TWI506300B - Condenser optical system and projection type image display device - Google Patents

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TWI506300B
TWI506300B TW101139637A TW101139637A TWI506300B TW I506300 B TWI506300 B TW I506300B TW 101139637 A TW101139637 A TW 101139637A TW 101139637 A TW101139637 A TW 101139637A TW I506300 B TWI506300 B TW I506300B
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Muneharu Kuwata
Masashige SUWA
Kuniko Kojima
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Mitsubishi Electric Corp
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Description

聚光光學系統及投射型影像顯示裝置
本發明係有關於聚光光學系統及使用該聚光光學系統之投射型影像顯示裝置。
以往，在投射型影像顯示裝置的光源，主要使用燈泡光源。可是，因為燈泡光源具有紅色之發光量少、壽命短的缺點，近年來，替代燈泡光源，使用具有更長之壽命的發光二極體(LED)等的面發光光源。因為單色LED所放射的光係波長帶窄，所以藉由將紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)的LED組合後使用，可實現寬的顏色重現帶。
在專利文獻1，提議一種照明光學系統，該照明光學系統係為了提高光利用效率，使用具有矩形形狀之發光面的R、G、B的LED，藉對準光學系統紂從各發光面之任意一點所放射的光分別變換成平行光後，以分色鏡合成，再藉聚光透鏡將合成光聚光於積分棒之入射面。在該照明光學系統，將LED的光源像(發光面的像)以既定倍率形成於積分棒之入射面。
又，近年來，例如在如橫向極長之顯示器的異形顯示器的用途，有發光面之寬高比與顯示器之銀幕形狀之寬高比相異的情況。在此情況，光源就照明具有與發光面之寬高比相異的寬高比之影像顯示元件的區域，而發生光量損失。
因此，在專利文獻2，提議一種構成，在投射型影像顯示裝置的照明光學系統，藉由將具有環形面的環面透鏡 設置於光路中，變換光源之發光面的寬高比。
[先行技術文獻]
[專利文獻1]特開2009-300772號公報(段落0043~0050)
[專利文獻2]特開2004-61848號公報(段落0046~0052)
在此，為了在投射型影像顯示裝置的照明光學系統不會發生光量損失，需要滿足如下的2個條件。第1條件係使光的入射角度成為容許入射角(在裝置可有效地利用光之既定角度)。第2條件係將光聚光於既定照明區域內。
在專利文獻1所揭示之技術，在LED的聚光率(Etendue)遠小於積分棒之聚光率的情況，從LED所放射的光高效率地聚光於積分棒。可是，在為了提高影像顯示元件(被照明體)的亮度，而將LED的聚光率設為積分棒之聚光率以上的情況，使LED的光源像成像於與積分棒之入射面相同的尺寸時，光就以比容許入射角更大的角度射入積分棒之入射面，而發生光量損失。
又，即使是LED的聚光率比積分棒之聚光率小的情況，亦因為聚光透鏡的像差，而LED的光源像在其周邊部模糊，所以實質上成像變大。結果，若LED的光源像比積分棒之入射面更大，則發生光量損失。
在專利文獻2所揭示之照明光學系統，變換光源之發光面的寬高比，可聚光於具有相異之寬高比所要的照明區域內，但是因為變換寬高比，所以在照明面之聚光角度係根據聚光率的守恒原則而變化。聚光率的守恒原則係可利用之光源的面積與立體角的積係定值的自然法則。
例如，考慮將光源(LED)之發光面的寬高比設為4：3，將該寬高比變換成16：9，並投影於銀幕的情況。在專利文獻2的構成，使用具有環形面的環面透鏡，改變與光軸垂直之方向的成像倍率及與光軸平行之方向的成像倍率。藉此，可將4：3之寬高比變換成16：9的寬高比。此時，銀幕之短邊方向係位於壓縮寬高比的方向。又，銀幕之短邊方向的光線係聚光角度比銀幕之長邊方向的光線大。因此，銀幕之短邊方向之光線的入射角度係比在裝置可有效利用之既定角度(容許入射角)更大，而具有整體上光量損失未減少的問題。
本發明係為了解決該課題而開發的，其目的在於提於提供減少將從光源所放射之光聚光時的光量損失，而可得到高光利用效率之聚光光學系統、及使用該聚光光學系統之投射型影像顯示裝置。又，本發明之目的在於提供在面發光光源之寬高比與光強度分布均勻化元件或影像顯示元件之寬高比相異的情況，亦可減少光量損失之聚光光學系統及使用該聚光光學系統之投射型影像顯示裝置。
本發明之聚光光學系統的特徵在於包括：面發光光 源，係具有發光面，並從發光面放射光；對準光學系統，係將從發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光，並具有正的功率；及光強度分布均勻化元件，係具有藉聚光元件所聚光之光射入的入射面，使所射入之光的光強度分布變成均勻後，自射出面射出；在聚光於光強度分布均勻化元件之入射面的光中，聚光於入射面的中央部之光的聚光角比聚光於入射面的角落部之光的聚光角更小。
又，本發明之聚光光學系統的特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從發光面放射光；對準光學系統，係將從發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光，並具有正的功率；及光強度分布均勻化元件，係具有藉聚光元件所聚光之光射入的入射面，使所射入之光的光強度分布變成均勻後，自射出面射出；在藉聚光於光強度分布均勻化元件之入射面的光所形成的光點中，形成於入射面之中央部的光點比形成於入射面之角落部的光點更大。
又，本發明之聚光光學系統的特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從發光面放射光；對準光學系統，係將從發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光，並具有正的功率；及光強度分布均勻化元件，係具有藉聚光元件所聚光之光射入的入射面，使所射入之光的光強度分布變成均勻後，自射出面射出；在從面發光光源之發光面 所放射的光中，從發光面之中央部所放射的光聚光於比從發光面之角落部所放射的光更遠離聚光元件的位置。
又，本發明之聚光光學系統的特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從發光面放射光；對準光學系統，係將從發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光，並具有正的功率；及光強度分布均勻化元件，係具有藉聚光元件所聚光之光射入的入射面，使所射入之光的光強度分布變成均勻後，自射出面射出；面發光光源之發光面成像於光強度分布均勻化元件之入射面的成像倍率係在面發光光源之發光面的中央部比角落部更大。
又，本發明之聚光光學系統的特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從發光面放射光；對準光學系統，係將從發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；及聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光於影像顯示元件的顯示面，並具有正的功率；在聚光於影像顯示元件之顯示面的光中，聚光於顯示面之中央部之光的聚光角比聚光於角落部之光的聚光角更小。
又，本發明之聚光光學系統的特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從發光面放射光；對準光學系統，係將從發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；及聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光於影像顯示元件的顯示面，並具有正的功率；在藉聚光於影像顯示元件之顯示面之光所形成的光點中，形成於顯示面 之中央部的光點比形成於顯示面之角落部的光點更大。
又，本發明之聚光光學系統的特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從發光面放射光；對準光學系統，係將從發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；及聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光於影像顯示元件的顯示面，並具有正的功率；在從面發光光源之發光面所放射的光中，從發光面之中央部所放射的光聚光於比從發光面之角落部所放射的光更遠離聚光元件的位置。
又，本發明之聚光光學系統的特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從發光面放射光；對準光學系統，係將從發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；及聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光於影像顯示元件的顯示面，並具有正的功率；面發光光源之發光面成像於影像顯示元件之顯示面的成像倍率係在面發光光源之發光面的中央部比角落部更大。
又，本發明之聚光光學系統，其特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從發光面放射光；對準光學系統，係具有正的功率，並將從發光面所放射之光變換成大致平行光；聚光元件，係具有正的功率，並具有2面以上的環形面，將被變換成大致平行光的光聚光；及光強度分布均勻化元件，係具有藉聚光元件所聚光之光射入的入射面，使所射入之光的光強度分布變成均勻後，自射出面射出；發光面的寬高比係與入射面的寬高比相異；在聚光於 入射面之寬高比之壓縮方向的光中，聚光於入射面之寬高比之壓縮方向的中央部之光的聚光角比聚光於寬高比之壓縮方向的邊緣部之光的聚光角更小。
若依據本發明，可減少光量損失，而提高光利用效率。又，在面發光光源之寬高比與光強度分布均勻化元件之寬高比相異的情況，亦可減少在光強度分布均勻化元件的光量損失，而提高光利用效率。
 第1實施形態
第1圖係表示具有本發明之第1實施形態的聚光光學系統1A之投射型影像顯示裝置2A之基本構成的圖。第1實施形態的聚光光學系統1A包括：放射紅色(R)之波長帶的光(以下稱為紅色光)之紅色用的面發光光源11r、綠色(G)之波長帶的光(以下稱為綠色光)之綠色用的面發光光源11g、及藍色(B)之波長帶的光(以下稱為藍色光)之藍色用的面發光光源11b。
在第1圖，以一點鏈線表示紅色(R)之光，以長的虛線表示綠色(G)之光，以短的虛線表示藍色(B)之光。
面發光光源11r具有放射紅色光的發光面12r。又，面發光光源11g具有放射綠色光的發光面12g。面發光光源11b具有放射藍色光的發光面12b。面發光光源之發光面12r、12g、12b係彼此相同的矩形形狀且大小相同的平 面。
面發光光源11r、11g、11b係可藉LED(發光二極體)、EL(電致發光)元件、半導體雷射、及這些元件的組合構成，但是在以下，說明使用LED的情況。
聚光光學系統1A係又在面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b的射出側具有對準透鏡(對準光學系統)13r、13g、13b，該對準透鏡係分別具有正的功率。
對準透鏡13r係將從紅色用之發光面12r所放射的紅色光變換成大致平行光(平行光化)。對準透鏡13g係將從綠色用之發光面12g所放射的綠色光變換成大致平行光。對準透鏡13b係將從藍色用之發光面12b所放射的藍色光變換成大致平行光。
聚光光學系統1A又具有將通過紅色用之對準透鏡13r的紅色光、通過綠色用之對準透鏡13g的綠色光、及通過藍色用之對準透鏡13b的藍色光合成的光合成裝置。光合成裝置係例如由具有彼此正交之2片分色鏡6、7的交叉分色鏡所構成。分色鏡6、7具有使特定之波長帶之光透過或反射的特性。在第1圖，以二點鏈線表示所合成的光。
在本第1實施形態，光合成裝置包括：分色鏡6，係使綠色光及藍色光透過，並使紅色光反射；及分色鏡7，係使紅色光及綠色光透過，並使藍色光反射。交叉分色鏡係和彼此分開地配置2片分色鏡的情況相比，因為可使鏡之配置空間變小，所以可實現更小型的聚光光學系統。此外，光合成裝置係未限定為第1圖所示的構成。
聚光光學系統1A又包括：聚光透鏡(聚光元件)4，係將藉光合成裝置(分色鏡6、7)所合成的光聚光，並具有正的功率；及作為光強度分布均勻化元件的積分棒8，係使以聚光透鏡4所聚光之光的強度分布變成均勻。積分棒8具有：入射面81，係以聚光透鏡4所聚光之光射入；及射出面82，係射出光強度分布均勻化的光。
聚光透鏡4係藉分色鏡6、7所合成的光射入，並將該合成的光以所要之角度聚光於積分棒8之入射面81。R、G、B用之面發光光源11r、11g、11b的發光面12r、12g、12b與積分棒8之入射面81係處於共軛的關係，在積分棒8之入射面81，形成發光面12r、12g、12b的二次光源像。
