CN102736383A - 照明光学系统和图像投射装置 - Google Patents

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CN102736383A CN2012101080470A CN201210108047A CN102736383A CN 102736383 A CN102736383 A CN 102736383A CN 2012101080470 A CN2012101080470 A CN 2012101080470A CN 201210108047 A CN201210108047 A CN 201210108047A CN 102736383 A CN102736383 A CN 102736383A
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Abstract

本申请涉及照明光学系统和图像投射装置。一种照明光学系统包括：第一透镜阵列，其包括将从光源发射的光束分离为多个光束的多个透镜单元；第二透镜阵列，其包括被第一透镜阵列的透镜单元分离的光束入射所入射于的透镜单元；和光学元件，其被构造为通过将从第二透镜阵列出射的光束叠加在图像显示元件上来照明图像显示元件。第一透镜阵列和第二透镜阵列中的至少一个包括至少两个透镜单元，每个透镜单元具有被形成为与相邻透镜单元的曲面连续的曲面，所述至少两个透镜单元是偏心的，并且第一透镜阵列的至少两个透镜单元具有不同的曲率半径。

Description

照明光学系统和图像投射装置
技术领域
本发明涉及一种包括将从光源发射的光束分离为多个光束的透镜阵列的照明光学系统，并且还涉及一种包括该照明光学系统的图像投射装置。
背景技术
迄今已知的照明光学系统包括第一蝇眼透镜和第二蝇眼透镜，第一蝇眼透镜将从光源发射的光束分离为多个光束，第二蝇眼透镜包括与第一蝇眼透镜对应的多个透镜单元，以便均匀地、高效率地照明例如液晶显示元件的照明表面。
日本专利特开No.10-115870(专利文档1)的英文摘要公开了一种照明光学系统，在该照明光学系统中，偏心透镜被采用作为构成第一蝇眼透镜或第二蝇眼透镜的透镜单元，以改进光束的平行性和减小照明光学系统中的光量损失。
US 2003/0174294(专利文档2)和日本专利特开No.2003-090981(专利文档3)的英文摘要均公开了一种照明光学系统，在该照明光学系统中，根据构成第一蝇眼透镜或第二蝇眼透镜的透镜单元的偏心量来以逐步的方式使这些透镜单元的厚度彼此不同，以使得这些偏心透镜单元的曲面基本上彼此连续。
然而，专利文档1中所公开的技术存在下述问题，即，因为偏心透镜单元的曲面是不连续的并且在偏心透镜单元之间存在台阶(图11A)，所以在照明区域中产生阴影。
在专利文档2和3中所公开的技术中，使得透镜单元的厚度彼此不同，以使得偏心透镜的曲面彼此连续。然而，这些技术具有下述问题，即，通过使透镜单元的厚度不同，透镜单元的主点在光轴方向上移位，结果，分离光束没有会聚在目标会聚点(图11B)。
当如图12所示那样偏心透镜被采用作为构成第一蝇眼透镜的透镜单元并且这些透镜单元的曲面彼此连续时，被第一蝇眼透镜的透镜单元分离的分离光束最多地会聚的位置偏离第二蝇眼透镜的透镜单元的主点。图12中的指代符号x示意性地指示透镜单元的主点偏离透镜单元在照明光学系统的光轴上的主点多少以及来自透镜单元的分离光束的焦点偏离来自透镜单元的分离光束在光轴上的焦点多少。由于移位，无意地使得被假定将入射在对应的透镜单元上的一些分离光束入射在相邻的透镜单元上，并且照明液晶显示元件的有效区域外部的区域。因此，一些光量损失发生。
发明内容
本发明提供一种照明光学系统和包括该照明光学系统的图像投射装置，该照明光学系统即使当偏心透镜单元的曲面彼此连续时也可减小光量损失。
为了解决以上问题，根据本发明的照明光学系统是包括第一透镜阵列、第二透镜阵列和光学元件的照明光学系统，所述第一透镜阵列包括将从光源发射的光束分离为多个光束的多个透镜单元，所述第二透镜阵列包括被第一透镜阵列的透镜单元分离的光束入射在其上的透镜单元，所述光学元件被构造为通过将从第二透镜阵列出射的光束叠加在图像显示元件上来照明图像显示元件。第一透镜阵列和第二透镜阵列中的至少一个包括至少两个透镜单元，所述至少两个透镜单元中的每个具有被形成为与相邻透镜单元的曲面连续的曲面，所述至少两个透镜单元是偏心的，并且第一透镜阵列的至少两个透镜单元具有不同的曲率半径。
从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步特征将会变得清楚。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的照明光学系统的示意图。
图2示出分离光束的会聚点。
图3A示出根据本发明的实施例的偏心蝇眼透镜的示例，图3B是指示该蝇眼透镜的透镜单元的属性的表格。
图4A和图4B示出分离光束的会聚点。
图5是根据本发明的第二实施例的照明光学系统的示意图。
图6A至图6C均示意性地示出偏振转换元件和分离光束的会聚点。
图7A和图7B是根据本发明的第三实施例的照明光学系统的示意图。
图8是根据本发明的第四实施例的照明光学系统的示意图。
图9是根据本发明的第五实施例的照明光学系统的示意图。
图10是根据本发明的第六实施例的图像投射装置的示意图。
图11A和图11B是由偏心透镜单元形成的蝇眼透镜的示意图。
图12是经过偏心透镜单元的彼此连续的曲面的分离光束的会聚点的示意图。
