CN1987636A - 照明光学系统、照明单元和图像投影设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种照明光学系统以及采用该照明光学系统的照明单元和图像投影设备。所述照明光学系统包括：光源，用于照射发散光；反射光学系统，用于会聚来自光源的发散光；和透镜光学系统，用于对由反射光学系统会聚的光进行投影。所述反射光学系统包括非球面凹镜。所述透镜光学系统包括在中心部分具有正的折光力的会聚透镜，所述会聚透镜的折光力向着周边部分减小。即使在光源的发光面较大并且光源不能被认为是点光源时，也可提高光学效率。

Description

照明光学系统、照明单元和图像投影设备
本申请要求于2005年12月20日在日本知识产权局提交的第2005-365824号日本专利申请以及于2006年8月17日在韩国知识产权局提交的第10-2006-0077779号韩国专利申请的利益，所述申请公开于此以资参考。
技术领域
本发明涉及一种照明光学系统以及采用该照明光学系统的照明单元和图像投影设备。更具体地讲，本发明涉及一种具有改进的结构的照明光学系统以及采用该照明光学系统的照明单元和图像投影设备，在所述照明光学系统中，即使在光源不能被认为是点光源时，光也可被有效地会聚。
背景技术
传统上，已提出各种会聚从光源发射出的光并以期望的光分布照射适当区域的照明光学系统。近来，固体发光装置，例如发光二极管(LED)已被广泛用作光源。此外，这样的照明光学系统已被用作图像投影设备，例如投影仪、背投电视和光传输设备的一部分。
例如，在平10-311944号日本专利公开公布(以下，称为专利文献1)中公开了一种发光设备。在图1、图5或图9中，所述发光设备包括：反射器，其截面为椭圆形；部分圆弧形反射面；灯，将光发射到反射面的焦点上；和凹透镜，布置在反射器的两个焦点之间。
此外，第2003-35883号日本专利公开公布(以下，称为专利文献2)公开了一种光学输出装置。在图5和图7中，该光学输出装置包括：点光源；反射器，在其后表面上形成角状反射面；第一透镜组，具有正的折光力(refractive power)，分别布置在点光源和反射器的前表面上；第二透镜组，布置在第一透镜组的光轴附近，其中，第二透镜组在光轴附近具有小于等于0的折光力，其周边折光力为正。
此外，第2005-208571号日本专利公开公布(以下，称为专利文献3)公开了一种照明设备和投影仪。在图1、图8或图10中，该照明设备包括发光二极管(LED)元件和准直仪光学系统，其中，从LED元件起，所述准直仪光学系统顺次包括光源面为凹面的弯月透镜和具有非球面的非球面透镜。在该光学系统的后端布置有聚光器光学系统，该聚光器光学系统的折光力随着远离光轴而减小。从光源的周边发射出的光可被近似会聚在从光源的中心部分发射出的会聚光的范围内。
使用固体发光元件，例如LED的照明光学系统以及使用该照明光学系统的照明单元和图像投影设备需要尺寸小并具有高亮度。为了实现高亮度，光源，例如LED的发光面积被增大或者布置多个光源，使得光源的光学输出可增加。在该照明光学系统中，最好沿向着预定角度的方向高效地引导从光源发射出的光。
然而，上述照明光学系统以及使用该照明光学系统的照明单元和图像投影设备具有下面的问题。
在专利文献1中所公开的技术中，光源被布置在椭圆形反射器的焦点位置，使得其位置可被调整。因此，当灯是点光源时可以获得期望的光分布，但是如果与透镜或反射器相比，灯的尺寸相对增加，则从所谓面光源的所有发光面发射出的全部光不能被引导到向着预定角度的方向，因此不能获得良好的光分布，光学效率恶化。
专利文献2中所公开的技术具有与专利文献1中的结构不同的结构，但是有一个共同点：基于点光源来调整光分布。因此，当光源的尺寸相对大时，不能获得良好的光分布，光学效率恶化。
由于专利文献3中所公开的发明使用透镜光学系统作为准直仪光学系统，所以即使从光源的周边发射出的光也可被会聚，通过透镜光学系统的数值孔径(NA)的范围限定所述光。因此，为了改善光学效率，需要构造具有大NA的准直仪光学系统。然而，由于透镜的结构复杂或者有效透镜的直径增加，所以不能实现具有小尺寸和良好光学效率的照明光学系统以及使用该照明光学系统的照明单元和图像投影设备。
