专利名称：照明光学系统和图像投影装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于诸如液晶投影仪之类的图像投影装置的照明光学系统。
背景技术：
图像投影装置具有照明光学系统并具有投影光学系统，所述照明光学系统将从光源发射的光引向诸如液晶面板的图像形成元件以用光照射图像形成元件，所述投影光学系统将被放大并且被图像形成元件添加了图像信息的光投影到诸如屏幕的投影表面上。许多这样的图像投影装置使用诸如高压水银灯或者金属卤化物灯的放电弧管作为光源。高电压被施加于其彼此分开并且彼此面对的成对放电电极之间的放电弧管在所述成对放电电极之间产生弧以从该弧发光。另一方面，为了用来自光源的光均匀照射图像形成元件，如日本专利公开N0.2003-186111所公开的那样，许多照明光学系统使用由二维排列的多个透镜单元构成的蝇眼透镜阵列。图16示出在日本专利公开N0.2003-186111中公开的包括这样的蝇眼透镜阵列(以下简称为“蝇眼透镜”)的照明光学系统。来自由放电弧管和反射器构成的光源21的光被第一蝇眼透镜22的多个透镜单元分割为多个光束，并且分割的光束被透镜单元会聚以在第二蝇眼透镜23附近形成作为光源图像的弧图像。在第二蝇眼透镜23紧后面布置偏振转换元件25。 偏振转换元件25通过以固定节距排列多个偏振分束器并且通过在偏振分束器的入射表面之中的每隔一个入射表面上布置半波板而制造，每个偏振分束器具有与构成第二蝇眼透镜23的透镜单元的排列节距的1/2对应的宽度(高度)。从光源21发射的为非偏振光的光通过偏振转换元件25的偏振转换作用被转换为具有在特定方向上的偏振方向的线性偏振光。然而，在从光源21发射的光中，只有通过偏振转换元件25的有效入射区域进入偏振转换元件25的部分光接受偏振转换作用。如作为示出从光源侧看到的偏振转换元件25的图17中的阴影区域所示，阻光部件24被布置在偏振转换元件25的非有效入射区域中。由于阻光部件24阻挡而没有通过偏振转换元件25的有效入射区域进入偏振转换元件25的光变为损失光。另一方面，形成弧图像Al的一部分并且没有进入与第一蝇眼透镜22的透镜单元以一对一的关系设置的第二蝇眼透镜23的透镜单元的光也变为损失光。S卩，在穿过第一蝇眼透镜22并且形成弧图像Al的光中，除了通过有效入射区域进入偏振转换元件25并且进一步进入第二蝇眼透镜23的透镜单元的光以外的光变为损失光，这劣化了来自光源的光的利用效率。在日本专利公开N0.2003-186111中公开的照明光学系统中，光源21由弧方向(布置放电电极的方向)被设置为与照明光学系统的光轴平行的放电弧管以及具有关于作为对称轴的光轴旋转对称的抛物面形状的反射器构成。在这样的配置中，弧图像Al如图17所示的那样关于光轴放射状地形成，并且具有相互不同的取向。在这种情况下，难以有效地使形成弧图像Al的所有光通过有效入射区域进入偏振转换元件25并且进一步进入第二蝇眼透镜23的透镜单元。此外，诸如高压水银灯的放电弧管具有以下特性，即，放电电极的顶端随着累积发光时间的增加而磨损，并且由此弧长也增加。弧长的增加增大弧图像的尺寸，这减少了通过有效入射区域进入偏振转换元件25并且进一步进入第二蝇眼透镜23的透镜单元的光。由此，来自光源的光的利用效率明显劣化。由此，使用放电弧管的常规照明光学系统对于弧长的增加是敏感的，并且其亮度可能降低。换言之，放电电极的磨损直接引起来自光源的光的利用效率的劣化。
发明内容
本发明提供一种照明光学系统，即使累积发光时间增加，其也能够维持来自光源的光的高利用效率，并且提供使用该照明光学系统的图像投影装置。作为本发明的一个方面，本发明提供一种照明光学系统，其包括作为光学元件的以下部件:聚光透镜系统，其被配置为会聚从光源发射的光；第一蝇眼透镜，其被配置为将来自聚光透镜系统的光分割为多个光束，并且使得光束形成二维排列的光源图像；以及第二蝇眼透镜，其被配置为将来自第一蝇眼透镜的光束向着要被照射的照明表面透射。光源产生在与照明光学系统的光轴方向正交的第一方向上具有有限纵向长度的发光体(lightemitter)。光源和所述光学元件被配置为形成比第二蝇眼透镜更接近照明表面的光源图像，并且满足以下条件:P2/P1 ≤ 2.0，其中，Pl代表第一方向上的光源图像的排列节距，P2代表与第一方向和光轴方向正交的第二方向上的光源图像的排列节距。作为本发明的另一方面，本发明提供一种图像投影装置，其包括:上述照明光学系统；布置在照明表面的位置处的图像形成元件；以及被配置为将来自图像形成元件的光投影到投影表面的投影光学系统。通过参考附图的示例性实施例的以下描述，本发明的进一步特征和方面将变得清晰。
