TWI375109B - Illumination device and image-projecting device - Google Patents

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^/5109 ' 九、發明說明： '【發明所屬之技術領域】 •本發明係有關—種藉由從面發光光源所射出的光束 ，對光調變元件進行照明之照明裝置、以及使用該照 .的影像投射裝置。 '"置 【先前技術】 以在，作為影像投射裳置的照明裝置，已知有一種 _從燈具（lamp)光源所射出的光束透過一對微透鏡陣列 ⑽⑽lens _y)使亮度分佈均句化後，來對光調變元 行照明之照明裝置（參照例如專利文獻1)。 ，- 匕外已知有一種藉由臨界（critical)型的照明光學系 ::具有大致均勻的亮度分佈之面發光光源的發光部之影 成像至光調變元件之照明農置（參照例如專利文獻2)。 '專利文獻1:曰本特開平U-64977號公報(.第3頁、第 曰本特開2006-12-6394號公報（第4頁 > 專利文獻2 苐1圖） 【發明内容】 (發明所欲解決之課題） M 在專利文獻1所記載的照明裝置中，由於從燈 將ίΓΓ的光束具有不均勻的亮度分佈，&需要用以 使分料以均勾化的微透鏡陣列，結果，會 複雜化，且會在微透鏡陣列產生光量損 。卜’為了顯㈣色f彡像，需要㈣將從燈具光源所 319830 1375109 光束（白色光）進行顏色分離之光學元件等，而使出 月裝且的構成變得更複雜。 ，，’ .此外，在專利文獻2所記載的照明裝置中，由於僅以 凸透鏡使具有大致均勾的亮度分佈之面 ▲ 的影像成像至光調變元件，因此雖能錢Μ _ 二二二但無法確保對於光調變元件的遠峰二伽二 内位晉：明先束的射入角度會因光調變元件的有效面的面 置而不同）。此時，在面發光光源所放射出的光束 ，完全擴散面之光束分佈的情形下，光量損失的產生會 光==於此，在面發光光源所放射出的光束具有發 線方向的光強度最強、且光強度會隨著與法線方 •二、的角度變大而急遽變小這種指向性高的光束分佈之 情，下，在光量損失會變大，且例如使用液晶面板作為光 調變7L件時，由於液晶面板的調變特性會依存於射入角， 故液晶面板的射出光束（經光調變之影像光）會變得不均 勻’而導致晝質降低。 此外’在專利文獻2所記载的照明裝置中，為了確保 某種程度的遠心性，必須加長凸透鏡與液晶面板的距離:、 而會使照明裝置大型化。 另方面’备使用反射型的DMD(Digital Micro-Mirror Devlce;數位微型反射鏡元件）等作為光調變元件時，通常 會產生因上述遠心性的不足而造成射出光束的不均句之問 題。然而’在使用具有上述指向性高的光束分佈之面發光 光源時，在面發光光源所射出的光束中，朝發光面的法線 319830 1375109 方向射出的主光線會暫時經由凸透鏡聚焦後，在已發散的 '狀態下射入至光調變元件（參照後述的第2圖）。因^ •=元件的射出光束的主光線亦會在發散狀態下射向投射 子糸統。為了不使這種發散狀態的射出光束產生光晉損 ^而射入至投射光學系統’必須將投射光學系統予以：型 △本發明乃有鑑於上述課題而研創者，其目的係提供一 種，以簡單的構成來抑制光量損失，並可均句地進行照明 之照明裝置及影像投射裝置。 (解決課題的手段） 明的照明裝置係對光調變元件進行照明，該光調 兀件係對射入至有效區域的照明光進行 •裝置之構成為具傷有:光《置，係包含有面發光光_ ^^^„,„(photonic crystal));^ 係具有至少具有兩個光學元件， 元 •藉由從面發光光源所射出的光束來照明光調變元件1 且’照明先學系統係以將面發光光源的發光面的影像予以 放=並（較佳為以遠心方式）成像至光調 效 方式來構成。 卞日议曲之 (發明之效果） =據=發明的照明裝置，能以簡單的構成均勾地照明 並能抑制裝置的大型化及光量損失的降低。 L的裝置應用於影像投射裝置，藉此能消除影 像光的不均勻，並提供高晝質的影像。 319830 7 1375109 【實施方式】 實施形態一 以下’說明本發明實施形態一的照明裝置。 第1圖係顯示本發明實施形態一的照明裝置的構成及 先路#之圖。此照明裝置係周以對光調變元件3(被照明體） 進订照明之照明裝置，係具有光源裝置1與照明光學系統 光源裳置1係將用以射出例如紅色、藍色、綠色、或 白色等光束之led(發光二極體）晶片等固體光源（面發光 光源）12安裝至具備有電源電路等之電路基板丨丨者。固體 光源12係於電路基板11的相反側具有矩形的發光面13。 固體光源12係經由電路基板j j接收來自電源的電力供 藉此從發光面13的整面大致均勻地射出光。接近發光 面13的射出側設置有光子結晶體14。 光子結晶體14係具有以波長等級（〇rder)的週期來配 •斤射率不同的電介質材料之構造。光子結晶體14係有且 ==折射率分佈之三維光子結晶、以及具有二維的折 之一維先子結晶#，並能藉由微影（lithograPhy) 或姓etching)來製作。 成传㈣所具有之週純的折射率分佈，來形 二分佈的週期相同程度的波長之光… 子在之先子月,隙(ph0t0nic band㈣(禁制帶) 以 封鎖具有某特定範圍的波長 、σ 月匕乂 ..自由地控制光。 長之^使行進方向變化等方式 319830 、係且體這種一般的面發光光源所放射出的光束 係”有接近元全擴散面的光束分佈。第2圖係顯示從〜 •擴散面所放射出的光束分佈之示音 a , 凡王 線方向的先束設為φ，將發光面13 所咸的角度設為放射角㈣放私光的放射方向

