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CN102645831B - 照明光学系统及投影机装置 - Google Patents

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CN102645831B CN201210035215.8A CN201210035215A CN102645831B CN 102645831 B CN102645831 B CN 102645831B CN 201210035215 A CN201210035215 A CN 201210035215A CN 102645831 B CN102645831 B CN 102645831B
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Abstract

一种照明光学系统，具备：近似矩形形状的光源，具有由沿预定方向的分割线分割为多个区域并形成分割图形的发光面；被照明部件，具备矩形形状的被照射区域；以及光学部件，会聚来自上述发光面的光并照射上述被照射区域，在上述被照明部件形成上述光源的上述发光面的上述分割图形的像所导致的照明不均被降低。

Description

照明光学系统及投影机装置
交叉申请的引用
以下在先申请的内容通过引用结合于此：2011年2月17日提交的日本专利申请号2011-032291和2012年1月11日提交的日本专利申请号2012-03059。
技术领域
本发明涉及照明光学系统及投影机装置。
背景技术
已知有通过向反射型液晶元件(LCOS)、微镜装置等的显示元件照射来自以发光二极管(LED)等为光源的照明光学系统的光，在屏幕等显示图像的投影机装置。例如特开2009-217060号公报记载了由自由曲面透镜将来自光源的光会聚为矩形形状，向反射型液晶元件(LCOS)照射的投影机装置。
发明内容
传统技术中，在光源具有沿预定方向分割为多个区域的发光面的场合，存在在被照明部件形成分割图形的像而发生照明不均的问题。
本发明的第1方式是照明光学系统，具备：近似矩形形状的光源，其具有由沿预定方向的分割线分割为多个区域并形成分割图形的发光面；被照明部件，其具备矩形形状的被照射区域；以及光学部件，其会聚来自发光面的光并照射被照射区域，在被照明部件形成光源的发光面的分割图形的像所导致的照明不均被降低。
根据本发明的第2方式，优选的是，第1方式的照明光学系统中，被照明部件所具备的被照射区域的矩形形状由长边方向和短边方向构成，光学部件通过在被照射区域的长边方向和短边方向使发光面的成像位置不同，以来自发光面的光的照射区域的轮廓形状成为近似矩形形状的方式聚光，并照射被照射区域，光源配置为使得在被照明部件形成光源的发光面的分割图形的像所导致的照明不均被降低。
根据本发明的第3方式，优选的是，第2方式的照明光学系统中，光学部件通过在被照射区域的长边方向和短边方向使发光面的成像位置不同，以来自发光面的光的照射区域的轮廓形状成为近似矩形形状的方式聚光，光源配置为使被照射区域中预定方向和被照射区域的短边方向近似平行。
根据本发明的第4方式，优选的是，第3方式的照明光学系统中，光学部件包括聚光透镜。
根据本发明的第5方式，优选的是，第4方式的照明光学系统中，被照射区域的轮廓形状的与短边方向对应的方向的长度比与长边方向对应的方向的长度短。
根据本发明的第6方式，优选的是，第4或第5方式的照明光学系统中，聚光透镜包括以下透镜的至少一个：以照射区域的轮廓形状成为与被照射区域的形状近以相同的方式聚光的自由曲面透镜、以照射区域的轮廓形状成为包含被照射区域的椭圆形状的方式聚光的圆柱形透镜(cylindricallens)，或以照射区域的轮廓形状成为包含被照射区域的椭圆形状的方式聚光的变形透镜(anamorphic lens)的至少一个。
根据本发明的第7方式，优选的是，第4或第5方式的照明光学系统中，光源具有发光二极管。
根据本发明的第8方式，优选的是，第7方式的照明光学系统中，光源具有的发光二极管包含白色发光二极管、红色发光二极管、绿色发光二极管或蓝色发光二极管的至少一个。
