CN1115589C - 投影式液晶显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影式液晶显示装置，可以防止由于沉积的外界物质，如灰尘、光源的弧光波动等等引起的图象质量下降。液晶板的光学照明系统包括积分器，积分器具有由多个透镜元件构成第一透镜阵列和由多个与第一透镜阵列的透镜元件对应的透镜元件构成的第二透镜阵列。入射到第一透镜阵列上的单个光束被第一透镜阵列分开为多个光束，通过第二透镜阵列的相应透镜元件，并进一步通过准直透镜、彩色分光装置，进入液晶板。液晶板被来自所有第一透镜阵列的透镜元件的光束以重叠方式照明，使得亮度分布均匀。

Description

投影式液晶显示装置

本发明涉及投影式液晶显示装置，用于通过光学投影系统把图象放大并投影在液晶显示面板上，将图象显示在荧光屏上，尤其涉及包括单一液晶显示面板而没有任何滤光片的投影式液晶显示装置。

已经开发出投影式液晶显示装置，例如液晶投影器和液晶投影电视，用于通过光学投影系统作为光学开关装置把图象放大并投影在液晶面板上。这样的液晶显示装置包括由具有蓝(B)、红(R)和绿(G)三色滤光片(CF)的液晶显示面板构成的单板装置，和由分别放置在B、R和G光路中的单色液晶显示面板构成的三板装置。所述单板装置结构简单而且容易做到减尺、重量和成本。但是难以达到高亮度，因为滤光片吸收大量的光。装置的冷却也因此而受到影响。

为了克服这些问题，例如在与美国专利No.5,161,042和‘Asia Display’95(p.887)相应的日本未审专利申请特开平4-60538(1992)中公开了一种单板液晶显示装置，其中一个聚光显微透镜对着每三个象素。B、R和G三色光线从彼此不同的方向射入每个显微透镜并被聚光。从显微透镜射出的光分别进入对应于B、R和G三原色的三个象素中的每一个。在这种液晶显示装置中，也能够有效利用入射到各象素之间区域(黑矩阵区域，在此形成薄膜晶体管[TFT]，即驱动各象素的开关装置)的光。因此，可以提高实际孔径比(有效象素面积与整个象素面积之比)并获得高的亮度。因为这种投影式液晶显示装置包括以显微透镜阵列代替滤光片的单个液晶显示面板，所以把这种类型的装置称为无滤光片单板显微透镜系统的投影式液晶显示装置。

图1是一种推荐的无滤光片单板显微透镜系统的投影式液晶显示装置的光学系统的示意图。该装置包括：发射白光的光源501；用于从光源501所发白光中去掉紫外线和红外线的UV-IR截止源光片502；玻璃棒积分器503，用于使得通过UV-IR截止滤光片502的光束截面上的光强分布均匀；替续透镜504，用于会聚玻璃棒积分器射出的光束；和准直透镜505，用于把从替续透镜504射出的光束变换为近似平行的光束。该显示装置还包括：置于光路中准直透镜505后面的分色镜506B、506R和506G，用于把从准直透镜505射出的白光分为B、R和G颜色的光，并以彼此不同的角度反射各色光；入射偏振片507，用于把分色镜506B、506R和506G分出的各色光变换为特定方向上的线偏转光；液晶板508，用于根据彩色图象信号对通过偏振片507的各色光进行强度调制；已及投影透镜509，用于会聚从液晶面板508出射的光，并把光投影在荧光屏510上形成图象?。

光源501通常由金属卤化物的发射体501a和旋转对称的凹面镜501b构成。玻璃棒积分器503由棱镜形状的玻璃制成，通过在内部多次反射光束使得在从积分器一个端而入射的光束截面上的光强分布均匀，并从另一端面射出光束。液晶显示面板508是无滤光片显微透镜系统的面板，包括与B、R和G颜色的光对应二维规则排列的象素电极(未示出)，各自对着B、R和G三个象素电极的聚光易微透镜(未示出)，它们之间具有未予示出的液晶层，以及未予示出的出射偏振片。所述聚光显微透镜把经分色镜506B、506R和506G分出并以彼此不同的角度入射的三色光B、R和G会聚。然后聚光显微透镜得各色光入射到对应于B、R和G三色的各个象素。

在具有这样结构的投影式液晶显示装置中，根据加到液晶显示面板508的每个象素电极上的每种颜色的彩色图象信号，以选择方式对入射到为每个象素所提供的液晶层上的B、R和G三色光中的每一色光进行空间调制。投影透镜509把在液晶面板508上调制的色光在荧光屏510上形成图象，并因此而合成颜色。从而将彩色图象投射在荧光屏510上。

如上所述，投影式液晶显示装置利用玻璃棒积分器503作为使液晶面板508上的亮度分布均匀的措施。在这种情况下，玻璃棒积分器503的输出面与液晶板508的表面共轭。结果，可使外界物质如沉积在积分器503的输出面上的灰尘被放大并投影在荧光屏510。从而使象质大大下降。

在该显示装置中，虽然通过玻璃棒积分器503的内部反射在一定程度上在使输出光束横截面上的光强分布均匀了，但是如果为了减小整个装置的尺寸而减小积分器503的长度，那么有些光线不经过内部反射而直接到达输出端面。因而，液晶板508上亮度分布的均匀度是有限的。因此，如果光源501的发射体出现弧光波动，该波动将导致图象闪烁。从而使图象质量降低。

例如在日本专未审查利申请特开平5-346557(1993)中公开了一种利用多透镜阵列积分器的投影式三板液晶显示装置。该装置包括由第一透镜阵列和第二透镜阵列构成的多透镜阵列积分器，来代替棒状积分器，所述第一透镜阵列是多个透镜排列为二维，所述第二透镜阵列是多个透镜与第一透镜阵列中的各个透镜成对排列为二维。

然而，在上述公开说明书中公开的多透镜阵列积分器是特别对于有关在使用具有滤光片的液晶板的投影式液晶显示装置和三板显示装置而开发的。所以多透镜阵列积分器结构不能用于无滤光片的单板显微透镜系统的装置。在上述公开说明书中也没有对于所述积分器的这种应用提出任何建议。理由如下所述。

所建议的具有滤光片装置和三板装置，照明液晶板的光无需很高平行度，这是缘于液晶板本身的性能。因此，即使入射发散角(或者会聚角)为14度或更大，图象质量也不受影响。入射发散角是入射到液晶板上特定象素上的每条光线的入射角变化范围。然而，如果入射发散角太大，那么输出发散角也增大，而且加给投影透镜的负担变大。因此入射发散角通常在14度左右，这种装置的成本是可以考虑的。

如上所述，由于有平带滤光片的装置和三板装置在液晶板上的入射发散角的限制是适中的，因此可相对增大起光阑作用的第二透镜阵列的尺寸。上述出版物中，公开了一个外接圆直径为70mm量级的第二透镜阵列的实例。

相反，无滤光片的单板显微透镜系统的装置通过从彼此不同的方向把B、R和G三色光入射到每个显微透镜并把经显微透镜聚光的光分别入射到B、R和G三个象素中的每一个进行彩色图象显示。如果照明液晶板的光的入射发散角较大，一种色光(例如B光)就可能不仅入射到B颜色的象素中，而且可能也入射到相邻的象素(例如R或G颜色的象素)中，从而出射颜色混合。因此显示的图象的颜色纯度下降，而且图象质量也大受影响。因此需要把液晶板上的入射光的入射发散角减小到足够小的角度。

如上所述，与其他方案的装置相比，对于无滤光片的单板显微透镜系统的装置有关液晶板上的入射发散角的限制是特别严格的。因此利用前述公开说明书中所公开的技术难以获得满足要求的图象质量。

即使遵守对于入射发散角的严格限制，不可避免地会使到达液晶板的光量下降。另一个问题。即所造成难以达到足够的图象照度。

本发明的第一目的在于提供一种投影式液晶显示装置，用以防止由于沉积的外界物质、光源的弧光波动等等引起的图象质量下降。本发明的第二目的在于提供一种投影式液晶显示装置，用于通过减小照明液晶板的光的入射发散角防止颜色纯度的下降，和通过有效利用来自光源的光量获得高照度的投影图象。

