专利名称：照明装置及照明方法
技术领域：
本发明涉及对在屏幕上投影大画面图像的例如投影型显示装置中的显示器件进行照明的照明装置及照明方法。
背景技术：
近年来，作为可作大画面显示的投影型图像设备，采用各种光调制元件的投影型显示装置(Projector)引人注目。这种投影型显示装置，是采用光发生装置即光源发出的光，对透射型或反射型的液晶、或利用配置成阵列状的微镜能改变反射方向的DMD(数字微镜器件)等能进行光调制的光调制元件进行照明，在光调制元件上形成对应于从光调制元件外部供给的图像信号的光学像，通过投影透镜将利用光调制元件调制的照明光即光学像放大投影到屏幕上。
作为这样投影的大画面的重要光学特性，可举出有亮度及其均匀性。重要的是要将光源即灯发出的光更有效地聚光到受光面即光调制元件，以及用亮度均匀的光束进行照明，迫切要求光调制元件对照明的照明装置能提高效率、亮度均匀化。
为适应这样的要求，提出具有用例如异形孔径透镜构成的透镜阵列的照明装置。图9示出其构成。设于抛物面镜102内的灯101发出的光，由将大致相同形状孔径的透镜作二维配置的第1透镜阵列到110将光束进行分割。其后通过具有与各被分割光束相同数量即与第1透镜阵列110的透镜相同数量的透镜数的第2透镜阵列112，到达受光面106。即，配置第2透镜阵列112，使从第1透镜阵列110的规定透镜到达的光束通过第2透镜阵列112上对应的透镜，到达受光面106(有效区域)。被分割的光束分别到达并重叠于受光面106上。
例如，图9中示出的情况是，第1透镜阵列110中通过从上面数起第2个透镜的光，通过位于对应关系的第2透镜阵列112的从上面数起的第2个透镜，照射于受光面106上。这样，由第1透镜阵列110所分割的各光束，通过位于对应关系的第2透镜阵列112的各透镜，重叠于受光面106上，因此，即使灯101发出的光的辉度分布不均匀，也能在受光面106上得到均匀的亮度。
另外，这时入射到第1透镜阵列110的与光轴大致平行的光，由第1透镜阵列110内的各透镜所聚光，在第2透镜阵列的对应的各透镜上形成光源像。这时，根据光源与抛物面镜的光学特性，在第2透镜阵列112上，靠近光轴7的光成像形成相对的大的像，远离光轴7的光成像形成相对的小的像。因此，如图9所示，第2透镜阵列112上，在近光轴的中心部配置孔径大的透镜，在远光轴的周边部配置孔径小的透镜。这样，作为第2透镜阵列112，通过采用如上所述的异形孔径的透镜构成的透镜阵列，能力求提高照明装置的效率。
为在上述方法中更加提高效率，通过调整第1透镜阵列110内的透镜的各曲率中心位置(产生偏心)，来变更第2透镜阵列112上形成的光源像的配置。例如，或扩大光轴附近的光源像的间隔，使光轴附近的光源像不重叠，或调整第1透镜阵列110内的透镜的各曲率中心位置，使周边部的光源像间的间隔变窄而无大的无用的间隙。另外，在第2透镜阵列112上，一面保持使周边部的光束通过的孔径大小，一面加大使光轴附近的光束通过的孔径等，通过这样能减少从孔径溢出的光。这样，通过对第2透镜阵列的形状进行优化，使第2透镜阵列112内的各透镜包括各光源像，就能得到更高的光利用效率(例如参照特开平05-346557号公报)。图10示出如此得到的第2透镜阵列112上形成的像的一例。
另外，也有如图11所示利用多个光源以获得更高效率的照明系统(例如参照特开2000-171901号公报)。这时，第2透镜阵列112并不形成如特开平05-346557号公报所述那样的最佳形状，而是用具有与第1透镜阵列110大致相同形状(相同形状孔径)的第2透镜阵列构成。
在特开2000-171901号公报所述的构成与特开平05-346557号公报所述的构成中，使用特开2000-171901号公报所述的多个光源的合成方法的构成也与光源为单数时的相同，在透镜阵列112的中央部分形成的光源像相对于周边部分形成的光源像，形成较大的光源像。参照图11说明这种现象如下。
椭圆面镜2与透镜相同，具有成像作用，故第1焦点15的发光部16发射的光束聚光于第2焦点17附近，在棱镜4上的第2焦点17侧形成发光部16的像。但是椭圆面镜2作用与透镜的作用有如下差别。即，当使用透镜代替使用椭圆面镜2时，从发光部16的位置至有成像作用的透镜面的距离，与从透镜面至成像的位置的距离的比，在透镜情况下，通过透镜的哪个位置都大致一定。相反，在使用椭圆面镜2的情况下，从配置灯1的发光部16的第1焦点15至有成像作用的椭圆面镜2的反射面的距离近时，从其反射面位置至形成光源像的第2焦点17侧的距离变远。在这样的情况下，在棱镜4上的第2焦点17侧形成较大的光源像。反之，从第1焦点15至椭圆面镜2的反射面的距离越远，从椭圆面镜2的反射面至第2焦点17的距离则越近。这时，在第2焦点17侧形成比较小的光源像。