因此，需要一种无论光源如何都可有效地会聚光的照明光学系统。
发明内容
本发明提供一种小的照明光学系统以及采用该照明光学系统的照明单元和图像投影设备，在所述照明光学系统中，即使在光源的发光面相对大并且光源不能被认为是点光源时，也可提高光学效率。
根据本发明示例性实施例的一方面，提供一种照明光学系统，包括：光源，用于照射发散光；反射光学系统，用于会聚来自光源的发散光；和透镜光学系统，用于对由反射光学系统会聚的光进行投影。所述反射光学系统包括非球面凹镜。所述透镜光学系统包括在中心部分具有正的折光力(refractivepower)的会聚透镜，向着周边部分，所述会聚透镜的折光力减小。
根据本发明示例性实施例的一方面，来自光源的发散光通过由非球面凹镜形成的反射光学系统被会聚，又通过透镜光学系统被会聚，从而可被会聚在预定的投影角范围内。
用于会聚来自光源的发散光的凹镜可以反射所有方向的所有发散光，而不像准直仪光学系统中一样，受到数值孔径(NA)的限制。
此外，凹镜由非球面形成，从而所述凹镜用作透镜光学系统的非球面，同时，所有轴上光和轴外光的发射角可被有效地抑制在预定范围内。当来自光源的周边的发散光(以下，称为“轴外光”)从接近于整个光束的凹镜的光轴的中心部分的反射面反射时，轴外光极大地偏离于来自光源的中心的发散光(以下，称为“轴上光”)的反射方向。然而，由于透镜光学系统在中心部分具有比周边部分更大的折光力，因此大的折射作用于通过透镜光学系统的中心部分的轴外光上。因此，偏离于通过反射光学系统反射的轴上光的反射方向的轴外光被折射，从而轴外光和轴上光的反射方向之间的差别可减小。因此，轴外光从透镜光学系统发射的发射角可被抑制在预定范围内。
此外，本发明的示例性实施例的照明单元可包括多个本发明示例性实施例的照明光学系统。
此外，由于本发明示例性实施例的照明单元采用本发明示例性实施例的照明光学系统，因此获得与本发明示例性实施例的照明光学系统的效果相同的效果。
此外，本发明示例性实施例的图像投影设备采用本发明示例性实施例的照明光学系统或照明单元作为投影光源。
此外，本发明示例性实施例的图像投影设备采用本发明示例性实施例的照明光学系统或照明单元，获得与本发明示例性实施例的照明光学系统或照明单元的效果相同的效果。
从下面结合附图公开了本发明示例性实施例的详细描述中，本发明的其它目的、优点和显著特点将变得明显。
附图说明
通过参照附图对本发明示例性实施例进行详细描述，本发明的上述和其它特点和优点将变得更明显，其中：
图1是使用根据本发明示例性实施例的照明光学系统的图像投影设备的示意图；
图2A和图2B分别示出显示图1所示的照明光学系统的示意性结构的光束；
图3是示出图1中所示的照明光学系统中所使用的光源的示例的平面图；
图4是示出在图1中所示的照明光学系统中包括轴上光和轴外光的来自照明光学系统的光束发射角分布的示例的曲线图；
图5A和图5B分别示出显示图1中所示的照明光学系统的示意性结构的光束；
图6是示出图5中所示的照明光学系统中的包括轴上光和轴外光的来自照明光学系统的光束发射角分布的示例的曲线图；
图7示出使用根据本发明另一示例性实施例的照明光学系统的图像投影设备的示意性结构；
图8示出使用根据本发明另一示例性实施例的照明光学系统的图像投影设备的示意性结构。
在整个附图中，相同的标号将被理解为表示相同的部件、组件和结构。
具体实施方式
以下，参照附图详细描述本发明的示例性实施例。省略相应部件的公知描述。
第一示例性实施例
描述根据本发明示例性实施例的照明光学系统以及采用该照明光学系统的照明单元和图像投影设备。
图1是使用根据本发明示例性实施例的照明光学系统的图像投影设备的示意图。
图2A从包括表示轴上光(on-axis light)的光路的光轴的截面示出光束，显示了图1所示的照明光学系统的示意性结构。图2B从包括表示图1中所示的照明光学系统的轴外光(off-axis light)的光路的光轴的截面示出光束。图3是示出图1中所示的照明光学系统中所使用的光源的示例的平面图。
