專利名稱：照明光學系統(tǒng)及投影機裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及照明光學系統(tǒng)及投影機裝置。
背景技術(shù)：
已知有通過向反射型液晶元件(LCOS)、微鏡裝置等的顯示元件照射來自以發(fā)光ニ極管(LED)等為光源的照明光學系統(tǒng)的光，在屏幕等顯示圖像的投影機裝置。例如特開2009-217060號公報記載了由自由曲面透鏡將來自光源的光會聚為矩形形狀，向反射型液 晶元件(LCOS)照射的投影機裝置。

發(fā)明內(nèi)容
傳統(tǒng)技術(shù)中，在光源具有沿預定方向分割為多個區(qū)域的發(fā)光面的場合，存在在被照明部件形成分割圖形的像而發(fā)生照明不均的問題。本發(fā)明的第I方式是照明光學系統(tǒng)，具備近似矩形形狀的光源，其具有由沿預定方向的分割線分割為多個區(qū)域并形成分割圖形的發(fā)光面；被照明部件，其具備矩形形狀的被照射區(qū)域；以及光學部件，其會聚來自發(fā)光面的光井照射被照射區(qū)域，在被照明部件形成光源的發(fā)光面的分割圖形的像所導致的照明不均被降低。根據(jù)本發(fā)明的第2方式，優(yōu)選的是，第I方式的照明光學系統(tǒng)中，被照明部件所具備的被照射區(qū)域的矩形形狀由長邊方向和短邊方向構(gòu)成，光學部件通過在被照射區(qū)域的長邊方向和短邊方向使發(fā)光面的成像位置不同，以來自發(fā)光面的光的照射區(qū)域的輪廓形狀成為近似矩形形狀的方式聚光，并照射被照射區(qū)域，光源配置為使得在被照明部件形成光源的發(fā)光面的分割圖形的像所導致的照明不均被降低。根據(jù)本發(fā)明的第3方式，優(yōu)選的是，第2方式的照明光學系統(tǒng)中，光學部件通過在被照射區(qū)域的長邊方向和短邊方向使發(fā)光面的成像位置不同，以來自發(fā)光面的光的照射區(qū)域的輪廓形狀成為近似矩形形狀的方式聚光，光源配置為使被照射區(qū)域中預定方向和被照射區(qū)域的短邊方向近似平行。根據(jù)本發(fā)明的第4方式，優(yōu)選的是，第3方式的照明光學系統(tǒng)中，光學部件包括聚光透鏡。根據(jù)本發(fā)明的第5方式，優(yōu)選的是，第4方式的照明光學系統(tǒng)中，被照射區(qū)域的輪廓形狀的與短邊方向?qū)姆较虻拈L度比與長邊方向?qū)姆较虻拈L度短。根據(jù)本發(fā)明的第6方式，優(yōu)選的是，第4或第5方式的照明光學系統(tǒng)中，聚光透鏡包括以下透鏡的至少ー個以照射區(qū)域的輪廓形狀成為與被照射區(qū)域的形狀近以相同的方式聚光的自由曲面透鏡、以照射區(qū)域的輪廓形狀成為包含被照射區(qū)域的橢圓形狀的方式聚光的圓柱形透鏡(cylindrical lens),或以照射區(qū)域的輪廓形狀成為包含被照射區(qū)域的橢圓形狀的方式聚光的變形透鏡(anamorphic lens)的至少ー個。根據(jù)本發(fā)明的第7方式，優(yōu)選的是，第4或第5方式的照明光學系統(tǒng)中，光源具有發(fā)光二極管。根據(jù)本發(fā)明的第8方式，優(yōu)選的是，第7方式的照明光學系統(tǒng)中，光源具有的發(fā)光ニ極管包含白色發(fā)光二極管、紅色發(fā)光二極管、綠色發(fā)光二極管或藍色發(fā)光二極管的至少
ー個。 根據(jù)本發(fā)明的第9方式，優(yōu)選的是，第4或第5方式的照明光學系統(tǒng)中，還具備偏振變換元件，其在聚光透鏡和被照明部件之間配置，使向被照明部件照射的光的偏振方向一致，在聚光透鏡和被照明部件之間配置的光學部件的光學面的至少一面具有正的折射能力。根據(jù)本發(fā)明的第10方式，投影機裝置具備第I至第3的任一方式的照明光學系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的第11方式，優(yōu)選的是，第10方式的投影機裝置中，被照明部件包括反射型液晶元件或微鏡裝置。根據(jù)本發(fā)明，可以防止在被照明部件形成發(fā)光面的分割圖形的像所導致的照明不均。


