CN1190700C

CN1190700C - 照明光学系和包括它的投影仪

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Publication number: CN1190700C
Application number: CNB011254343A
Authority: CN
Inventors: 秋山光一
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2021-07-05
Also published as: US7185984B2; EP1170959B1; KR100472816B1; TW526350B; US20060176450A1; EP1170959A2; JP2002023106A; EP1170959A3; CN1340738A; SG108261A1; KR20020004837A; JP3642267B2

Abstract

能根据需要调节光学仪器的辉度。是具有光源、由多个透镜形成的用来将从该光源发出的光分成多个部分光束的透镜阵列和调整光的偏振方向的偏振光变换元件阵列的照明光学系，在透镜阵列和偏振光变换元件阵列之间具有用来调节入射到设在偏振光变换元件阵列中的偏振光分离膜的光量的遮光部件。

Description

照明光学系和包括它的投影仪

技术领域

本发明涉及照明光学系和包括它的投影仪。

背景技术

图11是表示一般投影仪的外观的斜视图。这里，投影仪501形成长方体形状，包括限定其上面并配置操作按钮502的上盘503、限定其下面的下盘504和限定其前面的前面板505，投影透镜506的前端部分从前面板505突出来。

这样的投影仪的光学系例如如图12那样构成。

即，包括：从光源510发出的光的照度分布均匀而且在偏振光方向一致的状态下入射到液晶面板550R、550G、550B的照明光学系520；将从该照明光学系520射出的光束W分离成红、绿、蓝各色光束R、G、B的色光分离光学系530；导向与由色光分离光学系530分离的各色光束中的蓝色光束B对应的液晶面板550B的中继光学系540；作为根据加给各色光束的图像信息进行调制的光调制装置的3块液晶面板550R、500G、550B；作为将已调制的各色光束合成的色光合成光学系的交叉二色镜560；将合成的光束在投影面上放大后投影的投影透镜506。

图13是表示照明光学系的作用的模式图。如该图所示，照明光学系520利用第1透镜阵列521把从光源510发出的光分成多个部分光束，经第2透镜阵列522将该光入射到偏振光变换元件阵列523上，在利用偏振光变换元件阵列523使各部分光束的偏振光方向一致后再利用重叠透镜524使其重叠在液晶面板550R、550G、550B的图像形成区内。

照明光学系520这样进行作用，利用一种偏振光对各液晶面板550R、550G、550B进行均匀照明，在投影仪等的图像显示时，可以将各个角落照亮且在整个区域提供高对比度的清晰的图像。

但是，当利用这样的高辉度的装置以比预先设定的尺寸小的尺寸投影图像时，在投影面会投影不必要的光，会出现晃眼、看图像很费劲的现象。作为其对策，可以考虑对投影透镜设置可变光圈，这一来，投影透镜的尺寸大，而且种类受限制，如此等等，使投影透镜的设计自由度受到限制。

发明内容

根据本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种照明光学系和包括它的投影仪，在维持光学仪器的高辉度化的同时，不影响投影光学系等其他光学系的设计自由度，其辉度可根据需要进行调节。

本发明的一种照明光学系，具有光源；由多个透镜形成的用来将从上述光源发出的光分成多个部分光束的透镜阵列；调整光的偏振方向的偏振光变换元件阵列；和在上述透镜阵列和上述偏振光束分裂器阵列之间配置、将上述偏振光变换元件阵列的光入射面的一部分遮光的遮光部件，其特征在于：上述偏振光变换元件阵列具有将上述多个部分光束分别分离成两种偏振光的偏振光束分裂器阵列，和配置在上述偏振光束分裂器阵列的射出面一侧使上述两种偏振光的偏振方向一致的相位差元件，上述偏振光束分裂器阵列具有交互排列的多个偏振光分离膜和反射膜，上述遮光部件由多个遮光板构成，上述多个遮光板包括为使光只入射到与上述偏振光分离膜对应的光入射面而固定的遮光板，和与上述固定的遮光板平行地配置，为了调节入射到与上述入射面的偏振光分离膜对应的部分的入射光量而移动的遮光板。因此，投影光学系等其他光学系的设计自由度不受限制，可以调节照明对象物的入射光量。此外，因能够恰当地调节入射光量，故有助于延长利用该照明光学系照明的电光学装置等照明对象仪器的寿命。