投影仪1是包括具有图2中所示的照明光学系统的照明单元2的图像投影设备，其响应于外部信号将彩色图像投影到例如反射型屏幕6上。
投影仪1的示意性结构包括：照明单元2、会聚透镜3、空间调制元件4和投影透镜5。
照明单元2以时分时序(time-divided timing)来顺次产生波长至少与光的三原色，即红、绿和蓝光相对应的基本平行光，以便显示全彩色图像。
会聚透镜3是将由照明单元2产生的基本平行的光会聚到空间调制元件4上的调制区域上的光学元件。
空间调制元件4响应于与照射时序相对应的波长光的图像信号来对由会聚透镜3会聚的光进行空间调制并且显示颜色分解的图像。可将作为透射型装置的液晶显示器(LCD)、作为微镜阵列的数字微镜装置(DMD)或作为反射型装置的硅基液晶(LCOS)可用作空间调制元件4。
投影透镜5是将空间调制元件4上显示的图像放大并投影到反射型屏幕6上的光学元件。
现在，将描述照明单元2的详细结构。
如图2A中所示，照明单元2包括组成图1中所示的照明光学系统的发光二极管(LED)10、凹镜11以及会聚透镜12，这些元件布置在一个外壳(未示出)中，以形成照明单元2。
LED 10是光源，其独立地驱动单色LED芯片R、G和B并形成白色照明光。
在示例性实施例中，如图3中所示，与红、绿和蓝色分别对应的单色LED芯片R、G和B排列为3×3正方形矩阵形状。尽管图中未示出，但是用于光发射的电压施加单元被设置在单色LED芯片R、G和B上，并且可通过合适的发光控制单元被点亮和控制。
对于各个单色LED芯片R、G和B的排列位置，当LED 10的发光面的横向表示为下标i，其纵向表示为下标j，并且各个单色LED芯片R、G和B的排列位置表示为Eij(其中，i和j是整数1、2和3之一)时，红色LED芯片R布置在位置E11和E33，蓝色LED芯片B布置在位置E13和E31，绿色LED芯片G布置在除了E11、E33、E13和E31之外的位置上。在排列位置中，各个单色LED芯片R、G、B、G、R、G、B和G布置在组成LED10的外周边的位置E11、E12、E13和E23、E33、E32、E31和E21处，使得各个颜色被循环，并且相邻单色LED芯片之间的平衡改善。此外，由于各个颜色的排列相对于中心位置E22左右对称或旋转对称，因此还使得二维平衡。因此，各个单色LED芯片R、G和B的排列位置的布置使得即使在照射到LED10的中心以及周边的光的光路中出现变化时，受照面上R、G和B的平衡也不容易被打破。
凹镜11是会聚从LED 10发出的光的反射光学元件，其包括凹反射面，该凹反射面由接近于旋转抛物面的旋转对称非球面形成。在示例性实施例中，所述凹反射面具有随着沿直径方向从中间部分接近于周边而增加的折光力(refractive power)。
凹镜11被布置为离LED 10一定距离，以使得穿过LED 10的发光面的中心的法线与凹镜11的光轴相一致。
例如，如示例性实施例中所述，为了从照明单元2中发射基本平行光，凹镜11被布置在一定距离处，以使得沿凹镜11的直径方向的周边反射的轴上光为基本平行光。
会聚透镜12是旋转对称的非球面透镜，其在直径方向的中心处具有正的折光力，而向着直径方向的周边，折光力减小。假设物方(凹镜11一侧)表面是第一表面12a，像方表面是第二表面12b。在示例性实施例中，如图2A中所示，第一表面12a在中心部分12A处形成为凹面，而在周边部分12B处形成为凸面；第二表面12b在中心部分12A处形成为曲率整体小于第一表面12a的曲率的凸面，而在周边部分12B处形成为近似具有第一表面12a的形状的凹面，从而在会聚透镜12上获得上述折光力分布。即，会聚透镜12的折光力沿着直径方向减小，在中心部分12A内具有正值，在周边部分12B处约为0。中心部分12A和周边部分12B是为了解释方便的相对分类，并且中心部分12A和周边部分12B在第一表面12a和第二表面12b中分别具有不同的范围。
