CN100533263C - 照明装置、非球面透镜的设计方法、非球面透镜及投影机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过以特意地在液晶面板的光像中形成像差的方式构成光学系统、与构成理想成像系统的场合相比可以提高照明效率的照明装置、使用该照明装置的非球面透镜的设计方法、该非球面透镜、以及安装有该照明装置的投影机。从光源(3)射出的光，由第1光学系统(5)平行化为平行光，并通过非球面透镜(6)成像，使得在液晶装置(7)的像素区域(7a)处在平行光的像中产生彗形像差或球面像差。通过如此以特意地在像素区域(7a)中产生像差的方式成像，与通过理想成像系统成像的场合相比可以提高像素区域(7a)的照明效率。

Description

照明装置、非球面透镜的设计方法、非球面透镜及投影机

技术领域

本发明涉及使从光源射出的光会聚至照射面上的非球面透镜、非球面透镜的设计方法、向照射面上照射光的照明装置、以及安装有该照明装置的投影机。

背景技术

在作为光调制装置使用液晶面板的直视型显示装置或者投影型显示装置(投影机)中，需要将光照射到液晶面板上的光源。作为该光源的一例，已知一种例如通过使从发光二极管等的光源射出的光平行化、并使该平行光朝向该液晶面板会聚，而将光照射到该液晶面板上的技术(例如参照专利文献1)。在采用如专利文献1所述的构成的情况下，根据光学系统的设计，有时会在形成于液晶面板上的像中产生像差，例如因为例如作为光源照射的光模糊不清而造成照明效率低。当照明效率低时，会造成例如投影至屏幕等上的图像、活动画面等的对比度变差。因此，需要设计像差较少的光学系统。

光学系统使像差越小则越接近理想成像系统。在不需要考虑像差的影响的理想成像系统中，就可以通过该光学系统的倍率来决定照明效率。因此，在要提高照明效率的情况下，可以使光学系统接近理想成像系统以最佳化该光学系统的倍率。

专利文献1：特开平10-269802号公报。

但是，在上述设计中，照明效率不能够大于或等于在将光学系统看做为理想成像系统而将倍率最佳化的情况下的照明效率，因此，这时的照明效率的值成为提高照明效率的上限值。

发明内容

为了解决该问题，本发明的目的在于提供一种通过以特意地在液晶面板的光像中形成像差的方式构成光学系统、与构成理想成像系统的场合相比可以提高照明效率的照明装置、使用该照明装置的非球面透镜的设计方法、该非球面透镜、以及安装有该照明装置的投影机。

本申请的发明人发现，在设计光学系统以使得将平行化的光会聚到照射面上时在照射面的规定区域中特意地产生像差的情况下，与设计成理想成像系统的情况相比可以提高照射面处的照明效率。

在此，非球面透镜的面例如可以视为使YZ平面内的曲线绕Z轴旋转而形成的非球面。YZ平面内的曲线式表示为：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{\{1-(1+k)C^2{h}^2\}}^{\frac{1}{2}}}+a_1{h}^4+a_2{h}^6+a_3{h}^8+a_4{h}^{10}$          (式1)

其中，h是x和y的平方和根

x、y和z是表示XYZ空间的坐标的变量。C、k、a₁、a₂、a₃、a₄是非球面系数。低因次的非球面系数(例如C、k、a₁、a₂)用以形成非球面透镜的光轴附近的形状，而高因次的非球面系数(例如a₃、a₄)用以形成非球面透镜的周缘部的形状。因此，通过适当地设定“式1”的高因次的非球面系数，就可以设计非球面透镜的周缘部的形状，而通过适当地设定低因次的非球面系数就可以设计非球面透镜的光轴附近的形状。

根据该观点，本发明的照明装置，其特征在于，具有：射出照射到照射面上的光的光源；设置在所述光源和所述照射面之间使从所述光源射出的光成为平行光的第1光学系统；和设置在所述第1光学系统和所述照射面之间、以在所述照射面的规定区域中在所述平行光的像中产生像差地，使所述平行光会聚到所述照射面上的第2光学系统。

在此，所谓“规定区域”，是指照射面中特别地照射光的必要性高的区域。例如在将光照射至液晶面板上的情况下，所谓“照射面”是指该液晶面板的光照射侧的表面，而所谓“规定区域”是指液晶面板的像素形成的像素区域。

在照射面的规定区域中，必须以允许角度或允许以下的角度照射光以提高照明效率。根据本发明，从光源射出的光，由第1光学系统平行化为平行光，并通过第2光学系统成像，以使得在照射面的规定区域中在平行光的像中产生像差。通过以特意地在照射面的规定区域中产生像差的方式成像，可以使得照射至该照射面的规定区域的光的角度变小。因此，与通过理想成像系统成像的场合相比，在允许角度以下照射至规定区域上的光增多，所以可以提高在该规定区域的照明效率。