積分棒8由具有矩形截面之四角柱形的透明構件(在此為玻璃)所構成，入射面81具有與影像顯示元件(在第1圖以符號22表示)相似的矩形形狀。射入積分棒8之入射面81的光係藉由一面在玻璃與空氣之界面重複全反射，一面在積分棒之內部傳播，而各色的光被均勻化後，從射出面82射出。此外，光強度分布均勻化元件係未限定為積分棒8，亦可是在內面利用全反射之中空的光管或其他的元件。
投射型影像顯示裝置2A包括：依此方式所構成之聚光光學系統1A；從聚光光學系統1A所射出之光(藉積分棒8使光強度分布均勻化的光)射入的照明光學系統21；影像顯示元件22，係調變從照明光學系統21所射入之光而產生影像光；及投射光學系統24，係將以影像顯示元件22 所產生之影像光放大並投射。在具有銀幕之背面投射式的投射型影像顯示裝置的情況，更具有影像光被放大並投射的銀幕25。
照明光學系統(亦稱為照明光學元件)21係使從積分棒8所射出之光照射於影像顯示元件22的顯示面(顯示區域)23，例如由透鏡等所構成。
積分棒8之射出面82與影像顯示元件22的顯示面23係處於彼此共軛關係，具有均勻的亮度之矩形的積分棒8之射出面82的像成像於影像顯示元件22的顯示面23上。藉由將積分棒8之射出面82與影像顯示元件22的顯示面23作成彼此相似的形狀，可高效率地照明影像顯示元件22的顯示面23，而可得到高的光利用效率。
影像顯示元件22係例如是透過型或反射型的液晶面板或反射型的DMD(Digital Micro-Mirror Device)。影像顯示元件22的顯示面23具有二維地排列多個像素的構成。影像顯示元件22係藉由因應於影像信號對各像素將藉照明光學系統21所照射之光進行強度調變，產生影像光。
投射光學系統24係將藉影像顯示元件22所調變之光(影像光)放大並投射於銀幕25。銀幕25係在前面投射型(前投影機)的情況使用反射式銀幕，觀察者藉反射光觀察影像。在背面投射型(後投影機)的情況使用透過式銀幕，觀察者藉透過光觀察影像。銀幕25的表面與影像顯示元件22的顯示面23係配置於彼此共軛的位置。
在依此方式所構成之投射型影像顯示裝置2A，依以下 的方式顯示影像。即，從面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b所放射的紅色光、綠色光及藍色光透過對應的對準透鏡(對準光學系統)13r、13g、13b後成為大致平行光，再射入分色鏡6、7而被合成。以分色鏡6、7所合成的光係藉聚光透鏡4聚光於積分棒8之入射面81。藉積分棒8使光強度分布變成均勻的光係通過照明光學系統21後照射於影像顯示元件22，藉影像顯示元件22所調變之影像光係藉投射光學系統24放大並投射於銀幕25，而將影像顯示於銀幕25。
此外，因為聚光光學系統1A係照明影像顯示元件22(被照明體)者，所以亦有稱為照明裝置的情況。
其次，更詳細說明面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b的尺寸、積分棒8之入射面81的尺寸及影像顯示元件22的顯示面23的尺寸之關係。在第1實施形態，面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b與積分棒8之入射面81係處於彼此共軛關係，而且積分棒8之射出面82與影像顯示元件22的顯示面23係處於彼此共軛關係。
一般，在設計聚光光學系統及照明光學系統時，考慮聚光率(etendue)的量。將聚光率的概念應用於第1實施形態的聚光光學系統1A及投射型影像顯示裝置2A時，假設從面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b所放射之光束的配光分布為朗伯分布(完全擴散)時，面發光光源11r、11g、11b的聚光率(Es)、積分棒8的聚光率(Ei) 及影像顯示元件22的聚光率(El)係根據發光面或受光面的面積、與從發光面所放射之光或在受光面所接受的光之立體角的積，以以下的第(1)~(3)式表示。
Es=As×π×sin2 (θ s)…(1)
Ei=Ai×π×sin2 (θ i)…(2)
El=Al×π×sin2 (θ l)…(3)
在第(1)式，Es係面發光光源11r、11g、11b的聚光率。As是面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b的面積。θ s係從面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b所放射，並以對準透鏡13r、13g、13b想取入之光線中以最大的擴散角所放射的光線之相對發光面12r、12g、12b之法線的角度(取入角)。π是圓周率。
在第(2)式，Ei係積分棒8的聚光率。Ai是積分棒8之入射面81的面積。θ i係以上述的取入角從面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b所放射，並射入積分棒8之入射面81的光線之相對積分棒8之入射面81之法線的角度(聚光角)。
在第(3)式，El係影像顯示元件22的聚光率。Al是影像顯示元件22之顯示面23的面積。θ l係以上述的聚光角射入積分棒8之入射面81後，射入影像顯示元件22之顯示面23的光線之相對顯示面23之法線的角度(照明角)。
一般，聚光光學系統及照明光學系統係設計成上述之Es、Ei、El的值相等。例如面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b的尺寸(橫向×縱向)是3mm×4mm(對 角線尺寸是5mm)，若假設從發光面12r、12g、12b成半球狀所放射之(θ s=90°)光束的配光分布是朗伯分布，則面發光光源11r、11g、11b的聚光率(Es)係從第(1)式如以下所示計算，得到約37.7。
Es=As×π×sin2 (θ s)=(3×4)×π×sin2 (90°)=12×π≒37.7
與其對應，將影像顯示元件22之顯示面23的尺寸設為12mm×16mm(對角線尺寸是20mm)，並將照明影像顯示元件22之顯示面23之光的F值設定成2.0(θ 1≒14.5°)時，影像顯示元件22之聚光率(E1)係從第(3)式如以下所示計算，得到約37.7，可設為與面發光光源11r、11g、11b的聚光率(Es)相同的值。
E1=A1×π×sin2 (θ 1)=(12×16)×π×sin2 (14.5°)≒192×π×0.0627≒37.7
又，將射入積分棒8之入射面81之光的F值設定成1.0(θ i=30°)，並將積分棒8之入射面81的尺寸設為6mm×8mm(對角線尺寸是10mm)時，積分棒8之聚光率(Ei)係從第(2)式如以下所示計算，得到約37.7，可設為與面發光光源11r、11g、11b之聚光率(Es)及影像顯示元件22之聚光率(E1)之雙方相同的值。
Ei=Ai×π×sin2 (θ i)=(6×8)×π×sin2 (30°) =48×π×0.25≒37.7
在上述之例子的情況，由對準透鏡13r、13g、13b及聚光透鏡4所構成之光學系統係將面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b(尺寸：3mm×4mm)放大成2倍，並成像於積分棒8之入射面81(尺寸：6mm×8mm)。此時，在因由對準透鏡13r、13g、13b及聚光透鏡4所構成之光學系統所具有的像差，而LED的光源像在其周邊部模糊，而成像成實質上大的情況，或者，在該光學系統之成像倍率大，且面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b的二次光源像成像成比積分棒8之入射面81更大的情況，光亦照射於積分棒8之入射面81的外側(即，未射入入射面81的光存在)，而發生光量損失。
另一方面，使由對準透鏡13r、13g、13b及聚光透鏡4所構成之光學系統的倍率比所要之值更小時，面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b的二次光源像變成更小，照射於積分棒8之入射面81的外側的光不存在。可是，在此情況，因為射入積分棒8之入射面81之光的聚光角變大，所以射入影像顯示元件22之顯示面23之光的照明角亦變大，結果，引起光量損失或投射光學系統的大型化。
即，聚光光學系統1A係需要使從面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b以既定取入角所放射的光以既定聚光角成像成既定尺寸，若超過該既定聚光角及尺寸，則發生光量損失等。
但，取入從面發光光源11r、11g、11b所放射之光的全部(至θ s=90°)係困難，又，考慮製造誤差或均勻性，在照明影像顯示元件22之顯示面23時，由於照明成比顯示面23更稍大(照明邊限)等，實際上配合光學系統的規格，取入角或積分棒8之入射面81的尺寸等被適當地最佳化。
若積分棒8之聚光率與影像顯示元件22之聚光率相同或處於固定的關係，則如上述所示，使面發光光源11r、11g、11b的聚光率與積分棒8之聚光率一致這件事在光利用效率上最佳。可是，實際上，面發光光源11r、11g、11b及影像顯示元件22之尺寸或規格係選擇的餘地有限，未必可使面發光光源11r、11g、11b的聚光率與積分棒8之聚光率一致。
另一方面，若將面發光光源的聚光率設定成比積分棒之聚光率更小，因為無法得到以影像顯示元件22可達成之最大的亮度，所以將面發光光源的聚光率設定成比積分棒之聚光率更大的情況多。又，即使將面發光光源的聚光率設定成比積分棒之聚光率更小，亦若聚光系統的像差大時，發生光量損失。
在依此方式將面發光光源的聚光率設定成比積分棒之聚光率更大的情況，無法以所要之角度以下的聚光角將從面發光光源所放射之光的全部取入積分棒，而發生光量損失。關於這一點，使用第2圖及第3圖的第1參考例說明。
第2圖及第3圖表示作為第1參考例，無法將從面發光光源所放射之光的全部以所要之角度以下的聚光角取入 積分棒而發生光量損失之情況的構成。第1參考例的構成元件係為了便於說明，使用與第1實施形態之構成元件相同的符號說明。
積分棒8之入射面81的尺寸係根據影像顯示元件22的規格(面積及F值)所決定。在第2圖所示的第1參考例，使面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b以成為與積分棒8之入射面81同一尺寸的成像倍率成像於積分棒8之入射面81。在此情況，因為從面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b的各點所放射的光係以比容許入射角更大的角度α聚光於積分棒8之入射面81，所以發生光量損失。將該光量損失稱為角度所造成之光量損失。
此外，容許入射角意指光對積分棒8之入射面81的入射角大於容許入射角時，從積分棒8所射出之光的一部分成為不會射入後段的光學元件(在此為照明光學系統21及投射光學系統24)之極限的入射角。
另一方面，在第3圖所示的第1參考例，使面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b以容許入射角以下的角度成像於包含積分棒8之入射面81的平面上，但是成像倍率比第2圖的更大。因此，面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b的二次光源像係比積分棒8之入射面81的尺寸更大，發生光量損失。將該光量損失稱為面積所造成之光量損失。
第4圖係表示本發明之第1實施形態之聚光光學系統 1A中的光路的圖。此外，因為分色鏡6、7係可忽略對從面發光光源11r、11g、11b所放射的光之聚光(收歛)狀態的影響，所以在此省略。面發光光源11r、11g、11b的聚光率比積分棒8之聚光率更大這件事係與第1參考例(第2圖及第3圖)共通。
此外，在以下的說明，因應於需要，將面發光光源11r、11g、11b總稱為「面發光光源11」。又，將發光面12r、12g、12b總稱為「發光面12」，將對準透鏡13r、13g、13b總稱為「對準透鏡13」。
在面發光光源11的聚光率比積分棒8之聚光率更大的情況，如上述所示，發生角度所造成之光量損失(第2圖)、面積所造成之光量損失(第3圖)、或其雙方。第1實施形態係尤其減少角度所造成之光量損失(第2圖)。
在第4圖，從面發光光源11之發光面12的角落部(4角落)所放射的光係以既定入射角射入積分棒8之入射面81的角落部。另一方面，從面發光光源11之發光面12的中央部所放射的光係以比從發光面12之4角落所放射的光之入射角更小的入射角射入積分棒8之入射面81的中央部。
換言之，面發光光源11之發光面12的像成像於積分棒8之入射面81時的成像倍率係在中央部比入射面81的角落部更大。
第5圖係表示從面發光光源11(11r、11g、11b)之發光面12(12r、12g、12b)所放射的光聚光於積分棒8之狀 況的放大圖。在此，為了於說明，當作積分棒8之入射面81的法線方向是水平者說明之。
從面發光光源11之發光面12之角落部的一點在比水平方向下方向所放射的光係在比水平方向上方向以角度u1聚光於積分棒8之入射面81的角落部。從面發光光源11之發光面12之角落部的一點在比水平方向上方向所放射的光係在比水平方向下方向以角度u2聚光於積分棒8之入射面81的角落部。
又，從面發光光源11之中央部的一點在比水平方向下方向所放射的光係在比水平方向上方向以角度v1聚光於積分棒8之入射面81的中央部。從面發光光源11之中央部的一點在比水平方向上方向所放射的光係在比水平方向下方向以角度v2聚光於積分棒8之入射面81的中央部。