因此，在图11所示的光学系统中，当灯1的发光部16发射的光束在椭圆面镜2的光轴附近被反射时，则从椭圆面镜2的反射面至棱镜4上的第2焦点17侧的距离相对地变远。如图11的单箭头所示，经过这样的路径入射到棱镜4的合成反射镜6的光束，其出射角度大，入射至透镜8的光轴附近。结果，该光束通过第1透镜阵列110的光轴7附近的透镜109，在第2透镜阵列112的中央部分的透镜111形成相对较大的光源像。
另一方面，当灯1的发光部16发射的光束在椭圆面镜2的离光轴较远的地方被反射时，从椭圆面镜2的反射面至棱镜4上的第2焦点17侧的距离相对变近。如图11的双箭头所示，经过这样的路径入射到棱镜4的合成反射镜6的光束，其出射角度小，入射至透镜8的离光轴较远位置。结果，该光束通过第1透镜阵列110的离光轴较远的透镜109，在第2透镜阵列112的周边部分的透镜111形成相对较小的光源像。此外，有关灯1’、椭圆面镜2’的情况也与上述相同。
这样一来，在第2透镜阵列112上，中央部分形成相对较大的2个光源像，周边部分形成相对较小的2个光源像。另外，由于中央部分与周边部分上光源像的大小不同，故形成第2透镜阵列112上的2个光源像的间隔也不同，在中央部分大致为无间隔状态或窄间隔状态，而在周边部分形成相对较大的间隔，图12示出如此形成的第2透镜阵列上的光源像的一例。图12示出例中，透镜9是36个，光源数是2个，在透镜阵列12上形成72个光源像。
使用第1透镜阵列110和第2透镜阵列112的照明光学系统中，各透镜109聚光的光源像，只在通过对应的第2透镜阵列112的各透镜111的孔径时，才作为有效光束对应照明的区域进行照明。因此，为增加对应照明区域进行照明的光束，与单个光源的情况同样，考虑加大第2透镜阵列112的中心部分的各透镜111的孔径。
另外，其他的光学系统中，即使是用1个光源时，在也将分离成自然光具有的2个偏光成分的光学系统配置于第1透镜阵列110与第2透镜阵列112之间的情况下，或由2个光源出射、在各自通过第1透镜阵列110后到达第2透镜阵列112之前，使2个光轴大致一致的光学系统中，与第1透镜阵列110所含的透镜数NLA1相比，使第2透镜阵列112所含的透镜数NLA2等于从1个光源用偏光成分或波长带宽分割的光束数，或等于光源数N＝2乘第1透镜阵列的透镜数NLA1，即(式1)NLA2＝2×NAL1，从而构成用多个光束或光源的照明装置(例如参照特开平11-66926号公报，特许第3301951号公报)。
然而，当假设光源为多个且第2透镜阵列为同形孔径或异形孔径时，由于在第2透镜阵列112的周边部的透镜上形成的1组光源像间存在间隙，故存在不能更提高效率的问题。这时如在该1组的光源像的间隙中配置由与第1透镜阵列110的上述规定的透镜109不同的透镜形成的光源像时，则插入该1组的光源像间的由上述另外透镜109’形成的光源像的光束，由于不能聚光在从第2透镜阵列应照明的区域内，故结果照明装置的光利用效率下降。
以下对这一点作具体说明。图13示出使用异形孔径透镜作为第2透镜阵列112时的、2个光源像在第2透镜阵列112上的配置。从图13可见，第2透镜阵列周边部的光源像与中央部的光源像相比，形成的像小，而互相之间间隔大。
图14(a)示出使用异形孔径透镜作为第2透镜阵列112时的、光束通过第1透镜阵列110和第2透镜阵列112到达受光面114的路径。通过第1透镜阵列110的规定透镜109的光，经由与透镜109对应的第2透镜阵列112上的透镜111，到达应照明的区域即受光面114的全部(图14(a)所示的有效区域)。另外，同样地，通过第1透镜阵列110的另一规定透镜109’的光，经由与透镜109’对应的透镜111’，到达应照明的区域即受光面114的全部。
其次，为了充分利用图13所示的透镜阵列112的周边部的1组光源像之间的间隙，考虑配置另1组光源像。如图14(b)所示，调整透镜109’的偏心，使通过第1透镜阵列110的透镜109’的光束到达透镜111，而不到达透镜111’。
也就是说，调整透镜109’的偏心，使透镜阵列110上的由规定透镜109之外的透镜109’聚光的1组光源像中至少1个光源像落入由透镜阵列110的规定透镜109聚光的1组光源像之间。因此，这时具有1个曲率中心的1个孔径即透径111就至少包括3个光源像。
第2透镜阵列112内的透镜111的曲率中心是这样对应确定，使得通过第1透镜阵列110的透镜109的光束经由透镜111对受光面114进行照明。因此，通过透镜109’到达具有与透镜109的对应关系的透镜111的光束，不能全部到达应照明的区域即受光面114(有效区域)，即上述的光束到达图14(b)所示的无效区域。由此原因，为将上述规定透镜以外的透镜109’形成的光源像配置于由第1透镜阵列110的规定透镜109形成的光源像的间隙中而使第1透镜阵列110偏心的以往的设计方法和构成中，使照明装置的光利用率降低。