投影式液晶显示装置包括：第一透镜阵列，它包括排列成二维的多个透镜元件，用于利用透镜元件把入射的单一光束分为多个分开的光束并输出分开的光束及会聚分开的光束；第二透镜阵列，它包括与第一透镜阵列的透镜元件对应排列成二维的多个透镜元件，把通过第一透镜阵列的各透镜元件入射在其上的分开的光束按如下方向输出，即使得分开的光束彼此重叠；一个分色装置，用于把从第二透镜阵列射出的光束分成多束原色光并以彼此不同的角度射出各色光束；以及一个液晶显示板，它包括：具有与各原色相应的象素并以选择方式调制入射到象素上的各色光束的液晶装置；以及为每组象素所设的把从分色装置射出并以彼此不同的角度入射的各色光会聚、并使各色光进入相应颜色象素的会聚装置。

整个第二透镜阵列的形状最好近似与液晶显示装置各象素的孔径形状类似，而且整个第二透镜阵列与每个象素共轭或近似共轭。而且，第二透镜阵列的每个透镜元件的大小和形状最好与从第一透镜阵列相应的透镜元件射出的分立光束形成的光学象一致。另外，整个第一透镜阵列的大小最好能够接收几乎所有的单光束，并使第一透镜阵列的各透镜元件偏心，使得从透镜元件出射的分开的光束会聚在第二透镜阵列的相应透镜元件上。此外，第一透镜阵列各透镜元件的形状近似与液晶面板的形状最好相似，并使第一透镜阵列各透镜元件与液晶板共轭或近似共轭。本装置最好还包括一个分光与合成装置。该装置用于把入射的光束分为在一个方向上线偏振的光束和在另一与该方向垂直的方向上线偏振的光束，把在其中一个方向上线偏振的光束转换为在另一个方向上线偏振的光束，把转换后的线偏振光束与未转换的线偏振光束合成为在一个方向上线偏振的光束，并输出该光束。

根据本发明的投影式液晶显示装置，被第一透镜阵列的透镜元件分开的每个分开光束进入第二透镜阵列的相应透镜元件。入射到第二透镜阵列透镜元件上的分开光束沿分开的光束彼此重合的方向出射。从第二透镜阵列透镜元件出射的分开光束由分色装置分为多个原色光束，并以彼此不同的角度射出。然后各色光束进入液晶板。因此，被第一透镜阵列的透镜元件分开的各分开光束最后都以重叠的方式投射在液晶板上。入射到液晶板上的各色光由聚光装置聚光，进入相应的象素，在各象素处被选择地调制。

如果整个第二透镜阵列的形状近似与液晶装置各象素的孔径形状类似，并且整个第二透镜阵列与每个象素共轭或近似共轭，则对入射到液晶板上的光束的入射发散角进行了适当的限制。另外，如果第二透镜阵列各透镜元件的大小和形状与从第一透镜阵列相应透镜元件射出的分开光束形成的光学象一致，则入射到第二透镜阵列的大部分光到达液晶板。此外，如果整个第一透镜阵列的大小能够接收几乎所有的单光束，并使第一透镜阵列的每个透镜元件偏心，使从透镜元件出射的分开光束会聚在第一透镜阵列的相应透镜元件上，则可防止第一透镜阵列引起入射的单光束渐晕，从而使入射光束得到高效利用。此外，如果第一透镜阵列各透镜元件的形状近似与液晶板的形状相似，并使第一透镜阵列的每个透镜元件与液晶板共轭或近似共轭，则由第一透镜阵列的透镜元件分开的分开光束毫不损失地重叠投影在液晶板上。如果本装置还包括一个具有上述结构的分光与合成装置，则使几乎所有入射光束形成在特定方向上的线偏振光，并得以被利用。因此减少了在通常放置于液晶板前面的偏振片上面的光量损失。

从下面的描述将使本发明的其他目的、特征和优点更充分地显现出来。

图1是相关技术投影式液晶显示装置的光学系统的示意顶视图；

图2是本发明第一实施例投影型式晶显示装置的光学系统的示意顶视图；

图3是图2所示第一透镜阵列的正视图；

图4是图2所示第一透镜阵列的截面图；

图5是图2所示第二透镜阵列的正视图；

图6是图2所示第二透镜阵列的截面图；

图7是图2所示液晶板主要部分的截面图；

图8以等效方式示出图2所示光学系统的主光路；

图9示出投影在图5所示第二透镜阵列上的光源象；

图10示出投影在第二透镜阵列的对比例上的光源象；

图11是第一实施例之第一透镜阵列的改进例的正视图；

图12是第一实施例之第一透镜阵列的改进例的截面图；

图13是本发明第二实施例投影式液晶显示装置的光学系统的示意顶视图；

图14是图13所示第一透镜阵列的正视图；

图15是图13所示第一透镜阵列的截面图；

图16是图13所示第二透镜阵列的正视图；

图17是图13所示第二透镜阵列的截面图；

图18以等效方式示出图13所示光学系统的主光路；

图19示出投影在图16所示第二透镜阵列上的光源象；

图20是本发明第三实施例投影式液晶显示装置的光学系统的示意顶视图；

图21是本发明第三实施例投影式液晶显示装置的光学系统的侧视图；

图22是图20所示第一透镜阵列的正视图；

图23是图20所示第二透镜阵列的前视图；

图24是本发明第四实施例投影式液晶显示装置的光学系统的示意顶视图；

以下参考附图详细描述本发明的最佳实施例。[第一实施例]

图2是本发明第一实施例投影式液晶显示装置的光学系统的示意顶视图，即从上面往下看。为简单起见，只示出主要光线的光路而省略了其他光路。该装置是无滤光片单板显微透镜系统类型，包括：发射白光的光源11；滤掉光源11所发白光中紫外光束和红外光束的UV-IR截止滤光片12；准直透镜13，用于传输通过UV-IR截止滤光片12的光，并使之发散为近似平行的光束；由多个排列为二维的透镜元件构成第一透镜阵列21，用于把来自准直透镜13的单个近似平行光束分为多个分开的光束并会聚这些光束；由多个与第一透镜阵列21的透镜元件对应排列为二维的透镜元件构成的第二透镜阵列22；以及准直透镜15，用于把通过第二透镜阵列22的光束变换为近似平行的光束。第一透镜阵列21对应于本发明的‘第一透镜阵列’，第二透镜阵列22对应于本发明的‘第二透镜阵列’。

本显示装置还包括：置于光路中准直透镜15后面的分色镜16B、16R和16G，用于把从准直透镜15射出的白光束分为B、R和G色光束，并以彼此不同的角度反射这些颜色的光束；入射偏振片17，用于把由分色镜16B、16R和16G分开的各色光束变换为在特定方向上线偏振的光；液晶板18，用于根据彩色图象信号调制通过偏振片17的各色光的强度；以及投影透镜19，用于会聚从液晶板18出射的光，并把该光投射在荧光屏20上，进行色彩合成。置于液晶面板18后面的出射起偏阵片未予示出。

光源11由发射体11a和旋转对称的凹面镜501b构成。金属卤化物灯可以用作发射体501a。最好使用具有良好的聚光效率的反射镜，如椭球面镜作为凹面镜501b。第一透镜阵列21和第二透镜阵列22起积分器作用，用于通过散射从光源发射的白光使液晶板18表面的亮度分布均匀。第二透镜阵列22的透镜元件射出从第一透镜阵列21的相应透镜元件入射的分开光束，使得分开的光束彼此重合。后面将详细描述第一透镜阵列21和第二透镜阵列22。

彼此成小角度放置的每个分色镜16B、16R和16G以选择方式把从准直透镜15出射，且近似与光轴10平行的光束反射90°，并把该光束分为B、R和G三个色束。然后分色镜16B、16R和16G使该三个色束以彼此不同的角度入射到液晶板18。在本例中，以如下形式设置分色镜16B、16R和16G，即使得R光束垂直入射到液晶板18上，而B光束和G光束分别沿与R光束成[+θ]和[-θ]角的方向入射到液晶板18上。或者以如下形式设置，即使得B光束(或者G光束)垂直入射到液晶板18上，而R光束和G光束(或者R光束和B光束)分别沿与法线成[+θ]和[-θ]角的方向入射。分色镜16B、16R和16G对应于本发明的‘分色装置’。

