JP2000122178A - Illuminator - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、液晶プロジェクターに
おける液晶の照明装置、さらに詳しくは、ハロゲンラン
プのような安価で平面的な光源を用いながら、被写体照
明の照度ムラの低減化及び小型化に有利で、かつ光利用
効率の高い照明装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for illuminating a liquid crystal in a liquid crystal projector, and more particularly to a method for reducing unevenness in illumination and reducing the size of an object while using an inexpensive and flat light source such as a halogen lamp. The present invention relates to a lighting device that is advantageous and has high light use efficiency.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般的な照明系としては、ケーラー照明
光学系が知られている。ケーラー照明光学系は、光軸と
直交する面方向に関し輝度分布が補正されるので、通常
の照明系では照明ムラが十分に除去されているが、液晶
プロジェクター用の液晶バネルの照明や被照射面全域に
おいての照度分布を厳密に抑え込む用途に対しては不十
分である。ケーラー照明光学系は、図4に示すように、
光源10、球面反射鏡11、コレクターレンズ12、コ
ンデンサーレンズ15、投射レンズ17を有する。ケー
ラー照明光学系は、フライアイレンズを有していないた
め、シンプルな構成ではあるが、照度ムラを厳しく抑え
る必要のある照明装置では、光軸と直交する方向におけ
る光源の輝度ムラによって、照度ムラについても補正す
る必要がある。 (第1のフライアイレンズ照明系)この光軸と直交する
方向における光源の輝度ムラによる照度ムラを除去する
ために、図5に示すように、フライアイレンズを含む第
1のフライアイレンズ照明系が提案されている。この光
学系は、図5に示すように、面光源20、球面反射鏡2
1、コレクターレンズ22、フライアイレンズ24、コ
ンデンサーレンズ26、投射レンズ28を有する。フラ
イアイレンズ24はn×m個のレンズ要素24aを有す
る。各レンズ要素24aの厚さは、一方の面の焦点位置
が他方の面の頂点に一致するように決定され、光軸と直
交する面における各レンズ要素24aは矩形であり、複
数のレンズ要素24aが隙間なく接合されている。2. Description of the Related Art As a general illumination system, a Koehler illumination optical system is known. Since the Koehler illumination optical system corrects the luminance distribution in the plane direction perpendicular to the optical axis, the illumination unevenness is sufficiently removed in the ordinary illumination system. It is not sufficient for the purpose of strictly suppressing the illuminance distribution in the entire region. The Koehler illumination optical system, as shown in FIG.
It has a light source 10, a spherical reflecting mirror 11, a collector lens 12, a condenser lens 15, and a projection lens 17. Since the Koehler illumination optical system does not have a fly-eye lens, it has a simple configuration.However, in an illuminating device that needs to severely suppress illuminance unevenness, the illuminance unevenness is caused by the unevenness of the brightness of the light source in the direction orthogonal to the optical axis. Also needs to be corrected. (First Fly-Eye Lens Illumination System) As shown in FIG. 5, a first fly-eye lens illumination system including a fly-eye lens is used to remove illuminance unevenness caused by uneven brightness of a light source in a direction orthogonal to the optical axis. A system has been proposed. This optical system includes, as shown in FIG.
1, a collector lens 22, a fly-eye lens 24, a condenser lens 26, and a projection lens 28. The fly-eye lens 24 has nxm lens elements 24a. The thickness of each lens element 24a is determined so that the focal position of one surface coincides with the vertex of the other surface, and each lens element 24a on the surface orthogonal to the optical axis is rectangular, and the plurality of lens elements 24a Are joined without gaps.
【0003】面光源20とフライアイレンズ24の間に
配置されるコレクターレンズ22は、図5に示すよう
に、面光源20からの光束を平行光に変換するものであ
るから、面光源20とコレクターレンズ22と間隔はコ
レクターレンズ22の焦点距離にほぼ等しい。但し、フ
ライアイレンズ24、コンデンサーレンズ26、及び投
射レンズ28の焦点距離は、面光源20の軸外光により
決定されるため、コレクターレンズ22から出射される
斜め光の角度は、コレクターレンズ22の焦点距離が短
くなり過ぎないように設計される。コレクターレンズ2
2により光軸に平行化された光束は、そのままフライア
イレンズ24の視野絞り23側すなわち後面から入射
し、フライアイレンズ24の開口絞り25側すなわち前
面で多数の2次光源を形成する。The collector lens 22 disposed between the surface light source 20 and the fly-eye lens 24 converts a light beam from the surface light source 20 into parallel light as shown in FIG. The distance from the collector lens 22 is substantially equal to the focal length of the collector lens 22. However, since the focal lengths of the fly-eye lens 24, the condenser lens 26, and the projection lens 28 are determined by off-axis light of the surface light source 20, the angle of oblique light emitted from the collector lens 22 is It is designed so that the focal length does not become too short. Collector lens 2
The light beam collimated to the optical axis by 2 enters from the field stop 23 side of the fly-eye lens 24, that is, the rear surface thereof, and forms a large number of secondary light sources on the aperture stop 25 side of the fly-eye lens 24, that is, the front surface.