图1A和IB分别是示出作为本发明的实施例1的照明光学系统的配置的y-ζ截面图和x-z截面图。图2A和2B分别示出实施例1的照明光学系统中的第二蝇眼透镜附近形成的弧图像和偏振转换元件后面形成的弧图像。图3示出在实施例1的照明光学系统中和在常规的照明光学系统中的弧长变化和売度变化的相互关系。图4A和4B分别是示出作为本发明的实施例2的照明光学系统的配置的y_z截面图和x-z截面图。 图5A和5B分别示出实施例2的照明光学系统中的第二蝇眼透镜附近形成的弧图像和偏振转换元件后面形成的弧图像。
图6A和6B分别是示出作为本发明的实施例3的照明光学系统的配置的y_z截面图和x-z截面图。图7A和7B分别示出实施例3的照明光学系统中的第二蝇眼透镜附近形成的弧图像和偏振转换元件后面形成的弧图像。图8A和SB分别是示出作为本发明的实施例4的照明光学系统的配置的y_z截面图和x-z截面图。图9A和9B分别示出实施例4的照明光学系统中的第二蝇眼透镜附近形成的弧图像和偏振转换元件后面形成的弧图像。图1OA和IOB分别是示出作为本发明的实施例5的照明光学系统的配置的y_z截面图和x-z截面图。图1lA和IlB分别示出实施例5的照明光学系统中的第二蝇眼透镜附近形成的弧图像和偏振转换元件后面形成的弧图像。图12A和12B分别是示出作为本发明的实施例6的照明光学系统的配置的y_z截面图和x-z截面图。图13示出实施例6的照明光学系统中的第二蝇眼透镜附近形成的弧图像。图14是示出作为本发明的实施例7的照明光学系统的配置的截面图。图15是示出作为本发明的实施例8的投影仪的配置的截面图。图16是示出常规照明光学系统的配置的截面图。
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图17示出常规照明光学系统中的第二蝇眼透镜附近形成的弧图像。
具体实施例方式下面将参考附图描述本发明的实施例。[实施例1]图1A和IB示出作为本发明的第一实施例(实施例1)的照明光学系统的光学配置。该实施例(以及后面描述的其他实施例)将来自光源的光在照明光学系统中行进的方向定义为与光轴方向对应的Z方向，并且将与Z方向正交并且彼此正交的方向定义为X方向和y方向。图1A是照明光学系统的y-z截面图，图1B是其χ-ζ截面图。附图标记I表示高压水银灯。高压水银灯I是放电弧管，其作为装入在玻璃管中的气体中被施加了高电压的成对放电电极之间的发光体产生弧并从该弧发光。在该实施例中，成对的放电电极被布置为彼此面对，在与y-z截面相交的作为第一方向的X方向上彼此隔开距离，并且，弧是沿X方向形成的。即，灯I产生在与照明光学系统的光轴方向正交的X方向上具有有限纵向长度的弧。以下将成对的放电电极沿其被布置为彼此面对的方向称为“弧方向”。在从灯I发射的光中，朝向照明光学系统(在+Z方向上)行进的光被构成照明光学系统的一部分的聚光透镜系统3会聚和准直,然后进入第一蚬眼透镜5。聚光透镜系统3相对于灯I的受光角Θ大于80度。另一方面，在从灯I发射的光中，在相反方向上行进到照明光学系统(即，到聚光透镜系统3)(在-Z方向上)的光被回射镜2反射，回射镜2被布置在隔着灯I与聚光透镜系统3相对的侧。回射镜2具有所谓的复曲面形状(toric shape)，该复曲面形状的x-z和y-z截面形状彼此不同，从而抵消了因灯I的玻璃管形状而产生的像差，该复曲面形状将来自灯I (即，来自弧)的光几乎没有像差地返回到弧的位置。