CN1204419C - 积分照明光学系统和具备该系统的投影仪 - Google Patents

Abstract

一种具备第一透镜阵列和第二透镜阵列的积分照明光学系统，第一透镜阵列由左侧列组、中央列组和右侧列组这3个列组构成，使构成该中央列组的透镜单元的厚度比其它的列组的透镜单元的厚度薄，使左侧列组和右侧列组的透镜单元的厚度随列变成外侧而依次变厚，具有下述的形态的形状：左侧列组和右侧列组的透镜单元使入射光在离积分照明光学系统的系统光轴远的方向上聚光，中央列组的透镜单元使入射光在接近于积分照明光学系统的系统光轴的方向上聚光。

Description

积分照明光学系统和具备该系统的投影仪

技术领域

本发明涉及提高光的利用效率的积分照明光学系统，还涉及具备该积分照明光学系统的投影仪。

背景技术

在利用偏振变换元件(或装置)的照明光学系统中，为了尽可能有效地利用光，使用了积分照明光学系统。积分照明光学系统具备由具有与照明对象物、例如液晶面板等的照明对象物的显示面(或光入射面)相似的矩形形状的多个透镜单元构成的第一透镜阵列和使第一透镜阵列的各透镜单元在照明对象物上成像的第二透镜阵列。因而，第二透镜阵列具备与第一透镜阵列的透镜单元对应的多个透镜单元。而且，最近，为了进一步提高光的利用效率，正在越来越多地使用图9中示出的套盒结构的透镜阵列。再有，在图9中，(a)表示第一透镜阵列的1/4部分，(b)表示第二透镜阵列的1/4部分。该套盒结构的透镜阵列为了尽可能有效地利用从光源发出的光，将构成第一和第二透镜阵列的透镜单元的光轴偏心而配置成通过图9的+标记的位置的结构。

上述那样的套盒结构的透镜阵列是为了提高光的利用效率有效的装置，但在透镜单元间产生彼此的曲率表面的连接部分发生了偏移的图9(c)中示出的台阶，其形状也变得复杂。在这样的透镜阵列中，容易发生起因于上述台阶的所谓的显示影。此外。对于透镜阵列的制造，由于要求在上述台阶部上不产生与照度下降相联系的所谓的「面塌边」用的高级的技术，故只有有限的厂家能制造，存在制造成本高的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，其目的在于在仍旧维持高的光的利用效率的情况下，提供能以低成本来实现抑制显示影发生或照度下降的积分照明光学系统和投影仪。

本发明的积分照明光学系统是具备：在列方向和行方向上以矩阵状配置了多个透镜单元而构成的第一透镜阵列；在列方向和行方向上以矩阵状配置了与第一透镜阵列的各透镜单元对应的多个透镜单元而构成的第二透镜阵列；以及使通过了上述第一和第二透镜阵列的光的偏振方向在1个方向上一致的偏振变换元件的积分照明光学系统，上述第一透镜阵列由左侧列组、中央列组和右侧列组这3个列组构成，使构成该中央列组的透镜单元的厚度比其它的列组的透镜单元的厚度薄，使上述左侧列组和上述右侧列组的透镜单元的厚度随各组的列从第一透镜阵列的内侧列向外侧列而依次变厚，从而可不使光的利用效率降低，构成透镜阵列的透镜单元的列间的单元厚度不同减小，几乎消除了透镜单元列间的台阶，而可抑制显示影的发生及透镜阵列制造时的面塌边的发生。上述第二透镜阵列的各透镜单元具有使上述第一透镜阵列的各透镜单元在照明对象物上成像的形状。

再有，在上述的积分照明光学系统中，可具有下述的形态的形状：上述左侧列组和上述右侧列组的透镜单元使入射光在离积分照明光学系统的系统光轴远的方向上聚光，上述中央列组的透镜单元使入射光在接近于积分照明光学系统的系统光轴的方向上聚光。

此外，在上述的积分照明光学系统中，上述第一及上述第二透镜为，构成其的透镜单元的相邻的透镜单元使彼此的曲率表面互相连接。由此，可消除透镜单元间的台阶，能更可靠地避免显示影的发生和透镜阵列制造时的面塌边的发生。