【0004】面光源20すなわちフィラメントの光軸か
ら離れた位置からの光は、斜め光となってフライアイレ
ンズ24の視野絞り23側から入射し、開口絞り25側
から平行光として射出される。液晶プロジェクターのよ
うな用途では、図5に示すように、液晶パネルすなわち
矩形マスク面27がコンデンサーレンズ26と投射レン
ズ28の間に設置されるから、この射出された平行光は
コンデンサーレンズ26によって投射レンズ28のピン
ト面すなわちマスク面27の位置に集光されることが望
ましい。また、投射レンズ28のピント面を完全な照度
均一面とするためには、フライアイレンズ24のレンズ
要素24aの矩型とピント面が完全に相似となって対応
する必要がある。一方、前記フライアイレンズ24上に
2次光源として形成された光束は、コンデンサーレンズ
26によって投射レンズ28の入射瞳の位置に結像され
る。The light from the surface light source 20, that is, a position distant from the optical axis of the filament, becomes oblique light, enters the fly-eye lens 24 from the field stop 23 side, and is emitted from the aperture stop 25 side as parallel light. In an application such as a liquid crystal projector, as shown in FIG. 5, a liquid crystal panel, that is, a rectangular mask surface 27 is provided between a condenser lens 26 and a projection lens 28, so that the emitted parallel light is projected by the condenser lens 26. It is desirable that the light is focused on the focus surface of the lens 28, that is, on the position of the mask surface 27. Further, in order to make the focus surface of the projection lens 28 a completely uniform illuminance surface, it is necessary that the rectangular shape and the focus surface of the lens element 24a of the fly-eye lens 24 are completely similar to each other. On the other hand, the light beam formed as a secondary light source on the fly-eye lens 24 is imaged by the condenser lens 26 at the position of the entrance pupil of the projection lens 28.
【0005】面光源20の後方の球面反射鏡21は、光
源から後方へ向かった光束を再び前方へ戻すものであ
り、球面反射鏡21の有効NAを大きくした方がより多
くの光束を前方へ戻すことができる。[0005] The spherical reflecting mirror 21 behind the surface light source 20 is for returning the luminous flux from the light source backward to the front again. When the effective NA of the spherical reflecting mirror 21 is increased, more luminous flux is forwarded. You can go back.
【0006】しかしながら、この球面反射鏡21のNA
を大きくとりながらしかも軸外の光線についても条件を
満たすことは、コレクターレンズ22の設計上、レンズ
枚数が増え、しかも口径も増大してしまうので、照明系
全体の小型化が困難となってしまう。さらにコレクター
レンズ22自体は、n×m個のレンズ要素24a全部に
平行光束を平行光として受け渡すため、ほぼそれに等し
い口径が必要となり、球面反射鏡21のNAを小さくし
てもフライアイレンズ24が大きければ意味がなく、そ
れ故にこの照明系での小型化には限界がある。 (第2のフライアイレンズ照明系)光軸と直交する方向
における光源の輝度ムラによる照度ムラを除去するため
にフライアイレンズを含む第2のフライアイレンズ照明
系は、図6に示すように、放物面反射鏡31、フライア
イレンズ33、コンデンサーレンズ34、35、投射レ
ンズ37を有する。However, the NA of the spherical reflecting mirror 21 is
Satisfying the condition with respect to off-axis rays while increasing the size of the lens increases the number of lenses and the diameter of the collector lens 22 due to the design of the collector lens 22, which makes it difficult to reduce the size of the entire illumination system. . Further, the collector lens 22 itself passes a parallel light beam as a parallel light beam to all of the n × m lens elements 24a, so that the aperture is required to be substantially equal to the diameter. Even if the NA of the spherical reflecting mirror 21 is reduced, the fly-eye lens 24 It is meaningless if is large, and there is a limit to miniaturization in this illumination system. (Second fly-eye lens illumination system) As shown in FIG. 6, a second fly-eye lens illumination system including a fly-eye lens for removing illuminance unevenness due to uneven brightness of a light source in a direction orthogonal to the optical axis, as shown in FIG. , A parabolic reflector 31, a fly-eye lens 33, condenser lenses 34 and 35, and a projection lens 37.
【0007】この場合、光源30は点光源であるとして
いるので、軸外の光束に対しては考慮する必要がなく、
反射鏡31は放物面とすることができる。このフライア
イレンズ照明系の場合は、光束は放物面反射鏡31によ
る反射後に光軸と平行となり、そのままフライアイレン
ズ33に入射されるから、原理的には、上述した第1の
フライアイレンズ照明系のように、コレクターレンズを
必要としない。しかし、実際には、無視できない程度の
長さの放電アーク長があり、放物面ミラー31の直径を
ある大きさ以上に保たなくてはならない等の制約はあ
る。但し、もし、点光源30の前方から射出される光束
があるとすれば、このような照明系をとる限り点光源3
0の前方から射出される光束に対しては照明系内で迷光
となるため、被写体照明の輝度向上には寄与しない。In this case, since the light source 30 is a point light source, there is no need to consider an off-axis light beam.
The reflecting mirror 31 can be a paraboloid. In the case of this fly-eye lens illumination system, the light beam becomes parallel to the optical axis after being reflected by the parabolic reflector 31, and is incident on the fly-eye lens 33 as it is. It does not require a collector lens as in a lens illumination system. However, in actuality, there is a discharge arc length that cannot be ignored, and there are restrictions such as that the diameter of the parabolic mirror 31 must be maintained at a certain value or more. However, if there is a light beam emitted from the front of the point light source 30, as long as such an illumination system is used, the point light source 3
Since the light flux emitted from the front of 0 becomes stray light in the illumination system, it does not contribute to the improvement of the brightness of the subject illumination.