如上所述，返回到弧的位置并且然后在+z方向上行进的光穿过聚光透镜系统3而进入第一蝇眼透镜5。灯I和回射镜2构成光源。抗反射膜可以被提供在灯I的玻璃管的至少回射镜侧部分上。在y-z截面中，从灯I在360度圆周方向上放射性地发射光,然而,在回射镜2和聚光透镜系统3之间形成间隙。因此，在本实施例中，灯I的取向被确定为使得灯I的触发线4位于如图1B中所示的间隙中。触发线4是施加使灯I产生弧(即，启动灯I)所需的电压的导线，并且不透射光，这导致光的损失。该实施例通过在回射镜2和聚光透镜系统3之间的边界处布置这样的触发线4来使光的损失最小。第一蝇眼透镜5由二维排列的并且分别具有与图像形成元件10的形状类似的矩形形状的多个透镜单元构成，所述图像形成元件10的图像形成表面被布置在要被照射的表面(以下称为“照明表面”)的位置处。进入第一蝇眼透镜5的光被透镜单元分割为多个光束，并且分割光束中的每一个被第一蝇眼透镜5的透镜单元中的每一个会聚。第一蝇眼透镜5的每个透镜单元被配置为使得其焦点位于第二蝇眼透镜6的对应透镜单元附近，并且比第二蝇眼透镜6更接近照明表面。由此，从第一蝇眼透镜5出射的分割光束在第二蝇眼透镜6附近并且比第二蝇眼透镜6更接近照明表面地形成弧图像(光源图像)，每个弧图像是发光体的图像。第二蝇眼透镜6由二维排列的并且以一对一的关系分别对应于第一蝇眼透镜5的每个透镜单元的多个透镜单元构成。第二蝇眼透镜6的每个透镜单元被配置为使得其物侧焦点位于第一蝇眼透镜5的对应透镜单元处。第二蝇眼透镜6的透镜单元和被布置为比第二蝇眼透镜6更接近照明表面的(以下称为“第二蝇眼透镜6后面的”)聚光透镜9构成级联系统。该级联系统以与第二蝇眼透镜6的每个透镜单元和聚光透镜9的焦距的比率对应的横向倍率形成第一蝇眼透镜5的透镜单 元的图像，使得透镜单元图像在布置在照明表面处的图像形成元件10上彼此叠加。由此，图像形成元件10的整个图像形成表面被均匀地照射。偏振转换元件7被布置在第二蝇眼透镜6紧后面。偏振转换元件7由多个偏振分束器构成，所述多个偏振分束器中的每一个在X方向上以对应于在第二蝇眼透镜6的透镜单元的I方向(第二方向)上的排列节距的一半的宽度(高度)延伸，并且其在I方向上排列。偏振转换7Π件7将作为非偏振光的来自光源的光转换为具有在一个特定方向上的偏振方向的线性偏振光。在偏振转换兀件7的光入射侧，宽度(高度)与每个偏振分束器的相同的阻光部件8被设置为阻挡光进入偏振分束器中的每隔一个的偏振分束器。每个偏振分束器具有光路分割功能，即，根据进入各偏振分束器的光的偏振方向，将进入各偏振分束器的光分割为透射光和反射光。透射和反射光之一的偏振方向被提供在偏振分束器后面的半波片(未示出)旋转。由此，进入偏振转换元件7的所有光的偏振方向被转换为所述一个特定方向。图2A示出第二蝇眼透镜6的透镜单元和偏振转换元件7的阻光部件8的布置关系，并且示出在第二蝇眼透镜6附近形成的并且从照明表面侧看到的弧图像Al。图2B示出从偏振转换元件7出射之后(即，在偏振转换元件7后面)形成的弧图像Al，y方向上的弧图像Al的数量通过偏振分束器的光路分割功能而增大。对于图2A和2B的这些描述也适用于在随后描述的其他实施例中使用的图5A和5B、图7A和7B、图9A和9B以及图1lA和11B。图像形成元件10具有4:3的宽高比，并且被布置为使得其长边在X方向上延伸。第一和第二蝇眼透镜5和6相对于彼此离心，并且第二蝇眼透镜6的透镜单元具有与第一蝇眼透镜5的透镜单元的形状相同的形状。第一蝇眼透镜5和第二蝇眼透镜6具有在X和y方向上的4:3的透镜单元排列节距之比。阻光部件8中的每一个具有与第二蝇眼透镜6的y方向上的透镜单元排列节距的一半对应的宽度(高度)，并且被布置为面对第二蝇眼透镜6的出射表面的在y方向上与彼此相邻的透镜单元的边界相交的区域。因此，只有穿过第二蝇眼透镜6的透镜单元中的不面对阻光部件8的区域，即，具有与y方向上的透镜单元排列节距的一半对应的宽度的区域的光进入偏振转换元件7。在偏振转换元件7的入射表面中，未被阻光部件8覆盖的区域，即，有效入射区域具有矩形形状，该矩形形状的X方向和y方向上的长度之比为4:1.5。