〜…角沒的光束係表示咸Φ X COS C7 ° ，二：ί顯示從本實施形態令的面發光光源(固體光 所放射出的光的光束分佈之示意圖。與第2圖的不 同點為在發光面13的附近（射出侧）以與發光面13平行之 方=置有平面狀的光子結晶體14此點。由於光子結晶體 :二射入有從發光φ 13所放射出的光束，並藉由控制其 即光子結晶體Η的射出面。):=二光束的發光面13(亦 )之法線方向的放射成份更為增 =，故可使從光子結晶體u所射出的光束具有高 性。. 如第i圖所示，照明光學系統2係由第—鮮元件Μ 上光學元件22所構成，將從光源裝置！的發光面13 所照射出的光束予以照射至光調變元彳3。更詳而古之， f 一光學元件21係將具有大的廣角而從發光面㈣出（放 射）的光束予以大致準直（c〇llimate)化。第二光學元件22 係藉由第一光學元件21使已準直化的光束聚光於光調變 件3的有效面31 u月光學系統2係臨界型照明系統， 且固體光源12的發光面13與光調變元件3的有效面31 係成為相關於照明光學系統2的共輛關係，且成像倍率會 319830 9 1375109 變成負值。 光調變元件3係藉由穿透型或反射型的液晶面板、或 DMD所構成，並具有將多數個像素以二維方式配置的有效 面31。光調變元件3係根據影像信號，依每個像素將藉由 照明光學系統2面照射至有效面31的光束以二維方式進行 強度調變，以產生影像光（圖像光）。 在第1圖中，符號CR1係顯示從光源裝置丄的發光面 13朝該發光面13的法線方向射出的光（主光線）。符號cr2 係顯示上述主光線CR1受到照明光學系統2的作用，而射 入至光調變元件3的有效面31時的光（主光線）。主光線 ⑶係藉由照明光學系統2的第—光學元件21而聚声並 彼此交叉。 通常，用以構成光學系統之所有的光學元件係具有旋 f對稱性，在這些光學元件的旋轉對稱轴配置在—直線土 其直_為光轴’光瞳(pupil)位置係定義成在近抽 ::中主先線與光軸交叉的位置。然而，在 發光面的中心與絲—致的情形下’由於第—光學元: 21的像差（aberrati〇n)的關係，在發 開有限距離的位置所射㈣主 曾所奸—_ 広07王元料巾録與藉由近轴計 ^所獲侍的先瞳位置不同的位置與光軸交又。 在此，為了方便，將主光線CR1 13 6^7 f-f fe ^ f 攸矩形的發光面 3的對角W斤射出的主光線彼此交又的位置稱 位 置。即使在發光面13的令心位置 '”、里< 形下，光曈位置 /、角度）偏離光軸的情 置的疋義亦相同。此外，例如 319830 ^75109 ^為透鏡等之穿透型元件的情形㈣可 • ，、射出面之間存在光瞳位置之情形。 ‘光面13的f二中’符號P1係顯示光瞳位置，從矩形的發 先面13的對角端（未圖示）射 十士 土邊在，，出至該發先面13的法線方向 〜一七線’係文到第一光學元件2」的作用， 置P1彼此交又。 ，一-'.先曈位 在光=位置P1的附近彼此交叉的主光線CR1係以已 發散的狀態射入至第二光學元件22 22而受到聚隹作用。p空、p 日田弟一光子兀件 . 用已穿透弟二光學元件22的主光線CR2 係分別以大致平行的狀態，大/ , ^ ^ , Α双十仃於有效面31的法線 的方式射人至㈣變元件3时效面3卜亦即，大 性地對光調變元件3進行照明。 第4圖係比較例’且顯示照明光學系統2僅由 透鏡所構成的照明裝置的構成及光路徑。具有與第.！圖所 不的構f要素相同功能之構成要素係附上相同的符號。 在第4圖所示的比較例中，從固體光源12的發光面 η所射出的主光線⑻係藉由照明光學系統2的凸 而受到聚焦作用後’在光瞳位置P1的附近彼此交叉，並 如符號CR4所示直接在已發散的狀態下射入至光調變元 件3。亦即，非遠心性地對光調變元件3進行照明。 如上所述’罔以射出光子結晶體14之光束的光強度係 先子結晶體14的射出面的法線方向（亦即主光線）為最 大’並具有隨著放射角變大而急遽變小之分佈。 第5圖係顯示使用液晶面板作為光調變元件3時之包 319830 11 丄 含有投射光學系統4之比較例的構成。由於 ‘主，係、在穿透光調變元件3後亦會發散，故二二的 •生=損二方式來投射影像光，必須將投射透鏡… \。外，已知液晶面板所具有的調變特性依存於射 故當相對於液晶面板的法線之射人角大_ 率越多，晝質會越降低。因此，如第4圖所示，在非遠：： 性地料調變元件3進行照明時，無法獲得良好的 弟6圖係顯示使用液晶面板作為光 性地對光調變元件3進行照明時的構成。此時，與第= 匕可縮小叙射光學系統4。然而’由於照明光調變元 、件的周邊之光束係含有很多具有相對於光子結心之射 、出面的法線方向傾❹光強度小的成分，故光量損失合變 ί二？1卜’為了導入從光源裝置1所放射之具更大的放射 角的光束，必須將照明光學系統2予以大型化。 、土相對於此，由於實施形態一的照明裝置（第i圖）係大 _致通心性地對光調變元件3的有效面31進行照明，故能更 .加利用錢度大且靠近發光面13的法線方向之光束，因 此，光量損失少，且不會導致投射光學系統的大型化。此 外月t«將射入至光調變兀件3的有效面31之所有光線相對 於該有效面31的法線之射人角度設定成最小（以用以對有 效面^ 1進仃照明之光束的F值為相同之情形下進行比較 之ItD #即，大致平行地射人至光調變元件3的有效面 3 1的法線之光線會變多。結果，作為光調變元件3之液晶 面板的調變特性會變得最好，而能獲得良好的晝質。 319830 12 < 1375109 第7圖係顯示在與第4圖相同的比較例中，备使用 dmd等反射型光調變元件作為光調變元件3時的ς成與 光路徑、以及投射光學系統4。具有與第】圖所示的構成 要素相同功能的構成要素係附上相同的符號。 在第7圖中’提發光面13射出並射人至作為光評键士 件3之DMD之主光線CR4係藉由DMD的各個微型^射。 鏡來進行反射。將反射的光線作為主光線CR5。由於主光 線CR5係在維持彼此的角度差之狀態下直線行進，故彼此 的間隔會逐漸增大。 因此，藉由光調變元件3而受到調變作用的影像光係 •大範圍地行進，不會完全地射入至投射光學系統4，故會 產生大的光量損失。此外，若欲以無光量損失之方式使影 -像光射入至投射光學系統4時，必須將投射光學系統4予 以大型化。 第8圖係顧示藉由實施形態一的照明裝置(第i圖）來 照明作為光調變元件3的DMD時的構成及光路徑。由於 貫細形態一的照明裴置係大致遠心性地對光調變元件3進 行照明，故由作為光調變元件3的DMD所反射的影像光 不會變廣。因此，從第7圖與第8圖的比較可得知，在實 施形態-的照明裝置中’不會產生大的光量損失，且無須 將投射光學糸統4予以大型化。 在實施形態—的照明裝置（第1圖及第8圖）中，第一 光學元件21及第二光學元件22皆具有正的功率（pc)wer)。 相對於此，第9圖係顯示第一光學元件23具有負的功率， 13 319830 1375109 且第二光學元件24呈右τ沾丄.古.+ 第9圖中，具有與第i圖所示二:的:成及其先路徑。在 要素係附上相同的符號。 要素相同功能的構成 在第9圖所示的構成中’從面發. 所射出的主光線CR1係藉南裳一朵[杜'、的發光面13 作用後，藉由第二光學元件·;:而二而受到發散 心性地射入至光調變元件3的有效面3ι。此時， 會彼此交叉，且成像倍率變成正值。 ，、'線不 進一==的構成中，由於藉由第-光學… 束Μ姑1 式從發光面13射出（放射）的光 • j 第二光學元件24的有效徑，而造成昭 明裝置整體之大型化。反之，為成’、、、 -的有效經，亦須縮小第-光學元件一先學疋件24 尤予兀件23的有效徑，故在從發 光面·Π所射出的光束中能有效利用的比率會變少。 一、此外，為了縮小第二光學元件24的有效徑，須縮小第 :光學兀件23與第二光學元件24的間隔，但該情形係如 後述’係難以在照明光學系統2内確保配置（用以合成來自 複數個光源裝置之光束的）二向分光鏡（dichr〇ic mi·)等 之二間。並且，由於在第一光學元件23與第二光學元件 4之間會發散光束’故難以充分地發揮二向分光鏡等之特 性。 相對於此’在實施形態一的照明裝置（第i圖及第8圖） 中’由於第一光學元件21與第二光學元件22皆具有正的 力率，故主光線CR1會藉由第—光學元件21而大致準直 14 319830