根据本发明的第9方式，优选的是，第4或第5方式的照明光学系统中，还具备偏振变换元件，其在聚光透镜和被照明部件之间配置，使向被照明部件照射的光的偏振方向一致，在聚光透镜和被照明部件之间配置的光学部件的光学面的至少一面具有正的折射能力。
根据本发明的第10方式，投影机装置具备第1至第3的任一方式的照明光学系统。
根据本发明的第11方式，优选的是，第10方式的投影机装置中，被照明部件包括反射型液晶元件或微镜装置。
根据本发明，可以防止在被照明部件形成发光面的分割图形的像所导致的照明不均。
附图说明
图1是从x-y平面观察第1实施方式的投影机装置的照明光学系统的截面图。
图2是第1实施方式的偏振变换元件的构成的截面图。
图3是偏振分离元件的侧面图，图3A是在y-z平面上从光源侧俯视的情况，图3B是在y-z平面上从偏振光束分离器侧俯视的情况。
图4是第1聚光透镜的构成的立体图。
图5是发光部的x-z平面中的截面图。
图6是光源及显示元件的平面图，图6A是从照明光出射侧(偏振光束分离器侧)观察光源的图，图6B是从显示面侧(偏振光束分离器侧)观察显示元件的图。
图7是光源的照明光的光路在x-y平面中的截面图。
图8是光源的照明光的光路在x-z平面中的截面图。
图9是从x-y平面观察第2实施方式的投影机装置的照明光学系统的截面图。
图10是从x-y平面观察第3实施方式的投影机装置的照明光学系统的截面图。
具体实施方式
第1实施方式
以下，参照附图说明本发明的一个实施方式。以下的说明采用的各图面，为了方便说明，在各图面图示了表示共同的x轴、y轴及Z轴的箭头。图1是从x-y平面观察第1实施方式的投影机装置的照明光学系统的截面图。该投影机装置1具备光源10、照明光学系统20、显示元件40及投影光学系统50。光源10由高辉度LED等构成，放射照明光。照明光学系统20使从光源10出射的照明光照射例如LCOS(在硅基板上形成有液晶的反射型液晶显示面板)等的反射型显示元件即显示元件40。投影光学系统50将由显示元件40反射的光的像作为实像在拍摄面(屏幕等)放大投影。
照明光学系统20由聚光透镜群21、光圈24、偏振变换元件25及偏振光束分离器30构成。这些各部从光源10侧到光轴Ax1按照上述的顺序配置。另外，聚光透镜群21包括第1聚光透镜22及第2聚光透镜23，偏振变换元件25包括偏振分离元件26及半波长板27。偏振光束分离器30具有使P偏振分量的光几乎全部透过，使S偏振分量的光几乎全部反射的偏振分离面30a。
投影光学系统50由偏振光束分离器30、偏振片51及投影透镜群52构成。这些各部从显示元件40侧到光轴Ax2按照上述的顺序配置。投影光学系统50和照明光学系统20共用偏振光束分离器30。投影透镜群52由至少1枚的透镜构成。光源10由发光部10a和盖10b构成。发光部10a放射照明光，盖10b覆盖保护发光部10a。本实施方式的发光部10a是在发光面形成预定的图形形状的LED芯片。该LED芯片是放射白色光的所谓白色发光二极管。盖10b由使发光部10a放射的照明光透过的透明部件(例如树脂等)构成。显示元件40配置在偏振光束分离器30的多个外周面中，由来自光源10的照明光中由偏振分离面30a反射的光照射的面。
这样的构成的投影机装置1中，从光源10的发光部10a放射的照明光由聚光透镜群21会聚为近似平行光束后，通过光圈24的开口部入射偏振变换元件25。入射偏振变换元件25的光几乎都变换为由S偏振分量构成的光，入射偏振光束分离器30。变换为该S偏振分量的光由偏振光束分离器30的偏振分离面30a反射，照射显示元件40的显示面。
本实施方式的显示元件40是在硅基板和玻璃基板之间介有液晶的液晶面板(LCOS)，在硅基板上，TFT等的开关元件和/或电极与像素的各子像素对应设置。在硅基板的最表面形成反射光的铝层。显示元件40可以电气地驱动在形成了透明电极的玻璃基板之间介入的液晶层，显示影像。显示元件40根据从未图示的驱动电路输入的影像信号的电平，控制对在显示元件40的各像素设置的电极施加电压。若根据影像信号的电平，显示元件40向各电极施加电压，则液晶层的液晶分子的排列变化，该液晶层起到相位板的作用。结果，与电压施加状态相应的影像图形形成于显示元件40，进行空间光调制。
