專利名稱：照明光學系統、照明單元和圖像投影設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種照明光學系統以及采用該照明光學系統的照明單元和圖像投影設備。更具體地講，本發明涉及一種具有改進的結構的照明光學系統以及采用該照明光學系統的照明單元和圖像投影設備，在所述照明光學系統中，即使在光源不能被認為是點光源時，光也可被有效地會聚。
背景技術：
傳統上，已提出各種會聚從光源發射出的光并以期望的光分布照射適當區域的照明光學系統。近來，固體發光裝置，例如發光二極管(LED)已被廣泛用作光源。此外，這樣的照明光學系統已被用作圖像投影設備，例如投影儀、背投電視和光傳輸設備的一部分。
例如，在平10-311944號日本專利公開公布(以下，稱為專利文獻1)中公開了一種發光設備。在圖1、圖5或圖9中，所述發光設備包括反射器，其截面為橢圓形；部分圓弧形反射面；燈，將光發射到反射面的焦點上；和凹透鏡，布置在反射器的兩個焦點之間。
此外，第2003-35883號日本專利公開公布(以下，稱為專利文獻2)公開了一種光學輸出裝置。在圖5和圖7中，該光學輸出裝置包括點光源；反射器，在其后表面上形成角狀反射面；第一透鏡組，具有正的折光力(refractive power)，分別布置在點光源和反射器的前表面上；第二透鏡組，布置在第一透鏡組的光軸附近，其中，第二透鏡組在光軸附近具有小于等于0的折光力，其周邊折光力為正。
此外，第2005-208571號日本專利公開公布(以下，稱為專利文獻3)公開了一種照明設備和投影儀。在圖1、圖8或圖10中，該照明設備包括發光二極管(LED)元件和準直儀光學系統，其中，從LED元件起，所述準直儀光學系統順次包括光源面為凹面的彎月透鏡和具有非球面的非球面透鏡。在該光學系統的后端布置有聚光器光學系統，該聚光器光學系統的折光力隨著遠離光軸而減小。從光源的周邊發射出的光可被近似會聚在從光源的中心部分發射出的會聚光的范圍內。
使用固體發光元件，例如LED的照明光學系統以及使用該照明光學系統的照明單元和圖像投影設備需要尺寸小并具有高亮度。為了實現高亮度，光源，例如LED的發光面積被增大或者布置多個光源，使得光源的光學輸出可增加。在該照明光學系統中，最好沿向著預定角度的方向高效地引導從光源發射出的光。
然而，上述照明光學系統以及使用該照明光學系統的照明單元和圖像投影設備具有下面的問題。
在專利文獻1中所公開的技術中，光源被布置在橢圓形反射器的焦點位置，使得其位置可被調整。因此，當燈是點光源時可以獲得期望的光分布，但是如果與透鏡或反射器相比，燈的尺寸相對增加，則從所謂面光源的所有發光面發射出的全部光不能被引導到向著預定角度的方向，因此不能獲得良好的光分布，光學效率惡化。
專利文獻2中所公開的技術具有與專利文獻1中的結構不同的結構，但是有一個共同點基于點光源來調整光分布。因此，當光源的尺寸相對大時，不能獲得良好的光分布，光學效率惡化。
由于專利文獻3中所公開的發明使用透鏡光學系統作為準直儀光學系統，所以即使從光源的周邊發射出的光也可被會聚，通過透鏡光學系統的數值孔徑(NA)的范圍限定所述光。因此，為了改善光學效率，需要構造具有大NA的準直儀光學系統。然而，由于透鏡的結構復雜或者有效透鏡的直徑增加，所以不能實現具有小尺寸和良好光學效率的照明光學系統以及使用該照明光學系統的照明單元和圖像投影設備。
因此，需要一種無論光源如何都可有效地會聚光的照明光學系統。
發明內容
本發明提供一種小的照明光學系統以及采用該照明光學系統的照明單元和圖像投影設備，在所述照明光學系統中，即使在光源的發光面相對大并且光源不能被認為是點光源時，也可提高光學效率。