S 1375109 ^ 、"不無須加大第二光學元件22的有效徑，故有利於 =農置的小型化。此外，藉由在第—光學元件Μ與第二 •:子兀件22之間設定光瞳位置，能以保持適當的間隔之方 ^己置第一光學元件21與第二光學元们2，並如後述（第 二：），容易在南個光學元件22與22之間配置二向分光 兄等。亚且’由於在第一光學元件21與第二光學元件U 之間光束會被大致準直化，故二向分光鏡等之特性亦良好。 先^變元件3的有效面31為矩形形狀，其縱橫比（縱： :二吊為3. 4或9: 16。由於實施形態-中的照明光學 二統2係臨界型照明系統，且光源裝置}的發光面^係直 接成像於光調變元件3的有效面31，故光源裝置！的發光 ::。形狀基本上亦以縱橫比為3 : 4或9 : 16的矩形形 1如此，將具有大致均勾的亮度分佈之光源褒置…發 光調變元件3的有效面31相似形狀的矩： / 3直接成像於光調變元件3的有效面 卜糟此，如同使用燈具光源的照明光學系統（例如專利文 獻1)般，無須設置用以將照明光束予以均句化且使燈 源影像成像於矩形的有效面之微透鏡陣列等。，— 單地製作照明光學系統的構成。 、’"’此間 作為設計照明光學系統時所考慮之概念，通常係使用 稱為展度（Etendue)之量。將從固體光源i2(發光面⑶戶 出的光束的配光分佈假定成朗伯（lambenian) 产 散）時之固體光源U及光調變元件3的展度 319830 15 1375109 ，受光面的面積、與放射或受光的光的立體角度的積來定 義’並以下式來表示。

Es= Asxsin(^ s)a2xtt -(1) El = Alxsin(0 1)A2x π …⑺ 在（1)式中，Es為固體光源12的展度，As為固體光源 12的發光面13的面積，為從固體光源12的發光面13 所射出的光束的半晝角。在⑺式中，E1為光調變元件3