从显示元件40的玻璃基板侧入射的S偏振分量的光由硅基板侧的反射面(铝层)反射后再次从玻璃基板出射。其间，入射白像素部的S偏振分量的光的偏振方向旋转90°，调制(偏振变换)为P偏振分量的光。另一方面，入射黑像素部的S偏振分量的光的偏振状态不变化，保持S偏振分量出射。另外，显示元件40通过采用具备彩色滤波器的彩色显示的LCOS，可以进行彩色图像的显示。
由显示元件40反射的光再次入射偏振光束分离器30。这里，透过显示元件40的黑像素部的S偏振分量的光几乎由偏振分离面30a反射，返回光源10侧。另一方面，由显示元件40的白像素部调制后出射的P偏振分量的光透过偏振分离面30a后，透过偏振片51，通过投影透镜群52在未图示的屏幕投影。结果，在显示元件40显示的图像的放大图像在屏幕上投影。另外，在偏振光束分离器30的出射面侧设置的偏振片51用于除去未由偏振光束分离器30的偏振分离面30a反射而透过的S偏振分量的光(透过黑像素部的光)。通过设置偏振片51，可除去图像的投影不需要的S偏振分量的光，提高投影图像的对比度。
接着，用图2、图3A及图3B说明上述的投影机装置1的照明光学系统20中采用的第1实施方式的偏振变换元件25。偏振变换元件25如上述，由偏振分离元件26和半波长板27构成。
偏振分离元件26由第1棱镜261、第2棱镜262、第3棱镜263、第4棱镜264及第5棱镜265构成。第1棱镜261的x-z平面中的截面形成近似直角二等边三角形状，具有直角的顶点Pe。第1棱镜261中，顶点Pe配置在光源10侧的光轴Ax1上，形成与顶点Pe相对向的边的面(第1出射面26c)配置在显示元件40侧。第2棱镜262及第3棱镜263的x-z平面中的截面形成近似梯形状，与形成夹持第1棱镜261的顶点Pe的边的2个面(第1偏振分离面26b1、26b2)分别接合。第4棱镜264及第5棱镜265分别接合于与分别形成第2棱镜262及第3棱镜263中的上述第1偏振分离面26b1、26b2的面相对向的面(第2偏振分离面26d1、26d2)。
另外，第2棱镜262及第3棱镜263的光源10侧的面是包含第1棱镜261的顶点Pe且与光轴Ax1垂直相交的面，构成入射面26a。入射面26a与第1出射面26c平行，形成与第1出射面26c近似同一形状。且，入射面26a配置为从光源10侧观察时与第1出射面26c大致重叠。第2棱镜262及第3棱镜263的显示元件40侧的面构成第2出射面26e1、26e2，配置为从将第1出射面26c沿Z轴方向延长的面向光源10侧稍微倾斜。第1偏振分离面26b1、26b2和第2偏振分离面26d1、26d2成为形成第2棱镜262及第3棱镜263的梯形截面的平行边的面。在第1棱镜261和第2棱镜262及第3棱镜263之间(接合面)，及，第2棱镜262及第3棱镜263和第4棱镜264及第5棱镜265之间(接合面)，分别形成偏振分离膜。结果，构成上述的第1偏振分离面26b1、26b2及第2偏振分离面26d1、26d2。这里偏振分离膜具有使透过光中的P偏振分量的光几乎都透过，S偏振分量的光几乎都反射的性质。
在该偏振分离元件26形成的第2出射面26e1、26e2，如图2所示，在与入射面26a相对向的位置中，以从中心侧向外侧、稍微向光源侧倾斜的方式配置。换言之，第2出射面26e1、26e2构成为具有正的折射能力。
根据这样构成的偏振分离元件26，从入射面26a入射的照明光中P偏振分量的光透过第1偏振分离面26b1、26b2，从第1出射面26c出射。另一方面，S偏振分量的光由第1偏振分离面26b1、26b2反射，而且由第2偏振分离面26d1、26d2反射，从第2出射面26e1、26e2出射。此时，如上述，第2出射面26e1、26e2构成具有正的折射能力。从而，从第2出射面26e1、26e2出射的照明光(S偏振分量的光)在y-z平面上俯视的场合，与中心方向(光轴Ax1方向)倾斜出射。