另外，关于图14中的第2透镜阵列112具有的透镜与图9所示的第2透镜阵列112具有的透镜，其数量与形状在图上虽有不同，但对说明的本质而言并无关系。
特开平05-346557号公报和特许第3301951号公报所述的构成中，存在与上例相同的问题。又，通过照原样全部引用上述文献的全部揭示内容，与本文结合成一体。
发明内容
本发明鉴于上述问题，其目的在于提供能提高多个光源的利用效率的照明装置及照明方法。
根据本发明，能够提高可提高多个光源的利用效率的照明装置及照明方法。
为解决上述问题，第1本发明是照明装置，具备多个光源；具有使从所述多个光源出射的光与各光源对应地在规定方向上反射的反射面的反射装置；与所述反射装置隔开规定间隔配置的、具有多个透镜的第1透镜阵列；以及与所述第1透镜阵列隔开规定间隔配置的、具有多个透镜的第2透镜阵列，形成所述第1透镜阵列，使利用通过所述第1透镜阵列的规定透镜的所述多个光源出射的光，在所述第2透镜阵列的多个透镜中的与所述第1透镜阵列的规定透镜对应的透镜上，具有规定间隔地形成所述多个光源的像，并且将由所述第1透镜阵列的规定透镜的另外的透镜形成的多个像中全部或一部分实质上配置于所述形成的多个光源像之间，形成所述第2透镜阵列，使在所述第2透镜阵列上形成光源像的光束以规定的关系对受光面上进行照明。
第2本发明是第1本发明的照明装置中，偏心地形成所述第1透镜阵列的另外的透镜，使由所述另外的透镜形成的多个像中全部或一部分配置于利用所述第1透镜阵列的规定透镜形成于所述第2透镜阵列上的多个像之间。
第3本发明是第2本发明的照明装置中，形成所述第2透镜阵列，使经由所述第1透镜阵列的所述另外的透镜形成于所述第2透镜阵列上的像被引导到所述受光面中应照明的区域。
第4本发明是第3本发明的照明装置中，形成所述第2透镜阵列，使形成所述第2透镜阵列上的、通过所述第1透镜阵列的所述另外的透镜形成的像的透镜的曲率中心实质上不变更。
第5本发明是第4本发明的照明装置中，形成所述第2透镜阵列上的、通过所述第1阵列的所述另外的透镜形成的像的多个透镜，至少夹着形成通过所述第1透镜阵列的所述规定透镜形成的像的一个透镜配置。
第6本发明是第5本发明的照明装置中，所述多个光源由第1光源与第2光源构成，所述第2透镜阵列包含第1透镜、第2透镜、第3透镜、以及第4透镜，使通过所述第1透镜阵列的规定透镜的像对所述受光面进行照明用的第1透镜与第3透镜形成于所述第2透镜阵列上，使通过所述第1透镜阵列的另外的透镜的像对所述受光面进行照明用的第2透镜与第4透镜形成于所述第2透镜阵列上，使所述第1透镜的曲率中心和所述第3透镜的曲率中心大致一致，形成第1曲率中心，使所述第2透镜的曲率中心和所述第4透镜的曲率中心大致一致，形成与所述第1曲率中心不同的第2曲率中心，按编号顺序配置所述第1透镜、所述第2透镜、所述第3透镜、所述第4透镜。
第7本发明是第1本发明的照明装置中，在所述第2透镜阵列中，形成近光轴的透镜的孔径比远光轴的透镜的孔径来得大，形成离光轴远的透镜的孔径比离光轴近的透镜的孔径来得小。
第8本发明是第1本发明的照明装置中，形成所述第1透镜阵列，使在由所述第1透镜阵列的规定透镜形成于所述第2透镜阵列上的多个像之间的间隔中最大间隔即第1规定间隔中，配置由所述第1透镜阵列的另外透镜隔开小于所述第1规定间隔的第2规定间隔地形成的、在所述第2透镜阵列上形成的像中最大的像。
第9本发明是第8本发明的照明装置中，所述多个光源由第1光源与第2光源构成，形成所述第1透镜阵列，使得用所述第2规定间隔除由所述第1透镜阵列的规定透镜形成的第1光源产生的像的宽度得到的值，大于用所述第1规定间隔除由所述第1透镜阵列的另外透镜形成的第2光源产生的像的宽度得到的值。
第10本发明是第1本发明的照明装置中，进一步具备与所述第2透镜阵列隔开规定间隔地配置于所述第2透镜阵列与所述受光面之间、并提供图像信息用的显示器件。
第11本发明是照明方法，具备使多个光源照射的光利用与各光源对应的反射装置按规定方向反射、并引导到与所述反射装置隔开规定间隔地配置的多个多个透镜的第1透镜阵列的步骤；与所述第1透镜阵列隔开规定间隔地配置的具有多个透镜的第2透镜阵列；将通过所述第1透镜阵列的规定透镜的所述多个光源发出的光引导到与所述第1透镜阵列隔开规定间隔地配置的、具有多个透镜的第2透镜阵列的多个透镜中的与所述规定透镜对应的透镜上并具有规定间隔地形成所述多个的光源像的步骤；为了在所述形成的多个光源像之间实质上配置由所述第1透镜阵列的所述规定透镜的另外的透镜形成的多个像中全部或一部分、而形成所述第1透镜阵列的步骤；以及使所述第2透镜阵列上形成的像以规定的关系被对受光面上进行照明、而形成所述第2透镜阵列的步骤。
