专利名称：会聚光学系统以及投影型图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及会聚光学系统以及使用该会聚光学系统的投影型图像显示装置。
背景技术：
目前，投影型图像显示装置的光源主要采用灯光源。但是，灯光源存在红色光量少且寿命短等缺点。因此，近年来，取代灯光源而采用面发光光源例如寿命比灯光源长的发光二极管(LED)。因为LED所放射出的光的波长范围较窄，所以作为投影型图像显示装置的光源可组合使用红(R)、绿(G)、蓝(B)各色的LED，由此能够实现较宽的色彩再现区域。例如，在专利文献1中提出了采用R、G、B各色的LED以及积分棒的照明系统。在该系统中，在利用与各色对应的准直透镜使得从各色LED放射出的各色光变为平行光的基础上，通过分色镜等进行合成，并使所合成的光通过共用的会聚透镜会聚到积分棒的入射面。在先技术文献专利文献专利文献1 日本特开2005-242364号公报
发明内容
发明要解决的课题但是，由于波长越短玻璃材料的折射率越高这样的特性差异而产生纵向色像差 (longitudinal chromatic aberration)。因此，即使在与各色LED对应设置的各色用准直透镜为相同结构、且从各色LED的发光面到对应的各色用准直透镜的距离被设为相同时， 也会由于准直透镜而产生纵向色像差，此外，纵向色像差被会聚透镜增强。因此，在积分棒的入射面附近形成的LED的发光面的2次光源像的成像位置因每种颜色而不同，其结果，存在积分棒的入射面处的会聚效率因每种颜色而不同的问题。例如，存在当欲使绿色光的会聚效率最大化时，红色光以及蓝色光的会聚效率降低、光利用效率整体降低这样的问题。另外，即使在使从各色LED放射出的光分别被具有不同结构的各色用准直透镜完全变为平行光的情况下，由于会聚透镜而产生纵向色像差，所以存在光利用效率降低这样的问题。此外，还可以考虑通过使准直透镜以及会聚透镜为消色差透镜(achromatic lense)来解决色像差的问题，但随着透镜块数的增多而导致结构变得复杂，其结果，产生产品成本变高这样的其它问题。本发明是为了解决上述现有技术的课题而作出的，其目的是提供结构简单并且光利用效率高的会聚光学系统以及采用该会聚光学系统的投影型图像显示装置。用于解决课题的手段本发明的会聚光学系统的特征是具备红色用面发光光源，其具有红色用发光面， 并从该红色用发光面放射红色光；绿色用面发光光源，其具有绿色用发光面，并从该绿色用发光面放射绿色光；蓝色用面发光光源，其具有蓝色用发光面，并从该蓝色用发光面放射蓝色光；具有正光焦度的红色用准直透镜，其使从所述红色用发光面放射出的红色光变为平行光；具有正光焦度的绿色用准直透镜，其使从所述绿色用发光面放射出的绿色光变为平行光；具有正光焦度的蓝色用准直透镜，其使从所述蓝色用发光面放射出的蓝色光变为平行光；光合成单元，其对通过了所述红色用准直透镜的红色光、通过了所述绿色用准直透镜的绿色光和通过了所述蓝色用准直透镜的蓝色光进行合成；具有正光焦度的会聚透镜，其使合成的所述光会聚；以及光强度分布均勻化元件，其具有供所述会聚透镜所会聚的光入射的入射面和射出光强度分布经均勻化后的光的出射面，所述红色用发光面、所述绿色用发光面以及所述蓝色用发光面是相同大小的矩形形状，且是与所述光强度分布均勻化元件的入射面相似的形状，所述红色用准直透镜、所述绿色用准直透镜以及所述蓝色用准直透镜具有彼此相同的构造，所述红色用准直透镜、所述绿色用准直透镜以及所述蓝色用准直透镜被配置为，使得从所述红色用准直透镜到所述会聚透镜的光学距离、从所述绿色用准直透镜到所述会聚透镜的光学距离以及从所述蓝色用准直透镜到所述会聚透镜的光学距离大致相同，所述红色用面发光光源、所述绿色用面发光光源以及所述蓝色用面发光光源被配置为，使得红色光从所述红色用发光面到所述红色用准直透镜的光学距离长于绿色光从所述绿色用发光面到所述绿色用准直透镜的光学距离、且所述绿色光的光学距离长于蓝色光从所述蓝色用发光面到所述蓝色用准直透镜的光学距离，而且使得所述红色用准直透镜以及所述会聚透镜使所述红色用发光面在所述光强度分布均勻化元件的入射面上成像而得到的2次光源像、所述绿色用准直透镜以及所述会聚透镜使所述绿色用发光面在所述光强度分布均勻化元件的入射面上成像而得到的2次光源像、和所述蓝色用准直透镜以及所述会聚透镜使所述蓝色用发光面在所述光强度分布均勻化元件的入射面上成像而得到的2次光源像为彼此相同的大小。另外，本发明的投影型图像显示装置的特征是具备上述会聚光学系统；图像显示元件，其供从上述会聚光学系统射出的光入射，并对该入射的光进行调制，生成影像光； 以及投影光学系统，其对由上述图像显示元件生成的上述影像光进行放大投影。发明效果本发明的会聚光学系统将红色用面发光光源、绿色用面发光光源以及蓝色用面发光光源配置为，使红色光从红色用发光面到红色用准直透镜的光学距离长于绿色光从绿色用发光面到绿色用准直透镜的光学距离、且上述绿色光的光学距离长于蓝色光从蓝色用发光面到蓝色用准直透镜的光学距离，而且红色用发光面的2次光源像、绿色用发光面的2次光源像和蓝色用发光面的2次光源像为彼此相同的大小，由此结构简单，并且不会导致光强度分布均勻化元件中的光量损耗，能够实现较高的光利用效率。另外，根据本发明的投影型图像显示装置，可采用结构简单的会聚光学系统来显示高亮度的图像。
