專利名稱：照明裝置及具備該裝置的投影機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種照明裝置及具備該裝置的投影機。
背景技術(shù)：
一般來說，投影機具備照明裝置，射出照明光；電光調(diào)制裝置，按照圖像信號對來自照明裝置的照明光進行調(diào)制；投射透鏡，投射并顯示來自電光調(diào)制裝置的調(diào)制光作為投射圖像。
在這種投影機中，由于優(yōu)選所投射顯示的圖像的亮度分布大致均勻，因而作為照明裝置一般使用下述照明裝置，該照明裝置使用能夠以大致均勻的光強度分布對形成圖像的被照明區(qū)域進行照射的所謂積分光學系統(tǒng)。
圖7是從上面看的以往的照明裝置的圖。圖8是沿著光源光軸看的第1透鏡陣列的圖。以往的照明裝置800如圖7所示，具備光源裝置810，具有發(fā)光管820及橢圓面反射器830；平行化透鏡840；第1透鏡陣列850；第2透鏡陣列860；重疊透鏡870。LA是液晶裝置等被照明區(qū)域。
而且，各光學元件以光源光軸810ax(從光源裝置810射出的光束的中心軸)為基準進行配置。也就是說，第1透鏡陣列850、第2透鏡陣列860及重疊透鏡870的配置為，其中心和光源光軸810ax幾乎一致，并且大致垂直于光源光軸810ax。
在這種照明裝置800中，發(fā)光管820具有發(fā)光部(弧光)，該發(fā)光部在光源光軸810ax的方向具有預定長度；該發(fā)光部的中心配置于光源光軸810ax上橢圓面反射器830的2個焦點之中靠近橢圓面反射器830側(cè)的焦點(第1焦點)F1的位置近旁。而且，從發(fā)光部所射出的光由橢圓面反射器830的反射面830R進行反射，其反射光在射向離開橢圓面反射器830側(cè)的焦點(第2焦點)F2的中途，通過平行化透鏡840而成為與光源光軸810ax大致平行的照明光束，入射到第1透鏡陣列850。
第1透鏡陣列850如圖8所示，其結(jié)構(gòu)為，具有矩形形狀輪廓的多個小透鏡852按矩陣狀(此時，為10行×6列)進行配置，用來將來自光源裝置810的大致平行的照明光束，通過多個小透鏡852分割成多個部分光束，上述矩形形狀呈和被照明區(qū)域LA的形狀大致相似的形狀。另外，第2透鏡陣列860也和第1透鏡陣列850相同，其結(jié)構(gòu)為，具有矩形形狀輪廓的多個小透鏡862按矩陣狀進行配置。第2透鏡陣列860的小透鏡862和第1透鏡陣列850的小透鏡852對應配置，從第1透鏡陣列850的小透鏡852所射出的多個部分光束分別聚光到對應的小透鏡862。而且，從第2透鏡陣列860的各小透鏡862所射出的多個部分光束分別通過重疊透鏡870，對液晶裝置等被照明區(qū)域LA進行重疊照明。
可是，在以往的照明裝置800中，因為若從光源裝置810射出的光束平行度不夠，則無法通過在第1透鏡陣列850及第2透鏡陣列860上分別相互對應的小透鏡852、862，所以以前本發(fā)明人公示了提高從光源裝置810射出的光束的平行度的技術(shù)(例如，參見專利文獻1。)。
另一方面，在這種包含積分光學系統(tǒng)的照明裝置中如上所述，還存在使用拋物面反射器的裝置，該拋物面反射器并不是通過橢圓面反射器和平行化透鏡的組合使來自發(fā)光管的光平行化，而是在反射來自發(fā)光管的光之時就使其成為平行的光。
圖9是用來說明使用拋物面反射器的照明裝置中的問題點的圖。在使用拋物面反射器880的照明裝置中如圖9所示，拋物面反射器880的由旋轉(zhuǎn)拋物面構(gòu)成的反射面880R，與橢圓面反射器830的由旋轉(zhuǎn)橢圓面構(gòu)成的反射面830R相比，收納角(のみ込み角)θ(圍繞光源光軸810ax的角度)變小，該收納角內(nèi)的從發(fā)光管820按放射狀射出的光都被導向平行化透鏡840。因此，使用拋物面反射器880的照明裝置與使用橢圓面反射器830的照明裝置相比，存在光的利用效率下降這樣的問題。因此，近年來人們積極開發(fā)采用橢圓面反射器的照明裝置。
而在這種使用橢圓面反射器的照明裝置中，因為光強度分布并不一樣，并且有偏向光源光軸側(cè)的趨勢，所以還有下面所示的問題。
圖10是模式表示使用橢圓面反射器的以往照明裝置中的光軌跡的圖。圖11是用來說明第2透鏡陣列上的弧光像的圖。圖11(a)是表示弧光像理想地形成于第2透鏡陣列上時的圖，圖11(b)是表示實際上形成于第2透鏡陣列上的弧光像的圖。在使用橢圓面反射器830的以往照明裝置800中如圖11所示，其照度分布為，光源光軸810ax近旁的照度較高，并且隨著離開光源光軸810ax，照度變低。因此，如圖11所示，形成于第2透鏡陣列860上的弧光像864原本應當如圖11(a)所示收于各小透鏡862內(nèi)，但是卻如圖11(b)所示，偏向光源光軸810ax近旁，引起向小透鏡862周圍的單元漏出的現(xiàn)象。
這樣，未被收于第2透鏡陣列860的各小透鏡862內(nèi)而漏出的部分光不能對被照明區(qū)域進行照明，造成浪費，導致光量損耗。還有，所謂這樣漏出的部分光，相當于不能通過在第1透鏡陣列850及第2透鏡陣列860上分別相互對應的小透鏡852、862的光。
因而，在以往的照明裝置800中，雖然借助于提高從平行化透鏡840射出的照明光束的平行度，可以使其通過在第1透鏡陣列850及第2透鏡陣列860上相互對應的小透鏡852、862，但是實際上光源光軸810ax近旁的中心部分照明光束的一部分，仍然保持不能通過的狀態(tài)。人們期望其得到改善。
