专利名称：照明装置及具备该装置的投影机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种照明装置及具备该装置的投影机。
背景技术：
一般来说，投影机具备照明装置，射出照明光；电光调制装置，按照图像信号对来自照明装置的照明光进行调制；投射透镜，投射并显示来自电光调制装置的调制光作为投射图像。
在这种投影机中，由于优选所投射显示的图像的亮度分布大致均匀，因而作为照明装置一般使用下述照明装置，该照明装置使用能够以大致均匀的光强度分布对形成图像的被照明区域进行照射的所谓积分光学系统。
图7是从上面看的以往的照明装置的图。图8是沿着光源光轴看的第1透镜阵列的图。以往的照明装置800如图7所示，具备光源装置810，具有发光管820及椭圆面反射器830；平行化透镜840；第1透镜阵列850；第2透镜阵列860；重叠透镜870。LA是液晶装置等被照明区域。
而且，各光学元件以光源光轴810ax(从光源装置810射出的光束的中心轴)为基准进行配置。也就是说，第1透镜阵列850、第2透镜阵列860及重叠透镜870的配置为，其中心和光源光轴810ax几乎一致，并且大致垂直于光源光轴810ax。
在这种照明装置800中，发光管820具有发光部(弧光)，该发光部在光源光轴810ax的方向具有预定长度；该发光部的中心配置于光源光轴810ax上椭圆面反射器830的2个焦点之中靠近椭圆面反射器830侧的焦点(第1焦点)F1的位置近旁。而且，从发光部所射出的光由椭圆面反射器830的反射面830R进行反射，其反射光在射向离开椭圆面反射器830侧的焦点(第2焦点)F2的中途，通过平行化透镜840而成为与光源光轴810ax大致平行的照明光束，入射到第1透镜阵列850。
第1透镜阵列850如图8所示，其结构为，具有矩形形状轮廓的多个小透镜852按矩阵状(此时，为10行×6列)进行配置，用来将来自光源装置810的大致平行的照明光束，通过多个小透镜852分割成多个部分光束，上述矩形形状呈和被照明区域LA的形状大致相似的形状。另外，第2透镜阵列860也和第1透镜阵列850相同，其结构为，具有矩形形状轮廓的多个小透镜862按矩阵状进行配置。第2透镜阵列860的小透镜862和第1透镜阵列850的小透镜852对应配置，从第1透镜阵列850的小透镜852所射出的多个部分光束分别聚光到对应的小透镜862。而且，从第2透镜阵列860的各小透镜862所射出的多个部分光束分别通过重叠透镜870，对液晶装置等被照明区域LA进行重叠照明。
可是，在以往的照明装置800中，因为若从光源装置810射出的光束平行度不够，则无法通过在第1透镜阵列850及第2透镜阵列860上分别相互对应的小透镜852、862，所以以前本发明人公示了提高从光源装置810射出的光束的平行度的技术(例如，参见专利文献1。)。
另一方面，在这种包含积分光学系统的照明装置中如上所述，还存在使用抛物面反射器的装置，该抛物面反射器并不是通过椭圆面反射器和平行化透镜的组合使来自发光管的光平行化，而是在反射来自发光管的光之时就使其成为平行的光。
图9是用来说明使用抛物面反射器的照明装置中的问题点的图。在使用抛物面反射器880的照明装置中如图9所示，抛物面反射器880的由旋转抛物面构成的反射面880R，与椭圆面反射器830的由旋转椭圆面构成的反射面830R相比，收纳角(のみ込み角)θ(围绕光源光轴810ax的角度)变小，该收纳角内的从发光管820按放射状射出的光都被导向平行化透镜840。因此，使用抛物面反射器880的照明装置与使用椭圆面反射器830的照明装置相比，存在光的利用效率下降这样的问题。因此，近年来人们积极开发采用椭圆面反射器的照明装置。
而在这种使用椭圆面反射器的照明装置中，因为光强度分布并不一样，并且有偏向光源光轴侧的趋势，所以还有下面所示的问题。
图10是模式表示使用椭圆面反射器的以往照明装置中的光轨迹的图。图11是用来说明第2透镜阵列上的弧光像的图。图11(a)是表示弧光像理想地形成于第2透镜阵列上时的图，图11(b)是表示实际上形成于第2透镜阵列上的弧光像的图。在使用椭圆面反射器830的以往照明装置800中如图11所示，其照度分布为，光源光轴810ax近旁的照度较高，并且随着离开光源光轴810ax，照度变低。因此，如图11所示，形成于第2透镜阵列860上的弧光像864原本应当如图11(a)所示收于各小透镜862内，但是却如图11(b)所示，偏向光源光轴810ax近旁，引起向小透镜862周围的单元漏出的现象。