【0008】このような理由で、第2のフライアイレン
ズ照明系で一般のハロゲンランプを使用すると、前方に
射出された光束は、コレクターレンズがないため2次光
源をつくることができない。図3においての放物面鏡3
1で反射される光束は複数の2次光源がコンデンサーレ
ンズ34上に形成される。これら2次光源がコンデンサ
ーレンズ35により、投射レンズ37の入射瞳上に結像
される。このような照明系の場合、前記のように点光源
30は発光面積の小さいものが推奨される。現状の製品
で、これらのものとして、メタルハライド、キセノンラ
ンプ等が該当するが、これらは点灯回路を含めた照明光
学系のコストが大変高い問題がある。For this reason, if a general halogen lamp is used in the second fly-eye lens illumination system, the light beam emitted forward cannot be used as a secondary light source because there is no collector lens. Parabolic mirror 3 in FIG.
A plurality of secondary light sources are formed on the condenser lens 34 of the light flux reflected by the light source 1. These secondary light sources are imaged on the entrance pupil of the projection lens 37 by the condenser lens 35. In the case of such an illumination system, it is recommended that the point light source 30 has a small light emitting area as described above. In the current products, these include metal halides, xenon lamps and the like, but these have the problem that the cost of the illumination optical system including the lighting circuit is very high.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の照明装
置には以下のような課題があった。第1の課題は、面光
源を有する第1のフライアイレンズ照明系において、装
置全体の小型化すなわち光軸方向の短縮化を実現するた
めに、コレクターレンズを小型化する必要がある。被照
射面全域において照度を大きく確保するために重要とな
ることは、投射レンズ28方向の光度を如何に大きくす
るかであるから、図5に示すように、面光源20の後方
に設置される反射鏡21は後方に向かって放射された光
束を投射レンズ28側に戻すため、その役割は重要であ
る。反射鏡21のNAを大きくとることにより、後方に
向かった光束を投射レンズ28側に戻そうとすることは
容易に考えられるが、従来のフライアイレンズ24の直
前に設けられるコレクターレンズ22では、反射鏡のN
Aが大きくなることによりコレクターレンズ22も口径
が大きくなってしまう。しかも、コレクターレンズ22
は、入射する角度も大きくなり、光束をより大きく曲げ
なくてはならなくなるので、設計も困難になり、条件に
よっては多くのレンズ枚数が必要となる場合が発生す
る。面光源20のフィラメントの大きさにもコレクター
レンズ22の大きさは影響される。フィラメントの大き
さを無視して、フライアイレンズ24、コンデンサーレ
ンズ26等の焦点距離を投射レンズ28に対応させて決
めた場合、コレクターレンズ22がかなり大きくなる場
合が多い。その場合は装置全体の倍率及び焦点距離のバ
ランスを再検討する必要がある。The above-mentioned conventional lighting device has the following problems. A first problem is that in the first fly-eye lens illumination system having a surface light source, it is necessary to reduce the size of the collector lens in order to realize the miniaturization of the entire apparatus, that is, the shortening in the optical axis direction. Since it is important how to increase the luminous intensity in the direction of the projection lens 28 to secure a large illuminance over the entire surface to be irradiated, as shown in FIG. The role of the reflecting mirror 21 is important because the reflecting mirror 21 returns the light beam emitted backward to the projection lens 28 side. It is easily conceivable to increase the NA of the reflecting mirror 21 so as to return the light beam directed backward to the projection lens 28 side. However, in the collector lens 22 provided immediately before the conventional fly-eye lens 24, N of reflector
As A increases, the aperture of the collector lens 22 also increases. Moreover, the collector lens 22
Since the angle of incidence becomes large and the light beam must be bent more greatly, the design becomes difficult, and depending on the condition, a large number of lenses may be required. The size of the collector lens 22 is also affected by the size of the filament of the surface light source 20. When the focal lengths of the fly-eye lens 24, the condenser lens 26, and the like are determined in correspondence with the projection lens 28 ignoring the size of the filament, the collector lens 22 is often considerably large. In that case, it is necessary to reconsider the balance between the magnification and the focal length of the entire apparatus.
【0010】面光源20の後方の球面鏡21のNAを大
きくすることは、光学設計が困難になるばかりか、小型
化する上では不利となり、またNAを小さくとると光軸
上の照度を高めることができない問題がある。第2の課
題は、以下の通りである。点光源を有する第2のフライ
アイレンズ照明系において、一般的に使用されるメタル
ハライドランプのようなアーク放電による発光は、その
発光部のアークはある程度の長さがあると、その構造に
より点光源に近いものとして利用され、また電極部がラ
ンプ前方にあるものが多く、前方からの光は無視して、
主に組み合わされる放物面鏡の反射光のみを利用してい
た。このような構成は効率が高いので液晶プロジェクタ
ー向けの照明に良く利用される。しかし、安価なハロゲ
ンランプの使用を前提とした場合、ハロゲンランプ前方
から射出される光束が多く、無視することはできない。
この前方の光束を利用するのは、何らかの集光手段が必
要となる。Increasing the NA of the spherical mirror 21 behind the surface light source 20 not only makes optical design difficult, but is disadvantageous in reducing the size, and reducing the NA increases the illuminance on the optical axis. There is a problem that can not be. The second problem is as follows. In the second fly-eye lens illuminating system having a point light source, light emitted by an arc discharge such as a commonly used metal halide lamp may have a point light source due to its structure if the light emitting portion has a certain length of arc. In many cases, the electrode part is located in front of the lamp, ignoring light from the front,
It mainly used only the reflected light of the parabolic mirror combined. Since such a configuration has high efficiency, it is often used for illumination for a liquid crystal projector. However, assuming that an inexpensive halogen lamp is used, a large amount of light is emitted from the front of the halogen lamp and cannot be ignored.