图1为本发明实施形态的照明装置的概略构成图。
图2(a)示出本发明实施形态的照明装置的第2透镜阵列形状的一例平面图。
图2(b)示出本发明实施形态的照明装置的第2透镜阵列形状的一例断面图。
图3(a)为本发明实施形态的照明装置中使用的透镜阵列的平面图。
图3(b)为本发明实施形态的照明装置中使用的透镜阵列的平面图。
图3(c)为本发明实施形态的照明装置中使用的透镜阵列的平面图。
图3(d)为本发明实施形态的照明装置中使用的透镜阵列的平面图。
图4示出本发明实施形态的照明装置的光源像配置决定方法的示意图。
图5(a)示出本发明实施形态的照明装置的第2透镜阵列形状的一例平面图。
图5(b)示出本发明实施形态的照明装置的第2透镜阵列形状的一例断面图。
图6(a)示出本发明实施形态的照明装置的第2透镜阵列形状的一例平面图。
图6(b)示出本发明实施形态的照明装置的第2透镜阵列形状的一例断面图。
图7示出本发明实施形态的照明装置的第2透镜阵列形状的一例平面图。
图8示出本发明实施形态的照明装置的一个构成例的概略图。
图9示出以往的具有异形孔径透镜的照明装置的构成概略图。
图10示出以往的具有异形孔径透镜的照明装置的第2透镜阵列中成像的光源像的一例示意图。
图11示出以往的具有多个光源的照明装置的构成概略图。
图12示出以往的具有多个光源的照明装置的第2透镜阵列中成像的多个光源像的一例示意图。
图13示出以往的具有多个光源并具有异形孔径透镜的照明装置的第2透镜阵列中成像的多个光源像的一例示意图。
图14(a)为说明以往的具有异形孔径透镜的照明装置的动作原理的概略图。
图14(b)为说明以往的具有异形孔径透镜的照明装置的动作原理的概略图。
标号说明1、1’灯2、2’椭圆面镜3、3’灯单元4、棱镜5、照明单元6、6’合成反射镜7、光轴8、9，11，13透镜10、12透镜阵列14、受光面15、15’第1焦点16、16’发光部17、17’第2焦点18、侧面具体实施方式
以下参照
本发明实施形态的照明装置的构成及动作。图1示出本发明实施形态的照明装置的概略构成。
本实施形态的照明装置，具有包括灯1和作为聚光装置的椭圆面镜2的、作为本发明的多个光源的一例的2个灯单元3；用反射膜涂覆其侧面18、形成作为本发明的反射面的一例的合成反射镜6的、三角柱形状的、作为本发明的反射装置的一例的棱镜4；与棱镜4隔开规定间隔地配置、使从灯单元3发射并经合成反射镜6反射的光束相对于照明单元5的光轴7成大致平行光束的透镜8；与透镜8的出射侧隔开规定间隔地设置、作为将多个透镜9配置成2维形状的本发明的第1透镜阵列的一例的透镜阵列10；与透镜阵列10的出射侧隔开规定间隔地配置、作为将多个透镜配置成2维形状的本发明的第2透镜阵列的一例的透镜阵列12；与透镜阵列12的出射侧隔开规定间隔地配置、用于将透镜阵列12出射的光束对受光面进行照明的透镜13；以及与透镜13隔开规定间隔地配置、用从透镜13出射的光束照明用的受光面14。
作为灯1，采用将发光物质的汞和惰性气体等封入玻璃管、点灯时玻璃管泡内的压力成为超高压的超高压汞灯、或其他发光效率高的金属卤化物灯、氙灯、卤素灯等。
灯1的发光部16配置于椭圆面镜2的一个焦点即第1焦点15，灯1发射的光聚光于椭圆面镜2的另一个焦点即第2焦点17侧。在该椭圆面镜2的第2焦点17的近旁，配置合成反射镜6的镜面，能使椭圆面镜2出射的光反射到照明单元5的方向上。同样，与一方的椭圆面镜2对向配置的另一方的椭圆面镜2’的灯1’发射的光，经另一方的椭圆面镜2’聚光后，由棱镜4的另一方合成反射镜6’的镜面也反射到规定的方向。这样，从2个灯1、1’发射的光作为向大致同一方向前进的光束，入射到照明单元5。
在合成反射镜6、6’近旁，椭圆面镜2、2’出射的光在第2焦点17、17’的近旁聚光成小的光源像，以合成反射镜6、6’的反射面近旁作为起点，扩大前进至照明单元5侧。这样，一边扩大一边进行的光入射到透镜8，变换成与照明单元5的光轴7大致平行的光束，从透镜8出射。
透镜8出射的光束被引入透镜阵列10的多个透镜9，分割成部分光束。经分割的各部分光束在具有与透镜阵列10内的各个透镜对应的透镜的透镜阵列12上，以与透镜阵列10内的各透镜孔径相似形状成像，通过透镜13重叠在应照明的区域即受光面14上。这样，入射到透镜阵列10的时刻，虽然光束中存在亮度不均匀，但通过重叠具有各种辉度分布的各部分光束，能在应照明区域内实现均匀性好的照明。
