CN1132136C - 带两个微透镜列阵的图象显示装置 - Google Patents

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Abstract

图象显示装置(1)，包括一配备光源(5)以产生光束的照明系统(3)。该装置(1)还包括带有象素(10)矩阵以根据要被显示的图象信息调制上述光束的图象显示板(9)。带有许多第一透镜(15)且其间距为ΔW1的第一微透镜列阵(13)，存在于照明系统(3)和图象显示板(9)之间。带有许多第二透镜(19)且其间距为ΔW2的第二微透镜列阵(17)，存在于第一微透镜列阵(13)和图象显示板(9)之间。两块微透镜列阵的焦平面重合，而且ΔW1＝ΔW2＝ΔW适合这些间距。第一透镜(15)具有的尺寸基本上与第二透镜(19)的尺寸相等。照明系统(3)适于按这种方式安排，当照明系统工作时，能够供给以界线分明的不同角度入射在第一微透镜列阵上的许多子光束。

Description

带两个微透镜列阵的图象显示装置
技术领域
本发明涉及一种图象显示装置，它包括配备有光源以产生光束的照明系统，带有象素矩阵以根据要被显示的图象信息调制所述光束的图象显示板，存在于该照明系统和图象显示板之间的带有许多第一透镜且其间距为ΔW1的第一微透镜列阵，以及存在于第一微透镜列阵和图象显示板之间的带有许多第二透镜且其间距为ΔW2的第二微透镜列阵，而所述两微透镜列阵的焦平面重合，而且ΔW1＝ΔW2＝ΔW适合这些间距。
背景技术
有关的图象显示装置可被细分为两种类型，即图象投影装置和平板图象显示装置。图象投影装置是这样一种装置，其中通过图象显示板产生的图象借助于投影透镜系统成象在比较大的距离上，并以被放大的形式成象在投影屏上。在平板图象显示装置中的图象，也是由图象显示板产生的。在横过图象显示板方向上的尺寸比较小，要比图象投影装置的尺寸小很多。使用平板图象显示装置，观察者直接观看图象显示板，以至于该装置又被称之为直视装置。
图象显示装置可以是例如视频显示装置或计算机系统的监视器，或者是仪表面板的显示装置。
开始一段描述的那种类型的图象显示装置，例如可从英文文摘JP-A2-262185中了解到。该申请中描述的图象显示装置装备两个微透镜列阵，存在于液晶图象显示板的照明一侧。图象显示板包括由实际起转换作用的有源部分和无源部分构成的象素的矩阵。两微透镜列阵的焦平面重合，并且具有相同的间距。入射在第一微透镜列阵上的光束，被分解成与象素数目对应的许多子光束。第二列阵上的微透镜具有比第一列阵透镜要小的尺寸，以致于在图象显示板面上子光束的尺寸，基本上与相应象素有源部分的尺寸对应。每一列阵中微透镜的数目与图象显示板上象素的数目相等，并以每一微透镜照明一个象素。
JP-A2-262185中描述的图象显示装置，其缺点在于该装置的通光量受到局限，特别是受到图象显示板几何孔径的限制。“通光量”表征光学系统传送辐射能的效力。此效力是由光学系统中在一同样位置上的几何孔径和光瞳的组合决定的，并可被表示为孔径表面积和在该孔径中心由光瞳所对的空间角的乘积。
图象显示板的几何孔径，是由象素有源部分表面积和象素无源部分表面积之比决定的。在现在的LCD投影系统中，目标是小型化，尤其是为了降低生成成本。这尤其意味着图象显示板应当减小尺寸，而在大多数情况下仍能够将分辩率和通光量保持在所希望的水平。
通过减小图象显示板的尺寸而同时保持其分辨率，图象显示板的几何孔径将会减小。由于此几何孔径被限制，故在使用液晶材料的图象显示装置中可能出现大量的光损失，以致于该显示装置的光输出要受到不利的影响。
当希望保持显示装置中的通光量时，尺寸减小的图象显示板的接收角将比较大。因此，微透镜应当靠近液晶材料定位，以便能够尽可能多地利用来自照明系统的光。这意味着基片的厚度必须比较小。然而图象显示板中基片之间存在有液晶材料，该基片的厚度应具有最小值，以使其适于操作而没有很大的损坏危险。由于此要求施加在基片厚度上，因而对于给定的象素规格来说，接收角从而还有通光量是固定的。