根據本發明示例性實施例的一方面，提供一種照明光學系統，包括光源，用于照射發散光；反射光學系統，用于會聚來自光源的發散光；和透鏡光學系統，用于對由反射光學系統會聚的光進行投影。所述反射光學系統包括非球面凹鏡。所述透鏡光學系統包括在中心部分具有正的折光力(refractivepower)的會聚透鏡，向著周邊部分，所述會聚透鏡的折光力減小。
根據本發明示例性實施例的一方面，來自光源的發散光通過由非球面凹鏡形成的反射光學系統被會聚，又通過透鏡光學系統被會聚，從而可被會聚在預定的投影角范圍內。
用于會聚來自光源的發散光的凹鏡可以反射所有方向的所有發散光，而不像準直儀光學系統中一樣，受到數值孔徑(NA)的限制。
此外，凹鏡由非球面形成，從而所述凹鏡用作透鏡光學系統的非球面，同時，所有軸上光和軸外光的發射角可被有效地抑制在預定范圍內。當來自光源的周邊的發散光(以下，稱為“軸外光”)從接近于整個光束的凹鏡的光軸的中心部分的反射面反射時，軸外光極大地偏離于來自光源的中心的發散光(以下，稱為“軸上光”)的反射方向。然而，由于透鏡光學系統在中心部分具有比周邊部分更大的折光力，因此大的折射作用于通過透鏡光學系統的中心部分的軸外光上。因此，偏離于通過反射光學系統反射的軸上光的反射方向的軸外光被折射，從而軸外光和軸上光的反射方向之間的差別可減小。因此，軸外光從透鏡光學系統發射的發射角可被抑制在預定范圍內。
此外，本發明的示例性實施例的照明單元可包括多個本發明示例性實施例的照明光學系統。
此外，由于本發明示例性實施例的照明單元采用本發明示例性實施例的照明光學系統，因此獲得與本發明示例性實施例的照明光學系統的效果相同的效果。
此外，本發明示例性實施例的圖像投影設備采用本發明示例性實施例的照明光學系統或照明單元作為投影光源。
此外，本發明示例性實施例的圖像投影設備采用本發明示例性實施例的照明光學系統或照明單元，獲得與本發明示例性實施例的照明光學系統或照明單元的效果相同的效果。
從下面結合附圖公開了本發明示例性實施例的詳細描述中，本發明的其它目的、優點和顯著特點將變得明顯。
通過參照附圖對本發明示例性實施例進行詳細描述，本發明的上述和其它特點和優點將變得更明顯，其中圖1是使用根據本發明示例性實施例的照明光學系統的圖像投影設備的示意圖；圖2A和圖2B分別示出顯示圖1所示的照明光學系統的示意性結構的光束；圖3是示出圖1中所示的照明光學系統中所使用的光源的示例的平面圖；圖4是示出在圖1中所示的照明光學系統中包括軸上光和軸外光的來自照明光學系統的光束發射角分布的示例的曲線圖；圖5A和圖5B分別示出顯示圖1中所示的照明光學系統的示意性結構的光束；圖6是示出圖5中所示的照明光學系統中的包括軸上光和軸外光的來自照明光學系統的光束發射角分布的示例的曲線圖；圖7示出使用根據本發明另一示例性實施例的照明光學系統的圖像投影設備的示意性結構；圖8示出使用根據本發明另一示例性實施例的照明光學系統的圖像投影設備的示意性結構。
在整個附圖中，相同的標號將被理解為表示相同的部件、組件和結構。
具體實施例方式
以下，參照附圖詳細描述本發明的示例性實施例。省略相應部件的公知描述。
第一示例性實施例描述根據本發明示例性實施例的照明光學系統以及采用該照明光學系統的照明單元和圖像投影設備。
圖1是使用根據本發明示例性實施例的照明光學系統的圖像投影設備的示意圖。
圖2A從包括表示軸上光(on-axis light)的光路的光軸的截面示出光束，顯示了圖1所示的照明光學系統的示意性結構。圖2B從包括表示圖1中所示的照明光學系統的軸外光(off-axis light)的光路的光軸的截面示出光束。圖3是示出圖1中所示的照明光學系統中所使用的光源的示例的平面圖。
投影儀1是包括具有圖2中所示的照明光學系統的照明單元2的圖像投影設備，其響應于外部信號將彩色圖像投影到例如反射型屏幕6上。
投影儀1的示意性結構包括照明單元2、會聚透鏡3、空間調制元件4和投影透鏡5。
照明單元2以時分時序(time-divided timing)來順次產生波長至少與光的三原色，即紅、綠和藍光相對應的基本平行光，以便顯示全彩色圖像。