此外，优选地，所述第2光学系统能够使所述平行光会聚以使得所述像差产生在比所述规定区域更大的范围内。如此，就可以使相对于照射面的规定区域的照明边缘设置成足够大，从而，例如在将光照射到液晶面板的情况下，可以没有泄漏地使光照射到所有像素上。

此外，优选地，所述像差为负的球面像差以及内向性的彗形像差中的至少之一。因为负的球面像差以及内向性的彗形像差都形成为在照射面上扩展，所以可以使得光不照射到整个照射面的规定区域。

此外，优选地，所述第2光学系统是设计成至少光轴周边部的主平面倾斜的透镜。通过将第2光学系统形成为这种透镜，使得通过该透镜的光轴周边部的光在照射面的规定区域至少形成内向性的彗形像差。通过如此特意地形成彗形像差，可以提高该规定区域的照明效率。

此外，优选地，包括所述第1光学系统和所述第2光学系统的光学系统是远心光学系统。由于可使得被第2光学系统会聚至照射面的规定区域的平行光的主光线的角度减小，所以可进一步提高照明效率。

根据本发明的别的观点的非球面透镜的设计方法，是将从光源射出并被平行化的光会聚至照射面上的非球面透镜的设计方法，其特征在于，设计非球面的形状，以使得在所述照射面的规定区域中在被会聚的所述平行光的像中产生像差。

通过如本发明所述设计非球面的形状，可以获得以在照射面的规定区域中产生像差的方式成像的非球面透镜。具体地，通过适当地设定“式1”的高因次的非球面系数来设计非球面透镜的周缘部的形状，而通过适当地设定低因次的非球面系数来设计非球面透镜的光轴附近的形状。

此外，优选地，上述非球面透镜的设计方法具有以下步骤：形成具有规定的近轴倍率、允许角度、焦点距离的球面透镜的步骤；和使所述球面透镜变形，以使得在所述照射面的规定区域中在被会聚的所述平行光的像中产生像差的步骤。因为能够以球面透镜的值为基准，来设计非球面透镜的近轴倍率、允许角度、焦点距离，所以即使不是从头开始设计该非球面透镜的近轴倍率、允许角度、焦点距离，也可以获得精密值。

此外，优选地，上述使所述球面透镜变形的步骤包括：以使所述球面透镜的主平面倾斜的方式使所述球面透镜变形的步骤；和以使所述变形的球面透镜的周缘部的主平面的倾斜退回(返回)的方式使所述球面透镜变形的步骤。如此，可以防止非球面透镜的主平面过分倾斜，可以防止彗形像差超过照射面的规定区域的范围而形成，从而在照射面的规定区域的优选的范围内产生彗形像差。

根据本发明的别的观点的非球面透镜，其特征在于，该非球面透镜是通过上述的非球面透镜的设计方法所设计的。如此，可以获得以在照射面的规定区域中产生像差的方式使平行光会聚从而使照射面处的照明效率与理想成像系统相比变高的非球面透镜。

根据本发明的别的观点的投影机，其特征在于，该投影机安装有上述的照明装置。如此可以获得照明效率高并且对比度高的投影机。

附图说明

图1是示意性地示出本发明的第1实施形态的投影机的构成的图；

图2是示意性地示出本实施形态的非球面透镜的构成的图；

图3是示出透过本实施形态的非球面透镜的光的进路的图；

图4是示出由非球面透镜会聚的光的光点图；

图5是表示非球面透镜的球面像差的曲线；

图6是示出本实施形态的非球面透镜的设计步骤的流程图；

图7是示出非球面透镜的设计步骤的一例的图；

图8是示出非球面透镜的设计步骤的一例的图；

图9是示出非球面透镜的设计步骤的一例的图；

图10是示出非球面透镜的设计步骤的一例的图；

图11是示出本实施形态的投影机的变形例的图。

符号说明

1 投影机  2 照明装置  3 光源  5 第1光学系统  5c 准直透镜 6非球面透镜  6b 光轴附近  6c 周缘部  7 液晶装置  7a 像素区域8 彗形像差  9 球面像差  10 球面透镜

具体实施方式

第1实施形态

下面基于附图说明本发明的第1实施形态。

图1是示意性地示出本实施形态的投影机的构成的图。

投影机1构成为单板式的液晶投影机，具有：设置有光源3、棒形积分器4、第1光学系统5以及非球面透镜6的照明装置2、和作为调制元件的液晶装置7、和未示出的向屏幕上投影图像的投影光学系统100。

照明装置2通过向液晶装置7上照射光而起到作为该液晶装置7的光源的作用。液晶装置7例如具有形成红色、绿色、蓝色的3色的像素的像素区域7a，根据从未示出的驱动部输入的图像信号对被照射的光进行调制。