由上文可得出结论，图象显示板上的象素不能被减少到没有限制的程度，如果可以接受的通光量和分辨率还应当实现的话。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图象显示装置，该装置具有不受图象显示板的几何孔径及其基片厚度限制的比较高的通光量。
为此目的，根据本发明的图象显示装置，其特征在于：第一透镜具有的尺寸基本上与第二透镜的尺寸相等，而且照明系统适于按照这种方式安排，当照明系统工作时，能够供给以界线分明的不同角度入射在第一微透镜列阵上的许多子光束。
本发明基于这样一种认识，光离开图象显示板上象素时所形成的圆锥角，可通过由第二微透镜列阵的一个以上的微透镜照明图象显示板上的象素来控制的。它可以通过以给定方式照明第一微透镜列阵中的微透镜，而且通过相互按给定方式将第一及第二微透镜列阵中的微透镜定位和定出尺寸来实现。
这可以通过保证以下情况来达到：由照明系统供给的光，以界线分别的各种角度入射在第一微透镜列阵上而没有来自光源的光被损失掉；对第二微透镜列阵中的微透镜，给定以与第一微透镜列阵中的微透镜相同的间距和尺寸。第二微透镜列阵中至多一部分微透镜，是被第一微透镜列阵中每一微透镜照明的。第二微透镜列阵中每一微透镜，接收来自第一微透镜列阵中一个以上微透镜的光。因此，第二微透镜列阵被图象显示板看作全发光的平面，而不是看作具有不连续发光面的平面，如所述英文文摘中描述的那样。图象显示板上的每一象素将用均匀的光锥照射，而且对比度对于所有象素均相等。每一象素接收来自在第二微透镜列阵中“许多”邻近微透镜的光，其“许多”是由第一微透镜列阵被照射时的角度值决定的。按照这种方式，基本上象素的全部接收角都能用光充满，以致于比较高的通光量可以达到，而且基片的厚度不再起作用。
所述措施在彩色图象显示装置中具有额外的好处。按照这种方式，颜色跨过图象均匀地分布，以致于对三原色之一的彩色偏移可以避免。
根据本发明的图象显示装置的最佳实施例，其特征在于，第二微透镜列阵的放大倍率M基本上等于ΔX/ΔW，其中ΔX为在图象显示板面上每个象素上的光束直径，对于它来说ΔX≈(1/n)P和ΔW≈n·ΔX成立，同时n为≥2的整数，P为图象显示板的间距。
由于对放大倍率M来说下式成立：M≈ΔX/ΔW，而且ΔX≈1/nP和ΔW≈n.ΔX，其中P为图象显示板的间距；ΔX为图象显示板上象素所在位置上的光束直径，n为整数且n≥2，所以第一微透镜列阵中微透镜的象，将通过第二微透镜列阵中的微透镜对象素部分进行匹配。象素部分乃是象素有源部分，倘若第一微透镜列阵是以适合的角度被照射的。在保持通光量的同时，对于具有孔径基本上等于图象显示板间距一半的象素来说，可以获得最小的显示板尺寸。
例如n可以等于2，在这种情况下，象素无源部分的尺寸和象素有源部分的尺寸彼此相等。
如果象素无源部分和有源部分的尺寸在不同的发光子表面伸展的方向上互不相等，换而言之，如果ΔX≠1/2P，那么放大倍率M可以用这样一种方式即光束仍然入射在象素有源部分来适配。如果象素有源部分大于象素无源部分，那么放大倍率就无须进行适配。图象显示板上象素的孔径可以大于该象素位置上的光束直径。于是在图象显示板上存在着对图象的形成无贡献的有源部分，但在生产过程中有利。事实上象素有源部分的位置公差将比较大。
根据本发明的图象显示装置的进一步实施例，其特征在于，照明系统包括分束系统，并且具有位于该分束系统和第一微透镜列阵之间而且基本上垂直于该图象显示装置光轴的发光表面，所述发光表面被分成许多发光的子表面。
每一发光的子表面相对于第一微透镜列阵具有不同的位置。来自不同的发光子表面的光，将以不同的角度入射在第一微透镜上。这些发光的子表面在该发光面上所处的位置，可以根据照明系统的结构而特别是通过分束系统的选择来决定。
根据本发明的图象显示装置的进一步实施例，其特征在于：其分束系统包括有分束元件，而且在照明系统的发光表面和第一微透镜列阵之间存在有第一透镜，这些发光的子表面位于所述第一透镜的焦平面上。