此外，在上述的积分照明光学系统中，由2个列构成上述第一透镜阵列的中央列组，由分别配置在上述第一透镜阵列的外侧和内侧的外侧列和内侧列这2个列构成上述左侧列和上述右侧列的各组，上述左侧列组和上述右侧列组的外侧列的透镜单元的光轴通过较之该透镜单元的中央处于向外侧偏离的位置，构成上述左侧列组和上述右侧列组的各内侧列的透镜单元的光轴通过各自的外侧列中的邻接的透镜单元上且通过较之该邻接单元的中心处于向内侧偏离的位置，上述中央列组的透镜单元的光轴通过较之该透镜单元的中央处于向内侧偏离的位置。通过将第一透镜阵列作成这样的形态：与现有的套盒结构的第一透镜阵列相比，能容易地且以低成本得到高亮度且高可靠性的积分照明光学系统。

此外，在上述的积分照明光学系统中，使与上述第一透镜阵列的左侧列组和右侧列组的内侧列对应的上述第二透镜阵列的透镜单元的单元宽度比相邻列的透镜单元的单元宽度大。由此，能进一步提高积分照明光学系统的光利用效率。

此外，在上述的积分照明光学系统中，与上述第一透镜阵列的上述外侧列透镜单元对应的上述第二透镜阵列的外侧列透镜单元的光轴通过较之该透镜单元的中央处于内侧离开的位置，与上述第一透镜阵列的上述内侧列透镜单元对应的上述第二透镜阵列的内侧列透镜单元的光轴通过较之该透镜单元的中央处于内侧离开的位置，与上述第一透镜阵列的中央列组的透镜单元对应的上述第二透镜阵列的中央列组的透镜单元的光轴通过较之该透镜单元的中央处于外侧离开的位置。该形态的第二透镜阵列与现有的套盒结构的第二透镜阵列相比，能容易地且以低成本来制造。

再者，本发明的投影仪的特征在于，具备：上述任一个积分照明光学系统；根据图像信息对光进行调制的光调制装置；以及使从上述第二透镜阵列的各透镜单元射出的各光在上述光调制装置的入射面上重合的重叠透镜。由此，能以低成本得到高亮度且高可靠性的投影仪。

附图说明

图1是本发明的实施方案的积分照明光学系统的结构和作用的说明图。

图2是示出图1中的第一透镜阵列的形状的立体图。

图3是示出构成第一透镜阵列的各透镜单元的光轴位置的正面图。

图4是示出图1中的第二透镜阵列的形状的立体图。

图5是示出构成第二透镜阵列的各透镜单元的光轴位置的正面图。

图6是示出通过了第一和第二透镜阵列的光在偏振变换元件50上形成的光源像的正面图。

图7是示出图1中偏振变换元件的结构的立体图。

图8是示出本发明的实施方案的投影仪的光学系统的结构的俯视图。

图9是现有的套盒结构的第一透镜阵列和第二透镜阵列的说明图。

具体实施方式

实施方案1

图1是本发明的实施方案的积分照明光学系统的结构和作用的说明图，图2是示出图1中的第一透镜阵列的形状的立体图，图3是示出构成第一透镜阵列的各透镜单元的光轴位置的正面图，图4是示出图1中的第二透镜阵列的形状的立体图，图5是示出构成第二透镜阵列的各透镜单元的光轴位置的正面图，图6是由第一透镜阵列进行了聚光的偏振变换元件50上形成的光源像的正面图，图7是示出图1中偏振变换元件的结构的立体图。

本实施方案的积分照明光学系统100，如图1中所示，具备：作为光源的灯10；具有使来自灯10的光在规定的方向上反射的椭圆或抛物线等的反射面的反射镜20；第一透镜阵列30，在列方向和行方向上以矩阵状配置了将来自灯10和反射镜20的光分割为多条光束的多个透镜单元；第二透镜阵列40，在列方向和行方向上以矩阵状配置了其数目与第一透镜阵列30的各透镜单元对应的透镜单元；偏振变换元件50，使通过了第一和第二透镜阵列30、40的光的偏振方向在1个方向上一致；以及重叠透镜60，使从偏振变换元件50射出的多条光束在照明对象物的光入射面上重合。再有，在本实施方案中，照明对象物是液晶面板300，假定在液晶面板300的光入射面一侧具备物镜70和偏振片80。