这样，未被收于第2透镜阵列860的各小透镜862内而漏出的部分光不能对被照明区域进行照明，造成浪费，导致光量损耗。还有，所谓这样漏出的部分光，相当于不能通过在第1透镜阵列850及第2透镜阵列860上分别相互对应的小透镜852、862的光。
因而，在以往的照明装置800中，虽然借助于提高从平行化透镜840射出的照明光束的平行度，可以使其通过在第1透镜阵列850及第2透镜阵列860上相互对应的小透镜852、862，但是实际上光源光轴810ax近旁的中心部分照明光束的一部分，仍然保持不能通过的状态。人们期望其得到改善。
因此，本发明人作为以往的另一种照明装置，公示了照明装置900(例如，参见专利文献2。)，上述以往的另一种照明装置可以使光源光轴附近由第1透镜阵列的小透镜产生的各弧光像相互分离。图12是用来说明以往的另一种照明装置900的图。在以往的另一种照明装置900中，如图12所示，增大使来自光源装置910的照明光束大致平行化的凹透镜940的旋转双曲面940A的圆锥常数K等，将由椭圆面反射器930的反射面930R所反射的反射光之中至少以光源光轴910ax为中心的中心部分侧的光路L1，变更为光路L3，该光路L3与平行于光源光轴910ax的光路L2相比稍微更朝向外侧。
因此，根据以往的另一种照明装置900，光源光轴910ax近旁的弧光像与以往照明装置800的情形相比被更好地分离，其结果，由椭圆面反射器930的反射面930R所反射的反射光之中至少以光源光轴910ax中心的中心部分侧的光路L1可以通过第1透镜阵列及第2透镜阵列(都未图示。)上的分别相互对应的小透镜。
专利文献1特开2000-347293号公报(图1～图15)专利文献2国际公开第02/088842号(图1～图5)但是，已判明在以往的另一种照明装置900中，通过增大凹透镜940的旋转双曲面940A的圆锥常数K等，虽然可以使光源光轴910ax近旁由第1透镜阵列的小透镜产生的各弧光像相互分离，但离开光源光轴910ax的周围部分的各弧光像的分离却仍然并不充分。
作为使离开光源光轴910ax的周围部分上的各弧光像充分分离的方法，考虑进一步增大旋转双曲面940A的圆锥常数K。但是，在进一步增大了旋转双曲面940A的圆锥常数K时，凹透镜940的旋转双曲面940A中心部分的透镜光焦度(LENS POWER)的变化率变得过大，使光源光轴910ax近旁的各弧光像产生变形，使得光源光轴910ax近旁的照明光束一部分，不能通过第1透镜阵列及第2透镜阵列上的相互对应的小透镜。其结果，存在不能减少光量损耗而使照明光束的利用效率下降这样的问题。
发明内容
本发明是为了解决这种问题而做出的，其目的为提供一种照明装置及具备该装置的投影机，该照明装置可以减少光量损耗并且能够提高照明光束的利用效率。
本发明人为了达到上述目的而反复专心努力的结果为，发现作为使离开光源光轴的周围部分的各弧光像充分分离的手段，可以取代使用进一步增大旋转双曲面的圆锥常数K的方法，而通过使用下述手段，来有效抑制凹透镜旋转双曲面的中心部分的透镜光焦度的变化率变得过大使光源光轴近旁的各弧光像产生变形的状况，从而使本发明得到完成，上述手段为在凹透镜的光入射面和第1透镜阵列的形成有多个小透镜的面之间配置预定的凹面。
本发明的照明装置，具备光源装置，具有发光管及椭圆面反射器，该椭圆面反射器用来反射来自上述发光管的光并将其作为照明光束射出；凹透镜，具有用来使来自上述光源装置的照明光束大致平行化的由旋转双曲面构成的光入射面，；第1透镜阵列，具有用来将来自上述凹透镜的照明光束分割成多个部分光束的多个小透镜；第2透镜阵列，具有与上述第1透镜阵列的上述多个小透镜相对应的多个小透镜，用于使被上述第1透镜阵列分割的各部分光束重叠到被照明区域上。其特征在于，在上述凹透镜的光入射面和上述第1透镜阵列的形成有上述多个小透镜的面之间存在下述凹面，该凹面和上述凹透镜的光入射面一起具有下述功能，也就是使通过上述凹透镜的光入射面后的照明光束，沿着与平行于上述光源装置光轴的光路相比更向外方的光路行进，并且通过上述第1透镜阵列及上述第2透镜阵列上的相互对应的小透镜。
因此，根据本发明的照明装置，由于作为使离开光源光轴的周围部分的各弧光像充分分离的方法，取代使用进一步增大旋转双曲面的圆锥常数K的方法，而使凹透镜的光入射面和第1透镜阵列的形成有多个小透镜的面之间存在预定的凹面，因而能够使离开光源光轴的周围部分的各弧光像充分分离。其结果为，由于即便不进一步增大旋转双曲面的圆锥常数K也可以，因而没有旋转双曲面中心部分透镜光焦度的变化率变得过大使光源光轴近旁的各弧光像产生变形的现象。据此，对于光源光轴近旁的照明光束，也可以将由第1透镜阵列的小透镜产生的弧光像良好地形成到各自对应的第2透镜阵列的各小透镜内。
