CN100388119C - 照明光学系统及投射型显示装置 - Google Patents

照明光学系统及投射型显示装置 Download PDF

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Abstract

提供一种结构小型、简单并能够光利用率高地投射明亮图像的投影型显示装置。该装置设有：反射沿前进方向行进的光的一部分的第一反射镜(4)和反射由该第一反射镜反射、且在后退方向上行进的光的一部分的第二反射镜(3)。第一反射镜与第二反射镜构成光学共振腔(C1)。在第一反射镜的中心形成面向作为被照明物的柱状光学元件(5)的受光面的开口(14)，在第二反射镜的中心形成使沿前进方向行进的光通过的窗(13)。

Description

照明光学系统及投射型显示装置
技术领域
本发明涉及将光源发出的光导入形成图像的光阀中的照明光学系统，另外涉及采用此照明光学系统的投射型显示装置。
背景技术
在投射型显示装置中，具有使输入光聚光后传送的功能的照明光学系统将光源发出的光转换为在截面内强度均匀的光，再用它照明光阀。作为光源采用超高压水银灯(lamp)，灯发出的散射光通过设置在灯附近的凹面镜，转换为平行光或会聚光，输入到照明光学系统。如果使灯发出的光聚光，则在与光轴垂直的截面内具有如中央部明亮、大致旋转对称的光强度分布，但是此光强度分布并不适合矩形光阀的照明，因此要转换为在矩形截面内光强度均匀的照明光束。
获得这种照明光束的一种方法是使用柱状光学元件。采用这种方法将灯光聚光在棱柱形状的玻璃(glass)或中空镜(hollow-bodymirror)的一端后再输入。此光通过在内部反复反射而混合，再作为均匀的矩形照明光从另一端面而输出(例如参照专利文献1)。另外的方法是使用两个透镜阵列(lens array)。采用这种方法，通过第二透镜阵列的透镜将构成第一透镜阵列的矩形的透镜外形的像成像在光阀的输入侧。也就是说，将通过构成第一透镜阵列的许多透镜的光束会聚，获得截面为矩形的均匀照明光。(例如参照专利文献2)。
在光阀为液晶元件的情况下，利用单一方向的偏振光作为照明光束。由于灯等的光源发出各种偏振方向的光，因此为了提高光利用效率，如果假定是在光阀上照射第一方向的偏振光的情况，则与第一方向垂直的第二方向的偏振光有必要转换为第一方向的光。偏振光转换的方法包括使用柱状光学元件的方法(例如参照专利文献3)、使用透镜阵列的方法(例如参照专利文献4)及使用棱镜(prism)、相位板与反射镜的方法(例如参照专利文献5)等等。
另外，为了实现小型且廉价的投射型显示装置，以光阀数少为好。使用一个光阀将全色图像投影的装置是众所周知的(例如参照非专利文献1图2)。由于这种装置通过使用色轮(color wheel)，按照三基色各颜色的顺序进行显示，因此不显示的两种颜色的光被浪费，灯的光利用效率降低。所以为了提高光利用效率，提出在一个光阀上同时照射两种以上基色光的方法(例如参照专利文献6、专利文献7及非专利文献1的图9)。
【专利文献1】特开平07-98479号公报(第2图)
【专利文献2】特开平03-111806号公报(第3图)
【专利文献3】美国Patent Application Publication No.：US2001/0008470A1(第9图)
【专利文献4】特开2000-284229号公报(第1图)
【专利文献5】特开昭63-121821号公报(第1图)
【专利文献6】特开平03-316296号公报(第1图)
【专利文献7】美国Patent Application Publication No.：US2002/0135862A1(第6图)
【非专利文献1】Serge Bierhuizen、Single Panel ColorSequential Projectors With Polarization Recovery、SID′02 Digest-55.5(第2图、第9图)
在采用柱状光学元件作为光积分器(integrator)的情况下，为了在上述传统型照明光学系统中获得均匀的照明光，元件必须有一定的长度。另外，在采用透镜阵列的情况下，由于两个透镜阵列的截面尺寸大、而且在它们之间必须有一定距离，结果存在装置增大的问题。
另外，为了进行偏振光转换，在使用柱状光学元件的情况下，在光输入侧的元件端面上必须设置开口(aperture)，但是在这种情况下存在灯光通过时造成损失的问题。为了进行偏振光转换，在透镜阵列之后设置长条形的转换棱镜的情况下，由于元件结构复杂，存在显示装置难以廉价制造的问题。另外，为了进行偏振光转换，在采用偏振光分离棱镜和相位板的情况下，存在显示装置结构变得复杂、重量变重的问题。