的展度’ A14光調變元件3的有效面31的面積，為射 :至光調變元件3的有效面31之光束的半晝角。冗為圓周 率。 •、，在實施形態一的照明裝置中，雖以固體光源12的展度 與光調變το件3的展度會成為大致相等的方式來設定各種 規格，但實現高的照明效率則更為理想。例如，當固體光 2的發光面13為3mmx4mm(對角尺寸，且假設 伙該發光面13以半球狀方式所放射的（0S= 90度）光束的 φ配光分佈為朗伯分佈時，固體光源12的展度會成為約 37.7。此時，當將光調變元件3的有效面31設成12mmx 16mm(對角尺寸2〇mm) ’並將用以照明光調變元件3之光 束的F值设定成2 〇(g h 14 5度）時，光調變元件3的展 f會成為37.7 ’且能作成與固體光源12的展度相等。此 ^ "、、月光予系統2的成像倍率的絕對值只要設定成先％ 的有效面31的對角尺寸除以固體光源12的發光 面 的對角尺寸所得之值（20mm+5mm= 4)即可。 ’、、;、而田考慮到從固體光源12的發光面13所放射出 319830 16 1375109 =束的空間（角度）性的擴散時，難以完全使 •為0，亦即難丨v —如^ 主明大成 •的光束全部昭明在1度範圍内將從發光面13所射出 上變元件3的有效面3卜因此，實際 度ϋ為將固體光源12的展度設定成比光調變元件3的展 上述雖為將發光面假定成完全擴散面時 =光㈣所放射的光具有朝發光面13的法線方向^ 曰二^ ’所放射之光的立體角較小的部分與具有相同發 卞面積的完全擴散面相比’固體光源12的展度會變小。』 在，在光源的指向性高的本實施形態一的照明裝置中，铲 進步將光學系統小型化，且能提高光利用效率。此外， 在將光源的展度設成相同時，與完全擴散面相比，能使發 ^面的面積增加達光的立體角變小的份量，故能獲得更明 焭的影彳表光。 例如，在光的立體角變成完全擴散時的一半之情形 下，在上述計算中，能將固體光源12的發光面13設定成 4.24mmx5.66mm(對角尺寸 7.07mm)。 第1〇圖係顯示實施形態一的照明裝置中的發光面13 2平面形狀（第10圖（A))與亮度分佈（第10圖（B))以及光調 變件3的照明區域的平面形.狀（第1〇圖（〇：))與亮度分佈 (> 〇圖①)）之圖。其中，所謂光調變元件3的照明區域 係指藉由光源裝置丨及照明光學系統2所產生之照明光束 所照射的區域，且包含有效面3丨之區域。通常，由於照明 光學系統2的像差，固體光源12的發光面13不會完全成 319830 17 像於光調變元件3的有埒 邊部未鮮明地(如P)成像(模糊當發光面13的周 示，即使笋先® 如第10圖（A)及（B)所 I尺知九面13整面的赛声抝 所示，在_ a 凡又句勻，但如第10圖（C)及（D) 尸吓不在先調變兀件3的昭明阿敁由 亮度會容易降低。 月&域中，尤其在周邊部中， 此外’在照明光學系絲2呈古生古反 ^ ^ 9 ΛΑ 44 ,，八有失真像差、或照明光學 糸統2的構成要素之至少一 # κ 邛刀具有偏心之情形等時，即 7 1χ尤面13為矩形，照明區 矩形，而會變成梯形、桶型、捲嶮剞^ 珉為 m^捲線型、或這些形狀的組合 之複雜的形狀。 並且在照明裝置的安裳與調整時，由於實際上難以 完全地調整固體光源12的發光面13、照明光學系統2、以 及光調變元件3的有效面31彼此的對準（aHgnm㈣，故照 明區域與光調變兀件3的有效面31的位置關係會從理想的 狀態產生某程度的偏差。 因此，實際上在考慮到安裝與調整時所產生的光調變 兀件3與照明區域相對性的配置誤差後，較佳為以令周邊 的7C度劣化維持在容許範圍内之程度、而使照明區域變得 比光調變元件3的有效面3 1還大之方式來設定照明光學系 統2的倍率。 在第4圖的比較例中，由於照明區域周邊的主光線 CR4朝光調變元件3的有效面31之法線方向傾斜，例如 當光調變元件3的有效面31於該有效面31的法線方向產 生获·差（位置偏差）而配置時，即使有效面31的位置偏差量 18 319830 1375109 僅些微，照明區域的面積亦會相對於光調變元件3的有效 面31的面積產生較大之變動。 相對於此，由於實施形態一的照明裝置係大致遠心性 地對光調變元件3的有效面31進行照明’故用以對光調變 疋件3的有效面31進行照明之主光線係大致平行於該有效 面31的法線方向，因此，即使有上述的位置偏差，亦幾乎 不會產生成像倍率的變動，且照明區域的面積不會大幅度 地變動。如此’由於不容易產生因光調變元件3的位置： 差（誤差）而導致影像周邊的亮度劣化，故製造上的良率亦 如上述所說明，依據本發明實施形態一的照明裝置， 由於未使用微透鏡陣列等光均句化手段（整形手段）來構成 用以使來自面發光光源（固體光源12的發光面13)的光束 直接成像於光調變元件3之臨界型㈣系統，故雖為 的構成，但效率佳，且能均勻地照明光調變元件。曰 此外’由於固體光源12的發光面13係遍及整 大致均勻的亮度分佈，且呈與光調變元件3的有效面⑶ 為大致相似的形狀，故能使發光面13的影像直接成像 調變兀件3的有效面31，且在不設置微透斜列等之 下即可均句地對光調變元件3的有效面31進行照明。^ 果’能簡單地構成照明光學系統。 ν〇 .並且’由於在發光面13㈣近配置光子結晶體14, 士更加增大：光子結晶冑14的法線方向放射的光的光強 度’並大致运心性地餅本—闽齡4 y斗。 對先㈣70件3進行照明，故能_ 319830 19 1375109 影像光的光量損失，且無須將投射光學系統予以大型化。 並且，即使在光調變元件3為液晶面板時，亦能產生㈣ 的影像光’藉此能提供高晝質的影像。 並且，由於照明光學系統2係具備具有正的功率之第 一光學兀件21以及具有正的功走镇_ _ ，-吊一九學兀件2.2，故 能一邊藉由第一光學元件21脾也击三 ' 予什“將先束予以大致準直化，一邊 於第一光學元件21與第二光聲分肢 尤予兀件22之間設定光曈，並 大致遠心性地對光調變元件3進粁 運仃-明。如此，除了上述 效果外，亦能將第二光學元件22的有效經抑制到很小，而 有助於照明裝置的小型化。 此外，在第一光學元件21鱼第- 弟一九學兀件22之間設 定光瞳位置’藉此保持適當的間隔來配置第一光學元件Η ’與第二光學元件22,而容易於兩個光學元件間配置 光學元件★ 並且，在上述的實施形態一中 〜中’亦可為不在發光面13 的附近設置光子結晶體14之構成。故而1 啤战。然而，如上所述，設置 光子結晶體14能更有效果地抑制本旦p * 巧刺九里扣失’且能有助於投 射光學系統的小型化，自不待言·。 此外’在上述的實施形態—φ " 中’用以構成照明光學系 統2之第·一光學元件21與第二ea -,. 币先學几件22係只要具有折 射、反射、以及繞射功能的任—錄+ 斗 種功能或任意組合這些功 能之複合功能者即可。 此外，第一光學元件21與第_忠與__ μ u ，、弟一先學凡件22亦可皆無 須為單獨的光學元件，而為組合雨彳 兩個以上的光學元件者。 319830 20 1375109 在此情形下’即使第-光學元件21與第二光學 • 一部分包合右JL古备f 尤子70件22的 Μ - 功率之光學元件，第-光學元件2! —光學元件22亦皆只要整體呈有 而古，a结 , 文正股八有正的功率即可。一般 增知味\於Ϊ =件21及第二光學元件22的構成要素 ”二二減照明光學系統2的像差’故能使光源 效面Ή 3的影像良好地成像於光調變元件3的有 1，而能提升照明效率。 •等，由於照明裝置的小型化或佈局(layout)上的限制 平面二：源裝置1至光調變元件3的光路徑中使用 面鏡或稜鏡(prism)等來折射光路徑。 .·鐵元H 1在使用DMD等反射型光調變元件來作為光調 二兀件3日守，係能於用以構成照明光學系統2之第二光學 = 調變元件3之間配置稜鏡、透鏡、或反射鏡等， ::月先束與投射光束良好地分離，雨避免投射光束鱼昭 明光學系統2的構成要素等之干涉。 …、 第11圖係顯示實施形態一的照明裝置的變形例之 圖。第11圖所示之變形例係在因固體光源12構造上之問 題或製造偏差等導致發光面13存在有亮度不均勾的部分 犄尤其有效。在第u圖所示的變形例中，於發光面13的 附近（且為第一光學元件21側）配置光擴散元件5等，而於 光擴散兀件5等之射入面或射出面係具有依據面内位置而 有不同的穿透特性之擴散特性。根據光擴散元件5等之面 内位置來控制用以穿透光擴散元件5等之光束的穿透率， 藉此能大致均句地照明光調變元件3的有效面31。 21