相對水平方向分別在上下方向將對積分棒8的容許入射角設為α時，在積分棒8之入射面81的角落部，聚光角u1、u2係比α更大，因此，發生角度所造成之光量損失。另一方面，在積分棒之入射面81的中央部，聚光角v1、v2係比α更小，因此，未發生角度所造成之光量損失。
結果，與第2圖所示之第1參考例相比，可減少從面發光光源11之發光面12之中央部所放射的光之角度所造成的光量損失。在此情況，從面發光光源11之中央部所放射之光的聚光角係比容許入射角更小，此外，而且愈接近容許入射角，可使光量損失愈小。
此外，在本第1實施形態，使二次光源像與積分棒8 之入射面81的尺寸相等，但是未限定如此，使成像倍率稍微變大等之變形亦可能。
在第6圖表示藉從面發光光源之4角落及中央部所放射的光所形成之積分棒8之入射面81上的光點。第6(A)圖表示在第2圖所示之第1參考例的聚光光學系統之入射面81上的光點，第6(B)圖表示在第4圖所示之第1實施形態的聚光光學系統之入射面81上的光點。
如第6(A)圖所示，在第1參考例的聚光光學系統，形成於面發光光源11之發光面12之4角落及中央部的光點係全部小(但，因聚光系統之像差，在周邊部的光點係嚴格上無法聚光於一點，因為多少有點模糊，所以未射入積分棒8之入射面81的光亦存在)。另一方面，在第1實施形態的聚光光學系統，如第6(B)圖所示，形成於面發光光源11之發光面12之4角落的光點係小，但是形成於中央部的光點係大。
這是由於如上述所示使從面發光光源11之發光面12的中央部所放射之光的成像倍率比從發光面12之4角落所放射的光更大，相對於從發光面12之4角落所放射的光係聚光於積分棒8之入射面81，從發光面12之中央部所放射的光係聚光於比積分棒8之入射面81更靠近積分棒8之射出面82側(遠聚光透鏡4之側)的緣故(第5圖)。
在積分棒8之入射面81的4角落，光點變大時，因為其一部分超出入射面81，所以發生上述之面積所造成之光量損失。相對地，在積分棒8之入射面81的中央部，即使 光點變成稍大，亦不會超出入射面81。因此，不會發生面積所造成之光量損失，並可減少角度所造成之光量損失。
第7圖係在表示面發光光源11之發光面12的中央部及角落部之微小區域的像成像於積分棒8之入射面81之狀態的模式圖。
在面發光光源11之發光面12之中央部及角落部的微小長度△a係藉對準透鏡13及聚光透鏡4分別以△c(中央部)及△p(角落部)之長度成像於積分棒8之入射面81。此時，如上述所示，對積分棒8之入射面81之中央部的聚光角比對角落部的聚光角更小，所以成像倍率係中央部的比角落部的更大。即，△c比△p更大。
第8圖係表示聚光透鏡4之具體形狀之一例的圖。聚光透鏡4具有來自面發光光源11之光所射入的第1面41、與從第1面41所射入之光射出的第2面42。聚光透鏡4係整體上具有正的功率，使射入第1面41的光收歛，並從第2面42射出。第1面41具有凸面形狀。第2面42係在聚光透鏡4之包含光軸(中心)的截面，中央附近42a具有凹面形狀，周邊部42b具有凸面形狀且非球面形狀。
從面發光光源11之發光面12之角落部所放射的光係在第1面41承受收歛作用，在第2面42的周邊部42b(凸面)進一步承受收歛作用，而聚光於聚光點fp。該聚光點fp係大致位於積分棒8之入射面81上。
另一方面，從面發光光源11之發光面12之中央部所放射的光係在第1面41承受收歛作用，但是在第2面42 的中央附近42a(凹面)幾乎未承受發散、收歛作用，而聚光於聚光點fc。該聚光點fc係位於比積分棒8之入射面81更靠近射出面82側(即，遠離聚光透鏡4之側)。
根據這種構成，可使對積分棒8之入射面81之中央部的聚光角比對角落部的聚光角更小。
此外，在此，聚光透鏡4之第2面42的中央附近42a具有接近以上述之聚光點fc(來自面發光光源11之發光面12的中央部之光的聚光點)為中心之球面的形狀，但是未限定如此。
在第9圖，表示聚光透鏡4之形狀的變形例。在此變形例，聚光透鏡4之第2面43之中央附近43a的凹面形狀不是大致球面，而，具有比第8圖之聚光透鏡4之第2面42的中央附近42a更大的曲率，或具有中心不連續的形狀。在本例，在聚光透鏡4的中央附近43a，來自各輪帶之光的聚光點(f1、f2)大為相異，來自面發光光源11之發光面12之中央部的光係未具有明確的聚光點。在此情況，若光以容許入射角以下的角度射入積分棒8之入射面81內，亦可防止光量損失。
此外，在以上的說明，藉聚光透鏡4之第2面43的面形狀，發揮在積分棒8之入射面81的角落部與中央部使光之聚光角相異的功能，但是未限定為這種構成。
例如，亦可使聚光透鏡4之第1面41與第2面42之雙方的面形狀分擔在積分棒8之入射面81的角落部與中央部可使光之聚光角相異的功能。或者，亦可以複數片透鏡 構成聚光透鏡4，並使該複數片透鏡具有該功能。
又，在積分棒8之入射面81的角落部與中央部可使光之聚光角相異的功能係可在由對準透鏡13及聚光透鏡4所構成之聚光光學系統的整體發揮即可，亦可作成僅對準透鏡13發揮該功能，或者亦可作成對準透鏡13及聚光透鏡4之雙方發揮該功能。
但，在發揮在積分棒8之入射面81的角落部與中央部可使光之聚光角相異之功能的具有非球面，且用以形成該非球面的耗費比形成球面之耗費更高的情況，共同作用於從各色之面發光光源11(11r、11g、11b)所放射的光之(即，使用個數少之)聚光透鏡4發揮該功能較佳。
第1數值實施例
以下，說明第1實施形態之聚光光學系統1A的第1數值實施例。在第1表，表示聚光光學系統1A的光學資料。在第10圖，表示第1表的光學資料之聚光光學系統的構成。
在本實施例，面發光光源11之發光面12(12r、12g、12b)的尺寸係4.16mm×2.6mm。積分棒8之入射面81的尺寸係6.08mm×3.8mm。來自面發光光源11之光的取入角是80度(半角)。對積分棒8的容許入射角係在半角為30度(即F值1.0)。這相當於以F值2.5(約11.5度(半角))照明影像顯示元件22之顯示面23上之15.2mm×9.5mm的區域。又，面發光光源11的發光波長係紅色(11r)為623nm，綠色(11g)為526nm，藍色(11b)為462nm。
[第1表]
在第1表所示之光學資料中之面編號Si的欄，以對應於第10圖所示之符號Si的方式表示第i號之面的編號。編號i係1以上的自然數。將位於最靠近物體側之構成元件的面設為第1號，編號i係朝向像側增加。物體側係面發光光源11r、11g、11b側。在面編號Si之欄，將面發光光源之發光面12r、12g、12b設為OBJ，將積分棒8之入射面81設為IMA。CG係面發光光源的蓋玻璃。
又，在第1表之曲率半徑Ri的欄，表示從物體側開始第i號之面之曲率半徑的值。在面間隔Di的欄，表示從物體側開始第i號之面Si與第i+1號之面Si+1之光軸上 的間隔。曲率半徑Ri及面間隔Di之值的單位係毫米(mm)。在Nd、ν d的欄，分別表示對d線(587.6nm)的折射率及阿貝數的值。
在第1表之S2的面間隔，(r)、(g)、(b)係分別相當於紅色、綠色、藍色之面發光光源之情況的面間隔。為了修正各色間之色像差，將面S2與面S3的面間隔設為對各色相異的值。
又，在第1表，面編號之右上所附加的記號「*」係表示其透鏡面是非球面形狀。在此，S8、S9、S10、S11、S12為非球面形狀。在第2表，表示非球面資料。
作為第2表所示的非球面資料，記載藉以下之第(4)式所表示之非球面形狀的數學式之各係數k、Ai的值。Z係在距離光軸半徑r(mm)之位置的非球面凹陷量(深度：mm)。係數k表示獨特的係數。係數C表示在面頂點的曲率。 係數Ai表示i次的非球面係數。
Z1(r)=C˙r2 /{1+(1-(1+k)˙C2 ˙r2 )1/2 }+Σ Ai˙ri(i=1~n)…(4)
此外，第1表及第2表所示的光學資料只不過是用以說明第1實施形態之聚光光學系統1A之功能的一例。例如，在此常用非球面透鏡，但是亦可將其替換成複數個球面透鏡。又，除了第1表所示之玻璃材料以外，亦可使用折射率或阿貝數相異的各種玻璃材料。
在第1表及第10圖，CG係面發光光源11的蓋玻璃(平行平板)。對準透鏡13(13r、13g、13b)係從面發光光源11側至積分棒8側依序由第1對準透鏡113(113r、113g、113b)、第2對準透鏡213(213r、213g、213b)、及第3對準透鏡313(313r、313g、313b)之3片所構成。又，聚光透鏡4(第1圖)係從面發光光源11側至積分棒8側依序由第1聚光透鏡114及第2聚光透鏡115之2片所構成。
在第11圖，表示聚光透鏡115的形狀及對積分棒8之聚光狀態的細部。聚光透鏡115的第2面S12係其中央附近具有凹面形狀，使從面發光光源11之發光面12的中央部所放射的光幾乎不收歛、發散，另一方面，其周邊部具有凸面形狀，藉其正的功率使從面發光光源11之發光面12的角落部所放射的光收歛。結果，對積分棒8之入射面81的聚光角係中央部比角落部更小。
在第12圖，表示藉從面發光光源11之發光面12的4角落及中央部、以及發光面12之四邊的各中點所放射的光 所形成之積分棒8之入射面81上的光點。得知中央部除外之8點的光點聚光成比較小，但是中央部的光點大為擴大。
在第3表，表示相對像高與聚光於積分棒8之入射面81之光的F值之關係。相對像高係以從積分棒8之入射面81的中心至角落部之距離所規格化的像高，在中心相對像高是0，在角落部相對像高是1。
因為對積分棒8之入射面81之光的聚光角係愈接近中心愈小，所以在第3表，得知相對像高為0(即中心)時之F值最大，有相對像高愈大(即愈接近角落部)F值愈小的傾向。例如，切線方向與徑向之F值的平均值係相對在相對像高為0(中心)時是1.016，在相對像高為1(角落部)時是0.710。
第13圖係表示相對像高與對積分棒8之入射面81的入射位置之關係的圖形。對積分棒8之入射面81的入射位置係以與入射面81之中心的距離表示。第13圖所示的曲 線m係表示第3表所示之相對像高與入射位置之關係的曲線。另一方面，第13圖所示的直線n係表示相對像高與入射位置成正比(即倍率不因相對像高而變)的直線。
即，隨著相對像高變大(即接近角落部)，曲線m與直線n成為大致一致。另一方面，在相對像高之小的部分，因為曲線m位於比直線n更上方，所以得知在入射面81的中心附近成像倍率變大。
第14圖及第15圖表示在積分棒8之入射面81的照度分布。第14(A)圖係表示在第1實施形態的聚光光學系統，在對積分棒8之入射面81的聚光角未設置限制(即包含全部之對入射面81聚光的光)的情況之在入射面81的照度分布的圖。又，第14(B)圖係對應於第14(A)圖之照度(單位：W/mm2 )之不均的圖。
第15(A)圖係表示在第1實施形態的聚光光學系統，將對積分棒8之入射面81的聚光角限制成是容許入射角之30度(半角)(即，將對入射面81聚光之光中以聚光角30度以上所入射的光除外)的情況之入射面81上的照度分布的圖。在第15(B)圖，係表示對應於第15(A)圖之照度(單位：W/mm2 )之不均的圖。
又，第16(A)圖及第16(B)圖係表示分別對應於第14圖及第15圖之照度分布的圖形。在第16圖，以實線表示X方向(橫向)之照度分布，並以虛線表示Y方向(縱向)之照度分布。第17圖係表示在此所使用之面發光光源11之配光分布的圖形。在第17圖，橫軸表示角度，縱軸表示放 射強度。
在第14(A)圖，因為在中央部成像倍率大，所以聚光於中央部之光的密度小，照度比角落部低。在第15(A)圖，在角落部，因為以比容許入射角更大之角度所射入的光受到限制，所以在角落部照度比第14(A)圖低。另一方面，在第15(A)圖的中央部，因為光在容許入射角以內聚光，所以和未設置入射角限制之第14(A)圖相比，照度亦幾乎不變。結果，在入射面81的照度分布係如第15圖及第16(B)圖所示，成為大致均勻的照度分布。
此外，在第14(A)圖，入射面81的中央部看起來亮，但是這是由於以灰階表示圖面，實際上入射面81的中央部最暗。又，從第14(B)圖，在入射面81的照度係位於0.02~0.05W/mm2 之比較寬廣的範圍，得知照度的不均大。
又，從第15(B)圖，在入射面81的照度係集中於比第14(B)圖更窄的範圍，得知照度的不均小。
從該結果，得知若依據第1實施形態的第1數值實施例，光以成為大致均勻之照度分布的方式聚光於積分棒8之入射面81。
第1比較例
以下，說明用以與第1實施形態之聚光光學系統1A對比的第1比較例。在本第1比較例，係構成為使來自面發光光源的光以積分棒之容許入射角聚光之一般的聚光光學系統。在第4表表示第1比較例的光學資料，在第18圖表示對應的構成。
在本第1比較例，面發光光源11之發光面12的尺寸係4.16mm×2.6mm，積分棒8之入射面81的尺寸係6.08mm×3.8mm。來自面發光光源11之光的取入角是80度(半角)，對積分棒8之入射面81的容許入射角係30度(半角)。這相當於以F值2.5(約11.5度(半角))照明影像顯示元件22之顯示面23上之15.2mm×9.5mm的區域。又，面發光光源11的發光波長係紅色(11r)為623nm，綠色(11g)為526nm，藍色(11b)為462nm。以上的規格係與上述之第1實施形態的第1數值實施例一樣。
第4表之表記的方法係與第1表一樣。在本第1比較 例，從OBJ至S8，係與上述之第1實施形態的第1數值實施例(第1表)相同，S9以後相異。在第5表，表示非球面資料。
在第6表，係與第3表一樣，表示相對像高(以從面發光光源的中心至角落部之距離所規格化的像高)與對積分棒8聚光之光的F值之關係。在本第1比較例，因為對積分棒8之入射面81之光的聚光角係設計成在中心與角落部大致相同，所以與相對像高無關，F值係大致為1。
在第19圖，表示藉從面發光光源11之發光面12的4角落及中央部、以及發光面12之四邊的各中點所放射的光所形成之積分棒8之入射面81上的光點。在本第1比較例，因為面發光光源11的聚光率比積分棒8之聚光率大，所以若將對積分棒8之入射面81的聚光角設定成容許入射角，因為替代角度所造成之光量損失係不會發生，成像倍率變大，所以從面發光光源11之發光面的角落所放射的光係聚光於比積分棒8之入射面81的角落部更外側，而發生面積所造成之光量損失。