Utilizing this forward light beam requires some light condensing means.
【0011】第3の課題は、将来的な液晶プロジェクタ
ーに用いる照明系に関して、液晶パネルや各種ミラーが
小型化すると、照明装置として十分な明るさが得にくく
なることである。特に液晶パネルのサイズは現状でも1
インチ(25.4mm)以下となりつつあり、照明光束を効
率よく細くして、小面積上に高い照度で照明光線を照射
できる照明装置が望ましい。A third problem is that with respect to an illumination system used in a future liquid crystal projector, if the size of a liquid crystal panel or various mirrors is reduced, it becomes difficult to obtain sufficient brightness as an illumination device. In particular, the size of the liquid crystal panel is currently 1
It is desirable to provide an illuminating device which is becoming smaller than 2 inches (25.4 mm), and which can efficiently illuminate the illuminating light flux and irradiate an illuminating light beam with high illuminance on a small area.
【0012】[0012]
【発明の目的】本発明は、従来の照明装置における上述
した問題点に鑑みて明細書となされたものであって、ハ
ロゲンランプのようなコスト的に有利な面光源から放射
される光束によって、被照射面を高効率でかつ均一に照
射可能な小型の照明装置を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems in a conventional lighting device, and has been made in consideration of the problems described above by using a light beam emitted from a cost-effective surface light source such as a halogen lamp. It is an object of the present invention to provide a small-sized lighting device capable of uniformly irradiating an irradiated surface with high efficiency.
【0013】[0013]
【課題を解決する手段】本発明は、光を放射する光源
と、投射レンズの入射瞳径、瞳距離、入射側有効径に基
づいて決定された焦点距離を有したコレクターレンズ、
フライアイレンズ、熱線吸収フィルター中心部のレンズ
部材、コンデンサーレンズと、上記光源の発光中心部を
中心とする球面鏡と、該球面鏡の周辺部にリング状に設
置された放物面鏡とを有することを特徴とする照明装置
である。本発明の実施態様は、以下のとうりである。前
記球面鏡の口径は光源部(外壁硝子部)の管径とほぼ同
じとなることを特徴とする。上記放物面鏡の内径(球面
鏡と入れ替わる径)は光源部(外壁硝子部)の管径とほ
ぼ同じとなることを特徴とする。前記コレクターレンズ
の口径は光源部(外壁硝子部)の管径とほぼ同じとなる
ことを特徴とする。前記コレクターレンズを熱線吸収タ
イプの硝材としたことを特徴とする。前記コレクターレ
ンズを高屈折率、高耐熱性の硝材としたことを特徴とす
る。フライアイレンズとコンデンサーレンズの間に熱線
吸収フィルターを配置して、その中心部のみがレンズ効
果をもつことを特徴とする。前記コレクターレンズの中
心部のみがレンズ作用をもった部材がフライアイレンズ
の中心セルと同等の形状をもつ。上記熱線吸収フィルタ
ー及び中心部レンズ部材が照明系の2次光源となること
を特徴とする。コンデンサーレンズ部を非球面レンズと
投射レンズのピント面(マスク面)よりも光源側に直前
に配置される平凸レンズ(非球面形状含む)の2枚構成
とする。前記コンデンサーレンズ部を非球面レンズ1枚
構成とする。投射レンズ部をズームレンズまたはバリフ
ォーカルレンズとしたことを特徴とする。前記投射レン
ズのピント面(マスク面)の位置に液晶パネルを配置
し、さらに偏光板等を配置して液晶プロジェクションテ
レビまたは液晶プロジェクター用としたことを特徴とす
る。According to the present invention, there is provided a light source for emitting light, a collector lens having a focal length determined based on an entrance pupil diameter, a pupil distance, and an effective diameter on an entrance side of a projection lens.