现在，将基于图1中所示的照明光学系统的作用来描述投影仪1的操作。图4是示出在图1中所示的照明光学系统中的包括轴上光和轴外光的来自照明光学系统的光束发射角分布的示例的曲线图。横轴表示来自LED的发射光束分布角，纵轴表示来自照明光学系统的光束发射角，每一个的单位都为度(°)。基于平行于光学系统的光轴的光束的角度为0，每个角度表示光束的角度。
当被颜色分解为R、G和B的图像信号从外部施加到投影仪1时，投影仪1按照例如R、G和B的顺序转换并点亮照明单元2，并响应于根据各个颜色的图像信号对空间调制元件4进行时分(time-dividing)驱动。从照明单元2发射出的R、G和B光被会聚透镜3会聚，被空间调制元件4空间调制，并被显示为与各个颜色相对应的颜色分解图像。显示在空间调制元件4上的图像被投影透镜5放大，并被投影到反射型屏幕6上。结果，在反射型屏幕6上可观察到全彩色图像。
当发光控制信号被发送到照明单元2上，与LED 10的预定颜色相对应的单色LED芯片R、G和B被点亮。
通常，LED 10近似满足Lambert定律，因此LED 10具有与光分布角的余弦近似成比例的光分布。即，从LED 10发射出的光变为具有这样的光分布的发散光：当在光轴上测量的光分布角θ从0°变为90°时，其光学输出减小。
例如，在示例性实施例中，LED 10的发光面积为0.5mm2。因此，LED 10不能被认为是点光源，并且不能忽略的是：来自周边的光被会聚为轴外光，并且形成与轴上光不同的光分布。
如图2A所示，由于从中心到周边，凹镜11的折光力增加，并且在周边，轴上光变为基本平行光，因此从LED 10发射出的LED 10的轴上光在中心11A处被会聚为略微发散的光，而在周边11B中被会聚为基本平行光。
如图2B所示，由于当来自LED 10的光束的发射角变小时，轴外光和轴上光之间的差别增大，因此从凹镜11反射的光的光束反射角增大。因此，照射到中心11A上的相对高输出的光被沿着倾斜于光轴的方向反射。
由于光在中心11A上的折光力小于在抛物反射面上的折光力，因此光在中心11A处被会聚为相对于光轴成一定角度的略微发散的光。
光在周边11B处被会聚为与轴上光相似的基本平行光。
利用非球面凹镜会聚的轴上光和轴外光的光束适合于与将在随后描述的会聚透镜12的非球面作用一起控制发射光束角。
从凹镜11反射的光被会聚透镜12会聚。
通过凹镜11的反射而变为略微发散的光并入射到中心部分12A上的轴上光由于中心部分12A的正的折光力而被会聚，并变为基本平行光。相似的，变为基本平行光并入射到周边部分12B上的轴上光透射通过具有约为0的折光力的周边部分12B并作为基本平行光被发射。
如图2B所示，通过凹镜11的反射而以相对于光轴的预定角度略微发散并入射到中心部分12A上的轴外光利用中心部分12A的正的折光力通过折射作用而被会聚，并变为具有相对于光轴限定的光束发射角分布的基本平行光。此外，相似地，变为基本平行光并入射到周边部分12B上的轴外光透射通过具有约为0的折光力的周边部分12B并作为基本平行光被发射。
因此，从会聚透镜12发射出的光可被照射在根据相对于光轴的发射角以及到照明位置的距离而确定的范围内。
根据本发明示例性实施例的照明光学系统可具有约0.5mm2的LED 10的发光面积，并且凹镜11的有效直径约为9.5mm，会聚透镜12的有效直径可以约为9.8mm。例如，用于组成所述照明光学系统的参数可以与下面的表1和表2相似。图2A中所示的参数ri、di和ni(其中，i是整数)对应于下面的表1和表2中所示的用于组成光学系统的参数ri、di和ni。长度的单位为mm。此外，折射率是基于线d的值(波长：587.56nm)。
当表面的顶点是原点并且h是距离光轴的高度时，利用等式1获得非球面形，作为沿光轴方向的位移量Z(h)。
Z ( h ) = h 2 / r 1 + 1 - ( 1 + k ) ( h / r ) 2 + Ah 4 + Bh 6 + Ch 8 + Dh 10 . . . . ( 1 )
其中，r是曲率半径，k是二次曲线系数，A、B、C和D是非球面系数。
表1
面号 曲率半径 面间隔 折射率 Abbe数
r1 ∞(光源面) d1＝-2.519
r2 非球面[1] d2＝5.000