會聚透鏡3是將由照明單元2產生的基本平行的光會聚到空間調制元件4上的調制區域上的光學元件。
空間調制元件4響應于與照射時序相對應的波長光的圖像信號來對由會聚透鏡3會聚的光進行空間調制并且顯示顏色分解的圖像。可將作為透射型裝置的液晶顯示器(LCD)、作為微鏡陣列的數字微鏡裝置(DMD)或作為反射型裝置的硅基液晶(LCOS)可用作空間調制元件4。
投影透鏡5是將空間調制元件4上顯示的圖像放大并投影到反射型屏幕6上的光學元件。
現在，將描述照明單元2的詳細結構。
如圖2A中所示，照明單元2包括組成圖1中所示的照明光學系統的發光二極管(LED)10、凹鏡11以及會聚透鏡12，這些元件布置在一個外殼(未示出)中，以形成照明單元2。
LED 10是光源，其獨立地驅動單色LED芯片R、G和B并形成白色照明光。
在示例性實施例中，如圖3中所示，與紅、綠和藍色分別對應的單色LED芯片R、G和B排列為3×3正方形矩陣形狀。盡管圖中未示出，但是用于光發射的電壓施加單元被設置在單色LED芯片R、G和B上，并且可通過合適的發光控制單元被點亮和控制。
對于各個單色LED芯片R、G和B的排列位置，當LED 10的發光面的橫向表示為下標i，其縱向表示為下標j，并且各個單色LED芯片R、G和B的排列位置表示為Eij(其中，i和j是整數1、2和3之一)時，紅色LED芯片R布置在位置E11和E33，藍色LED芯片B布置在位置E13和E31，綠色LED芯片G布置在除了E11、E33、E13和E31之外的位置上。在排列位置中，各個單色LED芯片R、G、B、G、R、G、B和G布置在組成LED10的外周邊的位置E11、E12、E13和E23、E33、E32、E31和E21處，使得各個顏色被循環，并且相鄰單色LED芯片之間的平衡改善。此外，由于各個顏色的排列相對于中心位置E22左右對稱或旋轉對稱，因此還使得二維平衡。因此，各個單色LED芯片R、G和B的排列位置的布置使得即使在照射到LED10的中心以及周邊的光的光路中出現變化時，受照面上R、G和B的平衡也不容易被打破。
凹鏡11是會聚從LED 10發出的光的反射光學元件，其包括凹反射面，該凹反射面由接近于旋轉拋物面的旋轉對稱非球面形成。在示例性實施例中，所述凹反射面具有隨著沿直徑方向從中間部分接近于周邊而增加的折光力(refractive power)。
凹鏡11被布置為離LED 10一定距離，以使得穿過LED 10的發光面的中心的法線與凹鏡11的光軸相一致。
例如，如示例性實施例中所述，為了從照明單元2中發射基本平行光，凹鏡11被布置在一定距離處，以使得沿凹鏡11的直徑方向的周邊反射的軸上光為基本平行光。
會聚透鏡12是旋轉對稱的非球面透鏡，其在直徑方向的中心處具有正的折光力，而向著直徑方向的周邊，折光力減小。假設物方(凹鏡11一側)表面是第一表面12a，像方表面是第二表面12b。在示例性實施例中，如圖2A中所示，第一表面12a在中心部分12A處形成為凹面，而在周邊部分12B處形成為凸面；第二表面12b在中心部分12A處形成為曲率整體小于第一表面12a的曲率的凸面，而在周邊部分12B處形成為近似具有第一表面12a的形狀的凹面，從而在會聚透鏡12上獲得上述折光力分布。即，會聚透鏡12的折光力沿著直徑方向減小，在中心部分12A內具有正值，在周邊部分12B處約為0。中心部分12A和周邊部分12B是為了解釋方便的相對分類，并且中心部分12A和周邊部分12B在第一表面12a和第二表面12b中分別具有不同的范圍。
現在，將基于圖1中所示的照明光學系統的作用來描述投影儀1的操作。圖4是示出在圖1中所示的照明光學系統中的包括軸上光和軸外光的來自照明光學系統的光束發射角分布的示例的曲線圖。橫軸表示來自LED的發射光束分布角，縱軸表示來自照明光學系統的光束發射角，每一個的單位都為度(°)。基于平行于光學系統的光軸的光束的角度為0，每個角度表示光束的角度。