通过提供一焦平面与该发光表面重合的透镜，便可使各发光子表面的光以不同的角度入射在第一微透镜列阵上面。该发光表面被该微透镜列阵看作是由不连续的一些子表面构成的发光表面。
根据本发明的图象显示的进一步实施例，其特征在于第一透镜与第一微透镜列阵结合成一体。
这样可节省多余的组件，况且可以发生有害的反射的表面数减少。
发光的子表面并不需要彼此分开，但也可以彼此相连。根据本发明的图象显示装置的实施例，其中的发光子表面彼此相连，其特征在于该分束系统包括衍射光栅。
在这种情况下，所述第一透镜可以省去。由这些发光的子表面入射在第一微透镜列阵上的光束的角度，可以通过改变该衍射光栅的照明方向来矫正。
根据本发明的图象显示装置另一实施例，其中的发光子表面彼此相连，其特征在于该分束系统包括全息图。
全息图特别适合这种应用，因为它比较容易制做，且其规格也能对显示装置小型化起一份作用。
根据本发明的图象显示装置进一步实施例，其特征在于，照明系统适于发出一些辐射方向连贯的蓝、绿、红光。
假如图象显示装置适于彩色显示，那么蓝、绿、红不同颜色可以散布在这些发光的子表面上。它们彼此接续的顺序并不重要。一或多个发光的子表面可以提供的每种颜色，取决于图象中所需要的和/或所想望的彩色平衡。
根据本发明的图象显示装置进一步实施例，其特征在于，分束系统和第一微透镜列阵之间存在有用于匹配发光子表面在图象显示板上成象的第二透镜。
如果该发光的表面已经以与图象显示板相同的宽高比发光，那么此发光表面的窗口象可通过附加的透镜做在图象显示板上面。按照这种方式，来自照明系统的光可被尽可能有效地利用，而且图象显示板外最少量的光被遮断。
根据本发明的图象显示装置进一步实施例，其特征在于，第二透镜被分成其数目与子表面数目相等的许多子透镜。
通过将第二透镜分成许多子透镜，这些小透镜联合起来是以作到比一个大透镜廉价和/或更轻。然后每一子透镜产生子表面之一的窗口图象。
根据本发明的图象显示装置的另一个可供选择的实施例，特别适合于图象投影装置之类的图象显示装置，其特征在于该分束系统包括一棱镜系统，此棱镜系统由两块分色棱镜以及另外许多改变光束方向和位置的棱镜构成，由此棱镜系统供给的一些子表面，位于照明系统的发光表面中。
不管其尺寸如何，棱镜系统的优点是，每一原色一或多个子表面的配置以及这些子表面的尺寸，非常容易控制。
根据本发明的图象显示装置进一步实施例，其特征在于，传送光束以在该发光表面上产生出发光子表面的棱镜，其出射面装备有对所述棱镜供给的颜色产生光谱遮断或抑制的滤光片。
按照这种方法，对颜色的成份进行补偿，以致于图象中的颜色均匀性将可达到。
根据本发明的图象显示装置进一步实施例，其特征在于，在共用基片的两侧安排两个微透镜列阵。
通过这种措施，可能产生有害反射的表面数目也可以减少。
根据本发明的图象显示装置进一步实施例，其特征在于，第一和/或第二微透镜列阵中的微透镜，被作为全息元件来实现。
每一微透镜列阵可以作为全息元件列阵来实现，每一全息元件完成透镜的功能。
本发明的方方面面由随后描述的实施例将会清楚，并参照该实施例进行解释。
附图说明
在附图中：
图1表示根据本发明的图象显示装置实施例；
图2a，2b，2c和2d表示根据本发明的图象显示装置中的微透镜列阵和图象显示板，其中的光路是为4束光表示的，每束光皆被准直并以不同的角度入射在第一微透镜列阵中的微透镜上面，第二微透镜列阵中的每一微透镜与三个象素对应。
图3a，3b，3c和3d表示根据本发明的图象显示装置中的微透镜列阵和图象显示板，其中的光路是为4束光表示的，每束光皆被准直并以不同的角度入射在第一微透镜列阵中的微透镜上面，第二微透镜列阵中的每一微透镜与1个象素对应；
图4及5表示用于本发明的图象显示装置的照明系统的2个实施例；
图6表示如图5所示照明系统中发光表面的分割，以及
图7表示根据本发明的直视型图象显示装置的实施例。
具体实施方式
