CN103777448A - 照射光学系统和投影型显示装置 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及照射光学系统和投影型显示装置。一种照射光学系统被配置为照射被配置为对入射光进行调制的光学调制器，包括聚光透镜系统和球面像差校正器，聚光透镜系统包括在光源侧具有凹面的弯月透镜，并且使来自光源的光会聚；球面像差校正器被设置在聚光透镜系统的光学调制器侧。照射光学系统满足：0.6<|f/L|<1.40.9<sinθ≤1.0其中，f是聚光透镜系统的焦距，L是从聚光透镜系统的物侧主点到光源的长度，θ是聚光透镜系统以其摄入来自光源的光的角度的一半。

Description

照射光学系统和投影型显示装置

技术领域

本发明涉及一种照射光学系统和投影型显示装置。

背景技术

常规的液晶投影仪中的光源通过抛物面反射器使来自灯管平行于光轴延伸的高压汞灯的光平行，并发射平行光。然而，被反射器反射的光的一部分被灯阻挡，并且光利用效率降低。因此，最近提出了使用具有高漫射能力的光源（诸如发光二极管或激光器）或者将高压汞灯的灯管垂直于光轴设置。因此，对于照射光学系统重要的是从具有高数值孔径（“NA”）的光源有效地摄入光。

日本专利公开No.(“JP”)2005-208571提出了通过非球面透镜来使从光源获取的漫射光束准直。此外，JP 05-273644提出了通过两个Fresnel透镜来使从光源获取的光束会聚。

对于投影型显示装置（诸如液晶投影仪）重要的是具有小尺寸以及改进的光利用效率。当如JP 2005-208571中所公开的那样来自光源的光束被非球面透镜准直时，难以使后级中的光学系统小型化。JP05-273644中所公开的技术因为光束被聚焦而有利于小型化，但是从具有高漫射能力的光源摄入光需要相当大的Fresnel，阻止了小型化。如JP 2005-208571中所公开的被配置为使通量平行（在近轴区中）的串联系统比JP 05-273644中所公开的聚焦系统更有利于提高光利用效率。

例如，假设包括一对复眼透镜和紧随它后面设置的偏振转换器阵列的液晶投影仪。偏振转换器阵列包括按规律间隔排列的微型偏振分束器和每隔一个节距布置的半波片。偏振转换器阵列将来自光源的非偏振光束转换为一个方向上的线偏振光。偏振转换器不能提供适当的偏振转换，并且它的光利用效率降低，除非在每隔一个节距的有效光区域中取得当从光源侧查看第二复眼透镜时在它附近形成的光源图像。在第二复眼透镜中，其每个透镜单元一一对应于第一复眼透镜的每个透镜单元，因此，偏离对应的透镜单元的光源图像引起光损失。因此，使在第二复眼透镜附近形成的光源图像变为较小的斑点改进光利用效率。

假设JP 2005-208571和05-273644中所公开的光学系统中的每一个均设置在第一复眼透镜的前面。那么，JP 2005-208571的方法根据从光源摄入的光束的角度使第一复眼透镜的后一级更大。例如，具有从光源获取的角度为65°的光束的光学系统变得比具有角度为45°的光束的光学系统大大约30%。此外，在JP05-273644的方法中，Fresnel透镜和第一复眼透镜的复合透镜的像侧主点与仅第一复眼透镜的像侧主点相比偏移更靠近光源侧，从而使近轴倍率大、光源图像大并且光利用效率降低。

发明内容

本发明提供一种被配置为改进小型化和光利用效率的照射光学系统和投影型显示装置。

根据本发明的照射光学系统被配置为照射被配置为对入射光进行调制的光学调制器。该照射光学系统包括聚光透镜系统和球面像差校正器，聚光透镜系统包括在光源侧具有凹面的弯月透镜，并且使来自光源的光会聚，球面像差校正器被设置在聚光透镜系统的光学调制器侧。该照射光学系统满足：

0.6<|f/L|<1.4

0.9<sinθ≤1.0

其中，f是聚光透镜系统的焦距，L是从聚光透镜系统的物侧主点到光源的长度，θ是聚光透镜系统以其从光源摄入光的角度。θ是聚光透镜系统以其摄入来自光源的光的角度的一半。θ是在包含光学系统的光轴的截面上可以通过光学系统的最外射线与光轴之间的角度的一半。