圖I是從x-y平面觀察第I實施方式的投影機裝置的照明光學系統(tǒng)的截面圖。圖2是第I實施方式的偏振變換元件的構(gòu)成的截面圖。圖3是偏振分離元件的側(cè)面圖，圖3A是在y-z平面上從光源側(cè)俯視的情況，圖3B是在y-z平面上從偏振光束分離器側(cè)俯視的情況。圖4是第I聚光透鏡的構(gòu)成的立體圖。圖5是發(fā)光部的x-z平面中的截面圖。圖6是光源及顯示元件的平面圖，圖6A是從照明光出射側(cè)(偏振光束分離器側(cè))觀察光源的圖，圖6B是從顯示面?zhèn)?偏振光束分離器側(cè))觀察顯示元件的圖。圖7是光源的照明光的光路在x_y平面中的截面圖。圖8是光源的照明光的光路在x-z平面中的截面圖。圖9是從x-y平面觀察第2實施方式的投影機裝置的照明光學系統(tǒng)的截面圖。圖10是從x-y平面觀察第3實施方式的投影機裝置的照明光學系統(tǒng)的截面圖。
具體實施例方式第I實施方式以下，參照

本發(fā)明的一個實施方式。以下的說明采用的各圖面，為了方便說明，在各圖面圖示了表示共同的X軸、y軸及Z軸的箭頭。圖I是從x-y平面觀察第I實施方式的投影機裝置的照明光學系統(tǒng)的截面圖。該投影機裝置I具備光源10、照明光學系統(tǒng)20、顯示元件40及投影光學系統(tǒng)50。光源10由高輝度LED等構(gòu)成，放射照明光。照明光學系統(tǒng)20使從光源10出射的照明光照射例如LCOS(在硅基板上形成有液晶的反射型液晶顯示面板)等的反射型顯示元件即顯示元件40。投影光學系統(tǒng)50將由顯示元件40反射的光的像作為實像在拍攝面(屏幕等)放大投影。照明光學系統(tǒng)20由聚光透鏡群21、光圈24、偏振變換兀件25及偏振光束分離器30構(gòu)成。這些各部從光源10側(cè)到光軸Axl按照上述的順序配置。另外，聚光透鏡群21包括第I聚光透鏡22及第2聚光透鏡23，偏振變換元件25包括偏振分離元件26及半波長板27。偏振光束分離器30具有使P偏振分量的光幾乎全部透過，使S偏振分量的光幾乎全部反射的偏振分尚面30a。投影光學系統(tǒng)50由偏振光束分離器30、偏振片51及投影透鏡群52構(gòu)成。這些 各部從顯示元件40側(cè)到光軸Ax2按照上述的順序配置。投影光學系統(tǒng)50和照明光學系統(tǒng)20共用偏振光束分離器30。投影透鏡群52由至少I枚的透鏡構(gòu)成。光源10由發(fā)光部IOa和蓋IOb構(gòu)成。發(fā)光部IOa放射照明光，蓋IOb覆蓋保護發(fā)光部10a。本實施方式的發(fā)光部IOa是在發(fā)光面形成預定的圖形形狀的LED芯片。該LED芯片是放射白色光的所謂白色發(fā)光二極管。蓋IOb由使發(fā)光部IOa放射的照明光透過的透明部件(例如樹脂等)構(gòu)成。顯示元件40配置在偏振光束分離器30的多個外周面中，由來自光源10的照明光中由偏振分離面30a反射的光照射的面。這樣的構(gòu)成的投影機裝置I中，從光源10的發(fā)光部IOa放射的照明光由聚光透鏡群21會聚為近似平行光束后，通過光圈24的開ロ部入射偏振變換元件25。入射偏振變換兀件25的光幾乎都變換為由S偏振分量構(gòu)成的光,入射偏振光束分離器30。變換為該S偏振分量的光由偏振光束分離器30的偏振分離面30a反射，照射顯示元件40的顯示面。本實施方式的顯示元件40是在硅基板和玻璃基板之間介有液晶的液晶面板(LCOS)，在硅基板上，TFT等的開關元件和/或電極與像素的各子像素對應設置。在硅基板的最表面形成反射光的鋁層。顯示元件40可以電氣地驅(qū)動在形成了透明電極的玻璃基板之間介入的液晶層，顯示影像。顯示元件40根據(jù)從未圖示的驅(qū)動電路輸入的影像信號的電平，控制對在顯示元件40的各像素設置的電極施加電壓。若根據(jù)影像信號的電平，顯示元件40向各電極施加電壓，則液晶層的液晶分子的排列變化，該液晶層起到相位板的作用。結(jié)果，與電壓施加狀態(tài)相應的影像圖形形成于顯示元件40，進行空間光調(diào)制。從顯示元件40的玻璃基板側(cè)入射的S偏振分量的光由硅基板側(cè)的反射面(鋁層)反射后再次從玻璃基板出射。其間，入射白像素部的S偏振分量的光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90° ,調(diào)制(偏振變換)為P偏振分量的光。另ー方面，入射黑像素部的S偏振分量的光的偏振狀態(tài)不變化，保持S偏振分量出射。另外，顯示元件40通過采用具備彩色濾波器的彩色顯示的LC0S，可以進行彩色圖像的顯示。由顯示元件40反射的光再次入射偏振光束分離器30。這里，透過顯示元件40的黑像素部的S偏振分量的光幾乎由偏振分離面30a反射，返回光源10側(cè)。另一方面，由顯示元件40的白像素部調(diào)制后出射的P偏振分量的光透過偏振分離面30a后，透過偏振片51，通過投影透鏡群52在未圖示的屏幕投影。結(jié)果，在顯示元件40顯示的圖像的放大圖像在屏幕上投影。另外，在偏振光束分離器30的出射面?zhèn)仍O置的偏振片51用于除去未由偏振光束分離器30的偏振分離面30a反射而透過的S偏振分量的光(透過黑像素部的光)。通過設置偏振片51，可除去圖像的投影不需要的S偏振分量的光，提高投影圖像的對比度。接著，用圖2、圖3A及圖3B說明上述的投影機裝置I的照明光學系統(tǒng)20中采用的第I實施方式的偏振變換元件25。偏振變換元件25如上述，由偏振分離元件26和半波長板27構(gòu)成。