透镜阵列10与透镜阵列12被隔开间隔地配置，使透镜阵列10分割的部分光束聚光在透镜阵列12近旁。此外，图1所示的光学系统中，由于合成反射镜6、6’上形成的光源像各有一个，故由各透镜9聚光后的各部分光束也形成2个光源像。
因此，在透镜阵列12上形成透镜阵列10所含的透镜9的个数与合成反射镜6和6’上形成的光源像的个数的乘积数的光源像。
本发明实施形态的照明装置中，为了更有效地包含各光源像，来分割透镜阵列12的透镜中周边部的透镜。另外，如图1所示，为了在透镜阵列12的分割后的透镜上形成光源像，偏心地配置透镜阵列10的一部分透镜9’。即，如图1所示例中，使来自透镜阵列10的透镜9的2个光源像，分别形成在透镜阵列12的、本发明的第1透镜的一例即透镜21、和本发明的第3透镜的一例即透镜23上，作为光源像27、29，并使来自与透镜9之外的透镜9’的2个光源像，分别形成在透镜阵列12的、本发明的第2透镜的一例即透镜22、和本发明的第4透镜的一例即透镜24上，作为光源像28、30，按此来偏心配置透镜9’。
根据以往技术，透镜9对应的光源像形成于透镜阵列12的透镜11(设想具有透镜21、22、23组成的区域的透镜并称呼之)，透镜9’对应的光源像形成于透镜阵列12的透镜11’(设想具有与透镜22、23、24组成的区域而并不与透镜11的区域重叠的区域的透镜并称呼之)。所谓透镜阵列12的分割是指如上所述那样将透镜11分割为透镜21、22、23，将透镜11’分割为透镜22、23、24。
通过如此分割透镜阵列的透镜、并使一方的光源像夹在另一方的光源像之间来配置透镜，能够将透镜阵列12上的周边部区域比以往技术的第2透镜阵列112减小(例如到4/6)。
图2(a)、(b)进一步具体示明这种透镜阵列12中的透镜分割的概念。即，如图2(a)、(b)所示，透镜阵列12的周边部的透镜的孔径被分割成对应于来自透镜阵列10的规定透镜9的光源像的孔径即透镜21、和透镜23，以及对应于来自透镜阵列10的规定透镜9之外的另一透镜9’的光源像的孔径即透镜22、和透镜24。而且，透镜21、透镜22、透镜23、透镜24按该顺序排列。此外透镜21和透镜23的作为本发明第1曲率中心的一例的曲率中心25，与透镜22和透镜24的作为本发明的第2曲率中心的一例的曲率中心26，虽接近但错开配置。即，使透镜2 1的曲率中心与透镜23的曲率中心大致一致并形成曲率中心25，使透镜22的曲率中心与透镜24的曲率中心大致一致并形成曲率中心26，曲率中心25与曲率中心错开配置。
透镜21、23的曲率中心25与透镜11的曲率中心相一致。透镜22、24的曲率中心26与透镜11’的曲率中心相一致。即是说与分割或不分割透镜11、11’无关，实质上不变更(即在透镜11、11’的分割前后实质上被保存)形成透镜11、11’的曲率中心。即，形成的分割透镜11、11’后的曲率中心25、26与假设不分割透镜11、11’时的曲率中心相一致。
图2(a)示出形成于这种透镜阵列12上的透镜21～24的平面图，图2(b)示出其断面图。通过这种构成，由透镜9聚光的一个一个光源像通过具有曲率中心25的透镜21、23，由透镜9’聚光的一个一个的光源像通过具有曲率中心26的透镜22、24，作为有效光束朝着应照明的区域即受光面14作高效率的照明。
这样，通过分割在由透镜阵列10的透镜9形成的1组的光源像间容易形成大间隙的透镜阵列12周边部的透镜，各分割后的透镜组具有各自的规定曲率中心，从而能减少透镜阵列12上形成的光源像的间隙，用比以往更小的孔径有效地包括光源像。
例如，以往的照明装置中，透镜阵列12上，光源像27、29成像于透镜21、22、23形成的区域中，光源像28、30成像于与透镜21、22、23的区域所形成的区域之外的区域，即透镜22、23、24形成的区域中。因此，设透镜21～24的面积相同时，则为了在透镜阵列12上将来自上述规定透镜9的光源像与来自上述另外的透镜9’的光源像成像，就必须要有透镜21的6倍的面积。
但根据本发明的照明装置，能在透镜阵列12上用透镜21的4倍的面积将来自上述规定透镜9的光源像与来自上述另外的透镜9’的光源像成像。因此，可将透镜阵列12的周边部中可节约的区域用于增加透镜阵列12的中央部分透镜的孔径。或者，通过上述那样减小透镜阵列12的周边部的区域，可比以往的异形孔径透镜更加缩小透镜阵列12整体面积，也能够实现照明装置自身的小型化。
此外，图2(a)、(b)所示的例是一个例子，特别是关于曲率中心25、26，当然也可考虑图示以外的配置。
本发明的照明装置中，通过尽可能排除透镜阵列12上的不配置光源像的部分(间隙)，提高透镜阵列12上的光源像的充填率，就能够以较小的光学系统实现更高效率的照明系统。
这样，分割配置于透镜阵列12的周边部分的透镜，增加透镜阵列12的透镜数，从而可提高其照明装置的效率。
