination optical system and image projection apparatus
JP2016142901A (en) * 2015-02-02 2016-08-08 セイコーエプソン株式会社 Lighting device and projector
CN108037589A (en) * 2017-12-14 2018-05-15 中国科学院西安光学精密机械研究所 Laser beam shaping system applied to underwater camera lighting system
CN114859542A (en) * 2021-11-05 2022-08-05 郑州思昆生物工程有限公司 Illumination system and microscope equipment
CN114859542B (en) * 2021-11-05 2025-02-18 郑州思昆生物工程有限公司 Illumination system and microscope device

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