图1是概括示出本发明实施方式1的会聚光学系统以及投影型图像显示装置的结构的图。图2是示出实施方式1的会聚光学系统的光路的图。
5
图3是用于说明比较例的会聚光学系统中的纵向色像差的图。图4是示出实施方式1的会聚光学系统的主光线的图。图5是示出射出光具有朗伯分布(Lambertian distribution)的面发光光源的图。图6是示出具有光子晶体的面发光光源的图。图7是示出实施方式1的会聚光学系统的主光线的图。图8是示出使准直透镜与会聚透镜之间的距离较大时的主光线的图。图9是概括示出本发明实施方式2的会聚光学系统以及投影型图像显示装置的结构的图。图10是概况示出十字分色镜(cross dichroic mirror)的构造的图。图11是概括示出本发明实施方式3的会聚光学系统以及投影型图像显示装置的结构的图。
具体实施例方式实施方式1.图1是概括示出本发明实施方式1的会聚光学系统1以及投影型图像显示装置2 的结构的图。如图1所示，实施方式1的会聚光学系统1具备红色用面发光光源llr，其具有红(R)色用发光面12r，并从该红色用发光面12ι 放射红色光；绿色用面发光光源llg， 其具有绿(G)色用发光面12g，并从该绿色用发光面12g放射绿色光；以及蓝色用面发光光源11b，其具有蓝(B)色用发光面12b，并从该蓝色用发光面12b放射蓝色光。作为面发光光源llr、llg、llb，可采用LED、电致发光元件、半导体激光器等，但在以下的说明中对面发光光源是LED的情况进行说明。另外，实施方式1的会聚光学系统1具备具有正光焦度(power)的红色用准直透镜1，其使从3r红色用发光面12r放射出的红色光变为平行光(S卩，使其近似平行)；具有正光焦度的绿色用准直透镜13g，其使从绿色用发光面12g放射出的绿色光变为平行光(即， 使其近似平行)；以及具有正光焦度的蓝色用准直透镜13b，其使从蓝色用发光面13放射出的蓝色光变为平行光(即，使其近似平行)。另外，实施方式1的会聚光学系统1具备光合成单元，该光合成单元对通过了红色用准直透镜13r的红色光、通过了绿色用准直透镜13g的绿色光和通过了蓝色用准直透镜 13b的蓝色光进行合成。在图1中，光合成单元例如由包含相互垂直的2枚分色镜17、18 的十字分色镜构成。分色镜17、18具有使特定波长范围的光透射或反射的特性。在实施方式1中，光合成单元具备透射绿色光以及蓝色光并反射红色光的分色镜17和透射红色光以及绿色光并反射蓝色光的分色镜18。与相互分开配置2枚分色镜的情况相比，由分色镜 17,18构成的十字分色镜可减小镜配置空间，并能够实现更紧凑的会聚光学系统。此外，光合成单元的结构不仅限于图示的结构。此外，会聚光学系统1具备具有正光焦度的会聚透镜19，其对光合成单元所合成的光进行会聚；作为光强度分布均勻化元件的积分棒20，其具有供由会聚透镜19所会聚的光入射的入射面21以及射出光强度分布已被均勻化的光的出射面22。对R、G、B各色的光而言，会聚透镜19是共用的结构，其接收由分色镜17、18合成的光，使该合成的光以期望的
6角度会聚到积分棒20的入射面21。积分棒20由截面是矩形的四棱柱状玻璃构成，入射面 21具有与R、G、B各色的面发光光源llr、IlgUlb的发光面12r、12g、12b以及图像显示元件(图1的符号24)形状相似的矩形形状。入射到积分棒20的入射面21的光一边在玻璃与空气的界面上反复进行全反射一边在积分棒内部传播，由此使各色光均勻化，并从出射面22射出。此外，光强度分布均勻化元件不仅限于积分棒20，还可以是其它结构的元件。在实施方式1中，红色用发光面12r、绿色用发光面12g以及蓝色用发光面12b是相同大小的矩形形状平面，且是与积分棒20的入射面21相似的形状。这里所说的相似的形状不仅指完全相似的形状，还包含大致相似形状的情况。另外，发光面12r、12g、12b在发光面整个区域内具有大致均勻的亮度。红色用准直透镜13ι 、绿色用准直透镜13g以及蓝色用准直透镜1 具有彼此相同的构造，其结果，具有相同的光学性能。准直透镜13r、13g、13b接收从面发光光源1 Ir、llg、 lib的发光面12r、12g、12b以较大展开角放射的光，并转换为展开角比从面发光光源llr、 IlgUlb的发光面12r、12g、12b放射出的展开角小的光。红色用准直透镜13r、绿色用准直透镜13g、蓝色用准直透镜13b以及会聚透镜19例如分别由1枚以上透镜构成，且由相同的玻璃材料构成。另外，在实施方式1中，以使从红色用准直透镜13r到会聚透镜19的光学距离 (Dr+Dw)、从绿色用准直透镜13g到会聚透镜19的光学距离(Dg+Dw)以及从蓝色用准直透镜Hb到会聚透镜19的光学距离(Db+Dw)相同(包含大致相同。)