CN1258106C - 投影式图像显示装置 - Google Patents

Abstract

一种投影式图像显示装置，包括一个发光的光源；一个偏振光束分光器，使从光源接收到的光偏振；一个包括多个矩形形状的第一透镜元件的第一透镜阵列，接收来自偏振光束分光器的光，每个第一透镜元件有第一条边和第二条边，第一条边长于第二条边，第一透镜阵列形状为矩形，第一透镜阵列有第三条边和第四条边，第三条边长于第三条边，第一透镜元件的第一条边和第一透镜阵列的第三条边沿着第一方向扩展；一个包括多个第二透镜元件的第二透镜阵列，配置用于接收来自第一透镜阵列的光，第二透镜阵列形状为矩形，有第五条边和第六条边，第二透镜阵列的第五和第六条边具有与第一透镜阵列的第三和第四条边大致相同的尺寸；一个色分离镜，配置用于将来自第二透镜阵列的光分成多个不同颜色的光线；一个图像显示设备，配置用于根据多个光线形成一幅光学图像；以及一个投影器，配置用于投影由图像显示设备作为一幅彩色图像发出的多个光线。

Description

投影式图像显示装置

技术领域

本申请涉及2002年3月4日申请的日本专利应用号No.2002-56868并根据它要求优先权。即本发明涉及一种图像显示装置。

背景技术

通常所知的传统光学装置是灯发出的光在通过第一和第二透镜阵列、偏振光束分光器(PBS)和准直透镜后，由多个分色镜分成R、B和G光束；然后通过对转棱镜分别改变R、B、G光路，从而使各个彩色光线投射到光阀设备(下文中简称为“面板”)上的不同区域，上面投射了彩色光线的区域以指定的方向在面板上顺序滚动。

上面传统光学装置的一个优点是其使用单片面板，易于装配。但是，因为其需要多个对转棱镜，所以不能是紧凑的。另外，它不仅使用多个对转棱镜，而且使用多个透镜和分色镜，因此是昂贵的，且由于使用多个透镜，其光利用效率低。此外，为了调整R、G和B光线投射在面板上的点，必须控制多个对转棱镜的旋转位置，该调整是困难的。此外，因为使用了多个电机，所以必须要采用抗噪声措施。

此外，在传统光学装置中，分色镜产生的R、G和B光线在旋转多面体上相互覆盖，由于散射光而导致颜色混合或对比度失真。

发明内容

本发明的一个实施方案提供了一种新的、有用的图像显示技术，使投射到面板上的光线的颜色混合和图像对比度失真的可能性降到最低，并提高光的利用效率。

在一个实施方案中，光学装置包括一个光源；一个通过根据图像信号从光源发出的光线形成光学图像的图像显示设备(面板)；一个带有第一组矩形透镜元件(第一透镜元件)的第一透镜阵列；一个带有第二组矩形透镜元件(第二透镜元件)并在图像显示设备上形成一幅第一组透镜元件的各个透镜元件的图像的第二透镜阵列；将光源发出的光分成多个颜色的色分离组件；一个旋转多面体，接收从色分离组件发出的多个颜色的光线，将它们投射到图像显示设备的不同区域上，并在一个方向将区域滚动到它们指向的位置；以及一个投影器，投影图像显示设备作为一幅彩色图像发出的光线，其中整个第二透镜阵列是矩形的，按与矩形的第一透镜元件相同的方式放置。

在本发明的一个实施方案中，投影式图像显示装置包括一个发光的光源；一个偏振光束分光器，使从光源接收的光偏振；一个第一透镜阵列，包括多个矩形形状的第一透镜元件，接收偏振光束分光器发出的光，每个第一透镜元件有第一条边和第二条边，第一条边长于第二条边，第一透镜阵列为矩形形状，第一透镜阵列有第三条边和第四条边，第三条边长于第四条边，第一透镜元件的第一条边和第一透镜阵列的第三条边沿着第一方向扩展；一个第二透镜阵列，包括多个第二透镜元件，配置用于接收第一透镜阵列发出的光，第二透镜阵列为矩形形状，有第五条边和第六条边，第二透镜阵列的第五条边和第六条边具有与第一透镜阵列的第三和第四条边大致相同的尺寸；一个色分离镜，配置用于将第二透镜阵列发出的光分成多个不同颜色的光线；一个图像显示设备，配置用于根据多个光线形成一幅光学图像；以及一个投影器，配置用于投影从图像显示设备作为一幅彩色图像发出的多个光线。光束分光器配置用于使第一透镜阵列具有矩形形状。

在一个实施方案中，投影式图像显示装置包括一个发光的光源；一个偏振光束分光器，使从光源接收的光偏振；一个第一透镜阵列，包括多个矩形形状的第一透镜元件，接收偏振光束分光器发出的光；一个第二透镜阵列，包括多个第二透镜元件，配置用于接收第一透镜阵列发出的光并发出主光和无用光；一个色分离镜，配置用于将第二透镜阵列发出的主光分成多个不同颜色的光线，并防止无用光加入到多个光线中；一个旋转多面体，配置用于接收色分离镜发出的多个光线并将多个光线投射到图像显示设备上，所投射的多个光线的光轴方向不同；一个图像显示设备，配置用于根据多个光线形成一幅光学图像；以及一个投影器，配置用于投影从图像显示设备作为一幅彩色图像发出的多个光线。