< B 319830 1375109 第12圖係顯示實施形態一的昭 -之圖。第I 2冃邮- ’”、月裝且的其他變形例 圓以圖所不的變形例係相對於藉由風… -所投射之發光面13的成 先予系統2 面31朝光軸方向的前後任 I兀件3的有效 成，使發先而Μ & & 。’‘曰汗·己置者。藉由這種構 1 3的影像在光調變元伴 糊成像，如此，能降低# 1 @ # .、…效面31上模 ^ 降低先調變兀件3的有效面31的直庚$ 均句性’而提升光調變元件3的有效面^不 第13圖_示在實施形態—的均句性。 例中的固體光源12之在發光面13二月，置的又一變形 ,Λ、、上 面13的凴度分佈（第Π ® ())、在光擴散元件5等之擴散面的 :及在光調變元件3的照明區域(包含有效二= 饰（第13圖.(C))之圖。在第13圖所示的變 ），^^刀 圖所示的上述光擴散元件5等 弟11 所示的任意之穿料分佈第13圖⑻ 朵而” 千刀仰错此無關於固體光源12的發 之党度分佈（第13圖⑷），係以例如第η圖（c)所 :之期望的亮，分佈來對光擴散元件3的有效面31進行照 11圖至弟13圖所示的變形例亦可適當地组合使用。 實施形態二 接著’說明本發明實施形態二的照明裝置。第14圖係 4不貫施形態二的照明裝置的構成及其光路徑之圖。在第 14圖中’具有與在實施形態-所說明的構成要素相同功能 的構成要素係附上相同的符號。 實施形態二的照明裝置雖大致與實施形態一的照明裝 置（第1圖）相同，但在射入至光擴散元件3之主光線 319830 22 1375109 會彼此聚焦之點上與實施形態一不同。此外，在實施形態 一申釭假设使用dmd等反射型光調變元件作為光調變 元件3。 第15圖係顯示應用有實施形態二的照明裝置（第14圖） 之影像料裝置之圖。第15圖所示的影像投射裝置係於第 14圖所不的照明裝置及光調變元件加上投射光學系統4 者’且為將影像投射至未圖示的螢幕（screen)者。 在上述的實施形態一中’如有關比較例（第4圖）的說 明在以主光線（第4圖所示的主光線cr5)彼此發散的狀 心下射入至技射光學系統4之構成中，會有必須將投射光 學系統4予以大型化，且會產生光量損失之問題。 相對於此，在實施形態二的照明裝置中，昭明光學系 統2(第:光學元件21與第二光學元件22)係使光束在主光 線CR6彼此聚焦的狀態下射入至光調變元件3的有效面 3:。因此’如第15圖所示’藉由光調變元件3而反射的主 光線CR7亦會與主光線CR6同樣地維持彼此的角度差並 聚焦，且會在相對於第二光學元件22具有與光瞳位置ρι 為3關係的& g月光學系统2的射出光瞳Μ的位置彼此 ^ 在主光線CR6聚焦的狀態下對光調變元件3進 行照明’藉此’能縮小光調變元件3的射出光束（經調變的 影像光）的剖面積。亦即，能縮小照明光學系統2的射出光 瞳P2。因此，當在日g明杏與 〃 ”、月先干系統的射出光曈P2附近配 又 千’糸統4時’與第4 ®的比較例相比，當然能使 319830 23 1375109 投射光學系統4更加小型化及低成本化，且與使用有實施 广、的、' S月裝置的情形（第8圖）相& ’亦能使投射光學 HI:加小型化及低成本化。此外，亦能容易進行投射 子’、、·· 4與照明光束的干涉之迴避以及 與照明鱗㈣2奸涉之迴料。 ^糸統4 =並且藉由在照明光學系統2的第二光學元件U與光 調變元件3之間配置棱鏡、透鏡、或反射鏡等，能將照明 I光术與投射光束良好地分離，並避免投射光束與照明光學 系統2的構成要素等之干涉。此外，亦可將實施形態一的 各變形例應用於實施形態二。 “ 如上述說明，依據本發明的實施形態二的照明裝置， ”貝鈿形態相同，係構成為無需使用微透鏡陣列等光均 ’勻化手段（整形手段）而使從固體光源12的發光面13所射 出的光束直接成像於光調變元件3之臨界型照明系統，藉 此能以簡單的構成而效率佳且均勻地照明光調變元件3。 並且，在實施形態二的照明裝置中，係在主光線⑽ 聚焦的狀態下對光調變元件3的有效面31進行照明，藉此 能實現進-步將投射光學系統4予以小型化及低成本化。 實施形態三 接著，說明本發明實施形態三的影像投射裝置。 第16圖係顯示本發明實施形態三的影像投射裝置的 構成及光路徑之圖。在第〗6圖中，具有與實施形態一所說 明的構成要素相同功能的構成要素係附上相同的符號。 實施形態三的影像投射裝置係將實施形態一或實施形 24

< S 319830 1375109 態二的照明裝置（以及光調變元件3)應用於具備有三個光 •源裝置的影像投射裝置。 - 如弟16圖所示，實施形態二的影像投射裝置係具有用 以射出紅色、綠色、以及藍色的波長帶的光束之光源裝置 _ =、1G、1B。光源裝置1R、1G、jB皆各自具有實施形態