當被顏色分解為R、G和B的圖像信號從外部施加到投影儀1時，投影儀1按照例如R、G和B的順序轉換并點亮照明單元2，并響應于根據各個顏色的圖像信號對空間調制元件4進行時分(time-dividing)驅動。從照明單元2發射出的R、G和B光被會聚透鏡3會聚，被空間調制元件4空間調制，并被顯示為與各個顏色相對應的顏色分解圖像。顯示在空間調制元件4上的圖像被投影透鏡5放大，并被投影到反射型屏幕6上。結果，在反射型屏幕6上可觀察到全彩色圖像。
當發光控制信號被發送到照明單元2上，與LED 10的預定顏色相對應的單色LED芯片R、G和B被點亮。
通常，LED 10近似滿足Lambert定律，因此LED 10具有與光分布角的余弦近似成比例的光分布。即，從LED 10發射出的光變為具有這樣的光分布的發散光當在光軸上測量的光分布角θ從0°變為90°時，其光學輸出減小。
例如，在示例性實施例中，LED 10的發光面積為0.5mm2。因此，LED 10不能被認為是點光源，并且不能忽略的是來自周邊的光被會聚為軸外光，并且形成與軸上光不同的光分布。
如圖2A所示，由于從中心到周邊，凹鏡11的折光力增加，并且在周邊，軸上光變為基本平行光，因此從LED 10發射出的LED 10的軸上光在中心11A處被會聚為略微發散的光，而在周邊11B中被會聚為基本平行光。
如圖2B所示，由于當來自LED 10的光束的發射角變小時，軸外光和軸上光之間的差別增大，因此從凹鏡11反射的光的光束反射角增大。因此，照射到中心11A上的相對高輸出的光被沿著傾斜于光軸的方向反射。
由于光在中心11A上的折光力小于在拋物反射面上的折光力，因此光在中心11A處被會聚為相對于光軸成一定角度的略微發散的光。
光在周邊11B處被會聚為與軸上光相似的基本平行光。
利用非球面凹鏡會聚的軸上光和軸外光的光束適合于與將在隨后描述的會聚透鏡12的非球面作用一起控制發射光束角。
從凹鏡11反射的光被會聚透鏡12會聚。
通過凹鏡11的反射而變為略微發散的光并入射到中心部分12A上的軸上光由于中心部分12A的正的折光力而被會聚，并變為基本平行光。相似的，變為基本平行光并入射到周邊部分12B上的軸上光透射通過具有約為0的折光力的周邊部分12B并作為基本平行光被發射。
如圖2B所示，通過凹鏡11的反射而以相對于光軸的預定角度略微發散并入射到中心部分12A上的軸外光利用中心部分12A的正的折光力通過折射作用而被會聚，并變為具有相對于光軸限定的光束發射角分布的基本平行光。此外，相似地，變為基本平行光并入射到周邊部分12B上的軸外光透射通過具有約為0的折光力的周邊部分12B并作為基本平行光被發射。
因此，從會聚透鏡12發射出的光可被照射在根據相對于光軸的發射角以及到照明位置的距離而確定的范圍內。
根據本發明示例性實施例的照明光學系統可具有約0.5mm2的LED 10的發光面積，并且凹鏡11的有效直徑約為9.5mm，會聚透鏡12的有效直徑可以約為9.8mm。例如，用于組成所述照明光學系統的參數可以與下面的表1和表2相似。圖2A中所示的參數ri、di和ni(其中，i是整數)對應于下面的表1和表2中所示的用于組成光學系統的參數ri、di和ni。長度的單位為mm。此外，折射率是基于線d的值(波長587.56nm)。
當表面的頂點是原點并且h是距離光軸的高度時，利用等式1獲得非球面形，作為沿光軸方向的位移量Z(h)。
Z(h)=h2/r1+1-(1+k)(h/r)2+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10....(1)]]>其中，r是曲率半徑，k是二次曲線系數，A、B、C和D是非球面系數。
表1
表2
圖4是示出在圖1中所示的照明光學系統的上述條件下的光束發射角分布的曲線圖。
