CN104865781A - 照明装置及投影机 - Google Patents

Abstract

本发明提供可抑制由安装偏差引起的照明效率的降低的照明装置及投影机。照明装置具备：具有至少一个固体光源的光源部；设置在衍射光学部件的下级的包括多个透镜的多透镜阵列；设置在多透镜阵列的下级的重叠光学系统。衍射光学部件将来自光源部的光以与多个透镜对应的方式分割为多个部分光束，部分光束的各个入射于对应的透镜。透射多透镜阵列的多个部分光束的各个通过重叠光学系统在被照明区域相互重叠。

Description

照明装置及投影机

技术领域

本发明涉及照明装置及投影机。

背景技术

投影机用光调制装置根据图像信息调制从光源部出射的光，将获得的图像用投影透镜放大投影。近年，作为这样的投影机中采用的照明装置的光源，可获得高辉度且高输出的光的半导体激光器(LD)等的激光光源受到关注。

作为具备由这样的激光光源构成的照明装置的投影机，已知有为了减少干涉条纹而采用衍射光学元件的技术(例如，参照下述专利文献1)。

【专利文献1】特开2012-9872号公报

发明内容

但是，上述照明装置中，若产生激光光源和/或准直透镜的安装偏差，则从激光光源到衍射光学元件的入射光的主光线的方向偏离。因此，存在被照明区域显著偏离、照明效率降低的问题。

本发明鉴于这样的问题而提出，目的是提供：可抑制由安装偏差引起的照明效率的降低的照明装置及投影机。

根据本发明的第1方式，提供一种照明装置，具备具有至少一个固体光源的光源部，具备：具备多个区域的衍射光学部件；设置在上述衍射光学部件的下级，具有与上述多个区域一一对应的多个透镜的多透镜阵列；以及设置在上述多透镜阵列的下级的重叠光学系统；上述衍射光学部件通过上述多个区域将从上述光源部入射的光束分割为多个部分光束，上述多个部分光束的各个入射于上述多个透镜中的对应的透镜，透射上述多透镜阵列的上述多个部分光束的各个经由上述重叠光学系统重叠照明预定的面上的预定的区域，上述多个区域分别与上述预定的区域光学性共轭。

根据第1方式所涉及的照明装置的构成，来自光源部的光分割为多个部分光束，多个部分光束的各个入射于多个透镜中的对应的透镜。而且，透射多透镜阵列的多个部分光束的各个通过重叠光学系统在被照明区域相互重叠。从而，例如，即使在光源部的安装时的对准方面产生偏差、使得向衍射光学部件的入射角偏离的情况下，也可以防止被照明区域移动。因此，可提供：光源部的光可以高效照射被照明区域、并且不要求高对准精度的可靠性高的照明装置。另外，由衍射光学部件使得各透镜跨宽区域地被比较均一地照明，因此可提供斑点减少的照明装置。

上述第1方式中，也可以为下述构成：上述多个透镜至少在上述衍射光学部件的衍射方向上具有折射能力。

根据该构成，光的衍射方向及折射方向一致，因此来自光源部的光的光轴的对准变得容易。

上述第1方式中，也可以为下述构成：上述衍射光学部件以对上述多个部分光束进行整形的方式构成。

根据该构成，可以通过对多个部分光束整形，使其可靠地入射于被照明区域。

上述方式中，也可以为下述构成：上述多个部分光束中的第1部分光束由上述多个区域中的第1区域生成，以下述方式构成上述第1区域：使得上述第1部分光束入射于上述多个透镜中的对应的第1透镜时，上述第1部分光束的截面形状与由上述第1区域刚生成后的截面形状相比，接近上述第1透镜的外形。

根据该构成，可使第1部分光束以放大的状态入射于第1透镜。

上述第1方式中，也可以为下述构成：在上述光源部及上述衍射光学部件之间，配置至少一个准直透镜。

根据该构成，可以由准直透镜使来自光源部的光平行化，因此，可以使从衍射光学部件出射的光高效入射于期望的透镜。

根据本发明的第2方式，提供一种投影机，具备：照射照明光的照明装置；根据图像信息调制上述照明光，形成图像光的光调制装置；以及投射上述图像光的投射光学系统，作为上述照明装置，采用上述第1方式所涉及的照明装置。