r3 非球面[2] d3＝2.000 n1＝1.5168 v1＝64.2
r4 非球面[3]
表2
非球面[1] 非球面[2] 非球面[3]
R 6.320 -14.141 -5.648
K -1.000 0.000 0.000
A 0.258×10-3 0.192×10-2 0.552×10-2
B -0.385×10-4 0.270×10-4 -0.560×10-3
C 0.358×10-5 0.248×10-5 0.455×10-4
D -0.840×10-7 -0.102×10-6 -0.987×10-6
图4是示出在图1中所示的照明光学系统的上述条件下的光束发射角分布的曲线图。
图4中所示的曲线100表示图1中所示的照明光学系统的轴上光的光束发射角分布，图4中所示的曲线101表示轴外光的光束发射角分布(相高(phaseheight)：0.35mm)。曲线200和曲线201是在设置抛物反射面而非图1中所示的照明光学系统的情况下的对比示例。
对于抛物反射面，当光源布置在抛物反射面的焦点位置时，轴上光变为基本平行光。因此，如曲线200所示，无论来自LED 10的发射光束分布角(以下，称为光分布角)如何，光束发射角(以下，称为发射角)都变为0°。此外，根据光分布角，轴外光分布在约8°的范围内。由于当光分布角接近于90°时，从抛物反射面的周边部分反射的轴外光与轴上光之间的差别较小，因此发射角近似为0°。
同时，在图1所示的照明光学系统中，如曲线100所示，当光分布角在±30°范围内时，轴上光变为基本平行光，当光分布角的绝对值等于或大于30°时，轴上光变为略微偏离于平行光的基本平行光。
此外，如曲线101所示，当光分布角在约-41°和约+53°之间时，与抛物反射面相比，轴上光的发射角减小，并且在光分布角的整个范围内，轴上光的发射角被抑制为等于或小于5.4°。
此外，在180°对角线方向的轴外光中，可获得左右颠倒的分布。
根据示例性实施例，凹镜11和会聚透镜12的每一个的中心部分和周边部分的折光力是变化的，以使得在光分布角较小的范围内的发射角的偏离可减小。
同时，在光分布角的绝对值较大的范围内，与轴上光和轴外光均为抛物反射面的情况相比，发射角分布恶化，而在光分布角较小的范围内，LED 10的光学输出分布集中。因此，可安全地提高照明光的光学效率，同时轴上光和轴外光的整个光束在预定角度的范围内，从而光可被有效地引导到后续光学系统。
因此，根据图1中所示的照明光学系统，即使在使用不能被认为是点光源的相对大的LED 10时，也可获得良好的光学效率，并且照明单元2或投影仪1可被制得较小。
此外，由于在示例性实施例中，LED 10包括多个单色LED芯片R、G和B，因此可以在不使用用于合成各种颜色的光的光学系统的情况下组成投影仪1。这样，可组成紧凑的设备。
此外，由于单色LED芯片R、G和B的二维排列平衡很好，因此消除了LED 10的周边部分中的LED芯片的颜色偏差(变成轴外分量)，并且可防止白平衡变差。
图1中所示的照明光学系统具有这样的结构：其中，光源可以被认为是相对于反射光学系统的有效直径具有有限尺寸的面光源。光源的发光面一侧的直径或长度可以小于反射光学系统的有效直径。根据本发明示例性实施例，由于即使在使用具有小的有效直径的紧凑反射光学系统时也可使用具有有限尺寸的面光源，因此可使用可被认为是点光源的小光源。结果，可实现紧凑并具有相当大的光量的照明光学系统。
此外，图1中所示的照明光学系统由设置了多个发光元件的光源组成。所述多个发光元件的波长是变化的，从而可获得包括多种波长的光，例如白光的紧凑照明光学系统。此外，由于图1中所示的照明光学系统包括多个发光元件，因此发光时序是变化的，从而可减小每一发光元件的发光负载，并可减小热发散。
图1中所示的照明光学系统可适当地对凹镜的非球面反射面以及会聚透镜的两个非球面形进行变形。
图5A从包括表示轴上光的光路的光轴的截面示出光束，显示了根据图1中所示的照明光学系统的修改示例的示意性结构。相似地，图5B从包括表示照明光学系统的轴外光的光路的光轴的截面示出光束。