也就是说，在本发明的照明装置中，由于使下述功能分担到凹透镜的旋转双曲面和凹透镜的光入射面及第1透镜阵列的形成有多个小透镜的面之间所配置的预定凹面上，上述功能为使离开光源光轴的周围部分上的各弧光像充分分离，因而不用进一步增大旋转双曲面的圆锥常数K，就能够使离开光源光轴的周围部分上的各弧光像充分分离，达到本发明的目的。
因此，本发明的照明装置可以减少光量损耗，并且能够提高照明光束的利用效率。
在本发明的照明装置中，优选的是，上述凹面是球面。由于按上述方法来构成，因而可以采用较为简易的方法来达到本发明的目的。
另外，在本发明的照明装置中，优选的是，上述凹面形成于上述凹透镜的光射出面。由于按上述方法构成，因而不用添加新的光学元件，就能够达到本发明的目的。
在本发明的照明装置中，优选的是，第1透镜阵列的上述多个小透镜形成于上述第1透镜阵列的光射出面，上述凹面形成于上述第1透镜阵列的光入射面。由于按上述方法来构成，因而不用添加新的光学元件，也能够达到本发明的目的。
在本发明的照明装置中，优选的是，在上述凹透镜和上述第1透镜阵列之间配置第2凹透镜，上述凹面形成于上述第2凹透镜的光入射面及光射出面之中的至少一个面上。由于按上述方法来构成，因而只是在以往的照明装置结构中添加1片上述的那种第2凹透镜，就能够达到本发明的目的。
本发明的投影机其特征在于，具备本发明的照明装置；电光调制装置，用来按照图像信息对来自上述照明装置的照明光束进行调制；投射光学系统，用来投射来自上述电光调制装置的调制光。
因此，根据本发明的投影机，由于具备可以减少光量损耗并且能够提高照明光束的利用效率的优质的照明装置，因而成为高亮度的投影机。
图1是从上面看的实施方式1的投影机光学系统图。
图2是用来说明实施方式1的照明装置的图。
图3是用来说明比较示例1的照明装置的图。
图4是用来说明比较示例2的照明装置的图。
图5是用来说明实施方式2的照明装置的图。
图6是用来说明实施方式3的照明装置的图。
图7是从上面看的以往的照明装置的图。
图8是沿着光源光轴看的第1透镜阵列的附图。
图9是用来说明使用抛物面反射器的照明装置中的问题点的图。
图10是模式表示使用椭圆面反射器的以往照明装置中的光线轨迹的图。
图11是用来说明第2透镜阵列上的弧光像的图。
图12是用来说明以往的另一种照明装置的图。
具体实施例方式
下面，对于本发明的照明装置及具备该装置的投影机，根据附图所示的实施方式进行说明。
实施方式1首先，对于实施方式1的投影机1A，采用图1进行说明。
图1是从上面看的实施方式1的投影机光学系统的图。还有，在下面的说明中，将相互正交的3个方向分别设为z方向(和光源光轴110ax平行的方向)、x方向(与z方向垂直且平行于图纸的方向)及y方向(垂直于图纸的方向)。
实施方式1的投影机1A如图1所示，具备照明装置100A、色分离光学系统200、中继光学系统300、作为电光调制装置的3个液晶装置400R、400G、400B，和十字分色棱镜500及投射光学系统600。各光学系统的构成要素以十字分色棱镜500为中心大致按水平方向进行配置。
照明装置100A具有光源装置110、平行化透镜140A、第1透镜阵列150、第2透镜阵列160、偏振转换元件170及重叠透镜180。从光源装置110所射出的照明光束通过凹透镜140A的光入射面得以大致平行化，并由第1透镜阵列150分割成多个部分光束，各部分光束通过第2透镜阵列160及重叠透镜180，在作为照明对象的3个液晶装置400R、400G、400B的图像形成区域进行重叠。
还有，有关照明装置100A的详细情况，将在后面进行说明。
色分离光学系统200具有将从照明装置100A所射出的照明光束分离成分别不同的波长范围的3色的照明光束的功能。第1分色镜210反射大致蓝色的光束(下面，称为「B光」。)，并且使大致绿色的光束(下面，称为「G光」。)及大致红色的光束(下面，称为「R光」。)透射。由第1分色镜210所反射的B光再由反射镜230进行反射，并透射场透镜240B对B光用的液晶装置400B进行照明。
场透镜240B进行聚光，以使来自照明装置100A的多个部分光束分别对B光用的液晶装置400B进行照明。通常情况下，其设定为，各部分光束分别成为大致平行的光束。配置于其他液晶装置400G、400B之前的场透镜240G、350其结构也和场透镜240B相同。
透射第1分色镜210后的G光和R光之中的G光由第2分色镜220进行反射，并透射场透镜240G对G光用的液晶装置400G进行照明。另一方面，R光透射第2分色镜220，并通过中继光学系统300对R光用的液晶装置400R进行照明。