光源3例如使用发光二极管等，设置有用于将来自该发光二极管的光射出至外部并形成为基本正方形的光射出面3a。光源3被安装在棒形积分器4上，以使得光射出面3a与该棒形积分器4的光入射面4a相对。

棒形积分器4使从光入射面4a入射的光的照度分布均一化并从光射出面4b射出，例如由玻璃或者树脂等具有光透过性的材料形成为中空的四角柱状。在棒形积分器4的内侧的各个侧面上设置有反射面4c。反射面4c被设置成从光入射面4a至光射出面4b光透过部分(中空部分)的截面积逐渐扩大(图中虚线部分)。

光入射面4a的形状形成为基本正方形以与光源3的光射出面3a的形状一致。光射出面4b的形状被形成为与液晶装置7的像素区域7a的形状一致。例如当像素区域7a为(短边的长度):(长边的长度)＝3:4的长方形时，则光射出面4b也同样地形成为短边和长边的长度的比例为3:4的横向较长的长方形。入射至棒形积分器4的光在由反射面4c反复反射的同时向光射出面4b引导，并以照度分布均一化的状态射出。

第1光学系统5具有例如2个凹凸(弯月)透镜5a、5b，和准直透镜5c。凹凸透镜5a、5b将从棒形积分器4射出的光扩散。准直透镜5c使该扩散的光平行化而成为平行光。凹凸透镜5a、5b和准直透镜5c例如由玻璃或者丙烯酸类等的透明材料形成。

非球面透镜6例如由玻璃或者丙烯酸类等的透明材料形成，将用准直透镜5c平行化的平行光朝向液晶装置7的像素区域7a会聚。图2是示意性地示出非球面透镜的图。在非球面透镜6的光轴附近6b处，透镜主平面6a被设计成相对来自准直透镜5c的平行光的进行方向仅以例如角度α倾斜。此外，在周缘部6c，主平面6d被设计成相对来自准直透镜5c的平行光的进行方向基本垂直。

在此，非球面透镜6的非球面6e例如可以视为使YZ平面内的曲线绕Z轴旋转而形成的非球面。YZ平面内的曲线式表示为：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{\{1-(1+k)C^2{h}^2\}}^{\frac{1}{2}}}+a_1{h}^4+a_2{h}^6+a_3{h}^8+a_4{h}^{10}$       (式2)

其中，h是x和y的平方和根

x、y和z是表示XYZ空间的坐标的变量。C、k、a₁、a₂、a₃、a₄是非球面系数。低因次的非球面系数(例如C、k、a₁、a₂)用以形成非球面透镜的光轴附近6b的形状，而高因次的非球面系数(例如a₃、a₄)用以形成非球面透镜的周缘部6c的形状。

图3是示出透过非球面透镜6的光的进路的图。图4是示出在像素区域7a上形成的光点图。

由光源3射出的光被第1光学系统扩散而平行化。该平行光在通过非球面透镜6的光轴附近6b时以光路L1的方式前进(图3(a))，在像素区域7a的周缘部形成内向性的彗形像差8(图4(a))。

此外，该平行光在通过非球面透镜6的周缘部6c时以光路L2的方式前进(图3(b))，在像素区域7a的中央附近形成负的球面像差9(图4(b))。

图5是表示非球面透镜6的球面像差9的曲线。表示在原点为非球面透镜6的光心的位置、纵轴为数值孔径、横轴为光的进行方向下的位移。从该曲线可知，不仅像素区域7a的中央附近形成彗形像差8，在像素区域7a的周缘部也产生球面像差9。

如此，在像素区域7a上，以覆盖像素区域7a的方式形成彗形像差8和球面像差9。

下面说明非球面透镜6的设计步骤。图6是示出该设计步骤的流程图。

非球面透镜6由球面透镜10形成，经过以下各步骤进行设计：球面透镜10的基本构成的设计(步骤601)、球面透镜10的形成(步骤602)、球面透镜10的变形1(步骤603)、球面透镜10的变形2(步骤604)。下面对该各步骤进行说明。

在步骤601，如图7所示进行作为非球面透镜6的基材的球面透镜10的基本构成的设计。分别设定近轴倍率m₁、允许角度θ₁、焦点距离f₁，而形成根据该设定的球面透镜10。

在步骤602，形成使用该球面透镜10的光学系统。此时，如图8所示，以该光学系统接近理想成像系统的方式，例如配置光源3、第1光学系统5以及球面透镜10，使得第1光学系统的准直透镜5c(近轴倍率m₂、允许角度θ₂、焦点距离f₂)和球面透镜10的距离为(f₁+f₂)。