半波长板27起到使透过光半波长旋转的旋转面的功能。半波长板27具有与偏振分离元件26的第1出射面26c近似同一形状，配置为与第1出射面26c近似平行。因此，从第1出射面26c出射的P偏振分量的光被半波长旋转后，偏振为S偏振分量的光。通过这样配置半波长板27，从半波长板27出射的光与从第2出射面26e1、26e2出射的S偏振分量的光都成为S偏振分量。从而，透过该偏振变换元件25的照明光几乎都变换为S偏振分量构成的光。
另外，光圈24的开口部24a形成与偏振分离元件26的入射面26a近似同一形状，构成为限制从光源10出射后由聚光透镜群21会聚的照明光中入射偏振分离元件26的入射面26a以外的光。因此，不经过上述的通路出射的P偏振分量的光被限制，所以可以降低从偏振变换元件25出射的照明光所包含的P偏振分量的光。其结果，可以提高在屏幕投影的投影图像的对比度。
从图1及图2可知，从偏振变换元件25出射的照明光的光束直径(z轴方向的照明光的宽度)比入射光的光束直径宽。本实施方式中，使该第2出射面26e1、26e2具有正的折射能力，使得从偏振变换元件25的第2出射面26e1、26e2出射的照明光与y-z平面上的俯视的中心方向(光轴Ax1方向)倾斜出射。因而，可以使从第2出射面26e1、26e2出射后向显示元件40中的显示面40a(被照明部件中的被照射区域，图像显示区域)照射的照明光的照射区域向中心侧变窄。即，可以减少向显示面40a的外侧照射的照明光，提高该照明光的利用效率。特别地，第2出射面26e1、26e2为了具有正的折射能力，在与入射面26a相对向的侧，设为从中心侧向外侧稍微倾斜的面。因而，由于通过该第2出射面26e1、26e2的倾斜可以调节照明光照射显示元件40的区域，因此容易制作该偏振分离元件26。
这样，本实施方式的投影机装置1在照明光学系统20设置偏振变换元件25，将从光源10放射的照明光分离为S偏振分量和P偏振分量的光，使S偏振分量的光直接出射，将P偏振分量的光变换为S偏振分量的光。从而，可以减少透过偏振光束分离器30的偏振分离面30a后不照射显示元件40的光，提高照明光的利用效率。从而，即使采用辉度小的光源10也可以投影明亮的图像，减少光源10消耗的功率。另外，通过提高从光源10放射的光的利用效率，可以抑制该投影机装置1的发热，实现该投影机装置1的小型化。而且，构成偏振变换元件25的偏振分离元件26中，通过使第2出射面26e1、26e2具有正的折射能力，可以使照明光照射显示元件40的显示面40a，因此可以进一步提高照明光的利用效率。
这里，显示元件40的显示面40a设为近似矩形形状。为了使从光源10放射的照明光高效照射显示面40a，必须将从光源10圆锥状放射的照明光的显示面40a中的截面形状(轮廓形状)变换为与显示元件40的显示面40a近似同一的轮廓形状且近似相同的大小。换言之，必须使从通常具有圆形形状的光源10放射的照明光的轮廓形状与显示元件40的显示面40a的轮廓形状即近似矩形形状近似一致。因此，该投影机装置1中，聚光透镜群21如下构成。
如图4所示，构成聚光透镜群21的第1聚光透镜22及第2聚光透镜23中最靠光源10侧的面，即，第1聚光透镜22的光源10侧的面22a形成为具有因围绕光轴Ax1的旋转角而异的折射能力的自由曲面。即，第1聚光透镜22构成为自由曲面聚光透镜。通过该自由曲面22a，从光源10放射的照明光的照度变得均一，照明光的轮廓形状变换为与显示元件40的显示面40a的轮廓形状相似的矩形形状。通过自由曲面22a的照明光由聚光透镜群21的其他透镜面进一步会聚，构成为以与显示元件40的显示面40a近似同一形状、近似同一大小的方式进行照射。
自由曲面22a如下确定。假定切断光轴Ax1并与发光部10a、自由曲面22a及显示元件40的显示面40a交叉的假想平面。以从发光部10a中的与该假想平面交叉的区域放射的照明光，在自由曲面22a中的与假想平面交叉的区域会聚，对显示元件40的显示面40a中的与假想平面交叉的区域进行照明的方式，考虑其他透镜面的放大率，确定自由曲面22a。然后，使该假想平面相对于光轴Ax1每隔预定的角度旋转，按各旋转角确定自由曲面22a。若以显示元件40的显示面40a的长边方向为y轴，短边方向为z轴，光轴Ax1方向为x轴，则围绕该光轴Ax1的旋转角θ在该显示面40a的长边方向(y轴方向)成为θ＝0°，在短边方向(z轴方向)成为θ＝90°。例如，在具有在长边和短边的比为4∶3的显示面40a的显示元件40的场合，该显示面40a的对角方向成为θ＝36.87°。