中继光学系统300具有入射侧透镜310、入射侧反射镜320、中继透镜330、射出侧反射镜340及场透镜350。从色分离光学系统200所射出的R光通过入射侧透镜310在中继透镜330的近旁进行收敛，并朝向射出侧反射镜340及场透镜350进行发散。向场透镜350入射的光束大小其设定为，与向入射侧透镜310入射的光束大小大致相等。
各色光用的液晶装置400R、400G、400B将入射到各个光入射面上的色光转换成与各自对应的图像信号相应的光，并且这些转换后的光作为透射光射出。在液晶装置400R、400G、400B的入射侧分别配置入射侧偏振板918R、918G、918B，并且在射出侧分别配置射出侧偏振板920R、920G、920B。作为液晶装置400R、400G、400B，可以使用透射型的液晶装置。
十字分色棱镜500具有作为色合成光学系统的功能，该色合成光学系统用来对从各色光用的液晶装置400R、400G、400B射出的各色光的转换光进行合成。而且，具有R光反射分色面510R，用来反射R光；B光反射分色面510B，用来反射B光。R光反射分色面510R和B光反射分色面510B是通过将用来反射R光的多层介质膜和用来反射B光的多层介质膜在4个直角棱镜的界面上形成为大致X字状来设置的。利用它们两个反射分色面510R、510B来合成3色的转换光，并生成用来显示彩色图像的光。在十字分色棱镜500上所生成的合成光朝向投射光学系统600射出。
投射光学系统600的构成为，将来自十字分色棱镜500的合成光作为显示图像投射到屏幕等投射面上。
下面，对于实施方式1的照明装置100A，采用图2进行详细说明。图2是用来说明实施方式1的照明装置的图。图2(a)是表示从上面看的照明装置的一部分的图，图2(b)表示的是第2透镜阵列上的弧光像。
实施方式1的照明装置100A如图1及图2(a)所示，具有光源装置110、凹透镜140A、第1透镜阵列150、第2透镜阵列160、偏振转换元件170及重叠透镜180。
光源装置110具有发光管120、辅助镜122及椭圆面反射器130。发光管120其发光中心配置于椭圆面反射器130的第1焦点F1的位置近旁。椭圆面反射器130在被照明区域侧进行开口，并且配置于发光管120的发光部后面。而且，其构成为，反射来自发光管120的光向被照明区域侧射出。辅助镜122由反射凹面体构成，并且其构成为，将从发光部向被照明区域侧放射的光向椭圆面反射器130反射，使光利用效率得到提高，将上述反射凹面体配置为与发光管120的发光部相比更靠近被照明区域侧。
凹透镜140A具有和光源光轴110ax平行的透镜光轴，并且配置于光源装置110的被照明区域侧。在凹透镜140A的光入射面上，形成有用来使来自光源装置110的照明光束大致平行化的旋转双曲面140AS1，并且在光射出面上形成有由球面构成的凹面140AS2。凹面140AS2和旋转双曲面140AS1一起具有下述功能，也就是使通过旋转双曲面140AS1后的照明光束沿着与平行于光源光轴110ax(光源装置110的光轴)的光路相比更朝向外方的光路行进，并且通过在第1透镜阵列150及第2透镜阵列160上分别相互对应的小透镜152、162。
第1透镜阵列150具有按矩阵状所排列的多个小透镜152，其构成为，将来自光源装置110的照明光束分割成多个部分光束。各小透镜152形成为，沿着z方向看到时的其外观形状成为和被照明区域的形状大致相似的形状。
第2透镜阵列160具有多个小透镜162，该多个小透镜分别对应于第1透镜阵列150上的多个小透镜152。各小透镜162和第1透镜阵列150的各小透镜152相同，按矩阵状来排列，其构成为，和重叠透镜180一起，将由第1透镜阵列150的多个小透镜152产生的弧光像重叠照明到被照明区域上。
偏振转换元件170具有将非偏振光调整为下述偏振光的功能，该偏振光具有可在3个液晶装置400R、400G、400B上利用的偏振方向。另外，在偏振转换元件170的光入射面上，配置有遮光板(未图示)，用来遮挡来自第2透镜阵列160等的不希望有的光。
重叠透镜180由聚光透镜构成，并且配置于偏振转换元件140的被照明区域侧。而且，其构成为，对从偏振转换元件140所射出的照明光束进行聚光，并和第2透镜阵列160一起使之重叠到液晶装置400R、400G、400B的图像形成区域上。
而在实施方式1的照明装置100A中，在凹透镜140A的光入射面和第1透镜阵列150上形成有多个小透镜152的面之间如上所述，形成有凹面140AS2作为凹透镜140A的光射出面。