根据第2方式所涉及的投影机的构成，具备上述的照明装置，因此，本投影机本身也可抑制照明效率的降低并减少斑点，从而可进行图像品质优的显示。

附图说明

图1是投影机的概略构成的示图。

图2是照明装置的概略构成的示图。

图3(a)是衍射光学部件和由衍射光学部件刚刚生成后的部分光束LL1的截面的示图，(b)是多透镜阵列和入射于多透镜阵列的部分光束的截面的示图，(c)是在光入射面形成的照射图形的图。

图4是用于说明照明装置的作用的图。

图5(a)是入射角对照明区域的影响的示图，(b)是用于说明现有技术中的照明裕量的图。

【符号的说明】

2…阵列光源(光源部)，2a…半导体激光器(固体光源)，3a…准直透镜，4…衍射光学部件，5…多透镜阵列，5a…透镜，6…衍射光学元件(区域)，7…重叠光学系统，100…投影机，101B、101G、101R…照明装置，102R、102G、102B…光调制装置，104…投射光学系统，LL…光束(来自光源部的光)，LL1…部分光束，102R1…光入射面(预定的区域)，CA…区域。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。

另外，以下的说明所采用的附图为了容易地理解特征，有时为了方便放大显示成为特征的部分，各构成要素的尺寸比率等未必与实际相同。

(投影机)

首先，说明图1所示的投影机100的一例。

另外，图1是表示投影机100的概略构成的俯视图。

本实施方式所涉及的投影机100是在屏幕(被投射面)上显示彩色影像(图像)的投射型图像显示装置。另外，作为该投影机100具备的照明装置的光源，采用可获得高辉度、高输出的光的半导体激光器(LD)等的激光光源。

具体地说，投影机100具备：照明装置101R、101G、101B；光调制装置102R、102G、102B；合成光学系统103；投射光学系统104。

照明装置101R、101G、101B分别出射与红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的各色对应的激光(照明光)。

如后述，照明装置101R、101G、101B除了采用与红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的各色对应的半导体激光器作为光源以外，具有基本相同构成。各照明装置101R、101G、101B向各光调制装置102R、102G、102B照射照明光。

光调制装置102R、102G、102B根据图像信号分别调制来自各照明装置101R、101G、101B的激光，形成与各色对应的图像光。

光调制装置102R、102G、102B包括液晶光阀(液晶面板)，分别形成根据图像信息调制与各色对应的照明光而得的图像光。另外，在各光调制装置102R、102G、102B的入射侧及出射侧，配置偏振板(未图示)。

合成光学系统103合成来自各光调制装置102R、102G、102B的图像光。

合成光学系统103包括十字分色棱镜，入射来自各光调制装置102R、102G、102B的图像光。合成光学系统103合成与各色对应的图像光，将该合成的图像光向投射光学系统104出射。

投射光学系统104包括投射透镜组，将合成光学系统103合成的图像光向屏幕SCR放大投射。从而，在屏幕SCR上显示放大的彩色影像(图像)。

(照明装置)

接着，说明照明装置101R、101G、101B的具体构成。

另外，如上所述，照明装置101R、101G、101B除了采用与红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的各色对应的半导体激光器作为光源以外，是基本相同的构成。

从而，在以下的说明中，以照明装置101R为例说明其构成，省略照明装置101G、101B的详细说明。

图2是照明装置101R的概略构成的示图。

照明装置101R如图2所示，具备：阵列光源(光源部)2；准直光学系统3；衍射光学部件4；多透镜阵列5；重叠光学系统7。

阵列光源2具备在与光轴正交的面内二维排列的多个半导体激光器(固体光源)2a。另外，从各半导体激光器2a出射的光是相干的直线偏振的光，相互平行地出射。

各半导体激光器2a出射具有预定的偏振方向的红色的激光L1。激光L1在与其光轴正交的平面内观察的截面形状为椭圆。

另外，在照明装置101G中，各半导体激光器2a对准直光学系统3的光入射面出射具有预定的偏振方向的绿色光，在照明装置101B中，各半导体激光器2a对准直光学系统3的光入射面出射具有预定的偏振方向的蓝色光。本实施方式中，从各照明装置101R、101G、101B中的各半导体激光器2a分别出射的光的偏振方向成为相互相同。