在步骤603，主要是设计低因次的非球面系数，使球面透镜10变形以产生彗形像差8。具体地，使球面透镜10的光轴附近6b的球面变形。彗形像差是当光相对光学系统的光轴倾斜地入射时所发生的像差。因此，例如图9所示，使球面透镜10变形以使得主平面6a相对来自第1光学系统5的平行光倾斜。此外，实际上是在一边使光从光源3射出而确认是否产生了彗形像差8，一边进行球面透镜10的变形，当确认已产生了彗形像差8时，进行到下一步骤。

在步骤604，主要是设计高因次的非球面系数，在对步骤603中变形了的球面透镜10进行微调整的同时发生变形。具体地，使光从光源3射出而确认彗形像差8是否在适当的位置和范围内，同时，调节高因次的非球面系数以使得主光线的角度落于允许角度θ₃以内。根据需要，例如通过调整变形了的球面透镜10的周缘部6c的主平面6d的倾斜程度，以使得彗形像差8不会过大。当如图10所示确认为彗形像差8在适当的位置和范围内发生并且主光线的角度落于允许角度θ₃以内时，结束设计。

根据本实施形态，从光源3射出的光，由第1光学系统5平行化为平行光，并通过非球面透镜6成像，使得在液晶装置7的像素区域7a处在平行光的像中产生彗形像差8或球面像差9。如此，通过特意地在像素区域7a中产生像差，可以使得照射至该像素区域7a上的光的角度(相对于光轴的角度)变小。因此，与通过理想成像系统成像的场合相比，在允许角度或以下照射至像素区域7a上的光增多，所以可以提高在该像素区域7a处的照明效率。

而且，通过安装这种照明装置，可以获得照明效率高并且对比度高的投影机1。

此外，因为能够以球面透镜的近轴倍率m₁、允许角度θ₁、焦点距离f₁为基准，来设计非球面透镜6的近轴倍率、允许角度、焦点距离，所以即使不是从头开始设计该非球面透镜6的近轴倍率、允许角度、焦点距离，也可以获得精密值。

本发明的技术范围不限于上述实施形态，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行适当的变更。

在上述实施形态中，虽然以非球面透镜6将平行光会聚成覆盖液晶装置7的像素区域7a的方式进行了说明，但是如图11所示，也可以将平行光会聚成比像素区域7a的范围更大的范围中。如此，就可以使相对于像素区域7a的照明宽余量t₁、t₂设置成足够大，从而可以没有泄漏地使光照射到像素区域7a的所有像素上。

Claims (10)

1.一种照明装置，其特征在于，具有：

射出照射到照射面上的光的光源；

设置在所述光源和所述照射面之间，使从所述光源射出的光成为平行光的第1光学系统；和

设置在所述第1光学系统和所述照射面之间，以在所述照射面的规定区域中在所述平行光的像中产生像差的方式，使所述平行光会聚到所述照射面上的光轴周边部的主平面倾斜的非球面透镜，其中，所述规定区域是指照射面中特别地照射光的必要性高的区域。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述光轴周边部的主平面倾斜的非球面透镜能够使所述平行光会聚以使得所述像差产生在比所述照射面的规定区域更大的范围内。

3.根据权利要求1或2所述的照明装置，其特征在于，所述像差为负的球面像差以及内向性的彗形像差中的至少之一。

4.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述光轴周边部的主平面倾斜的非球面透镜是设计成至少光轴周边部的主平面倾斜的透镜。

5.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，包括所述第1光学系统和所述光轴周边部的主平面倾斜的非球面透镜的光学系统是远心光学系统。

6.一种将从光源射出并被平行化的光会聚至照射面上的非球面透镜的设计方法，其特征在于，按照使得非球面透镜光轴周边部的主平面倾斜的方式设计非球面的形状，以使得在所述照射面的规定区域中，在被会聚的所述平行光的像中产生像差，其中，所述规定区域是指照射面中特别地照射光的必要性高的区域。

7.根据权利要求6所述的非球面透镜的设计方法，其特征在于，具有以下步骤：

形成具有规定的近轴倍率、允许角度及焦点距离的球面透镜的步骤；和

使所述球面透镜变形，以使得在所述照射面的规定区域中在被会聚的所述平行光的像中产生像差的步骤。

8.根据权利要求7所述的非球面透镜的设计方法，其特征在于，

使所述球面透镜变形的步骤包括：

以使所述球面透镜的光轴附近的主平面倾斜的方式使所述球面透镜变形的步骤；和

以使所述变形的球面透镜的周缘部的主平面的倾斜退回的方式使所述球面透镜变形的步骤。

9.一种非球面透镜，其特征在于，是通过权利要求6至8中任一项所述的非球面透镜的设计方法所设计的。

10.一种投影机，其特征在于，装载有权利要求1至5中任一项所述的照明装置。

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