因此，本發(fā)明人作為以往的另一種照明裝置，公示了照明裝置900(例如，參見專利文獻2。)，上述以往的另一種照明裝置可以使光源光軸附近由第1透鏡陣列的小透鏡產(chǎn)生的各弧光像相互分離。圖12是用來說明以往的另一種照明裝置900的圖。在以往的另一種照明裝置900中，如圖12所示，增大使來自光源裝置910的照明光束大致平行化的凹透鏡940的旋轉(zhuǎn)雙曲面940A的圓錐常數(shù)K等，將由橢圓面反射器930的反射面930R所反射的反射光之中至少以光源光軸910ax為中心的中心部分側(cè)的光路L1，變更為光路L3，該光路L3與平行于光源光軸910ax的光路L2相比稍微更朝向外側(cè)。
因此，根據(jù)以往的另一種照明裝置900，光源光軸910ax近旁的弧光像與以往照明裝置800的情形相比被更好地分離，其結(jié)果，由橢圓面反射器930的反射面930R所反射的反射光之中至少以光源光軸910ax中心的中心部分側(cè)的光路L1可以通過第1透鏡陣列及第2透鏡陣列(都未圖示。)上的分別相互對應的小透鏡。
專利文獻1特開2000-347293號公報(圖1～圖15)專利文獻2國際公開第02/088842號(圖1～圖5)但是，已判明在以往的另一種照明裝置900中，通過增大凹透鏡940的旋轉(zhuǎn)雙曲面940A的圓錐常數(shù)K等，雖然可以使光源光軸910ax近旁由第1透鏡陣列的小透鏡產(chǎn)生的各弧光像相互分離，但離開光源光軸910ax的周圍部分的各弧光像的分離卻仍然并不充分。
作為使離開光源光軸910ax的周圍部分上的各弧光像充分分離的方法，考慮進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面940A的圓錐常數(shù)K。但是，在進一步增大了旋轉(zhuǎn)雙曲面940A的圓錐常數(shù)K時，凹透鏡940的旋轉(zhuǎn)雙曲面940A中心部分的透鏡光焦度(LENS POWER)的變化率變得過大，使光源光軸910ax近旁的各弧光像產(chǎn)生變形，使得光源光軸910ax近旁的照明光束一部分，不能通過第1透鏡陣列及第2透鏡陣列上的相互對應的小透鏡。其結(jié)果，存在不能減少光量損耗而使照明光束的利用效率下降這樣的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決這種問題而做出的，其目的為提供一種照明裝置及具備該裝置的投影機，該照明裝置可以減少光量損耗并且能夠提高照明光束的利用效率。
本發(fā)明人為了達到上述目的而反復專心努力的結(jié)果為，發(fā)現(xiàn)作為使離開光源光軸的周圍部分的各弧光像充分分離的手段，可以取代使用進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面的圓錐常數(shù)K的方法，而通過使用下述手段，來有效抑制凹透鏡旋轉(zhuǎn)雙曲面的中心部分的透鏡光焦度的變化率變得過大使光源光軸近旁的各弧光像產(chǎn)生變形的狀況，從而使本發(fā)明得到完成，上述手段為在凹透鏡的光入射面和第1透鏡陣列的形成有多個小透鏡的面之間配置預定的凹面。
本發(fā)明的照明裝置，具備光源裝置，具有發(fā)光管及橢圓面反射器，該橢圓面反射器用來反射來自上述發(fā)光管的光并將其作為照明光束射出；凹透鏡，具有用來使來自上述光源裝置的照明光束大致平行化的由旋轉(zhuǎn)雙曲面構(gòu)成的光入射面，；第1透鏡陣列，具有用來將來自上述凹透鏡的照明光束分割成多個部分光束的多個小透鏡；第2透鏡陣列，具有與上述第1透鏡陣列的上述多個小透鏡相對應的多個小透鏡，用于使被上述第1透鏡陣列分割的各部分光束重疊到被照明區(qū)域上。其特征在于，在上述凹透鏡的光入射面和上述第1透鏡陣列的形成有上述多個小透鏡的面之間存在下述凹面，該凹面和上述凹透鏡的光入射面一起具有下述功能，也就是使通過上述凹透鏡的光入射面后的照明光束，沿著與平行于上述光源裝置光軸的光路相比更向外方的光路行進，并且通過上述第1透鏡陣列及上述第2透鏡陣列上的相互對應的小透鏡。
因此，根據(jù)本發(fā)明的照明裝置，由于作為使離開光源光軸的周圍部分的各弧光像充分分離的方法，取代使用進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面的圓錐常數(shù)K的方法，而使凹透鏡的光入射面和第1透鏡陣列的形成有多個小透鏡的面之間存在預定的凹面，因而能夠使離開光源光軸的周圍部分的各弧光像充分分離。其結(jié)果為，由于即便不進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面的圓錐常數(shù)K也可以，因而沒有旋轉(zhuǎn)雙曲面中心部分透鏡光焦度的變化率變得過大使光源光軸近旁的各弧光像產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。據(jù)此，對于光源光軸近旁的照明光束，也可以將由第1透鏡陣列的小透鏡產(chǎn)生的弧光像良好地形成到各自對應的第2透鏡陣列的各小透鏡內(nèi)。