第一透镜阵列30由左侧列组、中央列组和右侧列组这3个列组构成，使构成该中央列组的透镜单元的厚度比其它的列组的透镜单元的厚度薄，使左侧列组和右侧列组的透镜单元的厚度分别随列从内侧列向外侧列而依次变厚。再有，关于第一透镜阵列，以其中心线为中心将左右的列配置成对称的形状。此外，构成第一透镜阵列30的各透镜单元的厚度最好使各透镜单元的曲率表面以无台阶的方式直接相接。

在本实施方案中，第一透镜阵列30以其透镜单元的纵方向的排列为列、以横方向的排列为行，由6列×8行来构成。但本发明不限定于6列×8行的透镜单元配置。各透镜单元具有与液晶面板300的光入射面的纵横比相同的纵横比。而且，关于透镜单元的厚度，位于第一透镜阵列30的中央2列的透镜单元313、313为最薄，左侧2列和右侧2列的透镜单元311、312随列变成外侧其厚度依次变厚。换言之，成为下述的状态：中央2列的透镜单元313、313的曲率表面作为整体来说成为谷，从该谷的端部起，左侧2列的透镜单元312、311的曲率表面作为整体平缓地上升，形成一条棱线，右侧2列的透镜单元312、311的曲率表面作为整体平缓地上升，形成另一条棱线。

关于第一透镜阵列30的各透镜单元的光轴，如图3的第一透镜阵列30的1/4部分正面图中所示，使左侧列组和右侧列组的外侧列透镜单元311的光轴位于外侧列透镜单元311的中央偏外侧，使左侧列组和右侧列组的内侧列透镜单元312的光轴位于外侧列透镜单元311的内侧边缘部，使中央列组的透镜单元313的光轴位于该透镜单元313的中央偏内侧。

第二透镜阵列40的作用是使从第一透镜阵列30射出的具有多个角度的光束平行地入射到偏振变换元件50上。因而，如果决定了第一透镜阵列30的结构，则据此也自然地决定了第二透镜阵列40的结构。如图4中所示，与第一透镜阵列30对应地由6列×8行来构成。各个透镜单元与第一透镜阵列30的各透镜单元以一对一的方式相对应。关于该透镜单元的厚度，左右的一列的透镜单元411的厚度最薄，除此以外的列的透镜单元的厚度大致相同。此外，使较之最外侧列其内侧的1列的透镜单元412的宽度比与其相邻的透镜单元411、413的单元宽度大，分割为取入图6中示出的光源像。再有，以其中心线为中心将第二透镜阵列40配置成左右对称的形状。此外，构成第二透镜阵列40的各透镜单元的列和行间最好使各透镜单元的曲率表面以无台阶的方式直接相接。

第二透镜阵列40的各透镜单元的光轴，如图5的第二透镜阵列40的1/4部分正面图中所示，使与第一透镜阵列30的外侧列透镜单元311对应的第二透镜阵列40的外侧列透镜单元411的光轴位于该透镜单元411中央偏内侧，使与第一透镜阵列30的内侧列透镜单元312对应的第二透镜阵列40的内侧列透镜单元412的光轴位于该透镜单元412的中央偏内侧，使与第一透镜阵列30的中央列组的透镜单元313对应的第二透镜阵列40的中央列组的透镜单元413的光轴位于该透镜单元413的中央偏外侧。

利用上述的第一透镜阵列30和第二透镜阵列40，使灯10的光源像在偏振变换元件50的左右端部和中央部附近成像，在图6中示出了其成像状态。即，以积分照明光学系统的系统光轴(图6的中心部)为中心，在偏振变换元件50的纵方向上集中地产生起因于第一透镜阵列30的中央列组的2列的透镜单元313、313的成像，在离开积分照明光学系统的系统光轴的偏振变换元件50的左右端部的纵方向上分别集中地产生起因于第一透镜阵列30的左侧列组或右侧列组的2列的透镜单元311、312的成像。