准直光学系统3包括与各半导体激光器2a一一对应地配置的多个准直透镜3a。从各半导体激光器2a出射的激光L1的光线束通过入射于各准直透镜3a而变换为平行光后，入射于衍射光学部件4。

图3(a)是表示衍射光学部件4和由衍射光学部件4刚刚生成后的部分光束LL1的截面的示图。本实施方式中，衍射光学部件4具备多个区域CA。各区域CA包括衍射光学元件6而构成。本实施方式中，例如16个区域CA排列为4行4列。光调制装置102R具有光入射面(被照明区域)102R1。本发明中，包含光入射面102R1的面相当于预定的面。区域CA(衍射光学元件6)的形状与光调制装置102R的光入射面102R1的形状相似。

各衍射光学元件6包括计算机合成全息图(CGH:Computer GeneratedHologram)而构成。衍射光学元件6包括在包含例如石英(玻璃)和/或合成树脂等的光透射性材料的基体材料的表面具有通过计算机设计的微细凹凸结构的表面浮雕型的全息图元件。另外，衍射光学元件6是利用衍射现象变换入射光的波面的波面变换元件。特别地，在相位调制型的CGH中，可以在几乎不损失入射光波的能量的情况下进行波面变换。从而，CGH可以使得均一的强度分布和/或简单形状的强度分布产生。

衍射光学元件6可以通过适当调整包括凹部的宽度及凹部的深度(凸部的高度)的设计条件，使衍射元件图形具有期望的漫射功能。另外，作为优化衍射元件图形的设定条件的方法，例如可以举迭代傅里叶法等的运算方法。

多透镜阵列5具有与各衍射光学元件6对应地配置为4行4列的多个微透镜5a(以下简称透镜5a)。各透镜5a由透镜基体材料5b一体保持。各透镜5a至少在衍射光学元件6的衍射方向上具有折射能力。这样，光的衍射方向及折射方向一致，因此来自阵列光源2的光的光轴的对准变得容易。

重叠光学系统7包括重叠透镜7a和场透镜7b这2块透镜而构成。

本实施方式中，阵列光源2具备8个半导体激光器2a，光束LL包括8束激光L1而构成。为了均一照明光入射面102R1，如图3(a)所示，激光L1以跨相邻的2个衍射光学元件6的方式构成。入射于衍射光学部件4的光束LL由多个衍射光学元件6分割为与多透镜阵列5的各透镜5a对应的多个部分光束LL1。

图2是包含图3(a)的截面A-A'的照明装置101R的截面。本实施方式中，16个衍射光学元件6排列为4行4列，8束激光L1排列为图3(a)所示的方式，但是不限于此。可以适当变更衍射光学元件6的个数、半导体激光器2a的个数、衍射光学元件6的排列及激光L1的排列。半导体激光器2a也可以是一个。衍射光学元件6(区域CA)至少有2个即可。衍射光学元件6的长度方向和激光L1的截面形状中的椭圆的长轴方向的关系也可以适当变更。

图3(b)是表示多透镜阵列5和入射于多透镜阵列5的部分光束LL1的截面的示图。例如，部分光束LL1x(第1部分光束)由衍射光学元件6x(第1区域)生成。衍射光学元件6x及部分光束LL1x与透镜5ax(第1透镜)对应。如图3(a)所示，部分光束LL1x刚刚由衍射光学元件6x生成后包括2个光束，但是入射透镜5ax时，如图3(b)所示，以照射透镜5ax的比较广的区域的方式，由衍射光学元件6x整形。

具体地说，以下述方式构成衍射光学元件6x：在部分光束LL1x入射于透镜5ax时，部分光束LL1x的截面形状与刚刚由衍射光学元件6x生成后(参照图3(a))的截面形状相比，接近透镜5ax的外形。