的方式，配置红色用准直透镜13ι 、绿色用准直透镜13g以及蓝色用准直透镜13b。如图1所示，Dr表示从红色用准直透镜13r到分色镜17和18的交点的距离，Dg表示从绿色用准直透镜13g到分色镜17 和18的交点的距离，Db表示从蓝色用准直透镜13b到分色镜17和18的交点的距离，Dw表示从分色镜17和18的交点到会聚透镜19的距离。此外，在实施方式1中，红色用面发光光源llr、绿色用面发光光源Ilg以及蓝色用面发光光源lib被配置为，使得红色光的从红色用发光面12r到红色用准直透镜13r的光学距离Lr大于绿色光的从绿色用发光面12g到绿色用准直透镜13g的光学距离Lg、且绿色光的光学距离Lg大于蓝色光的从蓝色用发光面1 到蓝色用准直透镜13b的光学距离Lb (即，满足Lb < Lg < Lr)。除此之外，红色用面发光光源llr、绿色用面发光光源Ilg 以及蓝色用面发光光源lib被配置为，还使得利用红色用准直透镜13r以及会聚透镜19使得红色用发光面12r在积分棒20的入射面21上成像而得到的红色用发光面12r的2次光源像、利用绿色用准直透镜13g以及会聚透镜19使得绿色用发光面12g在积分棒20的入射面21上成像而得到的绿色用发光面12g的2次光源像和利用蓝色用准直透镜13b以及会聚透镜19使得蓝色用发光面12b在积分棒20的入射面21上成像而得到的蓝色用发光面12b的2次光源像彼此为相同大小。这里所说的相同大小不仅仅是完全相同的大小，还包含大致相同的大小。另外，如图1所示，投影型图像显示装置2具备会聚光学系统1 ；照明光学系统 23，其供从会聚光学系统1射出并使光强度分布进行了均勻化的光入射；图像显示元件M， 其对已通过照明光学系统23的光进行调制来生成影像光；以及投影光学系统沈，其将由图像显示元件M生成的影像光放大投影到屏幕27上。照明光学系统23将从积分棒20射出的光照射到图像显示元件M的显示面25上。此时，积分棒20的出射面22与图像显示元件24的显示面25呈共轭的关系，具有均勻亮度的矩形的积分棒20的出射面22在图像显示元件M的显示面25上成像。由此，面发光光源Ilr (或Ilg或lib)的发光面12ι (或12g或12b)、积分棒20的入射面21以及图像显示元件M的显示面25分别为彼此相似的形状，由此能够高效地对图像显示元件M的显示面 25进行照明，能够获得较高的光利用效率。图像显示元件M例如是透射型或反射型液晶面板或者DMD (Digital Micro-Mirror Device 数字微镜装置)，具有在显示面25上二维排列多个像素的构造。图像显示元件M根据影像信号按照每个像素对由照明光学系统23照射出的光进行强度调制，由此生成影像光。投影光学系统沈由透镜或者反射镜或者它们的组合等来构成，将图像显示元件 24所生成的影像光向屏幕27进行放大投影，并在屏幕27上显示图像。在投影型图像显示装置2中，从R、G、B各色的面发光光源llr、llg、llb的发光面 12r、12g、12b放射出的光透过所对应的准直透镜13r、13g、13b，利用分色镜17、18进行合成，并通过会聚透镜19会聚到积分棒20的入射面21。光强度分布被积分棒20均勻化后的光通过由透镜等构成的照明光学系统23照射到图像显示元件M，将由图像显示元件M调制的图像光借助投影光学系统26放大投影到屏幕27，并在屏幕27上显示图像。接着，更详细地说明面发光光源llr、IlgUlb的发光面12r、12g、12b的尺寸、积分棒20的入射面21的尺寸与图像显示元件M的显示面25的尺寸之间的关系。在实施方式 1中，面发光光源llr、l lg、llb的发光面12r、12g、12b与积分棒20的入射面21为共轭的关系，且积分棒20的出射面22与图像显示元件M的显示面25为共轭的关系。因此，以获得较高的光利用效率的角度出发，优选面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、12g、12b和积分棒20的入射面21都为与图像显示元件M大致相似的图形。一般，作为在设计会聚光学系统以及照明光学系统时考虑的概念具有 Kendue (光学扩展量)这个量。当将Kendue的概念应用于实施方式1的会聚光学系统1 以及投影型图像显示装置2时，将从面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、12g、12b射出的光束的配光分布假定为朗伯分布(完全扩散)时的面发光光源llr、llg、llb、积分棒20、 图像显示元件14的Kendue以发光面或受光面的面积与从发光面放射的光或由受光面接收到的光的立体角之积来进行定义，用以下的式子(1) C3)进行表示。