从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的光源和照射光学系统的光路图。

图2是根据本发明的第二实施例的光源和照射光学系统的另一光路图。

图3A和3B是根据本发明的第三实施例的光源和照射光学系统的又一光路图。

图4是根据本发明的第一实施例、第二实施例和第三实施例的投影型显示装置的示意性配置图。

具体实施方式

现在将给出根据本实施例的可应用于投影型显示装置的照射光学系统的描述。现在将给出作为投影型显示装置的例子的液晶投影仪的描述。液晶投影仪是驱动液晶面板（光学调制器）的液晶显示装置，每个液晶面板被配置为根据图像信号对入射光进行调制，并通过使用来自光源的光（以放大的方式）将图像投影在未示出的目标表面（诸如屏幕）上。

第一实施例

现在参照图1，将给出根据第一实施例的光源和照射光学系统的描述。图1是从光源1A到第二复眼透镜4A的照射光学系统的光路图。光源1A例如是发光二极管或激光器，从光源1A发射的光束是漫射光。照射光学系统设置在光源1A的正后方。照射光学系统包括聚光透镜系统2和两个复眼透镜（第一复眼透镜3A和第二复眼透镜4A），聚光透镜系统2被配置为使来自光源1A的光会聚，两个复眼透镜被配置为使通过了聚光透镜系统2的光均匀，但是光学系统还可以包括其他光学元件。第一复眼透镜3A用于将从聚光透镜系统2发射的光划分为多个光束。

聚光透镜系统2被设计为捕捉来自NA=0.95的光源的光。物侧的捕捉角度用NA=sinθ表示。图1中θ所表示的角度越大，它捕捉的光量就越大。可以满足条件表达式0.9<sinθ≤1.0，并且可以进一步满足条件表达式0.93<sinθ，以便更有效地利用光。

本实施例的聚光透镜系统2包括三个球面透镜，或者沿着光路按从光源侧起的次序包括第一球面透镜20、第二球面透镜22和第三球面透镜24，第一球面透镜20具有在光源侧具有凹面的弯月形状，第二球面透镜22具有在光源侧具有凹面的弯月形状，第三球面透镜24具有双凸面形状。在数值例子1中示出了这些透镜的形状。作为由被第三球面透镜24折射的最外光线和光轴形成的角度的一半的角度θ1在10°<θ1<30°范围内。在本说明书中，最外光线被称为被相对于第一复眼透镜3A设置在光源侧的透镜的边缘部分散射的光束之中的、通过最外部分的光线。

聚光透镜系统2的配置不限于本实施例的配置，可以包括至少一个在光源侧具有凹面的弯月透镜。弯月透镜无需为球面透镜，可替换地，可以为非球面透镜。透镜的数量不限于三个。当照射光学系统使用弯月透镜时，与当它使用Fresnel透镜时相比，可以使照射光学系统更小。

聚光透镜系统2的焦距f为22.3mm。在本实施例中，可以满足5mm<f<50mm。当f大于上限时，系统被扩大，而当f小于下限时，系统将难以实现。

物侧主点位于从透镜的第一表面向像侧离13.6mm的位置处。从光源1A到物侧主点的长度L为23.6mm。换句话讲，光源1A设置在聚光透镜系统2的物侧焦点附近。条件表达式0.6<|f/L|<1.4或0.8<|f/L|<1.2或0.9<|f/L|<1.1将使光源限于物侧焦点附近的位置。

因为光源1A设置在聚光透镜系统2轴旁的物侧焦点附近，所以从聚光透镜系统2发射的光束之中的在光轴附近的光束几乎平行，并进入第一复眼透镜3A。第一复眼透镜3A在光轴附近的透镜单元的焦距与第一复眼透镜3A和第二复眼透镜4A之间的长度几乎匹配，以使得光源图像形成在第二复眼透镜4A附近。在近轴图中，因为进入第一复眼透镜3A的光束几乎平行，所以会聚在光源图像处的光线的角度可以被扩大，并且光源图像的倍率可以降低。一般来讲，光源在光轴附近具有高强度，并且使光轴附近的光源图像较小（或降低近轴倍率）极大地改进光利用效率。