液晶板18是无滤光片的显微透镜系统的面板，包括对应于R、G和B色光被规则排列为二维的象素电极(未示出)，以及聚光显微透镜(未示出)，每个聚光透镜都对着其间具有未予示出的液晶层的R、G和B三个象素电极。每个聚光显微透镜会聚被分色镜16B、16R和16G分开并以不同角度入射的B、R和G三色光束。从而各聚光显微透镜使每个光束入射到与B、R和G三色各自对应的各个象素。后面将描述液晶板18。

相对于图2中所示的光学元件，在纸面上与光轴10垂直的方向称为水平方向，而垂直于纸面的方向称为垂直方向。这种限定也适用于后面的描述。

图3和图4示出第一透镜阵列21的结构。图3是从光入射方向观察的主视图。图4是沿图3中IV-IV线所取的截面图。如图所示，第一透镜阵列21由排列成六行四列的同样大小的长方形透镜元件21a构成。透镜元件21a可由透明的树脂，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成并形成为一片。每个透镜元件21a的一个表面为平面，而另一个表面为具有特定曲率的凸球面。每个球面的顶点21b位于每个透镜元件21a的中心。如图2所示，将第一透镜阵列21设置为使光束入射到球面的表面上。如图3所示，第一透镜阵列21的周边作为一个整体近似为正方形。将第一透镜阵列21设置在这样的位置，即使得光源11的投影象25(具体地说，就是发射体11a的象，下面的描述中将其简称为‘光源象’)与所述正方形内切。每个透镜元件21a的形状与液晶板18有效区域的形状近似地几何相似。例如水平方向和垂直方向的比值为4比3。将第一透镜阵列21设置在这样的位置，即光轴10通过它的中心而且每个透镜元件21a与液晶板18的有效区域共轭或近似共轭。

图5和图6示出第二透镜阵列22的结构。图5是光出射方向观察的主视图。图6是沿图5中VI-VI线所取的截面图。如图所示，如同第一透镜阵列21一样，每个透镜元件22a的一个表面为平面，而另一个表面为具有特定曲率的凸球面。然而如图2所示，第二透镜阵列22被设置为使光束入射到平面的表面上。如同第一透镜阵列21一样，透镜元件22a可以由透明的树脂制成并形成为一片。

如图5所示，第二透镜阵列22的周边作为一个整体是与第一透镜阵列21一样的(近似为正方形)。透镜元件22a的数目等于第一透镜阵列21的透镜元件21a数目。与第一透镜阵列21不同，第二透镜阵列22包括形状和大小彼此不同的透镜元件22a。如图5所示，其中水平中心线为X轴，垂直中心线为Y轴，属于第一象限的六个透镜元件22a的形状和大小彼此不同。具体地说，随着离开第二透镜阵列22中心的距离增加透镜元件22a变小。属于第二象限的六个透镜元件22a与属于第一象限的六个透镜元件22a关于Y轴对称。属于第三和第四象限的十二个透镜元件22a与属于第一和第二象限的十二个透镜元件22a关于X轴对称。透镜元件22a与第一透镜阵列21的透镜元件21a对应(见图3)。每个从透镜元件21a射出的小光束到达相应的透镜元件22a的近似中心。后面将解释透镜元件22a的形状和大小彼此不同的原因。

其中第一透镜阵列21的透镜元件2la的焦距为‘f1’而第二透镜阵列22的透镜元件22a的焦距为‘f2’(＝f1)，当把透镜元件22a放在使两个透镜元件的总聚焦‘f’也等于f1的位置上时，透镜元件22a起场镜的作用。

为了使得透镜元件22a作为第一透镜阵列21的透镜元件21a对应的场镜，除了上述偏心设置以外，须使透镜元件21a的焦点落在透镜元件22a的主平面上。因此，如后面将描述的图8所示，将对应于透镜元件22a的主平面设在这样的位置，使被每个透镜元件21a会聚的光束的截面面积为最小。

将第二透镜阵列22设在这样的位置，使光轴10通过它的中心，而且透镜阵列22作为一个整体与液晶板18的每个象素孔径共轭或近似共轭。象素孔径是如图7所示象素电极未由黑色基质81b覆盖的部分，这将在后面描述。不仅第二透镜阵列22作为场镜而且第二透镜阵列22作为一个整体起入射到液晶板18上光束之光阑的作用，从而调整后面将予描述的入射会聚角α(见图7)。因此，第二透镜阵列22作为整体，其形状近似与液晶板18的每个象素孔径(如后面将描述的图7所示的象素电极81B、81R和81G)的形状相似。在本实施例中，如图5所示，整个第二透镜阵列22的周边近似为正方形。因此，其中液晶板18的象素孔径近似为正方形。对于最佳的来说透镜阵列22。

图7是图2所示的液晶板18沿水平方所取的放大截面图。如图所示，液晶板18包括：其中形成有许多象素电极的象素基片81；其中形成有反电极和显微透镜的反基片82；以及设在象素基片81和反基片82之间的液晶层83。

象素基片81包括：玻璃基片81a；B、R和G光束的象素电极81B、81R和81G等，它们规则地(周期性地)排列在玻璃基片81a一侧(光入射一侧)；以及包括TFT(未示出)的黑矩阵部分81b，作为开关装置，它根据图象信号给象素电极提供电压。每个TET包括由比如多晶硅制成的栅极、漏极和源极。栅极与由纸面右边伸向左边伸的地址线(未示出)相连。源极与沿垂直纸面方向延伸的B、R和G数据线(未示出)相连。漏极与象素电极81B、81R和81G相连。通过以选择方式将B、R和G图象信号电压加给由地址和数据线选择的象素电极，使液晶分子的取向沿象素电极和反电极82d之间的液晶层变化。由此使通过的光的偏振方向改变。黑矩阵部分81b屏蔽通过未予示出的铝等金属膜的光，防止TFTs失误操作。

反基片82包括：玻璃基片82a；由形成于玻璃基片82a一侧(出射光侧)的聚光显微透镜82b组成的显微透镜阵列；与显微透镜82b紧密接触放置的盖玻璃板82c；以及在盖玻璃板82c上形成的反电极82d。反电极82d是在盖玻璃板82c整个表面上或盖玻璃板82c上所需要区域形成的透明电极(也即至少是对着象素基片81的各象素电极81B、81G和81R的区域)。使反电极82d固定于恒定电位。例如通过把基片蚀刻成透镜形状并注入透明树脂的方法或通过选择性离子扩散使显微透镜82b形成梯度折射率透镜。显微透镜82b可以通过任何其他方法形成。通常每个显微透镜82b为轴垂直于纸面的半圆柱透镜。或者，可使显微透镜82b成为通常的球面形状、近似球面形状或者非球面形状。液晶板18对应于本发明的‘液晶板’。显微透镜82b对应于本发明的‘聚光装置’。

如图7所示，为象素基片81的每三个象素电极81B、81R和81G提供一个显微透镜82b。显微透镜82b使从三个不同方向进入的B、R和G光束会聚，并使这些光束通过液晶层83进入象素电极81B、81R和81G。注意看垂直入射到显微透镜82b上的R光束，通常显微透镜82b的焦点落在象素电极81R的上方或者附近。如果需要，这种焦点可在玻璃基片81a的深处。对于其他光束(B和G)也是这样。

现在将参考图2、图8和图9描述具有如此结构的投影式液晶显示装置的工作情况和功能。

参考图2所示的光学系统，现在将描述该装置作为一个整体的工作情况。如图所示，光源11发射白光并由UV-IR截止滤光片12滤掉白光中的紫外和红外光线。该光会聚然后发散并进入准直透镜13。准直透镜13把入射光转换为近似平行于光轴10的单个光束并射出该光束。所述单个光束入射到第一透镜阵列21并被透镜元件21a分为许多小口径光束。如图3所示，第一透镜阵列21(也就是入射的单个光束的截面)上的光源象25几乎被完全包围在第一透镜阵列21的周边以内。因此有效地利用了来自光源的光。

如后面将描述的图8所示，被第一透镜阵列21的透镜元件21a分开的每个小光束近似会聚在相应的透镜元件22a的中心。然后该光束稍微改变方向而且发散进入准直透镜15。准直透镜15把从第二透镜阵列22入射的光束变换为近似的远心光束。