在另一个实施方案中，投影式图像显示装置包括一个发光的光源；一个第一透镜阵列，包括多个具有第一、第二、第三和第四条边的第一透镜元件，配置用于接收光源发出的光，第一和第三条边相对，第二和第四条边相对，第一和第二条边的长度分别是D1和D2；一个第二透镜阵列，包括多个第二透镜元件，配置用于接收第一透镜阵列发出的光；一个圆柱形透镜，配置用于接收第二透镜阵列发出的光并将光发出到光学组件，圆柱形透镜在光学组件上形成一个光点，光点具有对应于第一透镜元件的第一、第二、第三和第四条边的第五、第六、第七和第八条边，第五和第六条边的长度分别是D5和D6；一个透镜组件，配置用于会聚至少一部分从圆柱形透镜发出的光；一个色分离镜，配置用于接收从圆柱形透镜通过准直透镜发出的光并将光分成多个不同颜色的光线，色分离镜是在其上形成光点的光学组件，其中D5与D6的比与D1与D2的比不同；一个旋转多面体，配置用于接收来自色分离镜的多个光线并将多个光线投射到图像显示设备上，图像显示设备配置用于根据从旋转多面体接收的多个投射光线形成一幅光学图像，其中多个投射光线中的两个或多个的光轴在不同方向扩展；以及一个投影器，配置用于投影从图像显示设备作为一幅彩色图像发出的多个光线。

通过下面的描述，本发明的其它特征和优点将会更加完全的展现。

附图描述

图1显示了根据本发明一个实施方案的光学元件的示意图；

图2是一个根据本发明一个实施方案的显示设备的透视图，说明三种颜色的光线如何投射到显示设备上；

图3A是根据本发明一个实施方案的第一透镜阵列的主平面视图；

图3B是根据本发明一个实施方案的第二透镜阵列的主平面视图；

图4A是一幅根据本发明一个实施方案说明来自图3A和3B的第一和第二透镜阵列的光线如何投射到一个色分离镜上的示意图；

图4B说明了根据本发明一个实施方案的第一透镜阵列的一个透镜元件；

图5A显示了由传统第二透镜阵列产生的光点；

图5B显示了由根据本发明一个实施方案的第二透镜阵列产生的光点；

图6是根据本发明一个实施方案的光学元件的分解图；

图7显示了根据本发明一个实施方案的光学元件的一种配置；

图8显示了根据本发明一个实施方案的光学元件的一种配置；

图9显示了根据本发明一个实施方案的光学元件的一种配置；以及

图10是根据本发明一个实施方案的光学元件的分解图。

具体实施方式

接下来将参照附图描述本发明的几个优选实施方案。

图1显示了包括在根据本发明一个实施方案的显示设备100中的光学元件的一般结构。

如图所示，灯元件3发出的光是通过用反射镜2反射来自灯(弧)1的光而获得的，穿过偏振光束分光器4(下文中称作PBS)将光转换成S偏振光或P偏振光，然后偏振先进入第一透镜阵列5形成多个次级灯图像。然后，来自第一透镜阵列5的光穿过包括多个聚光透镜的第二透镜阵列6，落在形成多个次级灯图像的区域附近，在后面将提到的液晶板21(下文中称作“面板”或“图像显示设备”)上形成第一透镜阵列5的每个透镜的图像。

已经穿过第二透镜阵列的光穿过功能为聚光的第一透镜7和第二透镜8，到达色分离镜(例如色分离镜组9)，色分离镜包括分色镜等等，将白光分离成几个颜色的光线。透镜7和8在下文中分别称作聚光透镜7和8。色分离镜9使用了一个R分色镜9R来反射R(红)光、一个G分色镜9G来反射G(绿)光和一个B分色镜9B来反射B(蓝)光。反射R光的R分色镜9R透射G光和B光。反射G光的G分色镜9G透射B光。在以这种方式将光分成R、G和B光线并通过色分离镜组9反射之后，R、G和B光线穿过第一中继透镜11和第二中继透镜12，投射到反射式旋转多面体13的不同区域上，由八面体等多面体13反射。虽然反射式旋转多面体13在该实施方案中是八面体，但是不限制多面体的面数。

当多面体13的一个面反射R、G和B光束时，R、G和B光束的光轴交又一次。当反射式旋转多面体13的一个面反射R、G和B光束中的两个时，这些光束的光轴交叉。R、G和B光线离开反射式旋转多面体13，穿过由第三中继透镜14和第四中继透镜15等组成的成像透镜系统16。并穿过第一偏振板17。此后，它们由作为检偏镜的PBS 18反射，穿过

波长的板19并投射到面板21的不同区域上。来自面板21的光的偏振方向已经改变，穿过PBS 18，然后穿过偏振板22，最后穿过投影透镜23放大投影到屏幕(没有显示)上。