圖4中所示的曲線100表示圖1中所示的照明光學系統的軸上光的光束發射角分布，圖4中所示的曲線101表示軸外光的光束發射角分布(相高(phaseheight)0.35mm)。曲線200和曲線201是在設置拋物反射面而非圖1中所示的照明光學系統的情況下的對比示例。
對于拋物反射面，當光源布置在拋物反射面的焦點位置時，軸上光變為基本平行光。因此，如曲線200所示，無論來自LED 10的發射光束分布角(以下，稱為光分布角)如何，光束發射角(以下，稱為發射角)都變為0°。此外，根據光分布角，軸外光分布在約8°的范圍內。由于當光分布角接近于90°時，從拋物反射面的周邊部分反射的軸外光與軸上光之間的差別較小，因此發射角近似為0°。
同時，在圖1所示的照明光學系統中，如曲線100所示，當光分布角在±30°范圍內時，軸上光變為基本平行光，當光分布角的絕對值等于或大于30°時，軸上光變為略微偏離于平行光的基本平行光。
此外，如曲線101所示，當光分布角在約-41°和約+53°之間時，與拋物反射面相比，軸上光的發射角減小，并且在光分布角的整個范圍內，軸上光的發射角被抑制為等于或小于5.4°。
此外，在180°對角線方向的軸外光中，可獲得左右顛倒的分布。
根據示例性實施例，凹鏡11和會聚透鏡12的每一個的中心部分和周邊部分的折光力是變化的，以使得在光分布角較小的范圍內的發射角的偏離可減小。
同時，在光分布角的絕對值較大的范圍內，與軸上光和軸外光均為拋物反射面的情況相比，發射角分布惡化，而在光分布角較小的范圍內，LED 10的光學輸出分布集中。因此，可安全地提高照明光的光學效率，同時軸上光和軸外光的整個光束在預定角度的范圍內，從而光可被有效地引導到后續光學系統。
因此，根據圖1中所示的照明光學系統，即使在使用不能被認為是點光源的相對大的LED 10時，也可獲得良好的光學效率，并且照明單元2或投影儀1可被制得較小。
此外，由于在示例性實施例中，LED 10包括多個單色LED芯片R、G和B，因此可以在不使用用于合成各種顏色的光的光學系統的情況下組成投影儀1。這樣，可組成緊湊的設備。
此外，由于單色LED芯片R、G和B的二維排列平衡很好，因此消除了LED 10的周邊部分中的LED芯片的顏色偏差(變成軸外分量)，并且可防止白平衡變差。
圖1中所示的照明光學系統具有這樣的結構其中，光源可以被認為是相對于反射光學系統的有效直徑具有有限尺寸的面光源。光源的發光面一側的直徑或長度可以小于反射光學系統的有效直徑。根據本發明示例性實施例，由于即使在使用具有小的有效直徑的緊湊反射光學系統時也可使用具有有限尺寸的面光源，因此可使用可被認為是點光源的小光源。結果，可實現緊湊并具有相當大的光量的照明光學系統。
此外，圖1中所示的照明光學系統由設置了多個發光元件的光源組成。所述多個發光元件的波長是變化的，從而可獲得包括多種波長的光，例如白光的緊湊照明光學系統。此外，由于圖1中所示的照明光學系統包括多個發光元件，因此發光時序是變化的，從而可減小每一發光元件的發光負載，并可減小熱發散。
圖1中所示的照明光學系統可適當地對凹鏡的非球面反射面以及會聚透鏡的兩個非球面形進行變形。
圖5A從包括表示軸上光的光路的光軸的截面示出光束，顯示了根據圖1中所示的照明光學系統的修改示例的示意性結構。相似地，圖5B從包括表示照明光學系統的軸外光的光路的光軸的截面示出光束。
所述修改示例的照明光學系統包括照明單元20，可使用照明單元20代替圖1中所示的投影儀1的照明單元2。此外，所述修改示例的照明光學系統包括LED 13、凹鏡14和會聚透鏡15，來代替圖1中所示的LED 10、凹鏡11和會聚透鏡12。
所述修改示例的照明光學系統使用具有比圖1中所示的LED 10的發光面更大的發光面的LED 13，并且在該修改示例中設置凹鏡14和會聚透鏡15的非球面條件。
參照圖5A，在當前的修改示例中，LED 13的發光面積為1.0mm2，凹鏡14的有效直徑約為16.0mm，會聚透鏡15的有效直徑約為16.0mm。