透射多透镜阵列5后的多个部分光束LL1的各个通过重叠光学系统7在光入射面102R1相互重叠。光入射面102R1相当于本发明中被重叠照明的预定的区域。

图3(c)是在光入射面102R1形成的照射图形的例。这里，说明由衍射光学元件6x刚刚生成后的部分光束LL1x和在光入射面102R1形成的照射图形LL1x'的关系。多透镜阵列5的各透镜5a和重叠光学系统7，在光调制装置102R的光入射面(被照明区域)102R1与上述衍射光学元件6的各区域CA之间构成光学性共轭的关系。从而，如图3(a)、(c)所示，由部分光束LL1x在光入射面102R1形成的照射图形LL1x'与由衍射光学元件6x刚刚生成后的部分光束LL1x的截面形状相似。同样，由部分光束LL1y在光入射面102R1形成的照射图形LL1y'与由衍射光学元件6y刚刚生成后的部分光束LL1y的截面形状相似。由其他部分光束LL1在光入射面102R1形成的照射图形也同样。这样，与多个部分光束LL1相似的多个照射图形在光入射面102R1相互重叠，从而使光入射面102R1被均一照明。

图4是用于说明本实施方式所涉及的照明装置101R的作用的图。

图5是用于说明现有构成所涉及的照明装置200来作为比较的图，图5(a)是对衍射光学元件的入射角对被照明区域造成的影响的示图，图5(b)是用于说明现有技术中的照明裕量的图。

另外，图4中，在阵列光源2(半导体激光器2a)和准直光学系统(准直透镜3a)的对准无偏离的情况下，将对衍射光学部件4入射的光束LL中的一部分光束LL2用实线表示，在对准产生偏离的情况下，将对衍射光学部件4入射的光束LL中的一部分光束LL3用虚线表示。

根据本实施方式所涉及的照明装置101R，光调制装置102R的光入射面102R1和衍射光学元件6的区域CA成为共轭关系。从而，例如，即使阵列光源2或者准直光学系统3的对准偏离、向衍射光学部件4的光(光束LL2及光束LL3)的入射角变化，也可以防止光入射面102R1中被照明的区域偏离。即，可以对光入射面102R1可靠地入射照明光。

另外，由于对阵列光源2及准直光学系统3的对准不必要求高精度，因此，装置的组装操作变得容易，结果可以降低制造成本。

而且，如果阵列光源2及准直光学系统3的对准偏离、如图4所示地向衍射光学部件4(各衍射光学元件6)的光的入射角仅仅变化θ，则透镜5a上的照明区域仅仅移动fm×tanθ。另外，fm是透镜5a的焦距。

相对于此，也如图3(b)所示，以使得透镜5a被照射的区域相对于透镜5a的外形具有裕量的方式，设计衍射光学元件6即可。即，按由对准偏离产生的照明区域的移动量确保裕量即可。从而，即使在对准产生偏离的情况下，也可以使来自衍射光学元件6的部分光束LL1可靠地入射各透镜5a。

另一方面，在不具备由衍射光学元件4A分割来自光源部的光后的分割光束进行入射的多透镜阵列5(各透镜5a)的现有的照明装置200中，如图5(a)所示，向衍射光学元件4A的光(光束LL2及LL3)的入射角按θ变化时，光调制装置102R的光入射面102R1上的被照明区域SA按fc×tanθ移动。另外，fc是重叠光学系统7的焦距。

这里，在设准直光学系统3(准直透镜3a)的焦距为5mm、重叠光学系统7的焦距fc为150mm、阵列光源2及准直光学系统3中的对准偏离0.05mm时，入射角按0.57度(θ)变化。在该情况下，在光调制装置102R的光入射面102R1，照明区域移动1.5mm。

如图5(b)所示，例如，在光入射面102R1的大小为12.8mm×8mm的情况下，用于在即使入射角按θ变化的情况下也均一照明光入射面102R1的全体所需的应照明的区域SA的面积为15.8mm×11＝173.8mm²。另外，光入射面102R1的面积为12.8mm×8mm＝102.4mm²。即，作为裕量M所需的照明面积(图5(b)所示的斜影线的区域)为被照明区域SA的面积的41.1％，全部光量中约40％成为损失。这样，现有的照明装置200中，必须考虑对准偏离来设定被照明区域SA的面积，因此照明光中的损失非常大。