另一方面，外围光束也被聚光透镜系统2朝向第一复眼透镜3A发射，但是聚光透镜系统2引起中等的球面像差。换句话讲，与光轴附近的光束不同，这样的光束不平行，并且朝向点划线所指示的光轴会聚。结果，可以使第一复眼透镜3A、第二复眼透镜4A和随后的光学系统（未示出）更小。外围光束被会聚以进入第一复眼透镜3A，然后会聚的光束在第二复眼透镜4A处形成图像。

为了在以上配置中防止外围光束偏离第二复眼透镜4A的透镜单元，所配置的球面像差校正器在聚光透镜系统2的后续级（在光学调制器侧）中对远离光轴的区域中的球面像差进行校正。

本实施例在第一复眼透镜3A处提供球面像差校正器。换句话讲，位于第一复眼透镜3A的外围部分处的第一透镜单元的焦距被设置为长于位于比第一透镜单元更靠近光轴的第二透镜单元的焦距。可替换地，第一透镜单元的折光力（或曲率半径）被设置为小。当外围部分的透镜单元焦距用fe表示、中心部分的透镜单元焦距用fc表示时，满足2<fe/fc，优选地，3<fe/fc，甚至更优选地，10<fe/fc。上限例如为100。

如上所述，本实施例使光轴附近的光源图像小，并且改进了光利用效率。此外，外围光束因球面像差而会聚，并且可以缩小后续级组件的尺寸。

（数值例子1）

单位

f=22.3mm NA=sinθ=0.95 L=23.6mm f/L=0.945

第二实施例

现在参照图2，将给出根据第二实施例的光源和照射光学系统的描述。图2是从光源1A到第二复眼透镜4B的光路图。第二实施例与第一实施例的不同之处在于，球面像差校正器5被设置在聚光透镜系统2与第一复眼透镜3B之间，并且第一复眼透镜3B的外围部分中的第一透镜单元的焦距与光轴附近的第二透镜单元的焦距的差异小。第二复眼透镜4B类似于第二复眼透镜4A。

球面像差校正器5具有小的折光力（或不具有折光力），并且是在光源侧具有凸面形状的弯月透镜。这个弯月透镜的焦距为-275.5mm，并且具有小的近轴折光力。从而，从聚光透镜系统2发射的光束之中的光轴附近的光束难以受到影响。

因此，类似于第一实施例，光轴附近的光束在第二复眼透镜4B附近以小的近轴倍率会聚，并且提供高的光利用效率。另一方面，外围光束在光轴方向上因聚光透镜系统2的球面像差而会聚。弯月透镜具有极大的弯曲部分，其对于外围光束产生极大的负球面像差并对该球面像差进行校正。结果，外围光束被会聚，然后被使得基本上平行，并进入第一复眼透镜3B。第一复眼透镜3B的每个单元在第二复眼透镜4B附近形成光源图像。

本实施例在光进入第一复眼透镜3B之前对像差进行校正，并减小了中心单元与外围单元的焦距之间的差异。数值例子2描述了根据本实施例的包括球面像差校正器5的透镜配置。当近轴折光力用fmenis表示时，球面像差校正器5满足50mm<|fmenis|或100mm<|fmenis|或200mm<|fmenis|。上限例如为2000mm。本实施例甚至可以防止光利用效率由于光源图像放大而降低，并且可以缩小尺寸。

（数值例子2）

单位

聚光透镜系统（第一表面至第六表面）

f=22.3mm NA=sinθ=0.95 L=23.6mm f/L=0.945

球面像差校正透镜：fmenis=-876mm

第三实施例

现在参照图3A和3B，将给出根据第三实施例的光源和照射光学系统的描述。图3A和3B是从作为光源1B的高压汞灯到第二复眼透镜4A的光路图。光轴方向被定义为z方向，高压汞灯的纵向方向被定义为y方向，垂直于yz表面的方向被定义为x方向。图3A示出YZ截面，图3B示出XZ截面。