作为上述遮光部件，例如，是一种具有与上述偏振光分离膜和反射膜对应的多个遮光部和开口部的遮光板，可以使用配置成能沿上述偏振光变换元件阵列移动的部件。此外，也可以使上述遮光部件由平行的多块遮光板构成，使其内部任何一块移动来调节上述入射光量。因此，可以容易实现入射光量的调节。再有，在上述情况下，若与上述多块偏振光分离膜分别对应配置，则可以调节各偏振光分离膜的入射光量，可以提高其调节精度。

此外，上述遮光部件也可以是对入射到偏振光分离膜的光量进行任意改变的可变光圈。这时，可变光圈的透光部可以作为狭缝形成，可以是通过改变该狭缝的宽度来改变入射到偏振光分离膜的光量的装置。

利用这些可变光圈，投影光学系等其他光学系的设计自由度可以不受限制，可以调节照明对象物的入射光量，同时，有助于延长利用该照明光学系照明的电光学装置等照明对象仪器的寿命。

再有，遮光部件最好由光反射率在80％以上的金属材料形成。通过使用这样的材料，可以抑制遮光部件的吸热，可以做成即使在高辉度条件下耐热性也好的遮光部件或光圈。

另一方面，本发明的投影仪具有上述那样的照明光学系和光调制用电光学装置。

该投影仪的构成进而包括将透过上述照明光学系的光束分离成3色光束的色光分离光学系；对由该色光分离光学系分离出的各色光束使其与图像信息对应进行调制的多个上述电光学装置；合成该调制后的各色光束的色光合成光学系；和投影该合成光的投影透镜。

这些投影仪可以具体发挥上述照明光学系的效果。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的投影仪的光学系的平面图；

图2是构成图1的光学系的照明光学系的说明图；

图3是构成照明光学系的第一透镜阵列的正面图(A)和侧面图(B)；

图4是表示偏振光变换元件阵列的外观的斜视图；

图5是表示偏振光变换元件阵列的作用的原理图；

图6是表示调节入射到偏振光分离膜的光量的一例遮光板的正面图；

图7是表示调节入射到偏振光分离膜的光量的另一例遮光板的正面图；

图8是表示本发明的实施形态的照明光学系的作用的原理图；

图9是图8的光学系的遮光板附近的放大图；

图10是表示调节入射到偏振光分离膜的光量的一例可变光圈的概略斜视图；

图11是表示一般投影仪的外观的斜视图；

图12是表示普通投影仪的光学系的构成图；

图13是表示构成图12的光学系的照明光学系的作用的原理图。

具体实施方式

下面，根据实施例说明本发明的实施方式。再有，在以下的说明中，只要没有特别说明，都假设光的行进方向是z方向，从该z方向看过去，时钟12时的方向是y方向，3时的方向是x方向。

图1是表示装有本发明的一种实施方式的照明光学系的投影仪的光学系的构成的概略平面图。该光学系包括光源单元20、光学单元30和投影透镜40这三个主要部分。

光学单元30包括具有后述的集成光学系300、二色镜382、386、反射镜384的色光分离光学系380和具有入射侧透镜392、中继透镜396、反射镜394、398的中继光学系390，进而，包括三块滤光镜400、402、404、三块液晶面板410R、410G、410B和作为色光合成系统的交叉二色镜420。

光源单元20配置在光学单元30的第一透镜阵列320的入射面一侧，投影透镜40配置在光学单元30的交叉二色镜420的射出面一侧。

图2是表示照明图1所示的投影仪的照明区的三个液晶面板的照明光学系的说明图。该照明光学系包括具有光源单元20的光源200和具有光学单元30的集成光学系300。集成光学系300具有第一透镜阵列320、第二透镜阵列340、后述的遮光部件350、偏振光变换元件阵列360和重叠透镜370。