所述修改示例的照明光学系统包括照明单元20，可使用照明单元20代替图1中所示的投影仪1的照明单元2。此外，所述修改示例的照明光学系统包括LED 13、凹镜14和会聚透镜15，来代替图1中所示的LED 10、凹镜11和会聚透镜12。
所述修改示例的照明光学系统使用具有比图1中所示的LED 10的发光面更大的发光面的LED 13，并且在该修改示例中设置凹镜14和会聚透镜15的非球面条件。
参照图5A，在当前的修改示例中，LED 13的发光面积为1.0mm2，凹镜14的有效直径约为16.0mm，会聚透镜15的有效直径约为16.0mm。
凹镜14和会聚透镜15采用与凹镜11和会聚透镜12相似的非球面形。即，如图5A所示，中心部分14A和15A、周边部分14B和15B、第一透镜面15a和第二透镜面15b分别对应于图1中所示的中心部分11A和12A、周边部分11B和12B、第一透镜面12a和第二透镜面12b。仅会聚透镜15的中心部分15A与周边部分15B的比例变大。
下面的表3和表4示出用于组成所述修改示例的照明光学系统的参数的特定示例。每一符号和单位与上述表1和表2的符号和单位相同。
表3
面号 曲率半径 面间隔 折射率 Abbe数
r1 ∞(光源面) d1＝-4.211
r2 非球面[1] d2＝10.000
r3 非球面[1] d3＝4.000 n1＝1.5168 v1＝64.2
r4 非球面[3]
表4
非球面[1] 非球面[2] 非球面[3]
R 11.069 -27.168 -10.235
K -1.000 0.000 0.000
A 0.405×10-4 -0.59×10-3 0.146×10-3
B -0.777×10-7 -0.150×10-5 -0.624×10-5
C 0.167×10-7 0.878×10-7 0.104×10-6
D -0.171×10-9 -0.255×10-9 -0.297×10-9
根据这种结构，可获得与上述图1的示例性实施例的效果相同的效果。
图6是示出在图5中所示的照明光学系统中包括轴上光和轴外光的来自照明光学系统的光束发射角分布的示例的曲线图。横轴表示来自LED的发射光束分布角，纵轴表示来自照明光学系统的光束发射角，每一个的单位都为度(°)。
曲线102表示所述修改示例的照明光学系统的轴上光的光束发射角分布，曲线103表示轴外光的光束发射角分布(相高：0.70mm)。曲线202和曲线203表示在设置抛物反射面而不是所述修改示例的照明光学系统的情况下的对比示例。
在所述修改示例的照明光学系统中，如曲线102所示，当光分布角在±30°范围内时，轴上光变为基本平行光，当光分布角的绝对值等于或大于30°时，轴上光变为比平行光略微偏斜的基本平行光。不同于图4的情况，在光分布角的整个范围内，轴上光的发射角等于或小于约0.5°。因此，轴上光形成更好的基本平行光。
此外，如曲线103所示，当光分布角在约-37°和约+37°之间时，与抛物反射面相比，轴上光的发射角减小，并且在光分布角的整个范围内，轴上光的发射角被抑制为等于或小于5.4°。此外，与图4的情况相比，轴外光的分布对称性更好。
根据当前的修改示例，LED 13的一侧的尺寸是LED 10的一侧的尺寸的两倍，LED 13的面积是LED 10的面积的4倍。凹镜14和会聚透镜15的有效直径分别是1.68倍和1.63倍。因此，可通过更紧凑的结构有效地会聚轴外光。
因此，例如，当由于光量的需要而从具有1mm2的发光面积的LED芯片投射光时，在图1所示的照明单元2中需要设置4个LED芯片，而在所述修改示例的照明单元20中仅需要一个LED芯片。因此，可更紧凑地构造所述照明单元以及采用该照明单元的图像投影设备。
此外，由于LED芯片可被设置在更宽的范围内，因此LED芯片的排列方式的数量可增加，这是更可取的。
第二示例性实施例
图7示出使用根据本发明另一示例性实施例的照明光学系统的图像投影设备的示意性结构。
如图7中所示，根据示例性实施例的背投电视30的示意性结构包括：照明单元2、会聚透镜3、空间调制元件4、会聚透镜16、镜17、投影透镜18和透射型屏幕19。以下描述图1和图7之间的差别。