Es = AsX π X sin2 ( θ s) ... (1)Ei = AiX π X sin2 ( θ i) . . . (2)El = AlX π X sin2 ( θ 1) . · · (3)在式子(1)中，h是面发光光源llr、llg、llb的Kendue，As是面发光光源llr、 IlgUlb的发光面12r、12g、12b的面积，θ s是从面发光光源llr、llg、lib的发光面12r、 12g、12b放射并由准直透镜13r、13g、1 取入的光线中的以最大展开角放射的光线相对于发光面12r、12g、12b的法线的角度(取入角)。在式子O)中，Ei是积分棒20的Kendue，Ai是积分棒20的入射面21的面积， θ i是以上述取入角从面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、12g、12b放射并入射到积分棒20的入射面21的光线相对于积分棒20的入射面21的法线的角度(会聚角)。在式子(3)中，El是图像显示元件M的Kendue，Al是图像显示元件M的显示
8面25的面积，θ 1是以上述会聚角入射到积分棒20的入射面21之后入射到图像显示元件 24的显示面25的光线相对于显示面25的法线的角度(照明角)。此外，π是圆周率。一般情况下，将会聚光学系统以及照明光学系统设计为上述h、Ei、El的值相等。 例如，当面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、12g、12b的尺寸是3mmX4mm(对角尺寸 5mm)、从发光面12r、12g、12b以半球状放射的(θ s = 90° )光束的配光分布是朗伯分布时，面发光光源llr、llg、llb WKendue可采用式子(1)如以下这样进行计算，结果约为 37. 7。
Es=As><7ixsin2(es)
=(3x4)><7ixsin2(90。)
=12χπΝ37.7与其对应，当将图像显示元件M的显示面25的尺寸设为12mmX 16mm(对角尺寸 20mm)、将对图像显示元件M的显示面25进行照明的光的F值设定为2.0(Θ1 N 14.5°)时，图像显示元件M WKendue可采用式子( 如以下这样进行计算，结果约为37. 7，可与面发光光源llr、IlgUlb的Kendue相等。
Ei=Ai χπχ Sin2(Gi)
=(12xl6)xuxsin2(14.5°)
Ν192χπχ0.0627Ν37.7另外，当将入射到积分棒20的入射面21的光的F值设为1. 0 ( θ i = 30° )、将积分棒20的入射面21的尺寸设定为6mmX8mm(对角尺寸IOmm)时，积分棒20的Kendue可采用式子(3)如以下这样进行计算，结果约为37.7，与面发光光源111~、118、1113的肚611(11^ 以及图像显示元件M的Kendue双方相等。
El=Al χπχ Sin2(Gl)
=(6x8)><7ixsin2(30o)
=48χπχ0.25Ν37.7在上述例子的情况下，由准直透镜13r、13g、13b以及会聚透镜19构成的光学系统将面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、12g、12b(尺寸3mmX4mm)扩大2倍，并使其在积分棒20的入射面21(尺寸6mmX8mm)成像。在此情况下，当由准直透镜13r、13g、13b 以及会聚透镜19构成的光学系统所具有的像差较大、且面发光光源llr、llg、llb的发光面 12r、12g、12b的2次光源像成像为比积分棒20的入射面21大时，光还被照射到积分棒20 的入射面21外侧(存在没有入射到入射面21的光)，从而产生光量损失。另外，当由准直透镜13r、13g、13b以及会聚透镜19构成的光学系统的倍率小于期
9望值时，面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、12g、12b的2次光源像进一步变小，照射到积分棒20的入射面21外侧的光消失。但是，因为入射到积分棒20的入射面21的光的会聚角变大，所以入射到图像显示元件对的显示面25的光的照明角也变大，从而会产生光量损失或导致投影光学系统大型化。因此，会聚光学系统1需要使从面发光光源llr、llg、llb 的发光面12r、12g、12b以规定取入角放射的光按照规定的会聚角成像为规定的尺寸，当超过该规定的会聚角以及成像尺寸时，会产生光量损失等。但是，也可以是，考虑到从面发光光源llr、llg、llb放射出的光难以全部(直至 θ s = 90° )取入以及制造误差和均勻性，在对图像显示元件M的显示面25进行照明时， 对比显示面25稍大的范围进行照明等，由此实际上按照光学系统的规格使取入角及积分棒20的入射面21的尺寸等适当进行优化。图2是示出实施方式1的会聚光学系统1的光路的图。另外，图3是用于说明比较例的会聚光学系统中的纵向色像差的图。在图2以及图3中，为了简化说明而省略分色镜17、18，并以直线状示出光路，重叠地示出各色光路。