因此，根据实施方式1的照明装置100A，由于作为使离开光源光轴110ax的周围部分上的各弧光像充分分离的方法，取代使用进一步增大旋转双曲面140AS1的圆锥常数K的方法，而使凹透镜140A的光入射面和第1透镜阵列150上形成有多个小透镜152的面之间，存在预定的凹面140AS2，因而能够使离开光源光轴110ax的周围部分上的各弧光像充分分离。其结果为，由于即便不进一步增大旋转双曲面140AS1的圆锥常数K也可以，因而没有由于旋转双曲面140AS1中心部分透镜光焦度的变化率变得过大使光源光轴110ax近旁的各弧光像产生变形的现象。据此，对于光源光轴110ax近旁的照明光束，也可以将由第1透镜阵列150的小透镜152产生的弧光像良好形成到各自对应的第2透镜阵列160的各小透镜162内。
也就是说，在实施方式1的照明装置100A中，由于使下述功能分担到凹透镜140A的旋转双曲面140AS1和凹透镜140A的光入射面及第1透镜阵列150上形成有多个小透镜152的面之间所配置的预定凹面140AS2上，上述功能为使离开光源光轴110ax的周围部分上的各弧光像充分分离的功能，因而不用进一步增大旋转双曲面140AS1的圆锥常数K，就能够使离开光源光轴110ax的周围部分上的各弧光像充分分离，从而可以达到本发明的目的。
因此，实施方式1的照明装置100A可以减少光量损耗，并且能够提高照明光束的利用效率。
在实施方式1的照明装置100A中，凹面140AS2是球面。因此，可以采用较为简易的方法来达到本发明的目的。
在实施方式1的照明装置100A中，凹面140AS2形成于上述凹透镜140A的光射出面上。因此，不用添加新的光学元件，就能够达到本发明的目的。
这里，通过对实施方式1的比较示例的照明装置进行说明，来进一步详细说明实施方式1的照明装置100A的效果。图3是用来说明比较示例1的照明装置的图。图3(a)是从上面看的照明装置的一部分的附图，图3(b)表示的是第2透镜阵列上的弧光像。图4是用来说明比较示例2的照明装置的图。图4(a)是从上面看的照明装置的一部分的附图，图4(b)表示的是第2透镜阵列上的弧光像。
比较示例1的照明装置1100A如图3(a)所示，和以往照明装置800(参见图7。)的情形相同，具有凹透镜1140A，该凹透镜其光入射面为旋转双曲面1140AS1，其光射出面为平面1140AS2。根据比较示例1的照明装置1100A得知，如图3(b)所示，虽然形成于第2透镜阵列160上的弧光像原本应当收于各小透镜162内，但是却偏向光源光轴110ax近旁，并向小透镜162周围的单元漏出。
比较示例2的照明装置1100B如图4(a)所示，和以往照明装置900(参见图12。)的情形相同，具有凹透镜1140B，该凹透镜其光入射面为增大圆锥常数K后的旋转双曲面1140BS1，其光射出面为平面1140BS2。根据比较示例2的照明装置1100B得知，如图4(b)所示，的确光源光轴110ax近旁的弧光像被相互分离。但是，离开光源光轴110ax的周围部分上各弧光像的分离尚不充分。
这种情况下，作为使离开光源光轴110ax的周围部分上的各弧光像充分分离的方法，考虑进一步增大旋转双曲面1140BS1的圆锥常数K。但是，在进一步增大了旋转双曲面1140BS1的圆锥常数K时，旋转双曲面1140BS1中心部分上透镜光焦度的变化率变得过大，使光源光轴110ax近旁的各弧光像产生变形，光源光轴110ax近旁的照明光束的一部分，则不能通过第1透镜阵列150及第2透镜阵列160上的相互对应的小透镜152、162。其结果为，不能减少光量损耗，使照明光束的利用效率下降。
另外，照射到与偏振转换元件170(未图示。)的遮光板对应的区域M2上的比例也较大，照射到与偏振转换元件170的光入射面对应的区域M1上的比例减少，使光利用效率下降。
与此相比，在实施方式1的照明装置100A中得知，如图2(b)所示，光源光轴110ax近旁的弧光像和离开光源光轴110ax的周围部分上的弧光像都被良好地分离。另外，照射到与偏振转换元件170(参见图1。)的遮光板对应的区域M2上的比例也变小，从而使照射到与偏振转换元件170的光入射面对应的区域M1上的比例减少导致光利用效率下降的现象也不再存在。
因此，实施方式1的照明装置100A如同由和上述比较示例1或2的照明装置1100A、1100B之间的比较所明确的那样，可以减少光量损耗，并且能够提高照明光束的利用效率。
实施方式1的投影机1A如图1所示，具备上述的照明装置100A；液晶装置400R、400G、400B，用来按照图像信息对来自照明装置100A的照明光束进行调制；投射光学系统600，用来投射来自液晶装置400R、400G、400B的调制光。