图1中表示的图象投影装置1，包括用以供应光束的照明系统3。该照明系统3包括一光源5，至少为反射器7局部环绕以保证来自光源5的最大量光能到达该图象显示装置。反射器7例如可以是球面反射镜。照明系统3进一步包括用于形成准直光束的聚光透镜8。反射器7换一种方式可以是抛物面的反光镜。在这种情况下，聚光透镜可以省去，因为抛物面反射镜已经将光束准直。
图象投影装置1中还有图象显示板9。该图象显示板9例如可以包括液晶材料和象素10的矩阵，其运作基于扭转向列(TN)、超扭转向列(STN)或者铁电效应基础上，以便依照要被显示的图象信息对入射其上的光的偏振方向进行调制。另一方面，该图象显示板的运作也可基于象例如聚合物色散液晶(PDLC)中对入射的非偏振光散射的基础上。在所有这些情况下，液晶材料层均提供在两块光学透明的基片(例如玻璃或合成材料)之间，其上安置有电极结构，以为每一象素提供要被显示的图象信息。
如果该图象显示板的运作是基于对偏振方向的调制，那么起偏器4恰好安排在图象显示板9的前方，以将来自光源5的非偏振光在其入射在图象显示板9上之前偏振。用于遮断光以产生暗图象部分的检偏器6，被安排在图象显示板9的后面。起偏器4并不必须恰好安置在图象显示板前面，但可换一种方式，被安置在光源和图象显示板之间光路中的其它某处。
由照明系统3供给的光束，将依照要被显示的图象信息受到图象显示板调制。被调制的光束随后由投影透镜系统11投影成象，为简单起见，此投影透镜系统由单块投影透镜表示。
每一个象素10包括实际起转换作用的有源部分12和无源部分14。每一象素有源和无源部分间的比例，决定该图象显示板的几何孔径。由于孔径受到限制，故在采用液晶图象显示板的图象显示装置中光的损失可能很大。因此，通常的做法是使用安排在照明系统和图象显示板之间光路中的微透镜列阵，以便将来自照明系统的最大量光会聚在图象显示板上象素的有源部分之上。于是微透镜列阵的焦平面处在图象显示板上的液晶层中。单块微透镜列阵的缺点之一在于，光线离开图象显示板时的角度发散比较大。因此，用以减小发散角的第二块微透镜列阵被安置第一微透镜列阵和图象显示板之间。在迄今已知的图象显示装置中，在图象显示板的前面使用2块微透镜列阵，两微透镜列阵的间距相等，但第二微透镜列阵中微透镜的尺寸比第一微透镜列阵中的微透镜要小。事实上，第二微透镜列阵中微透镜尺寸的选择，是让来自该微透镜的光束的直径与对应该微透镜的象素有源部分的匹配尽可能得到满足。
在图1所示本发明的图象显示装置，包括第一微透镜15的微透镜列阵13和包括第二微透镜19的第二微透镜列阵17，被安排在照明系统3和图象显示板9之间。第一微透镜列阵13的间距ΔW1和第二微透镜列阵17的间距ΔW2基本上相等，且为简单起见，进一步将称之为ΔW。为了让入射在第一微透镜列阵13上的平行光束离开第二微透镜列阵17时再一次能作为平行光束，第一微透镜列阵的焦平面与第二微透镜列阵的焦平面重合。在本发明的图象显示装置中，第一微透镜15和第二微透镜19具有相等的尺寸。第二微透镜列阵17将第一微透镜列阵13成象在图象显示板9的液晶层上面。照明系统3进一步通过下述方式实现，第一微透镜列阵被入射其上的许多光束以界线分明的不同角度照射。这些措施是基于这样一种认识，光离开图象显示板中象素时形成的圆锥角，可以通过由第二微透镜列阵的一个以上的微透镜照明图象显示板上的象素来控制。实现它的一种途径是，保证由许多并置的发光子表面组成的发光表面在与图象显示装置光轴垂直的平面内形成。由于这些发光的子表面中的每一个相对于第一微透镜列阵13具有不同的位置，故来自不同子表面的辐射将以不同的角度入射在第一微透镜列阵13上面。包括各种各样发光子表面的发光表面，可以按不同的方式实现。此照明系统的实施例，决定了这些子表面的位置因而还有第一微透镜列阵13被照射的角度。
它是通过所述措施达到的，即第二微透镜列阵17的整个表面积，被图象显示板看作一发光的表面。这与迄今已知的图象显示装置形成对比。在那些显示装置中，第二微透镜列阵中的微透镜被作为不连续的辐射面考虑。其所具有的缺点是，显示装置的通光量受图象显示板几何孔径的限制。在已知的显示装置中，第二微透镜的直径与象素有源部分的尺寸适配。在本发明的图象显示装置中，图象显示板9上的每一象素通过第二微透镜列阵17上的“许多”微透镜接收光线。此“许多”是由入射在第一微透镜列阵13上的角度决定的。
