照明裝置、非球面透鏡的設計方法、非球面透鏡及投影機的製作方法
2023-07-22 01:40:51 3
專利名稱：照明裝置、非球面透鏡的設計方法、非球面透鏡及投影機的製作方法
技術領域：
本發明涉及使從光源射出的光會聚至照射面上的非球面透鏡、非球面透鏡的設計方法、向照射面上照射光的照明裝置、以及安裝有該照明裝置的投影機。
背景技術：
在作為光調製裝置使用液晶面板的直視型顯示裝置或者投影型顯示裝置(投影機)中，需要將光照射到液晶面板上的光源。作為該光源的一例，已知一種例如通過使從發光二極體等的光源射出的光平行化、並使該平行光朝向該液晶面板會聚，而將光照射到該液晶面板上的技術(例如參照專利文獻1)。在採用如專利文獻1所述的構成的情況下，根據光學系統的設計，有時會在形成於液晶面板上的像中產生像差，例如因為例如作為光源照射的光模糊不清而造成照明效率低。當照明效率低時，會造成例如投影至屏幕等上的圖像、活動畫面等的對比度變差。因此，需要設計像差較少的光學系統。
光學系統使像差越小則越接近理想成像系統。在不需要考慮像差的影響的理想成像系統中，就可以通過該光學系統的倍率來決定照明效率。因此，在要提高照明效率的情況下，可以使光學系統接近理想成像系統以最佳化該光學系統的倍率。
專利文獻1特開平10-269802號公報。
但是，在上述設計中，照明效率不能夠大於或等於在將光學系統看做為理想成像系統而將倍率最佳化的情況下的照明效率，因此，這時的照明效率的值成為提高照明效率的上限值。
發明內容
為了解決該問題，本發明的目的在於提供一種通過以特意地在液晶面板的光像中形成像差的方式構成光學系統、與構成理想成像系統的場合相比可以提高照明效率的照明裝置、使用該照明裝置的非球面透鏡的設計方法、該非球面透鏡、以及安裝有該照明裝置的投影機。
本申請的發明人發現，在設計光學系統以使得將平行化的光會聚到照射面上時在照射面的規定區域中特意地產生像差的情況下，與設計成理想成像系統的情況相比可以提高照射面處的照明效率。
在此，非球面透鏡的面例如可以視為使YZ平面內的曲線繞Z軸旋轉而形成的非球面。YZ平面內的曲線式表示為z=ch21+{1-(1+k)C2h2}12+a1h4+a2h6+a3h8+a4h10]]>式1其中，h是x和y的平方和根 x、y和z是表示XYZ空間的坐標的變量。C、k、a1、a2、a3、a4是非球面係數。低因次的非球面係數(例如C、k、a1、a2)用以形成非球面透鏡的光軸附近的形狀，而高因次的非球面係數(例如a3、a4)用以形成非球面透鏡的周緣部的形狀。因此，通過適當地設定「式1」的高因次的非球面係數，就可以設計非球面透鏡的周緣部的形狀，而通過適當地設定低因次的非球面係數就可以設計非球面透鏡的光軸附近的形狀。
根據該觀點，本發明的照明裝置，其特徵在於，具有射出照射到照射面上的光的光源；設置在所述光源和所述照射面之間使從所述光源射出的光成為平行光的第1光學系統；和設置在所述第1光學系統和所述照射面之間、以在所述照射面的規定區域中在所述平行光的像中產生像差地，使所述平行光會聚到所述照射面上的第2光學系統。
在此，所謂「規定區域」，是指照射面中特別地照射光的必要性高的區域。例如在將光照射至液晶面板上的情況下，所謂「照射面」是指該液晶面板的光照射側的表面，而所謂「規定區域」是指液晶面板的像素形成的像素區域。