图13是第二蝇眼透镜的有效区域的示意图。
图14是偏振转换元件的有效区域的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图来详细描述本发明的实施例。
第一实施例
图1是示出根据本发明的第一实施例的照明光学系统的示意图。图1示出光源1、抛物面反射器2、会聚透镜8、第一蝇眼透镜(第一透镜阵列)9、第二蝇眼透镜(第二透镜阵列)10、聚光透镜(光学元件)6和液晶显示元件(图像显示元件)7。第一蝇眼透镜9通过按矩阵布置具有与液晶显示元件7类似的外形的矩形透镜单元而形成。第二蝇眼透镜10包括与第一蝇眼透镜9的透镜单元对应的多个透镜单元。
从光源1发射的光被抛物面反射器2反射，并且变为基本平行光束。这些基本平行光束入射在会聚透镜8上，并且被会聚透镜8变为会聚光。该会聚光入射在第一蝇眼透镜9上。
构成第一蝇眼透镜9的透镜单元是偏心的，并且曲率中心偏离每个透镜单元的中心的量(以下称之为偏心量)从光轴附近的透镜单元朝向外围部分中的透镜单元逐步增大。此外，透镜单元被设置为越接近外围部分，透镜单元在光轴方向上的厚度逐步增大，以使得透镜单元的曲面基本上彼此连续。因此，透镜单元被设置为越接近外围部分，透镜单元的主点以平移的方式朝向光源移位越进一步。第一蝇眼透镜整体在光源侧具有凹陷形状，在第二蝇眼透镜侧具有平面形状。
注意，本文的表达“透镜单元是偏心的”是指下述情形，即，一个透镜单元的光轴(连接透镜单元的两个表面的曲率中心的直线)与经过该透镜单元的中心并且平行于该光轴的线不一致。在本实施例中，当在与图1中所示的方向相同的方向上以及在与图1的方向平行的方向上查看时，第一蝇眼透镜9的除了在中心的透镜单元之外的透镜单元是偏心的。
还注意，本文的表达“曲面彼此连续”是指相邻透镜单元的曲面彼此接触的情形。换句话讲，相邻透镜单元的曲面在其端部彼此接合(或者接触)(或者相邻透镜单元的曲面的端部被定位在同一位置处)。
在从第一蝇眼透镜9的每个透镜单元出射的分离光束中，由于透镜单元偏心，该光束的通过透镜单元的中心的部分变为基本上平行于光轴。分离光束会聚到第二蝇眼透镜10的透镜单元中的对应透镜单元。分离光束最多地围绕第二蝇眼透镜10会聚(聚焦)，并且在第二蝇眼透镜10上形成光源1的图像。此后，光束再次变为发散光，入射在聚光透镜6上，并且被聚光透镜6叠加在液晶显示元件7上。
如果第一蝇眼透镜9的所有透镜单元具有相同的曲率半径，则一般来讲，第一蝇眼透镜的透镜单元被设置为越接近第一蝇眼透镜的外围部分，分离光束最多地会聚的位置越偏离第二蝇眼透镜10的透镜单元的有效区域(图1中a所指示的范围或者图13中的阴影部分)。结果，分离光束在第二蝇眼透镜10的对应透镜单元的有效区域中的宽度增大，并且更多量的光行进到第二蝇眼透镜10的对应透镜单元的有效区域的外部。所述光的没有入射在对应透镜单元上的部分被聚光透镜6聚集到液晶显示元件7的有效区域外部的一部分。因此，与光的这些部分的光量损失对应的光量损失发生。注意，图13示意性地在左边示出第一透镜阵列和第二透镜阵列，在右边以放大的方式示出第二透镜阵列的被虚线包围的一部分。
本发明的发明人注意到下述事实，即，必须增大行进通过第二蝇眼透镜的透镜单元的有效区域或者偏振转换元件的有效区域的光束的量，以减小照明光学系统中的光量损失。因此，发明人适当地设置第一蝇眼透镜9的每个透镜单元的曲率半径，以使得分离光束最多地会聚在第二蝇眼透镜10的透镜单元的有效区域中。
在本实施例中，透镜单元被设置为越接近外围部分，第一蝇眼透镜9的透镜单元的曲率半径增大，以使得分离光束最多地会聚在第二蝇眼透镜10的透镜单元的有效区域中。换句话讲，被设置为偏离光轴较远(更向外)的透镜单元具有比被设置在内侧的透镜单元大的曲率半径。换句话讲，第一蝇眼透镜9的透镜单元的曲率半径被设置为使得通过第二蝇眼透镜10的透镜单元的旁轴分离光束具有使得这些光束会聚在第二蝇眼透镜10的透镜单元的有效区域中的这样的宽度。
具体地讲，第一蝇眼透镜9的每个透镜单元的曲率半径被设置为使得会聚透镜8和第一蝇眼透镜9的透镜单元的组合焦距增大等于第一蝇眼透镜9的透镜单元的主点的位移(朝向液晶显示元件7)的量。
如上所述，根据本发明的实施例，可提供通过适当地设置偏心透镜单元的曲率半径来减小光量损失的照明光学系统。根据本实施例的照明光学系统还具有减小照明区域中的阴影的发生的效果，因为透镜单元的曲面彼此连续，并且还具有改进生产蝇眼透镜的过程中的产率的效果。
现在参照图2，将进一步描述本实施例。图2示出第一蝇眼透镜的偏心透镜单元C1、第二蝇眼透镜的透镜单元C2和线L1，线L1与光轴垂直并且经过透镜单元C1的有效区域的中心与透镜单元C1的曲面彼此相交的点。平行光束中的入射在线L1的范围中的曲面上的部分会聚。实线指示从其中曲率半径被不适当设置的偏心透镜单元C1出射的分离光束。这里，表达“曲率半径被不适当设置”是指下述情形，即，例如，第一蝇眼透镜的透镜单元是偏心透镜单元，透镜单元的曲面彼此连续，并且所有透镜单元都具有相同的曲率半径。如果使用这样的第一蝇眼透镜，则如实线所指示的，从偏心透镜单元C1出射的分离光束最多地会聚在远离透镜单元C2的主平面的位置处，但是理想情况是分离光束最多地会聚到主平面。
在本实施例中，第一蝇眼透镜的透镜单元是偏心透镜单元，并且这些透镜单元的曲面彼此连续。然而，使得偏心透镜单元C1的曲率半径不同于其它透镜单元，以使得分离光束最多地会聚在合适的位置处。