第二微透镜列阵17中的每一微透镜19，将第一微透镜列阵13中的微透镜15成象在至多一部分液晶层上面，最好成象到象素有源部分12上。为了能够清楚地表示辐射光路，第一列阵13中的微透镜15由li+n表示，第二列阵17中的微透镜19以mi+n表示，而且图象显示板9上的象素10用Pi+n表示，其中n为整数。相互对应的微透镜，即图中位于同一水平轴线上的微透镜，具有相同的指数。然而一或多个象素可与每个微透镜li和mi对应。在图2a至2d的实施例中，每个微透镜对应于3个象素，称之为三个一组。例如它可以通过让三种颜色的光束以适当的角度入射在第一微透镜列阵上，保证三个一组中的每个象素以不同的原色被照明。彩色图象显示装置是按照这种方式获得的。一个以上的象素对应一微透镜的显示装置，不管事实上该装置是否是为单色显示还是彩色显示设计的，其优点在于微透镜列阵中的微透镜可以稍微大一些。这就便于它们的制造，在使用带有较小象素的图象显示板的图象显示装置中特别有利。
图2a至2d表示对于平行光束以许多不同的角度入射在微透镜Li上的辐射光路。三个象素10对应于第二微透镜列阵17的每一微透镜19。
在图2a中，平行的入射光束b的主光线垂直于微透镜li。微透镜li将此光束聚焦在f点。此光束随后被第二微透镜mi转换成具有与象素Pi的有源象素部分12同样尺寸的平行光束。此光束降落在象素Pi的有源象素部分12上面，是由于此光束倾斜入射在第一微透镜列阵上的结果。这碰巧发生在M≈ΔX/ΔW时，其中ΔX为此光束在图象显示板面上的直径。ΔX可以等于1/2P，其中P为图象显示板的间距。在这种情况下，象素有源部分和象素无源部分的尺寸彼此相等。ΔW是微透镜列阵的间距，而且最好基本上等于n·ΔX，其中n为大于或等于2的整数。在本实例中，n＝6。
由此可以明白，如果象素有源部分的尺寸等于图象显示板间距P的一半，那么便可以得到能够保持通光量时的最小显示板尺寸。如果象素有源部分大于1/2P，则其一部分将不被利用。这种图象显示板的优点在于其象素有源部分的位置公差比较大。
象素有源部分也可小于1/2P。例如Δn＝1/3P，ΔW＝3Δn以及M＝3。而且在这种情况下，以第一微透镜列阵以适当的角度被照射为条件，每一光束与象素有源部分相符合。
图2b表示，相对于微透镜li法线以ε角入射的平行光束b′，被此微透镜聚焦在fε点，并且经过微透镜mi-2到达象素Pi-7的象素有源部分12。
图2c表示，相对于微透镜li法线以α角入射的平行光束b″，将被此微透镜聚焦在fα点，并且经过微透镜mi+2到达象素Pi+7的象素有源部分12。
然而入射在微透镜li上的光束，也可以该光束入射在显示板上象素无源部分14的角度被入射。但是这应当回避，因为入射在象素无源部分上的光不能对形成图象作出贡献，而且造成光损失和显示板加热。这特别适用于由微透镜li入射经过微透镜mi+1+2k入射在图象显示板上的光线，其中k为0，±1，±2，......。其实例表示在图2d中。光束b以β角入射在微透镜li上面，而且随后被聚焦在fβ点。然后此光束经过微透镜mi-1到达象素Pi-3和Pi-4的象素无源部分14。透镜li+1将被mi成象在象素的无源部分。透镜li+2随后将被再一次成象在象素的有源部分上面。
由所述可以明白，当平行光束以给定的角度入射在第一微透镜列阵13中的微透镜15上时，此光束将以与入射角度对应的角度再一次作为平行光束离开图象显示板9。因此入射角对应于出射角。所以出射角可被选择使无光损失。对于比较小的象素来说，增大接收角度，以致于增大光可被入射到象素上以对图象形成作出贡献的角度。通过充满所允许的接收角，该显示装置仍将具有比较高的通光量，尽管象素的几何孔径比较小。由于象素的接收角是用来自不同微透镜的光束充满的，故图象显示板中基片的厚度将不再重要。