A fly-eye lens, a lens member at the center of the heat ray absorption filter, a condenser lens, a spherical mirror around the emission center of the light source, and a parabolic mirror installed in a ring around the spherical mirror. It is a lighting device characterized by the above. Embodiments of the present invention are as follows. The diameter of the spherical mirror is substantially the same as the diameter of the light source section (outer wall glass section). The inside diameter of the parabolic mirror (the diameter replacing the spherical mirror) is substantially the same as the tube diameter of the light source section (outer glass section). The diameter of the collector lens is substantially the same as the diameter of the light source section (outer wall glass section). The collector lens is made of a heat ray absorbing type glass material. The collector lens is made of a glass material having high refractive index and high heat resistance. A heat ray absorbing filter is arranged between the fly-eye lens and the condenser lens, and only the central portion has a lens effect. A member having a lens function only at the center of the collector lens has the same shape as the center cell of the fly-eye lens. The heat ray absorbing filter and the central lens member serve as a secondary light source of an illumination system. The condenser lens unit has a two-part configuration including an aspherical lens and a plano-convex lens (including an aspherical shape) disposed immediately before the light source side of the focus surface (mask surface) of the projection lens. The condenser lens section has a single aspheric lens. The projection lens unit may be a zoom lens or a varifocal lens. A liquid crystal panel is arranged at a position of a focus surface (mask surface) of the projection lens, and a polarizing plate and the like are further arranged to be used for a liquid crystal projection television or a liquid crystal projector.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】次に、添付図面に基づいて、本発
明の実施例について詳細に説明する。実施形態の照明装
置は、図1に示すように、面状の光源40の後方に、凹
球面鏡41と、その周りを囲むように配置されるリング
上の放物面鏡42が配置される。凹球面鏡41及び放物
面鏡42は、光軸上の同一位置に中心をもつように配置
されている。凹球面鏡41の曲率半径Rは放物面鏡42
のR成分の1/2 となっている。Rを大きく、すなわち放
物面鏡42の焦点距離を長くすると、光源からの光束N
Aを大きくするために放物面鏡42の口径を大きくしな
いから、設計時は装置全体としてバランスのとれた最適
値を選択する必要がある。コレクターレンズ44は、光
源40の直前に配置される。コレクターレンズ44は、
光源40から前方に発散する光を平行光束に変換するの
で、光源40とコレクターレンズ44との間隔はコレク
ターレンズ44の焦点距離にほぼ等しくなる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. As shown in FIG. 1, in the illumination device of the embodiment, a concave spherical mirror 41 and a parabolic mirror 42 on a ring arranged to surround the concave mirror 41 are arranged behind a planar light source 40. The concave spherical mirror 41 and the parabolic mirror 42 are arranged so as to be centered at the same position on the optical axis. Curvature radius R of concave spherical mirror 41 is parabolic mirror 42
Is 1/2 of the R component. When R is increased, that is, when the focal length of the parabolic mirror 42 is increased, the luminous flux N
Since the diameter of the parabolic mirror 42 is not increased in order to increase A, it is necessary to select a well-balanced optimum value for the entire apparatus at the time of design. The collector lens 44 is arranged immediately before the light source 40. The collector lens 44
Since the light diverging forward from the light source 40 is converted into a parallel light flux, the distance between the light source 40 and the collector lens 44 is substantially equal to the focal length of the collector lens 44.
【0015】このコレクターレンズ44の外径は、光源
40の硝子管径とほぼ同じとなるようにする。その理由
は、コレクターレンズ44の外径を大きくすると、放物
面鏡42で反射された光束を遮ってしまう恐れがあるか
らである。このように光源40からのなるべく多くの光
束を平行光束に変換するために、コレクターレンズ44
をなるべく光源40に近づけて、コレクターレンズ44
の外径を光源40の硝子管径と同じ程度にとる。レンズ
44の外径が光源40の硝子管径程度となれば、コレク
ターレンズ44の焦点距離を短く設計することが容易で
あり、これは照明装置全体の小型化に大きく寄与するこ
とができる。コレクターレンズ44は高い発熱性の光源
40に隣接して配置されることから、コレクターレンズ
44は耐熱性の高い硝材を採用すべきである。また、コ
レクターレンズ44に高屈折率の硝材を採用するとさら
に装置の小型化に有利な設計が可能となる。さらに、熱
線吸収タイプの硝材を採用すると、光源40から放射さ
れる赤外光が一部カットされるため、フライアイレンズ
45にかかる熱的負担を軽減できる。The outer diameter of the collector lens 44 is made substantially equal to the diameter of the glass tube of the light source 40. The reason is that if the outer diameter of the collector lens 44 is increased, the light beam reflected by the parabolic mirror 42 may be blocked. In order to convert as many light beams as possible from the light source 40 into parallel light beams, the collector lens 44 is used.
As close as possible to the light source 40 and the collector lens 44
Is set to be approximately the same as the diameter of the glass tube of the light source 40. If the outer diameter of the lens 44 is approximately equal to the diameter of the glass tube of the light source 40, it is easy to design the focal length of the collector lens 44 to be short, and this can greatly contribute to downsizing of the entire lighting device. Since the collector lens 44 is disposed adjacent to the light source 40 having high heat generation, the collector lens 44 should employ a glass material having high heat resistance. In addition, when a glass material having a high refractive index is used for the collector lens 44, a design advantageous for further miniaturization of the device can be realized. Further, when a heat ray absorbing type glass material is employed, the infrared light radiated from the light source 40 is partially cut, so that the thermal load on the fly-eye lens 45 can be reduced.
【0016】この他に、コレクターレンズ44の設計上
問題となることは、光源40の光軸外から発散する光束
の処理である。コレクターレンズ44の焦点距離を短く
してNAを大きくとろうとすると、軸外の光束に対して
平行光束化することは困難になり、レンズ系が複雑にな
らない程度にバランス感覚をもって設計する。コレクタ
ーレンズ44の入射高は光源40の発光部の形状に大き
く左右されるので、光源40の選択すなわちフィラメン
ト形状の選択にも注意する。このようにコレクターレン
ズ44によって光源40の軸上及び軸外から発散された
光束は平行光束化されるが、軸外から発散された光束は
コレクターレンズ44を通過した後も斜め光としてフラ
イアイレンズ45の中心セルに入射する。この光束はフ
ライアイレンズ45によって、次の熱線吸収フィルター
46Aの中央部に設置されるレンズ部46Bのエッジ部
に集光され、2次光源を形成する。このレンズ部46B
は、このような光源40の軸外から発散された光束に対
してフィールドレンズとして働く。Another problem in the design of the collector lens 44 is the processing of a light beam diverging from outside the optical axis of the light source 40. If the focal length of the collector lens 44 is shortened to increase the NA, it becomes difficult to convert the off-axis light beam into a parallel light beam, and the lens system is designed with a sense of balance so as not to complicate the lens system. Since the incident height of the collector lens 44 largely depends on the shape of the light emitting portion of the light source 40, attention should be paid to the selection of the light source 40, that is, the selection of the filament shape. As described above, the luminous flux diverged from the on-axis and off-axis of the light source 40 by the collector lens 44 is converted into a parallel luminous flux, but the luminous flux diverged from the off-axis is converted into oblique light even after passing through the collector lens 44 as a fly-eye lens. It is incident on the central cell at 45. This light beam is condensed by the fly-eye lens 45 at the edge of a lens portion 46B provided at the center of the next heat ray absorption filter 46A, and forms a secondary light source. This lens part 46B
Works as a field lens for such a light beam diverged from the axis of the light source 40.