这里，第二蝇眼透镜10的透镜单元C2的主平面被视为基准位置，并且被具有被不适当设置的曲率半径的透镜单元分离的分离光束最多地会聚的位置相对于基准位置用Δ1表示。位置Δ1相对于基准位置在光轴方向上的液晶显示元件侧取正(+)值，相对于基准位置在光轴方向上的光源侧取负(-)值。当从根据本实施例的第一蝇眼透镜9的每个透镜单元出射的分离光束的会聚点用-A×Δ1表示时，优选地，第一蝇眼透镜9的透镜单元的曲率半径被设置为使得系数A落在以下表达式(1)的范围内：
0.5≤A≤1.5...(1)
当满足表达式(1)时，分离光束被如图2中的虚线所指示的那样修正，以使得分离光束最多地会聚在合适的位置处。
虽然第一蝇眼透镜9的所有透镜单元可以被设置为满足表达式(1)，但是即使当并非所有透镜单元都被设置为满足表达式(1)时，也可获得本发明的实施例的效果。
认为光量损失与光束在有效区域中的宽度δ相关联。这里，宽度δ用以下表达式(2)表达：
δ＝|Δ1|·D/f...(2)
这里，D表示第一蝇眼透镜9的透镜单元的有效直径，f表示第一蝇眼透镜9的焦距，“·”为指示乘法的运算符。
当第一蝇眼透镜9的透镜单元的曲率半径被适当设置为使得Δ1变得接近于零时，光束在有效区域中的宽度δ变得接近于零，因此，光量损失减小。另一方面，当Δ1变为更加远离零时，光束在有效区域中的宽度δ逐渐增大，因此，光量损失增大。简而言之，表达式(1)中的系数A表示分离光束最多地会聚的位置被修正的程度。
因此，即使第一蝇眼透镜9的透镜单元的曲率半径被分别改变，也可防止分离光束的会聚点Δ1被修正的程度太小或太大，只要宽度δ落在满足表达式(1)的范围内即可。因此，可预期光量损失被很好地减小。
优选地，满足以下表达式(3)：
δ/E≤1/10...(3)
这里，E表示第二蝇眼透镜的透镜单元的有效区域，δ表示光束在有效区域中的宽度。当满足表达式(3)时，光束的宽度δ落在有效区域的大小的10％内，结果可生成清晰的投射图像。另一方面，如果宽度δ超过满足表达式(1)的范围，则光量减少。由于这个原因，优选地，第一蝇眼透镜的透镜单元的曲率半径被设置为满足表达式(3)。
更优选地，满足以下表达式(3a)：
δ/E≤1/20...(3a)
仍更优选地，满足以下表达式(3b)：
δ/E≈0...(3b).
当满足表达式(3b)时，表达式(1)中的A大约等于1。
如果构成第一蝇眼透镜和第二蝇眼透镜的透镜单元中的至少一个被设置为满足表达式(1)或(3)，则可获得减小光量损失的效果。然而，优选地，更多的透镜单元或者所有透镜单元被设置为满足以上表达式。
图3A和图3B示出第一蝇眼透镜的透镜单元的示例，这些透镜单元具有考虑会聚透镜8的折光力而设置的曲率半径。图3A是第一蝇眼透镜的示意图，图3B是包括图3A中所示的每个透镜单元的厚度、焦距和曲率半径的表格。图3A中的单元编号对应于图3B中的单元编号。在图3A和图3B中所示的示例中，会聚透镜8具有等于0.01644的正折光力φ。在图3B的表格中列出的属性中，第一蝇眼透镜的透镜单元的曲率半径根据会聚透镜8的折光力φ以及第一蝇眼透镜9与第二蝇眼透镜之间的间隔来设置，以使得分离光束最多地会聚在第二蝇眼透镜的对应透镜单元的主点处。
在本发明的发明人所进行的研究中，发现，在曲率半径如图3B的表格中所示那样被分别设置的情况下，与所有透镜单元的曲率半径都被设置为28.29mm(其为图3B的表格中与光轴相邻的透镜单元的曲率半径)的情况相比，照明效率改进了大约2.0％。
如上所述，如果第一蝇眼透镜的所有透镜单元都具有相同的曲率半径，则如图4A所示，由于光轴方向上的透镜单元之间的厚度差，分离光束的会聚点偏离第二蝇眼透镜的对应透镜单元的有效区域。相反，当第一蝇眼透镜的透镜单元的曲率半径被适当地设置时，光束会聚在合适的位置处，并且透镜单元的曲面彼此连续。因此，可提供一种照明光学系统，其可减小光量损失，同时减少照明区域中的阴影的发生，并且改进蝇眼透镜的产率。
在第一实施例中，虽然仅第一蝇眼透镜9包括偏心透镜单元，但是，取而代之，偏心透镜单元可被包括在第二蝇眼透镜10中，或者可被包括在第一蝇眼透镜9和第二蝇眼透镜10这二者中。
在根据第一实施例的结构中，具有正折光力的会聚透镜8和抛物面反射器2设置在比第一蝇眼透镜9更接近光源1的一侧。然而，本发明还可应用于包括椭圆反射器和具有负折光力的凹透镜的结构。也就是说，本发明可应用于下述的任何结构，在该结构中，第一蝇眼透镜的每个透镜单元的曲率半径是考虑设置在比第一蝇眼透镜9更接近光源1的一侧的所有光学元件(包括反射器)的折光力来设置的。
如果聚光透镜6能够将分离光束叠加在液晶显示元件上，则聚光透镜6可以是凹反射镜。
注意，并非第一蝇眼透镜的所有透镜单元都必须被形成为使得透镜单元的曲面彼此连续。本发明可应用于包括偏心透镜单元的任何结构，该偏心透镜单元具有与相邻透镜单元的曲面连续的曲面，并且具有使得与其它透镜单元的曲率半径不同的曲率半径。即使在这种结构中，也可在减少投射图像中的阴影的发生的同时获得减小光量损失的效果。
第二实施例
图5是示出根据本发明的第二实施例的照明光学系统的示意图。从光源1发射的光被抛物面反射器2反射，并且变为基本平行光束。这些基本平行光束入射在会聚透镜8上，并且被会聚透镜8变为会聚光。该会聚光入射在第一蝇眼透镜11上，第一蝇眼透镜11通过按矩阵布置具有与液晶显示元件7类似的外形的矩形透镜单元而形成。
构成第一蝇眼透镜11的透镜单元是偏心的，并且偏心量从光轴附近的透镜单元朝向外围部分的透镜单元逐步增大。此外，透镜单元被设置为越接近外围部分，透镜单元的厚度逐步增大，以使得透镜单元的曲面基本上彼此连续。