再有，在图2中，为容易说明，只示出用来说明照明光学系的功能的主要构成要素。

光源200具有光源灯210和凹面镜212。从光源灯210射出的光经凹面镜212反射后变成大致平行的光束向第一透镜阵列320的方向射出。

这里，作为光源灯210，可以使用卤素灯、金属卤化物灯和高压水银灯，作为凹面镜212，最好使用抛物面镜。

图3是表示第一透镜阵列的外观的正面图(A)和侧面图(B)。该第一透镜阵列320其具有长方形轮廓的小透镜321排列成纵方向N×2列(N＝4)、横方向M行(M＝10)的矩阵形状，各小透镜321的外形形状设定成从z方向看是与各液晶面板410R、410G、410B的形状大致相似的形状。例如，若液晶面板的图像形成区的形状比(横和纵的尺寸比)是4∶3，则各小透镜321的形状比也设定为4∶3。

第二透镜阵列340由与构成第一透镜阵列320的透镜数相同数量的小透镜341构成，并具有导光功能，使从第一透镜阵列320射出的多个部分光束聚集在两个偏振光变换元件阵列361、362的偏振光分离膜366上。再有，第一透镜阵列320和第二透镜阵列340的透镜方向可以是+z方向或-z方向，此外，也可以如图2所示那样，是相互不同的方向。

偏振光变换元件阵列360如图2所示，其两个偏振光变换元件阵列361、362以光轴为中心对称配置。图4是表示一个偏振光变换元件阵列361的外观的斜视图。偏振光变换元件阵列361包括由多个偏振光束分裂器构成的偏振光束分裂器阵列363和有选择地配置在偏振光束分裂器阵列363的部分光射出面上的λ/2相位差板364(λ是光的波长)。偏振光束分裂器阵列363具有将各截面分别为平行四边形的呈柱状的多个透光性部件365按次序贴合的形状。在透光性部件365的界面上交互形成偏振光分离膜366和反射膜367。λ/2相位差板364有选择地贴合在偏振光分离膜366或反射膜367的光射出面的x方向的成像部分上。在该例中，λ/2相位差板364贴合在偏振光分离膜366的光射出面的x方向的成像部分上。

偏振光变换元件阵列361具有将入射光束变换成一种线偏振光后再射出的功能。图5是表示偏振光变换元件阵列361的作用的原理图。当向偏振光变换元件阵列361的入射面入射包含s偏振光成分和p偏振光成分的非偏振光、即具有随机的偏振光方向的入射光时，该入射光首先由偏振光分离膜366分离成s偏振光和p偏振光。s偏振光经偏振光分离膜366大致垂直反射，再经反射膜367反射后再射出。另一方面，p偏振光直接透过偏振光分离膜366。在透过偏振光分离膜366的p偏振光的射出面上配置λ/2相位差板364，该p偏振光被变换成s偏振光后再射出。因此，通过偏振光变换元件阵列361的光几乎全部变成s偏振光射出。再有，当要把从偏振光变换元件阵列361射出的光变成p偏振光时，只要将λ/2相位差板364配置在射出由反射膜367反射的s偏振光的射出面上即可。此外，只要偏振光方向一致，可以使用λ/2相位差板364，或者，也可以将所要的相位差板364设在s偏振光和p偏振光的射出面上。

在上述偏振光变换元件阵列361中，可以将包含相邻的一个偏振光分离膜366和一个反射膜367，进而由一个λ/2相位差板364构成的一个方框看成是一个偏振光变换元件368。偏振光变换元件阵列361是将这样的偏振光变换元件368在x方向排列成多列形成的。

再有，偏振光变换元件阵列362的构成与偏振光变换元件阵列361完全相同，所以，省略其说明。

其次，说明作为遮光部件的遮光板350。图6是表示调节入射到偏振光分离膜的光量的一例遮光板的正面图。该遮光板350是与构成偏振光变换元件阵列360(361、362)的各透光性部件365的光入射面对应交互形成具有与该光入射面的宽度大致相同的宽度的遮光的遮光部351和使光通过的开口部352的板状体，该遮光板350保持在导轨353上，同时，与已知的驱动机构组装在一起，可以沿偏振光分离膜366和反射膜367的排列方向、即图6的箭头方向移动。