在第7表，在第1比較例與上述之第1實施形態之第1數值實施例對比表示在使用具有第17圖的配光分布之面發光光源11的情況之對積分棒8之入射面81的聚光效率(在將容許入射角設為30度(半角)的情況)。
從第7表，相對第1比較例的聚光效率是55.19%，第1實施形態之第1數值實施例的聚光效率是58.68%，得知光利用效率提高6.32%。此外，因為積分棒8的尺寸係從影像顯示元件22的尺寸及照明F值所適當地決定，所以認 為射入積分棒8的光係除了照明邊限或透鏡等的透過損失及影像顯示元件22的損失以外，原則上無光損失地到達銀幕25。
如以上之說明所示，第1實施形態的聚光光學系統1A及投射型影像顯示裝置2A係在聚光於光強度分布均勻化元件(積分棒8)之入射面81的光中，聚光於入射面81之中央部之光的聚光角比聚光於入射面81之角落部之光的聚光角更小。換言之，在藉聚光於積分棒8之入射面81的光所形成的光點中，形成於入射面81之中央部的光點比形成於入射面81之角落部的光點更大。進而換言之，在從面發光光源11之發光面12所放射的光中，從發光面12之中央部所放射的光聚光於比從發光面12之角落部所放射的光更遠離聚光透鏡4(聚光元件)的位置。進而換言之，面發光光源11之發光面12成像於積分棒8(光強度分布均勻化元件)之入射面81時的成像倍率係在入射面81的中央部比角落部更大。
因此，在面發光光源11的聚光率比積分棒8之聚光率大的情況，亦減少在積分棒8的光量損失，而可提高光利用效率。
此外，在第1實施形態，採用面發光光源11的聚光率比積分棒8之聚光率大，但是本發明係未限定如此，亦可應用於面發光光源11的聚光率比積分棒8之聚光率小的情況。
又，因為聚光光學系統之至少一片透鏡(聚光透鏡4) 具有使從面發光光源11之發光面12之角落部所放射的光以比從發光面12之中央部所放射的光更強的功率聚光的光學面(第2面42)，所以可實現使聚光於入射面81之中央部之光的聚光角比聚光於入射面81之角落部之光的聚光角更小的構成。
又，因為聚光透鏡4的第2面42中作用於從面發光光源11之發光面12的中央部所放射之光的部分(中央部)形成凹面形狀，作用於從角落部所放射之光的部分(周邊部)形成凸面形狀，所以能以簡單的構成實現使聚光於入射面81之中央部之光的聚光角比聚光於入射面81之角落部之光的聚光角更小的構成。
又，因為具有複數個面發光光源11r、11g、11b，並具有將從這複數個面發光光源11r、11g、11b所放射的光合成後引導至聚光透鏡4(聚光光學系統)的分色鏡6、7(光合成裝置)，所以可在彩色的投射型影像顯示裝置提高光利用效率。
此外，在上述的說明，採用使綠色用的面發光光源11g與聚光透鏡4相對向，並使紅色用及藍色用的面發光光源11r、11b朝向與綠色用的面發光光源11g正交之方向的配置，但是本發明係未限定為這種構成。例如，亦可配置成使藍色用的面發光光源11b與聚光透鏡4相對向，並使紅色用及綠色用的面發光光源11r、11g朝向與藍色用的面發光光源11b正交之方向。或者，亦可配置成使紅色用的面發光光源11r與聚光透鏡4相對向，並使綠色用及藍色用 的面發光光源11g、11b朝向與紅色用的面發光光源11r正交之方向。
又，在上述的說明，聚光透鏡4及對準透鏡13r、13g、13b係分別以一片凸透鏡表示，但是本發明係未限定為這種形態，亦可因應於取入角或倍率等聚光光學系統的規格，分別使用2片以上的透鏡構成。又，聚光透鏡4及對準透鏡13r、13g、13b係未限定為球面透鏡，亦可使用非球面透鏡或自由曲面透鏡等。
進而，在上述的說明，說明光強度分布均勻化元件是積分棒的情況，但是未限定為積分棒，例如亦可使用中空的光隧道等其他的光強度分布均勻化元件。
又，在上述的說明，採用以分色鏡6、7將從R、G、B之各色的面發光光源11r、11g、11b所放射的光合成，但是未限定為分色鏡，例如亦可使用分色稜鏡等其他的光合成裝置。又，面發光光源的個數係未限定為3個。
第2實施形態
其次，說明本發明之第2實施形態。第20圖係示意地表示具有本發明之第2實施形態的聚光光學系統1B之投射型影像顯示裝置2B之構成的圖。第2實施形態的聚光光學系統1B係在未具有積分棒8及照明光學系統21上，與第1實施形態的聚光光學系統1A(第1圖)相異。
在上述的第1實施形態，在積分棒8之入射面81，如第15圖及第16(B)圖所示可得到大致均勻的照度分布。
因此，在本第2實施形態，作成不藉積分棒進行光強 度分布的均勻化，而構成為透過聚光透鏡4的光直接射入影像顯示元件22之顯示面23，在影像顯示元件22之顯示面23的照度分布成為接近如第15圖及第16(B)圖所示之大致均勻之照度分布的分布。
對準透鏡13及聚光透鏡4係使面發光光源11之發光面12成像於影像顯示元件22之顯示面23。因為影像顯示元件22之顯示面23係比積分棒8之入射面81(第1圖)更大，所以成像倍率係考慮影像顯示元件22之顯示面23的尺寸、面發光光源11之發光面12的尺寸及適當的照明邊限所決定。
又，在上述的第1實施形態，使對積分棒8之入射面81之中央部的入射角比對入射面81之角落部的入射角更小，但是在本第2實施形態，使對影像顯示元件22之顯示面23之中央部的入射角比對顯示面23之角落部的入射角更小，藉此，可減少光量損失。
又，在本第2實施形態，將對影像顯示元件22之顯示面23之中央部的聚光角設定成對影像顯示元件22之顯示面23之容許入射角以下。該容許入射角係可在考慮使積分棒8之射出面82的像成像於影像顯示元件22之顯示面23時的成像倍率下，從在第1實施形態所說明之對積分棒8之入射面81的容許入射角求得。
聚光透鏡4係如參照第8圖及第9圖的說明所示，具有以比從面發光光源11之發光面12之中央部所放射的光更強的功率使從發光面12之角落部所放射的光聚光的光 學面。
藉由依此方式不設置積分棒8，可減少聚光光學系統1B及投射型影像顯示裝置2B的製造費用。又，因為無在積分棒8的反射或透過損失，所以可更減少光量損失。又，因為不需要積分棒8的配置空間，所以裝置可小型化。其他的構成係與第1實施形態一樣。
如以上之說明所示，第2實施形態之聚光光學系統1B及投射型影像顯示裝置2B係構成為對影像顯示元件22之顯示面23之中央部的聚光角比對顯示面23之角落部的聚光角更小。換言之，形成於影像顯示元件22之顯示面23之中央部的光點比形成於角落部的光點更大。進而換言之，從發光面12的中央部所放射之光的聚光位置位於比從角落部所放射之光的聚光位置更遠離聚光透鏡4(聚光元件)的位置。進而換言之，發光面12成像於影像顯示元件22之顯示面23時的成像倍率係在顯示面23的中央部比角落部更大。
因為依此方式構成，所以在面發光光源11的聚光率比影像顯示元件22之聚光率大的情況，亦減少在影像顯示元件22的光量損失，而可實現高的光利用效率。又，因為不需要積分棒，所以可減少製造費用，並可使裝置小型化。
第2實施形態係在影像顯示元件22之顯示面23，容許如第15圖及第16(B)圖所示之大致均勻之照度分布的情況，具有裝置之小型化或製造費用之減少的效果。
另一方面，在影像顯示元件22之顯示面23，要求比 如第15圖及第16(B)圖所示之照度分布更致均勻之照度分布的情況，如第1實施形態所示使用積分棒進行充分之光強度的均勻化較佳。
即，在將第1實施形態與第2實施形態對比的情況，在裝置之小型化或製造費用之減少的觀點，第2實施形態比較有利，而在顯示畫面之照度之均勻化的觀點，第1實施形態比較有利。
此外，在第2實施形態，採用面發光光源11的聚光率比影像顯示元件22之顯示面23的聚光率大，但是本發明係未限定如此，亦可應用於面發光光源11的聚光率比影像顯示元件22之顯示面23的聚光率小的情況。
第3實施形態
其次，說明本發明之第3實施形態。在以下，將彼此正交3個方向設為x方向(橫向)、y方向(縱向)及z方向(與光軸平行的方向)。
第21圖係表示具有本發明之第3實施形態的聚光光學系統1C之投射型影像顯示裝置2C之構成的圖。如第21圖所示，第3實施形態的聚光光學系統1C具有面發光光源11r、11g、11b。面發光光源11r係發光面12r放射紅色(R)的光。面發光光源11g係從發光面12g放射綠色(G)的光。面發光光源11b係從發光面12b放射藍色(B)的光。
在第21圖，以一點鏈線表示紅色(R)之光，以長的虛線表示綠色(G)之光，以短的虛線表示藍色(B)之光。
面發光光源11r、11g、11b係可藉LED、EL元件、半 導體雷射、及這些元件的組合構成，但是在以下的說明，說明以LED構成面發光光源11r、11g、11b的情況。
聚光光學系統1C係又具有對準透鏡(對準光學系統)13r、13g、13b。對準透鏡13r、13g、13b係都具有正的功率。對準透鏡13r係將從面發光光源11r之發光面12r所放射的紅色光變換成大致平行光。對準透鏡13g係將從面發光光源11g之發光面12g所放射的綠色光變換成大致平行光。對準透鏡13b係將從面發光光源11b之發光面12b所放射的藍色光變換成大致平行光。
聚光光學系統1C又具有光合成裝置。光合成裝置係將通過對準透鏡13r的紅色光、通過對準透鏡13g的綠色光、及通過對準透鏡13b的藍色光合成。在第21圖，以二點鏈線表示藉光合成裝置所合成的光。
在第21圖所示的例子，光合成裝置係交叉分色鏡，並具有彼此正交之2片分色鏡6、7。分色鏡6、7具有使特定之波長帶的光透過，並使特定之波長帶的光反射的特性。
在此，分色鏡6係使綠色光及藍色光透過，並使紅色光反射。分色鏡7係使紅色光及綠色光透過，並使藍色光反射。交叉分色鏡係和彼此分開地配置2片分色鏡的情況相比，因為可使鏡之配置空間變小，所以可實現小型的聚光光學系統。此外，光合成裝置係未限定為第21圖所示的構成。
聚光光學系統1C又具有：聚光透鏡4、聚光F值控制透鏡5及積分棒8。聚光透鏡4係具有正的功率，並將藉 光合成裝置所合成的光聚光。
聚光F值控制透鏡(聚光元件)5係具有控制聚光F值的功能，並具有2面以上的環形面。此外，在環形面，亦包含圓柱面。聚光F值控制透鏡5係以聚光透鏡4所聚光之光射入，並將該光以所要之角度聚光於積分棒8之入射面81。
積分棒8係具有入射面81與射出面82，並具有作為光強度分布均勻化元件的功能。來自聚光F值控制透鏡5的光射入入射面81。從射出面82射出光強度分布均勻化的光。
聚光透鏡4係在紅色光、綠色光及藍色光之各光共同的構成。又，聚光F值控制透鏡5亦係在紅色光、綠色光及藍色光之各光共同的構成。
聚光透鏡4係將藉分色鏡6、7所合成的光聚光。聚光F值控制透鏡5係將以聚光透鏡4所聚光之光以所要之角度聚光於積分棒8之入射面81。此時，積分棒8之入射面81係與發光面12r、12g、12b處於共軛關係。即，在積分棒8之入射面81，形成發光面12r、12g、12b的二次光源像。此外，發光面12r、12g、12b係各自大小相同之矩形的平面。
積分棒8具有例如截面為矩形之四角柱的形狀。積分棒8係例如由玻璃所構成。入射面81具有與影像顯示元件22之顯示面23相似的矩形形狀。在此，因為影像顯示元件22是矩形形狀，所以入射面81係矩形形狀。射入入射 面81的光係藉由一面在玻璃與空氣之界面重複全反射，一面在積分棒8之內部傳播。藉由在積分棒8之內部傳播，各色的光被均勻化。已均勻化的光係從射出面82射出。
此外，光強度分布均勻化元件係未限定為積分棒8，亦可是在內面利用全反射之中空的光管，亦可是其他的元件。
如第21圖所示，投射型影像顯示裝置2C具有聚光光學系統1C、照明光學系統21、影像顯示元件22及投射光學系統24。又，在具有銀幕之背面投射式的投射型影像顯示裝置的情況，更具有影像光被放大並投射的銀幕25。
從聚光光學系統1C所射出之光射入照明光學系統21。從聚光光學系統1C所射出之光係藉積分棒8使光強度分布均勻化的光。照明光學系統21係例如由透鏡所構成。影像顯示元件22係調變通過照明光學系統21之光而產生影像光。影像光係具有包含靜態影像及動態影像之影像資訊的光。投射光學系統24係將以影像顯示元件22所產生之影像光放大並投射於銀幕25。
照明光學系統21係使從積分棒8所射出之光照射於影像顯示元件22的顯示面23。此時，積分棒8之射出面82係與影像顯示元件22的顯示面23處於共軛關係。因此，射出面82的像成像於顯示面23上。射出面82有係具有均勻的亮度之矩形形狀的面。射出面82具有與顯示面23相似的形狀。藉此，可高效率地照明顯示面23，又可得到高的光利用效率。
影像顯示元件22係例如是透過型的液晶面板、反射型的液晶面板、或反射型的DMD。顯示面23具有二維地排列多個像素的構成。影像顯示元件22係藉照明光學系統21將所照射之光變換為影像光。影像顯示元件22係藉由因應於影像信號對各像素將藉照明光學系統21所照射之光進行強度調變，產生影像光。
投射型影像顯示裝置2C係依以下的方式顯示影像。從面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b所放射的紅色光、綠色光及藍色光透過對應的對準透鏡13r、13g、13b後成為大致平行光。透過對準透鏡13r、13g、13b的大致平行光係藉分色鏡6、7合成。所合成的光係藉聚光透鏡4聚光。以聚光透鏡4所聚光之光係藉聚光F值控制透鏡5聚光於積分棒8之入射面81。藉積分棒8使光強度分布變成均勻的光係射入照明光學系統21。從照明光學系統21所射出之光係照射於影像顯示元件22。藉影像顯示元件22所調變之影像光係藉投射光學系統24放大並投射於銀幕25。藉放大並投射的影像光，將影像顯示於銀幕25。