在入射在第一蝇眼透镜11的每个透镜单元上的分离光束中，由于透镜单元偏心，该光束的经过透镜单元的中心的部分变为基本上平行于光轴。分离光束会聚在偏振转换元件13附近的位置处。在图5中，a1表示偏振转换元件13的入射侧有效区域，a2表示偏振转换元件13的出射侧有效区域。会聚在偏振转换元件13附近并且再次发散的多个分离光束被聚光透镜6叠加在液晶显示元件7上。
图6A是偏振转换元件13的示意图。偏振转换元件13包括多个棱柱偏振光束分离器和半波片。每个偏振光束分离器具有偏振分离膜。半波片设置在光束从其出射的每隔一个偏振光束分离器的表面上。在图6A中，a1表示相对于入射表面以大约45度倾斜设置的偏振分离膜与反射膜之间的入射侧距离。入射在偏振转换元件13上的光被偏振分离膜分离为P偏振光和S偏振光。S偏振光被相邻的反射膜在与P偏振光行进相同的方向上反射，然后被发射通过两个相邻的半波片之间的间隔。被偏振分离膜分离的P偏振光被设置在出射表面上的半波片转换为S偏振光，然后被发射。在图6A中，a2表示偏振分离膜与反射膜之间的出射侧距离。按以上方式，入射在偏振转换元件13上的非偏振光被转换为S偏振光。这里，偏振转换元件13可将光转换为P偏振光。
如图6B和图6C所示，如果被第一蝇眼透镜分离的分离光束最多地会聚的位置在偏振转换元件13外部，则分离光束在偏振光束分离器的入射表面和出射表面上的宽度过度地增大。如果光束的部分行进到偏振光束分离器的有效区域(图14中的阴影部分)(其宽度等于偏振光束分离器的一侧的宽度)的外部，则被假定将被转换为S偏振光的P偏振光照被原样发射，而不被转换为S偏振光，或者S偏振光被转换为不需要的P偏振光，然后被发射。结果，偏振转换效率降低，并且光量损失增大。图14示意性地在左边示出第一透镜阵列、偏振转换元件和入射光，在右边以放大的方式示出偏振光束分离器的被虚线包围的有效区域。
如第一实施例中所述的，光损失不仅发生在偏振转换元件13中。如果从第一蝇眼透镜11的透镜单元出射的光束的部分行进到第二蝇眼透镜12的对应透镜单元的有效区域外部，则光束的这些部分导致光损失。
透镜单元被设置为越接近外围部分，第一蝇眼透镜11的透镜单元在光轴方向上的厚度增大。因此，透镜单元被设置为越接近外围部分，第一蝇眼透镜11的透镜单元的主点以平移的方式朝向光源移位越多。如果第一蝇眼透镜11的所有透镜单元都具有相同的曲率半径，则透镜单元被设置为越接近外围部分，光束最多地会聚在离偏振转换元件13的有效区域越远的位置处。结果，分离光束在有效区域中的宽度增大，并且光损失发生。
一般来讲，偏振转换元件13的每个有效区域的大小被设置为第二蝇眼透镜12的对应透镜单元的有效区域的大小的大约一半。如第一实施例中所述的，光量损失根据分离光束的宽度δ与有效区域的大小的比率来确定。因此，当光束在偏振转换元件13的有效区域中的宽度与光束在第二蝇眼透镜12的透镜单元的有效区域中的宽度相同时，光量损失在偏振转换元件13的有效区域中变大。
由于这个原因，在本实施例中，第一蝇眼透镜11的透镜单元的曲率半径被设置为使得分离光束最多地会聚到偏振转换元件13的对应有效区域。更具体地讲，透镜单元被设置为越接近外围部分，第一蝇眼透镜11的透镜单元的曲率半径增大。以这种方式，可提供减小光量损失的照明光学系统。此外，因为第一蝇眼透镜11的透镜单元的曲面彼此连续，所以该照明光学系统能够减小分离光束在有效区域中的宽度，同时减小照明区域中的阴影的发生，并且提高生产蝇眼透镜的过程中的蝇眼透镜的产率。
现在，将描述曲率半径的示例性范围。偏振转换元件13在光轴方向上的厚度用d表示，偏振转换元件13的内部中心d/2在光轴方向上的位置被视为基准位置。如第一实施例中所述的，被具有被不适当设置的曲率半径的透镜单元分离的分离光束最多地会聚的位置相对于基准位置(其为内部中心d/2)用Δ2表示。位置Δ2在光轴方向上在基准位置的液晶显示元件侧取正值，在光轴方向上在基准位置的光源侧取负值。被根据第二实施例的第一蝇眼透镜11的、具有被适当设置的曲率半径的透镜单元分离的分离光束最多地会聚的位置用-B×Δ2表示。这里，理想情况是，第一蝇眼透镜11的透镜单元的曲率半径被设置为使得系数B满足以下表达式(4)：
0.5≤B≤1.5+(d/2)/Δ2...(4)
如第一实施例中所述的，考虑光量损失与光束在有效区域中的宽度δ相关联。这里，宽度δ用如下的表达式(5)表达：
δ＝|Δ2|·DF/fF...(5)
这里，fF表示第一蝇眼透镜11和第二蝇眼透镜12的组合焦距，DF表示第一蝇眼透镜11的透镜单元的有效直径。
当通过改变第一蝇眼透镜11的透镜单元的曲率半径而将Δ2设置为零时，光束在有效区域中的宽度δ变为零，因此照明效率变为最大。如果修正位置Δ2(从第一蝇眼透镜11的具有合适曲率半径的透镜单元出射的分离光束会聚在该位置处)变为更加远离零，则光束在有效区域中的宽度δ逐渐增大，从而光量损失增大。简而言之，系数B表示修正分离光束最多地会聚的位置的程度。
根据第二实施例的偏振转换元件13与根据第一实施例的第二蝇眼透镜10的不同之处在于偏振转换元件13在两侧具有有效区域，一个在入射侧，另一个在出射侧。考虑到偏振转换元件13的光量损失与Δ2的改变相关联地改变，光束在偏振转换元件13的入射侧有效区域和出射侧有效区域中的宽度δ中的较大宽度极大地影响光量损失。现在，考虑光束在偏振转换元件13的入射侧和出射侧有效区域中相对于基准位置的宽度。当分离光束的会聚点从正方向上的基准位置移位或者朝向液晶显示元件移位时，该光束在入射侧有效区域中的宽度增大，而该光束在出射侧有效区域中的宽度减小。这里，由于光束在入射侧有效区域中的宽度的增大而导致的几乎全部的光量损失都被消除。