【0017】コンデンサーレンズ48、49を通過した
後の矩形マスク面50にはその光束が面全域をカバーで
きるような設計が可能である。図1において、フライア
イレンズ45に近い側のコンデンサーレンズ48は、光
の損失を少なくするため、非球面レンズとしており、レ
ンズ枚数を極力少なくしている。このコンデンサーレン
ズ48は2次光源からの光束を平行光束に変換する役割
を持ち、この平行光束をコンデンサー(コリメーター)
レンズ49で投射レンズの入射瞳の位置に投射させるよ
うにしている。このような設計とすると、コレクターレ
ンズ44を通過する光束のような中心部の光学系に関し
ていえば、マスク面50とコンデンサーレンズ48間は
共役となり、フライアイレンズ45の入射高をh、マス
ク面の像高をH、コンデンサーレンズ48の焦点距離を
fcon 、フライアイレンズ45の中心セルの焦点距離を
fint とすると、 H/h≒fcon /fint となり、設計時での当たりが付け易い。The rectangular mask surface 50 after passing through the condenser lenses 48 and 49 can be designed so that the light beam can cover the entire surface. In FIG. 1, the condenser lens 48 on the side close to the fly-eye lens 45 is an aspherical lens to reduce light loss, and the number of lenses is reduced as much as possible. The condenser lens 48 has a role of converting a light beam from the secondary light source into a parallel light beam, and converts the parallel light beam into a condenser (collimator).
The lens 49 projects the light at the position of the entrance pupil of the projection lens. With this design, regarding the central optical system such as a light beam passing through the collector lens 44, the mask surface 50 and the condenser lens 48 are conjugate, the incident height of the fly-eye lens 45 is h, the mask surface is h, Where H is the image height of the lens, f con is the focal length of the condenser lens 48, and f int is the focal length of the center cell of the fly-eye lens 45, and H / h ≒ f con / f int . easy.
【0018】但し、周辺部の放物面鏡42で折り返され
る光束はフライアイレンズ45に面光源40の軸外光束
により斜めkらも入射されるが、フライアイレンズ45
の中心セルを除いた各セルの面形状を書く買う各光軸か
らオフセット又は傾けられた非球面状にすることによ
り、結局、光線は収差の少ない2次光源を形成するの
で、熱線吸収フィルター部46は平面でよい。また熱線
吸収フィルター46Aの直前(投射レンズ側)には開口
絞り47があり、この口径が照明系の開口数を決定す
る。この開口絞りの径Θは、 Θ≒ sinθ・2fcon となるように、コンデンサーレンズ48の焦点位置がマ
スク面50の位置となるようにし、また、この開口径は
コンデンサーレンズ48と光束を投射レンズの入射瞳の
位置に絞り込むためのコンデンサー(コリメーター)レ
ンズ49の組み合わせによる結像性能によっても決まる
が、2次光源の形成される全範囲をカバーすることによ
り、最も有効に光束を使用できる。However, the light beam turned back by the parabolic mirror 42 at the peripheral portion is incident on the fly-eye lens 45 obliquely by the off-axis light beam of the surface light source 40.
By writing the surface shape of each cell except for the central cell, the light beam forms a secondary light source with little aberration by forming an aspherical shape that is offset or inclined from each optical axis. 46 may be a plane. An aperture stop 47 is provided immediately before the heat ray absorption filter 46A (on the side of the projection lens), and the diameter of the aperture stop 47 determines the numerical aperture of the illumination system. The aperture stop diameter Θ is set to Θ ≒ sin θ · 2f con so that the focal position of the condenser lens 48 is at the position of the mask surface 50, and the aperture diameter is such that the condenser lens 48 and the projection lens Although it depends on the imaging performance of the combination of the condenser (collimator) lens 49 for narrowing down to the position of the entrance pupil, the light beam can be used most effectively by covering the entire range in which the secondary light source is formed.