其次，說明發光面12r、12g、12b、入射面81及顯示面23之幾何學上的關係。在本第3實施形態，發光面12r、12g、12b係與入射面81處於共軛關係。可是，發光面12r、12g、12b的面形狀係與入射面81的面形狀不是相似形，寬高比相異。射出面82係與顯示面23處於共軛關係。射出面82的面形狀與顯示面23的面形狀係相似形，寬高比相同。因此，在發光面12r、12g、12b與入射面81之間， 因寬高比相異而發生光量損失。為了減少該光量損失，需要改善聚光光學系統1C。
說明為何發生光量損失。在此，將在第1實施形態所說明之聚光率的概念應用於第3實施形態的聚光光學系統1C及投射型影像顯示裝置2C。假設從發光面12r、12g、12b所放射之光束的配光分布為朗伯(Lambertian)分布。朗伯分布係完全擴散之情況的分布。
聚光率係以發光面之面積與從發光面所放射之光之立體角的積所定義。聚光率係又以受光面之面積與在受光面所受光之光之立體角的積所定義。面發光光源11r、11g、11b的聚光率Es、積分棒8的聚光率Ei及影像顯示元件22的聚光率El係與第1實施形態一樣，以以下的第(5)~(7)式表示。
El=Al×π×sin2 (θ l)…(5)
Ei=Ai×π×sin2 (θ i)…(6)
Es=As×π×sin2 (θ s)…(7)
在第(5)式，El係影像顯示元件22的聚光率。Al是顯示面23的面積。θ l係以聚光角θ i(後述)射入入射面81後，射入顯示面23的光線之相對顯示面23之法線的角度(照明角)。π是圓周率。
在第(6)式，Ei係積分棒8的聚光率。Ai是入射面81的面積。θ i係以取入角θ s(後述)從發光面12r、12g、12b所放射，並射入入射面81的光線之相對入射面81之法線的角度(聚光角)。
在第(7)式，Es係面發光光源11r、11g、11b的聚光率。As是發光面12r、12g、12b的面積。θ s係從發光面12r、12g、12b所放射，並以對準透鏡13r、13g、13b想取入之光線中以最大的擴散角所放射的光線之相對發光面12r、12g、12b之法線的角度(取入角)。
一般，聚光光學系統及照明光學系統係設計成上述之聚光率Es、Ei、El的值相等。例如將顯示面23的尺寸設為16.0mm×7.0mm。在此情況，顯示面23的寬高比是16比7(寬高比16：7)。將照明顯示面23之光的F值設定為2.5。那時之照明角θ l是11.53度(θ l≒11.53°)。影像顯示元件22之聚光率El係使用第(5)式如以下所示計算，成為約14.1。
El=Al×π×sin2 (θ l)=(16.0×7.0)×π×sin2 (11.53°)≒14.1
與其對應，將射入入射面81之光的F值設為1.0。那時的聚光角θ i是30度(θ i=30°)。將入射面81的尺寸設為6.4mm×2.8mm。入射面81的寬高比是16比7(寬高比16：7)。積分棒8之聚光率Ei係使用第(6)式如以下所示計算，成為約14.1。積分棒8之聚光率Ei係可與影像顯示元件22之聚光率El相等。
Ei=Ai×π×sin2 (θ i)=(6.4×2.8)×π×sin2 (30°)≒14.1
在此，假設面發光光源11r、11g、11b之發光面12r、12g、12b的尺寸是2.7mm×2.0mm。發光面12r、12g、12b的寬高比是4比3(寬高比4：3)。而且，假設從發光面12r、12g、12b成半球狀所放射之光束的配光分布是朗伯分布。在成半球狀放射的情況，取入角θ s是90度(θ s=90°)。此情況之面發光光源11r、11g、11b的聚光率Es係使用第(7)式如以下所示計算，成為約17.0。
Es=As×π×sin2 (θ s)=(2.7×2.0)×π×sin2 (90°)≒17.0
因此，面發光光源11r、11g、11b的聚光率Es具有比影像顯示元件22的聚光率E1及積分棒8之聚光率Ei更大的值。聚光率是光學不變量。積分棒8之聚光率Ei比面發光光源11r、11g、11b的聚光率Es更小這件事係意指發生光量損失。
從至目前為止之根據聚光率之光利用效率的檢討，得知在發光面之寬高比與聚光面(即入射面81)之寬高比相異的情況，在以往的聚光光學系統發生光量損失。可是，因為聚光率係以發光面之面積與從發光面所放射之光之立體角的積或以受光面之面積與在受光面所受光之光之立體角的積所定義，所以可說表示二維性關係。在發光面之寬高比與聚光面之寬高比相異的情況之能量利用效率的檢討，需要進而檢討一維性關係。
因此，在以下，使用以一維性表示聚光率的數學式， 檢討光利用效率。在此，說明面發光光源11r、11g、11b與積分棒8的關係。使用以一維性表示聚光率的數學式時，在面發光光源11r、11g、11b與積分棒8之間不發生光量損失的條件係滿足第(8)式及第(9)式所示之2種條件的雙方。
xs×sin(θ s)≦xi×sin(θ i)…(8)
ys×sin(θ s)≦yi×sin(θ i)…(9)
在第(8)式及第(9)式，xs表示發光面12r、12g、12b之橫向(x方向)的長度。ys表示發光面12r、12g、12b之縱向(y方向)的長度。xi表示入射面81之橫向(x方向)的長度。yi表示入射面81之縱向(y方向)的長度。將在第(5)式至第(7)式的說明所述之各部的尺寸代入第(8)式時，第(8)式的左邊與右邊係分別成為如以下所示。
xs×sin(θ s)=2.7×sin(90°)=2.7 xi×sin(θ i)=6.4×sin(30°)=3.2
因此，滿足第(8)式的條件。即，得知在橫向(x方向)不會發生光量損失。
一樣地，第(9)式的左邊與右邊係分別成為如以下所示。
ys×sin(θ s)=2.0×sin(90°)=2.0 yi×sin(θ i)=2.8×sin(30°)=1.4
因此，ys×sin(θ s)>yi×sin(θ i)，不滿足第(9)式的條件。即，得知在縱向(y方向)發生光量損失。
如上述之例子所示，在發光面之寬高比與聚光面之寬 高比相異的情況之光量損失係僅根據第(5)式至第(7)式是不充分，必須使用一維性表示聚光率之第(8)式及第(9)式的雙方來檢討。在發光面之寬高比與聚光面之寬高比相異的情況，在不滿足第(8)式與第(9)式的任一方或雙方之以往的聚光光學系統，無法避免光量損失的發生。
但，取入全部之從面發光光源11r、11g、11b所放射的光係困難。取入全部之放射的光係意指取入角θ s為90度(θ s=90°)。又，考慮製造誤差或均勻性，在照明顯示面23時，一般比顯示面23更稍大地照明。將這件事稱為照明邊限。根據上述之事項等，亦可實際上係配合光學系統的規格將取入角或入射面81的尺寸等適當地最佳化。
在發光面與聚光面寬高比相異之聚光光學系統的光量損失，係亦如在第1實施形態的說明所示，有角度所造成之光量損失與面積所造成之光量損失之2種的光量損失。角度所造成之光量損失係從發光面所放射的光以比容許入射角更大之角度射入聚光面所造成的光量損失。面積所造成之光量損失係從發光面所放射之光聚光成超出聚光面所造成的光量損失。
<第2參考例>
在此，作為第2參考例，說明發生光量損失之情況的構成。第2參考例的構成元件係為了便於說明，使用與第3實施形態之構成元件相同的符號來說明。第22圖係表示第2參考例之聚光光學系統之構成的圖。第22(A)圖係從+y方向觀察聚光光學系統的圖，第22(B)圖係從+x方向 觀察聚光光學系統的圖。在第22圖，面發光光源11r、11g、11b係整體以符號11表示，發光面12r、12g、12b係整體以符號12表示。對準透鏡13r、13g、13b係整體以符號13表示。第2參考例之聚光光學系統係以以往之手法所設計，而發生光量損失的聚光光學系統。
第2參考例之聚光光學系統係以對準透鏡13將從發光面12所放射的光變換成平行光，再經由聚光透鏡4將該平行光聚光於積分棒8之入射面81。
第23圖係表示第2參考例之在積分棒8的入射面81之照明光之聚光區域的模式圖。在第23圖，以符號B表示聚光區域。入射面81的尺寸係根據影像顯示元件22的規格，即顯示面23的面積或F值等所決定。
如第22(A)圖所示，在第2參考例，在入射面81的聚光角θ i係容許入射角之範圍內。容許入射角係可有效地利用光之既定角度。因此，無光以無效之入射角度(未有效地利用光之角度)射入所造成的光量損失。即，不會發生角度所造成之光量損失。
可是，因為將聚光角θ i如上述所示決定成不會發生角度所造成之光量損失的角度，可聚光之區域的面積就根據聚光率唯一地決定。因此，如第22(B)圖及第23圖所示，照明光在y方向超出積分棒8之入射面81的範圍。即，發生面積所造成之光量損失。
<第3參考例>
第24圖係表示第3參考例之聚光光學系統之構成的 圖。第24(A)圖係從+y方向觀察聚光光學系統的圖，第24(B)圖係從+x方向觀察聚光光學系統的圖。第3參考例之聚光光學系統係以以往之手法所設計，而發生光量損失的聚光光學系統。
第3參考例之聚光光學系統具有環形透鏡50。即，第3參考例之聚光光學系統係以對準透鏡13將從發光面12所放射的光變換成平行光，再使平行光射入聚光透鏡4並聚光，進而經由環形透鏡50聚光於積分棒8之入射面81。
第25圖係表示第3參考例之在積分棒8的入射面81之照明光之聚光區域的模式圖。在第25圖，以符號B表示聚光區域。
環形透鏡50係可使得在x方向與y方向分別具有相異的折射力。在第3參考例，使環形透鏡50之入射側的第1面51及射出側的第2面52僅在y方向具有折射力。藉此，如第25圖所示，可防止面積所造成之光量損失。可是，如第24(B)圖所示，在入射面81之y方向的聚光角比容許入射角(α)更大。即，在第3參考例，發生角度所造成之光量損失。此情況之光量損失係成為與第2參考例(第21圖、第23圖)之情況同等的光量損失。
如第2參考例及第3參考例所示，在發光面12之寬高比與入射面81之寬高比相異的情況，發生面積所造成之光量損失、或角度所造成之光量損失、或者其雙方。本發明之第3實施形態係雖然使用環形透鏡，但是可減少第24(B)圖所示的y方向之角度所造成之光量損失。
<第3實施形態的聚光光學系統>
第26圖係表示第3實施形態之聚光光學系統1C之構成的圖。在此，面發光光源11r、11g、11b係整體以符號11表示，發光面12r、12g、12b係整體以符號12表示。對準透鏡13r、13g、13b係整體以符號13表示。又，將光軸方向作為z方向，將橫向作為x方向，將縱向作為y方向。第26(A)圖係從+y方向觀察第3實施形態之聚光光學系統1C的圖，第26(B)圖係從+x方向觀察第3實施形態之聚光光學系統1C的圖。
第3實施形態之聚光光學系統1C係藉對準透鏡13將從面發光光源11之發光面12所放射的光變換成平行光。平行光係射入聚光透鏡4而被聚光，以聚光透鏡4所聚光之光係射入聚光F值控制透鏡5，而聚光於入射面81。
如第26(B)圖所示，對y方向的聚光角θ i觀察時，入射面81之中央部的聚光角θ i係與入射面81之周邊部的聚光角θ i相異。更具體而言，入射面81之中央部的聚光角θ i係比入射面81之周邊部的聚光角θ i更小。y方向係藉聚光F值控制透鏡5的環形面壓縮寬高比的方向，即是發生光量損失的方向。此外，關於寬高比的壓縮將後述。
即，在第26(B)圖，觀察在與y-z平面平行的面內之光的成像狀態時，從發光面12r、12g、12b之y方向的邊緣部所放射的光係以既定倍率成像成到達入射面81的邊緣部。相對地，從發光面12r、12g、12b之y方向的中央部所放射的光係以比從邊緣部所放射之光的成像倍率更大 的成像倍率成像。換言之，從發光面12r、12g、12b之y方向的中央部所放射的光係以比從y方向的邊緣部所放射之光更小的聚光角θ i成像於入射面81。
第27圖係表示在y-z平面，從發光面12r、12g、12b所放射的光聚光於積分棒8之入射面81之狀態的模式圖。第27圖係從+x方向觀察入射面81之附近的圖。
從發光面12r、12g、12b上之一點在+z方向所放射的光係以某擴散角放射。所放射的光中被對準透鏡13r、13g、13b所取入之最大的角度是取入角θ s。取入角θ s係以相對發光面12r、12g、12b之法線的角度所定義。因此，在y-z平面，對z方向，在+y方向以取入角θ s1所放射的光、與在-y方向以取入角θ s2所放射的光存在。
另一方面，射入入射面81之一點的光係以某角度聚光。射入入射面81的一點之光的角度是聚光角θ i。聚光角θ i係以相對入射面81之法線的角度所定義。因此，在y-z平面，對z方向，從+y方向以聚光角θ i1所射入的光、與從-y方向以聚光角θ i2所射入的光存在。在第27圖，以符號u1、v1表示以聚光角θ i1所射入的光。又，以符號u2、v2表示以聚光角θ i2所射入的光。
從發光面12r、12g、12b之-y方向的邊緣部(參照第26(B)圖)以取入角θ s2所放射的光係以聚光角u2聚光於入射面81。從發光面12r、12g、12b之-y方向的邊緣部以取入角θ s1所放射的光係以聚光角u1聚光於入射面81。
從發光面12r、12g、12b之y方向的中央部(參照第 26(B)圖)以取入角θ s2所放射的光係以聚光角v2聚光於入射面81。從發光面12r、12g、12b之y方向的中央部以取入角θ s1所放射的光係以聚光角v1聚光於入射面81。
將對積分棒8的容許入射角設為α。容許入射角α係以相對入射面81之法線的角度所定義。在入射面81的邊緣部，聚光角u1、u2係比容許入射角α更大，因此，發生角度所造成之光量損失。另一方面，在入射面81的中央部，因為聚光角v1、v2係比聚光角u1、u2更小，所以可消除角度所造成之光量損失，或可抑制成至少比入射面81的邊緣部更低。
結果，和第24(B)圖的第3參考例相比，從發光面12r、12g、12b之中央部至邊緣部，可減少角度所造成之光量損失。在此情況，使從發光面12r、12g、12b之中央所放射的光之在y方向的聚光角v1、v2愈接近容許入射角α，光量損失就愈小。因此，將聚光角v1、v2設為容許入射角α以下較佳。