所述近似远心光束射向分色镜16B、16R和16G(见图2)。分色镜16B、16R和16G把入射的光束分为B、R和G三种颜色，并沿彼此不同的方向反射各色光。然后反射光束进入入射偏振片17(见图2)。偏振片17只传输入射彩色光束中在特定方向上的线偏振成分。通过偏振片17传送的足够的线偏振彩色光束从彼此不同的方向进入液晶板18的显微透镜82b。液晶板18根据彩色图象信号对彩色光束B、R和G进行强度调制并射出光束。

参考图7描述入射到是微透镜ML，即显微透镜82b之一的光路。因为R光束垂直入射到玻璃基片82a，所以R光束聚焦在象素电极81R的中心或者中心附近，显微透镜ML的光轴通过该象素电极81R的中心。B光束以入射角θ倾斜射入玻璃基片82a并以折射角ψ被折射。然后B光束以入射角ψ射入显微透镜ML并聚焦在象素电极81B的中心或者中心附近。象素电极81B是邻近象素电极81R的象素电极之一，以相对显微透镜ML光轴成角度ψ通过显微透镜ML中心的直线通过象素电极81B。同理，G光束以入射角(-θ)射入玻璃基片82a并以折射角(-ψ)被折射。然后G光束以入射角(-ψ)射入显微透镜ML并聚焦在象素电极81G的中心或者中心附近。象素电极81G是邻近象素电极81R的象素电极之一，以相对显微透镜ML光轴成角度(-ψ)通过微透镜ML中心的直线通过象素电极81G。加到象素电极81B、81R和81G上的电压随给定的象素信号变化。因此，通过液晶层83的彩色光束B、R和G的偏振方向受到调制。

聚焦在相应的象素电极81B、81R和81G中心或中心附近的各彩色光束B、R和G从玻璃基片81a出射并发散。然后这些光束通过未予示出的出射偏振片以选择方式传输并被投影透镜19投射在荧光屏20上。从而进行色彩合成。因此彩色图象投影在荧光屏20上。

现在描述投影式液晶显示装置的特殊功能。

图8简要地示出图2中从第一透镜阵列21至液晶板18之间的光路。为方便起见，在图8中，图2中的反射光路以等效方式变换为直线光路，并省略图2中的分色镜16B、16R和16G。如图所示，从第一透镜阵列21射出的多个分开光束中每一个的截面都与每个透镜元件21a的周边相似。分开的光束最后以近似平行光的方式(确切地说，入射发散角为α)进入形状近似与透镜元件21a大致相似的液晶板18的有效区域。从而液晶板18被从第一透镜阵列21的所有透镜元件21a射出的来自光源的光以重叠方式照明。在这种情况下，入射到第一透镜阵列21的单个光束在垂直于光轴10截面上的强度分布是不均匀的。相反，被第一透镜阵列21从单个光束分开的多个分开的光束中每一个的截面上的强度分布是较为均匀的。因此，由放大并重叠分开的光束得到的液晶板18上的亮度分布相应地是均匀的。因此能够使得放大并投影在荧光屏20上的图象的亮度大体均匀地分布。

如前面参考图7所述，利用本发明的无滤光片单板显微透镜系统的投影式液晶显示装置，通过把B、R和G三色光从彼此不同的方向入射到与象素电极81B、81R和81G对应设置的每个显微透镜82b(见图7)，并把由显微透镜82b聚光的光束分别入射到每个象素电极81B、81R和81G，从而实现彩色图象显示。如果照明液晶板18的光束的入射发散角α(见图7)大，那么一种色光(例如B光)可能不只进入用于B色光的象素电极81B，而且也进入相邻的象素(用于R色光的象素电极81R或者用于G色光的象素电极81G)。从而导致色彩混合，并使所显示的图象色彩纯度下降。因此图象的质量可能大受影响。因此需要把入射到液晶板18上的光束入射发散角减小到足够小的角度。也就是说，无滤光片单板显微透镜系统的装置与其他形式的装置比较而言(带滤光片的单板装置和三板装置)，对于液晶板18上的入射发散角α的限制更严格。

为了减小入射到液晶板18上的光束入射发散角α，在本实施例中第二透镜阵列22的周边尽可能地小。如前所述，整个第二透镜阵列22的周边也作为照明系统的光阑，从而决定入射到液晶板18的象素上的光束入射发散角α。为了减小第二透镜阵列22的尺寸，最好用塑性树脂模塑，因为采用相关技术中使用的玻璃压制成形的精度有限。例如玻璃压制成形要求每个透镜元件22a的尺寸大约为4mm×3mm或更大。与此相反，塑性模塑对于较小的尺寸可以达到适当的精度。

需要在水平和垂直两个方向对入射发散角α进行限制。限制的程度取决于象素孔径的形状。例如，如果象素孔径的形状为垂直方向长而水平方向窄的长方形，那么水平方向色彩混合的边际比垂直方向的窄。因此通常沿水平方向形成色彩混合。从而对于水平方向上入射发散角α的限制比垂直方向严格。为了充分提高光的利用率，对水平方向和对垂直方向的入射发散角α极限需有彼此不同的限制。为此，在本发明的实施例中，第二透镜阵列22周边的形状与象素孔径的形状类似，从而根据象素孔径的水平和垂直方向上的长度比限制入射发散角。例如，如果象素孔径是正方形，那么第二透镜阵列22周边的形状也可以是正方形，如图5所示。在这种情况下，在水平和垂直方向上对入射发散角的限制是一样的。

图9示出了光源象26投影在上面所述实施例的第二透镜阵列22。图10示出与图9对比的例子。与所述实施例相反，图10示出这样的例子，其中第二透镜阵列122由形状和大小都与第一透镜阵列21的透镜元件21a(图3)相同的透镜元件122a构成。所示光源象26由从第一透镜阵列21的透镜元件21a出射的分开光束生成。对着第二透镜阵列122的第一透镜阵列与图3所示的相同。

如图10所示，入射到通过光轴10的第二透镜阵列122中心附近的透镜元件122a上的光源象26相当大。入射在远离光轴10的透镜元件122a上的光源象26相当小。每个光源象26的中心不必与相应透镜元件122a的中心对应。而且，所有透镜元件122a的形状和大小相同。因此，相当大部分光源象投射到相应的透镜元件122a的相邻透镜元件122a上。在这种情况下，落到相应的透镜元件122a外面部分的光不通过图8所示的正确光路，也不到达液晶板18而对照明液晶板18起作用。也就是说，光量的损失增大，光的利用率也下降。因此，落到相应的透镜元件122a外面的光源象部分过大，于是液晶板18的亮度不够，从而荧光屏20上显示的图象亮度下降。

相反，如图9所示，透镜元件22a的形状和大小依照所述实施例第二透镜阵列22上光源象26的形状和大小彼此之间适当的变化。因而光源象26几乎全部落入第二透镜阵列22各透镜元件22a的周界以内。尤其是靠近中心的光源象26几乎完全落入相应的透镜元件22a内部。虽然一些其他光源象26超出相应的透镜元件22a，但是超出的部分并不大。因此，第二透镜阵列22的光量损失比图10所示的对比例要小。从而避免了液晶板18亮度的降低。即光利用率提高了。

现在描述第二透镜阵列22的大小和第一透镜阵列21的透镜元件21a的焦距的确定。

图8中第一透镜阵列21的每个透镜元件21a与液晶板18的表面共轭或近似共轭。放大率m由下面的表达式(1)近似给出。

m＝f3/fl…(1)其中f1是第一透镜阵列21的每个透镜元件21a的焦距，f3是准直透镜15的焦距。

如果第一透镜阵列21的每个透镜元件21a的大小和液晶面板18的大小已知，那么放大率m是确定的。因此，如果准直透镜15的焦距f3已知，那么根据表达式(1)，由f3/m给出第一透镜阵列21的透镜元件21a的焦距f1。

第二透镜阵列22主面的位置是入射到液晶板18上光束的光阑位置。第二透镜阵列22周缘的形状关于准直透镜15和显微透镜82b与液晶板18的象素孔径共轭或近似共轭。第二透镜阵列22周缘形状的关于液晶面板18的象素孔径的缩小率m′由下面的表达式(2)近似给出。

m′＝f4/f3…(2)其中f4是显微透镜82b的焦距。

当液晶板18象素孔径的大小为d，整个第二透镜阵列22的大小为D时，有下面的表达式(3)。

m′＝d/D…(3)