偏振分尚兀件26由第I棱鏡261、第2棱鏡262、第3棱鏡263、第4棱鏡264及第5棱鏡265構(gòu)成。第I棱鏡261的x-z平面中的截面形成近似直角二等邊三角形狀，具有直角的頂點Pe。第I棱鏡261中，頂點Pe配置在光源10側(cè)的光軸Axl上，形成與頂點Pe相對向的邊的面(第I出射面26c)配置在顯示元件40側(cè)。第2棱鏡262及第3棱鏡263的x-z平面中的截面形成近似梯形狀，與形成夾持第I棱鏡261的頂點Pe的邊的2個面(第I偏振分離面26bl、26b2)分別接合。第4棱鏡264及第5棱鏡265分別接合于與分別形成第2棱鏡262及第3棱鏡263中的上述第I偏振分離面26bl、26b2的面相對向的面(第2偏振分尚面26dl、26d2)。另外，第2棱鏡262及第3棱鏡263的光源10側(cè)的面是包含第I棱鏡261的頂點Pe且與光軸Axl垂直相交的面,構(gòu)成入射面26a。入射面26a與第I出射面26c平行，形成與第I出射面26c近似同一形狀。且，入射面26a配置為從光源10側(cè)觀察時與第I出射面26c大致重疊。第2棱鏡262及第3棱鏡263的顯示元件40側(cè)的面構(gòu)成第2出射面26el、26e2,配置為從將第I出射面26c沿Z軸方向延長的面向光源10側(cè)稍微傾斜。第I偏振分離面26bl、26b2和第2偏振分離面26dl、26d2成為形成第2棱鏡262及第3棱鏡263的梯形截面的平行邊的面。在第I棱鏡261和第2棱鏡262及第3棱鏡263之間(接合面)，及，第2棱鏡262及第3棱鏡263和第4棱鏡264及第5棱鏡265之間(接合面)，分別形成偏振分尚膜。結(jié)果，構(gòu)成上述的第I偏振分尚面26bl、26b2及第2偏振分尚面26dl、26d2。這里偏振分離膜具有使透過光中的P偏振分量的光幾乎都透過，S偏振分量的光幾乎都反射的性質(zhì)。在該偏振分離元件26形成的第2出射面26el、26e2，如圖2所示，在與入射面26a相對向的位置中，以從中心側(cè)向外側(cè)、稍微向光源側(cè)傾斜的方式配置。換言之，第2出射面26el、26e2構(gòu)成為具有正的折射能力。根據(jù)這樣構(gòu)成的偏振分尚兀件26,從入射面26a入射的照明光中P偏振分量的光透過第I偏振分尚面26bl、26b2,從第I出射面26c出射。另一方面,S偏振分量的光由第I偏振分尚面26bl、26b2反射,而且由第2偏振分尚面26dl、26d2反射,從第2出射面26el、26e2出射。此時，如上述，第2出射面26el、26e2構(gòu)成具有正的折射能力。從而，從第2出射面26el、26e2出射的照明光(S偏振分量的光)在y_z平面上俯視的場合,與中心方向(光軸Axl方向)傾斜出射。半波長板27起到使透過光半波長旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)面的功能。半波長板27具有與偏振分離元件26的第I出射面26c近似同一形狀，配置為與第I出射面26c近似平行。因此，從第I出射面26c出射的P偏振分量的光被半波長旋轉(zhuǎn)后，偏振為S偏振分量的光。通過這樣配置半波長板27,從半波長板27出射的光與從第2出射面26el、26e2出射的S偏振分量的光都成為S偏振分量。從而，透過該偏振變換兀件25的照明光幾乎都變換為S偏振分量構(gòu)成的光。另外，光圈24的開ロ部24a形成與偏振分離元件26的入射面26a近似同一形狀，構(gòu)成為限制從光源10出射后由聚光透鏡群21會聚的照明光中入射偏振分離元件26的入射面26a以外的光。因此，不經(jīng)過上述的通路出射的P偏振分量的光被限制，所以可以降低從偏振變換元件25出射的 照明光所包含的P偏振分量的光。其結(jié)果，可以提高在屏幕投影的投影圖像的對比度。從圖I及圖2可知，從偏振變換元件25出射的照明光的光束直徑(z軸方向的照明光的寬度)比入射光的光束直徑寬。