会聚透镜16和投影透镜18是将从空间调制元件4发射的经过空间调制的图像放大并投影到透射型屏幕19上的投影光学系统。
镜17是用于使投影光学系统的光路折弯的光偏折单元。
尽管没有示出，但是通过堆叠菲涅耳透镜片和包括漫射层的微粒透镜(lenticular)来形成透射型屏幕19。透射型屏幕19使由投影透镜18投射的发散光成为从菲涅耳透镜片沿水平方向传播的基本平行光，并在光透射通过微粒透镜片时适当地沿水平和垂直方向漫射光。因此，观察者可在预定的观察角范围内观察到由透射型屏幕19的透射光引起的图像。
根据背投电视30，由于照明单元2被用作投影光源，因此可获得与图1所示的照明单元2的效果相同的效果。
图1所示的照明光学系统可被适当地用作照明单元2。例如，也可使用照明单元20来代替照明单元2。
第三示例性实施例
下面，描述根据本发明另一示例性实施例的图像投影设备。
图8示出使用根据本发明另一示例性实施例的照明光学系统的图像投影设备的示意性结构。
如图8中所示，根据示例性实施例的投影仪40包括照明单元21和光路合成单元22，来代替图1中所示的投影仪1的照明单元2和会聚透镜3。下面描述图1和图8之间的差别。
照明单元21包括分别发射红、绿和蓝色的基本平行光的照明光学系统21R、21G和21B。每一照明光学系统用单色LED元件来代替图1中所示的照明单元2或20中的LED10或LED13，所述单色LED元件具有发射红、绿和蓝色波长光的单色LED芯片。每一单色LED可以是单个LED芯片或者多个LED芯片的排列。
光路合成单元22将从照明单元21发射出的三种颜色的光合成在同一光路上，并将三种颜色的光会聚到空间调制元件4上的预定区域中。例如，可采用二向色分光棱镜或二向色分光镜以及合适的会聚透镜的组合。
具有所述结构的投影仪40是具有多个图1中所示的照明光学系统的图像投影设备的示例。因此，示例性实施例具有与图1的效果相似的效果。
此外，在上面的描述中，LED被用作光源，并且在LED和反射光学系统之间没有设置光学系统。然而，可在LED和反射光学系统之间设置诸如透镜或导光单元的具有会聚功能的光学元件，以限制入射到反射光学系统上的光分布角的范围。此外，即使为了LED和电极排列的空间固定而在LED和反射光学系统之间的空间中填充透光树脂，也可获得相同的效果。
此外，图8中已描述了照明光学系统21R、21 G和21B组成照明单元21的示例。然而，照明光学系统21R、21G和21B可组成独立的照明单元。
此外，图8中已描述了光源相对于反射光学系统或会聚透镜的有效直径可被认为是面光源的示例。然而，本发明示例性实施例的光源不限于面光源。即使在光源可被认为是点光源时，当光被设置为偏离于光轴时，光学效率也可提高。
此外，已描述了凹镜具有随着从中心部分到周边部分而增加的折光力。然而，本发明的示例性实施例不限于此。当凹镜的折光力不随着从中心部分到周边部分而增加时，可在透镜光学系统中的折光力分布中设置相对折光力的平衡。
此外，已描述了从照明光学系统发射基本平行光的示例。然而，可以改变照明光学系统的相对布置以使得发散光或会聚光可被发射。
此外，作为使用本发明示例性实施例的照明光学系统的示例，已描述了在图像投影设备中使用照明光学系统的情况。然而，用于照射照明光的任何单元不具体地限于用于投影图像的设备，而是可以被用作合适的照明设备或光传输设备的一部分。
关于各个示例性实施例中使用的术语和权利要求中使用的术语之间的对应关系，现在将仅描述不同的名称。
投影仪1或40以及背投电视30是图像投影设备的示例性实施例。LED 10或13是光源的示例性实施例。会聚透镜12或14是透镜光学系统的示例性实施例。LED芯片R、G和B是发光元件的示例实施例。
如上所述，根据本发明示例性实施例的照明光学系统以及采用该照明光学系统的照明单元和图像投影设备具有下面的效果。
首先，使用了反射光学系统以使得来自光源的发散光可被有效地会聚。
其次，即使在光源不能被认为是点光源时，也可通过透镜光学系统减小在反射光学系统中产生的沿反射方向的轴外光相对于轴上光的偏离，从而从透镜光学系统发射的包括轴外光的光可被有效的会聚并且光学效率可提高。