此外，在第3實施形態，將發光面之二次光源像的尺寸與入射面81的尺寸設為相同，但是未限定為這種構成，使成像倍率變成稍大等的變形係可能。
第28圖係表示發光面12r、12g、12b之微小發光區域的像在y-z平面成像於積分棒8之入射面81之狀態的模式圖。面發光光源11r、11g、11b係整體以符號11表示，發光面12r、12g、12b係整體以符號12表示。對準透鏡13r、13g、13b係整體以符號13表示。
在第28圖，將發光面12r、12g、12b上的微小發光區域之y方向的微小長度設為△a。在第28圖，表示從發光面12r、12g、12b的中央部之微小長度△a的區域垂直於發光面所射出的光線。又，在第28圖，表示從發光面12r、12g、12b的邊緣部之微小長度△a的區域垂直於發光面所射出的光線。
發光面12r、12g、12b的中央部之微小長度△a的微小發光區域係在入射面81上以微小長度△c所成像。另一方面，發光面12r、12g、12b的邊緣部之微小長度△a的微小發光區域係在入射面81上以微小長度△p所成像。如上述所示，在入射面81之中央部的聚光角v1、v2(第27圖)係比在邊緣部的聚光角u1、u2小，換言之，在中央部的成像倍率比在邊緣部的成像倍率更大。因此，微小長度△c係比微小長度△p更大。因此，不會發生面積所造成之光量損失(即，光不會超出入射面81)，並可減少發生角度所造成之光量損失。
第29圖係表示聚光F值控制透鏡5的構成與其聚光作用的模式圖。第29(A)圖係從+x方向所觀察的圖，第29(B)圖係從+y方向所觀察的圖。聚光F值控制透鏡5具有第1面51及第2面52。第1面51係來自面發光光源11r、11g、11b之光所射入的面。第2面52係射入第1面51的光從聚光F值控制透鏡5所射出之面。第1面51及第2面52都是環形面。此外，在環形面，亦包含圓柱面。
聚光F值控制透鏡5具有2種功能。第1種功能係壓 縮寬高比的功能。第2種功能係控制聚光F值的功能。第1種功能係壓縮x方向之寬高比的功能，或壓縮y方向之寬高比的功能。第2種功能係在入射面81控制壓縮寬高比之方向之聚光F值的功能。
首先，說明壓縮寬高比的功能(第1種功能)。如第29(A)圖所示，第1面51及第2面52係都在y-z平面具有在+z方向成為凸的形狀。另一方面，如第29(B)圖所示，第1面51及第2面52係x方向的曲率都是無限大。即，具有平坦的形狀。
因此，如第29(B)圖所示，在x-z平面，光線射入第1面51時的入射角度與從第2面52射出時的射出角度係相同。聚光F值控制透鏡5係將從發光面12r、12g、12b所射出之光以所要之角度聚光於入射面81。
另一方面，如第29(A)圖所示，y方向的光線係寬高比之壓縮方向的光線。y方向的光線係與y-z平面平行之面上的光線。因此，必須以比x方向之光線更大的角度射入入射面81。x方向的光線係與x-z平面平行之面上的光線。此時，為了在入射面81將y方向之光線聚光於任意的位置，需要因應於聚光位置，使光路長度比x方向的光線更長或更短。因此，環形面係至少需要雙面。該環形面係在寬高比的壓縮方向具有折射力。寬高比的壓縮方向係y方向。該雙面的環形面係第1面51及第2面52。
其次，說明控制聚光F值的功能(第2種功能)。在第29(A)圖，聚光F值控制透鏡5之y-z平面內的曲率係比 使中央部的折射力比周邊部之折射力更小的曲率。此外，聚光F值控制透鏡5之中央部的折射力係使從發光面12r、12g、12b之y方向的中央部所射出之光線折射的力。又，聚光F值控制透鏡5之周邊部的折射力係使從發光面12r、12g、12b之y方向的邊緣部所射出之光線折射的力。
聚光F值控制透鏡5係可使在入射面81的聚光角v1、v2比聚光角u1、u2更小。聚光角v1、v2係聚光於入射面81之中央部的光線之y方向的聚光角。聚光角u1、u2係聚光於入射面81之y方向的邊緣部的光線之y方向的聚光角。即，聚光F值控制透鏡5係可控制壓縮在入射面81之寬高比之方向(在此為y方向)的聚光F值。
此外，在以上的說明，僅聚光F值控制透鏡5具有在寬高比的壓縮方向將入射面81之邊緣部的聚光角u1、u2設為與中央部的聚光角v1、v2相異之角度的功能。可是，未限定為這種構成。例如，亦可以複數個透鏡構成聚光F值控制透鏡5，該複數個透鏡具有在寬高比的壓縮方向將邊緣部的聚光角u1、u2設為與中央部的聚光角v1、v2相異之角度的功能。
又，該功能(在寬高比的壓縮方向將入射面81之邊緣部的聚光角u1、u2設為與中央部的聚光角v1、v2相異之角度的功能)係只要可在聚光光學系統1C之整體發揮即可。例如，亦可對構成聚光光學系統1C的對準透鏡13r、13g、13b、聚光透鏡4及聚光F值控制透鏡5的任一個透鏡賦予該功能，或者亦可以分散至構成聚光光學系統1C之 複數個透鏡的方式賦予該功能。
<第2數值實施例>
以下，說明第3實施形態之聚光光學系統1C的第2數值實施例。在第8表，表示聚光光學系統1C的光學資料。第30圖係表示第8表之光學資料的聚光光學系統1C之構成的圖。第30(A)圖係從x方向觀察聚光光學系統1C的圖。第30(B)圖係從y方向觀察聚光光學系統1C的圖。
第30圖所示的聚光光學系統1C係由面發光光源11、對準透鏡513、613、聚光透鏡114、環形透鏡115及積分棒8所構成。
在本實施例，面發光光源11之發光面12r、12g、12b的尺寸是2.7mm×2.0mm。積分棒8之入射面81的尺寸是6.39mm×2.86mm。來自面發光光源11之光的取入角是80度。對積分棒8的容許入射角是30度。在此情況，F值是1.0(F值=1.0)。這相當於以F2.5照明影像顯示元件22之顯示面23上之15.97mm×7.16mm的區域。在此情況，照明角θ l是約11.5度。各透鏡所使用之玻璃材料的折射率是1.52。
在第8表所示之光學資料中之面編號Si的欄，以對應於第30圖所示之符號Si的方式表示第i號之面的編號。i係1以上的自然數。將位於最靠近物體側之構成元件的面設為第1號(i=1)。物體側係面發光光源11r、11g、11b側。編號i係朝向像側依序增加。OBJ表示物體面，在第30圖係發光面12r、12g、12b。IMA表示成像面，在第30圖係入射面81。CG係面發光光源的蓋玻璃(平行平板)。
又，在第8表，面S6、S7、S8係非球面形狀。在第9表，表示非球面資料。
第9表所示的非球面資料表示以以下的第(10)式所表示之非球面形狀的數學式之各係數k、Ai的值。係數k表示獨特的係數。係數C表示在面頂點的曲率。係數Ai表示i次的非球面係數。Z係在距離光軸半徑r(mm)之位置的非球面凹陷量(深度：mm)。凹陷量係以透鏡各面與包含光軸之交點(面頂點)的光軸正交的平面為基準(基準面)，相對與光軸的距離是從基準面至透鏡面之形狀的距離。
Z1(r)=C‧r2 /{1+(1-(1+k)‧C2 ‧r2 )1/2 }+Σ Ai‧ri(i=1~n)…(10)
又，在第8表，面S9、S10為非球面的環形面形狀。在第10表，表示非球面資料。
第10表所示的非球面資料表示以以下的第(11)式所表示之非球面形狀的數學式之各係數k、Ai的值。係數k表示獨特的係數。係數C表示在面頂點的曲率。係數Ai表示i次的非球面係數。Z係在從光軸在y方向相距半徑 ry(mm)之位置的非球面凹陷量(深度：mm)。
Z1(y)=C‧ry2 /{1+(1-(1+k)‧C2 ‧ry2 )1/2 }+Σ Ai‧ryi2 ‧i(i=1~n)…(11)
此外，第8表、第9表及第10表所示的光學資料係用以說明第3實施形態之聚光光學系統1C的功能。例如，在第2數值實施例常用非球面透鏡，但是亦可將其替代成複數個球面透鏡。透鏡所使用之玻璃材料亦可使用折射率相異的各種玻璃材料。
對準透鏡13係由第1對準透鏡513及第2對準透鏡613之2片所構成。面發光光源11之側係第2對準透鏡513。積分棒8之側係第2對準透鏡613。聚光透鏡4係由1片聚光透鏡114所構成。聚光F值控制透鏡5係由1片環形透鏡115所構成。
此外，將面發光光源11r、11g、11b整體以符號11表示，將對準透鏡13r、13g、13b整體以符號13表示。將第1對準透鏡513r、513g、513b整體以符號513表示。將第2對準透鏡613r、613g、613b整體以符號613表示。
第31圖係表示入射面81上之聚光點之模擬結果的圖。第31圖中之四角形的框表示入射面81之範圍。橫軸係x軸，橫軸的右方向係+x方向。縱軸係y軸，縱軸的上方向係+y方向。此外，在第31圖，代表從面發光光源11r、11g、11b所射出之3波長的光(紅色光、綠色光及藍色光)，表示波長550nm之光的聚光點。
聚光點係藉下述的9種光所形成。即，聚光點係藉從 發光面12r、12g、12b之4角落所放射的光、從發光面12r、12g、12b之中心所放射的光、及從發光面12r、12g、12b之各邊之中點所放射的光形成。從發光面12r、12g、12b所放射的光係發光面12r、12g、12b的寬高比被變換，而聚光於入射面81之上。
第11表表示從在第32圖所定義之發光面12上的點P1~P9所放射的光線聚光於積分棒8之入射面81時之x方向與y方向的F值。
放射位置P1係在通過發光面12的中心之x方向的直線上之-x方向的端點。放射位置P2係發光面12的中心點。放射位置P3係在通過發光面12的中心之x方向的直線之+x方向的端點。放射位置P7係在發光面12之+y方向的端邊之-x方向的端點。放射位置P8係在發光面12之+y方向之端邊的中心點。放射位置P9係在發光面12之+y方向的端邊之+x方向的端點。放射位置P4係放射位置P1與放射位置P7的中點。放射位置P5係放射位置P2與放射位置P8的中點。放射位置P6係放射位置P3與放射位置P9的中點。
對入射面81之y方向的聚光角θ i係愈接近入射面81的中心愈小。因此，在第11表，有愈接近發光面12r、12g、12b之y方向的中心，F值變成愈大的傾向，並有愈接近發光面12r、12g、12b之y方向的邊緣，F值變成愈小的傾向。
[第11表]
<第2比較例>
以下，說明用以與第3實施形態之聚光光學系統1C的效果對比之第2比較例。本第2比較例的聚光光學系統係設計成將從面發光光源11r、11g、11b所放射的光以容許入射角α聚光於積分棒8之入射面81之一般的聚光光學系統。
第12表表示第2比較例之聚光光學系統的光學資料。第33圖係表示第12表之光學資料的聚光光學系統之構成的圖。如第33圖所示，第2比較例之聚光光學系統係由對準透鏡513、613、聚光透鏡114、214及積分棒8所構成。此外，面發光光源11r、11g、11b係以符號11表示，發光面12r、12g、12b係以符號12表示。第1對準透鏡513r、513g、513b係以符號513表示。第2對準透鏡613r、613g、613b係以符號613表示。
在第2比較例，發光面12r、12g、12b的尺寸是2.7mm×2.0mm。入射面81的尺寸是6.39mm×2.86mm。從面發光光源11r、11g、11b所放射之光的取入角θ s是80度。對積分棒8之入射面81的容許入射角α是30度。此時的F值 是1(F值=1)。這相當於以F2.5照明顯示面23上之15.97mm×7.16mm的區域。此時之照明角θ l是約11.5度。各透鏡所使用之玻璃材料的折射率是1.52。即，發光面12的尺寸、入射面81的尺寸、取入角θ s、容許入射角α、照明角θ l、光的波長及玻璃材料的折射率係與第2數值實施例一樣。
第12表的表記係與第9表一樣。在第13表表示非球面資料。
第14表係與第11表一樣，表示從在第32圖所定義之面發光光源11r、11g、11b上的點P1~P9所放射的光線聚光於積分棒8之入射面81時之x方向與y方向的F值。在第2比較例，對入射面81之聚光角θ i係設計成與在入射面81的中心及入射面81的邊緣部大致相同。因此，與光線之放射位置P1~P9無關，F值成為大致1。
第34圖係與第31圖一樣，係表示入射面81上之聚光點之模擬結果的圖。第34圖中之四角形的框表示入射面81之範圍。橫軸係x軸，橫軸的右方向係+x方向。縱軸係y軸，縱軸的上方向係+y方向。此外，在第34圖，代表從面發光光源11r、11g、11b所射出之3波長的光(紅色光、綠色光及藍色光)，表示波長550nm之光的聚光點。
因為發光面12r、12g、12b之寬高比與入射面81的寬高比相異，所以使對入射面81的聚光角θ i與容許入射角α相等時，不會發生角度所造成之光量損失。可是，因為成像倍率變大，所以從發光面12r、12g、12b之y方向的邊緣部所放射的光係聚光於比入射面81之y方向的邊緣部更外側。即，發生面積所造成之光量損失。
第15表係對比表示第2比較例及第2數值實施例之對入射面81之聚光效率的表。在第15表，容許入射角α係30度。第2比較例之聚光效率係70.19%。相對地，第2數值實施例之聚光效率係80.01%。與第2比較例相比，第2數值實施例之聚光效率提高13.99%。相對效率係在將第2比較例當作100%之情況的聚光效率(光利用效率)。
此外，積分棒8的尺寸係從發光面12r、12g、12b的尺寸與照明F值適當地決定。因此，認為射入積分棒8的光係除了照明邊限或透鏡等的透過損失及在影像顯示元件22的損失以外，原則上無光損失地到達銀幕25。
如以上之說明所示，第3實施形態的聚光光學系統1C及投射型影像顯示裝置2C係使入射面81之中央部的聚光角θ i比邊緣部的聚光角θ i更小。尤其，使聚光於寬高比之壓縮方向(在上述的例子為y方向)的中央部之光的聚光 角比聚光於該方向的邊緣部之光的聚光角更小。藉此，在發光面12r、12g、12b的寬高比與入射面81之寬高比相異的情況，亦可減少在積分棒8的光量損失，而可提高在積分棒8的光利用效率。
第4實施形態
第35圖係示意地表示本發明之第4實施形態的聚光光學系統1D及投射型影像顯示裝置2D之構成的構成圖。如第35圖所示，在積分棒80具有錐形上與第3實施形態相異。積分棒80係光強度分布均勻化元件。