本實施方式中，使該第2出射面26el、26e2具有正的折射能力，使得從偏振變換元件25的第2出射面26el、26e2出射的照明光與y_z平面上的俯視的中心方向(光軸Axl方向)傾斜出射。因而，可以使從第2出射面26el、26e2出射后向顯示元件40中的顯示面40a(被照明部件中的被照射區(qū)域，圖像顯示區(qū)域)照射的照明光的照射區(qū)域向中心側(cè)變窄。即，可以減少向顯示面40a的外側(cè)照射的照明光，提高該照明光的利用效率。特別地，第2出射面26el、26e2為了具有正的折射能力，在與入射面26a相對向的側(cè)，設為從中心側(cè)向外側(cè)稍微傾斜的面。因而，由于通過該第2出射面26el、26e2的傾斜可以調(diào)節(jié)照明光照射顯示元件40的區(qū)域，因此容易制作該偏振分離元件26。這樣，本實施方式的投影機裝置I在照明光學系統(tǒng)20設置偏振變換元件25，將從光源10放射的照明光分尚為S偏振分量和P偏振分量的光，使S偏振分量的光直接出射，將P偏振分量的光變換為S偏振分量的光。從而，可以減少透過偏振光束分尚器30的偏振分離面30a后不照射顯示元件40的光，提高照明光的利用效率。從而，即使采用輝度小的光源10也可以投影明亮的圖像，減少光源10消耗的功率。另外，通過提高從光源10放射的光的利用效率，可以抑制該投影機裝置I的發(fā)熱，實現(xiàn)該投影機裝置I的小型化。而且，構(gòu)成偏振變換元件25的偏振分離元件26中，通過使第2出射面26el、26e2具有正的折射能力，可以使照明光照射顯示元件40的顯示面40a，因此可以進ー步提高照明光的利用效率。這里，顯示元件40的顯示面40a設為近似矩形形狀。為了使從光源10放射的照明光高效照射顯示面40a，必須將從光源10圓錐狀放射的照明光的顯示面40a中的截面形狀(輪廓形狀)變換為與顯示元件40的顯示面40a近似同一的輪廓形狀且近似相同的大小。換言之，必須使從通常具有圓形形狀的光源10放射的照明光的輪廓形狀與顯示元件40的顯示面40a的輪廓形狀即近似矩形形狀近似一致。因此，該投影機裝置I中，聚光透鏡群21如下構(gòu)成。如圖4所示，構(gòu)成聚光透鏡群21的第I聚光透鏡22及第2聚光透鏡23中最靠光源10側(cè)的面，即，第I聚光透鏡22的光源10側(cè)的面22a形成為具有因圍繞光軸Axl的旋轉(zhuǎn)角而異的折射能力的自由曲面。即，第I聚光透鏡22構(gòu)成為自由曲面聚光透鏡。通過該自由曲面22a，從光源10放射的照明光的照度變得均一，照明光的輪廓形狀變換為與顯示元件40的顯示面40a的輪廓形狀相似的矩形形狀。通過自由曲面22a的照明光由聚光透鏡群21的其他透鏡面進一步會聚，構(gòu)成為以與顯示元件40的顯示面40a近似同一形狀、近似同一大小的方式進行照射。自由曲面22a如下確定。假定切斷光軸Axl并與發(fā)光部10a、自由曲面22a及顯示元件40的顯示面40a交叉的假想平面。以從發(fā)光部IOa中的與該假想平面交叉的區(qū)域放射的照明光，在自由曲面22a中的與假想平面交叉的區(qū)域會聚，對顯示元件40的顯示面40a中的與假想平面交叉的區(qū)域進行照明的方式，考慮其他透鏡面的放大率，確定自由曲面22a。然后，使該假想平面相對于光軸Axl每隔預定的角度旋轉(zhuǎn)，按各旋轉(zhuǎn)角確定自由曲面22a。若以顯示元件40的顯示面40a的長邊方向為y軸，短邊方向為z軸，光軸Axl方向為X軸，則圍繞該光軸Axl的旋轉(zhuǎn)角0在該顯示面40a的長邊方向(y軸方向)成為0 =0°，在短邊方向(z軸方向)成為0 =90°。例如，在具有在長邊和短邊的比為4 3的顯示面40a的顯示元件40的場合,該顯示面40a的對角方向成為0 = 36.87°。這樣，可以將聚光透鏡群21的至少ー個透鏡面設為自由曲面。即使該場合，從光源10圓錐狀放射的照明光的輪廓形狀也可以變換為與顯示元件40的顯示面40a近似相同的矩形形狀，并且照度均一。其結(jié)果，可以減少從光源10放射的光的損失，利用照明光，因此，即使采用輝度小的光源10，也可以減少光源10消耗的功率。而且，通過減少從光源10放射的光的損失，可以抑制該投影機裝置I的發(fā)熱，實現(xiàn)該投影機裝置I小型化。這樣，通過在聚光透鏡群21設置自由曲面22a，可以在聚光透鏡群21的功能中，由自由曲面22a分擔照明光的輪廓形狀的變形功能和照度的均一化功能，由聚光透鏡群21的其他透鏡面分擔會聚功能。結(jié)果，可以提高自由曲面22a的設計的自由度，并且可以使設計容易進行。