该遮光板350配置在第二透镜阵列340和偏振光变换元件360之间，通常，使遮光部351和开口部352位于二个偏振光变换元件阵列361、362的光入射面上，只向与偏振光分离膜366对应的光入射面入射光。这时，可以发挥照明光学系具有的最大辉度。

另一方面，当在上述通常状态下辉度太高时，微动遮光板350，通过使用该遮光部351遮住一部分入射到与偏振光分离膜366对应的透光性部件365的光入射面上的光，来适当调节该入射光量。

再有，因偏振光变换元件阵列360的附近就在光源的弧形像的附近，故偏振光变换元件阵列360的附近和投影透镜的入射瞳孔大致是共轭关系。因此，在该位置上即使因遮光板350等而切断光线，也能够和用投影透镜的光圈调光一样，调节光的亮度而不产生照明光斑。

图7是表示达到和上述遮光板350同样的目的另一例遮光板430的构成的正面图。在刚才的遮光板350中，各遮光部351形成一体变成遮光板350，而该遮光板430的与刚才各遮光板351对应的部分是分别独立的遮光部431A～431I，这些遮光部431A～431I以与各透光性部件365的入射面宽度对应的间隔放置并保持下来，可沿导轨433移动。再有，遮光部431A～431I的移动可以由已知的驱动机构进行，遮光部431A～431I可以沿把构成偏振光变换元件阵列360的多个偏振光变换元件连接起来的方向、即相邻遮光部431A～431I的方向分别独立移动。

该遮光板430也一样，通常，使遮光部431A～431I位于两个偏振光变换元件阵列361、362的光入射面上，只向与偏振光分离膜366对应的光入射面入射光。而且当需要调节辉度时，可以根据情况微动整个遮光部431A～431I或其中必要的部分，条件入射到偏振光分离膜366的光量，可以提高辉度调节的精度。

再有，也可以分别使用两个遮光板350、430，或者将这些遮光板350、430组合起来，调整一块遮光板的位置并固定下来，使光只入射到与偏振光分离膜366对应的光入射面上，使与其平行配置的另一块遮光板(若是遮光板430则使遮光部431A～431I)移动，来调节入射到偏振光分离膜366的光量。此外，也可以分别使用三个以上的遮光板350、430，将三个以上这样的的遮光板350、430组合起来使用。这样一来，具有可以完全阻止光入射到作为变换元件阵列360中的反射膜367上的优点。

其次，说明组装了遮光板的照明光学系的作用。再有，因遮光板的基本作用与遮光板350、430一样，故这里只以遮光板350为例进行说明。

图8是表示组装了遮光板350的照明光学系的作用的原理图，图9是图8的光学系的遮光板350附近的放大图。这里，设遮光板350中涂黑的部分为遮光部351，透明部分为开口部(省略符号)。通过第1透镜阵列320和第二透镜阵列340的光，其中的一部分与遮光板350的位置对应被遮光部351遮蔽，剩下的光通过开口部入射到偏振光变换元件阵列360中的偏振光分离膜366上。其后的光的通过路径与已说明过的相同。

因此，当想要尽可能多的光入射到偏振光分离膜366上、即追求高辉度时，调节遮光板350的位置，使遮光部351不与和偏振光分离膜366对应的光透过部件的光入射面重合。另一方面，当要使该辉度下降时，使遮光板350向使遮光部351与和偏振光分离膜366对应的偏振光变换元件的光入射面重合的方向移动，直到达到适当的辉度为止。

起这样的作用的遮光板350、430可以用在光透过部开口时留下的金属薄片或用在遮光部蒸镀了反射膜的透光性板材形成。

以上，叙述了利用遮光板350、430进行光量调节的情况，但也可以使用可变光圈。例如，图10是表示调节入射到为了达成和遮光板350、430同样的目的而使用的偏振光分离膜366的光量的一例可变光圈的概略斜视图。该可变光圈440因与构成偏振光变换元件阵列360的各偏振光元件对应分别设置光通过部的形状是狭缝形状且具有左右一对反射板441的可变光圈441A、441B、441C、441D等，故可以利用已知的驱动机构任意改变狭缝的宽度。