如图2A和2B所示，在本实施例中形成的所有弧图像Al具有在x方向上的纵向(以下，该方向也称为“弧方向”)，这与常规的抛物面反射器被用于灯光源的情况明显不同。通过设置灯I使得其弧方向与光轴方向正交并且通过将光朝向第一蝇眼透镜5会聚(不是通过使用具有关于光轴的旋转对称形状的反射器，而是通过使用聚光透镜系统3)，提供本实施例的该不同。形成这样的弧图像Al的本实施例对有效入射区域提供其纵向方向(长边方向)为X方向的长矩形形状。如图17所示，在使用常规反射器的情况下，弧图像Al被形成为使得它们的纵向方向放射状延 伸。与这些情况相对照，在本实施例中，所有弧图像Al的弧方向(纵向方向)在X方向上延伸。由此，与使用常规反射器的情况相比，本实施例使得能够降低光的损耗。此外，将所有弧图像Al的弧方向设置为相对于在X方向上延伸的长有效入射区域的X方向，减少了对于弧长变化的敏感度。例如，当有效入射区域具有X方向上的长度4并且弧图像具有X方向上的长度2时，即使弧图像的长度增加大约两倍，光的损耗也不增加，因此，亮度不降低。即，即使随着累积发光时间的增加，弧长增大，也可维持高的光利用效率。图3示出相对于弧长变化(增加)的本实施例的照明光学系统的亮度的变化(由实线示出)和常规照明光学系统的亮度的变化(由虚线示出)。从图3可以理解，相对于常规照明光学系统的使亮度减半的弧长变化，本实施例的照明光学系统的亮度几乎不降低。在使用偏振转换元件7的本实施例的照明光学系统中，如图2B所示，对于通过从偏振转换元件7出射的光而最终形成在偏振转换元件7后面的弧图像Al定义X方向的排列节距Px和y方向的排列节距Py。为了提供上述效果，需要Py/Px (其为最终形成的弧图像Al的排列节距之比)，满足以下条件:Py/Px ^ 2.00比2更高的Py/Px的值增加照明光学系统中的光损失，这使得无法实现作为照明光学系统的目的的高亮度和长寿命。期望Py/Px满足以下条件:Py/Px 彡 1.6，
并且更期望Py/Px满足以下条件:Py/Px ^ 1.00由此，在本实施例中，光源和光学元件(聚光透镜系统3、第一蝇眼透镜5和第二蝇眼透镜6)被配置为使得在偏振转换元件7后面形成的弧图像的X方向和I方向上的排列节距Px和Py满足上述条件。虽然本实施例没有特别提供Py/Px的下限，但是期望该下限为0.05 (BP,0.05 ( Py/Px)，并且更期望下限为0.KBP,0.1 ( Py/Px)。比这样的下限更低的Py/Px的值增大对于在I方向上的弧图像的位移(以下称为“弧位移”)的敏感度，这可能因光源相对于照明光学系统的位移而增加亮度的变化。本实施例将Px设为与第二蝇眼透镜6的X方向上的透镜单元排列节距相等的4，并且将Py设为与第二蝇眼透镜6的y方向上的透镜单元排列节距的一半对应的1.5(Px:Pv=4:l.5)。因此，在本实施例中Py/Px为0.375，这满足上述条件。在与该实施例的配置类似的、其中图像形成元件10具有16:9的宽高比并且第二蝇眼透镜6的X方向和y方向上的透镜单元排列节距之比为16:9的配置中，Py/Px为0.281(Px:Py=16:4.5),这也满足上述条件。换言之，在本实施例(并且在下面描述的实施例4)中，当第二蝇眼透镜6的第一方向上的透镜单元排列节距由Fl (=Fx)表示并且第二方向上的透镜单元排列节距由F2(=Fy)表示时，以下关系成立:F1>F2。此外，在使 用包括在第二方向上以F2/2的排列节距一维布置的偏振分束器的偏振转换元件7并且在第一方向上以排列节距Pl并且在第二方向上以排列节距P2在偏振转换元件7后面形成弧图像的该实施例中，以下关系成立:Pl=Fl (即，Px=Fx)P2=F2/2 (BP, Py=Fy/2),并且满足以下条件:P2/P1 ^ 2.00在本实施例中，期望满足以下条件:1.3 彡 P2/P1 彡 1.7。[实施例2]图4A和4B示出作为本发明的第二实施例(实施例2)的照明光学系统的光学配置。图4A是照明光学系统的y-z截面图，图4B是其χ-z截面图。