第二微透镜列阵17中的微透镜19可以照明三个象素，如图2a至2d的实例中表示的那样，即照明与此微透镜对应的三个象素。第一微透镜列阵13中的微透镜15将照射第二微透镜列阵17中的不同微透镜19，从而照明不同的象素。可以到达的象素数，特别是由光束入射在第一微透镜列阵上角度的扩散幅度决定的。通过让由平行光束构成的不同光束中的每一光束以不同的角度入射在第一微透镜列阵13中的一个微透镜15上，不同的象素因而可被照射。此外，每一象素将接收来自第一微透镜列阵中一个以上微透镜的光。由平行光线构成的入射在第一微透镜列阵13中界线分明的微透镜之一15上的光束，将被入射在图象显示板中的一象素上。
与图2a至2d类似，图3a至3d表示如果只有一个象素10与第二微透镜列阵17中每一微透镜19对应时的辐射光路。此处再一次ΔX＝1/2p。在这种情况下，n＝2。在图3a中，光束b垂直入射在微透镜li上面，并且经过微透镜mi到达象素的有源部分12。在图3b中，光束b′以角度ε入射在微透镜li+2上，并且经过微透镜mi到达象素Pi-1的象素有源部分12。在图3c中，光束b″以角度α入射在微透镜li-2上，并且经过微透镜mi成象在象素Pi+1的象素有源部分12上。在图3d中，光束b以β角入射在微透镜li上，并且经过微透镜mi-1到达象素Pi-1和Pi-2的象素无源部分14。
例如，也可以是两个象素对应于第二微透镜列阵中的每一微透镜。如果再一次ΔX＝1/2P，那么n＝4。
入射在第一微透镜列阵13上的光束所需要的扩散角，例如可通过图4中表示的照明系统3来获得。该照明系统3包括光源5、至少局部环绕光源5的反射器7，以及在其输出面上形成不同于光束bj的分束系统20，其中j＝1，......5。这些子光束bj在发光表面51中产生一些子表面Bj。此分束系统20包括有分束元件(未表示)。
该分束元件例如可以是平的带孔径的平板。此平板中各孔径的位置，是由第一微透镜列阵被照射的角度决定的。入射的“白”光束将被这样的平板分成许多“白”的子光束。在这种情况下，第一块透镜25应存在于发光表面51和第一微透镜列阵13之间靠近第一微透镜列阵13。第一块透镜25的焦平面与发光表面51重合。此第一块透镜能够保证发光表面51被转换成完全被充满的照明微透镜列阵的照明面，在此照明面中只有所需要的照明角度。此第一透镜25可以作为分开的元件来实现，但也可与第一微透镜列阵13做成一体，以节省多余的元件。此外，第二块透镜24可以安排在第一透镜25和发光表面51之间靠近发光表面51。从而可以实现，由发光表面上每一点发射的光锥中的每一光锥照明全部图象显示板。此第二透镜24可由一块构成，但换种方式也可由许多子透镜构成。于是子透镜的数目将与发光表面51中形成的子表面数目对应。使用许多子透镜的优点在于，比较小的透镜价格低，且/或比一块大透镜轻。所述透镜24及25在图1中以虚线表示，因为它们是可以选择的。透镜24及25可被看成照明系统3的一部分。
分束元件换一种方式可以是衍射光栅或者全息图。入射其上的“白”光束将被分成彩色的子光束，例如具有蓝、绿、红三原色的子光束。每种颜色光束的数目，是通过全息图的实现决定的。如果分束元件是全息图或衍射光栅，那么第一块透镜25可以省去。通过改变衍射光栅或者全息图的照明方向，可以矫正发光子表面发光的方向。
通过发光表面51中的子表面Bj和透镜24及25的定位可以达到，第一微透镜列阵13按照某种方式被照明，使得光源5供给的基本上所有的光能到达图象显示板9上象素的有源部分12，而每一象素10的接收角尽可能令人满意地充满。
产生三原色的许多子光束的另一种可能性，是使用图5表示的棱镜系统27作为分束系统。该棱镜系统27包括：第一和第二块分色棱镜29和31；四块90°角棱镜33，34，35，36，以及六块细长块形棱镜37，38，39，40，41和42。此棱镜系统27的每一棱镜中的光分布最好是远心的，以便保证每一横断面内的光分布保持相等。90°棱镜的作用是将光束旋转90°而没有跨越光束截面的光分布改变。细长块形棱镜的作用是，在其传播方向上移动光束而不改变跨越该光束截面的光分布。