另外，在图2中，81r、81g、81b分别表示从面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、12g、12b的中心以同一期望取入角放射的光， AXl表示光轴，fO表示准直透镜13r、13g、13b的(从发光面放射的)绿色波长的前侧焦点， fl表示会聚透镜19的(从发光面放射的)绿色波长的后侧焦点。准直透镜13r、13g、13b以及会聚透镜19需要使面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、12g、12b在积分棒20的入射面21上以高成像性能来进行成像。为此，从像差校正角度考虑，优选使用折射率比较高的玻璃材料来作为准直透镜13r、13g、13b以及会聚透镜 19的构成材料。但是，在图3 (比较例)中如来自同一位置的发光面92r、92g、92b的光的会聚点951~、958、9恥所示，高折射率的玻璃材料一般色散大，所以具有正光焦度的准直透镜 93r.93g.93b与会聚透镜94的纵向色像差增强，导致纵向色像差进一步增大。另一方面，在实施方式1的会聚光学系统1中，从各色的面发光光源llr、llg、llb 的发光面12r、12g、12b到对应的各准直透镜13r、13g、13b的距离为Lb < Lg < Lr，而且将面发光光源Ilg的发光面12g配置为包含准直透镜13g的(从发光面放射的)绿色波长的前侧焦点f0 ((从发光面放射的)绿色波长的前侧焦点f0位于发光面12g上)。因此，虽然使已透过准直透镜13r、13g、13b的绿色光81g平行化，但已透过准直透镜13b的蓝色光 81b为发散的状态，已透过准直透镜13r的红色光81r为收敛的状态。当各色光81r、81g、 81b入射至会聚透镜19时，绿色光81g以期望的会聚角会聚到会聚透镜19的(从发光面放射的)绿色波长的后侧焦点fl。另外，发散状态的蓝色光81b由于会聚透镜19的散射以比绿色光强的正光焦度进行折射，并以与绿色光81g相同的会聚角会聚到(从发光面放射的) 绿色波长的后侧焦点fl。同样，收敛状态的红色光81r由于会聚透镜19的散射以比绿色光弱的正光焦度进行折射，并以与红色光81g相同的会聚角会聚到(从发光面放射的)绿色波长的后侧焦点fl。因此，在R、G、B的各色间没有产生纵向色像差，各色都是以同一取入角从面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、12g、12b放射出的光以同一期望的会聚角会聚到积分棒20的入射面21。即，可通过将从各色的面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、 12g、12b到对应的各准直透镜13r、13g、13b的距离Lr、Lg、Lb设定为Lb < Lg < Lr，来校正准直透镜13r、13g、13b以及会聚透镜19的纵向色像差，从而可不需要使准直透镜13r、13g、 13b以及会聚透镜19成为消色差透镜。由此，还可以使准直透镜13r、13g、13b以及会聚透镜19全部为相同的玻璃材料。另外，准直透镜13r、13g、13b以及会聚透镜19可使用虽然色散大但有利于像差校正的高折射率的玻璃材料。由此，能够实现会聚光学系统1的结构简化以及高光利用效率。作为假设，当考虑使光线反向前进的情况时，利用会聚透镜19以及准直透镜13r、 13g、i;3b使积分棒20的入射面21在面发光光源llr、llg、llb侧成像。在此情况下，以准直透镜13r、13g、i;3b为基准，在积分棒20的相反侧形成红色的像、绿色的像和蓝色的像，在距准直透镜13r、13g、i;3b最远的位置处形成红色的像，在次远的位置处形成绿色的像，在最近的位置处形成蓝色的像。实施方式1的会聚光学系统1中的面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、12g、12b的各个位置是上述假定情况下的红色的像的位置、绿色的像的位置和蓝色的像的位置。图4是示出来自R、G、B各色的面发光光源llr、IlgUlb的发光面12r、12g、12b的非中央部的主光线光路的图。在图4中，对与图2所示要素相同的要素标注同一符号。在图4中，82r、82g、82b分别是从R、G、B各色的面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、12g、 12b的非中央部放射的主光线，f2是准直透镜13r、13g、13b的(从发光面放射的)绿色波长的后侧焦点。由准直透镜13r、13g、13b以及会聚透镜19构成的光学系统朝面发光光源 IlrUlgUlb侧构成远心光学系统。从面发光光源Ilg的发光面12g的非中央部以发光面 12g的法线方向(与光轴AX3平行)射出的主光线82g被准直透镜13g折射后，通过准直透镜13g的(从发光面放射的)绿色波长的后侧焦点f2入射到会聚透镜19，并被该会聚透镜 19折射后，变为与光轴AX3平行并入射到与积分棒20的入射面21对应的非中央部。