也就是說，在本發(fā)明的照明裝置中，由于使下述功能分擔到凹透鏡的旋轉(zhuǎn)雙曲面和凹透鏡的光入射面及第1透鏡陣列的形成有多個小透鏡的面之間所配置的預定凹面上，上述功能為使離開光源光軸的周圍部分上的各弧光像充分分離，因而不用進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面的圓錐常數(shù)K，就能夠使離開光源光軸的周圍部分上的各弧光像充分分離，達到本發(fā)明的目的。
因此，本發(fā)明的照明裝置可以減少光量損耗，并且能夠提高照明光束的利用效率。
在本發(fā)明的照明裝置中，優(yōu)選的是，上述凹面是球面。由于按上述方法來構(gòu)成，因而可以采用較為簡易的方法來達到本發(fā)明的目的。
另外，在本發(fā)明的照明裝置中，優(yōu)選的是，上述凹面形成于上述凹透鏡的光射出面。由于按上述方法構(gòu)成，因而不用添加新的光學元件，就能夠達到本發(fā)明的目的。
在本發(fā)明的照明裝置中，優(yōu)選的是，第1透鏡陣列的上述多個小透鏡形成于上述第1透鏡陣列的光射出面，上述凹面形成于上述第1透鏡陣列的光入射面。由于按上述方法來構(gòu)成，因而不用添加新的光學元件，也能夠達到本發(fā)明的目的。
在本發(fā)明的照明裝置中，優(yōu)選的是，在上述凹透鏡和上述第1透鏡陣列之間配置第2凹透鏡，上述凹面形成于上述第2凹透鏡的光入射面及光射出面之中的至少一個面上。由于按上述方法來構(gòu)成，因而只是在以往的照明裝置結(jié)構(gòu)中添加1片上述的那種第2凹透鏡，就能夠達到本發(fā)明的目的。
本發(fā)明的投影機其特征在于，具備本發(fā)明的照明裝置；電光調(diào)制裝置，用來按照圖像信息對來自上述照明裝置的照明光束進行調(diào)制；投射光學系統(tǒng)，用來投射來自上述電光調(diào)制裝置的調(diào)制光。
因此，根據(jù)本發(fā)明的投影機，由于具備可以減少光量損耗并且能夠提高照明光束的利用效率的優(yōu)質(zhì)的照明裝置，因而成為高亮度的投影機。


圖1是從上面看的實施方式1的投影機光學系統(tǒng)圖。
圖2是用來說明實施方式1的照明裝置的圖。
圖3是用來說明比較示例1的照明裝置的圖。
圖4是用來說明比較示例2的照明裝置的圖。
圖5是用來說明實施方式2的照明裝置的圖。
圖6是用來說明實施方式3的照明裝置的圖。
圖7是從上面看的以往的照明裝置的圖。
圖8是沿著光源光軸看的第1透鏡陣列的附圖。
圖9是用來說明使用拋物面反射器的照明裝置中的問題點的圖。
圖10是模式表示使用橢圓面反射器的以往照明裝置中的光線軌跡的圖。
圖11是用來說明第2透鏡陣列上的弧光像的圖。
圖12是用來說明以往的另一種照明裝置的圖。
具體實施例方式
下面，對于本發(fā)明的照明裝置及具備該裝置的投影機，根據(jù)附圖所示的實施方式進行說明。
實施方式1首先，對于實施方式1的投影機1A，采用圖1進行說明。
圖1是從上面看的實施方式1的投影機光學系統(tǒng)的圖。還有，在下面的說明中，將相互正交的3個方向分別設為z方向(和光源光軸110ax平行的方向)、x方向(與z方向垂直且平行于圖紙的方向)及y方向(垂直于圖紙的方向)。
實施方式1的投影機1A如圖1所示，具備照明裝置100A、色分離光學系統(tǒng)200、中繼光學系統(tǒng)300、作為電光調(diào)制裝置的3個液晶裝置400R、400G、400B，和十字分色棱鏡500及投射光學系統(tǒng)600。各光學系統(tǒng)的構(gòu)成要素以十字分色棱鏡500為中心大致按水平方向進行配置。
照明裝置100A具有光源裝置110、平行化透鏡140A、第1透鏡陣列150、第2透鏡陣列160、偏振轉(zhuǎn)換元件170及重疊透鏡180。從光源裝置110所射出的照明光束通過凹透鏡140A的光入射面得以大致平行化，并由第1透鏡陣列150分割成多個部分光束，各部分光束通過第2透鏡陣列160及重疊透鏡180，在作為照明對象的3個液晶裝置400R、400G、400B的圖像形成區(qū)域進行重疊。
還有，有關(guān)照明裝置100A的詳細情況，將在后面進行說明。
色分離光學系統(tǒng)200具有將從照明裝置100A所射出的照明光束分離成分別不同的波長范圍的3色的照明光束的功能。第1分色鏡210反射大致藍色的光束(下面，稱為「B光」。)，并且使大致綠色的光束(下面，稱為「G光」。)及大致紅色的光束(下面，稱為「R光」。)透射。由第1分色鏡210所反射的B光再由反射鏡230進行反射，并透射場透鏡240B對B光用的液晶裝置400B進行照明。
場透鏡240B進行聚光，以使來自照明裝置100A的多個部分光束分別對B光用的液晶裝置400B進行照明。通常情況下，其設定為，各部分光束分別成為大致平行的光束。配置于其他液晶裝置400G、400B之前的場透鏡240G、350其結(jié)構(gòu)也和場透鏡240B相同。
透射第1分色鏡210后的G光和R光之中的G光由第2分色鏡220進行反射，并透射場透鏡240G對G光用的液晶裝置400G進行照明。另一方面，R光透射第2分色鏡220，并通過中繼光學系統(tǒng)300對R光用的液晶裝置400R進行照明。