第一块分色棱镜29被来自光源的“白”光束bw照明。沿该光束传播方向看到的两块分色棱镜29和31被前后放置。第一块棱镜29包括例如红色的二色性反射镜43和蓝色的二色性反射镜45。由于光入射在红色反射镜43上，故红光分量被向左反射，而且蓝、绿光分量直接射到第二块分色棱镜31上。该棱镜31在被棱镜43通过的蓝、绿光分量的光路中结合有蓝色的二色性反射镜47。绿光分量被此反射镜47通过，而蓝光分量被向右反射。随后蓝光分量通过细长块形棱镜42，并被90°棱镜偏转向棱镜系统27的出射面23，如果出射面23和发光面51不重合的话，可能还要转向发光面51。由于光入射在第一棱镜29的蓝色二色性反射镜45上，故蓝光分量被向右反射，而红、绿光分量朝向第二棱镜31通过。第二块棱镜31在其红、绿光分量的光路中结合有红色二色性反射镜49，它将绿光分量朝向出射面23通过。红光分量则向左偏转，并且经过细长块形棱镜41通向90°棱镜，以致于该红光分量也被朝向发光表面51偏转。红、蓝二色性反射镜43、45和49、47按照这种方式定向，使得红、蓝光束由此而沿相反方向分开传播。被反射镜43反射的红光分量将被反射镜45通过，并且经过细长块形棱镜39、90°角棱镜33和细长块形棱镜40通到出射面23。被蓝色反射镜45反射的蓝光分量将被反射镜43通过，并且经过细长块形棱镜38、90°角棱镜34和细长块形棱镜37通向出射表面23。
共面的第一棱镜的反射镜和第二棱镜的反射镜用来选择同样颜色的光。反射镜43和49选择红光，而反射镜45和47选择蓝色。用于反射掠射光和通过垂直入射光的空气隙，存在于两块相邻的棱镜之间。因此光的分布在反射之后也保持不变。
在这里描述的棱镜系统27中，分布在三原色之中的5个子表面Bj，被形成在出射面23和发光表面51中。跨越这些子表面的颜色分布，取决于安置在这些棱镜中二色性反射镜的类型。这些子表面的尺寸，取决于第二块分色棱镜31、90°角棱镜35和36以及两块细长块形棱镜37和40的尺寸。图6表示如图5所示的棱镜系统27的发光表面51上可能具有的一些子表面分割。在该图中，发光表面51和出射表面23与图面重合。绿色的子表面53存在于中心，而蓝色的子表面55和59以及红色的子表面57和61分别存在于两侧。
此分色棱镜应由具有折射率比周围介质高的透明材料制成，以便保证掠射光发生内反射。此材料例如可以是玻璃。如果入射在此分色系统上的光已被偏振，那么全部棱镜应由具有低双折射的材料制造，以便防止消偏振作用。细长块形棱镜可以由玻璃或合成材料制成。替代细长块形棱镜，另一种可能是使用其长侧壁配备以反射膜层的通道(tunnel) 。
很明显，在分色棱镜中对二色性反射镜作不同的选择，将导致发光面上不同的颜色顺序和子表面不同的尺寸。
棱镜系统27的远心照明，例如可以通过在光源5和棱镜系统27之间提供积分系统28来实现，此积分系统本身可从美国专利US-A5,098,184中了解到。该专利中描述的积分系统，包括第一块透镜平板30和第二块透镜平板32，带有安排成矩阵的相应数目的透镜。每一透镜将光源成象在第二透镜平板的相关透镜上面。为了通过第一平板上的不同透镜将光源成象在第二平板的对应透镜上，入射在第一透镜平板上的光束的不同部分总是都被利用。它是通过积分系统让该平面上的照明强度具有所需要的均匀性来达到的。其均匀程度是由两块透镜平板上的透镜数决定的。此外，积分系统的优点是，来自光源的例如具有圆形截面的光束，可被转换成具有矩形截面的光束，其高宽比与图象显示板的高宽比对应，例如4∶3。图5中两块透镜平板30和32上的透镜是背靠背的，但这并非要求。
假如本发明的图象显示装置适于彩色显示，那么每种颜色的每一象素基本上具有同样的接收角度。其结果是在投影镜头中每一颜色的填充也基本上相等。在投影镜头中，每一颜色将具有与相关的形状和接收相同的孔径，以致于比较简单因而廉价的投影镜头能够满足。
当确定第一微透镜列阵要被照射的角度时，投影透镜的接收起重要作用。由于从图象显示板出射的每一角度在第一微透镜列阵上具有相应的入射角，故投影透镜的接收决定了对由图象显示板出来的光锥出射角所允许的发散，从而决定光线可被入射在第一微透镜列阵上的最大角度。