即，将会聚透镜19配置为该会聚透镜19的(从发光面放射的)绿色波长的前侧焦点与准直透镜 13g的(从发光面放射的)绿色波长的后侧焦点f2 —致，所以由准直透镜13r、13g、13b以及会聚透镜19构成的光学系统朝积分棒20侧也关于绿色光构成远心光学系统。另外，从蓝色用面发光光源lib的发光面12b的边上与光轴AX3平行射出的主光线82b被准直透镜1 进行了强于光线82g的折射后，在通过相比于准直透镜13b的(从发光面放射的)绿色波长的后侧焦点f2位于准直透镜1 侧的位置之后，被会聚透镜19 进行强于绿色光82g的折射，并以收敛状态射出会聚透镜19，在积分棒20的入射面21上与绿色光的主光线25g相交。同样，与光轴AX3平行地从红色用面发光光源1 Ir的发光面12r射出的主光线82r 被准直透镜13r进行弱于光线82g的折射后，在通过相比于准直透镜13r的(从发光面放射的)绿色波长的后侧焦点f2位于会聚透镜19侧的位置之后，被会聚透镜19进行弱于绿色光82g的折射，并在发散状态下射出会聚透镜19，在积分棒20的入射面21上与绿色光的主光线82g相交。由此，在实施方式1中，在R、G、B的各色间没有产生放大色差，使各色都在积分棒20的入射面21上成像同一大小的2次光源像。图5以及图6示意性示出从面发光光源llr、IlgUlb的发光面12r、12g、Ub放射的光的放射强度分布。图5示出具有朗伯分布62的面发光光源llr、llg、llb，图6示出通过在图5的面发光光源111~、118、1113中具备光子晶体611~、618、6113来提高放射光的指向性的分布63。如图5所示，从面发光光源llr、IlgUlb的发光面12r、12g、12b放射的光通常示出朗伯分布，以包含发光面12r、12g、12b的球状进行放射。另一方面，已知只要使用光子晶体61r、61g、61b就能够控制入射到该光子晶体的光的行进方向。图6示出在图5所示的面发光光源的发光面12r、12g、12b上设置有光子晶体61r、61g、61b，这样可提高面发光光源 IlrUlgUlb的发光面12r、12g、12b的法线方向以及其附近范围的放射强度，并使其它方向的放射强度弱化。在实施方式1的会聚光学系统中，可在面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、 12g、12b上分别设置光子晶体。如上所述，由准直透镜13r、13g、13b以及会聚透镜19构成的光学系统朝面发光光源llr、llg、llb侧构成远心光学系统，所以如果采用设置了光子晶体而提高了指向性的面发光光源llr、llg、llb，则能够将放射强度高的面发光光源llr、llg、 lib的发光面12r、12g、12b在法线方向上的光优先取入会聚光学系统，所以能够获得更高的光利用效率。这里，说明将从准直透镜13r、13g、13b到会聚透镜19的距离设为各色大致相同而产生的效果。图7以及图8是概括示出以不同的距离配置同一准直透镜13r、13g、i;3b和会聚透镜19时的主光线光路的图。在图7以及图8中，对与图4所示的要素相同的要素标注同一符号。在图7以及图8中，83、84分别是来自面发光光源llr、llg、llb的发光面12r、 12g、12b边上的主光线，f3是会聚透镜的前侧焦点，AX4、AX5是光轴。在图7中，因为会聚透镜19的前侧焦点f3与准直透镜13r、13g、13b的后侧焦点f2 —致(f2 = f3)，所以在主光线83从会聚透镜19射出之后，相对于光轴AX4平行地入射到积分棒的入射面21。另一方面，在图8中，因为增大从准直透镜13r、13g、13b到会聚透镜19的距离，所以在主光线 32从会聚透镜19射出之后，以相对于光轴AX5较大收敛的状态入射到积分棒的入射面21。 由此，当准直透镜13r、13g、13b与会聚透镜19的距离根据颜色不同时，入射到积分棒13r、 13gU3b的入射面21的主光线的角度根据颜色而不同，从而导致光利用效率降低以及亮度均勻性劣化。与此相对，在实施方式1的会聚光学系统中，使准直透镜13r、13g、i;3b与会聚透镜19的距离针对R、G、B各色都大致相同，所以可实现较高的光利用效率和亮度的均勻性。如以上所说明的那样，实施方式1的会聚光学系统1以及投影型图像显示装置2 为简单的结构，并且不会导致积分棒20处的光量损失，从而能够实现较高的光利用效率。此外，在以上说明中，使绿色用面发光光源Ilg与会聚透镜19相对，朝着与绿色用面发光光源Ilg垂直的方向配置红色用以及蓝色用面发光光源llr、llb，但本发明不限于这样的方式。例如，还可以使蓝色用面发光光源lib与会聚透镜19相对，朝着与蓝色用面发光光源lib垂直的方向配置红色用以及绿色用面发光光源llr、llg，或者使红色用面发光光源Ilr与会聚透镜19相对，朝着与红色用面发光光源Ilr垂直的方向配置绿色用以及蓝色用面发光光源llg、llb。