如果准直透镜15的焦距f3和显微透镜82b的焦距f4已知，那么由表达式(2)可以确定缩小率m′。因此，如果液晶板18的象素孔径大小d已知，那么根据表达式(3)，由d/m′给出第二透镜阵列22的大小D。

理论上可将第二透镜阵列22的大小设定为任意值，只要满足表达式(2)即可。因此可以通过把缩小率m′设定为近可能小的值来增大第二透镜阵列22的尺寸。然而这并不现实，因为准直透镜15的焦距f3需要被大大地增大，从而需要增大装置的长度。因此，为了减小装置的尺寸，最好近可能地减小第二透镜阵列22的尺寸，并将缩小率m′设定为近尽可能接近‘1’。

根据目前所描述的本发明实施例。从第一透镜阵列21出射的多个分开光束中每一个的截面与每个透镜元件21a的周缘近似。分开的光束进入形状与透镜元件21a形状近似相似的液晶板18的有效区域内。从而液晶板18被从第一透镜阵列21的所有透镜元件21a射出的来自光源的光束以重叠方式照明，没有光损失。在这种情况下，入射到第一透镜阵列21的单个光束的光强分布在垂直于光轴10的截面上是不均匀的。相反，在第一透镜阵列21由单个光束分开的多个光束中每一个的截面上的光强分布是较为均匀的。因此，相应地液晶板18上由分开光束重叠产生的亮度分布是均匀的。因此能够使得放大并投影在荧光屏20上图象的亮度分布大致均匀。

在本实施例中，如图3所示透镜阵列21的每个球面顶点21b设在每个透镜元件的中心而不偏。换种方法，如图11和图12所示，每个球面的顶点21b′偏离每个透镜元件21a′的中心。图11从光入射的方向看的主视图。图12是沿图11中XII-XII线所取的截面图。在这种改型中，每个透镜元件21a′都离心，致使每个球面的顶点21b′更靠近光轴10。结果，由第一透镜阵列21的透镜元件21a′分开的分开光束移向光轴10。因此，光源象26聚集在第二透镜阵列的中心周围，从而使光阑的孔径显著地减小。因而使液晶板18上的入射发散角被限制在小角度内。而且，落在第二透镜阵列22外部的光束部分也减少。因此第二透镜阵列22的光量损失降低。[第二实施例]

现在描述本发明的第二实施例。

现在给出有关作为与第二实施例比较例的第一实施例功能的附加描述。在前述的第一实施例中，作为整体第一透镜阵列21和第二透镜阵列22是形状和大小彼此相同的。而且，第一透镜阵列21的透镜元件21a不偏心，如图3所示。因此，如图9所示，第二透镜阵列22上的光源象26中间存在明显的空间，即透镜元件22a包括不必要的空间。图10所示的比较例也是这样。这意味着第二透镜阵列22(或122)的大小超过了必要的尺寸。

为了达到更严格的限制如果需要减小液晶板18的象素孔径，则需要减小第二透镜阵列22的整体尺寸，以便减小入射到液晶板18上光的入射发散角α。因此，相应的第一透镜阵列21的整体尺寸也需要减小。否则，第二透镜阵列22上的光源象26大大超出各个透镜元件22a，并使光利用率下降。然而，如果第一透镜阵列21的整体尺寸减小了，则难以由第一透镜阵列21接收所有来自光源11的光。结果，使光利用率下降，并使液晶面板18的亮度下降。

如果仅仅通过减小第二透镜阵列的周缘尺寸来减小入射到液晶板18的光的入射发散角α，那么不可避免地使通过第二透镜阵列22到达液晶板18的光量减少。因此晶板18的亮度也下降。

第二实施例的投影式液晶显示装置用于增加光量。第二实施例的装置是对第一实施例装置进行一些改型得到的。现在参考附图13至19描述该装置。类似的附图标记表示与第一实施例中相似的元件，而且如果合适即省略对它们的描述。

图13是从上面看本发明第二实施例投影式液晶显示装置光学系统的示意图。，除了第二实施例装置包括第一透镜阵列31和第二透镜阵列32，以代替图2中所示的第一透镜阵列21和第二透镜阵列22，该装置与第一实施例的无滤光片单板显微透镜系统的装置类似。第一透镜阵列31对应于本发明的‘第一透镜阵列’，第二透镜阵列32对应于本发明的‘第二透镜阵列’。下面详细描述第一透镜阵列31和第二透镜阵列32。

图14和图15示出图13所示第一透镜阵列31的结构。图14是从光入射方向看的主视图。图15是沿图14中XV-XV线所取的截面图。如图所示，第一透镜阵列31由排列成六行四列的大小和形状彼此相同的透镜元件31a构成。每个透镜元件31a的一个表面为平面，而另一个表面为具有特定曲率的凸球面。每个球面的顶点31b沿特定的方向偏离每个透镜元件31a中心一定距离。因此，顶点31b相对每个透镜元件31a的周缘偏心。如图13所示，第一透镜阵列31被设置为使光束从球面表面上入射的形式。

如图14所示，其中水平中心线为X轴，垂直中心线为Y轴，属于第一象限的六个透镜元件31a偏心的方向和距离彼此都不同。属于第二象限的六个透镜元件31a和属于第一象限的六个透镜元件31a关于Y轴对称。属于第三和第四象限的十二个透镜元件31a和属于第二和第一象限的十二个透镜元件31a关于X轴对称。

作为整体第一透镜阵列31的周缘近似为正方形。第一透镜阵列31设在这样的位置，使得光源11的投影象25与所述正方形内切。每个透镜元件31a的形状与液晶板18有效区域的形状近似几何相似。例如水平方向和垂直方向的比值为4比3。第一透镜阵列31设在这样的位置，即每个透镜元件31a与液晶板18有效区域共轭或近似共轭。

图16和图17示出第二透镜阵列32的结构。图16是从光出射方向看的主视图。图17是沿图16中XVII-XVII线所取的截面图。第二透镜阵列32包括大小和形状彼此都不相同的透镜元件32a。如同第一透镜阵列31一样，每个透镜元件32a的一个表面为平面，而另一个表面为具有特定曲率的凸球面。

如图16所示，其中水平中心线为X轴，垂直中心线为Y轴，属于第一象限的六个透镜元件32a的形状和大小彼此都不同。具体地说，随着离开第二透镜阵列32中心(X轴和Y轴的交点)的距离增加透镜元件32a变小。每个透镜元件32a的球面顶点32b沿特定方向偏离每个透镜元件31a的中心一定距离。因此，顶点31b相对每个透镜元件31a的周缘偏心。属于第二象限的六个透镜元件32a和属于第一象限的六个透镜元件32a关于Y轴对称。属于第三和第四象限的十二个透镜元件32a和属于第二和第一象限的十二个透镜元件32a关于X轴对称。光束从中射出的第二透镜阵列32的每个透镜元件32a的球面顶点31b沿通过相应的透镜元件31a的中心并且平行于光轴10的直线定位。因此，每个透镜元件32a沿特定的方向偏离周缘的中心。

与第一透镜阵列31一样，透镜元件32a的总数为24，即6行4列。与第一实施例(图5)相反，整个第二透镜阵列32的形状为竖直方向稍长的长方形。这是因为第二透镜阵列32的形状被制成与垂直方向稍长的象素孔径的形状相似，所述象素孔径用于严格地限制液晶板18。第二透镜阵列32的透镜元件32a对应于第一透镜阵列31的透镜元件31a。如后面将描述的图18所示，从透镜元件31a出射的每个光束几乎进入相应的透镜元件32a的中心。

如图14所示，使第一透镜阵列31的每个透镜元件31a偏心，以便所有通过每个透镜元件31a的分开的所有光束会聚在第二透镜阵列32的相应的透镜元件32a的中心。如图16所示，使第二透镜阵列32的每个透镜元件32a偏心，以便透镜元件32a起场镜的作用。从而从每个透镜元件32a出射的所有分开的光束几乎精确地重叠在液晶面板18上，被放大和投影。为了使透镜元件32a作为第一透镜阵列31的相应透镜元件31a的场镜，除了上述的偏心设置以外，还要求透镜元件31a的焦点落在透镜元件32a的主面上。具体地说，如后面将描述的图18所示，将每个相应的透镜元件32a的主面设在这样的位置，使得由每个透镜元件31a聚光的光束的横截面为最小。