图7表示本发明直视型图象显示装置的实施例。该直视装置2包括光源5，其后提供的反射器7，是为了让背离图象显示板9的光现在还通向图象显示板9。类似于图1的图象投影装置，如果图象显示板9的运作是基于对放射光的偏振方向进行调制，那么在图象显示板9的前方存在有起偏器4，后方存在有检偏器6。第一微透镜列阵13和第二微透镜列阵17，存在于图象显示板9和照明系统之间。分束元件21存在于第一微透镜列阵12和光源5之间。与此前描述的图象投影装置类似，第一微透镜列阵13按照让光损失最小方式以界线分明的各种角度被照射，图象显示板上象素的接收角被充满尽可能满足，以致于该装置具有较高的通光量。
作为分束元件21实施的带孔径的平板或者全息图，可被应用在直视型装置以及图象投影装置中，由于其尺寸小，故以棱镜系统的形式实施特别适用在图象投影装置中。

Claims (14)

1.一种图象显示装置，包括配备有光源以产生光束的照明系统，带有象素矩阵以根据要被显示的图象信息调制所述光束的图象显示板，存在于该照明系统和图象显示板之间的带有许多第一微透镜且其间距为ΔW1的第一微透镜列阵，以及存在于第一微透镜列阵和图象显示板之间的带有许多第二微透镜且其间距为ΔW2的第二微透镜列阵，而且ΔW1＝ΔW2＝ΔW适合这些间距，第一微透镜具有的尺寸等于第二微透镜的尺寸；照明系统包括提供多个互相不平行的子光束的装置，这些子光束以确定的不同的角度入射到第一微透镜列阵，其特征在于：所述第一和第二微透镜列阵的焦平面重合，以使入射在第一微透镜列阵上的平行光束能够和从第二微透镜列阵射出的平行光束保持平行，从而所述第一微透镜列阵中的每一个微透镜将多个子光束送到所述第二微透镜列阵中的多个微透镜上。
2.如权利要求1所述的图象显示装置，其特征在于，第二微透镜列阵的放大倍率M等于ΔX/ΔW，其中ΔX为在图象显示板面上每个象素上的光束直径，对于它来说ΔX＝(1/n)P和ΔW＝n·ΔX成立，同时n为≥2的整数，P为图象显示板的间距。
3.如权利要求1的图象显示装置，其特征在于，照明系统包括分束系统，并且具有位于该分束系统和第一微透镜列阵之间而且垂直于该图象显示装置光轴的发光表面，所述发光表面被分成许多发光的子表面。
4.如权利要求3所述的图象显示装置，其特征在于，其分束系统包括有分束元件，而且在照明系统的发光表面和第一微透镜列阵之间存在有第一透镜，这些发光的子表面位于所述第一透镜的焦平面上。
5.如权利要求4所述的图象显示装置，其特征在于，第一透镜与第一微透镜列阵结合成一体。
6.如权利要求3所述的图象显示装置，其特征在于，其分束系统包括衍射光栅。
7.如权利要求3所述的图象显示装置，其特征在于，其分束系统包括全息图。
8.如权利要求3所述的图象显示装置，其特征在于，照明系统适于发出一些辐射方向连贯的蓝、绿、红光。
9.如权利要求3所述的图象显示装置，其中的发光子表面与图象显示板对应，其特征在于，分束系统和第一微透镜列阵之间存在有用于匹配发光子表面在图象显示板上成象的第二透镜。
10.如权利要求9所述的图象显示装置，其特征在于，第二透镜被分成其数目与子表面数目相等的许多子透镜。
11.如权利要求3所述的图象显示装置，其特征在于，分束系统包括一棱镜系统，此棱镜系统由两块分色棱镜以及另外许多改变光束方向和位置的棱镜构成，由此棱镜系统供给的一些子表面，位于照明系统的发光表面中。
12.如权利要求11所述的图象显示装置，其特征在于，传送光束以在该发光表面上产生出发光子表面的棱镜，其出射面装备有对所述棱镜供给的颜色产生光谱遮断或抑制的滤光片。
13.如权利要求1所述的图象显示装置，其特征在于，在共用基片的两侧安排两个微透镜列阵。
14.如权利要求1所述的图象显示装置，其特征在于，第一和/或第二微透镜列阵中的微透镜，被作为全息元件来实现。
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