另外，为了用一个光阀进行全色显示，在使用色轮的场合，存在光利用效率降低的问题，在使用旋转棱镜的场合，存在显示装置结构变得复杂、尺寸变大的问题。另外，为了用一个光阀进行全色显示，在使用BMF(Band Modulation Filter：频带调制滤光器)开关的场合，存在显示装置寿命难以延长的问题。
另外，为了用一个光阀进行全色显示，在使用具有配置成旋涡状的色区的色轮的场合，为了回收色区上的反射光，使用在输入端面上设置开口的柱状光学元件，因此存在光损失的问题。另外，存在光源即使仅有微小移动，投影图像的亮度也会显著下降的问题。
另外，在传统型照明光学系统中反射型光开关(switch)、分色镜、反射型偏振光分离元件、反射型光阀等等反射型光学元件都与光轴垂直配置，反射光沿后退方向朝灯行进，因此存在返回灯的反射光的一部分引起灯电极温度上升和寿命劣化的问题。
发明内容
本发明为了解决以上课题，其目的在于通过小型、简单的结构获得具有光积分器功能的照明光学系统。
另外，本发明的目的在于获得能够使反射型光学元件反射的光不返回到光源，而作为照明光再利用的照明光学系统。另外，本发明的目的在于获得小型、廉价、同时能够投影明亮图像的投射型显示装置。
本发明的将光源发出的光沿光路导入到被照明物的照明光学系统的特征在于：
设有(1)为了远离上述光源而将沿上述光路在前进方向行进的光的一部分反射的第一反射镜和(2)将经上述第一反射镜反射、而在后退方向上行进、接近上述光源的光的一部分反射的第二反射镜；
上述第一反射镜有容许沿上述前进方向行进的上述光的其它部分通过该第一反射镜并到达上述被照明物的开口，上述第二反射镜有容许上述光源发出的光通过该第二反射镜的窗，光学共振腔由该第一与第二反射镜构成。
本发明的投射型显示装置的特征在于：
它设有上述照明光学系统以及将经由该照明光学系统的上述被照明物的光投射到屏幕上的投射透镜。
附图说明
[图1]是表示本发明实施例1的照明光学系统结构的结构图。
[图2]是由第二反射镜3和第一反射镜4构成的光学共振腔C1的透视图。
[图3]图3(a)是表示无光学共振腔C1时聚光点PF附近的光分布图，图3(b)是表示有光学共振腔C1时聚光点PF附近的光分布图。
[图4]图4(a)、(b)、(c)是分别说明光学共振腔将沿前进方向行进的光会聚的动作的说明图。
[图5]图5(a)、图5(b)是说明光学共振腔获取沿后退方向行进的光并将它作为沿前进方向行进的光反射的说明图。
[图6]是表示本发明实施例2的照明光学系统结构的结构图。
[图7]是表示本发明实施例3的照明光学系统结构的结构图。
[图8]是表示图7中照明光学系统的偏振光转换器16的结构及其附近光路的示图。
[图9]是表示从灯侧观看图7中的照明光学系统的第二反射镜32的示图。
[图10]图10(a)是表示图7中的照明光学系统的反射型液晶光阀102及其附近的光路的示图，图10(b)及(c)是表示图10(a)所示的色轮82的变形例的示图。
[图11]是表示本发明实施例4的照明光学系统的偏振光转换器160的结构的示图。
[图12]是表示本发明实施例5的投射型显示装置结构的示图。
【符号说明】
1灯、2灯部反射镜、3第二反射镜、4第一反射镜、5柱状光学元件、5a输入端面、61/4波长板、7反射型偏振光分离器、8色轮、9光学中继器、10光阀、11投射透镜、12马达、13窗、14开口(被照明区域)、15透镜、16偏振光转换器、17反射型偏振光分离器、18偏振片、20正交棱镜、32第二反射镜、33第二反射镜、42第一反射镜、43R，43G，43B第一反射镜、51照明光学系统、52照明光学系统、53照明光学系统、55投射型显示装置、621/4波长板、72反射型偏振光分离元件、82色轮、82R红色通过区、82G绿色通过区、82B蓝色通过区、102反射型液晶光阀、103R，103G，103B反射型液晶光阀、112投射透镜、113投射透镜、132窗、133窗、160偏振光转换器、161反射型偏振光分离元件、1621/2波长板、163镜、164聚光透镜、165聚光透镜、166反射型偏振光分离元件、167，168镜、201光闸、202光闸驱动电路、203光传感器、204R，204G，204B光阀驱动电路、205信号处理电路、206信号输入部、207控制电路、C1光学共振腔(共振器)
具体实施方式
实施例1
图1是表示本发明实施例1的照明光学系统51结构的结构图。
在图1的照明光学系统51中，在作为光源的灯1附近配置作为聚光装置的灯部反射镜2。在由灯部反射镜2反射的光的光路上从接近灯1处开始依次配置第二反射镜3、第一反射镜4、柱状光学元件5、作为相位板的1/4波长板6、反射型偏振光分离器7、色轮8、光学中继(relay)器9、光阀10及投射透镜11。
箭头A表示由灯部反射镜2反射的光L1的行进方向，箭头B表示柱状光学元件5内部的光L2F的行进方向，箭头C表示在柱状光学元件5内部沿与光L2F相反的方向上行进的光L2R的行进方向。箭头D表示进入光阀10的光L3的行进方向，箭头E表示从光阀10出射的光L4的行进方向，箭头F表示从投射透镜11输出、朝向图像投影屏幕(未图示)的光L5的行进方向。C1为第一反射镜4及第二反射镜3相向而形成的光学共振腔(共振器)，PF为灯光的聚光点。