在照射面的規定區域中，必須以允許角度或允許以下的角度照射光以提高照明效率。根據本發明，從光源射出的光，由第1光學系統平行化為平行光，並通過第2光學系統成像，以使得在照射面的規定區域中在平行光的像中產生像差。通過以特意地在照射面的規定區域中產生像差的方式成像，可以使得照射至該照射面的規定區域的光的角度變小。因此，與通過理想成像系統成像的場合相比，在允許角度以下照射至規定區域上的光增多，所以可以提高在該規定區域的照明效率。
此外，優選地，所述第2光學系統能夠使所述平行光會聚以使得所述像差產生在比所述規定區域更大的範圍內。如此，就可以使相對於照射面的規定區域的照明邊緣設置成足夠大，從而，例如在將光照射到液晶面板的情況下，可以沒有洩漏地使光照射到所有像素上。
此外，優選地，所述像差為負的球面像差以及內向性的彗形像差中的至少之一。因為負的球面像差以及內向性的彗形像差都形成為在照射面上擴展，所以可以使得光不照射到整個照射面的規定區域。
此外，優選地，所述第2光學系統是設計成至少光軸周邊部的主平面傾斜的透鏡。通過將第2光學系統形成為這種透鏡，使得通過該透鏡的光軸周邊部的光在照射面的規定區域至少形成內向性的彗形像差。通過如此特意地形成彗形像差，可以提高該規定區域的照明效率。
此外，優選地，包括所述第1光學系統和所述第2光學系統的光學系統是遠心光學系統。由於可使得被第2光學系統會聚至照射面的規定區域的平行光的主光線的角度減小，所以可進一步提高照明效率。
根據本發明的別的觀點的非球面透鏡的設計方法，是將從光源射出並被平行化的光會聚至照射面上的非球面透鏡的設計方法，其特徵在於，設計非球面的形狀，以使得在所述照射面的規定區域中在被會聚的所述平行光的像中產生像差。
通過如本發明所述設計非球面的形狀，可以獲得以在照射面的規定區域中產生像差的方式成像的非球面透鏡。具體地，通過適當地設定「式1」的高因次的非球面係數來設計非球面透鏡的周緣部的形狀，而通過適當地設定低因次的非球面係數來設計非球面透鏡的光軸附近的形狀。
此外，優選地，上述非球面透鏡的設計方法具有以下步驟形成具有規定的近軸倍率、允許角度、焦點距離的球面透鏡的步驟；和使所述球面透鏡變形，以使得在所述照射面的規定區域中在被會聚的所述平行光的像中產生像差的步驟。因為能夠以球面透鏡的值為基準，來設計非球面透鏡的近軸倍率、允許角度、焦點距離，所以即使不是從頭開始設計該非球面透鏡的近軸倍率、允許角度、焦點距離，也可以獲得精密值。
此外，優選地，上述使所述球面透鏡變形的步驟包括以使所述球面透鏡的主平面傾斜的方式使所述球面透鏡變形的步驟；和以使所述變形的球面透鏡的周緣部的主平面的傾斜退回(返回)的方式使所述球面透鏡變形的步驟。如此，可以防止非球面透鏡的主平面過分傾斜，可以防止彗形像差超過照射面的規定區域的範圍而形成，從而在照射面的規定區域的優選的範圍內產生彗形像差。
根據本發明的別的觀點的非球面透鏡，其特徵在於，該非球面透鏡是通過上述的非球面透鏡的設計方法所設計的。如此，可以獲得以在照射面的規定區域中產生像差的方式使平行光會聚從而使照射面處的照明效率與理想成像系統相比變高的非球面透鏡。
根據本發明的別的觀點的投影機，其特徵在於，該投影機安裝有上述的照明裝置。如此可以獲得照明效率高並且對比度高的投影機。
圖1是示意性地示出本發明的第1實施形態的投影機的構成的圖；圖2是示意性地示出本實施形態的非球面透鏡的構成的圖；圖3是示出透過本實施形態的非球面透鏡的光的進路的圖；圖4是示出由非球面透鏡會聚的光的光點圖；圖5是表示非球面透鏡的球面像差的曲線；