第二透镜阵列32与液晶板18的每个象素孔径共轭或近似共轭。不仅第二透镜阵列32起场镜的作用，而且第二透镜阵列32作为整体起入射到液晶板18上光束的光阑作用，并调整入射会聚角α。因此，作为整体第二透镜阵列32的形状近似与液晶板18每个象素孔径的形状相似。为了减小装置的尺寸，使第二透镜阵列22的尺寸最小，并使由表达式(2)给出的缩小率m′尽可能接近‘1’(即缩小率尽可能小)。这些与前述的第一实施例类似。

现在描述第二实施例投影式液晶显示装置的功能。只描述该实施例的特别功能而省略与第一实施例类似的图13所示光学系统作为整体的基本功能。

图18简要示出图13所示光路中从第一透镜阵列31至液晶板18的部分。图18对应前述第一实施例的图8。为方便起见，在图18中，将图13中的反射光路以等效方式变换为直线光路，并省略图13中的分色镜16B、16R和16G。

如图所示，从第一透镜阵列31射出的多个分开光束中每一个的截面都与各透镜元件31a的周缘相似。该光束进入形状与透镜元件31a的形状相似的液晶板18的有效区域内。从而液晶板18被从第一透镜阵列31的所有透镜元件31a射出的来自光源的光以重叠的方式照明。在这种情况下，入射到第一透镜阵列31的单个光束在垂直于光轴10截面上的强度分布是不均匀的。相反，被第一透镜阵列31从单个光束分开的多个分开的光束中每一个的截面上的强度分布是较为均匀的。因此，由重叠所述分开的光束得到的液晶板18上亮度分布相应地是均匀的。因此能够使得放大并投影在荧光屏20上的图象的亮度大体均匀地分布。

如前所述，无滤光片单板显微透镜系统的投影式液晶显示装置需要把入射到液晶板18上光束的入射发散角α减小到足够小的角度。因此本实施例中第二透镜阵列32周缘制成习可能地小。第二透镜阵列32的周缘还起照明系统光阑的作用，从而决定了入射到液晶板18象素上光束的入射发散角α。这一特征也与第一实施例类似。

如前所述，需要在水平和垂直两个方向上对入射发散角α进行限制。限制的程度取决于象素孔径的形状。例如，如果为了获得更严格的限制，象素孔径的形状为垂直方向长的长方形，那么需要第二透镜阵列32周缘的形状为与象素孔径的形状类似的长方形。如图16所示，本实施例中，第二透镜阵列32的透镜元件32a的周缘为与液晶面板18的象素孔径类似的长方形。在这种情况下，对于入射发散角α的限制在水平比垂直方向上严格。根据这样的限制，第二透镜阵列32的水平方向上的长度较小，并且在水平方向上的遮光量增加。因此不仅在水平方向而且在垂直方向上有效地防止了色彩混合。如果不仅在水平方向而且在垂直方向上减小象素孔径，则第二透镜阵列32的垂直方向上的长度也可以相应地较小。

然而，如果也根据第二透镜阵列32的周边减小第一透镜阵列31的尺寸，那么到达液晶面板18的光量不可避免地受到限制，并使液晶板18的亮度下降。

因此在本实施例中，如图14所示，第一透镜阵列31的形状尽可能接近圆形或正方形。而且，第一透镜阵列31的整体尺寸尽可能地大，以便第一透镜阵列31上的光源象(也就是入射的单个光束的截面)几乎被完全包围在整个第一透镜阵列31的周缘以内(即近可能多地接收来自光源11的光束)。从而使由于第一透镜阵列31上的渐晕(遮光)引起的光量损失最小。

本实施例中，使第一透镜阵列31的每个透镜元件31a适当地偏心，以便从第一透镜阵列31出射的分开的光束彼此之间的距离最小。因而，避免了通过第一透镜阵列31的每个透镜元件31a并到达第二透镜阵列32的分开的光束落在第二透镜阵列32的相应透镜元件32a外部，所述第二透镜阵列32的整体尺寸比第一透镜阵列31的小。此外，按照这样确定的分开的光束的照射点和大小确定第二透镜阵列32的位置和尺寸。因此如图19所示，各透镜元件32a中心之间的距离足够小，没有浪费。第一透镜阵列31的透镜元件31a的每个光源象36几乎精确地投影在第二透镜阵列32的相应透镜元件32a的中心上，而不会落在透镜元件32a之外。

图19描述了光入射于其上的第二透镜阵列32上的光源象。如图所示，入射到靠近光轴10的透镜元件32a(第二透镜阵列32的中心)上的光源象36比较大。入射到远离光轴10的透镜元件32a上的光源象36比较小。应予说明的是，透镜元件32a的大小和形状因此而是最佳的。即与图9相反，在透镜元件32a中减小了没有被分开的光束传输的光源象36利用的浪费空间。也几乎没有光源象36超出透镜元件32a。这意味着第二透镜阵列32的整体尺寸被有效地减小了。即第二透镜阵列32作为光阑被减小，使液晶板18上的入射发散角α被限制在足够小的角度内。

根据目前所述本发明投影式液晶显示装置的第二实施例，使第一透镜阵列31的周缘尺寸尽可能大，以致使来自光源的单个光束几乎全部被接收。而且，使每个透镜元件31a都偏心，以使由第一透镜阵列31分开的出射光束尽可能靠近光轴10。此外，按照分开光束的照射点确定确定第二透镜阵列32各透镜元件32a的尺寸、形状和位置。因此，使得由于第一透镜阵列31导致的渐晕而引起的光量损失减小。而且，虽然第二透镜阵列32被明显地减小了，但是第二透镜阵列32内的光量损失也充分地减小了。从而作为整体，使光学照明系统中的光利用率提高。因为第二透镜阵列32作为光阑被允许减小，所以入射到液晶板18上光的入射发散角α明显地减小了。这样有效地降低了液晶板18上的彩色混合。与前述第一实施例一样，液晶板18的表面受到通过第一透镜阵列31的透镜元件31a的光以重叠方式照明。于是，与具有玻璃棒积分器的装置相比，得到足够渐晕的亮度分布。从而使具有极好色彩纯度的均匀且明亮的图象投影在放映屏20上。[第三实施例]

现在参考图20至图23描述本发明的第三实施例。

图20和图21是本发明第三实施例投影式液晶显示装置的光学系统示意图。图20是从上面看的视图。图21是装置的侧视图。类似的附图标记表示与图2中所示元件相似的元件，而且如果合适，则省略对它们的描述。为方便起见，在图20和图21中，把图2中实际被分色镜16B、16R和16G反射的光路以等效方式变换为直线光路。为简单起见，只示出主光线的光路而省略了其他光路。在图20和图21中，省略了图2中所示的投影透镜19和荧光屏20。图21中还省略了分色镜16B、16R和16G。

除了向图2和图13所示的装置添加了用以获得更严格限制和更高亮度的部件，该装置与前述实施例的无滤光片单板显微透镜系统的装置类似。除了图2或图13所示的元件以外，该装置还包括PS分光与合成装置50，该装置具有把包括p和s偏振光的入射光束分成一个p偏振光束和一个s偏振光束，并把其中一个偏振光束变换为另一个偏振光束，进而合成这些光束。代替图2和图13中所示的第一透镜阵列21和31以及第二透镜阵列22和32，该装置包括第一透镜阵列41和第二透镜阵列42，每个阵列的形状为在垂直方向上明显地长。在该装置中，为了获得严格的限制，液晶板18每个象素孔径的水平向长度被明显地减小，所述象素在垂直方向上长。第二透镜阵列42的周缘形状被制成与图23所示象素孔径的形状相似。PS分光与合成装置50对应于本发明的‘分光与合成装置’，第一透镜阵列41对应于本发明的‘第一透镜阵列’，第二透镜阵列42对应于本发明的‘第二透镜阵列’。