一所說明的電路基板n、固體光源12、發光面13、以及 光子結晶體14。在第1圖中，符號LR、LG、LB係表示從 光源裂置1R、1G、1B所射出的各個光束中之代表性的光 線:各光線LR、LG、LB係以彼此未重疊之方式示意性地 顯示。於光源裝置1R、1G、1B的射出側分別配置^第一 =學兀件21R、21G、21B。第一光學元件21R、2m、21B 皆具有與實施形態一所說明的第一光學元件21相同的功 •-能。 在攸光源裝置1R、1G、1B所射出且已穿透第一光學 元件21R、21G、21B的光束所交叉的位置.配置有二向分光 #鏡纽及如。二向分光鏡係反射藍色的波長帶的光束，並 穿透紅色及綠色的波長帶的光束。二向分光鏡禮係反射 紅色的波長帶的光束’並穿透綠色及藍色的波長帶的光 束。這些二向分光鏡M1〗Μ 2係以反射從光源裝置i B及 1R所射出的光束’並讓從光源裳置1G所射出的光束穿透 而引：至第二光學元件2之方式來配置。 第一光學το件22係具有與實施形態一所說明的 光學元件22相同的功能。亦即，藉由组合第一光學元件 別、加、抑的各者與第二光學元件22，來構成與實施 319830 25 1375109 形心所。兒明的知、a月光學系統2相同的照明光學系統。 •於照明光學系統20的射出侧配置有光調變元件3，於光調 -變元件3的射出側配置有投射光學系統4。此外，在第16 圖所示的構成例中’雖然光調變元件3為穿透型的液晶面 板，但亦可為DMD等。 具有大範圍角度而從光源裝置1G的發光面放射出的 綠色波長帶的光束係藉由第一光學元件2ig而被大致準直 化後射入至二向分光鏡M1卩M2,並在穿透二向分光鏡

Ml及M2後射入至第二光學元件22。穿透第二光學元件 22的光束係大致遠心性地射人至光調變元件3的有效面 31 ° 從光源裝置1R的發光面所射出的紅色波長帶的光束 係藉由第-光學S件21R而被大致準直化後，在二向分光 鏡M2被反射且穿透二向方光鏡M1後射入至第二光學元 件22。已穿透第二光學元件22的光束係大致遠心性地射 鲁入至光調變元件3的有效面31。 *同樣地，從光源裝置1B的發光面所射出的藍色波長 帶的光束係藉由第—光學元件21B而被大致準直化後，在 一向为光鏡Ml被反射且穿透二向方光鏡M2後射入至第 二未學元件22。穿透第二光學元件22的光束係大致遠心 性地射入至光調變元件3的有效面31。 。光调變元件3係根據紅色、綠色.、以及藍色的影像信 號，以牯分割之方式依各色依序進行光調變。對應光調變 元件3的各色的調變時序，紅色、綠色、以及藍色的光源 319830 26 裝置1R、1G、〗R女A 丄、 姓 會以時分割之方式依序射出光束。在 .二=件3依序進行光調變後的紅色、綠色 4 -的影像光（圖像光）係藉由投射光學系统4 :色 放大投射至未圖示的f幕等。此紅色·。率 影像光係在齒測去的HP由难—拉 " 乂及&色的 〜中進订積分，而觀察到彩色影俜。 以使特定：Γί光鏡通常係由電介質多層膜所形成，故用 ，波長▼的光反射或穿透之這種分光透過/ 性.大大地依存於光束朝向二向、 2發散狀態或聚焦狀態的光束中配置二向丄:即由 =射入至二向分光鏡的光束的角度分散會變矣 失…、月不均、或者眩光等，而無法獲得良好的影像。 例如’在上述實施形態一所說明的比較例(第4圖)中， ▲;未存在已準直化的光束’故例如在光瞳位置pi與

Sr: 3之間配置有二向分光鏡時，會變成於聚焦狀態 ^束^己置二向分光鏡’而產生上述的光量損失、照明 不均、或眩光等。 相對於此’在實施形態三的影像投射裝置（第i 中’由於在藉由第—光學域21r、21g、2ib將各色予以 準直化的光束中配置二向分光鏡Ml & M2，故不會產生上 述的光量損失、照明不均、或眩光等，而能獲得良好的影 像。 此外，在本實施形態的照明裝置中，由於具備有用以 早獨射出紅色、綠色、以及藍色的波長帶的光束之光源裝 319830 27 1375109 置，故與使用白色的燈具光源之情形相比不需要用以進疒 .顏色分離的光學系統，結果，能簡單地構成照明光學系統π -而實現小型化及低成本化。 、” ’ 此外，第16圖中的1R、1G、1Bi配置係未限定於此， 能自由地設定。在第16冑+，雖說明僅使用一個光調變元 件3的單板式的光調變元件3，但亦可採用合計使用有三 個用以將紅色、綠色、以及藍色的波長帶的光束進行光^ _變之光調變元件的方式（三板式）。亦可將實施形態—的各 變形例或實施形態二的構成應用於實施形態三。 第Π圖至第21圖係顯示實施形態三的影像投射 的各種構成例。 帛17圖所示的影像投射裝置係具有心射出不同、皮 長帶的光束之光源裝置10卜1〇2、1〇3。光源裝置⑺卜丨以、 1〇3係分別以第16圖所示的光源裝置..1R、1〇、汨的任一 者所構成j在光源裝置1G1、1G2、1G3中，兩個光源裝置 > 10〗、〗02係以配置於剩餘的一個光源裝置】〇3之 法線方向，且各發光面垂直於光源裝置1〇3的發;面= :來配置。於光源裝置101、102、1〇3的射出侧分別配置 有第一光學元件川、212、213。第二光學元件22係 一光學元件21相對向配置。 ’、 第一光學元件211、2]2、213皆具有與實施形態一所 s明的第-光學元件21相同的功能，並與第二光學元件 22共同構成照明光學系統。於光源裝置】〇】、】〇2各者的 射出側配置有二向分錢題與Ml2，該等二向分光鏡 28