但是，当无限制地增加透镜阵列12的透镜数时，尽管在透镜阵列12的中央部分成像的1组光源像之间使由另外的透镜9’形成的光源像移动，但因光轴附近的光源像大，没有1组光源像间的间隙，几乎没有配置新光源像的地方。即是说，在透镜阵列12的中央部分的透镜上，由另外透镜9’形成的光源像的大部分与原来的光源像重叠。这时，由于必须将透镜曲率中心位置与透镜9、9’之中的某一方对应，故光源像的重复部分中的某一个光源像不能到达应照明区域，在照明效率上有损失。
因此，为更确实地获得上述效果，透镜阵列12的透镜数NLA2相对于透镜阵列10的透镜数NLA1只要满足关系
(式2)NLA1＜NLA2＜2×NLA1就可。
透镜阵列10和透镜阵列12的形状如果满足上面的式2，则各种形状都可以。作为例子，图3(a)中示出透镜9的数量为48个时的透镜阵列10的形状的一例，图3(b)中示出与图3(a)所示的透镜阵列10对应的、具有60个透镜的透镜阵列12的形状的一例。图3(c)中示出透镜阵列1 0的透镜9的数量为42个时的透镜阵列10的形状的一例。图3(d)示出与图3(c)所示的透镜阵列10对应的、具有46个透镜的透镜阵列12的形状的一例。
这样，通过分割透镜阵列12的透镜的一部分，所减小在透镜阵列12的周边部形成的1组光源间的间隙的部分，能够相应地或缩小透镜阵列12整体的大小，从而缩小照明装置整体，或扩大透镜阵列12中央部的透镜孔径，从而提高光利用效率。
其次，在透镜阵列10的规定透镜9形成的1组光源像间，配置由透镜阵列10的所述规定透镜9之外的透镜9’形成的1组光源像中至少一个光源像时，对于将上述透镜9’形成的1组光源像中哪一个光源像移动到上述规定透镜9形成的1组光源像间的间隙中更好，现说明如下。
图4、图5示出用实际形成于透镜阵列12的周边部的光源像的例子。如图4所示，在由规定的一个透镜9形成的1组光源像中，设连接各光源像的面积中心的直线上的大光源像的宽度为R1，小光源像的宽度为L1，该光源像间的间隙宽度为G1，同样，设上述别的透镜9’形成的1组光源像(即，对透镜9’未置偏心时形成于与本来透镜9’对应的透镜阵列12上的假想的透镜11’上的光源像)的宽度为R2、L2，这些光源像的间隙的宽度为G2。在组合这样2组光源像时，使大像的宽度(R1或R2)对各光源像间的间隙宽度(G1或G2)的比率尽可能小地来配置时，其效率高。
即，只要满足下式的关系来决定各光源像间的配置就行，(式3)R2/G1≥R1/G2。
例如，图4、图5所示的例中，与其将具有宽度L2的光源像38插入G1的间隙，或者与其将具有宽度L1的光源像37插入G2的间隙，不如将比具有宽度R2的光源像40具有更大宽度R1的光源像39插入具有比G1更大间隙的G2间隔中来构成，效率更好。
例如图5(a)用平面示出将光源像38配置于光源像37、39之间时的透镜阵列12的构成的一部分，图5(b)示出其断面图。透镜31和透镜33虽是分开的透镜，但具有同一曲率中心并夹着透镜32配置。而且，透镜32和透镜34虽是分开的透镜，但具有同一曲率中心并夹着透镜33配置。这时，由透镜31～33形成的曲率中心与透镜32～34形成的曲率中心虽互相接近，但错开地配置。
但，即使不采用上述配置时，但在比以往方法能更提高效率、或缩小照明装置尺寸方面，也能得到与上述同样的效果。
此外，在1组的光源像间的间隙大、并对该间隙插入由另外的透镜9’形成的相当小的光源像时，也可以构成为插入由多个别的透镜9’形成的2组以上的光源像，而不是1组光源像。这时也使曲率中心的位置互相接近但错开地将透镜阵列12的分割后的各透镜配置于具有通过1组光源像的透镜11的区域中，使来自对应的透镜9、9’的光束形成能到达应照明的区域内的有效照明。此外，偏心地配置透镜9、9’，使通过的光束聚光于透镜11上。
例如图6(a)示出将光源像51和光源像52配置于光源像50、53之间时的透镜阵列12的构成的部分平面图，图6(b)示出其断面图。这时，透镜41～44形成曲率中心47，透镜42～45形成曲率中心48，透镜43～46形成曲率中心49，互相接近但错开地配置曲率中心47、48、49。
即是说，透镜41的曲率中心与透镜44的曲率中心大致一致，形成曲率中心47，透镜42的曲率中心与透镜45的曲率中心大致一致，形成曲率中心48，透镜43的曲率中心与透镜46的曲率中心大致，一致形成曲率中心49，曲率中心47、48、49被错开地配置。但，各曲率中心与图2(a)、(b)所示的情况相同，与分割或不分割透镜11无关，且不变地形成。
这样，通过使尽可能以另外的光源像充填光源像间的间隙来形成透镜阵列10、透镜阵列12，可缩小形成于透镜阵列12上规定的透镜11的各曲率中心间的距离。因此，这种场合可进一步使透镜阵列12整体小型化，或通过扩大透镜阵列12中心部分的孔径来提高光利用效率。