由于这个原因，在分离光束的会聚点落在从偏振转换元件13的基准位置到在正方向上离基准位置距离为d/2远的位置的范围内时，获得基本一致的照明效率。因此，第二实施例中的照明效率被适当改进的范围从第一实施例的情况下的范围朝向液晶显示元件偏移d/2。鉴于这些事实，通过使用光束在入射侧和出射侧的宽度δ中的较大宽度相对于Δ2的改变的改变，获得表达式(4)。
即使当第一蝇眼透镜11的透镜单元的曲率半径在满足表达式(4)的范围中与其它因素无关地改变时，修正分离光束的会聚点Δ2的程度也不会变得太小或太大。因此，充分的照明效率是预期的。
在第二实施例中，仅第一蝇眼透镜11包括偏心透镜单元，但是取而代之，第二蝇眼透镜12可包括偏心透镜单元。可替换地，第一蝇眼透镜11和第二蝇眼透镜12都可包括偏心透镜单元。
第三实施例
图7A和图7B示出根据本发明的第三实施例的照明光学系统的示意图。图7A是第一截面(沿着图中的X-Z方向截取)的示意图，图7B是第二截面(沿着图中的Y-Z方向截取)的示意图。第一截面和第二截面都是沿着光轴方向截取的，并且彼此垂直。
从光源1发射的光被抛物面反射器2反射，并且变为基本平行光束。这些基本平行光束入射在会聚透镜8上，并且被会聚透镜8变为会聚光。该会聚光入射在第一蝇眼透镜14上。
构成第一蝇眼透镜14的透镜单元是偏心的，并且偏心量从光轴附近的透镜单元朝向外围部分中的透镜单元逐步增大。此外，透镜单元被设置为越接近外围部分，透镜单元在光轴方向上的厚度逐步增大，以使得透镜单元的曲面基本上彼此连续。
在从第一蝇眼透镜14的每个透镜单元出射的分离光束中，由于透镜单元偏心，该光束的经过透镜单元的中心的部分变为基本上平行于光轴。分离光束会聚到第二蝇眼透镜15的透镜单元中的对应透镜单元。从第二蝇眼透镜15出射的多个分离光束被聚光透镜6叠加在液晶显示元件7上。
现在，论述沿着光轴截取的并且彼此垂直的两个截面中的图7A的第一截面。在第一截面中，偏振光束分离器的偏振分离膜和偏振转换元件13的半波片沿着第一截面(在X-Y方向上)布置。这里，第一蝇眼透镜14的透镜单元的曲率半径应该被设置为使得分离光束最多地会聚到偏振转换元件13的有效区域。
如果第一蝇眼透镜14的所有透镜单元都具有相同的曲率半径，则一般来讲，第一蝇眼透镜的透镜单元被设置为越接近外围部分，光束最多地会聚的位置将离偏振转换元件13的有效区域越远。结果，分离光束在有效区域中的宽度增大，并且光损失发生。
因此，在第三实施例中，第一蝇眼透镜14的透镜单元的曲率半径被设置为使得被设置为越接近外围部分的透镜单元具有越大的曲率半径，以便分离光束最多地会聚在第一截面中偏振转换元件13的有效区域中。
现在，论述沿着光轴截取的并且彼此垂直的两个截面中的图7B的第二截面。在第二截面中，对于偏振光束分离器的偏振分离膜和偏振转换元件13的半波片，没有观察到效果，并且不存在如第一截面中所包括的有效区域那样的有效区域。这里，第一蝇眼透镜14的透镜单元的曲率半径应该被设置为使得分离光束最多地会聚到第二蝇眼透镜15的透镜单元的有效区域。
如果第一蝇眼透镜14的所有透镜单元都具有相同的曲率半径，则第一蝇眼透镜的透镜单元被设置为越接近外围部分，光束最多地会聚在离第二蝇眼透镜15的透镜单元的有效区域越远的位置处。结果，分离光束在有效区域中的宽度增大，并且光损失发生。
在第三实施例中，第一蝇眼透镜14的透镜单元的曲率半径被设置为使得被设置为越接近外围部分的透镜单元具有越大的曲率半径，以便分离光束最多地会聚在第二截面中第二蝇眼透镜15的透镜单元的有效区域中。
如上所述，可提供可减小光量损失的照明光学系统。更具体地讲，可通过减小分离光束在对应有效区域中的宽度来减小光量损失，同时减小照明区域中的阴影的发生，并且提高生产蝇眼透镜的过程中的蝇眼透镜的产率。
通过关注分离光束的会聚点(其影响光量损失的减小)对于不同截面不同的事实，在第三实施例中可通过形成具有对于第一截面和第二截面不同的曲率半径的偏心透镜单元来获得减小光量损失的另一效果。
在第三实施例中，仅第一蝇眼透镜14包括偏心透镜单元，但是取而代之，第二蝇眼透镜15可包括偏心透镜单元。可替换地，第一蝇眼透镜14和第二蝇眼透镜15都可包括偏心透镜单元。
即使在透镜单元在第一截面与第二截面之间具有不同偏心量的情况下，也可获得本实施例的以上效果。
第四实施例
图8是示出根据本发明的第四实施例的照明光学系统的示意图。从光源1发射的光被抛物面反射器2反射，并且变为基本平行光束。这些基本平行光束入射在会聚透镜8上，并且被会聚透镜8变为会聚光。该会聚光入射在第一蝇眼透镜16上。
构成第一蝇眼透镜16的透镜单元是偏心的，并且偏心量从光轴附近的透镜单元朝向外围部分中的透镜单元逐步增大。此外，透镜单元被设置为越接近外围部分，透镜单元在光轴方向上的厚度逐步增大，以使得透镜单元的曲面基本上彼此连续。
构成第一蝇眼透镜16的透镜单元的曲面面对第二蝇眼透镜17。第一蝇眼透镜16的透镜单元被设置为从光轴中心越接近外围部分，第一蝇眼透镜16的透镜单元与第二蝇眼透镜17的对应透镜单元之间的距离逐步减小。
在入射在第一蝇眼透镜16的每个透镜单元上并且被该透镜单元分离的分离光束中，由于透镜单元偏心，该光束的经过透镜单元的中心的部分变为基本上平行于光轴。分离光束会聚到第二蝇眼透镜17的透镜单元中的对应透镜单元。
从第二蝇眼透镜17出射的多个分离光束被聚光透镜6叠加在液晶显示元件7上。