下面为易于说明起见，将灯1发出的光离开光源的方向定义为「前进方向」，而将向灯1接近的方向定义为「后退方向」。
下面首先说明上述结构中的整体动作。
灯1产生的发散光由灯部反射镜2反射后，行进光路弯曲，而成为会聚的光L1，然后通过在第二反射镜3的中央部形成的窗13，再通过聚光点PF，到达第一反射镜4。
如下所述，到达第一反射镜4的光的一部分从柱状光学元件5的输入端面5a行进到内部，其它的光被反射后，沿着朝向第二反射镜3的后退方向行进。第一反射镜4和第二反射镜3使内部的光重复反射，直到内部的光沿前进方向行进而朝向柱状光学元件5的输入端面5a。因此与无光学共振腔C1时相比，能够更均匀照明柱状光学元件5的输入端面5a。
这里参照图2及图3，更详细地说明光学共振腔C1的结构和动作。
图2是由第二反射镜3和第一反射镜4构成的光学共振腔C1的透视图。如该图所示，在第二反射镜3的大致中央部上设置使沿前进方向行进的光通过的窗13，在第一反射镜4的大致中央部上设置开口14。到达第一反射镜4的开口14边缘部分的光经反射后朝向第二反射镜3。
图3是用以说明光学共振腔C1作用的说明图，图3(a)表示无光学共振腔C1时聚光点PF附近的光分布，图3(b)是表示有光学共振腔C1时聚光点PF附近的光分布。
如图3(a)所示，在无光学共振腔C1的场合在沿前进方向行进的光的包络线LE内在聚光点PF的前后产生因灯电极(未图示)等引起的阴影A1及A2。在图3(a)中在设置光学共振腔C1的场合，S1、S2分别表示第二反射镜3及第一反射镜4配置的位置，S3表示与位置S2的距离等于位置S1与位置S2之间的间隔的位置。如果第二反射镜3及第一反射镜4配置在以上位置，则在图3(a)中经第一反射镜4反射而到达第二反射镜3的光具有的分布范围(直径)等于沿前进方向行进的光在位置S3具有的分布范围。D1及D3为位置S1及位置S3上与照明光轴垂直的方向上的光强度分布。
而在图3(b)中S3′表示第二反射镜3上将第一反射镜4反射的光的最外侧部分反射的部分的位置。图3(b)的P1表示作为球面镜的第二反射镜3的焦点，P2表示关于包含位置S2的面的焦点P1的面对称点。
由于灯1(图1)不是理想点光源，而且在灯部反射镜2的反射面上存在微小的凹凸或畸变，因此光L1的包络线LE即使在聚光点PF上也具有某种程度的扩展，光L1在位置S1上也具有分布D1所示的中央部隆起的钟状强度分布。
沿前进方向行进的光L1的截面随着前进方向行进而减小，在聚光点附近成为最小。然后随着行进到位置S2，截面扩大，光L1在位置S3具有分布D3所示的中央部成为稍微凹陷的强度分布。如果位置S1、位置S2及位置S3为等间隔，且在位置S1上放置凹面镜，在位置S2上放置平面镜，则平面镜反射的光在凹面镜的位置上具有与位置S3的强度分布D3相同的强度分布。
由于分布D1的中央部为隆起的形状，分布D3的中央部为稍微凹陷的形状，因此通过在第二反射镜3的中央部开一个圆形窗13，使光L1通过，则第二反射镜3能够将第一反射镜4反射的大部分光反射到第一反射镜4的方向上。
通过上述动作，光学共振腔C1能够有效获取光束L1。
这里，为了不使光学共振腔C1会聚的光逃逸，必须设定第一反射镜4及第二反射镜3的形状。
根据共振腔(cavity：共振器)的稳定度图(diagram)(例如见于大竹祐吉著「激光的使用及注意点」，光电子出版社(ォプトロニクス社)、平成12年6月1日、p.23～27、2-2)，平行平面型和共焦点型中间的结构对于光的约束具有宽的稳定区域。所以如果采用这种中间结构，则灯部反射镜2(图1)形状的偏差及光束在前进方向的扩展对于稳定性不会产生大的影响。
参照图4，说明共振腔获取沿前进方向行进的光的动作。图4(a)表示具有平行平面型和共焦点型之间的中间形状的共振腔，在该图中M1、M2为球面反射镜，P1、P2分别为反射镜M1、M2的焦点，P3为反射镜M1的曲率中心。焦点P1位于反射镜M1与曲率中心P3的中点上。通过焦点P2的光LC1在反射镜M2上反射，平行于光轴行进，到达反射镜M1，经反射后，通过焦点P1。
之后，同样地成分进行反射，最后稳定地被约束在共振腔内部。
通过焦点P2稍偏上部的光LC2经反射镜M2及反射镜M1反射后，通过焦点P1的稍偏下部。
所以通过使光L1的焦点PF(图3)接近焦点P2附近，能够在焦点P1附近形成焦点PF的共轭像。
由柱状光学元件和透镜阵列组成的传统光积分器通过在与光轴垂直的平面上配置多个光源像进行均匀照明，而在采用共振腔时，则是通过在光轴上配置多个光源像实现均匀照明。
如果考虑到作为被照明物的光学元件的光输入端面5a大都是平面形状以及在共振腔上设置获取灯光的窗，则反射镜M2最好是平面镜。通过在图4(a)所示的共振腔的反射镜M1及M2的中点上设置平面反射镜M3，同时将反射镜M1换为开有窗的第二反射镜3，则能够构成图4(b)所示的共振腔。