又，如图7所示，在2组光源像中单侧的光源像比较小，对整体的光利用效率没有大的作用时，透镜阵列12的分割后的透镜也可用4个透镜11中的3个或2个来构成透镜11。
这样，根据本发明，通过将透镜阵列12分割得比透镜阵列10来得细，可减小透镜阵列12上形成的多个光源像间生成的间隙区域，得到光利用效率高的照明装置。又，若使用本发明的照明装置，则可实现光利用效率高的投影型显示装置。
又，为表现图12、图2(a)所示光源像大小所描出的外形，是用具有以光源像中的最大辉度作为100％时的10～30％的辉度的等辉度线表示。这种等辉度线是通过作为光源像取入透镜11的孔径中来表示对光利用效率产生影响的范围的指标。因此，在通过如上述那样形成透镜阵列10、透镜阵列12，其等辉度的外形全被包含于透镜11中的情况下，采用上述方法可得到大的效果。然而，即使在上述等辉度线外形之间的一部分被重叠时，或上述等辉度线外形的一部分溢出透镜11时，作为光学系统整体往往也能获得提高效率或缩小透镜阵列12的尺寸等的效果。
又，此前说明的所谓多个光源像间的间隙或间隔，是表示在连接由上述等辉度线包围的像的面积中心之间的线上的、从1个等辉度线至另一等辉度线的距离。然而，光源像之间的间隔也可用其他方法来定义。
又，此前的说明中，作为本发明的反射装置，是示出具有用反射膜涂覆其侧面的合成反射镜6、6’的三角柱形的棱镜4，但本发明的反射装置不限于棱镜4，也可用2块反射镜构成，只要是使2个光源发射的光束向照明单元5的方向反射的构成，哪一种都行。
又，此前的说明中，作为聚光装置是示出使用椭圆面镜2的例子，但也可用抛物面镜作为聚光装置。而且也可考虑使用透镜作为聚光装置。这时，第2透镜阵列12的中央部分也好，周边部分也好，光源像的尺寸没有大的改变，因此没有必要使透镜阵列12的形状为异形孔径。而且，在透镜阵列12上的规定的1个透镜11形成的光源像间隔开有间隔的场合，也可以这样构成，即，将由上述规定的透镜11对应的规定透镜9之外的透镜9’形成的光源像，与上述相同，形成于由上述规定的透镜11形成的光源像之间。这时也能得到与上述相同的效果。
又，在图1中，在透镜阵列12之后示出透镜13，它是作为变换为与应照明的受光面14侧的形状相一致的、具有均匀性的照明光的光学装置，但作为本发明的照明装置，也可以采用没有透镜13的构成或组合多个单透镜的构成，或具有包含反射镜、棱镜等光学要素的光学系统的构成。
又，上述照明装置如图8所示那样，作为本发明的显示器件的一例，如设置透射型液晶板61(光调制元件)、投影透镜62，则可得到能提供均匀性好的投影图像的投影型显示装置。
而且，图8中所示的构成例子是作为光调制元件只设1个液晶板61，但也可以设多个光调制元件而构成。又，取代上述透射型液晶板61，可用其他透射型光阀、反射型光阈、利用配置成阵列形状的微镜来改变反射方向的微镜板、或光写入方式的光调制元件、图像显示器件等。而且，本发明的显示器件也可考虑为例如OHP片。
又，图1中示出使用2个光源的构成，但也可用3个及3个以上的多光源的构成。但在采用这种3个及3个以上的N个光源时，透镜阵列12的透镜数NLA2相对于透镜阵列10的透镜9数NLA1，只要满足如下关系(式4)NLA1＜NLA2＜N×NLA1就行。这时，只要是按如下要求形成透镜阵列10的构成就可，即，在由透镜阵列10的规定透镜9形成于透镜阵列12上的多个像中最大的间隔即第1规定间隔中，配置由透镜阵列10的上述规定透镜9之外的透镜9’隔开小于上述第1规定间隔的第2规定间隔地形成的、并形成于透镜阵列12上的像中最大的像。
又，虽未图示，但也可以采用能进行色分解和色合成的棱镜或滤光片、反射镜等的构成。
工业上的实用性根据本发明的照明装置和照明方法，可提高多个光源的利用效率，在投影型显示装置等中是有用的。
权利要求
1.一种照明装置，其特征在于，具备多个光源；具有使从所述多个光源出射的光与各光源对应地在规定方向上反射的反射面的反射装置；与所述反射装置隔开规定间隔配置的、具有多个透镜的第1透镜阵列；以及与所述第1透镜阵列隔开规定间隔配置的、具有多个透镜的第2透镜阵列，形成所述第1透镜阵列，使利用通过所述第1透镜阵列的规定透镜的所述多个光源出射的光，在所述第2透镜阵列的多个透镜中的与所述第1透镜阵列的规定透镜对应的透镜上，具有规定间隔地形成所述多个光源的像，并且将由所述第1透镜阵列的规定透镜的另外的透镜形成的多个像中全部或一部分实质上配置于所述形成的多个光源像之间，形成所述第2透镜阵列，使在所述第2透镜阵列上形成光源像的光束以规定的关系对受光面上进行照明。
