专利名称：耦合透镜、照明装置和电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种照明装置，该照明装置被配置成合成从多个光源调制和发射的光并且在一个方向上发射该合成的光。本发明还涉及一种用在照明装置中的耦合透镜，一种具有照明装置、诸如激光扫描型投影仪等等的投影型图像显示设备，和一种设置投影型图像显示设备的、诸如移动电话机等等的电子装置。
背景技术：
近年来，已经开发出一种使用LED、激光或者其类似物的投影型图像显示设备(在下文中，称为投影仪)，并且期望一种小型可携带的投影仪。特别地，因为需要更少的部件或者组件和超小型化的可能性，所以已经开发出一种结合三原色的激光器和MEMS(微型电子机械系统)镜的小型扫描型投影仪(例如，见日本专利号4031481)。图22显示具有三原色激光器和MEMS镜的这种传统的扫描型投影仪。图22中所示的投影仪具有半导体激光器1-R、1-G和1-B、透镜2-R、2-G和2-B、二向色镜3_R、3_G和 3-B、MEMS镜装置501和控制装置502，其中，半导体激光器1_R、1_G和1_B被配置成分别发射红R、绿G和蓝B的激光，透镜2-R、2-G和2-B被配置成聚焦分别从半导体激光器1-R、 I-G和I-B发射的激光，二向色镜3-R、3-G和3-B被配置成仅反射红光、绿光和蓝光并且分别透射其它颜色的光，MEMS镜装置501具有配置成具有可变倾斜角的镜，控制装置502被配置成允许MEMS镜装置501的镜在水平和垂直方向上被旋转或者转动并且允许半导体激光器1-R、1-G和I-B发射具有根据输入的视频信号调制的光强度的激光。控制装置502具有镜控制部和调制部，通过与MEMS镜装置501的角度同步地调制激光强度而在屏幕503上形成图像。在这种合成彩色光的方法中，对每个激光器聚焦透镜是必需的，所以增加部件和组件的数量并且不能获得小型和轻便的装置。图23显示通过二向色棱镜602合成来自红、绿和蓝三色光源601R、601G和601B 的光束并且通过聚焦透镜603进行聚焦光束的实例(例如，参见日本专利申请公开号 2001-154607)。在这种构造中，尽管仅使用一个聚焦透镜，但是光源被布置成光源的发射方向是彼此互不相同的，所以获得小型和轻便装置存在缺点。图M显示这样的实例来自两个光源的光束在基本相同方向上被发射并且通过一个耦合透镜被耦合且经由两光合成棱镜被合成并在一个光路上发射，因此来自多个光源的光被合成并在一个光路上发射。该实例涉及一种光盘的光学拾取系统，并且660nm波长的半导体激光器1011和780nm波长的半导体激光器1012通过准直透镜1020被改变为基本平行的光束以及两光合成棱镜1031被配置成660nm的光束的光轴和780nm的光束的光轴彼此互相匹配，以进入物
^Ml O对于用于光盘的光拾取的准直透镜，为了在光盘(1061、1062)的少量记录表面的点上狭窄地聚焦光而没有变化，需要确保与激光光源的峰值强度有关的在进入物镜1050 的边缘的光的光强度的分布中有充足强度，所以不会减小准直透镜的焦距。当准直透镜的焦距较大(大约IOmm以上)时，来自光源的光的耦合效率降低并且光使用效率减小。此外，由于大的焦距，所以不能防止出现大型设备。如果准直透镜的焦距被设置得小，那么在诸如两个光源之间的间隔和两光合成棱镜的厚度的实际情况下，难以消除在两光合成棱镜的后表面上反射的光中产生的象散(astigmatism)。因此，通过一个小焦点距离的准直透镜难以合成来自两个光源的光束。在日本专利申请公开号2002-207110中也说明的是传统技术。如上上述，正如传统技术中所说明的，使用一个小焦距的准直透镜，通过允许两个光源在基本相同的方向上发射光束并且允许一个耦合透镜耦合该光束，经由两光合成棱镜将来自具有良好波阵面(wave front)的多个光源的光束合成到一个光路上是困难的。
发明内容
本发明主要在于提供一种照明装置，该照明装置用于小型装置和光使用效率的提高，并且用于改进光束的波阵面质量。为了达到上述目的，一种根据本发明的实施例的耦合透镜，被用于将从第一光源发射的具有第一波长的第一光与从邻近于第一光源设置的第二光源发射的具有第二波长的第二光耦合，第一和第二光在实质上相同的方向上被发射。所述耦合透镜包括第一表面，所述第一表面被设置成面向第一和第二光源，第一表面包括第一光所经过的第一区域和第二光所经过的第二区域，第一区域具有第一区域曲率并且第二区域具有第二区域曲率；和第二表面，所述第二表面被设置在第一表面的相反侧并且具有第二表面曲率。第一区域的第一区域曲率的第一区域曲率中心的位置不同于第二区域的第二区域曲率中心的位置。第二表面的第二表面曲率的第二表面曲率中心和第一区域曲率中心被设置在第一或者第二光源的光轴上。