通过将反射镜M3换为在中央设置有被照明物形状的开口14(图4(c))的第一反射镜4，则能够形成图4(c)所示这种结构的上述光学共振腔C1。在该图中D1为柱状光学元件5(图1)等被照明物的光输入端面。在图4(c)中通过使灯光在焦点P2附近成为有预定值的F数(F-number：扩展)成像，从而使例如光LC1直接照射被照明物的光输入端面D1，光LC2在光学共振腔C1内部反射4次后，照明光输入端面D1。
在光输入端面D1为反射型光学元件或者伴有沿后退方向行进的光的光学元件的输入端面的场合，光LC1的一部分在光输入端面D1上反射，再在光学共振腔C1内部数次反射，最后进入光输入端面D1。由于在图1所示的本实施例的照明光学系统51中以该光输入端面D1作为柱状光学元件5的输入端面5a，在柱状光学元件5的输出侧端面上设有1/4波长板6和反射型偏振光分离器7，因此反射型偏振光分离器7反射的光L2R沿后退方向在柱状光学元件5的内部行进。
图5是说明光学共振腔C1接收沿后退方向行进的光后作为前进方向行进的光反射的动作的示图，图5(a)是表示图1所示的本实施例的照明光学系统51中光学共振腔C1和柱状光学元件5的连接部附近的示图，图5(b)是从灯1(图1)侧观看同一部分的正视图。
在图5(a)中LC3及LC4为通过焦点P1的光，P11为第二反射镜3上光LC3被反射的反射点。
而在图5(b)中A3为第二反射镜3反射沿后退方向行进的光的区域。
如图5(a)所示，在沿后退方向行进的反射光L2R(图1)中对于照明光轴形成最大角度的光LC3通过焦点P1时，由于第二反射镜3在反射点P11上使光LC3朝第一反射镜4反射，第一反射镜4使光束大致垂直反射，因此通过反射点P11，再成为沿前进方向通过焦点P1的光。
倾角小于光LC3的光LC4同样也成为沿前进方向行进的光。
由于柱状光学元件5为光积分器，因此在其内部沿反方向行进的光在开口14上具有强度大致均匀的光强度分布。
由于第二反射镜3中的区域A3反射沿后退方向行进的光，因此如果将窗13与区域A3的面积比R定义为
R＝(窗13的面积)/(区域A3的面积)，
则通过减小R，返回灯的光能够减小到大约(R×100)％。
通过将窗13设置在使作为光源的灯1(图1)的光聚光的聚光点PF附近，同时仅比聚光点的尺寸稍大，则能使光无损失地通过。
光学共振腔C1按照上述动作，使灯1发出的光会聚，并在内部重复反射，实现均匀化，照明作为被对象物的柱状光学元件5的输入端面5a。柱状光学元件5将从输入端面5a输入的前进方向的光L2F重复反射，再转换为强度更均匀的矩形截面的光，然而加上光学共振腔C1产生的均匀化效果，光在内部的反射次数例如可以小于3次，因此能够将元件的长度缩短到小于传统型柱状光学元件。
光L2F通过1/4波长板6，其后的反射型偏振光分离元件7接收光L2F，使第一方向的偏振光通过，使第二方向的偏振光反射。反射后的光L2R通过1/4波长板6，在柱状光学元件5内部沿箭头C方向之后退方向行进。光L2R的约(1-R)×100％被反射，因而再次成为沿箭头B方向之前进方向的光L2Fp。光L2Fp行进通过1/4波长板6，但经反射型偏振光元件7反射后，2次通过1/4波长板6，因此偏振方向旋转90度，此次可通过反射型偏振光元件7。
通过反射型偏振光元件7的光在由马达12(motor)12以规定的旋转速度旋转的色轮8上依次通过例如形成扇形、仅让红、绿、蓝各种颜色光通过的分色滤光镜的区域(segment)。因此变化为由色轮8产生的色序的光由光学中继器9导入，成为照明光阀10的沿箭头D方向的偏振光L3。
光阀10为有许多单元的反射型液晶，单一方向的偏振光L3的偏振方向在每个单元上改变，然后反射。光阀10的反射光入射在检偏器(未图示)或偏振光分离棱镜(未图示)等中，成为沿箭头E方向的光L4。光L4为通过明暗地显示图像的光，再通过投射透镜11，成为朝向对象物的屏幕(未图示)的投影光L5。通过上述动作，采用一个光阀10，就能够进行按色序显示的全色图像投影。
上述色轮8的色区形状可以是扇形或扇形以外的形状。另外，也可以将色区配置为旋涡形，在一枚光阀10中同时用2色或3色以上的颜色光照射。另外，除了色区之外，也可以设置浓度区，增加通过设置透明、半透明或全反射区明亮地显示图像的暗区的灰度级数，或者通过设置成将视频帧(video frame)期间的特定期间明亮显示，来减轻运动图像的模糊。
另外，虽然上述光阀为反射型液晶元件，但也可以为其它元件，例如也可以为微镜(micro mirror)元件。由于在这种场合照明光L3可以是自然偏振光，因此可以省略1/4波长板6和反射型偏振光分离元件7。