圖6是示出本實施形態的非球面透鏡的設計步驟的流程圖；圖7是示出非球面透鏡的設計步驟的一例的圖；圖8是示出非球面透鏡的設計步驟的一例的圖；圖9是示出非球面透鏡的設計步驟的一例的圖；圖10是示出非球面透鏡的設計步驟的一例的圖；圖11是示出本實施形態的投影機的變形例的圖。
符號說明1投影機 2照明裝置 3光源 5第1光學系統 5c準直透鏡 6非球面透鏡 6b光軸附近 6c周緣部 7液晶裝置 7a像素區域8彗形像差 9球面像差 10球面透鏡具體實施方式
第1實施形態下面基於
本發明的第1實施形態。
圖1是示意性地示出本實施形態的投影機的構成的圖。
投影機1構成為單板式的液晶投影機，具有設置有光源3、棒形積分器4、第1光學系統5以及非球面透鏡6的照明裝置2、和作為調製元件的液晶裝置7、和未示出的向屏幕上投影圖像的投影光學系統100。
照明裝置2通過向液晶裝置7上照射光而起到作為該液晶裝置7的光源的作用。液晶裝置7例如具有形成紅色、綠色、藍色的3色的像素的像素區域7a，根據從未示出的驅動部輸入的圖像信號對被照射的光進行調製。
光源3例如使用發光二極體等，設置有用於將來自該發光二極體的光射出至外部並形成為基本正方形的光射出面3a。光源3被安裝在棒形積分器4上，以使得光射出面3a與該棒形積分器4的光入射面4a相對。
棒形積分器4使從光入射面4a入射的光的照度分布均一化並從光射出面4b射出，例如由玻璃或者樹脂等具有光透過性的材料形成為中空的四角柱狀。在棒形積分器4的內側的各個側面上設置有反射面4c。反射面4c被設置成從光入射面4a至光射出面4b光透過部分(中空部分)的截面積逐漸擴大(圖中虛線部分)。
光入射面4a的形狀形成為基本正方形以與光源3的光射出面3a的形狀一致。光射出面4b的形狀被形成為與液晶裝置7的像素區域7a的形狀一致。例如當像素區域7a為(短邊的長度)∶(長邊的長度)＝3∶4的長方形時，則光射出面4b也同樣地形成為短邊和長邊的長度的比例為3∶4的橫向較長的長方形。入射至棒形積分器4的光在由反射面4c反覆反射的同時向光射出面4b引導，並以照度分布均一化的狀態射出。
第1光學系統5具有例如2個凹凸(彎月)透鏡5a、5b，和準直透鏡5c。凹凸透鏡5a、5b將從棒形積分器4射出的光擴散。準直透鏡5c使該擴散的光平行化而成為平行光。凹凸透鏡5a、5b和準直透鏡5c例如由玻璃或者丙烯酸類等的透明材料形成。
非球面透鏡6例如由玻璃或者丙烯酸類等的透明材料形成，將用準直透鏡5c平行化的平行光朝向液晶裝置7的像素區域7a會聚。圖2是示意性地示出非球面透鏡的圖。在非球面透鏡6的光軸附近6b處，透鏡主平面6a被設計成相對來自準直透鏡5c的平行光的進行方向僅以例如角度α傾斜。此外，在周緣部6c，主平面6d被設計成相對來自準直透鏡5c的平行光的進行方向基本垂直。
在此，非球面透鏡6的非球面6e例如可以視為使YZ平面內的曲線繞Z軸旋轉而形成的非球面。YZ平面內的曲線式表示為z=ch21+{1-(1+k)C2h2}12+a1h4+a2h6+a3h8+a4h10]]>式2其中，h是x和y的平方和根 x、y和z是表示XYZ空間的坐標的變量。C、k、a1、a2、a3、a4是非球面係數。低因次的非球面係數(例如C、k、a1、a2)用以形成非球面透鏡的光軸附近6b的形狀，而高因次的非球面係數(例如a3、a4)用以形成非球面透鏡的周緣部6c的形狀。