中繼光學系統(tǒng)300具有入射側(cè)透鏡310、入射側(cè)反射鏡320、中繼透鏡330、射出側(cè)反射鏡340及場透鏡350。從色分離光學系統(tǒng)200所射出的R光通過入射側(cè)透鏡310在中繼透鏡330的近旁進行收斂，并朝向射出側(cè)反射鏡340及場透鏡350進行發(fā)散。向場透鏡350入射的光束大小其設定為，與向入射側(cè)透鏡310入射的光束大小大致相等。
各色光用的液晶裝置400R、400G、400B將入射到各個光入射面上的色光轉(zhuǎn)換成與各自對應的圖像信號相應的光，并且這些轉(zhuǎn)換后的光作為透射光射出。在液晶裝置400R、400G、400B的入射側(cè)分別配置入射側(cè)偏振板918R、918G、918B，并且在射出側(cè)分別配置射出側(cè)偏振板920R、920G、920B。作為液晶裝置400R、400G、400B，可以使用透射型的液晶裝置。
十字分色棱鏡500具有作為色合成光學系統(tǒng)的功能，該色合成光學系統(tǒng)用來對從各色光用的液晶裝置400R、400G、400B射出的各色光的轉(zhuǎn)換光進行合成。而且，具有R光反射分色面510R，用來反射R光；B光反射分色面510B，用來反射B光。R光反射分色面510R和B光反射分色面510B是通過將用來反射R光的多層介質(zhì)膜和用來反射B光的多層介質(zhì)膜在4個直角棱鏡的界面上形成為大致X字狀來設置的。利用它們兩個反射分色面510R、510B來合成3色的轉(zhuǎn)換光，并生成用來顯示彩色圖像的光。在十字分色棱鏡500上所生成的合成光朝向投射光學系統(tǒng)600射出。
投射光學系統(tǒng)600的構(gòu)成為，將來自十字分色棱鏡500的合成光作為顯示圖像投射到屏幕等投射面上。
下面，對于實施方式1的照明裝置100A，采用圖2進行詳細說明。圖2是用來說明實施方式1的照明裝置的圖。圖2(a)是表示從上面看的照明裝置的一部分的圖，圖2(b)表示的是第2透鏡陣列上的弧光像。
實施方式1的照明裝置100A如圖1及圖2(a)所示，具有光源裝置110、凹透鏡140A、第1透鏡陣列150、第2透鏡陣列160、偏振轉(zhuǎn)換元件170及重疊透鏡180。
光源裝置110具有發(fā)光管120、輔助鏡122及橢圓面反射器130。發(fā)光管120其發(fā)光中心配置于橢圓面反射器130的第1焦點F1的位置近旁。橢圓面反射器130在被照明區(qū)域側(cè)進行開口，并且配置于發(fā)光管120的發(fā)光部后面。而且，其構(gòu)成為，反射來自發(fā)光管120的光向被照明區(qū)域側(cè)射出。輔助鏡122由反射凹面體構(gòu)成，并且其構(gòu)成為，將從發(fā)光部向被照明區(qū)域側(cè)放射的光向橢圓面反射器130反射，使光利用效率得到提高，將上述反射凹面體配置為與發(fā)光管120的發(fā)光部相比更靠近被照明區(qū)域側(cè)。
凹透鏡140A具有和光源光軸110ax平行的透鏡光軸，并且配置于光源裝置110的被照明區(qū)域側(cè)。在凹透鏡140A的光入射面上，形成有用來使來自光源裝置110的照明光束大致平行化的旋轉(zhuǎn)雙曲面140AS1，并且在光射出面上形成有由球面構(gòu)成的凹面140AS2。凹面140AS2和旋轉(zhuǎn)雙曲面140AS1一起具有下述功能，也就是使通過旋轉(zhuǎn)雙曲面140AS1后的照明光束沿著與平行于光源光軸110ax(光源裝置110的光軸)的光路相比更朝向外方的光路行進，并且通過在第1透鏡陣列150及第2透鏡陣列160上分別相互對應的小透鏡152、162。
第1透鏡陣列150具有按矩陣狀所排列的多個小透鏡152，其構(gòu)成為，將來自光源裝置110的照明光束分割成多個部分光束。各小透鏡152形成為，沿著z方向看到時的其外觀形狀成為和被照明區(qū)域的形狀大致相似的形狀。
第2透鏡陣列160具有多個小透鏡162，該多個小透鏡分別對應于第1透鏡陣列150上的多個小透鏡152。各小透鏡162和第1透鏡陣列150的各小透鏡152相同，按矩陣狀來排列，其構(gòu)成為，和重疊透鏡180一起，將由第1透鏡陣列150的多個小透鏡152產(chǎn)生的弧光像重疊照明到被照明區(qū)域上。
偏振轉(zhuǎn)換元件170具有將非偏振光調(diào)整為下述偏振光的功能，該偏振光具有可在3個液晶裝置400R、400G、400B上利用的偏振方向。另外，在偏振轉(zhuǎn)換元件170的光入射面上，配置有遮光板(未圖示)，用來遮擋來自第2透鏡陣列160等的不希望有的光。
重疊透鏡180由聚光透鏡構(gòu)成，并且配置于偏振轉(zhuǎn)換元件140的被照明區(qū)域側(cè)。而且，其構(gòu)成為，對從偏振轉(zhuǎn)換元件140所射出的照明光束進行聚光，并和第2透鏡陣列160一起使之重疊到液晶裝置400R、400G、400B的圖像形成區(qū)域上。
而在實施方式1的照明裝置100A中，在凹透鏡140A的光入射面和第1透鏡陣列150上形成有多個小透鏡152的面之間如上所述，形成有凹面140AS2作為凹透鏡140A的光射出面。