因此，根据实施方式1的投影机1A，由于具备可以减少光量损耗并且能够提高照明光束的利用效率的照明装置100A，因而成为高亮度的投影机。
下面，说明实施方式1的照明装置100A中各光学元件的设计方法。
在椭圆面反射器130和凹透镜140A中，存在能够使通过凹透镜140A的光入射面后的照明光束成为理想平行光的最佳组合(按照椭圆面反射器130的形状、凹透镜140A的折射率及凹透镜140A的设置位置等，有多种多样)。在本说明书中，通过以其组合的状态为基准，并在该状态基础上分别增加实施方式1的照明装置100A和后述实施方式2或3的照明装置100B、100C中所说明的各种变更，而达到本发明的目的。
还有，对于用来获得可得到理想平行光的最佳组合的各光学元件的设计方法，本发明人在专利文献1中公示出，通过使凹透镜上光入射面的形状满足下面的公式(1)，能够得到理想的平行光。
Z-c·r21+1-(1+K)·c2·r2=0---(1)]]>这里，公式(1)中，r、Z是rθZ圆柱坐标系中的坐标值，该rθZ圆柱坐标系以凹透镜140A的光入射面和光源光轴110ax之间的交点为原点，并且关于光源光轴110ax轴对称。还有，r是从原点开始的光轴正交方向的距离，Z是从原点开始的光轴方向的距离。另外，c是近轴曲率半径。
K是被称为圆锥常数的值。在实施方式1的照明装置100A中，由于凹透镜140A的光入射面是旋转双曲面，因而圆锥常数K的值为K＜-1。
近轴曲率半径c是考虑椭圆面反射器130的反射面形状、凹透镜140A的折射率、凹透镜140A中心部的厚度以及凹透镜140A的设置位置来求取的。具体而言，要预先决定好椭圆面反射器130的反射面形状、凹透镜140A的折射率、凹透镜140A中心部的厚度以及凹透镜140A的设置位置。而且，在对于具有和预先所决定出的椭圆面反射器130的反射面形状相同的形状的椭圆面反射器、在预先所决定出的位置上使用折射率及中心部的厚度和凹透镜140A相同的凹透镜的情况下，若求出可使得在近轴区能够转换出平行光的那种曲率半径，则它成为近轴曲率半径c。因而，在决定了可得到理想平行光的凹透镜的旋转双曲面形状时，椭圆面反射器130和凹透镜140A之间的组合，也就是椭圆面反射器130的反射面形状、凹透镜140A的设置位置及近轴曲率半径c也被决定。
另外，如同实施方式1的照明装置100A那样，在凹透镜140A的光入射面由旋转双曲面形成的情况下，在将凹透镜140A的折射率设为n时，使圆锥常数K为K＝-n2，通过使用在该圆锥常数K的前提下满足上述公式(1)的旋转双曲面，可以得到平行光。
而通过增大旋转双曲面的圆锥常数K的值，可以增加旋转双曲面中心部上的光焦度。也就是说，通过逐渐增大圆锥常数K的值，就可以将原来平行于光源光轴110ax的照明光束的光路逐渐变更成朝向外侧的光路。因而，通过逐渐增大圆锥常数K的值，就可以使第2透镜阵列上偏向光源光轴侧的弧光像，逐渐向放射状的方向分离。
这种情况下，由于如果还要通过增大圆锥常数K的值使离开光源光轴的周围部分上的各弧光像充分分离，则旋转双曲面中心部上透镜光焦度的变化率变得过大，会使光源光轴近旁的各弧光像产生变形，所以不只是调整旋转双曲面的圆锥常数K的值，还需要调整凹面的曲率半径R的值。
因此，在实施方式1的照明装置100A中执行下述模拟，该模拟为将凹透镜140A的旋转双曲面140AS1的圆锥常数K的值设为初始值，并逐渐增大该圆锥常数K，另一方面对于凹面140AS2的曲率半径R，将R＝∞设为初始值，并逐渐减小该曲率半径R。而且，将偏向光源光轴110ax侧的弧光像收于原本应将其收入的小透镜162内时的圆锥常数K及曲率半径R，决定为最佳的圆锥常数KP及曲率半径RP，该最佳的圆锥常数KP及曲率半径RP用来决定凹透镜140A的旋转双曲面140AS1及凹面140AS2。
实施方式1的照明装置100A中凹透镜140A的形状决定为下述形状，该形状为在其光入射面上和其光射出面上分别具有旋转双曲面140AS1和凹面140AS2，该旋转双曲面140AS1在这样所决定出的圆锥常数KP的前提下满足上述公式(1)，该凹面140AS2由以曲率半径R为R＝RP的球面构成。还有，其他结构(椭圆面反射器130的反射面形状和凹透镜140A的设置位置等)和能够使通过凹透镜140A的光入射面后的照明光束成为理想平行光时的结构相同。由此，可以不使通过凹透镜140A的光入射面后的照明光束沿着与光源光轴100ax平行的光路行进，而令其沿着比平行于光源光轴110ax的光路更向外侧的光路行进。因而，如图2(b)所示，能将由第1透镜阵列150的小透镜152产生的各弧光像收于各自对应的第2透镜阵列160的各小透镜162内，从而可以减少光量损耗，能够提高照明光束的利用效率。