图1是显示根据本发明的第一实施例的照明装置的构造的示意图。图2A和2B都是显示耦合透镜的第一和第二表面的曲率中心之间的位置关系的图。图3是显示使用传统耦合透镜的光学系统的图。图4是显示使用根据本发明的实施例的耦合透镜的光学系统的图。图5是显示根据本发明的第二实施例的照明装置的构造的示意图。图6是显示根据本发明的第三实施例的照明装置的构造的示意图。图7是显示在本发明的第四实施例中耦合透镜的数值孔径的说明图。
图8是显示根据本发明的第五实施例的照明装置的构造的示意图。图9A和9B是显示从热释放的观点观察光源的布置状态的图。图10是显示基于在第一和第二区域具有彼此互不相同的焦距的情况下设计的照明装置的构造的示意图。图11是显示根据本发明的第七实施例的照明装置的构造的示意图。图12是显示根据本发明的第九实施例的照明装置的构造的示意图。图13是显示根据本发明第十实施例的耦合透镜的构造的示意图。图14是显示根据本发明第十实施例的耦合透镜的另一个构造的示意图。图15是显示耦合透镜的NA和耦合效率之间的关系的图。图16是显示根据本发明第十二实施例的投影型图像显示设备的构造的示意图。图17是显示作为扫描装置的MEMS镜的构造的立体图。图18是显示作为设置根据本发明第十三实施例的投影型图像显示设备的电子装置的移动电话机的使用状态的立体图。图19是显示在投影型图像显示设备被用作用于车辆的平视显示器的情况下的构造的示意图。图20是显示在投影型图像显示设备被用作写入光学系统的情况下的构造的示意图。图21是显示在用于蓝、绿和红三种颜色的光源(半导体激光器)被合成在一个封装件中的情况下的照明装置的示意图。图22是显示具有三原色的激光器和MEMS镜的扫描型投影仪的传统构造的示意图。图23是显示来自三原色的光源的光通过二向色棱镜被合成并且通过聚焦透镜被聚焦的传统构造的示意图。图M是显示来自多个光源的光经由两光合成棱镜被合成在一个光路上的传统构造的示意图。
具体实施例方式在下文中，将基于附图具体说明本发明的较佳实施例。图1显示具有根据本发明的第一实施例的耦合透镜的照明装置。照明装置包括配置成发射具有第一波长λ 1的第一光的第一光源1，邻近于第一光源1设置的并且配置成发射具有第二波长λ 2的第二光的第二光源2，和配置成将第一光与第二光耦合的耦合透镜5。在基本相同的方向上发射第一光和第二光。耦合透镜5具有面向第一和第二光源1、 2的第一表面5Α和设置在第一表面5Α的相反侧处并且具有第二表面曲率的第二表面5Β。 第一表面5Α包括第一光所经过的第一区域6和第二光所经过的第二区域7。第一区域6具有第一区域曲率并且第二区域7具有第二区域曲率。第一区域6的第一区域曲率的第一区域曲率中心的位置不同于第二区域7的第二区域曲率的第二区域曲率中心的位置。第二表面5Β的第二表面曲率的第二表面曲率中心和第一区域曲率中心被设置在第一或者第二光源1、2的光轴上。第一和第二光源1、2彼此邻近地安装在同一支架3上作为一个组件4。能够使用，配置成发射具有红色范围的波长的光的半导体激光器(在下文中，“红色LD”)作为第一光源1，和配置成发射具有蓝色范围的波长的光的半导体激光器(在下文中，“蓝色LD”)作为第二光源2。蓝色范围和红色范围可以分别为400nm至480nm和600nm至700nm。使用发射例如波长λ 1为640nm的红光的红色LD和发射例如波长λ 2为445nm的蓝光的蓝色LD，并且在以下实例中使用这些波长。在该实施例中，尽管红色LD 1和蓝色LD 2被形成在分开的芯片上并且被安装在同一支架3中，但是蓝色LD 1和红色LD 2也可以被形成在一个芯片上。照明装置可以包括配置成将第一光的光路与第二光的光路相匹配的光路形成元件。光路形成元件可以是楔形(wedge)棱镜。从红色LD 1发射的红光11和从蓝色LD 2发射的蓝光12通过一个耦合光学系统 (在下文中，“CL”)5被耦合，然后被引导到作为光路形成元件的楔形棱镜13。在图1中，示意性图解每种颜色的光的光路。