这样，可以将聚光透镜群21的至少一个透镜面设为自由曲面。即使该场合，从光源10圆锥状放射的照明光的轮廓形状也可以变换为与显示元件40的显示面40a近似相同的矩形形状，并且照度均一。其结果，可以减少从光源10放射的光的损失，利用照明光，因此，即使采用辉度小的光源10，也可以减少光源10消耗的功率。而且，通过减少从光源10放射的光的损失，可以抑制该投影机装置1的发热，实现该投影机装置1小型化。这样，通过在聚光透镜群21设置自由曲面22a，可以在聚光透镜群21的功能中，由自由曲面22a分担照明光的轮廓形状的变形功能和照度的均一化功能，由聚光透镜群21的其他透镜面分担会聚功能。结果，可以提高自由曲面22a的设计的自由度，并且可以使设计容易进行。另外，通过由聚光透镜群21将照明光的轮廓形状设为近似矩形形状，即使不设置光圈24也可以使照明光入射偏振变换元件25(偏振分离元件26)的入射面26a内。
接着，详述发光部10a的构造。图5是发光部10a的x-z平面中的截面图。本实施方式中的发光部10a是层叠了p型电极11、p型半导体12、发光层13、n型半导体14及n型电极15的LED芯片。若在p型电极11和n型电极15之间施加电压，则位于p型半导体12和n型半导体14之间的发光层13发光，从p型电极11侧的发光面照射照明光。
p型电极11为了提高光取出效率并使电流密度均一，在p型半导体12的表面直线状整列排列。因而，在发光部10a的发光面，形成由p型电极11起因的图形形状。
图6A是从照明光出射侧(偏振光束分离器30侧)观察光源10的图。如图6A所示，本实施方式的发光部10a的发光面为大致正方形的形状，由沿y轴方向(图1中的前后方向、图6A中的左右方向)的2个分割线16(p型电极11)分割为3个区域。上述分割为3个的区域在发光部10a中形成分割图形。
图6B是从显示面40a侧(偏振光束分离器30侧)观察显示元件40的图。本实施方式的显示面40a形成具有长边方向LS和短边方向SS的矩形形状。长边和短边的比率为例如4∶3。
在发光部10a的发光面形成任何图形的场合，该图形若在显示面40a投影，则与该图形对应的部分光量不足，在投影面呈现照明不均。本实施方式中，光源10配置为使显示面40a中分割线16的方向和显示面40a的短边方向SS近似平行。这样，LED芯片的芯片图形难以在显示面40a成像。以下，说明芯片图形难以成像的理由。
图7及图8是来自光源10的照明光的光路的截面图。图7是x-y平面中的截面图，图8是x-z平面中的截面图。图7及图8中，为了使说明简单，省略了偏振光束分离器30具有的偏振分离面30a，描绘了各部分。
如前述，聚光透镜群21将从正方形的发光部10a圆锥状放射的照明光的轮廓形状变换为与显示面40a近似相同的轮廓形状且近似相同的大小。发光部10a的大小比显示面40a小，因此在发光面形成的分割图形形状被大的拉伸，向显示面40a投影。另一方面，显示面40a具有长方形形状，因此如图7及图8所示，在短边方向SS和长边方向LS，拉伸发光面的分割图形形状的倍率不同。
发光面的分割图形形状成像的位置如图7及图8可知，在短边方向SS离显示面40a近。即，短边方向SS中，与长边方向LS相比，发光面的分割图形形状更明显成像。本实施方式中，光源10配置为使显示面40a中分割线16的方向(y轴方向)和显示面40a的短边方向SS近似平行。通过这样配置各部件，分割线16难以在显示面40a中成像，因此显示面40a中难以发生照明不均。
根据上述第1实施方式的投影机装置，可以获得如下的作用效果。