实施方式2下面，对于实施方式2的照明装置100B，采用图5进行说明。图5是用来说明实施方式2的照明装置的图。在图5中，对于和图2(a)相同的构件赋予相同的符号，并省略其详细说明。
实施方式2的照明装置100B如图5所示，其特征在于，在第1透镜阵列150B的光入射面(与形成有多个小透镜152B的面相反的面)上形成凹面150BS1，该凹面150BS1由球面构成并且和形成于凹透镜140的光入射面的旋转双曲面140S1一起具有下述功能，该功能为使通过凹透镜140的光入射面后的照明光束，沿着比平行于光源光轴110ax的光路更朝向外面的光路行进，并且通过第1透镜阵列150B及第2透镜阵列160上的分别相互对应的小透镜152B及162。
因此，根据实施方式2的照明装置100A，由于作为使离开光源光轴110ax的周围部分上的各弧光像充分分离的方法，取代使用进一步增大旋转双曲面140S1的圆锥常数K的方法，而使凹透镜140的光入射面和第1透镜阵列150B上形成有多个小透镜152B的面之间，存在上述那种凹面150BS1，因而和实施方式1的情形相同，能够使离开光源光轴110ax的周围部分上的各弧光像充分分离。其结果为，由于即便不进一步增大旋转双曲面140S1的圆锥常数K也可以，因而也没有旋转双曲面140S1中心部分透镜光焦度的变化率变得过大使光源光轴110ax近旁的各弧光像产生变形的现象。据此，对于光源光轴110ax近旁的照明光束，也可以将由第1透镜阵列150B的小透镜152B产生的弧光像良好地形成到各自对应的第2透镜阵列160的各小透镜162内。
因此，实施方式2的照明装置100B可以减少光量损耗，并且能够提高照明光束的利用效率。
另外，在实施方式2的照明装置100B中如上所述，第1透镜阵列150B的多个小透镜150B形成于第1透镜阵列150B的光射出面，凹面150BS1形成于第1透镜阵列150B的光入射面。因此，不用添加新的光学元件，就能够达到本发明的目的。
还有，当决定实施方式2的照明装置100B中凹透镜140和第1透镜阵列150B等的光学元件形状时，对于凹透镜140的旋转双曲面140S1的圆锥常数K及第1透镜阵列150B的由球面构成的凹面150BS1的曲率半径R，可以采用和上述实施方式1的照明装置100A中各光学元件的设计方法相同的设计方法来决定。
实施方式3下面，对于实施方式3的照明装置100C，采用图6进行说明。图6是用来说明实施方式3的照明装置的图。在图6中，对于和图2(a)相同的构件赋予相同的符号，并省略其详细说明。
实施方式3的照明装置100C如图6所示，其特征在于，在凹透镜140和第1透镜阵列150之间配置具有凹面142S2的第2凹透镜142，该凹面142S2和形成于凹透镜140的光入射面的旋转双曲面140S1一起具有下述功能，也就是使通过凹透镜140的光入射面后的照明光束，沿着比平行于光源光轴110ax的光路更朝向外方的光路行进，并且通过第1透镜阵列150及第2透镜阵列160上的分别相互对应的小透镜152、162。
因此，根据实施方式3的照明装置100C，由于作为使离开光源光轴110ax的周围部分上的各弧光像充分分离的方法，取代使用进一步增大旋转双曲面140S1的圆锥常数K的方法，而使凹透镜140的光入射面和第1透镜阵列150上形成有多个小透镜152的面之间，存在上述那种凹面142S2，因而能够使离开光源光轴110ax的周围部分的各弧光像充分分离。其结果为，由于即便不进一步增大旋转双曲面140S1的圆锥常数K也可以，因而也没有旋转双曲面140S1中心部分透镜光焦度的变化率变得过大使光源光轴110ax近旁的各弧光像产生变形的现象。据此，对于光源光轴110ax近旁的照明光束，也可以将由第1透镜阵列150的小透镜152产生的弧光像良好形成到各自对应的第2透镜阵列160的各小透镜162内。
因此，实施方式3的照明装置100C可以减少光量损耗，并且能够提高照明光束的利用效率。
另外，在实施方式3的照明装置100C中如上所述，在凹透镜140和第1透镜阵列150之间配置第2凹透镜142，并且凹面142S2形成于第2凹透镜142的光射出面。因此，只是在以往照明装置的结构中添加1片上述那种第2凹透镜142，就能够达到本发明的目的。
还有，在实施方式3的照明装置100C中，虽然对于在第2凹透镜142的光射出面上形成凹面142S2的情形进行了说明，但是本发明不限定于此，也可以在第2凹透镜的光入射面上形成凹面，还可以在第2凹透镜的光入射面及光射出面双方上形成凹面。