另外，在以上的说明中，虽然将会聚透镜13r、13g、13b以及准直透镜19分别表示为1枚凸透镜，但本发明不仅限于这样的方式，还可以根据取入角或倍率等会聚光学系统的规格来分别采用2枚以上的透镜来构成。另外，会聚透镜13r、13g、13b以及准直透镜19 不仅限于球面透镜，还可以采用非球面透镜或自由曲面透镜等。此外，在以上的说明中说明了光强度分布均勻化元件是积分棒的情况，但不限于此，也可采用中空的光隧道等其它光强度分布均勻化元件。此外，在以上的说明中，合成从R、G、B各色的面发光光源llr、llg、llb放射出的光的单元为分色镜，但不限于此，也可采用分色棱镜等其它光合成单元。另外，以上的说明是采用前侧焦点等主要基于近轴理论的说明，但在不脱离上述说明主旨的范围内，可进行结构的变形。实施方式2.图9是概括地示出本发明实施方式2的会聚光学系统3以及投影型图像显示装置 4的结构的图。在图9中，对与图1所示的要素相同的要素标注同一符号。在图9中，面发光光源31、32、33是R、G、B的各色的面发光光源(例如，LED)。图 9所示的面发光光源31、32、33例如与R、G、B的面发光光源对应，但不限于此，面发光光源 31、32、33与R、G、B的各色的对应关系也可以是其它的对应关系。根据面发光光源31、32、 33所放射出的光的颜色，来决定分色镜37、38处的透射以及反射特性。分色镜37具有使从面发光光源31的发光面放射出的波长范围的光(第1光)反射并且使从面发光光源32的发光面放射出的波长范围的光(第2光)以及从面发光光源33的发光面放射出的波长范围的光(第3光)透射的波长特性，分色镜38具有使第2光反射并且使第3光透射的波长特性。实施方式2的会聚光学系统3是在实施方式1的会聚光学系统1中变更了面发光光源31、32、33以及分色镜37、38的配置的构成。从各色的准直透镜34、35、36到会聚透镜 39的光学距离(假设除去分色镜37、38，全部要素以直线状配置时从各色的准直透镜34、 35,36到会聚透镜39的距离)在各色之间大致相同。图10是为了比较而概括示出十字分色镜的构造的图。如图10所示，一般情况下， 十字分色镜以夹住1枚大镜(第1镜)17的方式配置有2枚小镜(第2、第3镜)18。此时， 作为第2、第3镜18的端面的、与第1镜17面相对的面51、52不具有波长特性(即，不具有仅透射以及反射特定波长的光的特性)。另外，在第2、第3镜端面51以及52与第1镜17 的表面之间产生少许间隙。因此，由于镜端面51、52及间隙，十字分色镜存在不能发挥期望波长特性的无效区域，虽然很小但会导致光量的损失。与此相对，在实施方式2的会聚光学系统3中，没有无效区域，不会导致由镜端面及间隙引起的光量损失。另外，十字分色镜将1枚分色镜分割为第2以及第3分色镜18，所以有时容易产生组装误差而导致光量损失。与此相对，在实施方式2的会聚光学系统3中，不需要分割分色镜，所以不会导致由组装误差引起的光量损失。如以上所说明的那样，根据实施方式2的会聚光学系统3以及投影型图像显示装置4，不会导致光量损失，能够实现更高的光利用效率。此外，在实施方式2中，除了上述以外的点都与上述实施方式1的情况相同。实施方式3.图11是概括示出本发明实施方式3的会聚光学系统5以及投影型图像显示装置 6的结构的图。在图11中，对与图1所示的要素相同的要素标注同一符号。在图11中，面发光光源41、42、43是R、G、B各色的面发光光源(例如，LED)。图 11所示的面发光光源41、42、43例如与R、G、B的面发光光源相对应，但不限于此，面发光光源41、42、43与R、G、B各色的对应关系也可以是其它的对应关系。根据面发光光源41、42、 43所放射出的光的颜色来决定分色镜47、48的透射以及反射特性。分色镜47具有使从面发光光源42的发光面放射出的波长范围的光(第2光)反射并且使从面发光光源43的发光面放射出的波长范围的光(第3光)透射的波长特性，分色镜48具有使从面发光光源41 的发光面放射出的波长范围的光(第1光)反射并且使第2光以及第3光透射的波长特性。 反射镜49使第1至第3光入射到会聚透镜50。实施方式3的会聚光学系统5是在实施方式2的会聚光学系统3中增大从分色镜34到会聚透镜37的距离并在其光路之间配置反射镜50来近似直角地弯折光路的结构。 从各色准直透镜44、45、46到会聚透镜50的光学距离(假设除去分色镜47、48以及反射镜 49，全部要素以直线状配置时各色准直透镜44、45、46到会聚透镜50的距离)在各色之间大致相同。在实施方式3中，反射镜49使得光路相对于积分棒20的长度方向以直角方向弯折，所以能够减小会聚光学系统5的积分棒20在长度方向上的尺寸。如以上所说明的那样，根据实施方式3的会聚光学系统5以及投影型图像显示装置6，不会导致光量损失，能够实现较高的光利用效率。此外，在实施方式3中，除了上述以外的点与上述实施方式1或2的情况相同。符号说明1、3、5会聚光学系统，2、4、6投影型图像显示装置，llb、llg、llr 面发光光源，12b、12g、12r面发光光源的发光面，13r、13g、13b 准直透镜，17、18、37、38、47、48 分色镜，19、39、50 会聚透镜，20积分棒，21积分棒的入射面，22积分棒的出射面，23照明光学系统，24图像显示元件，25图像显示元件的显示面，26投影光学系统，27 屏幕，31 33、41 43面发光光源，34 36、44 46准直透镜，49 镜，61r.61g.61b 光子晶体。