尽管已参照本发明的示例性实施例具体地显示和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，可进行各种形式和细节上的改变。

Claims (21)

1、一种照明光学系统，包括：
光源，用于照射发散光；
反射光学系统，用于会聚来自光源的发散光；和
透镜光学系统，用于对由反射光学系统会聚的光进行投影，
其中，所述反射光学系统包括非球面凹镜，所述透镜光学系统包括在中心部分具有正的折光力的会聚透镜，向着周边部分，所述会聚透镜的折光力减小。
2、如权利要求1所述的照明光学系统，其中，所述反射光学系统的凹镜包括旋转对称的非球面凹反射面。
3、如权利要求2所述的照明光学系统，其中，所述凹镜的凹反射面具有随着从中心部分到周边部分而增加的折光力。
4、如权利要求1所述的照明光学系统，其中，所述凹镜布置在使得沿凹镜的直径方向从周边部分反射的轴上光变为基本平行光的位置。
5、如权利要求1所述的照明光学系统，其中，所述会聚透镜是双面非球面透镜。
6、如权利要求5所述的照明光学系统，其中，所述会聚透镜具有：第一表面，是面向凹镜的表面，在中心部分形成为凹面，在周边部分形成为凸面；第二表面，是所述第一表面的背面，在中心部分形成为具有比第一表面的凹面的曲率小的曲率的凸面，在周边部分形成为与第一表面的凸面的形状对应的凹面。
7、如权利要求1所述的照明光学系统，其中，所述光源不是点光源。
8、如权利要求1所述的照明光学系统，其中，所述光源是相对于反射光学系统的有效直径具有有限尺寸的面光源。
9、如权利要求1所述的照明光学系统，其中，所述光源通过排列多个发光元件而构成。
10、如权利要求9所述的照明光学系统，其中，所述发光元件是红、绿和蓝单色发光元件。
11、如权利要求9所述的照明光学系统，其中，布置在所述光源的发光面的周边部分的单色发光元件被布置为使得各种单色被循环。
12、如权利要求9所述的照明光学系统，其中，布置在所述光源的发光面的中心部分的单色发光元件被布置为使得各种单色彼此左右对称或旋转对称。
13、一种具有多个照明光学系统的照明单元，其中，每个照明光学系统包括：
光源，用于照射发散光；
反射光学系统，用于会聚来自光源的发散光；和
透镜光学系统，用于对由反射光学系统会聚的光进行投影，
其中，所述反射光学系统包括非球面凹镜，所述透镜光学系统包括在中心部分具有正的折光力的会聚透镜，所述会聚透镜的折光力向着周边部分减小。
14、如权利要求13所述的照明单元，其中，所述反射光学系统的凹镜包括旋转对称的非球面凹反射面。
15、如权利要求13所述的照明单元，其中，所述光源是相对于反射光学系统的有效直径具有有限尺寸的面光源。
16、一种采用照明光学系统作为投影光源的图像投影设备，其中，所述照明光学系统包括：
光源，用于照射发散光；
反射光学系统，用于会聚来自光源的发散光；和
透镜光学系统，用于对由反射光学系统会聚的光进行投影，
其中，所述反射光学系统包括非球面凹镜，所述透镜光学系统包括在中心部分具有正的折光力的会聚透镜，所述会聚透镜的折光力向着周边部分减小。
17、如权利要求16所述的图像投影设备，其中，所述反射光学系统的凹镜包括旋转对称的非球面凹反射面。
18、如权利要求16所述的图像投影设备，其中，所述光源是相对于反射光学系统的有效直径具有有限尺寸的面光源。
19、一种采用具有多个照明光学系统的照明单元作为投影光源的图像投影设备，其中，每个照明光学系统包括：
光源，用于照射发散光；
反射光学系统，用于会聚来自光源的发散光；和
透镜光学系统，用于对由反射光学系统会聚的光进行投影，
其中，所述反射光学系统包括非球面凹镜，所述透镜光学系统包括在中心部分具有正的折光力的会聚透镜，所述会聚透镜的折光力向着周边部分减小。
20、如权利要求19所述的图像投影设备，其中，所述反射光学系统的凹镜包括旋转对称的非球面凹反射面。
21、如权利要求19所述的图像投影设备，其中，所述光源是相对于反射光学系统的有效直径具有有限尺寸的面光源。
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