在第35圖，對與在第3實施形態所說明之聚光光學系統1C及投射型影像顯示裝置2C之構成元件相同的構成元件附加相同的符號，並省略其說明。第4實施形態的投射型影像顯示裝置2D具有都與第3實施形態相同的面發光光源11r、11g、11b、對準透鏡13r、13g、13b、分色鏡6、7、聚光透鏡4、聚光F值控制透鏡5、照明光學系統21、影像顯示元件22、投射光學系統24及銀幕25。在第35圖，以短的一點鏈線表示紅色(R)之光，以長的虛線表示綠色(G)之光，以短的虛線表示藍色(B)之光。
上述之第3實施形態的聚光光學系統1C係將來自面發光光源11r、11g、11b的光聚光於積分棒8之入射面81而均勻化。而且，如參照第31圖之說明所示，在x方向幾乎全部的聚光點位於入射面81之範圍內。即，幾乎無在x方向之面積所造成的光量損失。
另一方面，在y方向，從發光面12r、12g、12b之y 方向的邊緣部所放射之光的聚光點偏離至比入射面81之y方向的邊緣更外側。即，發生面積所造成之光量損失。這是由於在y方向難使從面發光光源11r、11g、11b以80度的取入角θ s所射出之全部的光線聚光於入射面81之範圍內。第4實施形態的聚光光學系統1D係使該y方向之面積所造成的光量損失更減少。
第36(A)圖表示具有角柱形狀之一般之積分棒8的構成，第36(B)圖表示具有錐形之積分棒80的構成。第36(A)圖及第36(B)圖都是從+y方向所觀察的圖。
如第36(A)圖所示，在一般之積分棒8，對入射面81的入射角θ in為ψ 1時，自射出面82的射出角θ out成為ψ 1。即，在一般之積分棒8，射入入射面81之光線的入射角θ in與自射出面82所射出之光線的射出角θ out相等。在此，入射角θ in係聚光角θ i。
另一方面，第36(B)圖所示的積分棒80具有入射面810之面積比射出面820之面積更小的錐形。在此情況，對入射面810的入射角θ in為ψ 1時，射出角θ out成為ψ 2(<ψ 1)。即，光線的射出角θ out比光線的入射角θ in更小。在此情況，光線的射出角θ out係從光線的入射角θ in、錐角β、及在錐形之積分棒80內的反射次數m，自如下的第(12)式所求得。
θ out=θ in-2×m×β…(12)
第4實施形態的聚光光學系統1D係利用第(12)式的關係。第37圖係表示對一般之積分棒8與具有錐形之積分棒 80之入射面81、810的聚光區域B1、B2的圖。在第37(A)圖，表示對入射面81之第3實施形態的聚光區域B1。在第37(B)圖，表示對入射面810之第4實施形態的聚光區域B2。在第37(B)圖，聚光區域B2係與入射面810一致。此外，第37(B)圖的虛線係為了與第37(A)圖之入射面81比較而表示者。
在上述之第3實施形態的第2數值實施例，在x方向，可將光以所要之聚光角θ i聚光於入射面81之範圍內，但是在y方向，如第37(A)圖所示，不僅發生角度所造成之光量損失，而且發生面積所造成之光量損失。因此，在第4實施形態的聚光光學系統1D，如第37(B)圖所示，使在入射面810之x方向的聚光區域B2比第3實施形態的聚光區域B1更窄。藉此，可使在入射面810之y方向的聚光區域B2變小，結果，可減少y方向之面積所造成的光量損失。
在此，將第36(A)圖的射出角θ out設為角度ψ 2，並設為與第36(B)圖的射出角θ out相同時，第36(A)圖的入射角θ in(=θ out)成為角度ψ 2。在此情況，因為入射角θ in係聚光角θ i，所以和是第3實施形態之x方向的光線之聚光角θ i的角度ψ 2相比，是第4實施形態之x方向的光線之聚光角θ i的角度ψ 1比較大。
第38(A)圖及第38(B)圖係分別表示一般之積分棒8及錐形之積分棒80之構成的立體圖。
在第38(A)圖，在積分棒8之入射面81的入射角θ in是角度ψ 2，在射出面82的射出角θ out亦是角度ψ 2。另 一方面，在第38(B)圖，在積分棒80之入射面810的入射角θ in是角度ψ 1(>ψ 2)，在射出面820的射出角θ out是角度ψ 2。
如上述所示，因為入射角θ in是聚光角θ i，所以和是第3實施形態之x方向的光線之聚光角θ i的角度ψ 2相比，是第4實施形態之x方向的光線之聚光角θ i的角度ψ 1比較大。
因此，在第4實施形態，如第36(B)圖及第38(B)圖所示，藉由將積分棒80作成錐形，進行x方向之光線的角度變換。在入射面810，x方向的聚光角θ i是角度ψ 1。x方向的光線係在錐形之積分棒80的內部重複全反射。而且，在射出面820，x方向的射出角θ out成為角度ψ 2。第4實施形態的射出角θ out係與第3實施形態的聚光角θ i(第38(A)圖)相等。積分棒80係將聚光角θ i為角度ψ 1的光變換成射出角θ out為角度ψ 2的光。
因此，在錐形之積分棒80的射出面820，可恢復x方向之角度所造成的光量損失。在第4實施形態，x方向的光量損失係與第3實施形態一樣。
<第3數值實施例>
以下，說明第4實施形態之聚光光學系統1D的第3數值實施例。在第16表，表示聚光光學系統1D的光學資料。第39圖係表示第16表之光學資料的聚光光學系統1D之構成的圖。第39(A)圖係從x方向觀察聚光光學系統1D的圖。第39(B)圖係從y方向觀察聚光光學系統1D的圖。
第39圖所示的聚光光學系統1D係由面發光光源11、對準透鏡713、813、聚光透鏡117、聚光F值控制透鏡118及積分棒8所構成。此外，面發光光源11r、11g、11b係整體以符號11表示。發光面12r、12g、12b係整體以符號12表示。第1對準透鏡713r、713g、713b係整體以符號713表示。第2對準透鏡813r、813g、813b係整體以符號813表示。
在本實施例，發光面12r、12g、12b的尺寸是2.7mm×2.0mm。錐形之積分棒80之入射面810的尺寸是5.64mm×2.86mm。射出面820的尺寸是6.39mm×2.86mm。
將在入射面810之x方向之光線的聚光角θ i設為33度。為了使在射出面820之x方向之光線的最大射出角度成為30度，錐角β係設為1.5度。來自面發光光源11r、11g、11b之光的取入角θ s是80度。容許入射角α是30度。在此情況，F值是1(F值=1)。這相當於以F2.5照明影像顯示元件22之顯示面23上之15.97mm×7.16mm的區域。此時之照明角θ i是約11.5度。光學元件所使用之玻璃材料的折射率是1.52。光學元件是對準透鏡713、813、聚光透鏡117、聚光F值控制透鏡118及積分棒80。以上的規格係除了積分棒80之入射面810的尺寸及錐形以外，與在第3實施形態所示的第2數值實施例及第2比較例一樣。
第16表的表記係與第8表一樣。在第16表，面編號S6、S7、S8係非球面形狀。在第17表，表示非球面資料。
又，在第16表，面編號S9、S10為非球面的環形面形狀。在第18表，表示非球面資料。
第40圖係表示入射面810上之聚光點之模擬結果的圖。第40圖中之四角形的框表示入射面81之範圍。橫軸係x軸，橫軸的右方向係+x方向。縱軸係y軸，縱軸的上方向係+y方向。此外，在第40圖，代表從面發光光源11r、11g、11b所射出之3波長的光(紅色光、綠色光及藍色光)，表示波長550nm之光的聚光點。
聚光點係藉從發光面12r、12g、12b之4角落所放射的光、從發光面12r、12g、12b之中心所放射的光、及從發光面12r、12g、12b之各邊之中點所放射的光形成。第40圖所示之聚光點的聚光區域係比第2數值實施例之第31圖所示之聚光點的聚光區域更窄。
第19表表示對積分棒80之入射面810聚光時之x方向的F值與y方向的F值。光線的放射位置係在第32圖所定義之位置P1~P9。在y方向，聚光角θ i係愈接近入射面810的中心愈小。因此，在第19表，有愈接近發光面12r、12g、12b之y方向的中心，F值變成愈大的傾向，並有愈接近發光面12r、12g、12b之y方向的邊緣，F值變成愈 小的傾向。又，因為在x方向使聚光角θ i大於30度，所以F值變成比1更小。
第41圖係表示在入射面810之x方向的光線之角度相依性及在射出面820之x方向的光線之角度相依性的圖。橫軸係表示光線的角度(度)。縱軸係表示光強度(a.u.)。虛線係表示在入射面810之光之入射角θ in的分布。實線係表示在射出面820之光之射出角θ out的分布。在入射面810，入射光係包含入射角θ in大於30度的光。可是，在射出面820，大部分的光具有30度以內的角度分布。表示藉錐形之積分棒80的光線之角度變換的有效性。
第20表係表示第3比較例及第3數值實施例之對入射面810之聚光效率的表。在第20表，容許入射角α係30度。此外，第3比較例之積分棒係具有與第3數值實施例之錐形的積分棒80相同的長度，並未具有錐形。第3比較例之聚光效率係69.94%。而，第3數值實施例之聚光效率係80.20%。與第3比較例相比，第3數值實施例之聚光效率提高14.67%。相對效率係在將第3比較例當作100%之情 況的聚光效率(光利用效率)。
此外，積分棒80的尺寸係從發光面12r、12g、12b的尺寸與照明F值適當地決定。因此，認為射入積分棒80的光係除了照明邊限或透鏡等的透過損失及在影像顯示元件22的損失以外，原則上無光損失地到達銀幕25。
如以上之說明所示，在第4實施形態的聚光光學系統1D，在寬高比之壓縮方向，使入射面810之中央部的聚光角θ i比入射面810之邊緣部的聚光角θ i更小。藉此，聚光光學系統1D係即使是發光面12r、12g、12b的寬高比與影像顯示元件22之寬高比相異的情況，亦可減少光量損失。結果，採用聚光光學系統1D的投射型影像顯示裝置2D可減少光量損失。
除此以外，積分棒80係使與寬高比的壓縮方向正交之方向的聚光角θ i變大。藉此，可使影像整體的成像倍率變小。又，可更減少寬高比的壓縮方向之面積所造成的光量損失。
在此，伴隨使與寬高比的壓縮方向正交之方向的聚光角θ i變大，在入射面810之與寬高比之壓縮方向正交的方向，發生角度所造成之光量損失。該角度所造成之光量損失係藉由光線透過錐形之積分棒80而恢復。在錐形之積 分棒80的射出面820，整體上可減少光量損失。於是，聚光光學系統1D係可實現高的光利用效率。
以上，說明了本發明之第1至第4實施形態，各實施形態當然可適當地變形。例如，在上述之各實施形態，使綠色用之面發光光源11g與聚光透鏡4相對向。又，在與紅色用之面發光光源11r正交的方向配置綠色用之面發光光源11g。又，在與藍色用之面發光光源11b正交的方向配置綠色用之面發光光源11g。可是，本發明係未限定為這種形態。
例如，可使藍色用之面發光光源11b與聚光透鏡4相對向。在此情況，可在與紅色用之面發光光源11r正交的方向配置藍色用之面發光光源11b。又，可在與綠色用之面發光光源11g正交的方向配置藍色用之面發光光源11b。
或者，可使紅色用之面發光光源11r與聚光透鏡4相對向。在此情況，可在與綠色用之面發光光源11g正交的方向配置紅色用之面發光光源11r。又，在與藍色用之面發光光源11b正交的方向配置紅色用之面發光光源11r。
又，在上述之各實施形態，對準透鏡13r、13g、13b係各自以一片透鏡表示。又，聚光透鏡4係以一片透鏡表示。又，對準透鏡13r、13g、13b係未限定為球面透鏡，可使用非球面透鏡或自由曲面透鏡等。又，聚光透鏡4係未限定為球面透鏡，可使用非球面透鏡或自由曲面透鏡等。
又，在上述的第3、第4實施形態，以一片透鏡說明聚光F值控制透鏡5，但是未限定為這種形態。例如，可 因應於聚光光學系統1C的規格，例如取入角θ s或倍率等，使用2片以上的透鏡構成。又，聚光F值控制透鏡5係未限定為球面透鏡，可使用非球面透鏡或自由曲面透鏡等。
進而，在上述的第1、第3、第4實施形態，說明作為光強度分布均勻化元件，使用積分棒8的情況。可是，未限定為積分棒，亦可使用中空之光管等其他的光強度分布均勻化元件。
又，在上述之各實施形態，將從面發光光源11r、11g、11b所放射之光合成的裝置採用分色鏡。可是，未限定為分色鏡，亦可使用分色稜鏡等其他的光合成裝置。
又，在上述之各實施形態，面發光光源11r、11g、11b係採用紅色、綠色及藍色之3色。可是，未限定如此，亦可使用由4色以上所構成之面發光光源。又，例如亦可使用由藍綠色與紅色等之2色所構成的面發光光源。又，亦可使用白色的面發光光源。在不必以複數色顯示的情況，亦可使用單色的面發光光源。
本發明係可應用於使用面發光光源之聚光光學系統、及使用該聚光光學系統之投射型影像顯示裝置。
1A、1B、1C、1D‧‧‧聚光光學系統
2A、2B、2C、2D‧‧‧投射型影像顯示裝置
4、114、117、214‧‧‧聚光透鏡(聚光元件)
5、118‧‧‧聚光F值控制透鏡(聚光元件)
50、115‧‧‧環形透鏡
51‧‧‧第1面
52‧‧‧第2面
6、7‧‧‧分色鏡(光合成裝置)
8‧‧‧積分棒(光強度分布均勻化元件)
81‧‧‧積分棒之入射面
82‧‧‧積分棒之射出面
11、11r、11g、11b‧‧‧面發光光源
12、12r、12g、12b‧‧‧面發光光源之發光面
13、13r、13g、13b、113、213、313、513、613、713、813‧‧‧對準透鏡(對準光學系統)
20、21‧‧‧照明光學系統
22‧‧‧影像顯示元件
23‧‧‧影像顯示元件之顯示面
24‧‧‧投射光學系統
25‧‧‧銀幕
As‧‧‧發光面之面積
Ai‧‧‧入射面之面積
Al‧‧‧顯示面面積
θ s‧‧‧取入角
θ i‧‧‧聚光角
θ l‧‧‧照明角
α‧‧‧容許入射角
θ in‧‧‧入射角
θ out‧‧‧射出角
ψ 1、ψ 2‧‧‧角度
Es‧‧‧面發光光源之聚光率
Ei‧‧‧積分棒之聚光率
El‧‧‧影像顯示元件之聚光率
B、B1、B2‧‧‧聚光區域