另夕卜，通過由聚光透鏡群21將照明光的輪廓形狀設為近似矩形形狀，即使不設置光圈24也可 以使照明光入射偏振變換兀件25 (偏振分尚兀件26)的入射面26a內(nèi)。接著，詳述發(fā)光部IOa的構(gòu)造。圖5是發(fā)光部IOa的x_z平面中的截面圖。本實施方式中的發(fā)光部IOa是層疊了 p型電極11、p型半導體12、發(fā)光層13、n型半導體14及n型電極15的LED芯片。若在p型電極11和n型電極15之間施加電壓,則位于p型半導體12和n型半導體14之間的發(fā)光層13發(fā)光，從p型電極11側(cè)的發(fā)光面照射照明光。p型電極11為了提高光取出效率并使電流密度均一，在p型半導體12的表面直線狀整列排列。因而，在發(fā)光部IOa的發(fā)光面，形成由p型電極11起因的圖形形狀。 圖6A是從照明光出射側(cè)(偏振光束分離器30側(cè))觀察光源10的圖。如圖6A所示，本實施方式的發(fā)光部IOa的發(fā)光面為大致正方形的形狀，由沿y軸方向(圖I中的前后方向、圖6A中的左右方向)的2個分割線16(p型電極11)分割為3個區(qū)域。上述分割為3個的區(qū)域在發(fā)光部IOa中形成分割圖形。圖6B是從顯示面40a側(cè)(偏振光束分離器30側(cè))觀察顯示元件40的圖。本實施方式的顯示面40a形成具有長邊方向LS和短邊方向SS的矩形形狀。長邊和短邊的比率為例如4 3。在發(fā)光部IOa的發(fā)光面形成任何圖形的場合，該圖形若在顯示面40a投影，則與該圖形對應的部分光量不足，在投影面呈現(xiàn)照明不均。本實施方式中，光源10配置為使顯示面40a中分割線16的方向和顯示面40a的短邊方向SS近似平行。這樣，LED芯片的芯片圖形難以在顯示面40a成像。以下，說明芯片圖形難以成像的理由。圖7及圖8是來自光源10的照明光的光路的截面圖。圖7是x-y平面中的截面圖，圖8是x-z平面中的截面圖。圖7及圖8中，為了使說明簡単，省略了偏振光束分離器30具有的偏振分尚面30a,描繪了各部分。如前述，聚光透鏡群21將從正方形的發(fā)光部IOa圓錐狀放射的照明光的輪廓形狀變換為與顯示面40a近似相同的輪廓形狀且近似相同的大小。發(fā)光部IOa的大小比顯示面40a小，因此在發(fā)光面形成的分割圖形形狀被大的拉伸，向顯示面40a投影。另ー方面，顯示面40a具有長方形形狀，因此如圖7及圖8所示，在短邊方向SS和長邊方向LS，拉伸發(fā)光面的分割圖形形狀的倍率不同。發(fā)光面的分割圖形形狀成像的位置如圖7及圖8可知，在短邊方向SS離顯示面40a近。即，短邊方向SS中，與長邊方向LS相比，發(fā)光面的分割圖形形狀更明顯成像。本實施方式中，光源10配置為使顯示面40a中分割線16的方向(y軸方向)和顯示面40a的短邊方向SS近似平行。通過這樣配置各部件，分割線16難以在顯示面40a中成像，因此顯示面40a中難以發(fā)生照明不均。根據(jù)上述第I實施方式的投影機裝置，可以獲得如下的作用效果。(I)投影機裝置I具有照明光學系統(tǒng)20，其向具備具有長邊方向LS和短邊方向SS的矩形形狀的顯示面40a的顯示元件40照射光。該照明光學系統(tǒng)20具備具有由沿y軸方向的分割線分割為3個區(qū)域的發(fā)光面的正方形發(fā)光部IOa ;會聚來自發(fā)光面的光井照射顯示面40a的聚光透鏡群21。聚光透鏡群21通過在顯示面40a的長邊方向LS和短邊方向SS使發(fā)光面的成像位置不同，以來自發(fā)光面的光的照射區(qū)域的輪廓形狀成為近似矩形形狀的方式聚光。發(fā)光部IOa配置為使顯示面40a中y軸方向和短邊方向SS近似平行。這樣，可以防止在被照明部件形成發(fā)光面的分割圖形的像所導致的照明不均。(2)聚光透鏡群21會聚來自發(fā)光部IOa的光，使得與顯示面40a的短邊方向SS對 應的方向的長度比與顯示面40a的長邊方向LS對應的方向的長度短。這樣，可以防止分割圖形在顯示面40a中明顯成像。(3)聚光透鏡群21是使來自發(fā)光部Ioa的光會聚為與顯示面40a的形狀近似同一的自由曲面透鏡。這樣，可以更有效利用來自光源10的光。(4)在聚光透鏡群21和顯示元件40之間，配置使向顯示元件40照射的光的偏振方向一致的偏振變換元件25。另外，在聚光透鏡群21和顯示元件40之間配置的偏振分離元件26的第2出射面26el、26e2具有正的折射能力。這樣，可提高光源10的光的利用效率。第2實施方式圖9是從x-y平面觀察本發(fā)明的第2實施方式的投影機裝置的照明光學系統(tǒng)的截面圖。另外，以下的說明中，與第I實施方式的投影機裝置I實現(xiàn)同等的功能的部件附上與第I實施方式相同的符號，說明省略。