再者，将偏振变换元件50作成图7(a)所示那样的结构。即，具备在光射出面的一部分上有选择地配置的λ/2相位差片54(λ表示波长)。偏振光束分离器53具有依次贴合了各自的剖面为平行四边形的柱状的多个透光性构件55的形状。在透光性构件55的界面上交替地形成了偏振分离膜56和反射膜57。在偏振分离膜56或反射膜57的光的射出面的一部分上有选择地贴上λ/2相位差片54。在该例中，在偏振分离膜56的光的射出面上粘贴了λ/2相位差片54。

偏振变换元件50，如图7(b)中所示，具有使入射的光束的方向在1种偏振光(例如，s偏振光或p偏振光)的方向上一致后射出的作用。即，如果包含s偏振光分量和p偏振光分量的非偏振光(具有随机的偏振方向的入射光)入射到偏振变换元件50的入射面上，则该入射光首先被偏振分离膜56分离为s偏振光和p偏振光。s偏振光被偏振分离膜56大致垂直地反射，再被反射膜57反射后射出。另一方面，p偏振光按原样透过偏振分离膜56。透过了偏振分离膜56的p偏振光的射出面上配置了λ/2相位差片54，由此，将p偏振光变换为s偏振光后射出。因而，通过了偏振变换元件50的光的大部分成为s偏振光被射出。再有，在打算使从偏振变换元件50射出的光为p偏振光的情况下，将λ/2相位差片54配置在被反射膜57反射的s偏振光射出的射出面上即可。此外，只要使偏振方向在1种方向上一致，可使用λ/4相位差片，也可在p偏振光和s偏振光的射出面这两者上设置所希望的相位差片。再有，在偏振变换元件的前面，通常只在与该偏振分离膜56对应的光入射面上设置其作用是使光入射的遮光片52。

在该照明光学系统中，如图6中所示，由于以大致等间隔的方式在3个部分上表示由第一和第二透镜阵列30、40得到的灯10光源的成像，故与其相一致地设置3个偏振变换元件50的光入射部即可。此外，在每个光入射部中有1个偏振分离膜56即可，合计设置3个膜即可。再者，以往相对于系统光轴对称地设置了2个偏振变换元件，但在本实施方案中，设置具有在同一方向上配置的偏振分离膜56的1个偏振变换元件50即可。由于利用该偏振变换元件50只使偏振方向一致了的光入射到液晶面板300的入射侧偏振片(图1的80)上，故可高效地利用光。此外，由于在该照明系统中不经过偏振变换入射到入射侧偏振片上的光量比以往减少，故可抑制发热，也有助于延长该偏振片的寿命。

按照由以上那样的灯10、反射镜20、第一透镜阵列30、第二透镜阵列40和偏振变换元件50构成的积分照明光学系统100，由于可减少构成透镜阵列的透镜单元的相邻的列间的透镜厚度的差异而不使光的利用效率下降，故透镜单元的列间的台阶变小，减少了显示影的发生和透镜阵列制造时的面塌边的发生。

实施方案2

其次，说明具备上述的积分照明光学系统100的投影仪的实施方案。本实施方案的投影仪，如图8的光学系统结构图中所示，具备下述部分而构成：积分照明光学系统100；色光分离光学系统200；液晶面板300(300R、300G、300B)；十字分色棱镜400；以及投射透镜500。

色光分离光学系统200具备第一和第二分色镜201、202，使从照明光学系统100射出的光分离为红、绿、蓝这3色的色光。第一分色镜201使从照明光学系统100射出的光中的红色光分量透过，同时反射蓝色光和绿色光分量。透过了第一分色镜201的红色光被反射镜211反射，通过物镜221到达红色光用的液晶面板300R。该物镜221将从重叠透镜60射出的各光束变换为与其中心轴(主光线)平行的光束。在其它的液晶面板300G、300B之前设置的物镜222、223也起到同样的作用。