因此，根據(jù)實施方式1的照明裝置100A，由于作為使離開光源光軸110ax的周圍部分上的各弧光像充分分離的方法，取代使用進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面140AS1的圓錐常數(shù)K的方法，而使凹透鏡140A的光入射面和第1透鏡陣列150上形成有多個小透鏡152的面之間，存在預定的凹面140AS2，因而能夠使離開光源光軸110ax的周圍部分上的各弧光像充分分離。其結(jié)果為，由于即便不進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面140AS1的圓錐常數(shù)K也可以，因而沒有由于旋轉(zhuǎn)雙曲面140AS1中心部分透鏡光焦度的變化率變得過大使光源光軸110ax近旁的各弧光像產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。據(jù)此，對于光源光軸110ax近旁的照明光束，也可以將由第1透鏡陣列150的小透鏡152產(chǎn)生的弧光像良好形成到各自對應的第2透鏡陣列160的各小透鏡162內(nèi)。
也就是說，在實施方式1的照明裝置100A中，由于使下述功能分擔到凹透鏡140A的旋轉(zhuǎn)雙曲面140AS1和凹透鏡140A的光入射面及第1透鏡陣列150上形成有多個小透鏡152的面之間所配置的預定凹面140AS2上，上述功能為使離開光源光軸110ax的周圍部分上的各弧光像充分分離的功能，因而不用進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面140AS1的圓錐常數(shù)K，就能夠使離開光源光軸110ax的周圍部分上的各弧光像充分分離，從而可以達到本發(fā)明的目的。
因此，實施方式1的照明裝置100A可以減少光量損耗，并且能夠提高照明光束的利用效率。
在實施方式1的照明裝置100A中，凹面140AS2是球面。因此，可以采用較為簡易的方法來達到本發(fā)明的目的。
在實施方式1的照明裝置100A中，凹面140AS2形成于上述凹透鏡140A的光射出面上。因此，不用添加新的光學元件，就能夠達到本發(fā)明的目的。
這里，通過對實施方式1的比較示例的照明裝置進行說明，來進一步詳細說明實施方式1的照明裝置100A的效果。圖3是用來說明比較示例1的照明裝置的圖。圖3(a)是從上面看的照明裝置的一部分的附圖，圖3(b)表示的是第2透鏡陣列上的弧光像。圖4是用來說明比較示例2的照明裝置的圖。圖4(a)是從上面看的照明裝置的一部分的附圖，圖4(b)表示的是第2透鏡陣列上的弧光像。
比較示例1的照明裝置1100A如圖3(a)所示，和以往照明裝置800(參見圖7。)的情形相同，具有凹透鏡1140A，該凹透鏡其光入射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面1140AS1，其光射出面為平面1140AS2。根據(jù)比較示例1的照明裝置1100A得知，如圖3(b)所示，雖然形成于第2透鏡陣列160上的弧光像原本應當收于各小透鏡162內(nèi)，但是卻偏向光源光軸110ax近旁，并向小透鏡162周圍的單元漏出。
比較示例2的照明裝置1100B如圖4(a)所示，和以往照明裝置900(參見圖12。)的情形相同，具有凹透鏡1140B，該凹透鏡其光入射面為增大圓錐常數(shù)K后的旋轉(zhuǎn)雙曲面1140BS1，其光射出面為平面1140BS2。根據(jù)比較示例2的照明裝置1100B得知，如圖4(b)所示，的確光源光軸110ax近旁的弧光像被相互分離。但是，離開光源光軸110ax的周圍部分上各弧光像的分離尚不充分。
這種情況下，作為使離開光源光軸110ax的周圍部分上的各弧光像充分分離的方法，考慮進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面1140BS1的圓錐常數(shù)K。但是，在進一步增大了旋轉(zhuǎn)雙曲面1140BS1的圓錐常數(shù)K時，旋轉(zhuǎn)雙曲面1140BS1中心部分上透鏡光焦度的變化率變得過大，使光源光軸110ax近旁的各弧光像產(chǎn)生變形，光源光軸110ax近旁的照明光束的一部分，則不能通過第1透鏡陣列150及第2透鏡陣列160上的相互對應的小透鏡152、162。其結(jié)果為，不能減少光量損耗，使照明光束的利用效率下降。
另外，照射到與偏振轉(zhuǎn)換元件170(未圖示。)的遮光板對應的區(qū)域M2上的比例也較大，照射到與偏振轉(zhuǎn)換元件170的光入射面對應的區(qū)域M1上的比例減少，使光利用效率下降。
與此相比，在實施方式1的照明裝置100A中得知，如圖2(b)所示，光源光軸110ax近旁的弧光像和離開光源光軸110ax的周圍部分上的弧光像都被良好地分離。另外，照射到與偏振轉(zhuǎn)換元件170(參見圖1。)的遮光板對應的區(qū)域M2上的比例也變小，從而使照射到與偏振轉(zhuǎn)換元件170的光入射面對應的區(qū)域M1上的比例減少導致光利用效率下降的現(xiàn)象也不再存在。
因此，實施方式1的照明裝置100A如同由和上述比較示例1或2的照明裝置1100A、1100B之間的比較所明確的那樣，可以減少光量損耗，并且能夠提高照明光束的利用效率。
實施方式1的投影機1A如圖1所示，具備上述的照明裝置100A；液晶裝置400R、400G、400B，用來按照圖像信息對來自照明裝置100A的照明光束進行調(diào)制；投射光學系統(tǒng)600，用來投射來自液晶裝置400R、400G、400B的調(diào)制光。