另外，当决定实施方式3的照明装置100C中凹透镜140和第2凹透镜142等的光学元件形状时，对于凹透镜140的旋转双曲面140S1的圆锥常数K及凹透镜142由球面构成的凹面142S2的曲率半径R，可以采用和上述实施方式1的照明装置100A中各光学元件的设计方法相同的设计方法来决定。
上面，根据上述各实施方式，对本发明的照明装置及具备该装置的投影机进行了说明，但是本发明并不限于上述各实施方式，而可以在不脱离其宗旨的范围内以各种方式实施，例如下述变形也是可以的。
在上述各实施方式中，虽然作为预定的凹面使用了球面，但是本发明不限定于此，也可以使用各种非球面作为预定的凹面。
在上述实施方式1的投影机1A中，虽然示例出将本发明的照明装置应用于透射型的投影机的情形，但是本发明也能够应用于反射型的投影机。这里，所谓「透射型」意味着，如同透射型的液晶装置等那样作为光调制装置的电光调制装置将光透射的类型，所谓「反射型」意味着，如同反射型的液晶装置等那样作为光调制装置的电光调制装置将光反射的类型。在对反射型的投影机使用本发明的照明装置时，也可以获得和透射型的投影机几乎相同的效果。
在上述实施方式1的投影机1A中，虽然以显示彩色图像的投影机为例进行了说明，但是本发明不限定于此，也可以应用于显示单色图像的投影机。
在上述实施方式1的投影机1A中，虽然以使用3个液晶装置400R、400G、400B的投影机为例，进行了说明，但是本发明不限定于此，而在使用2个或大于等于4个液晶装置的投影机中，也可以使用。
在上述实施方式1的投影机1A中，虽然作为电光调制装置使用了液晶装置400R、400G、400B，但是本发明不限于此。作为电光调制装置，一般来说，只要是按照图像信息来调制入射光的装置即可，也可以利用微镜式光调制装置等。作为微镜式光调制装置，例如可以使用DMD(数字微镜器件)(美国得克萨斯仪器公司的商标)。
此外，不言而喻，本发明还可以应用于从观看投射图像侧进行投射的正面投射型投影机以及从和观看投射图像方相反的一侧进行投射的背面投射型投影机。
权利要求
1.一种照明装置，具备光源装置，其具有发光管及椭圆面反射器，该椭圆面反射器用来反射来自上述发光管的光并将其作为照明光束射出；凹透镜，其具有由旋转双曲面构成的光入射面，用来使来自上述光源装置的照明光束大致平行化；第1透镜阵列，其具有用来将来自上述凹透镜的照明光束分割成多个部分光束的多个小透镜；第2透镜阵列，其具有与上述第1透镜阵列的上述多个小透镜相对应的多个小透镜，用于使被上述第1透镜阵列分割的各部分光束重叠到被照明区域上，其特征在于，在上述凹透镜的光入射面和上述第1透镜阵列的形成有上述多个小透镜的面之间存在有凹面，该凹面和上述凹透镜的光入射面一起具有下述作用，即，使通过了上述凹透镜的光入射面的照明光束沿着与平行于上述光源装置光轴的光路相比，朝向向外方向的光路行进，并且使其通过上述第1透镜阵列及上述第2透镜阵列上的分别相互对应的小透镜。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于上述凹面是球面。
3.根据权利要求1或2所述的照明装置，其特征在于上述凹面形成于上述凹透镜的光射出面。
4.根据权利要求1或2所述的照明装置，其特征在于上述第1透镜阵列的上述多个小透镜形成于上述第1透镜阵列的光射出面，上述凹面形成于上述第1透镜阵列的光入射面。
5.根据权利要求1或2所述的照明装置，其特征在于在上述凹透镜和上述第1透镜阵列之间配置有第2凹透镜，上述凹面形成于上述第2凹透镜的光入射面及光射出面之中的至少一个面。
6.一种投影机，其特征在于，具备权利要求1～5中任一项所述的照明装置；电光调制装置，其用来按照图像信息对来自上述照明装置的照明光束进行调制；投射光学系统，其用来投射来自上述电光调制装置的调制光。
全文摘要
本发明的照明装置，具备光源装置，具有发光管及椭圆面反射器；凹透镜，具有由旋转双曲面构成的光入射面，用来使来自光源装置的照明光束大致平行化；第1透镜阵列；第2透镜阵列；其特征在于，在凹透镜的光入射面和第1透镜阵列的形成有上述多个小透镜的面之间存在凹面，该凹面和凹透镜的光入射面一起具有下述功能，也就是使通过凹透镜的光入射面后的照明光束沿着与平行于光源装置光轴的光路相比更朝向外面的光路行进，并且通过第1透镜阵列及第2透镜阵列上的相互对应的小透镜。因此，可以减少光量损耗，并且能够提高照明光束的利用效率。
文档编号G03B21/20GK1826558SQ20048002116
公开日2006年8月30日 申请日期2004年10月6日 优先权日2003年10月7日
发明者秋山光一 申请人:精工爱普生株式会社