被第一分色镜201反射的蓝色光和绿色光中的绿色光被第二分色镜202反射，通过物镜222到达绿色光用的液晶面板300G。另一方面，蓝色光透过第二分色镜202，通过中继光学系统230、即入射透镜231、反射镜232、中继透镜233和反射镜234，再通过物镜223，到达蓝色光用的液晶面板300B。

液晶面板300R、300G、300B起到按照所供给的图像信息对入射的光进行调制的空间光调制装置的作用，可利用TFT(薄膜晶体管)型液晶面板或TFD(薄膜二极管)型液晶面板。再有，在液晶面板300R、300G、300B的光入射面一侧配置了偏振片241、242、243。

十字分色棱镜400是合成红、绿、蓝这3色的调制光来形成彩色图像的棱镜。在十字分色棱镜400中，在4个直角棱镜的界面上以大致X字状形成了反射红色光的电介质多层膜和反射蓝色光的电介质多层膜。利用这些电介质多层膜合成3色的调制光，形成投射彩色图像用的合成光。再有，通过将液晶面板300R、300G、300B固定在该十字分色棱镜400中，可准确地进行各色光合成时的定位。

投射透镜500将用十字分色棱镜400合成的合成光投射到投射屏幕上、在屏幕等上显示彩色图像。

如上述那样构成的投影仪如下述那样起作用。

从灯10发射的光被反射镜20反射，入射到第一透镜阵列30上。然后，第一透镜阵列30利用各透镜单元将该入射光分割为多条部分光束，使与左侧2列的透镜单元311、312对应的入射光朝向离积分照明光学系统的系统光轴的左边的较远的方向，使与右侧2列的透镜单元311、312对应的入射光朝向离积分照明光学系统的系统光轴的右边的较远的方向，使与中央2列的透镜单元313、313对应的入射光朝向接近于积分照明光学系统的系统光轴的方向。

如上述那样被第一透镜阵列30分割的各光束在偏振变换元件50的偏振分离膜56的附近被聚光。入射到偏振变换元件50上的多条部分光束被偏振分离膜56分离为2种偏振光，一种偏振光利用相位差片54被一致与另一种偏振光一致为相同的种类的偏振光，这些偏振方向一致的光从偏振变换元件50射出。从偏振变换元件50射出的多条部分光束在由重叠透镜60调整了该光的行进方向以便在液晶面板300R、300G、300B的光入射面上重合后，经过反射镜65(在没有必要使光折射的情况下，不需要经过反射镜65)，进入色光分离光学系统200，进而，在该处被分离的各色光入射到液晶面板300R、300G、300B的光入射面上。

如以上那样入射到各液晶面板300R、300G、300B上的红、绿、蓝的各色光束在该处按照图像信息被调制后，进入十字分色棱镜400。然后，用十字分色棱镜400合成各色光，成为彩色图像，该彩色图像从投射透镜500被投射。

在上述的结构的投影仪中，由于按原样接过了前面已说明的积分照明光学系统的效果，故能以低成本得到高亮度且高可靠性的投影仪。

再有，本发明不限于上述的实施方案，在不脱离其要旨的范围内，可在各种各样的形态中实施，例如，也可作以下那样的变形。

例如，在上述的实施方案中，使用了液晶面板作为光调制装置，但也可利用其它的光调制装置。作为光调制装置的其它的例子，有以二维方式配置了硅的微小镜子的微镜元件。

此外，在上述的实施方案中，说明了使用3个液晶面板的投影仪的例子，但也可将本发明应用于使用了1个、2个或4个以上的液晶面板的投影仪。此外，在液晶面板为1个的情况下，通常使用通过红、绿、蓝的各自的色光的滤色器来代替上述的光分离光学系统。

再者，在上述的实施方案中，说明了将本发明应用于使用了透射型的液晶面板的投影仪，但本发明也可应用于使用了反射型的液晶面板的投影仪。在此，所谓「透射型」，意味着液晶面板是透过光的类型，所谓「反射型」，意味着液晶面板是反射光的类型。

再有，在采用了反射型的液晶面板的投影仪中，将分色棱镜作为使光分离为红、绿、蓝这3色的光的色光分离装置来利用，同时有时也将分色棱镜作为合成已被调制的3色的光并在同一方向上射出的色光合成装置来利用。