本实施例的基本配置与实施例I的相同，但是与实施例1的不同在于偏振转换元件7中的偏振分束器和阻光部件8在X方向上被布置。因此，偏振转换元件7和弧图像Al的有效入射区域具有图5A和5B中所示的关系。在本实施例中，对于弧方向上(X方向上)的弧长变化的容许度小于实施例1中的该容许度，但是对于在与弧方向正交的y方向上的弧长变化的容许度大于实施例1中的该容许度，因此，对于I方向上的弧位移的敏感度降低，这可抑制亮度随弧位移的变化。在本实施例中，当第二蝇眼透镜6的X方向和Y方向上的透镜单元排列节距之比为4:3时，Py/Px为1.5，这满足实施例1中描述的条件。当第二蝇眼透镜6的x方向和y方向上的透镜单元排列节距之比为16:9时，Py/Px为1.125，这也满足实施例1中描述的条件。换言之，在本实施例(以及随后描述的实施例5)中，当第二蝇眼透镜6的第一方向上的透镜单元排列节距由Fl (=Fx)表示并且其第二方向上的透镜单元排列节距由F2(=Fy)表示时，以下关系成立:F1>F2。此外，在包括使用以F1/2的排列节距在第一方向上一维排列的偏振分束器的偏振转换元件7并且在第一方向上以排列节距Pl和在第二方向上以排列节距P2在偏振转换元件7后面形成弧图像的该实施例中，以下关系成立:Pl=Fl/2 (SP，Px=Fx/2)P2=F2 (BP, Py=Fy),并且满足以下条件:P2/P1 ^ 2.00此外，在本实施例中，期望满足以下条件:1.3 彡 P2/P1 彡 1.7。[实施例3]图6A和6B示出作为本发明的第三实施例(实施例3)的照明光学系统的光学配置。图6A是照明光学系统的y-z截面图，图6B是其χ-z截面图。本实施例的基本配置与实施例2的相同，但是与实施例2的不同在`于灯I的取向。本实施例中的灯I被布置为使得其弧方向为y方向，因此，弧沿X方向被形成。即，灯I在作为第一方向的y方向上具有无限纵向长度，并且形成在I方向上延伸的弧。I方向对应于图像形成元件10的短边以及第一蝇眼透镜5和第二蝇眼透镜6的透镜单元的短边延伸的方向。本实施例中的偏振转换元件7的有效入射区域和弧图像Al具有图7A和7B所示的关系。在本实施例中，对于弧方向(y方向)上的弧长变化的容许度小于实施例1中的该容许度，但是大于实施例2中的该容许度。另一方面，对于与弧方向正交的X方向上的弧长变化的容许度小于实施例2中的该容许度，但是大于实施例1中的该容许度。由此，本实施例使得能够提供对于弧长变化和弧位移变化两者的均衡的容许度，这能够抑制亮度变化并实现长寿命。在本实施例中，当第二蝇眼透镜6的X方向和y方向上的透镜单元排列节距之比为4:3时，Py/Px为0.67，这满足实施例1中描述的条件。当第二蝇眼透镜6的x方向和y方向上的透镜单元排列节距之比为16:9时，Py/Px为0.89，这也满足实施例1中描述的条件。换言之，在本实施例中，当第二蝇眼透镜6的第一方向上的透镜单元排列节距由Fl (=Fy)表示并且其第二方向上的透镜单元排列节距由F2 (=Fx)表示时，以下关系成立:F1〈F2。此外，在使用包括以F2/2的排列节距在第二方向上一维排列的偏振分束器的偏振转换元件7并且在第一方向上以排列节距Pl和在第二方向上以排列节距P2在偏振转换元件7后面形成弧图像的本实施例中，以下关系成立:Pl=Fl (BP, Py=Fy)P2=F2/2 (SP，Px=Fx/2)，
并且满足以下条件:P2/P1 ^ 2.00此外，在本实施例中，期望满足以下条件:1.3 彡 P2/P1 彡 1.7。[实施例4]图8A和SB示出作为本发明的第四实施例(实施例4)的照明光学系统的光学配置。图8A是照明光学系统的y-z截面图，图8B是其χ-z截面图。本实施例的基本配置与实施例I的相同，但是与实施例1的不同在于第一蝇眼透镜5和第二蝇眼透镜6相对于彼此离心以执行光束压缩。即，第一蝇眼透镜5和第二蝇眼透镜6也用作光束压缩光学系统。光束压缩可减少照明光学系统的压缩截面中的照明光学系统的F数，这使得能够减少颜色不均匀并且使第二蝇眼透镜6和偏振转换元件7微型化。在本实施例中，在y-z截面中执行光束压缩，并且压缩比为0.7。