本實施方式的投影機裝置2，取代圖I所示光源10，具備圖9所示光源100。光源100由出射紅色光的紅色LEDl 10、出射綠色光的綠色LED120、出射藍色光的藍色LED130及將這些3個色光合成的交叉分色棱鏡140構(gòu)成。紅色LEDllO與第I實施方式的光源10同樣，由發(fā)光部IlOa和蓋IlOb構(gòu)成,發(fā)光部IlOa的發(fā)光面形成與發(fā)光部IOa同樣的圖形。綠色LED120及藍色LED130也同樣。各LED分別在發(fā)光部110a、120a、130a的發(fā)光面形成的分割線的方向被配置為與顯示面40a的短邊方向SS近似平行。即，發(fā)光部I IOa的發(fā)光面的分割線沿著x軸方向，發(fā)光部120a的發(fā)光面的分割線沿著y軸方向，發(fā)光部130a的發(fā)光面的分割線沿著X軸方向。根據(jù)上述第2實施方式，即使合成3燈的LED的光源也可以獲得與第I實施方式同樣的作用效果。第3實施方式圖10是從x-y平面觀察本發(fā)明的第3實施方式的投影機裝置的照明光學系統(tǒng)的截面圖。本實施方式的投影機裝置的照明光學系統(tǒng)230具備分時出射紅、綠、藍的各色光的光源部231、全反射棱鏡232、保護部件233、微鏡裝置234、投影透鏡235。
光源部231包含時間序列地點亮的3個高輝度LED231R、231G、231B ;將這些高輝度LED分別出射的各光束會聚作為近似平行光束出射的聚光透鏡238 ;向全反射棱鏡232出射該近似平行光束的交叉分色棱鏡239。高輝度LED231R是紅色LED，出射紅色的光束。上述近似平行光束考慮了制造誤差，優(yōu)選完全為平行光束。同樣，高輝度LED231G是綠色LED,高輝度LED231B是藍色LED，分別出射綠色、藍色的光束。這些高輝度LED分別出射的各光束由各高輝度LED的前方配置的聚光透鏡238會聚為近似平行光束出射。由這樣出射的近似平行光束形成后述照射微鏡裝置234的光束。如圖10所示，這3個高輝度LED231R、231G、231B和分別對應的聚光透鏡238的距離不均等。例如，高輝度LED231R和聚光透鏡238的距離為0. 48mm，高輝度LED231G和聚光透鏡238的距離為0. 37mm,高輝度LED231B和聚光透鏡238的距離為0. 25mm。這是為了使以各個高輝度LED為光源的紅色、藍色、綠色的3色光束的投影時不出現(xiàn)軸向色差。從各個聚光透鏡238出射的3色近似平行光束由交叉分色棱鏡239分時合成，作為合成光束向全反射棱鏡232出射。全反射棱鏡232由第I棱鏡232a和第2棱鏡232b以
0.02mm的間隔貼合構(gòu)成。通過隔著該間隔，形成后述全反射面241。第I棱鏡232a的光源部231側(cè)的面240是從光源部231出射的近似平行光束的入射面，形成自由曲面。該自由曲面會聚該平行光束，使來自光源部231的光的照射區(qū)域的輪廓形狀與微鏡裝置234的顯示區(qū)域的輪廓形狀近似一致。第2棱鏡232b的投影透鏡235側(cè)的面242是非球面，來自微鏡裝置234的反射光從第2棱鏡232b的面242出射吋，由該非球面修正該反射光的像差。保護部件233是保護微鏡裝置234的顯示面的透明部件。微鏡裝置234是微小反射鏡ニ維狀排列的反射型顯示元件。本實施方式中，第I棱鏡232a及第2棱鏡232b分別由折射率約I. 5309的樹脂(例如，環(huán)烯烴聚合物)或玻璃材料構(gòu)成。同樣，交叉分色棱鏡239由折射率約I. 5187的樹脂或玻璃材料構(gòu)成，保護部件233由折射率約I. 52的樹脂或玻璃材料構(gòu)成，聚光透鏡238由折射率約I. 6231的樹脂或玻璃材料構(gòu)成。另外，構(gòu)成微鏡裝置234的各反射鏡中，反射面的傾斜角可設定成+12度和-12度。接著，說明以上構(gòu)成的照明光學系統(tǒng)230的動作。投影機裝置若連續(xù)點亮高輝度LED231R、231G、231B，則這些高輝度LED的各光束經(jīng)由聚光透鏡238作為近似平行光束入射交叉分色棱鏡239。交叉分色棱鏡239向第I棱鏡232a的面240出射將來自3個聚光透鏡238的3個近似平行光束合成的合成光束。該合成光束也是近似平行光束，該合成光束經(jīng)由自由曲面即面240入射全反射棱鏡232，由全反射面241全反射后從面244出射，經(jīng)由保護部件233入射微鏡裝置234的顯示面(顯示區(qū)域)。