高压汞灯包括一对电极、封装的气体和玻璃管。通过将高电压施加于这对电极形成发射弧。与在光轴方向上延伸的常规灯管不同，本实施例将灯管11布置在垂直于光轴的y方向上。

以与第一实施例中的方式相同的方式，从灯管11发射的光束之中的在光轴（z+）方向上发射的光被聚光透镜系统2会聚，并且被引向第一复眼透镜3A。另一方面，光还被发射到聚光透镜系统2的相对侧（z-方向），并且被设置在聚光透镜系统2的相对侧的返回镜（returnmirror）12反射。

返回镜12具有所谓的复曲面形状，该复曲面形状在XZ截面和YZ截面中具有不同形状，并且消除由于灯管11的玻璃管形状而导致的像差。从灯管11发射并且被返回镜12反射的光束几乎没有像差地返回到原始弧位置。随后，以与z+方向上的方式相同的方式，光束被引向聚光透镜系统2。因为经由返回镜12的光束更频繁地通过灯管的玻璃，所以在灯管11至少在返回镜侧的表面上提供诸如防反射膜的防反射结构。

本实施例使用高NA的聚光透镜系统和反射器，并且对于YZ截面可以摄入几乎所有的光束。然而，关于XZ截面，不管NA多高，发射到X方向的光都不能被有效地引向光轴方向。因此，在XZ截面中在返回镜12与聚光透镜系统12之间的边界处不可避免地产生间隙。

因此，本实施例如图3所示那样设置灯管11的方向，以使得灯管11的触发线13面对该间隙。触发线13是向其施加激活高压汞灯所必需的电压的导线，并且不透射光和损失光。本实施例在返回镜12与聚光透镜系统2之间的边界处提供这个间隙，并且使光损失最小。

偏振转换器阵列（未示出）、聚光透镜（未示出）和液晶面板（未示出）布置在第二复眼透镜4A的正后方。偏振转换器阵列包括按规律间隔排列的微型偏振分束器和每隔一个节距布置的半波片。偏振转换器阵列将从第二复眼透镜4A发射的非偏振光转换为一个方向的线偏振光。通过了第二复眼透镜和偏振转换器阵列的光束通过聚光透镜以叠加的方式在液晶面板上形成图像。

第四实施例

图4示出使用根据第一实施例至第三实施例的光源和照射光学系统的投影仪（投影型显示装置）的示意性配置图。

光源10是第一实施例至第三实施例中所示的光源和照射光学系统。该示图中的点划线是光源10的光轴10a。

从光源10发射的光进入二向色镜58。二向色镜58将进入的光分为第一波段的光和第二波段的光，第一波段包括红色波段和蓝色波段，第二波段包括绿色波段。

被二向色镜58分离的绿色波段的光通过偏振板59，被第一偏振分束器60反射，通过四分之一波片62G，然后进入液晶面板61G。

在进入了液晶面板61G的光之中，其偏振方向被液晶面板61G改变的图像光（该图像光是将被投影到目标表面的光）再次进入偏振分束器60。然后，图像光被偏振分束器60、组合棱镜69透射，并前往投影透镜70。非图像光被偏振分束器60反射，并返回到光源侧。

被二向色镜58分离的第一波段的光通过偏振板64，并进入波长选择性相差板65。仅蓝色波段的光的偏振方向被波长选择性相差板65旋转90°。

其偏振方向被旋转的蓝色波段的光被偏振分束器66透射，通过1/4λ片62B，并进入液晶面板61B。

在进入了液晶面板61B的光之中，图像光被偏振分束器60反射，通过波长选择性相差板67，被组合棱镜69反射，并前往投影透镜70。非图像光被偏振分束器66透射，并返回到光源侧。

另一方面，被二向色镜58分离、然后其偏振方向没有改变地通过波长选择性相差板65的红色波段的光被偏振分束器66反射，并进入液晶面板61R。在进入了液晶面板61R的光之中，图像光被偏振分束器66透射，被波长选择性相差板68将其偏振方向转换90°，并进入组合棱镜69。然后，该光被组合棱镜69反射，并前往投影透镜70。非图像光被偏振分束器66反射，并返回到光源侧。