(1)投影机装置1具有照明光学系统20，其向具备具有长边方向LS和短边方向SS的矩形形状的显示面40a的显示元件40照射光。该照明光学系统20具备：具有由沿y轴方向的分割线分割为3个区域的发光面的正方形发光部10a；会聚来自发光面的光并照射显示面40a的聚光透镜群21。聚光透镜群21通过在显示面40a的长边方向LS和短边方向SS使发光面的成像位置不同，以来自发光面的光的照射区域的轮廓形状成为近似矩形形状的方式聚光。发光部10a配置为使显示面40a中y轴方向和短边方向SS近似平行。这样，可以防止在被照明部件形成发光面的分割图形的像所导致的照明不均。
(2)聚光透镜群21会聚来自发光部10a的光，使得与显示面40a的短边方向SS对应的方向的长度比与显示面40a的长边方向LS对应的方向的长度短。这样，可以防止分割图形在显示面40a中明显成像。
(3)聚光透镜群21是使来自发光部1oa的光会聚为与显示面40a的形状近似同一的自由曲面透镜。这样，可以更有效利用来自光源10的光。
(4)在聚光透镜群21和显示元件40之间，配置使向显示元件40照射的光的偏振方向一致的偏振变换元件25。另外，在聚光透镜群21和显示元件40之间配置的偏振分离元件26的第2出射面26e1、26e2具有正的折射能力。这样，可提高光源10的光的利用效率。
第2实施方式
图9是从x-y平面观察本发明的第2实施方式的投影机装置的照明光学系统的截面图。另外，以下的说明中，与第1实施方式的投影机装置1实现同等的功能的部件附上与第1实施方式相同的符号，说明省略。
本实施方式的投影机装置2，取代图1所示光源10，具备图9所示光源100。光源100由出射红色光的红色LED110、出射绿色光的绿色LED120、出射蓝色光的蓝色LED130及将这些3个色光合成的交叉分色棱镜140构成。红色LED110与第1实施方式的光源10同样，由发光部110a和盖110b构成，发光部110a的发光面形成与发光部10a同样的图形。绿色LED120及蓝色LED130也同样。
各LED分别在发光部110a、120a、130a的发光面形成的分割线的方向被配置为与显示面40a的短边方向SS近似平行。即，发光部110a的发光面的分割线沿着x轴方向，发光部120a的发光面的分割线沿着y轴方向，发光部130a的发光面的分割线沿着x轴方向。
根据上述第2实施方式，即使合成3灯的LED的光源也可以获得与第1实施方式同样的作用效果。
第3实施方式
图10是从x-y平面观察本发明的第3实施方式的投影机装置的照明光学系统的截面图。本实施方式的投影机装置的照明光学系统230具备分时出射红、绿、蓝的各色光的光源部231、全反射棱镜232、保护部件233、微镜装置234、投影透镜235。
光源部231包含：时间序列地点亮的3个高辉度LED231R、231G、231B；将这些高辉度LED分别出射的各光束会聚作为近似平行光束出射的聚光透镜238；向全反射棱镜232出射该近似平行光束的交叉分色棱镜239。高辉度LED231R是红色LED，出射红色的光束。上述近似平行光束考虑了制造误差，优选完全为平行光束。同样，高辉度LED231G是绿色LED，高辉度LED231B是蓝色LED，分别出射绿色、蓝色的光束。这些高辉度LED分别出射的各光束由各高辉度LED的前方配置的聚光透镜238会聚为近似平行光束出射。由这样出射的近似平行光束形成后述照射微镜装置234的光束。
如图10所示，这3个高辉度LED231R、231G、231B和分别对应的聚光透镜238的距离不均等。例如，高辉度LED231R和聚光透镜238的距离为0.48mm，高辉度LED231G和聚光透镜238的距离为0.37mm，高辉度LED231B和聚光透镜238的距离为0.25mm。这是为了使以各个高辉度LED为光源的红色、蓝色、绿色的3色光束的投影时不出现轴向色差。
从各个聚光透镜238出射的3色近似平行光束由交叉分色棱镜239分时合成，作为合成光束向全反射棱镜232出射。全反射棱镜232由第1棱镜232a和第2棱镜232b以0.02mm的间隔贴合构成。通过隔着该间隔，形成后述全反射面241。第1棱镜232a的光源部231侧的面240是从光源部231出射的近似平行光束的入射面，形成自由曲面。该自由曲面会聚该平行光束，使来自光源部231的光的照射区域的轮廓形状与微镜装置234的显示区域的轮廓形状近似一致。第2棱镜232b的投影透镜235侧的面242是非球面，来自微镜装置234的反射光从第2棱镜232b的面242出射时，由该非球面修正该反射光的像差。