凹鏡14和會聚透鏡15采用與凹鏡11和會聚透鏡12相似的非球面形。即，如圖5A所示，中心部分14A和15A、周邊部分14B和15B、第一透鏡面15a和第二透鏡面15b分別對應于圖1中所示的中心部分11A和12A、周邊部分11B和12B、第一透鏡面12a和第二透鏡面12b。僅會聚透鏡15的中心部分15A與周邊部分15B的比例變大。
下面的表3和表4示出用于組成所述修改示例的照明光學系統的參數的特定示例。每一符號和單位與上述表1和表2的符號和單位相同。
表3
表4
根據這種結構，可獲得與上述圖1的示例性實施例的效果相同的效果。
圖6是示出在圖5中所示的照明光學系統中包括軸上光和軸外光的來自照明光學系統的光束發射角分布的示例的曲線圖。橫軸表示來自LED的發射光束分布角，縱軸表示來自照明光學系統的光束發射角，每一個的單位都為度(°)。
曲線102表示所述修改示例的照明光學系統的軸上光的光束發射角分布，曲線103表示軸外光的光束發射角分布(相高0.70mm)。曲線202和曲線203表示在設置拋物反射面而不是所述修改示例的照明光學系統的情況下的對比示例。
在所述修改示例的照明光學系統中，如曲線102所示，當光分布角在±30°范圍內時，軸上光變為基本平行光，當光分布角的絕對值等于或大于30°時，軸上光變為比平行光略微偏斜的基本平行光。不同于圖4的情況，在光分布角的整個范圍內，軸上光的發射角等于或小于約0.5°。因此，軸上光形成更好的基本平行光。
此外，如曲線103所示，當光分布角在約-37°和約+37°之間時，與拋物反射面相比，軸上光的發射角減小，并且在光分布角的整個范圍內，軸上光的發射角被抑制為等于或小于5.4°。此外，與圖4的情況相比，軸外光的分布對稱性更好。
根據當前的修改示例，LED 13的一側的尺寸是LED 10的一側的尺寸的兩倍，LED 13的面積是LED 10的面積的4倍。凹鏡14和會聚透鏡15的有效直徑分別是1.68倍和1.63倍。因此，可通過更緊湊的結構有效地會聚軸外光。
因此，例如，當由于光量的需要而從具有1mm2的發光面積的LED芯片投射光時，在圖1所示的照明單元2中需要設置4個LED芯片，而在所述修改示例的照明單元20中僅需要一個LED芯片。因此，可更緊湊地構造所述照明單元以及采用該照明單元的圖像投影設備。
此外，由于LED芯片可被設置在更寬的范圍內，因此LED芯片的排列方式的數量可增加，這是更可取的。
第二示例性實施例圖7示出使用根據本發明另一示例性實施例的照明光學系統的圖像投影設備的示意性結構。
如圖7中所示，根據示例性實施例的背投電視30的示意性結構包括照明單元2、會聚透鏡3、空間調制元件4、會聚透鏡16、鏡17、投影透鏡18和透射型屏幕19。以下描述圖1和圖7之間的差別。
會聚透鏡16和投影透鏡18是將從空間調制元件4發射的經過空間調制的圖像放大并投影到透射型屏幕19上的投影光學系統。
鏡17是用于使投影光學系統的光路折彎的光偏折單元。
盡管沒有示出，但是通過堆疊菲涅耳透鏡片和包括漫射層的微粒透鏡(lenticular)來形成透射型屏幕19。透射型屏幕19使由投影透鏡18投射的發散光成為從菲涅耳透鏡片沿水平方向傳播的基本平行光，并在光透射通過微粒透鏡片時適當地沿水平和垂直方向漫射光。因此，觀察者可在預定的觀察角范圍內觀察到由透射型屏幕19的透射光引起的圖像。
根據背投電視30，由于照明單元2被用作投影光源，因此可獲得與圖1所示的照明單元2的效果相同的效果。
圖1所示的照明光學系統可被適當地用作照明單元2。例如，也可使用照明單元20來代替照明單元2。
第三示例性實施例下面，描述根據本發明另一示例性實施例的圖像投影設備。
圖8示出使用根據本發明另一示例性實施例的照明光學系統的圖像投影設備的示意性結構。