【0019】これら複数の2次光源像から出た光はマス
ク面50上で重量されるので、光源40の輝度ムラや色
ムラはマスク面50上では影響しない。図3にはマスク
面の形状を示す。マスク面52の開口寸法は縦横の対角
線の長さdがほぼ投射レンズの入射側物体像円53の直
径とほぼ同等なるように設計する。この縦横比率は、被
照射面をどのような原稿サイズにするかでも変えること
ができるので、たとえばa:bとする。図2はフライア
イレンズ60の正面図であるが、たとえば、前記のマス
ク面52を前記の理由でa:bとすると、フライアイレ
ンズ60の1セル当たりの比率e:fも同じ比率とする
ことで光利用効率が向上する。Since the light emitted from the plurality of secondary light source images is weighed on the mask surface 50, the unevenness in brightness and color of the light source 40 has no effect on the mask surface 50. FIG. 3 shows the shape of the mask surface. The aperture size of the mask surface 52 is designed such that the length d of the vertical and horizontal diagonal lines is substantially equal to the diameter of the incident side object image circle 53 of the projection lens. Since this aspect ratio can be changed depending on the size of the original to be illuminated, it is set to, for example, a: b. FIG. 2 is a front view of the fly-eye lens 60. For example, if the mask surface 52 is a: b for the above-described reason, the ratio e: f per cell of the fly-eye lens 60 is also the same. This improves light use efficiency.
【0020】[0020]
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明の構成及
び構成条件を満たすことにより、メタルハライドランプ
等よりも安価なハロゲンランプのような面光源性の高い
光源部を利用可能とし、光源後方に光源の硝子管径程度
の口径を持つ凹面球面鏡と、その周りを囲むように配置
されるリング状の放物面鏡を備え、反対側の光源前方に
は、口径がその光源の硝子管径程度のコレクター(集
光)レンズを備える照明装置であり、凹面球面鏡で反射
される光源より後方に向かった光束と光源から直接前方
に向かう光束は、光源前方のコレクターレンズにより平
行光化され、後方に向かった凹面球面鏡では捕え切れな
い高い角度の光束は凹面球面鏡の周りのリング状の放物
面鏡によりダイレクトに平行光化され、この光束は前方
のコレクターレンズが、光源の硝子管径程度しか口径を
持たないことから、ほとんど欠られることがない。また
本発明においては、周辺セルが非球面であるフライアイ
インテグレーターとの併用により、熱線吸収フィルター
上に多数の2次光源を形成し、また、熱線吸収フィルタ
ーの中心部をレンズ状にしてハロゲンランプの面光源
(フィラメントの周辺部)から発散する光束を集光でき
る。As described above, by satisfying the constitution and constitutional conditions of the present invention, a light source unit having a high surface light source such as a halogen lamp which is less expensive than a metal halide lamp or the like can be used, and the rear of the light source can be used. A concave spherical mirror having a diameter about the diameter of the glass tube of the light source, and a ring-shaped parabolic mirror arranged so as to surround it, and the diameter of the glass tube of the light source in front of the light source on the opposite side This is a lighting device equipped with a collector (condensing) lens of a degree, and a light beam directed backward from the light source reflected by the concave spherical mirror and a light beam directed directly forward from the light source are collimated by the collector lens in front of the light source, and are rearranged. The high-angle light beam that cannot be captured by the concave spherical mirror heading toward the mirror is directly collimated by the ring-shaped parabolic mirror around the concave spherical mirror, and this light beam is collected by the front collector lens. , Since only the glass tube diameter of approximately sources without a bore, it never is most deficient. Also, in the present invention, a number of secondary light sources are formed on a heat ray absorbing filter by using together with a fly-eye integrator whose peripheral cell is an aspherical surface. The light flux diverging from the surface light source (the periphery of the filament) can be collected.
【0021】このような構成とすることにより、面光源
性の高い安価なハロゲンランプを利用しても光利用効率
が高く、被照射面において照度ムラの少ない、小型化可
能な照明系が実現可能である。さらに、光源の面方向及
び角度方向の輝度ムラの影響を受けにくく、被照射面に
おいて照度ムラの少ない小型照明系が実現できる。ま
た、将来的に1インチ以下の液晶パネルが多く出現し、
採用していく場合には本発明のマスク面に液晶パネルを
配置することで均一で高画質の液晶プロジェクターが実
現できる。With such a configuration, even if an inexpensive halogen lamp having a high surface light source property is used, the light use efficiency is high, and a small illumination system with less illuminance unevenness on the surface to be irradiated can be realized. It is. Further, it is possible to realize a small-sized illumination system which is hardly affected by luminance unevenness in the surface direction and the angle direction of the light source and has less illuminance unevenness on the irradiated surface. In the future, many LCD panels of 1 inch or less will appear,
In the case of adoption, a liquid crystal projector of uniform and high image quality can be realized by disposing a liquid crystal panel on the mask surface of the present invention.
【図1】本発明の一実施例に係る照明光学系構成図であ
る。FIG. 1 is a configuration diagram of an illumination optical system according to an embodiment of the present invention.
【図2】マスクスリット面の形状説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a shape of a mask slit surface.
【図3】フライアイレンズの概略構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a fly-eye lens.
【図4】従来の一般的なケーラー照明法に照明光学系構
成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of an illumination optical system in a conventional general Koehler illumination method.
【図5】従来のフライアイインテグレーターを応用した
照明光学系構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of an illumination optical system to which a conventional fly-eye integrator is applied.
【図6】従来のフライアイインテグレーターを応用し、
反射鏡に放物面を採用した照明光学系構成図である。[Fig. 6] Applying a conventional fly-eye integrator,
It is a block diagram of the illumination optical system which adopted the parabolic surface for the reflecting mirror.