2.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，偏心地形成所述第1透镜阵列的另外的透镜，使由所述另外的透镜形成的多个像中全部或一部分配置于利用所述第1透镜阵列的规定透镜形成于所述第2透镜阵列上的多个像之间。
3.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于，形成所述第2透镜阵列，使经由所述第1透镜阵列的所述另外的透镜形成于所述第2透镜阵列上的像被引导到所述受光面中应照明的区域。
4.如权利要求3所述的照明装置，其特征在于，形成所述第2透镜阵列，使形成所述第2透镜阵列上的、通过所述第1透镜阵列的所述另外的透镜形成的像的透镜的曲率中心实质上不变更。
5.如权利要求4所述的照明装置，其特征在于，形成所述第2透镜阵列上的、通过所述第1阵列的所述另外的透镜形成的像的多个透镜，至少夹着形成通过所述第1透镜阵列的所述规定透镜形成的像的一个透镜配置。
6.如权利要求5所述的照明装置，其特征在于，所述多个光源由第1光源与第2光源构成，所述第2透镜阵列包含第1透镜、第2透镜、第3透镜、以及第4透镜，使通过所述第1透镜阵列的规定透镜的像对所述受光面进行照明用的第1透镜与第3透镜形成于所述第2透镜阵列上，使通过所述第1透镜阵列的另外的透镜的像对所述受光面进行照明用的第2透镜与第4透镜形成于所述第2透镜阵列上，使所述第1透镜的曲率中心和所述第3透镜的曲率中心大致一致，形成第1曲率中心，使所述第2透镜的曲率中心和所述第4透镜的曲率中心大致一致，形成与所述第1曲率中心不同的第2曲率中心，按编号顺序配置所述第1透镜、所述第2透镜、所述第3透镜、所述第4透镜。
7.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，在所述第2透镜阵列中，形成近光轴的透镜的孔径比远光轴的透镜的孔径来得大，形成离光轴远的透镜的孔径比离光轴近的透镜的孔径来得小。
8.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，形成所述第1透镜阵列，使在由所述第1透镜阵列的规定透镜形成于所述第2透镜阵列上的多个像之间的间隔中最大间隔即第1规定间隔中，配置由所述第1透镜阵列的另外透镜隔开小于所述第1规定间隔的第2规定间隔地形成的、在所述第2透镜阵列上形成的像中最大的像。
9.如权利要求8所述的照明装置，其特征在于，所述多个光源由第1光源与第2光源构成，形成所述第1透镜阵列，使得用所述第2规定间隔除由所述第1透镜阵列的规定透镜形成的第1光源产生的像的宽度得到的值，大于用所述第1规定间隔除由所述第1透镜阵列的另外透镜形成的第2光源产生的像的宽度得到的值。
10.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，进一步具备与所述第2透镜阵列隔开规定间隔地配置于所述第2透镜阵列与所述受光面之间、并提供图像信息用的显示器件。
11.一种照明方法，其特征在于，具备使多个光源照射的光利用与各光源对应的反射装置按规定方向反射、并引导到与所述反射装置隔开规定间隔地配置的具有多个透镜的第1透镜阵列的步骤；与所述第1透镜阵列隔开规定间隔地配置的具有多个透镜的第2透镜阵列；将通过所述第1透镜阵列的规定透镜的所述多个光源发出的光引导到与所述第1透镜阵列隔开规定间隔地配置的、具有多个透镜的第2透镜阵列的多个透镜中的与所述规定透镜对应的透镜上并具有规定间隔地形成所述多个的光源像的步骤；为了在所述形成的多个光源像之间实质上配置由所述第1透镜阵列的所述规定透镜的另外的透镜形成的多个像中全部或一部分、而形成所述第1透镜阵列的步骤；以及使所述第2透镜阵列上形成的像以规定的关系对受光面上进行照明而形成所述第2透镜阵列的步骤。
全文摘要
本发明提供使用多个光源的照明系统中的光利用效率高的照明装置。具备多个灯1、1’、棱镜4、第1透镜阵列10、第2透镜阵列12。形成第1透镜阵列10，使得利用通过第1透镜阵列10的规定透镜9的灯1、1’发出的光，在第2透镜阵列12的多个透镜11中的与规定透镜9对应的透镜11上，具有规定间隔地形成灯1、1’的像，在所形成的灯1、1’的像之间，实质上配置由第1透镜阵列10的规定透镜9之外的透镜9’形成的多个像中全部或一部分，还形成第2透镜阵列12，使其上形成的像以规定的关系对受光面14上进行照明，从而形成了照明装置。
文档编号F21V1/00GK1692307SQ20038010040
公开日2005年11月2日 申请日期2003年10月9日 优先权日2002年10月11日
发明者岛冈优策, 吉川贵正 申请人:松下电器产业株式会社