红光11和蓝光12进入楔形棱镜13，被合成并且在一个光路上被发射。因此，照明装置被配置成，在一个光路上发射在蓝色和红色波长范围内的两种类型的光。在上述说明中，尽管使用用于第一光源的红色波长范围和用于第二光源的蓝色波长范围，但是也可以使用其它的波长范围。楔形棱镜13是包括蓝色波长范围内的光所经过的第一棱镜表面20和配置成反射蓝色波长范围内的光的第二棱镜表面21的平板。楔形棱镜13的第一棱镜表面和第二棱镜表面被形成为楔形平板并且相对地倾斜α角。红光11和蓝光12进入第一棱镜表面20，并且在第一和第二棱镜表面上分别被反射并从此发射。第一和第二棱镜表面可以由称为二向色滤光片的光学多层膜形成，其中第一和第二棱镜表面被配置成分别根据波长选择性地反射或者透射光。将进一步具体说明CL5。CL5的第一表面5Α具有仅红光11所经过的第一区域6 和仅蓝光12所经过的第二区域7，其中第一表面5Α为光源侧的表面，即，光源侧表面。第一区域6的透镜表面曲率中心处于由图1中附图标号8所示的位置，并且第二区域7的透镜表面的曲率中心处于由图1中附图标号9所示的位置，S卩，两个曲率中心处于彼此互不相同的位置8、9。与第一和第二区域6、7相反的、CL 5的第二表面5Β由单个表面形成。图2Α和2Β显示CL 5的第一和第二表面的5Α、5Β的曲率中心的位置关系。在每个光源的光轴的方向即ζ方向上发射光。由附图标号30、31显示第一和第二光源1、2的光
轴ο在图2Α中，CL 5的第二表面5Β的曲率中心处于附图标号32所示的位置，并且第一表面5Α的第一区域6的曲率中心处于附图标号8所示的位置。曲率中心8、32都在第一光源1的光轴上，并且CL 5的第一表面5Α的第一区域6 的透镜表面和第二表面5Β被配置成处于不会彼此相对移位的状态。因此，无需考虑由于表面的移位而导致的性能下降，就能够获得透镜的容易设计。图2Β显示曲率中心9、32在第二光源2的光轴上的情况。在该实例中，由附图标号7显示第一区域并且由附图标号6显示第二区域。将显示根据本发明的耦合透镜的实例的具体设计。
表1中显示本发明的实例的具体设计和作为比较例的另一个设计，在比较例中， 由单个表面形成光源侧的表面，即，光源侧表面。
[
权利要求
1.一种耦合透镜，用于将从第一光源发射的具有第一波长的第一光与从邻近于所述第一光源设置的第二光源发射的具有第二波长的第二光耦合，所述第一和第二光在实质上相同的方向上被发射，其特征在于，所述耦合透镜包含第一表面，所述第一表面被设置成面向所述第一和第二光源；所述第一表面包括所述第一光所经过的第一区域和所述第二光所经过的第二区域，所述第一区域具有第一区域曲率并且所述第二区域具有第二区域曲率；和第二表面，所述第二表面被设置在所述第一表面的相反侧并且具有第二表面曲率； 其中，所述第一区域的所述第一区域曲率的第一区域曲率中心的位置不同于所述第二区域的所述第二区域曲率的第二区域曲率中心的位置；并且所述第二表面的所述第二表面曲率的第二表面曲率中心和所述第一区域曲率中心被设置在所述第一或者第二光源的光轴上。
2.如权利要求1所述的耦合透镜，其特征在于，所述第一区域曲率的半径不同于所述第二区域曲率的半径。
3.如权利要求1所述的耦合透镜，其特征在于，所述第一区域的透镜厚度不同于所述第二区域的透镜厚度。
4.如权利要求1所述的耦合透镜，其特征在于，所述耦合透镜由多种材料形成，每种材料都具有彼此互不相同的折射率。
5.如权利要求1所述的耦合透镜，其特征在于，所述第一区域的材料不同于所述第二区域的材料。
6.如权利要求1所述的耦合透镜，其特征在于，所述第一和第二区域中的每一个的有效焦距都为5mm以下。
7.一种照明装置，其特征在于，所述照明装置包含第一光源，所述第一光源被配置成发射具有第一波长的第一光； 第二光源，所述第二光源被设置为邻近于所述第一光源并且被配置成发射具有第二波长的第二光，所述第一光和所述第二光在实质上相同的方向上被发射；和耦合透镜，所述耦合透镜被配置成耦合所述第一光和所述第二光，所述耦合透镜具有面向所述第一和第二光源的第一表面，和设置在所述第一表面的相反侧处并且具有第二表面曲率的第二表面，其中，所述第一表面包括所述第一光所经过的第一区域和所述第二光所经过的第二区域，所述第一区域具有第一区域曲率并且所述第二区域具有第二区域曲率；所述第一区域的所述第一区域曲率的第一区域曲率中心的位置不同于所述第二区域的所述第二区域曲率的第二区域曲率中心；并且所述第二表面的所述第二表面曲率的第二表面曲率中心和所述第一区域曲率中心被设置在所述第一或者第二光源的光轴上。