保护部件233是保护微镜装置234的显示面的透明部件。微镜装置234是微小反射镜二维状排列的反射型显示元件。本实施方式中，第1棱镜232a及第2棱镜232b分别由折射率约1.5309的树脂(例如，环烯烃聚合物)或玻璃材料构成。同样，交叉分色棱镜239由折射率约1.5187的树脂或玻璃材料构成，保护部件233由折射率约1.52的树脂或玻璃材料构成，聚光透镜238由折射率约1.6231的树脂或玻璃材料构成。另外，构成微镜装置234的各反射镜中，反射面的倾斜角可设定成+12度和-12度。
接着，说明以上构成的照明光学系统230的动作。投影机装置若连续点亮高辉度LED231R、231G、231B，则这些高辉度LED的各光束经由聚光透镜238作为近似平行光束入射交叉分色棱镜239。
交叉分色棱镜239向第1棱镜232a的面240出射将来自3个聚光透镜238的3个近似平行光束合成的合成光束。该合成光束也是近似平行光束，该合成光束经由自由曲面即面240入射全反射棱镜232，由全反射面241全反射后从面244出射，经由保护部件233入射微镜装置234的显示面(显示区域)。即，全反射棱镜232将从交叉分色棱镜239出射的合成光束由全反射面241全反射后导向微镜装置234的显示区域。导向微镜装置234的显示区域的该合成光束入射该显示区域，来自该显示区域的反射光从面244入射全反射棱镜232，透过全反射面241后从作为非球面的面242出射。然后，该反射光经过投影透镜235在拍摄机正面投影。全反射面241是上述第1棱镜232a与第2棱镜232b隔着0.02mm的间隔的第1棱镜232a的面。
为了实现投影机装置的小型化，本实施方式的光源部231如下构成。图10所示出射光轴243是由交叉分色棱镜239出射的合成光束的光轴。本实施方式的光源部231配置为使出射光轴243相对于微镜装置234的入射面(面244)在图10箭头246所示方向倾斜预定角度。预定角度优选是图10所示约10.59度，考虑到制造误差，包含在10度到11度的范围即可。
若这样倾斜来自光源部231的出射光轴243，则全反射面241全反射的光束的出射面(面244)和全反射面241形成的顶角245的角度比出射光轴243和微镜装置234的入射面(面244)平行时小。结果，可以减小面244和面242之间的距离。即，通过使出射光轴243相对于微镜装置234的入射面(面244)倾斜，与出射光轴243和微镜装置234的入射面(面244)平行时比，可以使全反射棱镜232小型化。顶角245的角度优选为图10所示约32度，考虑制造误差，包含在31.5度到32.5度的范围即可。
本实施方式的微镜装置234的显示区域的轮廓形状是与图6B所示的第1实施方式的显示元件40的显示面40a同样的近似矩形形状，与纸面平行的方向(x轴方向)是长边，纸面的前后方向(y轴方向)是短边。第1棱镜232a的光源部231侧的面240形成自由曲面，从光源部231出射的近似平行光束通过该自由曲面，会聚为与微镜装置234的显示区域的轮廓形状近似一致。
另外，高辉度LED231R、231G、231B分别与第2实施方式的红色LED110、绿色LED120、蓝色LED130同样，在发光面形成图6A所示图形。各LED分别在发光面形成的分割线的方向被配置为与微镜装置234的显示区域的短边方向近似平行。即，高辉度LED231R的发光面的分割线沿着x轴方向，高辉度LED231G的发光面的分割线沿着y轴方向，高辉度LED231B的发光面的分割线沿着x轴方向。
根据上述第3实施方式，可以获得第2实施方式同样的作用效果。
如下变形也包含在本发明的范围内，变形例的一个或者多个也可以与上述的实施方式组合。
变形例1
上述的各实施方式中，显示元件40的显示面40a具有4∶3的纵横比的矩形形状，但是显示面40a的形状也可以不是这样的形状。具体地说，只要是具有长边方向和短边方向的矩形形状，则可以是任何形状。
变形例2