通过光学模拟(simulation)计算光学共振腔的效果，可知：在将弧(arc)长1.3mm的飞利浦(phillips)公司UHP型灯的光聚光、输入到输入端面尺寸为6mm×3mm的柱状光学元件的光学系统中，F数1以上时，通过附加上述结构的共振腔，光的聚光效率可以提高约10％以上，这样对于被照明物的光损失小，而且能够均匀照明。另外，由于光学共振腔的效果，柱状光学元件5的长度能够比传统的长度短，因此显示装置能够小型化。
实施例2
图6是表示本发明实施例2的照明光学系统52结构的示图。
本实施例2的照明光学系统52与上述实施例1的照明光学系统51的不同点在于：不用柱状光学元件5(图1)，并且采用1/4波长板62及反射型偏振光分离元件72代替1/4波长板6及反射型偏振光分离元件7。因此，对本实施例2的照明光学系统52与实施例1的照明光学系统51共通的部分附上相同的符号，或者省去附图并省略说明，重点说明不同的特征点。
如图6所示，通过在第一反射镜4的中央部设置1/4波长板62及反射型偏振光分离元件72作为被照明物，从而获得单一方向的偏振光，此偏振光通过色轮8之后，由光学中继器9导入，因此成为具有可照明光阀10的颜色和强度分布的矩形截面光。
另外，在需要更亮的投影图像时，灯1不是1个，而可以是多个。在这种场合，如果第二反射镜3的窗13是能够在光学共振腔C1中低损失地获取光的形状，则也可以不是圆形。另外。也可以设置多个窗以及为椭圆形状等等。
另外，根据灯发出的光的指向特性，构成光学共振腔C1的镜第一反射镜4除了取作平面镜之外，也可以取作凹镜或凸镜，只要光学共振腔C1能够作为光积分器。另外，第二反射镜3除了取作球面镜以外，也可以取作抛物面镜等等。
另外，第一反射镜4和第二反射镜3也可以分别组合多个镜来构成。根据光通过的窗形状和数量，将上述反射镜分为易于生产的多个镜，就能够廉价制造。
总之，依据本实施例2的照明光学系统52，由于元柱状光学元件，与上述实施例1的照明光学系统51相比，能够使显示装置更小型化。
实施例3
图7是表示本发明实施例3的照明光学系统53结构的结构图。
在图7的照明光学系统53中在作为光源的灯1附近配置有灯部反射镜2。在由该灯部反射镜2反射的光的光路上从接近灯1处起依次配置透镜15、偏振光转换器16、第二反射镜32、作为反射型偏振光分离装置的反射型偏振光分离器17、第一反射镜42、色轮82、反射型液晶光阀102、偏振片18及投射透镜112。
下面首先说明上述结构的整体动作。
箭头A表示由灯部反射镜2反射的光L1的前进方向。透镜15输入光L1，然后作为准平行、沿箭头H方向的光L12向偏振光转换器16输出。如下所述，偏振光转换器16作为输出单向偏振光的装置，输入自然偏振光L12，将偏振方向一致的两束光L1A、L1B向第二反射镜32的窗132输出。
图8是用以说明偏振光转换器16结构及其附近光路的部分放大图。如图8所示，在偏振光转换器16内的光路上首先配置反射型偏振光分离元件161，然后在后段配置经由聚光透镜164的光路和经由1/2波长板162、镜163及聚光透镜165的光路，使其并列。
另外，132是在第二反射镜3的中心部形成的窗，PF2是光束(beam)L1A及L1B的聚光点，PA及PB分别是光束L1A及L1B的中心到达反射型液晶光阀102的点，C2是由第一反射镜42和第二反射镜32构成的光学共振腔C1。
到达反射型偏振光分离元件161的光L12，分离成通过该元件的线偏振光L13和反射的线偏振光L14。通过的光L13由聚光透镜164聚光后，通过窗132及聚光点PF2，其中心与点PA一致地到达反射型液晶光阀102。而光L14在通过1/2波长板162时，其偏振方向旋转90度，通过镜163，其行进光路被弯曲，然后由聚光透镜165聚光，通过窗132及聚光点PF2，其中心与点PB一致地到达反射型液晶光阀102。
到达反射型液晶光阀102的各束光的一部分经第一反射镜42反射，并在共振腔C2内部反复反射后，然后如上所述，再次到达反射型液晶光阀102。
图9是从灯侧观看第二反射镜32的示图。
如图9所示，作为反射型液晶光阀102的光输入端面的受光面位于椭圆形窗132的背面。反射型液晶光阀102的受光面的形状例如是纵横比为16比9或4比3的长方形。通过在受光面的长边方向并列两束光的中心点PA、PB而构成，能够减轻投影画面在水平方向的亮度差。
色轮82具有配置为旋涡形、构成通过基色的分色滤光片的区域，以约数毫米(millimeter)的距离平行地配置在反射型液晶光阀102的前面，由马达12按照与投影图像的帧周期相关的旋转速度旋转驱动。
图10(a)是表示反射型液晶光阀102、色轮82、第一反射镜42、反射型偏振光分离器17及其附近光路的部分放大结构图。
在图10(a)中82R、82G、82B是分别形成通过红色、绿色、蓝色三基色光的分色滤光片的区域，LCW是在光学共振腔C2内部行进的白色光，LCR是在光学共振腔C2内部行进的红色光，LCR2是通过红色区域82R的红色光，LCR3是由反射型偏振光分离元件17反射的红色光，LCR4及LCR5是通过反射型偏振光分离元件17的红色光，