因此，根據(jù)實施方式1的投影機1A，由于具備可以減少光量損耗并且能夠提高照明光束的利用效率的照明裝置100A，因而成為高亮度的投影機。
下面，說明實施方式1的照明裝置100A中各光學元件的設計方法。
在橢圓面反射器130和凹透鏡140A中，存在能夠使通過凹透鏡140A的光入射面后的照明光束成為理想平行光的最佳組合(按照橢圓面反射器130的形狀、凹透鏡140A的折射率及凹透鏡140A的設置位置等，有多種多樣)。在本說明書中，通過以其組合的狀態(tài)為基準，并在該狀態(tài)基礎上分別增加實施方式1的照明裝置100A和后述實施方式2或3的照明裝置100B、100C中所說明的各種變更，而達到本發(fā)明的目的。
還有，對于用來獲得可得到理想平行光的最佳組合的各光學元件的設計方法，本發(fā)明人在專利文獻1中公示出，通過使凹透鏡上光入射面的形狀滿足下面的公式(1)，能夠得到理想的平行光。
Z-c·r21+1-(1+K)·c2·r2=0---(1)]]>這里，公式(1)中，r、Z是rθZ圓柱坐標系中的坐標值，該rθZ圓柱坐標系以凹透鏡140A的光入射面和光源光軸110ax之間的交點為原點，并且關(guān)于光源光軸110ax軸對稱。還有，r是從原點開始的光軸正交方向的距離，Z是從原點開始的光軸方向的距離。另外，c是近軸曲率半徑。
K是被稱為圓錐常數(shù)的值。在實施方式1的照明裝置100A中，由于凹透鏡140A的光入射面是旋轉(zhuǎn)雙曲面，因而圓錐常數(shù)K的值為K＜-1。
近軸曲率半徑c是考慮橢圓面反射器130的反射面形狀、凹透鏡140A的折射率、凹透鏡140A中心部的厚度以及凹透鏡140A的設置位置來求取的。具體而言，要預先決定好橢圓面反射器130的反射面形狀、凹透鏡140A的折射率、凹透鏡140A中心部的厚度以及凹透鏡140A的設置位置。而且，在對于具有和預先所決定出的橢圓面反射器130的反射面形狀相同的形狀的橢圓面反射器、在預先所決定出的位置上使用折射率及中心部的厚度和凹透鏡140A相同的凹透鏡的情況下，若求出可使得在近軸區(qū)能夠轉(zhuǎn)換出平行光的那種曲率半徑，則它成為近軸曲率半徑c。因而，在決定了可得到理想平行光的凹透鏡的旋轉(zhuǎn)雙曲面形狀時，橢圓面反射器130和凹透鏡140A之間的組合，也就是橢圓面反射器130的反射面形狀、凹透鏡140A的設置位置及近軸曲率半徑c也被決定。
另外，如同實施方式1的照明裝置100A那樣，在凹透鏡140A的光入射面由旋轉(zhuǎn)雙曲面形成的情況下，在將凹透鏡140A的折射率設為n時，使圓錐常數(shù)K為K＝-n2，通過使用在該圓錐常數(shù)K的前提下滿足上述公式(1)的旋轉(zhuǎn)雙曲面，可以得到平行光。
而通過增大旋轉(zhuǎn)雙曲面的圓錐常數(shù)K的值，可以增加旋轉(zhuǎn)雙曲面中心部上的光焦度。也就是說，通過逐漸增大圓錐常數(shù)K的值，就可以將原來平行于光源光軸110ax的照明光束的光路逐漸變更成朝向外側(cè)的光路。因而，通過逐漸增大圓錐常數(shù)K的值，就可以使第2透鏡陣列上偏向光源光軸側(cè)的弧光像，逐漸向放射狀的方向分離。
這種情況下，由于如果還要通過增大圓錐常數(shù)K的值使離開光源光軸的周圍部分上的各弧光像充分分離，則旋轉(zhuǎn)雙曲面中心部上透鏡光焦度的變化率變得過大，會使光源光軸近旁的各弧光像產(chǎn)生變形，所以不只是調(diào)整旋轉(zhuǎn)雙曲面的圓錐常數(shù)K的值，還需要調(diào)整凹面的曲率半徑R的值。
因此，在實施方式1的照明裝置100A中執(zhí)行下述模擬，該模擬為將凹透鏡140A的旋轉(zhuǎn)雙曲面140AS1的圓錐常數(shù)K的值設為初始值，并逐漸增大該圓錐常數(shù)K，另一方面對于凹面140AS2的曲率半徑R，將R＝∞設為初始值，并逐漸減小該曲率半徑R。而且，將偏向光源光軸110ax側(cè)的弧光像收于原本應將其收入的小透鏡162內(nèi)時的圓錐常數(shù)K及曲率半徑R，決定為最佳的圓錐常數(shù)KP及曲率半徑RP，該最佳的圓錐常數(shù)KP及曲率半徑RP用來決定凹透鏡140A的旋轉(zhuǎn)雙曲面140AS1及凹面140AS2。
實施方式1的照明裝置100A中凹透鏡140A的形狀決定為下述形狀，該形狀為在其光入射面上和其光射出面上分別具有旋轉(zhuǎn)雙曲面140AS1和凹面140AS2，該旋轉(zhuǎn)雙曲面140AS1在這樣所決定出的圓錐常數(shù)KP的前提下滿足上述公式(1)，該凹面140AS2由以曲率半徑R為R＝RP的球面構(gòu)成。還有，其他結(jié)構(gòu)(橢圓面反射器130的反射面形狀和凹透鏡140A的設置位置等)和能夠使通過凹透鏡140A的光入射面后的照明光束成為理想平行光時的結(jié)構(gòu)相同。由此，可以不使通過凹透鏡140A的光入射面后的照明光束沿著與光源光軸100ax平行的光路行進，而令其沿著比平行于光源光軸110ax的光路更向外側(cè)的光路行進。因而，如圖2(b)所示，能將由第1透鏡陣列150的小透鏡152產(chǎn)生的各弧光像收于各自對應的第2透鏡陣列160的各小透鏡162內(nèi)，從而可以減少光量損耗，能夠提高照明光束的利用效率。