如果第一蝇眼透镜16的所有透镜单元(从光轴附近的透镜单元到外围部分附近的透镜单元)都具有相同的曲率半径，则第一蝇眼透镜16的透镜单元被设置为越接近外围部分，分离光束最多地会聚在离第二蝇眼透镜16的透镜单元的有效区域越远的位置处。结果，分离光束在有效区域中的宽度增大，并且照明效率降低。
在第四实施例中，第一蝇眼透镜16的透镜单元的曲率半径被设置为使得被设置为越接近外围部分的透镜单元具有越小的曲率半径，以便分离光束最多地会聚在第二蝇眼透镜17的透镜单元的有效区域中。换句话讲，第一蝇眼透镜16的至少两个透镜单元的曲率半径被设置为使得分离光束在透镜单元的光轴方向上在第二蝇眼透镜17的透镜单元中的对应透镜单元的曲面的表面顶点和第二蝇眼透镜17的对应透镜单元与相邻的透镜单元接触的接触点之间形成光源1的图像。通过该设置，可减小分离光束在有效区域中的宽度，因此可提高照明效率。
这里，分离光束在该光束最多地会聚的位置处形成光源1的图像，并且其成像倍率与第一蝇眼透镜16的焦距成比例。在第四实施例中，透镜单元被设置为越接近外围部分，第一蝇眼透镜16的透镜单元的曲率半径越小，或者第一蝇眼透镜16的透镜单元的焦距越短。因此，第一蝇眼透镜16的透镜单元形成光源1的图像的成像倍率小于所有透镜单元都具有相同的曲率半径的情况下的成像倍率。也就是说，在第四实施例中，减小光束在有效区域中的宽度的效果通过下述方式获得，即，不仅适当地设置曲率半径，而且还减小形成光源1的图像的成像倍率。
如上所述，可提供可提高照明效率的照明光学系统。更具体地讲，可通过减小分离光束在对应有效区域中的宽度来提高照明效率，同时减小照明区域中的阴影的发生，并且提高生产蝇眼透镜的过程中的蝇眼透镜的产率。
第五实施例
图9是示出根据本发明的第五实施例的照明光学系统的示意图。从光源1发射的光被抛物面反射器2反射，并且变为基本平行光束。这些基本平行光束入射在会聚透镜8上，并且被会聚透镜8变为会聚光。该会聚光入射在第一蝇眼透镜18上。
构成第一蝇眼透镜18的透镜单元是偏心的，并且偏心量从光轴附近的透镜单元朝向外围部分中的透镜单元逐步增大。此外，透镜单元被设置为越接近外围部分，透镜单元在光轴方向上的厚度逐步增大，以使得透镜单元的曲面基本上彼此连续。
构成第一蝇眼透镜18的透镜单元的曲面面对第二蝇眼透镜19。透镜单元被设置为从光轴中心越接近外围部分，第一蝇眼透镜16的透镜单元与第二蝇眼透镜17的对应透镜单元之间的距离逐步减小。
在入射在第一蝇眼透镜18的每个透镜单元上并且被该透镜单元分离的分离光束中，由于透镜单元偏心，该光束的通过透镜单元中心的部分变为基本上平行于光轴。分离光束会聚到偏振转换元件13的对应有效区域。
从偏振转换元件13出射的多个分离光束被聚光透镜6叠加在液晶显示元件7上。
如果第一蝇眼透镜的所有透镜单元都具有相同的曲率半径，则第一蝇眼透镜18的透镜单元被设置为越接近外围部分，光束最多地会聚在离偏振转换元件13的有效区域越远的位置处。结果，分离光束在有效区域中的宽度增大，并且照明效率降低。
在第五实施例中，第一蝇眼透镜18的透镜单元(从光轴中心附近的透镜单元到外围部分中的透镜单元)的曲率半径被设置为使得被设置为越接近外围部分的透镜单元具有越小的曲率半径，以便分离光束最多地会聚在偏振转换元件13的有效区域中。通过该设置，可减小分离光束在有效区域中的宽度，因此可提高照明效率。
这里，分离光束在该光束最多地会聚的位置处形成光源1的图像，并且针对分离光束通过第二蝇眼透镜19形成图像的情况的其成像倍率与第一蝇眼透镜18和第二蝇眼透镜19的组合焦距成比例。第一蝇眼透镜18和第二蝇眼透镜19的组合焦距fF通过以下表达式(6)确定：
fF＝f1×f2/{f1+f2-(L-α)}...(6)
这里，f1和f2分别表示第一蝇眼透镜和第二蝇眼透镜的焦距。L表示针对第一蝇眼透镜的透镜单元和第二蝇眼透镜的对应透镜单元不经过厚度修正的情况的第一蝇眼透镜的透镜单元与第二蝇眼透镜的对应透镜单元的主点之间的距离，该距离由偏心引起。另外，α表示透镜单元之间的距离的改变量，该改变量由厚度修正引起。每个指代字符表示关于第一蝇眼透镜和第二蝇眼透镜的透镜单元的组合的概况性关系，并且不限于透镜单元的特定组合。
一般来讲，第二蝇眼透镜的焦距f2被分配给透镜单元之间的距离。因此，表达式(6)变为：
fF＝f1×f2/{f1+f2-(f2-α)}＝f1/(f1+α)×f2...(7)
在第五实施例中，透镜单元被设置为越接近外围部分，第一蝇眼透镜18的透镜单元的曲率半径越小，或者第一蝇眼透镜18的透镜单元的焦距f1越短。焦距f1通过在组合焦距减小的这样的方向上减小表达式(7)中的f2的系数f1/(f1+α)来改变。因此，由第一蝇眼透镜和第二蝇眼透镜的透镜单元形成的光源1的图像变得小于所有透镜单元都具有相同的曲率半径的情况下的图像。也就是说，在第五实施例中，减小光束在有效区域中的宽度的效果通过下述方式获得，即，不仅修正有效区域的位置与分离光束最多地会聚的位置之间的距离，而且还减小形成光源1的图像的成像倍率。
如上所述，可提供可提高照明效率的照明光学系统。更具体地讲，可通过减小分离光束在对应有效区域中的宽度来提高照明效率，同时减小照明区域中的阴影的发生，并且提高生产蝇眼透镜的过程中的蝇眼透镜的产率。
在第五实施例中，即使第一蝇眼透镜的透镜单元的曲率半径从光轴附近的透镜单元朝向外围部分中的透镜单元逐步增大，也将获得相同的效果。
第六实施例