如上所述，光学共振腔C2(图8)将线偏振的光束L1A及L1B作为光LCW获取。配置反射型偏振光分离元件17，使偏振方向与光LCW相同的光通过，且与照明光轴倾斜成约45度。在光LCW中红色光以LCR表示，光LCR进入区域82R、82G、82B等全部区域。光LCR中仅输入到红色通过区82R的光LCR通过，成为输入到反射型液晶光阀102的光LCR2。
反射型液晶光阀102接收光LCR2并加以反射，但此时使每个像素上偏振方向的朝向根据投影显示的图像而改变。经反射的红色光继续行进，到达反射型偏振光分离元件17，而在反射型液晶光阀102上偏振光方向改变的光LCR3被反射，行进光路发生弯曲。而在反射型液晶光阀102中偏振光方向未改变的光LCR4继续行进，在光学共振腔C2内部往复。
其它颜色的光也同样，在反射型偏振光分离元件17上仅被投影的光的行进光路弯曲，而不被投射的光由于在光学共振腔C2内反复反射，因此可以作为照明光反复利用。
所以可以降低光损失。
图10(b)及图10(c)是表示图10(a)所示的色轮82的变形例的结构图。
在图10(b)的结构例中82W是透明区，82S是作为亮度调制装置而形成透过率约为1/16(6.7％)的反射型分束器(beam splitter)的区域。按照通过透明区82W的白色光，通过投射投影图像中色饱和度低、亮度电平高的像素，能够改善运动图像的色偏移和画质模糊。
由于与透明区82W相邻而设置低透过率的区域82S，因此加上元件自身的灰度显示特性，就能够使用强度为1/16的照明光束，能够在低灰度的暗部一侧进行增多4位的灰度显示。图10(b)的结构特别适合于用响应速度快的反射型液晶元件作为光阀的显示装置。
在图10(c)所示的其它的区域的结构例中透过率约为1/16(6.7％)的区域82S隔着玻璃基板(未图示)设置在与区域82R、82G、82B相反的一面。结果是：由于各种颜色都可形成强度为1/16的照明光，因此能够改善低亮度部分的灰度表现性能。
根据视觉特性，在电视(television)图像的1帧期间内显示各种颜色图像的次数可以是1次至3次，但对于静止图像或计算机(computer)图像则不受此限制，因此根据光阀的响应速度和所显示的图像种类，应将色轮旋转数设定到充分的值。
在光学共振腔C2的内部倾斜于照明光轴而配置反射型偏振光分离器17，因此实施例3的照明光学系统53适合于用反射型液晶元件作为光阀的显示装置。如果采用照明光学系统53，可以在光学共振腔内部将投射光和非投射光分离，因此能够实现小型投射型显示装置。
另外，照明光学系统53以各自的中心偏离光阀的输入面的长边方向的两束光照射光阀，因此投射画面在水平方向的亮度差小，它特别适合于照明纵横比为16比9等宽度大的光阀。
实施例4
图11是表示本发明实施例4的照明光学系统中所包含的偏振光转换器160结构的图。
偏振光转换器160作为输出单向偏振光的装置，在上述实施例3的照明光学系统53(图7)中可代替偏振光转换器16加以设置。由于偏振光转换器160的前级和后级与上述实施例3的照明光学系统53相同，因此参照图7说明实施例4。
但是如下面所述，因为从偏振光转换器160输出的光束沿垂直与图7纸面的方向行进，因此配置在偏振光转换器160后级的第二反射镜32(图7)以后的装置保持原来的相互位置关系不变，仍然沿此方向配置。
与图7同样，图11(a)是从上方俯视的平面图，图11(b)是从图11(a)箭头M方向所见的侧视图，图11(c)是从灯1(图7)侧所见的正视图。
如图11(a)及图11(b)所示，在偏振光转换器160内的光路上在由微细金属丝(wire grid)构成的反射型偏振光分离元件166的后级上并列地配置经由镜167的光路和经由镜168的光路。另外，点PT、PT1及PT2是照明光轴分别与反射型偏振光分离元件166、镜167及镜168的交差点，L1C是取代L1A(图7)的第一光束，L1D是取代L1B(图7)的第二光束。光轴上的线段表示光的电场振动方向与图11a、11b或图11c的纸面平行，光轴上的圆圈表示光的电场振动方向与图11a、11b或图11c的纸面垂直。
如图11(a)所示，如果准平行的自然偏振光束L12进入偏振光转换器160，则首先以点PT为中心，到达反射型偏振光分离元件166。在点PT上偏振光方向(即电场振动方向)与纸面平行的成分通过，到达镜168。而在点PT上偏振光方向与纸面垂直的成分被反射，行进光路大致弯曲为直角，到达镜167。在点PT1和点PT2上行进光路也均弯曲，使输入光束沿与纸面垂直的方向行进。
如图11(b)所示，镜167及镜168反射的光束中其偏振光方向都相同，都垂直于纸面，且两者都通过透镜169，分别成为会聚光束L1C、L1D，朝向共振腔C2(图7)的窗132行进。