如图21所示，所述PS分光与合成装置50包括：偏振光分光棱镜51，内部具有两个几乎彼此垂直放置的偏振光分光反射镜；反射镜52a和52b，它们每个放置在棱镜51的一边(沿装置的竖直方向)；放置在棱镜51后面的半波片53(光从此出射)。在棱镜51中，每个反射镜与光轴10成45°放置。在入射到棱镜51的光束中，s偏振光成分被沿与光轴近似成90°的方向反射(沿装置的垂直方向)。p偏振光成分沿原方向通过棱镜51。然后每个被棱镜51沿垂直方向反射的s偏振光成分被反射镜52a和52b沿近似与光轴10平行的方向反射并且各自进入第一透镜阵列41的上部区域和下部区域。通过棱镜51的p偏振光束通过棱镜51后面的半波片53传输，并被变换为s偏振光束，进入第一透镜阵列41的中心区域。结果，装置50几乎把每个入射光束，变换为s偏振光束并在装置的垂直方向上增加了光束的宽度。或者，可用内部具有反射镜的偏振光分光棱镜代替反射镜52a和52b。在这种情况下，与使用反射镜52a和52b的情况比较，被棱镜51分开的光束通过具有高折射率介质。从而调整了光束的发散角。

图22示出光入射于其上的第一透镜阵列41。图22的垂直方向对应于装置的垂直方向(即液晶板18的垂直方向)。如图所示，第一透镜阵列41形成为竖直方向的长条形，其中第一透镜阵列31的第一和第二象限内的十二个透镜元件31a及第三和第四象限内的十二个透镜元件31a中的分别被加到前述第二实施例的第一透镜阵列31的上部和下部(见图14)。用另一附图标记41a表示图22中的透镜元件。与图14所示的实施例一样，光从透镜元件41a的球面表面上入射，每个透镜元件41a的球面顶点41b偏心，而且每个透镜元件41a的形状与液晶板18的形状相似。

在图21中，从装置50的半波片53出射的s偏振光束进入第一透镜阵列41中心区域的二十四个透镜元件41a，并形成如图22所示的光源象。被装置50的反射镜52a和52b反射的s偏振光束分别进入第一透镜阵列41上部区域和下部区域内的十二个透镜元件41a，并形成如图22所示的光源象。结果是截面面积几乎为原来光束的两倍的光束全部进入第一透镜阵列41。

图23示出第一透镜阵列42的光出射侧。图23的垂直方向对应于装置的垂直方向。如图所示，第二透镜阵列42形成为竖直方向的长条形，其中第二透镜阵列32第一和第二象限内的十二个透镜元件32a及第三和第四象限内的十二个透镜元件32a分别被加到前述第二实施例的第二透镜阵列32的上部和下部(见图16)。用另一附图标记42a表示图23中的透镜元件。与图16所示的实施例一样，光从透镜元件42a的球面表面上出射，而且每个透镜元件42a的球面顶点42b偏心。如上所述，第二透镜阵列42的竖直方向长条形状与液晶板18的象素孔径形状相似。

在第三实施例中，为了获得更高清晰度的显示，第二透镜阵列42周缘的形状为在竖直方向上长。而且，使第二透镜阵列42关于由表达式(2)给出的液晶板18的象素尺寸的缩小率m′被设定为比第二实施例小的值。其余结构与这些与前述

实施例类似。

现在描述投影式液晶显示装置的功能。在本装置中，从准直透镜13出射的近似平行的单个光束几乎垂直地进入棱镜51。因为棱镜51的尺寸足够大，避免了入射光束渐晕。如上所述，入射光束中只有s偏振光成分被内部的偏振光分光棱镜反射，并进一步被反射镜52a和52b反射，成为近似平行于光轴10的s偏振光束。然后该光束进入第一透镜阵列41。另一方面，入射光束中的p偏振光成分通过棱镜51，并由半波片53变换为s偏振光束。然后然后该光束进入第一透镜阵列41。因为第一透镜阵列41的尺寸足够大，避免了入射在其上的光束渐晕。

第一透镜阵列41的透镜元件41a把入射的s偏振光束分为多个光束，并使这些光束进入第二透镜阵列42的相应透镜元件42a。与第二实施例一样，光源象(图23中未示出)几乎不会落在各个透镜元件42a的外部。结果，几乎所有入射到第二透镜阵列42的光束都用于照明液晶板18。

准直透镜15把从第二透镜阵列42出射的分开光束变换为远心光束，并通过入射偏振片17进入液晶板18。从第一透镜阵列41的透镜元件41a出射的光束彼此重叠，以便获得均匀的亮度。对入射到液晶板18上光的入射发散角进行限制。对象素孔径的水平和垂直方向上的角度的限制程度是不同的，这是由于第二透镜阵列42周缘的形状。例如，如果象素孔径的水平方向与垂直方向的比值为1比3，那么水平方向上的入射发散角αH(见图20)大约为5度，而垂直方向上的入射发散角αV(见图21)大约为15度。

在本装置中，借助PS分光与合成装置50的作用，入射到刚好放在液晶板18前面的偏振片17上的光束几乎全部变成线偏振光。因此，只要偏振片17的偏振轴设于入射光的偏振方向，则几乎没有损失地获得全部线偏振光。如果像本发明的本实施例一样，使预先变成几乎线偏振的光束沿偏振片17的偏振轴入射，则几乎没有偏振光成分被偏振片17吸收，这与相关技术的方法相反。在相关技术的方法中，包括s和p两种偏振光的光束仅由偏振片17变成线偏振光，因此沿偏振片17的偏振轴的偏振光成分以外的任何光都被吸收和浪费。

按照目前所述本发明投影式液晶显示装置的第三实施例，根据通常使用的象素孔径在垂直方向上长，第二透镜阵列42的周缘的形状被制成在垂直方向上长，以便获得高的清晰度。此外，按照第二透镜阵列42的长度方向第一透镜阵列41周边的形状也被制成在垂直方向上长。而且，在第一透镜阵列41的前面设置PS分光与合成装置50，用于在垂直方向上扩展入射的单个光束的宽度，并射出该光束。结果，即使液晶板18具有很长而且窄的象素孔径，也根据象素孔径的长宽比限制入射发散角。从而避免了色彩混合。因此获得了具有优良色彩纯度的图象显示，同时获得了高清晰度。

根据本实施例，将PS分光与合成装置50置于第一透镜阵列41的前面，并使几乎每个光束都预先变成几乎线偏振的光。从而减小了偏振片17上的光量损失。也补偿了获得较高清晰度时所产生的光量下降。从而实现投影图象的更高亮度。[第四实施例]

现在描述本发明的第四实施例。

图24示出本发明第四实施例的投影式液晶显示装置的光学系统的主要部分。在本实施例中，将PS分光与合成装置60阵列刚好设在有如前述第一实施例(图2)光学系统中第二透镜阵列22的后面。图24示出了第二透镜阵列22和装置60的放大顶视图。装置60也对应于本发明的‘分光与合成装置’。

如图所示，装置60包括多个单元，每个单元由如下元件构成：对应于第二透镜阵列22的每个透镜元件22a的中心放置的偏光分光棱镜61；放置在两个相邻透镜元件22a之间的反射棱镜62；以及放置在反射棱镜62后面的半波片63。分光棱镜61内部包括分光反射镜，并反射入射于其上的光束中的s偏振光成分和透过p偏振光成分。反射棱镜62包括全反射镜或分光镜，并反射几乎每个从棱镜61入射的光束的s偏振光束。半波片63把从反射棱镜62出射的s偏振光束变换为p偏振光束。与前述实施例不同，在此光学系统中，限制入射到液晶板18上光的入射发散角的光阑位置为图24中用ST标出的位置。即所述位置位于近似通过分光棱镜61的反射镜中心的平面内。其余结构与图2所示的装置类似。

如图24所示，在本装置中，从第一透镜阵列21射出的包括p和s两种偏振光的分开光束通过透镜元件21a进入分光棱镜61，而且会聚在分光反射镜上。分开光束的s偏振光成分被分光棱镜61的分光反射镜反射并进入邻近的反射棱镜62。这些光成分进一步被反射棱镜62的反射镜反射并被半波片63变换为p偏振光束。另一方面，入射的分开光束的p偏振光成分透过分光棱镜61的分光反射镜并按原方向出射。这样，从装置60出射的每个分开光束都几乎变为p偏振光束，并通过图2所示的偏振片17进入液晶板18。在这种情况下，与第三实施例一样在偏振片17上也几乎没有光量损失。因此液晶板18的亮度增强。