P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9‧‧‧放射位置
β‧‧‧錐角
第1圖係表示具有本發明之第1實施形態的聚光光學系統之投射型影像顯示裝置之基本構成的圖。
第2圖係表示第1參考例之聚光光學系統之構成的圖。
第3圖係表示第1參考例之聚光光學系統之構成的圖。
第4圖係表示第1實施形態之聚光光學系統之構成的圖。
第5圖係表示對第1實施形態之聚光光學系統中之積分棒的入射面之聚光狀態的圖。
第6圖係在比較例的聚光光學系統(A)與第1實施形態的聚光光學系統(B)對比表示形成於積分棒之入射面的光點的圖。
第7圖係在模式上表示在第1實施形態之積分棒的入射面之成像之大小的圖。
第8圖係表示第1實施形態之聚光光學系統的聚光透鏡之形狀的一例及其聚光狀態的圖。
第9圖係表示變形例之聚光光學系統的聚光透鏡之形狀的一例及其聚光狀態的圖。
第10圖係表示第1實施形態之對應於數值第1實施例的聚光光學系統之具體構成的圖。
第11圖係表示第1實施形態之對應於數值第1實施例的聚光透鏡之形狀的圖。
第12圖係表示第1實施形態之對應於數值第1實施例的聚光光學系統之積分棒的入射面上之光點的圖具體構成的圖。
第13圖係表示第1實施形態之對應於數值第1實施例的聚光光學系統之相對像高與對積分棒之入射位置之關係的圖。
第14(A)圖及第14(B)圖係表示在第1實施形態的聚光光學系統，在對積分棒之入射面的聚光角未設置限制的情況之入射面上的照度分布的圖。
第15(A)圖及第15(B)圖係表示在第1實施形態的聚光光學系統，將對積分棒之入射面的聚光角限制成是容許入射角之30度(半角)的情況之入射面上的照度分布的圖。
第16(A)圖及第16(B)圖係對比表示分別對應於第14圖及第15圖之照度分布的圖形。
第17圖係表示面發光光源之配光分布的圖。
第18圖係表示比較例之聚光光學系統之構成的圖。
第19圖係表示比較例之聚光光學系統的積分棒之入射面上的光點的圖。
第20圖係表示具有本發明之第2實施形態的聚光光學系統之投射型影像顯示裝置之基本構成的圖。
第21圖係示意地表示本發明之第3實施形態的聚光光學系統及投射型影像顯示裝置之構成的構成圖。
第22(A)圖及第22(B)圖係表示第2參考例之聚光光學系統之構成的模式圖。
第23圖係表示第2參考例之在積分棒的入射面之聚光區域的模式圖。
第24(A)圖及第24(B)圖係表示第3參考例之聚光光學系統之構成的模式圖。
第25圖係表示第3參考例之在積分棒的入射面之聚光區域的模式圖。
第26(A)圖及第26(B)圖係表示本發明之第3實施形態的聚光光學系統之構成的圖。
第27圖係表示在第3實施形態之聚光光學系統之聚光狀態的模式圖。
第28圖係表示從第3實施形態之聚光光學系統的微小發光區域所放射之光之成像狀態的模式圖。
第29(A)圖及第29(B)圖係表示第3實施形態的聚光光學系統之聚光F值控制透鏡之聚光狀態的模式圖。
第30(A)圖及第30(B)圖係表示對應於第2數值實施例之聚光光學系統之構成的圖。
第31圖係表示對應於第2數值實施例之聚光光學系統的積分棒之入射面上的聚光點的圖。
第32圖係表示從發光面所放射的光之放射位置的圖。
第33圖係表示對應於第2比較例之聚光光學系統之構成的構成圖。
第34圖係表示對應於第2比較例之聚光光學系統的積分棒之入射面上的聚光點的圖。
第35圖係表示本發明之第4實施形態的聚光光學系統及投射型影像顯示裝置之構成的圖。
第36(A)圖及第36(B)圖係與一般之積分棒對比地表示第4實施形態之錐形的積分棒的形狀的說明圖。
第37(A)圖及第37(B)圖係用以說明第4實施形態之聚光光學系統的積分棒之入射面上的聚光區域的圖。
第38(A)圖及第38(B)圖係與一般之積分棒對比地表 示第4實施形態之積分棒的構成的立體圖。
第39(A)圖及第39(B)圖係表示第2數值實施例之聚光光學系統之構成的構成圖。
第40圖係表示第3數值實施例之聚光光學系統的積分棒之入射面上的聚光點的圖。
第41圖係表示在第4實施形態的聚光光學系統之積分棒的入射面之光線的角度相依性的圖。
1A‧‧‧聚光光學系統
2A‧‧‧投射型影像顯示裝置
4‧‧‧聚光透鏡
6、7‧‧‧分色鏡
8‧‧‧積分棒
11r、11g、11b‧‧‧面發光光源
12r、12g、12b‧‧‧發光面
13r、13g、13b‧‧‧對準透鏡
21‧‧‧照明光學系統
22‧‧‧影像顯示元件
23‧‧‧顯示面
24‧‧‧投射光學系統
25‧‧‧銀幕
81‧‧‧入射面
82‧‧‧射出面

Claims (24)

  1. 一種聚光光學系統，其特徵在於包括：面發光光源，係具有包括中央部與角落部的發光面，並從該發光面放射光；對準光學系統，係將從該發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光，並具有正的功率；及光強度分布均勻化元件，係具有藉該聚光元件所聚光之光射入的入射面，使所射入之光的光強度分布變成均勻後，自射出面射出；在聚光於該光強度分布均勻化元件之該入射面的光中，聚光於該入射面的中央部之光的聚光角比聚光於該入射面的角落部之光的聚光角更小。
  2. 一種聚光光學系統，其特徵在於包括：面發光光源，係具有包括中央部與角落部的發光面，並從該發光面放射光；對準光學系統，係將從該發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光，並具有正的功率；及光強度分布均勻化元件，係具有藉該聚光元件所聚光之光射入的入射面，使所射入之光的光強度分布變成均勻後，自射出面射出； 在藉聚光於該光強度分布均勻化元件之該入射面的光所形成的光點中，形成於該入射面之中央部的光點比形成於該入射面之角落部的光點更大。
  3. 一種聚光光學系統，其特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從該發光面放射光；對準光學系統，係將從該發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光，並具有正的功率；及光強度分布均勻化元件，係具有藉該聚光元件所聚光之光射入的入射面，使所射入之光的光強度分布變成均勻後，自射出面射出；在從該面發光光源之該發光面所放射的光中，從該發光面之中央部所放射的光聚光於比從該發光面之角落部所放射的光更遠離該聚光元件的位置。
  4. 一種聚光光學系統，其特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從該發光面放射光；對準光學系統，係將從該發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光，並具有正的功率；及光強度分布均勻化元件，係具有藉該聚光元件所聚光之光射入的入射面，使所射入之光的光強度分布變成均勻後，自射出面射出； 該面發光光源之該發光面成像於該光強度分布均勻化元件之該入射面的成像倍率係在該面發光光源之該發光面的中央部比角落部更大。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之聚光光學系統，其中構成該聚光光學系統之至少一片透鏡具有將從該面發光光源之該發光面的該角落部所放射的光以比從該發光面之該中央部所放射的光更強的功率聚光的光學面。
  6. 如申請專利範圍第5項之聚光光學系統，其中在該光學面，該面發光光源的該發光面之主要作用於從中央部所放射的光之部分的功率係比主要作用於從角落部所放射的光之部分的功率更小。
  7. 如申請專利範圍第5項之聚光光學系統，其中在該光學面，該面發光光源的該發光面之主要作用於從中央部所放射之光的部分形成凹面形狀，主要作用於從角落部所放射之光的部分形成凸面形狀。
  8. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之聚光光學系統，其中該光強度分布均勻化元件係積分棒。
  9. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之聚光光學系統，其中具有複數個該面發光光源；更具有將從複數個該面發光光源所放射的光合成，並引導至該聚光元件的光合成裝置。
  10. 一種聚光光學系統，其特徵在於包括：面發光光源，係具有包括中央部與角落部的發光面，並從該發光面放射光； 對準光學系統，係將從該發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；及聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光於影像顯示元件的顯示面，並具有正的功率；在聚光於該影像顯示元件之該顯示面的光中，聚光於該顯示面之中央部之光的聚光角比聚光於角落部之光的聚光角更小。
  11. 一種聚光光學系統，其特徵在於包括：面發光光源，係具有包括中央部與角落部的發光面，並從該發光面放射光；對準光學系統，係將從該發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；及聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光於影像顯示元件的顯示面，並具有正的功率；在藉聚光於該影像顯示元件之該顯示面之光所形成的光點中，形成於該顯示面之中央部的光點比形成於該顯示面之角落部的光點更大。
  12. 一種聚光光學系統，其特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從該發光面放射光；對準光學系統，係將從該發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；及聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光於影像顯示元件的顯示面，並具有正的功率；在從該面發光光源之該發光面所放射的光中，從該發 光面之中央部所放射的光聚光於比從該發光面之角落部所放射的光更遠離該聚光元件的位置。
  13. 一種聚光光學系統，其特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從該發光面放射光；對準光學系統，係將從該發光面所放射之光變換成大致平行光，並具有正的功率；及聚光元件，係將被變換成大致平行光的光聚光，並具有正的功率；影像顯示元件，具有被該聚光元件聚光之光所射入的顯示面；該面發光光源之該發光面成像於該影像顯示元件之該顯示面的成像倍率係在該面發光光源之該發光面的中央部比角落部更大。
  14. 如申請專利範圍第10至13項中任一項之聚光光學系統，其中構成該聚光光學系統之至少一片透鏡具有將從該面發光光源之該發光面的該角落部所放射的光以比在該發光面從該中央部所放射的光更強的功率聚光的光學面。
  15. 如申請專利範圍第14項之聚光光學系統，其中在該光學面，該面發光光源的該發光面之主要作用於從中央部所放射的光之部分的功率係比主要作用於從角落部所放射的光之部分的功率更小。
  16. 如申請專利範圍第14項之聚光光學系統，其中在該光學面，該面發光光源的該發光面之主要作用於從中央部所放射之光的部分形成凹面形狀，主要作用於從角落部 所放射之光的部分形成凸面形狀。
  17. 一種聚光光學系統，其特徵在於包括：面發光光源，係具有發光面，並從該發光面放射光；對準光學系統，係具有正的功率，並將從該發光面所放射之光變換成大致平行光；聚光元件，係具有正的功率，並具有2面以上的環形面，將被變換成大致平行光的光聚光；及光強度分布均勻化元件，係具有藉該聚光元件所聚光之光射入的入射面，使所射入之光的光強度分布變成均勻後，自射出面射出；該發光面的寬高比係與該入射面的寬高比相異；在聚光於該入射面之寬高比之壓縮方向的光中，聚光於該入射面之寬高比之壓縮方向的中央部之光的聚光角比聚光於寬高比之壓縮方向的邊緣部之光的聚光角更小。
  18. 如申請專利範圍第17項之聚光光學系統，其中在聚光於該入射面之寬高比之壓縮方向的光中，聚光於該入射面之寬高比之壓縮方向的中央部之光的點比聚光於寬高比之壓縮方向的邊緣部之光的點更大。
  19. 如申請專利範圍第17項之聚光光學系統，其中從該發光面之寬高比之壓縮方向的中央部所放射之光的聚光位置比從該發光面之寬高比之壓縮方向的邊緣部所放射之光的聚光位置更遠離該聚光元件。
  20. 如申請專利範圍第17項之聚光光學系統，其中在該發光面成像於該入射面時的成像倍率，該發光面之寬高 比的壓縮方向之邊緣部的成像倍率比該發光面之寬高比的壓縮方向之中央部的成像倍率更大。
  21. 如申請專利範圍第17至20項中任一項之聚光光學系統，其中該聚光元件之至少2面以上的光學面具有環形面，並將從該發光面之寬高比的壓縮方向之邊緣部所放射的寬高比的壓縮方向之光以比從該發光面之寬高比的壓縮方向之中央部所放射的寬高比的壓縮方向之光更強的功率聚光。
  22. 如申請專利範圍第17至20項中任一項之聚光光學系統，其中該光強度分布均勻化元件係具有該入射面的面積比該射出面之面積更小的錐形，從該射出面所射出之光的射出角比聚光於該入射面之光的聚光角小。
  23. 如申請專利範圍第17至20項中任一項之聚光光學系統，其中具有複數個該面發光光源；更具有將從複數個該面發光光源所放射的光合成，並引導至該聚光元件的光合成裝置。
  24. 一種投射型影像顯示裝置，其特徵在於包括：如申請專利範圍第1至23項中任一項之聚光光學系統；影像顯示元件，係從該聚光光學系統所射出之光射入後，調變所射入之光，而產生影像光；及投射光學系統，係將以影像顯示元件所產生之影像光放大並投射。
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