另外，光束L1C及L1D的行进方向及偏振光方向与光束L1A及L1B的不同。因此，需适当地设定灯1、灯部反射镜2(图7)及偏振光转换器160等起的后级元件的配置，以使两束光束输入到共振腔C2内。另外，同样地，为了能在共振腔C2内部能够分离被投射的光和不被投射的光，必须考虑光束L1C及L1D的行进方向，使反射型偏振光分离元件17及反射型液晶光阀102(图7)调整成正确的朝向。
总之，实施例4的照明光学系统53在偏振光转换器160上不使用玻璃棱镜(glass prism)及波长板，因此结构简单，并能高可靠性地进行偏振光转换。
实施例5
图12是表示本发明实施例5的投射型显示装置55结构的结构图。
在图12的投射型显示装置55中，在作为光源的灯1附近配置灯部反射镜2。在由该灯部反射镜2反射的光的光路上，从接近灯1处起依次设置：透镜15、光闸201、偏振光转换器16、第二反射镜33、反射型偏振光分离器17、正交棱镜(cross prism)20、第一反射镜43R、43G、43B、分别以红色、绿色、蓝色光形成图像的反射型液晶光阀103R、103G、103B、偏振片18及投射透镜113。
驱动作为光强度变更装置的光闸(light shutter)201的光闸驱动电路202，由控制电路207控制。光传感器203将检测出的光信息输出到控制电路207。按照控制电路207的指令，图像信息被从处理输入到信号输入部206的图像信号的信号处理电路205传送到分别驱动反射型液晶光阀103R、103G、103B的光阀驱动电路204R、204G、204B。
再有，信号处理电路205及控制电路207构成光调制控制装置，光闸驱动电路202及控制电路207构成光强控制装置。
另外，作为球面反射镜的第二反射镜33的焦点(未图示)实际上位于各反射型液晶光阀103R、103G、103B的背面。在第二反射镜33的中央部有窗133，使单一方向的白色偏振光通过。
另外，正交棱镜20在界面上设有分色滤光片，使红色及蓝色光的行进光路直角弯曲，绿色光直接行进通过。现对绿色光进行说明，第一反射镜43G和第二反射镜33构成光学共振腔，均匀照明作为光阀的反射型液晶光阀103G。反射型液晶光阀103G调制的光通过正交棱镜20，由反射型偏振光分离器17使行进光路弯曲，再通过偏振片18，输入到投射透镜113。
蓝色光、红色光的行进光路不被正交棱镜20弯曲，但是与绿色光同样被根据图像加以调制。通过3色光合成，投射全彩色图像。
再有，在图12中，与图7所示的实施例3的照明光学系统53相同的部分均附上相同的符号。
另外，本实施例中的共振腔按照红色、绿色、蓝色等各色光，分别通过第二反射镜33与第一反射镜43R、第二反射镜33与第一反射镜43G以及第二反射镜33与第一反射镜43B等各种组合形成。
以下，依据上述结构更详细地说明投射型显示装置55的整体动作。电视信号等图像信号从信号输入部206输入，传送到信号处理电路205。信号处理电路205对该图像信号进行图像亮度及色调等校正之后，通过转换为适合于由光阀进行显示的各色的画面顺序信号(frame-switching signal)，输出到光阀驱动电路204R、204G、204B。光阀驱动电路204R、204G、204B分别接收红、绿、蓝光后，驱动进行调制的反射型液晶光阀103R、103G及103B。
由于红、绿、蓝各色光的强度因投射的图像而不同，因此如上所述再利用未被投射的光时，照明各色光阀的光强度有时会有差异。因此，由设置在光学共振腔内部的光传感器203检测红、绿、蓝各色光的强度，将检测到的信号输出到控制电路207。例如，如果检测到蓝色光比其他颜色的光强，则控制电路207将控制信号发送到信号处理电路205，指示减小蓝色电平。信号处理电路205将校正后的信号输出到光阀驱动电路204R、204G、204B，以使光阀103B反射的光与其它光阀相比变得较小。
另外，在投射的图像整体上较暗时，由于对于任何一种颜色被投射的光都少，因此回收到光学共振腔内的光增多。由于光阀不能完全遮断光，因此光学共振腔内光增多。所以在照明光阀的光增强的场合，会有投射图像的黑电平上升的情况出现。
控制电路207接收来自光传感器203的检测信号，如果各种颜色的光比预定的电平强，则将控制信号输出到光闸驱动电路202，指示光闸201减小光的强度。结果使光闸201的开度减小。光闸201可以使用机械快门或基于液晶元件等的电子式快门等。
再有，本发明的投射型显示装置并不限定于图12所示的实施例5的结构。例如光闸201也可以设置在其它位置。例如可以设置在透镜15与灯1之间或者偏振光转换器16与光学共振腔之间，还可以设置在光学共振腔内部。另外，光传感器203虽然设置在光学共振腔内部，但也可以设置在其它位置，例如也可以分别设置在光阀103R、103G、103B附近。