8.如权利要求7所述的照明装置，其特征在于，进一步包含光路形成元件，所述光路形成元件被配置成所述第一光的光路与所述第二光的光路相匹配，其中所述光路形成元件为楔形棱镜。
9.如权利要求8所述的照明装置，其特征在于，从所述第一和第二光源中的一个光源发射的光被配置成在所述楔形棱镜的前表面上被反射，其中从所述第一和第二光源中的一个光源发射的光经过所述第一表面的所述第一区域的所述第一区域曲率中心和所述第二表面曲率中心，并且从所述第一和第二光源中的另一个光源发射的光被配置成经过所述第一表面的所述第二区域并且在所述楔形棱镜的后表面上被反射。
10.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，进一步包含第三光源，所述第三光源被配置成在不同于所述第一和第二光的发射方向的方向上发射具有第三波长的第三光；和二级耦合透镜，所述二级耦合透镜被配置成耦合所述第三光，其中经过所述二级耦合透镜的所述第三光被配置成通过所述楔形棱镜并且所述第三光的光路被配置成与所述第一和第二光的光路相匹配。
11.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，所述第一区域曲率的半径不同于所述第二区域曲率的半径。
12.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，所述第一区域的透镜厚度不同于所述第二区域的透镜厚度。
13.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，在所述楔形棱镜的所述前表面上反射的所述光具有600至700nm的波长并且在所述楔形棱镜的所述后表面上反射的所述光具有 400至480nm的波长。
14.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，所述耦合透镜的所述第二区域被形成为非球面形状。
15.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，由柱面形成所述耦合透镜的所述第二区域。
16.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，由超环面形成所述耦合透镜的所述第二区域。
17.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，由多种材料形成所述耦合透镜，每种材料都具有彼此互不相同的折射率。
18.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，所述第一区域的材料不同于所述第二区域的材料。
19.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，所述第一和第二区域中的每一个的有效焦距为5mm以下。
20.一种投影型图像显示设备，其特征在于，所述投影型图像显示设备包含如权利要求7所述的照明装置，扫描装置，所述扫描装置被配置成利用从所述照明装置发射的光二维地扫描要被扫描的表面；和控制装置，所述控制装置被配置成与所述扫描装置的移动同步地控制所述第一和第二光源或者所述第一至第三光源的输出功率。
全文摘要
一种用于将第一光与第二光耦合在实质上相同的方向上的耦合透镜，其中第一光来自第一光源并具有第一波长，第二光来自邻近于第一光源设置的第二光源并具有第二波长，所述耦合透镜包括设置成面向第一和第二光源的第一表面和与第一表面相反并且具有第二表面曲率的第二表面，其中第一表面包括透射第一光并且具有第一区域曲率的第一区域和透射第二光并且具有第二区域曲率的第二区域。第一区域曲率的中心的位置不同于第二区域曲率的中心的位置。第二表面曲率的中心和第一区域曲率的中心被设置在第一或者第二光源的光轴上。
文档编号G02B19/00GK102257423SQ20098015184
公开日2011年11月23日 申请日期2009年12月15日 优先权日2008年12月17日
发明者秋山洋, 高桥义孝 申请人:株式会社理光