< S 319830 1375109

Mil、M12係排列配置於光源裝置1〇3之發光面的法線方 .向。二向分光鏡Ml 1、M12係具有分別使特定波長帶的光 -束反射/穿透之分光穿透/反射特性。 二向分光鏡M12係將光源裝置1〇2的射出光束予以反 射，亚讓光與裝置1 03的射出光束穿透，而分別予以引導 至二向分光鏡Mil。二向分光鏡Mn係讓光源裝置ι〇ι的 射出光束穿透，並將二向分光鏡Ml2的射出光束予以反 射，而分別予以引導至第二光學元件22。穿透第二光學元 件22的光束係射入至光調變元件3(第16圖），並根據各色 的影像資訊來進行光調變，且藉由投射光學系統4(第Μ 圖）進行放大投射。 在第18圖所示的影像投射裝置中，在光源裝置ι〇ι • 1〇2、103 _，兩個光源裳置1〇2、1〇3係以配置於剩_ -一個光源裝置101之發光面的法線方向，且各發光面垂] 於光源裝置m的發光面之方式來配置。於光源裝置101 102、103的射出側分別配置有第一光學元件、^2 213。第二光學元件22係與第一光學元件相對向配置 於光源裝置U)2、H)3各者的射出側配置有二向分光海 與題，且該等.二向分光鏡MU、Mi2係排列配置衣 源裝置1G1之發絲的法線方向。：向分光鏡仙係讀 ^裝置1G1的射出光束穿透，並將光源裝置H)2的射出 2予以反射’而分別予以引導至二向分光鏡㈣。二向 丨:係讓二向分光鏡Mli的射出光束穿透，並將 原農置⑽的射出光料以反射，而分別予以引導至第 319830 29 < 二光學S件22。穿透第二料元件22 調變元件V楚1 A IS、、， 疋禾係射入至光 拽 圖）’亚根據各色的影像資訊進行光$

交，且藉由投射光學系統4(第16圖）來進行放大投射0 心在4 i9圖所示的影像投射裝置中，在光源裝置⑼、 ---、103中，兩個光源裝置·1〇卜】〇2係以平行地射 束之方式來排列配置’且剩餘的一個光源裝置1〇3係與光 源裝置102相對向配置。於光源裝置1(n、1〇2、^们的 出側分別配置有第一光學元件211、212、213。第二光學 元件22係與光源裝置1〇1相對向配置。 干 一於光源裝置1〇1與第二光學元件22之間配置有二向分 光鏡Mil，且於光源裝置1〇2與1〇3之間配置有二向分光 鏡M12與M13。二向分光鏡M12係將光源裝置1〇2的射 出光束予以反射，並讓光源裝置1〇3的射出光束穿透，而 刀別予以引導至二向反光鏡·Μ11。二向反光鏡Ml3係將先 源裝置103的射出光束予以反射，並讓光源裝置ι〇2的射 鲁出光束穿透，而分別予以引導至二向分光鏡MU。二向分 光鏡Mil係讓光源裝置1〇1的射出光束穿透，並將二向分 光鏡M12與M13的各射出光束予以反射，而分別予以引 導至第二光學元件22。穿透第二光學元件22的光束係射 入至光調變元件3 (第16圖），並根據各色的影像資訊來進 行光調變，且藉由投射光學系統4(第16圖）來進行放大投 射。 在第20圖所示的影像投射裝置中，光源裝置ι〇1、 102、103係以彼此平行地射出光束之方式而排列配置成— 30 319830 1375109 行（column)。在光源裝置ιοί、1〇2、103的射出側分別配 •置有第一光學元件211、212、213。第二光學元件22係與 -光源裝置103相對向配置。 於光源裝置101、102、103的射出側分別配置有二向 分光鏡Μ11、1VH 2、Ml3。二向分光鏡μ 11係將光源裝置 1〇1的射出光束予以反射而引導至二向分光鏡Μ12。二向 分光鏡Μ12係將光源裝置102的射出光束予以反射，並讓 二向分光鏡Mil的射出光束穿透，而分別予以引導至二向 方光鏡M13。二向分光鏡M13係讓光源裝置1〇3的射出光 束穿透，並將二向分光鏡M12的射出光束予以反射，而分 別予以引導至第二光學元件22。穿透第二光學元件22的 .光束係射入至光調變元件3(第16圖），並根據各色的影像 -資訊來進行光調變，且藉由投射光學系統（第16圖）來進行 放大投射。 ——在第21圖所示的影像投射裝置中，光源裝置ι〇1、 ϊ〇ΐ、1〇3係苡破瓦平扦1也-射一出2^飞-方—式％暴—列齪置—成二. 行。於光源裝置101、1〇2、1〇3的射出側係分別配置有第 一光學το件211、212、213。第二光學元件22係配置於光 源裝置101、102、103的排列方向的一端（光源裝置1〇3側> 於光源裝置1〇1、102、1〇3的射出側係分別配置有二 向分光鏡Mil、Ml 2、Μ13。二向分光鏡Mil係將光源裝 置101的射出光束予以反射而引導至二向分光鏡M12。二 向分光鏡M12係將光源裝置ι〇2的射出光束予以反射，並 讓一向分光鏡Mil的射出光束穿透，而分別予以引導至二 31 319830