该可变光圈440也配置在第二透镜阵列340和偏振光变换元件阵列360之间，通常各可变光圈441A、441B、441C、441D等呈全开状态，光只入射到两个偏振光变换元件阵列361、362的光入射面中的只与偏振光分离膜366对应的光入射面上，使其发挥照明光学系所具有的最大辉度。

另一方面，当在上述通常状态下辉度太高时，通过使这些可变光圈441A、441B、441C、441D等的全部或其中的任意一部分可变光圈的光通过部442的狭缝宽度变窄，来适当调节入射到与偏振光分离膜366对应的偏振光变换元件的光入射面的入射光量。

再有，也可以与固定配置了该可变光圈而使光只入射到与偏振光分离膜366对应的光入射面上的遮光板一起使用。

上述遮光板350、430和可变光圈440(441A、441B、441C、441D等)若用光反射率高的铝等金属材料制作，则耐热性好且在高辉度下可长期使用。再有，该金属材料的反射率最好在80％以上。

其次，说明象上述那样构成的投影仪的动作。

从图2所示的光源200发出的非偏振光利用构成集成光学系300的第一透镜阵列320的多个小透镜321分割成多个部分光束，利用第二透镜阵列340的多个小透镜341使光聚集在两个偏振光变换元件阵列361、362的偏振光分离膜366的附近，同时，根据遮光板350的位置调节照射到偏振光分离膜366附近的光量。这样，入射到两个偏振光变换元件阵列361、362的多个部分光束如上所述，变换成一种线偏振光后再射出。而且，从两个偏振光变换元件阵列361、362射出的多个部分光束利用重叠透镜370重叠在后述的液晶面板410R、410G和410B上。

再有，设置图1所示的反射镜372，用来将从重叠透镜370射出的光束导向色光分离光学系380的方向，因此，对于光学系的构成来说，它不是必须的。

色光分离光学系380具有第一和第二二色镜382、386，具有将从照明光学系射出的光分离成红、绿、蓝三色色光的功能。第一二色镜382在从重叠透镜370射出的光中使红色光成分透过，同时，反射绿色成分和蓝色成分的光。透过第一二色镜382的红色光由反射镜384反射后，通过滤光镜400到达红色光用的液晶面板410R。该滤光镜400将从重叠透镜370的各部分光束变换成相对其中心轴(主光线)平行的光束。设在其它液晶面板410G、410B前面的滤光镜402、404也起同样的作用。

进而，在由第一二色镜382反射的蓝色光和绿色光中，绿色光由第二二色镜386反射，通过滤光镜402到达绿色光用的液晶面板410G。另一方面，蓝色光透过第二二色镜386，通过中继光学系、即入射侧透镜392、反射镜394、中继透镜396和反射镜398，进而通过滤光镜404到达蓝色光用的液晶面板410B。再有，对蓝色光之所以使用中继光学系390是因为蓝色光的光路长度比其它色光的光路长，为了防止因光的扩散等原因而使光的利用效率降低。即，是因为入射到入射侧透镜392的部分光束可以直接传到滤光镜404上的缘故。

三个液晶面板410R、410G和410B具有根据加给的图像信息(图像信号)对入射的光进行调制的电光学装置的功能。因此，入射到三个液晶面板410R、410G和410B的各色光根据加给的图像信息受到调制而形成各色光图像。再有，在三个液晶面板410R、410G和410B的光入射面侧和光射出面侧设置了未图示的偏光板。

从三个液晶面板410R、410G和410B射出的三色调制光入射到交叉二色镜420上。交叉二色镜420具有合成三色调制光后形成彩色图像的色光合成光学系的功能。在交叉二色镜420中，反射红色光的电介质多层膜和反射蓝色光的电介质多层膜在四个直角棱镜的界面形成略呈X字母的形状。利用这些电介质多层膜合成三色调制光，形成用来投影彩色图像的合成光。由该交叉二色镜420生成的合成光向投影透镜40的方向射出。投影透镜40具有将该合成光投影到屏幕上的功能，在投影屏幕上显示彩色图像。