本实施例中的偏振转换兀件7的有效入射区域和弧图像Al具有图9A和9B中所不的关系。在本实施例中，当图像形成元件10具有4:3的宽高比时，由于在y方向上以0.7的压缩比执行光束压缩，因此在第二蝇眼透镜6的X方向和y方向上的透镜单元排列节距之比为4:2.13。在本实施例中，由于偏振转换兀件7的偏振分束器在y方向上排列,所以有效入射区域具有在X方向和y方向上的长度之比为4:1.05的矩形形状。在本实施例中，由于所有弧图像具有相同的弧方向，所以在与弧方向正交的方向上的光束压缩不引起光损失。因此，可以在不降低亮度的情况下使照明光学系统微型化，这不同于常规照明光学系统并且这使得能够实现充足的亮度和微型化。在本实施例中，当第二蝇眼透镜6的X方向和y方向上的透镜单元排列节距之比为4:3时，Py/Px为0.263，这满足实施例1中描述的条件。当第二蝇眼透镜6的x方向和y方向上的透镜单元排列节距之比为16:9时，Py/Px为0.197，这也满足实施例1中描述的条件。[实施例5]图1OA和IOB示出作为本发明的第五实施例(实施例5)的照明光学系统的光学配置。图1OA是照明光学系统的y-z截面图，图1OB是其x-z截面图。本实施例的基本配置与实施例4的相同，但是与实施例4的不同在于偏振转换元件7中的偏振分束器和阻光部件8被布置在X方向上。在本实施例中，由于对于与弧方向正交的方向(y方向)上的弧图像之间的距离的容许度大于实施例4中的该容许度，因此，第一蝇眼透镜5和第二蝇眼透镜6相对于彼此比实施例4中更大地离心，由此提供0.6的光束压缩比。本实施例中的偏振转换兀件7的有效入射区域和弧图像Al具有图1lA和IlB中所不的关系。当图像形成元件10具有4:3的宽高比时，由于在y方向上以0.6的压缩比执行光束压缩，因此，第二蝇眼透镜6的X方向和y方向上的透镜单元排列节距之比为4:1.8。在本实施例中，由于偏振转换元件7的偏振分束器在X方向上排列，因此有效入射区域具有其在X方向和y方向上的长度之比为2:1.8的矩形形状。在本实施例中，当在第二蝇眼透镜6的X方向和Y方向上的透镜单元排列节距之比为4:3时，Py/Px为0.9，这满足实施例1中描述的条 件。当第二蝇眼透镜6的x方向和y方向上的透镜单元排列节距之比为16:9时，Py/Px为0.675，这也满足实施例1中描述的条件。[实施例6]图12A和12B示出作为本发明的第六实施例(实施例6)的照明光学系统的光学配置。图12A是照明光学系统的y-z截面图，图12B是其x-z截面图。本实施例的基本配置与实施例4的相同，但是与实施例4的不同在于使用诸如DMD (数字微镜器件)的没有利用偏振光的元件作为图像形成元件10。即，本实施例没有使用偏振转换元件。该配置具有对于在与弧方向正交的方向上的弧图像之间的距离的大容许度，从而与实施例4中相比，第一蝇眼透镜5和第二蝇眼透镜6相对于彼此更大程度地离心，由此提供0.6的光束压缩比。本实施例中的第二蝇眼透镜6的有效入射区域和弧图像Al具有图13所示的关系。当图像形成元件10具有4:3的宽高比时，由于在y方向上以0.6的压缩比执行光束压缩，因此第二蝇眼透镜6的X方向和y方向上的透镜单元排列节距之比为4:1.8。由于本实施例没有使用偏振转换元件，所以弧图像的数量没有因其光路分割功能而增多。由此，本实施例将在第二蝇眼透镜6附近和后面形成的弧图像的X方向和y方向上的排列节距分别定义为Px和Py，如图13所示的那样。在本实施例中，当第二蝇眼透镜6的X方向和y方向上的透镜单元排列节距之比为4:3时，Py/Px为0.45，这满足实施例1中描述的条件。当第二蝇眼透镜6的x方向和y方向上的透镜单元排列节距之比为16:9时，Py/Px为0.338，这也满足实施例1中描述的条件。换言之，在本实施例中，当第二蝇眼透镜6的第一方向上的透镜单元排列节距由Fl表示并且其第二方向上的透镜单元排列节距由F2表示时，弧图像的第一方向上的排列节距Pl和其第二方向上的排列节距P2具有以下关系:Pl=Fl P2=F2,并且满足以下条件:P2/P1 ^ 2.00此外，在本实施例中，期望满足以下条件:1.3 彡 P2/P1 彡 1.7。