图10是示出使用根据第一实施例的照明光学系统的图像投射装置的示意图。图10示出光源1、抛物面反射器2、会聚透镜8、第一蝇眼透镜9、第二蝇眼透镜10、聚光透镜(光学元件)6、液晶显示元件7、偏振光束分离器20和投射透镜(光学投射单元)21。第一蝇眼透镜9通过按矩阵布置具有与液晶显示元件7类似的外形的矩形透镜单元而形成。第二蝇眼透镜10包括与第一蝇眼透镜9的透镜单元对应的多个透镜单元。
在第六实施例中，采用反射型液晶显示元件。液晶显示元件7被根据第一实施例的照明光学系统高效率地照明。这里，被设置在反射型液晶显示面板7前面的偏振光束分离器20仅允许从光源1发射的光的P偏振分量经过它到达反射型液晶显示面板7。其偏振状态受反射型液晶显示面板7控制的光的S偏振分量被偏振光束分离器20反射，并且被投射透镜21以放大的方式投射在投射平面(屏幕)上。
这里，偏振转换元件可被设置到第二蝇眼透镜10的后面，以提高照明效率。此外，液晶显示元件不限于反射型液晶显示元件，取而代之，可以是透射型液晶显示元件。
如上所述，根据本发明的第一实施例至第六实施例，因为偏心透镜单元的曲率半径被适当地设置，所以可减小光量损失。
在根据本发明的实施例的第一蝇眼透镜的任何两个透镜单元的表面顶点的位置之间的差之中，最大差用gapmax表示。在第一蝇眼透镜的透镜单元与第二蝇眼透镜的对应透镜单元的表面顶点之间的距离之中，最短距离用Lmin表示。这里，为了如实施例中可获得的效果那样充分提高照明效率，优选地，满足gapmax＞Lmin/20。
更优选地，满足Lmin/5＞gapmax＞Lmin/20。
光轴方向上的根据本发明的实施例的第一蝇眼透镜的任何两个透镜单元的焦点(在这些焦点处，光束的直径最小)之间的差用fgap表示。这里，优选地，满足fgap＜Lmin/10。换句话讲，优选地，fgap不包括第一蝇眼透镜的任何两个透镜单元的焦点之间的差中的最大差。更优选地，满足fgap＜Lmin/20。
此外，在图1、图7B、图8和图10中，光轴方向上的第一蝇眼透镜的透镜单元的焦点与第二蝇眼透镜的对应透镜单元的表面顶点之间的距离的平均值用d1ave表示。这里，优选地，满足d1ave＜Lmin/10。更优选地，满足d1ave＜Lmin/20。
光轴方向上的第一蝇眼透镜的透镜单元的焦点与第二蝇眼透镜的对应透镜单元的表面顶点之间的距离中的最大距离用d1max表示。这里，优选地，满足d1max＜Lmin/5。更优选地，满足d1max＜Lmin/10。
在图5、图7A和图9中，光轴方向上的第一蝇眼透镜和第二蝇眼透镜的透镜单元的焦点与偏振转换元件在光轴方向上的中心线(例如，图6B和图6C中虚线所指示)上的对应位置之间的距离的平均值用d2ave表示。这里，优选地，满足d2ave＜Lmin/10。更优选地，满足d2ave＜Lmin/20。
光轴方向上的第一蝇眼透镜和第二蝇眼透镜的透镜单元的焦点与偏振转换元件在光轴方向上的中心线(例如，图6B和图6C中虚线所指示)上的对应位置之间的距离中的最大距离用d2max表示。这里，优选地，满足d2max＜Lmin/5。更优选地，满足d2max＜Lmin/10。
在以上不等式中，偏振转换元件在光轴方向上的中心线上的每个位置可与下述位置互换，在该位置处，光束的经过第二蝇眼透镜的平行于光轴的中心的部分入射在偏振转换元件的偏振分离膜(光束的所述部分的光路和偏振分离膜彼此相交的位置)上。
在第一实施例和第二实施例中，蝇眼透镜具有下述结构，在该结构中，透镜单元被布置为使得透镜单元的曲率半径相对于与光轴相交并且与y轴平行的第一轴是对称的。然而，本发明不限于这种结构，并且透镜单元的曲率半径可相对于第一轴是非对称的。另外，透镜单元的曲率半径可相对于与光轴相交并且与x轴平行的第二轴是非对称的。
在第一实施例和第二实施例中，描述了具有两维布置的透镜单元的蝇眼透镜。然而，减小光量损失的效果甚至可通过采用一维柱面蝇眼透镜来获得。在这种情况下，仅需要例如将柱面透镜阵列中的两个柱面透镜的曲率半径设置为使得分离光束会聚在合适的位置处。
另外，并非被第一轴或第二轴分割的一半区域中的所有透镜单元都必须具有不同的曲率半径。只要至少两个透镜单元的曲率半径被适当地设置，就可减小光量损失。
在另一个实施例中，第二透镜阵列可包括偏心透镜单元。如果第二透镜阵列包括偏心透镜单元并且透镜单元的曲面彼此连续，则透镜的主点根据偏心形状移位。例如，如果透镜单元均具有偏心形状以使得透镜单元在光源侧具有平面、在液晶显示元件侧具有凹面，则被设置为离光轴较远的透镜单元的主点离液晶显示元件越近。另一方面，如果透镜单元均具有偏心形状以使得每个透镜单元在光源侧具有平面、在液晶显示元件侧具有凸面，则被设置为离光轴较远的透镜单元的主点离光源越近。即使在本实施例中，其它实施例的效果也可通过下述方式获得，即，使第一透镜阵列的两个透镜单元具有不同的曲率半径，以使得光束最多地会聚到第二透镜阵列的透镜单元的主平面。换句话讲，第一透镜阵列的透镜单元的偏心量可被设置为使得被第一透镜阵列分离的分离光束最多地会聚在第二透镜阵列的偏心透镜单元的主平面上或周围的位置处。例如，可采用按从光源侧起的顺序包括椭圆反射器、负透镜、第一透镜阵列和第二蝇眼透镜的照明光学系统，第一透镜阵列在光源侧具有凸面，在液晶显示元件侧具有平面，第二蝇眼透镜在光源侧具有平面，在液晶显示元件侧具有凹面。即使在这种情况下，其它实施例的效果也可通过下述方式获得，即，使第一透镜阵列的两个透镜单元具有不同的曲率半径，以使得分离光束最多地会聚到第二透镜阵列的透镜单元的主平面。