显示元件40也可以是反射型的液晶元件即LCOS(Liquid Crystal onSilicon，硅基液晶)以外的显示元件。例如，也可以是反射型的显示元件即DMD(Digital Mirror Device，数字微镜器件)，也可以是透过型的液晶元件即LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)。
变形例3
发光部10a的发光面的形状是矩形形状即可，不必是上述的各实施方式的正方形。另外，分割线分割的区域数可以比3个多或者少。
变形例4
即使将聚光透镜群21置换为单一的聚光透镜也可以适用本发明。另外，聚光透镜群21不一定要包含使来自光源的光会聚以形成与显示面40a的形状近似相同的自由曲面透镜。该场合，聚光透镜群21只要是聚光透镜，通过在长边方向和短边方向使发光面的成像位置不同而使来自发光面的光的照射区域的轮廓形状成为近似矩形形状即可。例如，也可以是会聚圆柱形透镜、变形透镜，使得来自发光面的光的照射区域的轮廓形状成为包含显示面40a椭圆形状。即使采用这样的透镜，也可以使发光面的成像位置在显示面40a的长边方向和短边方向不同，从而，可以获得与采用自由曲面透镜的场合同样的作用效果。
变形例5
上述各实施方式是采用本发明的照明光学系统的投影机装置。本发明也可以适用于在投影机装置以外的装置采用的照明光学系统。例如显微镜中，将本发明适用到向试料照射光中采用的照明光学系统也可以获得上述各实施方式同样的作用效果。
变形例6
上述各实施方式中，说明了由偏振变换元件25将从光源10放射的照明光变换为S偏振分量(偏振成分)的光的场合，但是也可以采用将照明光变换为P偏振分量的光的构成。
变形例7
来自光源的照明光也可以不是白色光。例如，也可以仅仅将照射红色光的红色LED作为光源。另外，只要具有由沿预定方向的分割线分割为多个区域的发光面，也可以采用LED以外的部件作为光源。
只要不损害本发明的特征，本发明不限于上述实施方式，在本发明的技术思想的范围内考虑的其他方式也是本发明的范围所包含的。

Claims (9)

1.一种照明光学系统，具备：
近似矩形形状的光源，其具有由沿预定方向的分割线分割为多个区域并形成分割图形的发光面；
被照明部件，其具备由长边方向和短边方向构成的矩形形状的被照射区域；以及
光学部件，其通过在上述被照射区域的上述长边方向和上述短边方向使上述发光面的成像倍率不同，以使来自上述发光面的光的照射区域的轮廓形状成为近似矩形形状的方式聚光，并照射上述被照射区域；
上述光源配置为使得在上述被照明部件形成上述光源的上述发光面的上述分割图形的像所导致的照明不均被降低。
2.如权利要求1所述的照明光学系统，其特征在于，
上述光源配置为使上述被照射区域中的短边方向和上述预定方向近似平行。
3.如权利要求2所述的照明光学系统，其特征在于，
上述光学部件包括聚光透镜。
4.如权利要求3所述的照明光学系统，其特征在于，
上述聚光透镜包括以下透镜的至少一个：以使上述照射区域的轮廓形状成为与上述被照射区域的形状近似相同的方式聚光的自由曲面透镜，以使上述照射区域的轮廓形状成为包含上述被照射区域的椭圆形状的方式聚光的圆柱形透镜，或以使上述照射区域的轮廓形状成为包含上述被照射区域的椭圆形状的方式聚光的变形透镜。
5.如权利要求3所述的照明光学系统，其特征在于，
上述光源具有发光二极管。
6.如权利要求5所述的照明光学系统，其特征在于，
上述光源具有的发光二极管包括白色发光二极管、红色发光二极管、绿色发光二极管或蓝色发光二极管之中的至少一个。
7.如权利要求3所述的照明光学系统，其特征在于，
还具备偏振变换元件，其在上述聚光透镜和上述被照明部件之间配置，使向上述被照明部件照射的光的偏振方向一致，
在上述聚光透镜和上述被照明部件之间配置的光学部件的光学面的至少一面具有正的折射能力。
8.一种投影机装置，具备权利要求1或2所述的照明光学系统。
9.如权利要求8所述的投影机装置，其特征在于，
上述被照明部件由反射型液晶元件或微镜装置构成。
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