另外，在图12中，1个反射型偏振光分离器17与1个正交棱镜20设置在3个第一反射镜43R、43G、43B与一个第二反射镜33之间，但当然也可以是其它结构。例如不言而喻，可以有在一个正交棱镜的后面隔着偏振光分离装置而设置3组光学共振腔等等各种各样的组合。另外，光阀并不限定于液晶光阀，例如也可以是微镜元件。在这种场合可以不用偏振光转换器16，并将偏振光分离器17换为全反射内棱镜。
总之，依据实施例5的投射型显示装置，能够良好保持投射图像的色平衡及低灰度部分的色调连续性。另外，即使是投射暗的图像，由于能够不使投射图像的黑电平上升，所以能够实现图像自然、画质良好的投射型显示装置。
发明效果
本发明的照明光学系统尽管结构紧凑、简单，但能够用光源发出的光低损失、均匀地照明被照明物。通过使用本发明的照明光学系统照明投射型显示装置的光阀，能够提供可显示高品质图像的小型投射型显示装置。

Claims (15)

1.一种将光源发出的光沿光路导入到被照明物的照明光学系统，其特征在于：
它设有将离开所述光源沿所述光路在前进方向行进的光的一部分反射的第一反射镜和备有面对所述第一反射镜且背向所述光源的反射面的、将由所述第一反射镜反射、并在后退方向上接近所述光源地行进的光的一部分反射的第二反射镜；
所述第一反射镜有容许沿所述前进方向行进的所述光的其它部分通过该第一反射镜而到达所述被照明物的开口，所述第二反射镜有容许所述光源发出的光通过该第二反射镜的窗，该第一与第二反射镜构成光学共振腔。
2.如权利要求1所记载的照明光学系统，其特征在于：
所述第一反射镜及所述第二反射镜的所述反射面的形状和位置的关系设置成使所述光学共振腔能够将照明所述被照明物的照明光约束在腔内。
3.如权利要求2所记载的照明光学系统，其特征在于：
所述第一反射镜是平面镜，所述第二反射镜是其反射面与所述第一反射镜的反射面相对的球面镜，在所述第一反射镜的中央部形成所述开口，在所述第二反射镜的中央部形成所述窗。
4.如权利要求3所记载的照明光学系统，其特征在于：
从所述第二反射镜看时，所述第二反射镜的焦点位于所述被照明物的光输入面的背后。
5.如权利要求1所记载的照明光学系统，其特征在于：
还设有产生发散光的光源和使该发散光经由所述窗而聚光在所述光学共振腔内部的聚光装置。
6.如权利要求1所记载的照明光学系统，其特征在于：
在所述光学共振腔内与所述光路的轴垂直地设置1/4波长板及反射型偏振光分离元件。
7.如权利要求1所记载的照明光学系统，其特征在于：
在所述光学共振腔内部，相对于所述光路的轴倾斜地设置了反射型偏振光分离器。
8.如权利要求7所记载的照明光学系统，其特征在于：
在所述光学共振腔内部，相对于所述光路的轴倾斜地设置了分色滤光镜元件。
9.如权利要求8所记载的照明光学系统，其特征在于：
还设有接收所述光源发出的光和产生在单一方向上偏振的单向偏振光的偏振光转换器，此单向偏振光经由所述窗输入到所述光学共振腔内部。
10.如权利要求9所记载的照明光学系统，其特征在于：
所述偏振光转换器中设有：将所述光源发出的光分离为第一偏振方向的偏振光和与该第一偏振方向垂直的第二偏振方向的第二偏振光的反射型偏振光分离元件；
通过使所述第二偏振光的偏振方向旋转90度而使该第二偏振光成为具有所述第一偏振方向的第三偏振光的偏振方向旋转元件；以及
将所述第一、第三偏振光导入所述光学共振腔的聚光装置。
11.如权利要求10所记载的照明光学系统，其特征在于：
所述偏振光转换器中设有：将所述光源发出的光分离为第一偏振方向的偏振光和与该第一偏振方向垂直的第二偏振方向的第二偏振光的反射型偏振光分离元件；
通过将所述第一偏振光和第二偏振光大致成直角地弯曲而使该第一偏振光和第二偏振光成为分别沿垂直于所述第一偏振光的前进方向和所述第二偏振光的前进方向的方向行进的第四偏振光、第五偏振光的镜；以及
将所述第四、第五偏振光导入所述光学共振腔的聚光元件。
12.如权利要求10所记载的照明光学系统，其特征在于：
所述被照明物是有矩形光输入端面的光阀，该光输入端面被所述第一偏振光和第三偏振光照射，所述第一偏振光和第三偏振光各自的中心在该光输入端面的长轴方向上相互偏离。
13.如权利要求11所记载的照明光学系统，其特征在于：
所述被照明物是有矩形光输入端面的光阀，该光输入端面被所述第四偏振光和第五偏振光照射，所述第四偏振光和第五偏振光各自的中心在该光输入端面的长轴方向上相互偏离。
14.如权利要求1所记载的照明光学系统，其特征在于：
所述被照明物是光阀，还设有检测所述光路内或所述光学共振腔内部的光强度的光传感器和基于该光传感器检出光强度控制与所述光阀中偏振方向有关的光调制程度的控制装置。
15.一种投射型显示装置，其特征在于：
设有将光源发出的光沿光路导入到具有光调制功能的被照明物的照明光学系统和将所述被照明物发出的光投射到屏幕上的投射透镜，所述照明光学系统是权利要求1至14中任一项所记载的照明光学系统。
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