10 光源 11 球面反射鏡 12 コレクターレンズ 13 視野絞り 14 開口絞り 21 球面反射鏡 23 視野絞り 24 フライアイレンズ 25 開口絞り 28 投射レンズ 30 光源 31 放物面反射鏡 33 フライアイレンズ 34 コンデンサーレンズ 35 コンデンサーレンズ 36 マスク面 40 光源 41 球面反射鏡 42 放物面反射鏡 44 コレクターレンズ 45 フライアイレンズ 46A 熱線吸収フィルター 46B 中心レンズ部 49 コンデンサー(コリメーター)レンズ 50 マスク面 51 投射レンズ Reference Signs List 10 light source 11 spherical reflector 12 collector lens 13 field stop 14 aperture stop 21 spherical reflector 23 field stop 24 fly-eye lens 25 aperture stop 28 projection lens 30 light source 31 parabolic reflector 33 fly-eye lens 34 condenser lens 35 condenser lens 36 Mask surface 40 Light source 41 Spherical reflector 42 Parabolic reflector 44 Collector lens 45 Fly-eye lens 46A Heat absorption filter 46B Central lens unit 49 Condenser (collimator) lens 50 Mask surface 51 Projection lens
Claims (13)
瞳径、瞳距離、入射側有効径に基づいて決定された焦点
距離を有したコレクターレンズ、中心セルのみ球面のフ
ライアイレンズ、熱線吸収フィルター中心部のレンズ部
材、コンデンサーレンズと、上記光源の発光中心部を中
心とする球面鏡と、該球面鏡の周辺部にリング状に設置
された放物面鏡とを有することを特徴とする照明装置。1. A light source for emitting light, a collector lens having a focal length determined based on an entrance pupil diameter, a pupil distance, and an effective diameter on the entrance side of a projection lens, a fly-eye lens having a spherical center cell only, and a heat ray A lighting device comprising: a lens member at the center of an absorption filter, a condenser lens, a spherical mirror centered on a light emitting center of the light source, and a parabolic mirror installed in a ring shape around the spherical mirror. apparatus.
部)の管径とほぼ同じとなることを特徴とする請求項1
記載の照明装置。2. The apparatus according to claim 1, wherein the diameter of the spherical mirror is substantially the same as the diameter of the light source section (outer wall glass section).
The lighting device according to the above.
る径)は光源部(外壁硝子部)の管径とほぼ同じとなる
ことを特徴とする請求項1、又は請求項2記載の照明装
置。3. The illumination according to claim 1, wherein the inner diameter of the parabolic mirror (the diameter that replaces the spherical mirror) is substantially the same as the tube diameter of the light source section (outer wall glass section). apparatus.
(外壁硝子部)の管径とほぼ同じとなることを特徴とす
る請求項1〜3のうちに1項に記載の照明装置。4. The illuminating device according to claim 1, wherein the diameter of the collector lens is substantially the same as the diameter of the tube of the light source section (outer wall glass section).
の硝材とした請求項1〜4のうちに1項に記載の照明装
置。5. The lighting device according to claim 1, wherein the collector lens is made of a heat ray absorbing type glass material.
熱性の硝材とした請求項1〜4のうちに1項に記載の照
明装置。6. The illumination device according to claim 1, wherein the collector lens is made of a glass material having a high refractive index and a high heat resistance.
ンズの間に熱線吸収フィルターを配置して、その中心部
のみがレンズ効果をもった請求項1〜6のうちに1項に
記載の照明装置。7. The illuminating device according to claim 1, wherein a heat ray absorbing filter is disposed between the fly-eye lens and the condenser lens, and only a central portion has a lens effect.
ンズ作用をもった部材が、フライアイレンズの中心セル
と同等の形状をもつ請求項1〜7のうちに1項に記載の
照明装置。8. The illuminating device according to claim 1, wherein the member having only a central portion of the collector lens having a lens function has a shape equivalent to a central cell of a fly-eye lens.
ズ部材が照明系の2次光源となるような請求項1〜8の
うちに1項に記載の照明装置。9. The lighting device according to claim 1, wherein the heat ray absorbing filter and the central lens member serve as a secondary light source of an illumination system.
ンズと投射レンズのピント面(マスク面)よりも光源側
に直前に配置される平凸レンズ(非球面形状含む)の2
枚構成とする請求項1〜9のうちに1項に記載の照明装
置。10. A condenser lens portion comprising a plano-convex lens (including an aspherical shape) disposed immediately before the aspherical lens and the light source side with respect to the focus surface (mask surface) of the projection lens.
The lighting device according to claim 1, wherein the lighting device has a single-plate configuration.
ンズ1枚によって構成した請求項1〜9のうちに1項に
記載の照明装置。11. The lighting device according to claim 1, wherein the condenser lens section is constituted by one aspherical lens.
はバリフォーカルレンズとした請求項1〜11のうちに
1項に記載の照明装置。12. The lighting device according to claim 1, wherein the projection lens unit is a zoom lens or a varifocal lens.
面)の位置に液晶パネルを配置して液晶プロジェクショ
ンテレビまたは液晶プロジェクター用の請求項1〜12
のうちに1項に記載の照明装置。13. A liquid crystal projection television or a liquid crystal projector, wherein a liquid crystal panel is arranged at a position of a focus surface (mask surface) of the projection lens.
The lighting device according to claim 1.
Priority Applications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002214697A (en) * | 2001-01-12 | 2002-07-31 | Canon Inc | Projection type display |
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CN111856850A (en) * | 2020-08-04 | 2020-10-30 | 广东烨嘉光电科技股份有限公司 | Multichannel microlens array projection system |
-
1998
- 1998-10-16 JP JP10295375A patent/JP2000122178A/en active Pending
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