根据目前所述的实施例，PS分光与合成装置60设在第二透镜阵列22的后面，并使几乎光束的所有光线都预先变成几乎线偏振的光。从而使偏振片17上的光量损失减小，并获得较亮的图象。

可将图24所示的结构用于第二实施例的光学系统(图13)。

本发明并不限于目前所述的实施例，还可以用其他方式实施。例如，形成积分器的第一和第二透镜阵列的周缘的形状和大小以及第一和第二透镜阵列的透镜元件的形状、大小和排列并不限于前述各例，而是可以根据液晶板18的形状以及象素孔径的形状和大小进行适当的改型和优化。

在前述实施例的偏振片17的正后方，可以加入使偏振方向旋转45°的相移片。在这种情况下，入射到液晶板18上的光的偏振方向与包括被分色镜16B、16R和16G反射的B、G和R彩色光束的平面成45°角，并入射到液晶板18上(即与液晶板18垂直的水平面)。从而降低了图象在水平方向上的色彩不一致性。

虽然将椭球面镜用作光源的凹面镜，以提高聚光效率，也可以换用非球面透镜或类似透镜与球面反射镜或回转抛物面反射镜的组合。虽然前述实施例的液晶板是透过式板，也可以换用反射式板。

根据本发明的投影式液晶显示装置，被第一透镜阵列的透镜元件分开的每个分开光束进入第二透镜阵列的相应透镜元件。入射到第二透镜阵列的透镜元件上的分开的光束按分开的光束彼此重合的方向出射。然后分开的光束通过色彩分光装置以重叠方式进入液晶板。因此第一和第二透镜阵列作为积分器，使得液晶板上的亮度均匀。结果，与使用相关技术的棒状积分器装置相反，无滤光片单板显微透镜系统的装置实现投影图象的亮度均匀。沉积的外界物质例如灰尘及光源的弧光波动等的影响也降低了。

根据本发明的装置，整个第二透镜阵列的形状近似与液晶装置的每个象素的孔径形状类似，整个第二透镜阵列还与每个象素共轭或近似共轭。结果，使入射到液晶板上的光束的入射发散角受到适当的限制。即根据象素的长宽比适当地减小入射到液晶板上的光束。在水平和垂直方向上优化入射发散角。因此，防止因入射光束的过减小导致的光量减少，使光的利用率得到改善。从而获得明亮的投影图象。此外，避免了当入射光束的减小不充分时可能产生的彩色混合，使投影图象的色彩纯度得到改善。

根据本发明的装置，第二透镜阵列的每个透镜元件的大小和形状与从第一透镜阵列的相应透镜元件射出的分开的光束形成的光学象相应。结果，大部分入射到第二透镜阵列的光到达液晶板。使第二透镜阵列上的光量损失进一步下降，光利用率得到改善。从而获得了明亮的投影图象。

根据本发明的装置，整个第一透镜阵列的大小能够接收几乎所有的单个光束，而且可使第一透镜阵列的每个透镜元件偏心，以便从透镜元件出射的分开的光束会聚在第一透镜阵列的相应透镜元件上。这样获得了整个第一透镜阵列的适当尺寸，而与第二透镜阵列的整体尺寸无关。因此，防止了第一透镜阵列引起入射的单个光束渐晕，从而高效地利用了入射光束。液晶板上的亮度被进一步提高，并使投影图象的亮度进一步得到改善。

根据本发明的装置，第一透镜阵列的每个透镜元件的形状可以近似与液晶面板的形状相似，而且第一透镜阵列的每个透镜元件还可以与液晶面板共轭或近似共轭。结果，由第一透镜阵列的透镜元件分开的分开光束几乎准确地重叠投影在液晶板上。因比通过第一透镜阵列的光束被用于照明液晶面板而没有损失。

根据本发明的装置可以进一步包括一个分光与合成装置。结果，几乎所有入射光束形成为特定方向上的线偏振光，并被利用。从而减少了损失于通常放置于液晶板前面的偏振片上面的光量。光利用率进一步得到改善，从而获得明亮的投影图象。

根据本发明的装置，可将分光与合成装置放在第一透镜阵列的前面，而且该装置具有这样的结构，即与入射光束的直径相比从分光与合成装置出射的光束的直径被放大，并进入整个第一透镜阵列。因此，投影图象的亮度进一步得到改善。此外，如果装置中使用通常为获得高清晰度所用的具有超长象素的液晶板，则使得光束均匀地入射到整个第二透镜阵列，所述第二透镜阵列的形状是与象素孔径的形状类似的长而窄的形状。结果，根据象素孔径的长宽比适当地限制了入射发散角。从而避免了色彩混合，因此获得了具有优良色彩纯度的图象显示，同时实现了高清晰度。

显然根据上面的教导可以对本发明进行许多改进和变型。因此应该理解，可以在所附权利要求范围内实施本发明，而不限于具体的描述。

Claims (8)

1.一种投影式液晶显示装置，包括：

第一透镜阵列，它包括多个排列成二维的透镜元件，用于由所述透镜元件将入射的单一光束分为多个分开的光束，并输出所述分开的光束和会聚所述分开的光束，所述第一透镜阵列的所述多个透镜元件的至少其中之一具有一个关于所述透镜元件的周边偏心的顶点；

第二透镜阵列，它包括与所述第一透镜阵列的透镜元件对应地排列成二维的多个透镜元件，并把通过所述第一透镜阵列的各个透镜元件入射于其上的分开的光束按如下方向出射，即使得所述分开的光束彼此重叠；

一个色彩分光装置，用于把从所述第二透镜阵列射出的光束分成多束原色光，并以彼此不同的角度射出所述彩色光束；和

一个液晶板，包括：一个具有与原色相对应的象素、并调制入射到所述各象素上的所述彩色光束的液晶装置；以及各为每组象素设置的会聚装置，把从所述彩色分光装置射出并以彼此不同的角度入射的所述彩色光束会聚、并使所述彩色光束进入相应颜色的象素。

2.如权利要求1所述的投影式液晶显示装置，其特征在于，所述第二透镜阵列的形状与所述液晶装置的每个象素的孔径形状相似，并且整个第二透镜阵列与所述每个象素共轭或近似共轭。

3.如权利要求2所述的投影式液晶显示装置，其特征在于，所述第二透镜阵列的每个透镜元件的大小和形状与从所述第一透镜阵列相应的透镜元件射出的分开的光束所形成的光学象一致。

4.如权利要求3所述的投影式液晶显示装置，其特征在于，整个第一透镜阵列的大小能够接收几乎所有的所述单个光束，并且使所述笫一透镜阵列的每个透镜元件偏心，以便从所述透镜元件出射的分开的光束会聚在所述第二透镜阵列的相应透镜元件上。

5.如权利要求1所述的投影式液晶显示装置，其特征在于，所述第一透镜阵列的每个透镜元件的形状与所述液晶板的形状相似，并且所述第一透镜阵列的每个透镜元件与所述液晶板共轭或近似共轭。

6.如权利要求1所述的投影式液晶显示装置，其特征在于，还包括一个分光与合成装置，该装置用于把入射的光束分为在一个方向上线偏振的光束和在另一个与所述方向垂直的方向上线偏振的光束，把在其中一个方向上线偏振的光束转换为在另一个方向上线偏振的光束，把转换后的线偏振光束与未转换的线偏振光束合成为在单一方向上线偏振的光束，并且输出所述光束。

7.如权利要求6所述的投影式液晶显示装置，其特征在于，将所述分光与合成装置设置在所述第一透镜阵列的前面，并且所述液晶显示装置具有这样的结构，即与入射光束的直径比较，从所述分光与合成装置出射的光束在直径上放大并进入整个所述第一透镜阵列。

8.如权利要求6所述的投影式液晶显示装置，其特征在于，将所述分光与合成装置设置在所述第二透镜阵列的后面，并且所述分光与合成装置包括多个分光与合成单元，用于把由所述第一透镜阵列分开并通过所述第二透镜阵列的透镜元件的分开的光束分光并合成为线偏振光，还用于把光束变换为在一个方向上线偏振的光束。

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