相对于此，根据本实施方式所涉及的照明装置101R，即使在阵列光源2的安装时的对准产生偏差(半导体激光器2a或者准直透镜3a的安装偏差)、使得向衍射光学元件6的入射光的入射方向偏离的情况下，被照明区域SA也不会向光入射面102R1外移动。因此，阵列光源2可以使光不浪费地高效照射光入射面102R1。

另外，即使在确保阵列光源2的安装时的对准偏离所需的裕量的情况下，相应于透镜5a的大小设计衍射光学元件6的衍射特性即可，因此光学设计变得容易，可以显著减少制造时的时间劳力。

而且，根据本实施方式，由衍射光学部件4(衍射光学元件6)，各透镜5a跨宽区域比较均一地被照明，因此，入射光调制装置的光的角度分布变宽，进而，入射屏幕的某一点的光的角度分布变宽，因此可以减少斑点。

从而，通过对投影机100应用该照明装置101R、101G、101B，投影机100本身也可抑制照明效率的降低并减少斑点，从而可进行图像品质优的显示。

另外，示例说明了本发明的一个实施方式，但是本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种变更。

例如，上述实施方式中，举例说明了衍射光学部件4包括独立的多个衍射光学元件6而构成的情况，但是本发明不限于此，衍射光学部件4也可以包括一个衍射光学元件而构成。即使在该情况下，衍射光学部件具备与预定的区域光学性共轭的多个区域，可以获得与上述实施方式相同的效果。

例如，上述实施方式中，举例说明了具备准直光学系统3的构成，但是本发明不限于此，作为阵列光源2，若可出射平行度高的激光，则也可以省略准直光学系统3。在该情况下，即使阵列光源2产生安装偏差，与上述实施方式同样，通过使透镜5a具有裕量，也可以高效利用照明光。

例如，上述实施方式中，示例了具备3个光调制装置102R、102G、102B的投影机100，但是，也可以应用于用一个光调制装置显示彩色影像(图像)的投影机。而且，作为光调制装置，不限于上述液晶面板，例如也可以采用数字镜器件等。

另外，上述实施方式中，作为衍射光学元件6，采用表面浮雕型全息图元件，但是也可以采用体积全息图型元件。另外，也可以采用表面浮雕型全息图和体积全息图的复合型全息图元件。

Claims (6)

1.一种照明装置，其具备具有至少一个固体光源的光源部，

具备：

具备多个区域的衍射光学部件；

设置在上述衍射光学部件的下级，具有与上述多个区域一一对应的多个透镜的多透镜阵列；以及

设置在上述多透镜阵列的下级的重叠光学系统，

上述衍射光学部件通过上述多个区域将从上述光源部入射的光束分割为多个部分光束，

上述多个部分光束的各个入射于上述多个透镜中的对应的透镜，

透射上述多透镜阵列后的上述多个部分光束的各个经由上述重叠光学系统对预定的面上的预定的区域进行重叠照明，

上述多个区域分别与上述预定的区域光学性共轭。

2.权利要求1所述的照明装置，其中，

上述多个透镜至少在上述衍射光学部件的衍射方向上具有折射能力。

3.权利要求1或2所述的照明装置，其中，

上述衍射光学部件以对上述多个部分光束进行整形的方式构成。

4.权利要求3所述的照明装置，其中，

上述多个部分光束中的第1部分光束由上述多个区域中的第1区域生成，

以下述方式构成上述第1区域：使得上述第1部分光束入射于上述多个透镜中的对应的第1透镜时，上述第1部分光束的截面形状与由上述第1区域刚刚生成后的截面形状相比，接近于上述第1透镜的外形。

5.权利要求1～4的任一项所述的照明装置，其中，

在上述光源部及上述衍射光学部件之间，至少配置有一个准直透镜。

6.一种投影机，其具备：

照射照明光的照明装置；

相应于图像信息调制上述照明光，来形成图像光的光调制装置；以及投射上述图像光的投射光学系统，

作为上述照明装置，采用权利要求1～5的任一项所述的照明装置。