[实施例7]图14示出作为本发明的第七实施例(实施例7)的照明光学系统的光学配置的x-z截面。该实施例使用两个光源11和13，每个光源由灯I和回射镜2构成。在各灯I中，弧方向为y方向。此外，对于第二光源11和13中的每一个提供聚光透镜系统3。除了比偏振转换元件7更远的照明表面侧上的配置与实施例1到5的每一个中的配置相同，因此在图14中省略。在本实施例中，光压缩光学系统12和14分别布置在对于光源11和13提供的聚光透镜系统3后面。光压缩光学系统12和14中的每一个是由凸柱面透镜和凹柱面透镜构成的无焦光学系统，所述凸柱面透镜和凹柱面透镜具有在x-z截面上的曲率。光压缩光学系统12和14执行x-z截面(即，第二方向)上的光束压缩。从光源13发射的光在与从光源11发射的光行进的方向相同的方向上被平面反射镜15反射。结果，来自光源11的光和来自光源13的光在x-z截面中彼此平行地进入第一蝇眼透镜5。由于常规光束压缩增加第二蝇眼透镜6附近的光损耗，因此，即使使用第二光源，亮度也仅增加到使用一个光源的情况的亮度的约1.2到1.3倍。然而，本实施例的配置在与弧方向正交的X方向上执行光束压缩，因此，几乎不引起光损失。由此，使用两个光源11和13使得能够提供为使用一个光源的情况的大约两倍的亮度。[实施例8]图15示出作为本发明的第八实施例(实施例8)的反射液晶投影仪(图像投影装置)的光学配置，该反射液晶投影仪使用实施例1到5中的任一个的照明光学系统。虽然这里将描述反射液晶投影仪，但是可以配置使用实施例1到5中的任一个的照明光学系统的透射液晶投影仪，并且可以配置使用实施例6和7中的任一个的照明光学系统的投影仪。虽然图15中未示出，但是在实际投影仪中使用图15中所示的光学元件之外的诸如偏振板和波板之类的各种光学元件。在图15中，由灯I和回射镜2构成的光源的弧方向为平行于图15的纸面的方向。从光源发射的光穿过聚光透镜系统3以及第一蝇眼透镜5和第二蝇眼透镜6，被镜29反射，然后进入聚光透镜9。穿过聚光透镜9的光被颜色分离和组合光学系统30分离为三原色(RGB)光。RGB光分别进入作为图像形成元件10的三个反射液晶面板，由此被其反射和图像调制。然后，RGB光通过颜色分离和组 合光学系统30而彼此组合，并且被投影透镜(投影光学系统)31投影到诸如屏幕的投影表面(未示出)上。投影透镜31的光轴方向平行于图15的表面地延伸，并且与光源(灯I)的弧方向正交。上述配置使得照明光学系统微型化。此外，需要尽可能水平地布置灯I以不产生灯I的两个放电电极之间的温度差，因为温度差降低灯I的发光效率并且缩短其寿命。考虑到此，即使当投影仪被相对于水平位置倾斜地使用时，本实施例也可以将灯I水平地布置。因此，本实施例可以延长灯I的寿命。虽然实施例1到8使用放电弧管(灯)作为光源，但是可以使用由在第一方向上排成行的LED构成的光源或者通过用激光激发被布置为在第一方向上延伸的发光物质而发光的光源。虽然参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下权利要求的范围被赋予最广的解释以包含所有修改、等同的结构和功能。
权利要求
1.一种照明光学系统，包括以下部件作为光学元件: 聚光透镜系统(3),被配置为会聚从光源(I)发射的光； 第一蝇眼透镜(5)，被配置为将来自所述聚光透镜系统的光分割为多个光束，并且使得光束形成二维排列的光源图像(Al);以及 第二蝇眼透镜(6)，被配置为将来自第一蝇眼透镜的光束朝向要被照射的照明表面透射， 其中，光源产生在与照明光学系统的光轴方向正交的第一方向上具有有限纵向长度的发光体，并且 其特征在于，光源和所述光学元件被配置为形成比第二蝇眼透镜更接近照明表面的光源图像，并且被配置为满足以下条件:P2/P1 ( 2.0, 其中，Pl代表第一方向上的光源图像的排列节距，P2代表与第一方向和光轴方向正交的第二方向上的光源图像的排列节距。