如圖8中所示，根據示例性實施例的投影儀40包括照明單元21和光路合成單元22，來代替圖1中所示的投影儀1的照明單元2和會聚透鏡3。下面描述圖1和圖8之間的差別。
照明單元21包括分別發射紅、綠和藍色的基本平行光的照明光學系統21R、21G和21B。每一照明光學系統用單色LED元件來代替圖1中所示的照明單元2或20中的LED10或LED13，所述單色LED元件具有發射紅、綠和藍色波長光的單色LED芯片。每一單色LED可以是單個LED芯片或者多個LED芯片的排列。
光路合成單元22將從照明單元21發射出的三種顏色的光合成在同一光路上，并將三種顏色的光會聚到空間調制元件4上的預定區域中。例如，可采用二向色分光棱鏡或二向色分光鏡以及合適的會聚透鏡的組合。
具有所述結構的投影儀40是具有多個圖1中所示的照明光學系統的圖像投影設備的示例。因此，示例性實施例具有與圖1的效果相似的效果。
此外，在上面的描述中，LED被用作光源，并且在LED和反射光學系統之間沒有設置光學系統。然而，可在LED和反射光學系統之間設置諸如透鏡或導光單元的具有會聚功能的光學元件，以限制入射到反射光學系統上的光分布角的范圍。此外，即使為了LED和電極排列的空間固定而在LED和反射光學系統之間的空間中填充透光樹脂，也可獲得相同的效果。
此外，圖8中已描述了照明光學系統21R、21 G和21B組成照明單元21的示例。然而，照明光學系統21R、21G和21B可組成獨立的照明單元。
此外，圖8中已描述了光源相對于反射光學系統或會聚透鏡的有效直徑可被認為是面光源的示例。然而，本發明示例性實施例的光源不限于面光源。即使在光源可被認為是點光源時，當光被設置為偏離于光軸時，光學效率也可提高。
此外，已描述了凹鏡具有隨著從中心部分到周邊部分而增加的折光力。然而，本發明的示例性實施例不限于此。當凹鏡的折光力不隨著從中心部分到周邊部分而增加時，可在透鏡光學系統中的折光力分布中設置相對折光力的平衡。
此外，已描述了從照明光學系統發射基本平行光的示例。然而，可以改變照明光學系統的相對布置以使得發散光或會聚光可被發射。
此外，作為使用本發明示例性實施例的照明光學系統的示例，已描述了在圖像投影設備中使用照明光學系統的情況。然而，用于照射照明光的任何單元不具體地限于用于投影圖像的設備，而是可以被用作合適的照明設備或光傳輸設備的一部分。
關于各個示例性實施例中使用的術語和權利要求中使用的術語之間的對應關系，現在將僅描述不同的名稱。
投影儀1或40以及背投電視30是圖像投影設備的示例性實施例。LED 10或13是光源的示例性實施例。會聚透鏡12或14是透鏡光學系統的示例性實施例。LED芯片R、G和B是發光元件的示例實施例。
如上所述，根據本發明示例性實施例的照明光學系統以及采用該照明光學系統的照明單元和圖像投影設備具有下面的效果。
首先，使用了反射光學系統以使得來自光源的發散光可被有效地會聚。
其次，即使在光源不能被認為是點光源時，也可通過透鏡光學系統減小在反射光學系統中產生的沿反射方向的軸外光相對于軸上光的偏離，從而從透鏡光學系統發射的包括軸外光的光可被有效的會聚并且光學效率可提高。
盡管已參照本發明的示例性實施例具體地顯示和描述了本發明，但是本領域普通技術人員應該理解，在不脫離由權利要求限定的本發明的范圍和精神的情況下，可進行各種形式和細節上的改變。
權利要求
1.一種照明光學系統，包括光源，用于照射發散光；反射光學系統，用于會聚來自光源的發散光；和透鏡光學系統，用于對由反射光學系統會聚的光進行投影，其中，所述反射光學系統包括非球面凹鏡，所述透鏡光學系統包括在中心部分具有正的折光力的會聚透鏡，向著周邊部分，所述會聚透鏡的折光力減小。
2.如權利要求1所述的照明光學系統，其中，所述反射光學系統的凹鏡包括旋轉對稱的非球面凹反射面。
3.如權利要求2所述的照明光學系統，其中，所述凹鏡的凹反射面具有隨著從中心部分到周邊部分而增加的折光力。