圖3是示出透過非球面透鏡6的光的進路的圖。圖4是示出在像素區域7a上形成的光點圖。
由光源3射出的光被第1光學系統擴散而平行化。該平行光在通過非球面透鏡6的光軸附近6b時以光路L1的方式前進(圖3(a))，在像素區域7a的周緣部形成內向性的彗形像差8(圖4(a))。
此外，該平行光在通過非球面透鏡6的周緣部6c時以光路L2的方式前進(圖3(b))，在像素區域7a的中央附近形成負的球面像差9(圖4(b))。
圖5是表示非球面透鏡6的球面像差9的曲線。表示在原點為非球面透鏡6的光心的位置、縱軸為數值孔徑、橫軸為光的進行方向下的位移。從該曲線可知，不僅像素區域7a的中央附近形成彗形像差8，在像素區域7a的周緣部也產生球面像差9。
如此，在像素區域7a上，以覆蓋像素區域7a的方式形成彗形像差8和球面像差9。
下面說明非球面透鏡6的設計步驟。圖6是示出該設計步驟的流程圖。
非球面透鏡6由球面透鏡10形成，經過以下各步驟進行設計球面透鏡10的基本構成的設計(步驟601)、球面透鏡10的形成(步驟602)、球面透鏡10的變形1(步驟603)、球面透鏡10的變形2(步驟604)。下面對該各步驟進行說明。
在步驟601，如圖7所示進行作為非球面透鏡6的基材的球面透鏡10的基本構成的設計。分別設定近軸倍率m1、允許角度θ1、焦點距離f1，而形成根據該設定的球面透鏡10。
在步驟602，形成使用該球面透鏡10的光學系統。此時，如圖8所示，以該光學系統接近理想成像系統的方式，例如配置光源3、第1光學系統5以及球面透鏡10，使得第1光學系統的準直透鏡5c(近軸倍率m2、允許角度θ2、焦點距離f2)和球面透鏡10的距離為(f1+f2)。
在步驟603，主要是設計低因次的非球面係數，使球面透鏡10變形以產生彗形像差8。具體地，使球面透鏡10的光軸附近6b的球面變形。彗形像差是當光相對光學系統的光軸傾斜地入射時所發生的像差。因此，例如圖9所示，使球面透鏡10變形以使得主平面6a相對來自第1光學系統5的平行光傾斜。此外，實際上是在一邊使光從光源3射出而確認是否產生了彗形像差8，一邊進行球面透鏡10的變形，當確認已產生了彗形像差8時，進行到下一步驟。
在步驟604，主要是設計高因次的非球面係數，在對步驟603中變形了的球面透鏡10進行微調整的同時發生變形。具體地，使光從光源3射出而確認彗形像差8是否在適當的位置和範圍內，同時，調節高因次的非球面係數以使得主光線的角度落於允許角度θ3以內。根據需要，例如通過調整變形了的球面透鏡10的周緣部6c的主平面6d的傾斜程度，以使得彗形像差8不會過大。當如圖10所示確認為彗形像差8在適當的位置和範圍內發生並且主光線的角度落於允許角度θ3以內時，結束設計。
根據本實施形態，從光源3射出的光，由第1光學系統5平行化為平行光，並通過非球面透鏡6成像，使得在液晶裝置7的像素區域7a處在平行光的像中產生彗形像差8或球面像差9。如此，通過特意地在像素區域7a中產生像差，可以使得照射至該像素區域7a上的光的角度(相對於光軸的角度)變小。因此，與通過理想成像系統成像的場合相比，在允許角度或以下照射至像素區域7a上的光增多，所以可以提高在該像素區域7a處的照明效率。
而且，通過安裝這種照明裝置，可以獲得照明效率高並且對比度高的投影機1。
此外，因為能夠以球面透鏡的近軸倍率m1、允許角度θ1、焦點距離f1為基準，來設計非球面透鏡6的近軸倍率、允許角度、焦點距離，所以即使不是從頭開始設計該非球面透鏡6的近軸倍率、允許角度、焦點距離，也可以獲得精密值。