即，全反射棱鏡232將從交叉分色棱鏡239出射的合成光束由全反射面241全反射后導向微鏡裝置234的顯示區(qū)域。導向微鏡裝置234的顯示區(qū)域的該合成光束入射該顯示區(qū)域，來自該顯示區(qū)域的反射光從面244入射全反射棱鏡232，透過全反射面241后從作為非球面的面242出射。然后，該反射光經(jīng)過投影透鏡235在拍攝機正面投影。全反射面241是上述第I棱鏡232a與第2棱鏡232b隔著0. 02mm的間隔的第I棱鏡232a的面。為了實現(xiàn)投影機裝置的小型化，本實施方式的光源部231如下構(gòu)成。圖10所示出射光軸243是由交叉分色棱鏡239出射的合成光束的光軸。本實施方式的光源部231配置為使出射光軸243相對于微鏡裝置234的入射面(面244)在圖10箭頭246所示方向傾斜預定角度。預定角度優(yōu)選是圖10所示約10. 59度，考慮到制造誤差，包含在10度到11度的范圍即可。若這樣傾斜來自光源部231的出射光軸243，則全反射面241全反射的光束的出射面(面244)和全反射面241形成的頂角245的角度比出射光軸243和微鏡裝置234的入射面(面244)平行時小。結(jié)果，可以減小面244和面242之間的距離。S卩，通過使出射光軸243相對于微鏡裝置234的入射面(面244)傾斜，與出射光軸243和微鏡裝置234的入射面(面244)平行時比,可以使全反射棱鏡232小型化。頂角245的角度優(yōu)選為圖10所示約32度，考慮制造誤差，包含 在31. 5度到32. 5度的范圍即可。本實施方式的微鏡裝置234的顯示區(qū)域的輪廓形狀是與圖6B所示的第I實施方式的顯示元件40的顯示面40a同樣的近似矩形形狀，與紙面平行的方向(X軸方向)是長邊，紙面的前后方向(y軸方向)是短邊。第I棱鏡232a的光源部231側(cè)的面240形成自由曲面，從光源部231出射的近似平行光束通過該自由曲面，會聚為與微鏡裝置234的顯示區(qū)域的輪廓形狀近似一致。另外，高輝度LED231R、231G、231B分別與第2實施方式的紅色LED110、綠色LED120、藍色LED130同樣，在發(fā)光面形成圖6A所示圖形。各LED分別在發(fā)光面形成的分割線的方向被配置為與微鏡裝置234的顯示區(qū)域的短邊方向近似平行。S卩，高輝度LED231R的發(fā)光面的分割線沿著X軸方向，高輝度LED231G的發(fā)光面的分割線沿著y軸方向，高輝度LED231B的發(fā)光面的分割線沿著X軸方向。根據(jù)上述第3實施方式，可以獲得第2實施方式同樣的作用效果。如下變形也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)，變形例的一個或者多個也可以與上述的實施方式組合。變形例I上述的各實施方式中，顯示元件40的顯示面40a具有4 3的縱橫比的矩形形狀，但是顯示面40a的形狀也可以不是這樣的形狀。具體地說，只要是具有長邊方向和短邊方向的矩形形狀，則可以是任何形狀。變形例2顯示元件40也可以是反射型的液晶元件即LCOS(Liquid Crystal on Silicon,娃基液晶)以外的顯示元件。例如，也可以是反射型的顯示元件即DMD(Digital MirrorDevice,數(shù)字微鏡器件)，也可以是透過型的液晶元件即LCD (Liquid Crystal Display,液晶顯示器)。變形例3發(fā)光部IOa的發(fā)光面的形狀是矩形形狀即可，不必是上述的各實施方式的正方形。另外，分割線分割的區(qū)域數(shù)可以比3個多或者少。變形例4即使將聚光透鏡群21置換為單一的聚光透鏡也可以適用本發(fā)明。另外，聚光透鏡群21不一定要包含使來自光源的光會聚以形成與顯示面40a的形狀近似相同的自由曲面透鏡。該場合，聚光透鏡群21只要是聚光透鏡，通過在長邊方向和短邊方向使發(fā)光面的成像位置不同而使來自發(fā)光面的光的照射區(qū)域的輪廓形狀成為近似矩形形狀即可。例如，也可以是會聚圓柱形透鏡、變形透鏡，使得來自發(fā)光面的光的照射區(qū)域的輪廓形狀成為包含顯示面40a橢圓形狀。即使采用這樣的透鏡，也可以使發(fā)光面的成像位置在顯示面40a的長邊方向和短邊方向不同，從而，可以獲得與采用自由曲面透鏡的場合同樣的作用效果。