實施方式2下面，對于實施方式2的照明裝置100B，采用圖5進行說明。圖5是用來說明實施方式2的照明裝置的圖。在圖5中，對于和圖2(a)相同的構(gòu)件賦予相同的符號，并省略其詳細說明。
實施方式2的照明裝置100B如圖5所示，其特征在于，在第1透鏡陣列150B的光入射面(與形成有多個小透鏡152B的面相反的面)上形成凹面150BS1，該凹面150BS1由球面構(gòu)成并且和形成于凹透鏡140的光入射面的旋轉(zhuǎn)雙曲面140S1一起具有下述功能，該功能為使通過凹透鏡140的光入射面后的照明光束，沿著比平行于光源光軸110ax的光路更朝向外面的光路行進，并且通過第1透鏡陣列150B及第2透鏡陣列160上的分別相互對應的小透鏡152B及162。
因此，根據(jù)實施方式2的照明裝置100A，由于作為使離開光源光軸110ax的周圍部分上的各弧光像充分分離的方法，取代使用進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面140S1的圓錐常數(shù)K的方法，而使凹透鏡140的光入射面和第1透鏡陣列150B上形成有多個小透鏡152B的面之間，存在上述那種凹面150BS1，因而和實施方式1的情形相同，能夠使離開光源光軸110ax的周圍部分上的各弧光像充分分離。其結(jié)果為，由于即便不進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面140S1的圓錐常數(shù)K也可以，因而也沒有旋轉(zhuǎn)雙曲面140S1中心部分透鏡光焦度的變化率變得過大使光源光軸110ax近旁的各弧光像產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。據(jù)此，對于光源光軸110ax近旁的照明光束，也可以將由第1透鏡陣列150B的小透鏡152B產(chǎn)生的弧光像良好地形成到各自對應的第2透鏡陣列160的各小透鏡162內(nèi)。
因此，實施方式2的照明裝置100B可以減少光量損耗，并且能夠提高照明光束的利用效率。
另外，在實施方式2的照明裝置100B中如上所述，第1透鏡陣列150B的多個小透鏡150B形成于第1透鏡陣列150B的光射出面，凹面150BS1形成于第1透鏡陣列150B的光入射面。因此，不用添加新的光學元件，就能夠達到本發(fā)明的目的。
還有，當決定實施方式2的照明裝置100B中凹透鏡140和第1透鏡陣列150B等的光學元件形狀時，對于凹透鏡140的旋轉(zhuǎn)雙曲面140S1的圓錐常數(shù)K及第1透鏡陣列150B的由球面構(gòu)成的凹面150BS1的曲率半徑R，可以采用和上述實施方式1的照明裝置100A中各光學元件的設計方法相同的設計方法來決定。
實施方式3下面，對于實施方式3的照明裝置100C，采用圖6進行說明。圖6是用來說明實施方式3的照明裝置的圖。在圖6中，對于和圖2(a)相同的構(gòu)件賦予相同的符號，并省略其詳細說明。
實施方式3的照明裝置100C如圖6所示，其特征在于，在凹透鏡140和第1透鏡陣列150之間配置具有凹面142S2的第2凹透鏡142，該凹面142S2和形成于凹透鏡140的光入射面的旋轉(zhuǎn)雙曲面140S1一起具有下述功能，也就是使通過凹透鏡140的光入射面后的照明光束，沿著比平行于光源光軸110ax的光路更朝向外方的光路行進，并且通過第1透鏡陣列150及第2透鏡陣列160上的分別相互對應的小透鏡152、162。
因此，根據(jù)實施方式3的照明裝置100C，由于作為使離開光源光軸110ax的周圍部分上的各弧光像充分分離的方法，取代使用進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面140S1的圓錐常數(shù)K的方法，而使凹透鏡140的光入射面和第1透鏡陣列150上形成有多個小透鏡152的面之間，存在上述那種凹面142S2，因而能夠使離開光源光軸110ax的周圍部分的各弧光像充分分離。其結(jié)果為，由于即便不進一步增大旋轉(zhuǎn)雙曲面140S1的圓錐常數(shù)K也可以，因而也沒有旋轉(zhuǎn)雙曲面140S1中心部分透鏡光焦度的變化率變得過大使光源光軸110ax近旁的各弧光像產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。據(jù)此，對于光源光軸110ax近旁的照明光束，也可以將由第1透鏡陣列150的小透鏡152產(chǎn)生的弧光像良好形成到各自對應的第2透鏡陣列160的各小透鏡162內(nèi)。
因此，實施方式3的照明裝置100C可以減少光量損耗，并且能夠提高照明光束的利用效率。
另外，在實施方式3的照明裝置100C中如上所述，在凹透鏡140和第1透鏡陣列150之間配置第2凹透鏡142，并且凹面142S2形成于第2凹透鏡142的光射出面。因此，只是在以往照明裝置的結(jié)構(gòu)中添加1片上述那種第2凹透鏡142，就能夠達到本發(fā)明的目的。
還有，在實施方式3的照明裝置100C中，雖然對于在第2凹透鏡142的光射出面上形成凹面142S2的情形進行了說明，但是本發(fā)明不限定于此，也可以在第2凹透鏡的光入射面上形成凹面，還可以在第2凹透鏡的光入射面及光射出面雙方上形成凹面。