本發明的技術範圍不限於上述實施形態，在不脫離本發明的主旨的範圍內可以進行適當的變更。
在上述實施形態中，雖然以非球面透鏡6將平行光會聚成覆蓋液晶裝置7的像素區域7a的方式進行了說明，但是如圖11所示，也可以將平行光會聚成比像素區域7a的範圍更大的範圍中。如此，就可以使相對於像素區域7a的照明寬餘量t1、t2設置成足夠大，從而可以沒有洩漏地使光照射到像素區域7a的所有像素上。
權利要求
1.一種照明裝置，其特徵在於，具有射出照射到照射面上的光的光源；設置在所述光源和所述照射面之間，使從所述光源射出的光成為平行光的第1光學系統；和設置在所述第1光學系統和所述照射面之間，以在所述照射面的規定區域中在所述平行光的像中產生像差的方式，使所述平行光會聚到所述照射面上的第2光學系統。
2.根據權利要求1所述的照明裝置，其特徵在於，所述第2光學系統能夠使所述平行光會聚以使得所述像差產生在比所述規定區域更大的範圍內。
3.根據權利要求1或2所述的照明裝置，其特徵在於，所述像差為負的球面像差以及內向性的彗形像差中的至少之一。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的照明裝置，其特徵在於，所述第2光學系統是設計成至少光軸周邊部的主平面傾斜的透鏡。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的照明裝置，其特徵在於，包括所述第1光學系統和所述第2光學系統的光學系統是遠心光學系統。
6.一種將從光源射出並被平行化的光會聚至照射面上的非球面透鏡的設計方法，其特徵在於，設計非球面的形狀，以使得在所述照射面的規定區域中，在被會聚的所述平行光的像中產生像差。
7.根據權利要求6所述的非球面透鏡的設計方法，其特徵在於，具有以下步驟形成具有規定的近軸倍率、允許角度及焦點距離的球面透鏡的步驟；和使所述球面透鏡變形，以使得在所述照射面的規定區域中在被會聚的所述平行光的像中產生像差的步驟。
8.根據權利要求6或7所述的非球面透鏡的設計方法，其特徵在於，使所述球面透鏡變形的步驟包括以使所述球面透鏡的主平面傾斜的方式使所述球面透鏡變形的步驟；和以使所述變形的球面透鏡的周緣部的主平面的傾斜退回的方式使所述球面透鏡變形的步驟。
9.一種非球面透鏡，其特徵在於，是通過權利要求6至8中任一項所述的非球面透鏡的設計方法所設計的。
10.一種投影機，其特徵在於，裝載有權利要求1至5中任一項所述的照明裝置。
全文摘要
本發明提供一種通過以特意地在液晶面板的光像中形成像差的方式構成光學系統、與構成理想成像系統的場合相比可以提高照明效率的照明裝置、使用該照明裝置的非球面透鏡的設計方法、該非球面透鏡、以及安裝有該照明裝置的投影機。從光源(3)射出的光，由第1光學系統(5)平行化為平行光，並通過非球面透鏡(6)成像，使得在液晶裝置(7)的像素區域(7a)處在平行光的像中產生彗形像差或球面像差。通過如此以特意地在像素區域(7a)中產生像差的方式成像，與通過理想成像系統成像的場合相比可以提高像素區域(7a)的照明效率。
文檔編號G02B3/02GK1721980SQ20051007093
公開日2006年1月18日 申請日期2005年5月17日 優先權日2004年7月15日
發明者有賀進 申請人:精工愛普生株式會社