在另一个实施例中，第一透镜阵列的透镜单元在与根据第一实施例的第一透镜阵列的透镜单元偏心的方向相反的方向上偏心，并且偏振转换元件被设置在比第一透镜阵列更接近液晶显示元件的一侧。在这种情况下，透镜单元被偏心为使得设置在第一透镜阵列外侧的透镜单元朝向照明光学系统的光轴偏心的程度大于第一透镜阵列内侧的透镜单元。换句话讲，这是下述情况，即，外侧透镜单元的曲面的曲率半径相对于透镜单元的间距的中间位置朝向照明光学系统的光轴偏移的程度大于内侧透镜单元。在这种情况下，外侧透镜单元的厚度需要小于内侧透镜单元的厚度，以使得相邻透镜单元的曲面彼此连续。这里，第一透镜阵列与第二透镜阵列的外侧透镜单元的主平面之间的距离小于第一透镜阵列与第二透镜阵列的内侧透镜单元的主平面之间的距离。在本发明的本实施例中，在第一透镜阵列中的至少两个透镜单元(每个具有与相邻透镜单元的曲面连续的曲面)之中，被设置为从照明光学系统的光轴更向外的外侧透镜单元具有比被设置为更接近光轴的内侧透镜单元的曲率半径小的曲率半径。通过该设置，使得从所述至少两个透镜单元出射的分离光束的会聚点不是那么可能由于第一透镜阵列的透镜单元的偏心而导致位移。因此，可提高照明效率。
在另一个实施例中，第一透镜阵列不包括偏心透镜单元，第二透镜阵列包括至少两个透镜单元，每个透镜单元具有与相邻透镜单元的曲面连续的曲面。即使在本实施例中，提高照明效率的效果也可通过下述方式获得，即，使第一透镜阵列的至少两个透镜单元的曲率半径彼此不同，以使得分离光束最多地会聚到第二透镜阵列的透镜单元的主平面。
虽然到此为止描述了本发明的实施例，但是本发明不限于这些实施例。在本发明的要点的范围内，可进行各种改变和修改，或者可组合实施例。
尽管已参照示例性实施例描述了本发明，但是应该理解本发明不限于所公开的示例性实施例。应该给予以下权利要求的范围以最广泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (12)

1.一种照明光学系统，包括：
第一透镜阵列，其包括将从光源发射的光束分离为多个光束的多个透镜单元；
第二透镜阵列，其包括被所述第一透镜阵列的透镜单元分离的光束所入射于的透镜单元；和
光学元件，其被构造为通过将从所述第二透镜阵列出射的光束叠加在图像显示元件上来照明所述图像显示元件，
其中，所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列中的至少一个包括至少两个透镜单元，每个透镜单元具有被形成为与相邻透镜单元的曲面连续的曲面，所述至少两个透镜单元是偏心的，
其特征在于，在所述至少两个透镜单元偏心的截面中，所述第一透镜阵列的至少两个透镜单元具有不同的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的照明光学系统，
其中，所述第一透镜阵列包括至少两个透镜单元，每个透镜单元具有被形成为与相邻透镜单元的曲面连续的曲面，所述至少两个透镜单元是偏心的，并且
其中，在所述至少两个透镜单元偏心的截面中，所述至少两个透镜单元具有不同的曲率半径。
3.根据权利要求1或2所述的照明光学系统，其中，在具有不同曲率半径的所述至少两个透镜单元之中，被设置为离所述第二透镜阵列的光轴较远的透镜单元具有比被设置为离所述第二透镜阵列的光轴较近的透镜单元的曲率半径大的曲率半径。
4.根据权利要求2所述的照明光学系统，其中，所述具有不同曲率半径的所述至少两个透镜单元的曲率半径被设置为使得被所述至少两个透镜单元分离的光束每个在所述透镜单元的光轴方向上在所述第二透镜阵列的透镜单元中的对应透镜单元的曲面的表面顶点和所述对应透镜单元与相邻透镜单元相接触的接触点之间形成所述光源的图像。
5.根据权利要求1或2所述的照明光学系统，其中，所述具有不同曲率半径的所述至少两个透镜单元的曲率半径被设置为使得被所述至少两个透镜单元分离的光束每个最多地会聚在所述第二透镜阵列的透镜单元中的对应透镜单元的主平面处。
6.根据权利要求1或2所述的照明光学系统，其中，所述第一透镜阵列的每个透镜单元是偏心的。
7.根据权利要求1或2所述的照明光学系统，其中，所述第一透镜阵列在光源侧具有凹面。
8.根据权利要求1或2所述的照明光学系统，还包括：
偏振转换元件，其使从所述第二透镜阵列出射的光束偏振到一致的偏振方向，
其中，所述具有不同曲率半径的所述至少两个透镜单元的曲率半径被设置为使得被所述至少两个透镜单元分离的光束最多地会聚到所述偏振转换元件的内部。
9.根据权利要求8所述的照明光学系统，其中，当所述偏振转换元件在厚度方向上的中心被视为基准位置时，所述具有不同曲率半径的所述至少两个透镜单元的曲率半径被设置为使得被所述至少两个透镜单元分离的光束最多地会聚在所述基准位置处，所述厚度方向为所述照明光学系统的光轴方向。
10.根据权利要求8所述的照明光学系统，其中，当在布置所述偏振转换元件的多个偏振分离膜的方向上截取的截面被视为第一截面、沿着所述照明光学系统的光轴截取的并且与所述第一截面垂直的截面被视为第二截面时，被所述至少两个透镜单元中的每个分离的光束在所述第二截面中最多地会聚的位置比被所述至少两个透镜单元中的每个分离的光束在所述第一截面中最多地会聚的位置更接近所述光源。
11.根据权利要求10所述的照明光学系统，其中，所述至少两个透镜单元在所述第二截面中的曲率半径小于所述至少两个透镜单元在所述第一截面中的曲率半径。
12.一种图像投射装置，包括：
根据权利要求1所述的照明光学系统，其被构造为用从所述光源发射的光照明图像显示元件；和
投射光学系统，其被构造为将由所述图像显示元件形成的图像投射在投射平面上。
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