权利要求
1.一种会聚光学系统，其特征在于，该会聚光学系统具备红色用面发光光源，其具有红色用发光面，并从该红色用发光面放射红色光； 绿色用面发光光源，其具有绿色用发光面，并从该绿色用发光面放射绿色光； 蓝色用面发光光源，其具有蓝色用发光面，并从该蓝色用发光面放射蓝色光； 具有正光焦度的红色用准直透镜，其使从所述红色用发光面放射出的红色光变为平行光；具有正光焦度的绿色用准直透镜，其使从所述绿色用发光面放射出的绿色光变为平行光；具有正光焦度的蓝色用准直透镜，其使从所述蓝色用发光面放射出的蓝色光变为平行光；光合成单元，其对通过了所述红色用准直透镜的红色光、通过了所述绿色用准直透镜的绿色光和通过了所述蓝色用准直透镜的蓝色光进行合成； 具有正光焦度的会聚透镜，其使合成的所述光会聚；以及光强度分布均勻化元件，其具有供所述会聚透镜所会聚的光入射的入射面和射出光强度分布经均勻化后的光的出射面，所述红色用发光面、所述绿色用发光面以及所述蓝色用发光面是相同大小的矩形形状，且是与所述光强度分布均勻化元件的入射面相似的形状，所述红色用准直透镜、所述绿色用准直透镜以及所述蓝色用准直透镜具有彼此相同的构造，所述红色用准直透镜、所述绿色用准直透镜以及所述蓝色用准直透镜被配置为，使得从所述红色用准直透镜到所述会聚透镜的光学距离、从所述绿色用准直透镜到所述会聚透镜的光学距离以及从所述蓝色用准直透镜到所述会聚透镜的光学距离大致相同，所述红色用面发光光源、所述绿色用面发光光源以及所述蓝色用面发光光源被配置为，使得红色光从所述红色用发光面到所述红色用准直透镜的光学距离长于绿色光从所述绿色用发光面到所述绿色用准直透镜的光学距离、且所述绿色光的光学距离长于蓝色光从所述蓝色用发光面到所述蓝色用准直透镜的光学距离，而且使得所述红色用准直透镜以及所述会聚透镜使所述红色用发光面在所述光强度分布均勻化元件的入射面上成像而得到的2次光源像、所述绿色用准直透镜以及所述会聚透镜使所述绿色用发光面在所述光强度分布均勻化元件的入射面上成像而得到的2次光源像、和所述蓝色用准直透镜以及所述会聚透镜使所述蓝色用发光面在所述光强度分布均勻化元件的入射面上成像而得到的2次光源像为彼此相同的大小。
2.根据权利要求1所述的会聚光学系统，其特征在于，所述红色用准直透镜、所述绿色用准直透镜、所述蓝色用准直透镜以及所述会聚透镜分别由1枚以上的透镜构成且由相同玻璃材料构成。
3.根据权利要求1或2所述的会聚光学系统，其特征在于， 所述光合成单元具有相互垂直配置的2枚分色镜。
4.根据权利要求1或2所述的会聚光学系统，其特征在于， 所述光合成单元具有相互平行配置的2枚分色镜。
5.根据权利要求4所述的会聚光学系统，其特征在于，在所述光合成单元与所述会聚透镜之间具有将经合成的所述光的光路变为朝向所述会聚透镜的反射镜。
6.根据权利要求1至5中任意1项所述的会聚光学系统，其特征在于，所述会聚光学系统是分别朝所述红色用面发光光源侧、所述绿色用面发光光源侧以及所述蓝色用面发光光源侧的远心光学系统，所述红色用发光面、所述绿色用发光面以及所述蓝色用发光面分别具备光子晶体。
7.一种投影型图像显示装置，其特征在于，该投影型图像显示装置具备 权利要求1至6中任意1项所述的会聚光学系统；图像显示元件，其供从所述会聚光学系统射出的光入射，并对该入射的光进行调制，生成影像光；以及投影光学系统，其对由所述图像显示元件生成的所述影像光进行放大投影。
全文摘要
会聚光学系统(1)具有面发光光源(11r、11g、11b)、准直透镜(13r、13g、13b)和会聚透镜(19)，面发光光源的发光面(12r、12g、12b)是彼此相同大小的矩形形状，且是与积分棒(20)的入射面(21)相似的形状，准直透镜(13r、13g、13b)被配置为，使得从准直透镜(13r、13g、13b)到会聚透镜(19)的光学距离大致相同，面发光光源被配置为，使得从发光面(12r、12g、12b)到准直透镜(13r、13g、13b)的光学距离Lr、Lg、Lb满足Lb＜Lg＜Lr、且准直透镜(13r、13g、13b)以及会聚透镜(19)使发光面在积分棒(20)的入射面(21)上所成的像为彼此大致相同的大小。
文档编号G03B21/00GK102483564SQ20108003757
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月24日 优先权日2009年8月25日
发明者桑田宗晴 申请人:三菱电机株式会社