此外，作为投影仪，有从观察投射像的方向进行投射的正面投影仪和从与观察投射像的方向相反一侧进行投射的背面投影仪，而本发明可应用于这2种投影仪的任一种。

按照本发明的积分照明光学系统和投影仪，在将光的利用效率维持得较高的情况下，能以低成本来减少显示影的发生或照度的下降。

Claims (7)

1.一种积分照明光学系统，是具备：在列方向和行方向上以矩阵状配置了多个透镜单元而构成的第一透镜阵列；在列方向和行方向上以矩阵状配置了与第一透镜阵列的各透镜单元对应的多个透镜单元而构成的第二透镜阵列；以及使通过了上述第一和第二透镜阵列的光束的偏振方向在1个方向上一致的偏振变换元件的积分照明光学系统，其特征在于：

上述第一透镜阵列由左侧列组、中央列组和右侧列组这3个列组构成，使构成该中央列组的透镜单元的厚度比其它的列组的透镜单元的厚度薄，使上述左侧列组和上述右侧列组的透镜单元的厚度随各组的列从上述第一透镜阵列的内侧列向外侧列而依次变厚，

上述第二透镜阵列的各透镜单元具有使上述第一透镜阵列的各透镜单元在照明对象物上成像的形状。

2.如权利要求1中所述的积分照明光学系统，其特征在于：

具有下述的形态的形状：上述左侧列组和上述右侧列组的透镜单元使入射光在离积分照明光学系统的系统光轴远的方向上聚光，上述中央列组的透镜单元使入射光在接近于积分照明光学系统的系统光轴的方向上聚光。

3.如权利要求1或2中所述的积分照明光学系统，其特征在于：

构成上述第一和上述第二透镜阵列的透镜单元的相邻的透镜单元成为彼此的曲率表面互相连接。

4.如权利要求1至3的任一项中所述的积分照明光学系统，其特征在于：

由2个列构成上述第一透镜阵列的中央列组，由分别配置在上述第一透镜阵列的外侧和内侧的外侧列和内侧列的2个列构成上述左侧列和上述右侧列的各组，上述左侧列组和上述右侧列组的外侧列的透镜单元的光轴通过较之该透镜单元的中央处于向该第一透镜阵列的外侧偏离的位置，构成上述左侧列组和上述右侧列组的各内侧列的透镜单元的光轴通过各自的外侧列中的邻接的透镜单元且是较之该邻接单元的中心处于向该第一透镜阵列内侧偏离的位置，上述中央列组的透镜单元的光轴通过较之该透镜单元的中央处于向该第一透镜阵列内侧偏离的位置。

5.如权利要求4中所述的积分照明光学系统，其特征在于：

使与上述第一透镜阵列的左侧列组和右侧列组的内侧列对应的上述第二透镜阵列的透镜单元的单元宽度比相邻列的透镜单元的单元宽度宽。

6.如权利要求5中所述的积分照明光学系统，其特征在于：

与上述第一透镜阵列的上述外侧列透镜单元对应的上述第二透镜阵列的外侧列透镜单元的光轴通过较之该第二透镜阵列的外侧列透镜单元的中央处于向该第二透镜阵列内侧偏离的位置，与上述第一透镜阵列的上述内侧列透镜单元对应的上述第二透镜阵列的内侧列透镜单元的光轴通过较之该第二透镜阵列的内侧列透镜单元的中央处于向该第二透镜阵列内侧偏离的位置，与上述第一透镜阵列的中央列组的透镜单元对应的上述第二透镜阵列的中央列组的透镜单元的光轴通过较之该第二透镜阵列的中央列组的透镜单元的中央处于向该第二透镜阵列外侧偏离的位置。

7.一种投影仪，其特征在于，具备：

权利要求1至6的任一项中所述的积分照明光学系统；

根据图像信息对光进行调制的光调制装置；以及

使从上述第二透镜阵列的各透镜单元射出的各光在上述光调制装置的入射面上重合的重叠透镜。

Images