在象以上那样的本实施例的投影仪中，通过调整遮光板350、430的位置或可变光圈440的狭缝的宽度，在将图像投影到大屏幕上时可以得到高辉度的清晰的图像，另一方面，当在小屏幕上投影图像时，因可以使其辉度降低来轻松地观看图像，故可以对不同大小的屏幕只使用一个投影仪。

此外，偏振光变换元件阵列360的附近就在光源的弧形像的附近，偏振光变换元件阵列360的附近和投影透镜的入射瞳孔大致是共轭关系，因此，即使在该附近配置遮光板350、430和可变光圈440，也不会因它们的作用而产生照明光斑。

此外，通过使辉度降低可使入射到液晶面板410R、410G和410B的整个光量减小，所以，可以提高这些液晶面板的耐光性，有助于延长其寿命。

再有，在本实施方式中，就将本发明应用于使用了透过型液晶面板的投影仪的情况进行了说明，但本发明也可以应用于使用了反射型液晶面板的投影仪。此外，如后述那样，电光学装置也不限于液晶面板。这里，‘透过型’是指液晶面板等的电光装置为使光透过的类型，而“反射型”是指液晶面板等电光学装置为使光反射的类型。在采用了反射型的电光学装置的投影仪中，二色镜被利用作为将光分离成红、绿、蓝三色光的色光分离装置，同时，作为将已调制的三色光合成后沿同一方向射出的色光合成装置加以利用。

此外，光调制用电光学装置不限于液晶面板，也可以是例如使用了微镜的装置。

此外，作为色光合成光学系的棱镜也不限于沿四个三角柱状棱镜的粘接面形成了两种色选择面的二色镜，也可以只有一种色选择面二色镜或偏振光束分裂器。除此之外，棱镜也可以是将光选择面配置在略呈六面体形状的光透过型的箱中并在其中充填了液体的镜子。

进而，作为投影仪，有从观看投影图像的方向进行投影的投影仪和从与观看投影图像的方向相反的方向进行投影的投影仪，上述实施形态示出的结构可以适用于任何一种投影仪。

若按照本发明，可以维持光学仪器的高辉度化而不损害其余光学系的设计自由度，此外，可以得到不产生照明光斑、其辉度可根据需要进行调节的照明光学系和包括它的投影仪。

Claims

1.一种照明光学系，具有光源；由多个透镜形成的用来将从上述光源发出的光分成多个部分光束的透镜阵列；调整光的偏振方向的偏振光变换元件阵列；和在上述透镜阵列和上述偏振光变换元件阵列之间配置、将上述偏振光变换元件阵列的光入射面的一部分遮光的遮光部件，其特征在于：

上述偏振光变换元件阵列具有将上述多个部分光束分别分离成两种偏振光的偏振光束分裂器阵列，和配置在上述偏振光束分裂器阵列的射出面一侧使上述两种偏振光的偏振方向一致的相位差元件，

上述偏振光束分裂器阵列具有交互排列的多个偏振光分离膜和反射膜，

上述遮光部件由多个遮光板构成，

上述多个遮光板包括为使光只入射到与上述偏振光分离膜对应的光入射面而固定的遮光板，和

与上述固定的遮光板平行地配置，为了调节入射到与上述入射面的上述偏振光分离膜对应的部分的入射光量而沿上述光入射面移动的遮光板。

2.如权利要求1的照明光学系，其特征在于：上述遮光部件由光反射率在80％以上的金属材料形成。

3.一种投影仪，其特征在于：具有权利要求1或2的照明光学系和对利用该照明光学系照射的光进行调制的电光学装置。

4.如权利要求3的投影仪，其特征在于：进一步包括将由上述照明光学系照射的光束分离成三色光束的色光分离光学系；对由该色光分离光学系分离出的各色光束进行调制的多个上述电光学装置；合成该调制后的各色光束的色光合成光学系；和投影该合成光的投影透镜。