1375109 向分光鏡M13。二向分光鏡M13係將光源裝置i〇3的射出 光束予以反射’並讓二向分光鏡M12的射出光束穿透，而 刀別予以引導至弟二光學元件22。穿透第二光學元件22 的光束係射入至光調變元件3(第16圖），並根據各色的影 •像資訊來進行光調變，且藉甴投射光學系統4(第16圖）^ 進行放大投射。 並且，第17圖至第21圖所示的變形例係僅為代表性 鲁的構成例，可根據光源裝置的冷卻、與影像投射裝置的其 他構成構件的干涉、設計上的限制、成本、安裝性等之各 種條件而適當地變更配置。 依據上述所說明的實施形態三的照明裝置，無須進行 顏色分離或使用微透鏡陣列等光均勻化手段（整形手段）， 即可藉由使來自用以射出紅色、綠色、以及藍色等各色波 長T的光束之面發光光源的光束直接成像於光調變元件之 界U系統’以簡單的構成在各色中效率佳且均句地 春照明光調變元件。此外，藉由投射光學系統將已經由光調 變讀進行光調變過的各色的影像光投射至營幕等，而能 獲得均勻之良好的影像。 並且，在實施形態三及各變形例中，雖設置三個用以 射出不同波長帶的光束之光源裝置，但並未限定於此。例 署，:可:又置複數個用以射出相同波長帶的光束之光源裝 ’、可I加用以射出其他波長帶的光束之光源裝置等， 而使用更多的光源裝置。 【圖式簡單說明】 319830 32 1375109 第1圖係顯示本發明實施形態一的照明裝置的構成及 •光路經之圖。 - 第2圖係顯示從完全擴散面所放射出的光的光束分佈 之圖。 第3圖係顯示從本發明實施形態一的光源裝置所放射 出的光的光束分佈之圖。 第4圖係顯示比較例的構成及光路徑之圖。 第5圖係顯示比較例的構成及光路徑之圖。 第6圖係顯示比較例的構成及光路徑之圖。 第7圖係顯示比較例的構成及光路徑之圖。 第8圖係顯示使用本發明實施形態一的照明裝置之影 像才又射裝置的構成及光路徑之圖。 …第9圖係顯示照明光學系統的第一光學元件具有負的 力率，而第一光學元件具有正的功率之照明光學裝置之圖。 第10圖係顯示本發明實施形態一的照明裝置中的發 光面的形狀（第⑺圖⑷)與亮度分妹（第10圖⑻）、以及光 圖周=件的有效面的形狀（第1G圖（c))與亮度 圖（D))之圖。 . 第11 例之圖。 圖係顯示本發明實施形態-的照明裝置的變形 第12圖係顯示 變形例之圖。 本發明實施形態—的 照明裝置的另一 第13圖係顯 形例中之在發光面 示本發明實施形態 的亮度分佈（第13 一的照明裝置又一變 圖（A))、在擴散面的 319830 33 1375109 穿透率分佈（第13圖（B))、以及在光調變元件的有效面的 '売度分佈（第13圖（C))之圖。 ' 第14圖係顯示本發明實施形態二的照明裝置的構成 及光路徑之圖。 圖係顯不本發明實施形態二的照明裝置的構成 及光路徑之圖。 第16圖係顯示包含有本發明實施形態三的照明裝置 之影像投射裝置的構成及光路徑之圖。 > 第圖係顯示本發明實施形態三的照明裝置的構成 例之圖。 第18圖係顯示本發明實施形態三的照明裝置的構成 例之圖。 • 第19圖係顯示本發明實施形態三的照明裝置的構成 例之圖。· 第20圖係顯示本發明實施形態三的照明裝置的構成 >例之圖。 第21圖係顯示本發明實施形態三的照明裝置的構成 例之圖。 【主要元件符號說明】 1、1R、1G、1B、101、1〇2、103 光源裝置 2 照明光學系統 3 光調變元件 4 投射光學系統 5 光擴散元件 11 電路基板 12 固體光源（面發光光源） 319830 34 1375109 13 發光面 14 光子結晶體 21、 21R、21G、21B、23 、211 、212、213第一光學元件 22 ' 24 第二光學元件 31 有效面 PI 光瞳位置 Ρ2 射出光瞳 CR1 .ΓΌ 0 . Ί χ ΓΊ? A ^ ✓丄、t 丄、~Γ Γ··〇 < 、 Vx AV CR6、CR7 主光線 M1、M2、M11、M12、M13 二向分光鏡 LR、LG、LB 光線

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Claims (1)

1. 第96M8871號專利申請案 101年4月13日修正替換頁 變元件進行照明，該光調變元 明光進行光調變，該照明裝置

   、申請專利範圍： 種照明裝置，係對光調 件係對射入至有效面的照 之特徵為具備有： 光源裝置，係包含有面發光光源；以及 風“、、明光學系統’係具有至少兩個光學元件該等光 :70件係藉由從前述面發光光源的發光面所射出的光 束來照明前述光調變元件；其中， A述…、明光學系統從前述面發光光源之側係依序 具備具有正的功率之第—光學元件、以及具有正的功率 $第一光學元件，而將前述面發光光源的前述發光面的 影像予以放大，並使其成像至前述光調變元件的前述有 真、、則述第一光學70件係用以將從前述面發光光源的 月'J述發光面所射出的光束予以大致準直化； 一前述第二光學元件係用以使已藉由前述第一光學 疋件準直化的光束聚光於前述光調變元件的有效面； 並且在前述第一光學元件與前述第二光學元件之 間設置有光瞳。 2. 如申請專利範圍第1項之照明裝置，其中，前述光源震 ^係具有呈平面狀之光子結晶體，該光子結晶體係以與 前述發光面大致平行且接近之方式相對於前述發光面 配置在光射出之側。 3. 如申請專利範圍第1項或第2項之照明裝置，其中，前 319830修正本 36 1375109 第96148871號專利申請案 [__101年4月丨3曰修正替換頁 - 述面發光光源的前述發光面係具有遍及整面大致均勻 - 之売度分佈。 4.如申請專利範圍第1項或第2項之照明裝置，其中，前 ^面發光光源的前述發光面係為與前述光調變元件的 前述有效面大致相拟的形狀。 5·如申請專利範圍第1項或第2項之照明裝置，其中，前 述第一光學元件及前述第二光學元件係大致遠心性地 鲁 照明前述光調變元件的前述有效面。 6. 如申請專利範圍第丨項或第2項之照明裝置，其中，從 前述面發光光源的前述發光面以與該發光面垂直之方 式射出的主光線係經由前述第一光學元件及前述第二 光學元# ’而纟聚焦狀態下射入至前述光調變元件的前 述有效面。 7. :申請專利範圍帛！項或第2項之照明裝置，其中，在 别述光源裝置的前述面發光光源附近配置有具備擴散 • ®之兀件，該擴散面之穿透特性係依據面内的位置而不 同。 8·如中請專利範圍第1項或第2項之照明裝置，其中，相 對於藉由前述照明光學系統所致之前述發光面的影像 的成像位置’將前述光調變元件的前述有效面予以錯開 配置。 如申π專利範圍帛i項或第2項之照明裝置，其中， :具備有射出不同波長帶的光束之複數個前述光 319830修正本 37 1375109 第96148871號專利申請案 101年4月13日修正替換頁 前述照明光學系統係具備有： 複數個第一光學元件，係依各個光源裝置設置； 合成元件，係將從前述複數個第一光學元件所射出 的光束予以合成；以及 第二光學元件；係射入藉由前述合戍元件所合成的 光束；其中， 藉由前述複數個第一光學元件的各者與前述第二 光學元件來形成前述照明光學系統。 10.—種影像投射裝置，係具備有： 申請專利範圍第1項或第2項所記載之照明裝置； 以及 投射光學系統，係將藉由前述光調變元件的光調變 而產生的影像光予以放大並投影。

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