變形例5上述各實施方式是采用本發(fā)明的照明光學系統(tǒng)的投影機裝置。本發(fā)明也可以適用于在投影機裝置以外的裝置采用的照明光學系統(tǒng)。例如顯微鏡中，將本發(fā)明適用到向試料照射光中采用的照明光學系統(tǒng)也可以獲得上述各實施方式同樣的作用效果。變形例6上述各實施方式中，說明了由偏振變換元件25將從光源10放射的照明光變換為S偏振分量(偏振成分)的光的場合，但是也可以采用將照明光變換為P偏振分量的光的構(gòu)成。變形例7來自光源的照明光也可以不是白色光。例如，也可以僅僅將照射紅色光的紅色LED作為光源。另外，只要具有由沿預定方向的分割線分割為多個區(qū)域的發(fā)光面，也可以采用LED以外的部件作為光源。只要不損害本發(fā)明的特征，本發(fā)明不限于上述實施方式，在本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)考慮的其他方式也是本發(fā)明的范圍所包含的。
權(quán)利要求
1.ー種照明光學系統(tǒng)，具備 近似矩形形狀的光源，其具有由沿預定方向的分割線分割為多個區(qū)域并形成分割圖形的發(fā)光面； 被照明部件，其具備矩形形狀的被照射區(qū)域；以及 光學部件，其會聚來自上述發(fā)光面的光井照射上述被照射區(qū)域； 在上述被照明部件形成上述光源的上述發(fā)光面的上述分割圖形的像所導致的照明不均被降低。
2.如權(quán)利要求I所述的照明光學系統(tǒng)，其特征在干， 上述被照明部件所具備的上述被照射區(qū)域的矩形形狀由長邊方向和短邊方向構(gòu)成，上述光學部件，通過在上述被照射區(qū)域的上述長邊方向和上述短邊方向使上述發(fā)光面的成像位置不同，以來自上述發(fā)光面的光的照射區(qū)域的輪廓形狀成為近似矩形形狀的方式聚光，并照射上述被照射區(qū)域， 上述光源配置為使得在上述被照明部件形成上述光源的上述發(fā)光面的上述分割圖形的像所導致的照明不均被降低。
3.如權(quán)利要求2所述的照明光學系統(tǒng)，其特征在干， 上述光學部件，通過在上述被照射區(qū)域的上述長邊方向和上述短邊方向使上述發(fā)光面的成像位置不同，以來自上述發(fā)光面的光的照射區(qū)域的輪廓形狀成為近似矩形形狀的方式聚光， 上述光源配置為使上述被照射區(qū)域中上述預定方向和上述被照射區(qū)域的短邊方向近似平行。
4.如權(quán)利要求3所述的照明光學系統(tǒng)，其特征在干， 上述光學部件包括聚光透鏡。
5.如權(quán)利要求4所述的照明光學系統(tǒng)，其特征在干， 上述被照射區(qū)域的輪廓形狀的與上述短邊方向?qū)姆较虻拈L度比與上述長邊方向?qū)姆较虻拈L度短。
6.如權(quán)利要求4或5所述的照明光學系統(tǒng)，其特征在干， 上述聚光透鏡包括以下透鏡的至少ー個以上述照射區(qū)域的輪廓形狀成為與上述被照射區(qū)域的形狀近似相同的方式聚光的自由曲面透鏡，以上述照射區(qū)域的輪廓形狀成為包含上述被照射區(qū)域的橢圓形狀的方式聚光的圓柱形透鏡，或以上述照射區(qū)域的輪廓形狀成為包含上述被照射區(qū)域的橢圓形狀的方式聚光的變形透鏡。
7.如權(quán)利要求4或5所述的照明光學系統(tǒng)，其特征在干， 上述光源具有發(fā)光二極管。
8.如權(quán)利要求7所述的照明光學系統(tǒng)，其特征在干， 上述光源具有的發(fā)光二極管包括白色發(fā)光二極管、紅色發(fā)光二極管、綠色發(fā)光二極管或藍色發(fā)光二極管的至少ー個。
9.如權(quán)利要求4或5所述的照明光學系統(tǒng)，其特征在干， 還具備偏振變換元件，其在上述聚光透鏡和上述被照明部件之間配置，使向上述被照明部件照射的光的偏振方向一致， 在上述聚光透鏡和上述被照明部件之間配置的光學部件的光學面的至少一面具有正的折射能力。
10.ー種投影機裝置，具備權(quán)利要求I至3的任一項所述的照明光學系統(tǒng)。
11.如權(quán)利要求10所述的投影機裝置，其特征在干， 上述被照明部件由反射型液晶元件或微鏡裝置構(gòu)成。
全文摘要
一種照明光學系統(tǒng)，具備近似矩形形狀的光源，具有由沿預定方向的分割線分割為多個區(qū)域并形成分割圖形的發(fā)光面；被照明部件，具備矩形形狀的被照射區(qū)域；以及光學部件，會聚來自上述發(fā)光面的光并照射上述被照射區(qū)域，在上述被照明部件形成上述光源的上述發(fā)光面的上述分割圖形的像所導致的照明不均被降低。
文檔編號F21Y101/02GK102645831SQ20121003521
公開日2012年8月22日 申請日期2012年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月17日
發(fā)明者后藤孝夫 申請人:株式會社尼康