由组合棱镜69组合的蓝色、绿色和红色波段中的每个的图像光被投影在目标表面上，由此在其上形成图像。

本实施例的投影仪可以包括光路弯曲镜、热射线切割滤光器、偏振板等，并且甚至可以包括多个液晶面板。

本发明还可应用于使用诸如透射液晶面板、DLP（数字光处理）、微镜器件等的显示设备的投影仪。此外，液晶投影仪可以采取如下这样的配置，在该配置中，在投影仪本体中以可互换的方式提供将来自光学调制器的光投影在目标表面上的投影光学系统。

尽管已参照示例性实施例描述了本发明，但是要理解本发明不限于公开的示例性实施例。以下权利要求的范围要被给予最宽泛的解释，以便包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (15)

1.一种被配置为照射被配置为对入射光进行调制的光学调制器的照射光学系统，其特征在于，所述照射光学系统包括：

聚光透镜系统，所述聚光透镜系统包括在光源侧具有凹面的弯月透镜，并且使来自光源的光会聚；以及

球面像差校正器，所述球面像差校正器被设置在聚光透镜系统的光学调制器侧，

其中，所述照射光学系统满足：

0.6<|f/L|<1.4

0.9<sinθ≤1.0

其中，f是聚光透镜系统的焦距，L是从聚光透镜系统的物侧主点到光源的长度，θ是聚光透镜系统以其摄入来自光源的光的角度的一半。

2.根据权利要求1所述的照射光学系统，其中，满足5mm<f<50mm。

3.根据权利要求1所述的照射光学系统，还包括：

复眼透镜，所述复眼透镜被配置为将从聚光透镜系统发射的光分成多个光束；以及

偏振转换器，所述偏振转换器被配置为将从复眼透镜发射的光转换为线偏振光。

4.根据权利要求1所述的照射光学系统，其中，所述聚光透镜系统按从光源侧起的次序包括第一球面透镜、第二球面透镜和第三球面透镜，第一球面透镜具有在光源侧具有凹面的弯月形状，第二球面透镜具有在光源侧具有凹面的弯月形状，第三球面透镜具有双凸面形状。

5.根据权利要求3所述的照射光学系统，其中，所述复眼透镜的第一透镜单元的焦距长于比第一透镜单元更靠近光轴的第二透镜单元的焦距。

6.根据权利要求5所述的照射光学系统，所述照射光学系统满足：

2<fe/fc<100

其中，fe是第一透镜单元的焦距，fc是第二透镜单元的焦距。

7.根据权利要求1所述的照射光学系统，其中，所述球面像差校正器是在光源侧具有凸面的弯月透镜，以及

其中，所述照射光学系统满足：

50mm<|fmenis|<2000mm

其中，fmenis是球面像差校正器的焦距。

8.根据权利要求1所述的照射光学系统，其中，所述光源是发光二极管。

9.根据权利要求1所述的照射光学系统，其中，所述光源是激光器。

10.根据权利要求1所述的照射光学系统，其中，所述光源包括：

高压汞灯，所述高压汞灯在垂直于照射光学系统的光轴的方向上延伸，并且包括产生发射弧的灯管；以及

反射镜，所述反射镜相对于所述灯管被设置在聚光透镜系统的相对侧，并且被配置为将来自灯管的光束反射到弧位置。

11.根据权利要求10所述的照射光学系统，其中，包括在高压汞灯中的灯管的触发线被设置在聚光透镜系统与反射镜之间。

12.根据权利要求10所述的照射光学系统，其中，所述反射镜具有复曲面形状。

13.根据权利要求10所述的照射光学系统，还包括在反射镜侧设置在所述灯管中的防反射结构。

14.一种在目标表面上投影并显示图像的投影型显示装置，所述投影型显示装置包括：

光学调制器，所述光学调制器被配置为根据图像信号对入射光进行调制；以及

根据权利要求1至13中的任何一个所述的照射光学系统，所述照射光学系统被配置为照射光学调制器。

15.根据权利要求14所述的投影型显示装置，还包括被配置为将来自光学调制器的光投影在目标表面上的投影光学系统。

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