另外，當決定實施方式3的照明裝置100C中凹透鏡140和第2凹透鏡142等的光學元件形狀時，對于凹透鏡140的旋轉(zhuǎn)雙曲面140S1的圓錐常數(shù)K及凹透鏡142由球面構(gòu)成的凹面142S2的曲率半徑R，可以采用和上述實施方式1的照明裝置100A中各光學元件的設計方法相同的設計方法來決定。
上面，根據(jù)上述各實施方式，對本發(fā)明的照明裝置及具備該裝置的投影機進行了說明，但是本發(fā)明并不限于上述各實施方式，而可以在不脫離其宗旨的范圍內(nèi)以各種方式實施，例如下述變形也是可以的。
在上述各實施方式中，雖然作為預定的凹面使用了球面，但是本發(fā)明不限定于此，也可以使用各種非球面作為預定的凹面。
在上述實施方式1的投影機1A中，雖然示例出將本發(fā)明的照明裝置應用于透射型的投影機的情形，但是本發(fā)明也能夠應用于反射型的投影機。這里，所謂「透射型」意味著，如同透射型的液晶裝置等那樣作為光調(diào)制裝置的電光調(diào)制裝置將光透射的類型，所謂「反射型」意味著，如同反射型的液晶裝置等那樣作為光調(diào)制裝置的電光調(diào)制裝置將光反射的類型。在對反射型的投影機使用本發(fā)明的照明裝置時，也可以獲得和透射型的投影機幾乎相同的效果。
在上述實施方式1的投影機1A中，雖然以顯示彩色圖像的投影機為例進行了說明，但是本發(fā)明不限定于此，也可以應用于顯示單色圖像的投影機。
在上述實施方式1的投影機1A中，雖然以使用3個液晶裝置400R、400G、400B的投影機為例，進行了說明，但是本發(fā)明不限定于此，而在使用2個或大于等于4個液晶裝置的投影機中，也可以使用。
在上述實施方式1的投影機1A中，雖然作為電光調(diào)制裝置使用了液晶裝置400R、400G、400B，但是本發(fā)明不限于此。作為電光調(diào)制裝置，一般來說，只要是按照圖像信息來調(diào)制入射光的裝置即可，也可以利用微鏡式光調(diào)制裝置等。作為微鏡式光調(diào)制裝置，例如可以使用DMD(數(shù)字微鏡器件)(美國得克薩斯儀器公司的商標)。
此外，不言而喻，本發(fā)明還可以應用于從觀看投射圖像側(cè)進行投射的正面投射型投影機以及從和觀看投射圖像方相反的一側(cè)進行投射的背面投射型投影機。
權(quán)利要求
1.一種照明裝置，具備光源裝置，其具有發(fā)光管及橢圓面反射器，該橢圓面反射器用來反射來自上述發(fā)光管的光并將其作為照明光束射出；凹透鏡，其具有由旋轉(zhuǎn)雙曲面構(gòu)成的光入射面，用來使來自上述光源裝置的照明光束大致平行化；第1透鏡陣列，其具有用來將來自上述凹透鏡的照明光束分割成多個部分光束的多個小透鏡；第2透鏡陣列，其具有與上述第1透鏡陣列的上述多個小透鏡相對應的多個小透鏡，用于使被上述第1透鏡陣列分割的各部分光束重疊到被照明區(qū)域上，其特征在于，在上述凹透鏡的光入射面和上述第1透鏡陣列的形成有上述多個小透鏡的面之間存在有凹面，該凹面和上述凹透鏡的光入射面一起具有下述作用，即，使通過了上述凹透鏡的光入射面的照明光束沿著與平行于上述光源裝置光軸的光路相比，朝向向外方向的光路行進，并且使其通過上述第1透鏡陣列及上述第2透鏡陣列上的分別相互對應的小透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于上述凹面是球面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的照明裝置，其特征在于上述凹面形成于上述凹透鏡的光射出面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的照明裝置，其特征在于上述第1透鏡陣列的上述多個小透鏡形成于上述第1透鏡陣列的光射出面，上述凹面形成于上述第1透鏡陣列的光入射面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的照明裝置，其特征在于在上述凹透鏡和上述第1透鏡陣列之間配置有第2凹透鏡，上述凹面形成于上述第2凹透鏡的光入射面及光射出面之中的至少一個面。
6.一種投影機，其特征在于，具備權(quán)利要求1～5中任一項所述的照明裝置；電光調(diào)制裝置，其用來按照圖像信息對來自上述照明裝置的照明光束進行調(diào)制；投射光學系統(tǒng)，其用來投射來自上述電光調(diào)制裝置的調(diào)制光。
全文摘要
本發(fā)明的照明裝置，具備光源裝置，具有發(fā)光管及橢圓面反射器；凹透鏡，具有由旋轉(zhuǎn)雙曲面構(gòu)成的光入射面，用來使來自光源裝置的照明光束大致平行化；第1透鏡陣列；第2透鏡陣列；其特征在于，在凹透鏡的光入射面和第1透鏡陣列的形成有上述多個小透鏡的面之間存在凹面，該凹面和凹透鏡的光入射面一起具有下述功能，也就是使通過凹透鏡的光入射面后的照明光束沿著與平行于光源裝置光軸的光路相比更朝向外面的光路行進，并且通過第1透鏡陣列及第2透鏡陣列上的相互對應的小透鏡。因此，可以減少光量損耗，并且能夠提高照明光束的利用效率。
文檔編號G03B21/20GK1826558SQ20048002116
公開日2006年8月30日 申請日期2004年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月7日
發(fā)明者秋山光一 申請人:精工愛普生株式會社