4.如權利要求1所述的照明光學系統，其中，所述凹鏡布置在使得沿凹鏡的直徑方向從周邊部分反射的軸上光變為基本平行光的位置。
5.如權利要求1所述的照明光學系統，其中，所述會聚透鏡是雙面非球面透鏡。
6.如權利要求5所述的照明光學系統，其中，所述會聚透鏡具有第一表面，是面向凹鏡的表面，在中心部分形成為凹面，在周邊部分形成為凸面；第二表面，是所述第一表面的背面，在中心部分形成為具有比第一表面的凹面的曲率小的曲率的凸面，在周邊部分形成為與第一表面的凸面的形狀對應的凹面。
7.如權利要求1所述的照明光學系統，其中，所述光源不是點光源。
8.如權利要求1所述的照明光學系統，其中，所述光源是相對于反射光學系統的有效直徑具有有限尺寸的面光源。
9.如權利要求1所述的照明光學系統，其中，所述光源通過排列多個發光元件而構成。
10.如權利要求9所述的照明光學系統，其中，所述發光元件是紅、綠和藍單色發光元件。
11.如權利要求9所述的照明光學系統，其中，布置在所述光源的發光面的周邊部分的單色發光元件被布置為使得各種單色被循環。
12.如權利要求9所述的照明光學系統，其中，布置在所述光源的發光面的中心部分的單色發光元件被布置為使得各種單色彼此左右對稱或旋轉對稱。
13.一種具有多個照明光學系統的照明單元，其中，每個照明光學系統包括光源，用于照射發散光；反射光學系統，用于會聚來自光源的發散光；和透鏡光學系統，用于對由反射光學系統會聚的光進行投影，其中，所述反射光學系統包括非球面凹鏡，所述透鏡光學系統包括在中心部分具有正的折光力的會聚透鏡，所述會聚透鏡的折光力向著周邊部分減小。
14.如權利要求13所述的照明單元，其中，所述反射光學系統的凹鏡包括旋轉對稱的非球面凹反射面。
15.如權利要求13所述的照明單元，其中，所述光源是相對于反射光學系統的有效直徑具有有限尺寸的面光源。
16.一種采用照明光學系統作為投影光源的圖像投影設備，其中，所述照明光學系統包括光源，用于照射發散光；反射光學系統，用于會聚來自光源的發散光；和透鏡光學系統，用于對由反射光學系統會聚的光進行投影，其中，所述反射光學系統包括非球面凹鏡，所述透鏡光學系統包括在中心部分具有正的折光力的會聚透鏡，所述會聚透鏡的折光力向著周邊部分減小。
17.如權利要求16所述的圖像投影設備，其中，所述反射光學系統的凹鏡包括旋轉對稱的非球面凹反射面。
18.如權利要求16所述的圖像投影設備，其中，所述光源是相對于反射光學系統的有效直徑具有有限尺寸的面光源。
19.一種采用具有多個照明光學系統的照明單元作為投影光源的圖像投影設備，其中，每個照明光學系統包括光源，用于照射發散光；反射光學系統，用于會聚來自光源的發散光；和透鏡光學系統，用于對由反射光學系統會聚的光進行投影，其中，所述反射光學系統包括非球面凹鏡，所述透鏡光學系統包括在中心部分具有正的折光力的會聚透鏡，所述會聚透鏡的折光力向著周邊部分減小。
20.如權利要求19所述的圖像投影設備，其中，所述反射光學系統的凹鏡包括旋轉對稱的非球面凹反射面。
21.如權利要求19所述的圖像投影設備，其中，所述光源是相對于反射光學系統的有效直徑具有有限尺寸的面光源。
全文摘要
提供一種照明光學系統以及采用該照明光學系統的照明單元和圖像投影設備。所述照明光學系統包括光源，用于照射發散光；反射光學系統，用于會聚來自光源的發散光；和透鏡光學系統，用于對由反射光學系統會聚的光進行投影。所述反射光學系統包括非球面凹鏡。所述透鏡光學系統包括在中心部分具有正的折光力的會聚透鏡，所述會聚透鏡的折光力向著周邊部分減小。即使在光源的發光面較大并且光源不能被認為是點光源時，也可提高光學效率。
文檔編號F21V7/04GK1987636SQ200610168768
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月18日 優先權日2005年12月20日
發明者小沼修 申請人:三星電子株式會社