2.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，在放电弧管中产生发光体，所述放电弧管的成对的放电电极在第一方向上彼此面对，并且 其中，光源图像是通过所述放电电极之间的放电产生的发光体的图像。
3.根据权利要求2所述的照明光学系统，还包括回射镜(2)，所述回射镜(2)具有复曲面形状并且被配置为将来自 放电弧管的光朝向所述发光体反射和返回。
4.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，第二蝇眼透镜包括在第一方向和第二方向上排列的透镜单元，并且以下关系成立:Pl=FlP2=F2, 其中，Fl代表第一方向上的透镜单元的排列节距，F2代表第二方向上的透镜单元的排列节距。
5.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，第二蝇眼透镜包括在第一方向和第二方向上排列的透镜单元，并且以下关系成立:F1>F2, 其中Fl代表第一方向上的透镜单元的排列节距，F2代表第二方向上的透镜单元的排列节距， 其中偏振转换元件被布置为比第二蝇眼透镜更接近照明表面，并且偏振转换元件包括在第二方向上以F2/2的排列节距一维地排列的偏振分束器，以及 其中，光源、所述光学元件和偏振转换元件被配置为形成比偏振转换元件更接近照明表面的光源图像，并且被配置为满足以下条件:P2/P1 ( 2.0, 其中，Pl=Fl 并且 P2=F2/2。
6.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，第二蝇眼透镜包括在第一方向和第二方向上排列的透镜单元，并且以下关系成立:F1>F2, 其中，Fl代表第一方向上的透镜单元的排列节距，F2代表第二方向上的透镜单元的排列节距， 其中，偏振转换元件被布置为比第二蝇眼透镜更接近照明表面，偏振转换元件包括在第一方向上以F1/2的排列节距一维地排列的偏振分束器，以及 其中，光源、光学元件和偏振转换元件被配置为形成比偏振转换元件更接近照明表面的光源图像，并且被配置为满足以下条件:P2/P1 ( 2.0, 其中 Pl=Fl/2 并且 P2=F2。
7.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，第二蝇眼透镜包括在第一方向和第二方向上排列的透镜单元，并且以下关系成立: FKF2, 其中，Fl代表第一方向上的透 镜单元的排列节距，F2代表第二方向上的透镜单元的排列节距， 其中，偏振转换元件被布置为比第二蝇眼透镜更接近照明表面，偏振转换元件包括在第二方向上以F2/2的排列节距一维地排列的偏振分束器，以及 其中，光源、所述光学元件和偏振转换元件被配置为形成比偏振转换元件更接近照明表面的光源图像，并且被配置为满足以下条件:P2/P1 ≤ 2.0, 其中 Pl=Fl 并且 P2=F2/2。
8.根据权利要求1所述的照明光学系统，还包括被配置为在第二方向上压缩光束的光束压缩光学系统(12，14)。
9.一种图像投影装置，其特征在于包括: 根据权利要求1到8中的任一项的照明光学系统； 布置在照明表面的位置处的图像形成元件(10);以及 被配置为将来自图像形成元件的光投影到投影表面的投影光学系统(31)。
全文摘要
本发明提供一种照明光学系统和图像投影装置。该照明光学系统包括以下部件作为光学元件聚光透镜系统(3)，其会聚来自光源(1)的光；第一蝇眼透镜(5)和第二蝇眼透镜(6)。光源产生在与照明光学系统的光轴方向正交的第一方向上具有有限纵向长度的发光体。光源和所述光学元件被配置为形成比第二蝇眼透镜更接近照明表面的光源图像。光源和所述光学元件被配置为满足条件P2/P1≤2.0。在该条件中，P1代表第一方向上的光源图像的排列节距，P2代表与第一方向和光轴方向正交的第二方向上的光源图像的排列节距。
文档编号G02B27/28GK103246147SQ201310048969
公开日2013年8月14日 申请日期2013年2月7日 优先权日2012年2月13日
发明者猪子和宏 申请人:佳能株式会社