根据本发明的一个实施方案，从灯元件3到色分离镜组9的部分组成了照明系统，而从第一中继透镜到第四中继透镜的部分组成了成像系统。

面板21可以是下列中的任一个：透射式液晶板(LCD)、反射式液晶板(LCOS)、铁电液晶板(FLC)和数字微镜板。在本发明中，可以适当的使用这些面板中的任一个。在该实施方案中，面板21可以是一个LCOS、LCD或FLC。

在图1显示的实施方案中，反射式旋转多面体13的大小和面数是预先设置的，因此面板21上的R、G和B光线随着多面体旋转以给定的速度在一个方向上滚动。

除了分色镜9R、9G和9B之外，可以以下列方式使用同一个反射镜或棱镜结合的分色棱镜，分色棱镜将光分成R、G和B光线，反射镜或棱镜控制光轴的方向。

参照图2，下面解释一种将在特定时间由旋转多面体13反射的R、G和B光线投射到显示设备21上的方法。

图2是说明如何将三种颜色的光线投射到显示设备上的透视图。在图2中，21R表示将R光线投射到的区域；21G表示将G光线投射到的区域；以及21B表示将B光线投射到的区域。R、G和B光线同时投射到显示设备21上。数字25R、25G和25B分别表示接下来将R、G和B光线投射到的区域；将地址写到这些在接下来将R、G和B光线投射到其上的区域上。这些区域的大小取决于显示设备21的写时间，即显示设备21的响应时间和滚动速度。如果响应时间恰好小于滚动一行所需要的时间，那么大小可以等于一行。另一方面，如果响应慢，那么分配给区域的行数应该适合响应时间。

对于首先要被投射到正在滚动的显示设备21上的光线，颜色编码地址按从上到下的顺序写入颜色区域21R、21G和21B，然后将R、G和B光线从上到下投射到各自的颜色区域。同时地址写入到区域25R、25G和25B。在地址已经写入区域25R、25G和25B之后，将投射到区域21R、21G和21B上的R、G和B光线在显示设备21上向下移动等于区域25R、25G和25B的量，使得R、G和B光线投射到区域25R、25G和25B上。在地址已经写入区域25R、25G和25B之后，地址写入在它们下面的下一行上。以这种方式，投射R、G和B光线的区域顺序向下。

在该实施方案中，区域21R、21G和21B的大小大致相等，因此第一透镜阵列5的每个透镜的形状应该与显示设备21由R、G和B光线占据的区域21R、21G和21B的形状(条状)相似。

在面板21上完成的滚动可以是从上到下或反之，或从左到右或反之。

接下来参照图3到5详细解释该实施方案。

图3A和图3B分别是第一透镜阵列的顶视图和第二透镜阵列的顶视图。关于在图1或3A中显示的实施方案中使用的第一透镜阵列5，透镜元件5a-5x(下文中有时称作第一透镜元件)是矩形的，以图3A显示的交错方式排列。换句话说，第一列的矩形透镜元件5a-5d如果沿着垂直方向则沿着长边排列，第二列的矩形透镜元件5f-5j如果沿着垂直方向也沿着长边排列。此外，关于第二列的透镜元件5f-5j，透镜元件的短边在透镜元件5a-5d长边的大致中点处与相邻的透镜元件的短边邻接(即透镜单元5f和5g、5g和5h、5h和5j)。第三列以与第一列相同的方式与第二列邻接；第四列以与第二列相同的方式与第三列邻接。下文中这种排列将称作“交错方式”。在一个实施方案中，第一透镜阵列5的透镜元件5a-5x具有相同的大小和尺寸。

如后面详细描述的，在照明系统中，第一透镜元件5a-5x在色分离镜组9附近形成了一幅图像；在成像系统中，截面形状类似于透镜元件5a-5x的R、G和B光线(色分离镜组9色分离的结果)由反射式旋转多面体13反射并在面板21上聚焦。因此形状类似于第一透镜元件5a-5x的R、G和B光点出现在面板21上。因此，优选是如下定形第一透镜元件5a-5x。

假定a表示面板21在投射一种颜色光线的方向上的长度(典型面板的长边长度)，b(a＞b)表示面板21在投射多种颜色光线的方向上的长度(短边长度)，n种颜色的光线投射在面板21上，定形第一透镜元件5a-5x(图3A)，使得长边与短边之比是a∶(b/n)以下。例如，如果面板21的纵横比是4∶3且三种光(R、G、B)投射在面板21上，那么要求第一透镜元件5a-5x的长边与短边之比为4∶3/3或更小，如果不考虑寻址宽度，那么为4∶1或更小。如另一个例子所示，如果面板21的纵横比是16∶9，那么要求第一透镜元件5a-5x的长边与短边之比为16∶9/3或更小，或为16∶3或更小。n应该在考虑寻址宽度(图2中的25R、25G、25B)的情况下确定。在一个实施方案中，纵横比是大约4∶1到大约16∶9/4。

如图3B所示，注意第二透镜阵列6的透镜6a-6x(在下文中有时称作第二透镜元件)，每个透镜都差不多是正方形，第一行的透镜元件6a-6c和第二行的透镜元件6d-6g以类似图3A中显示的第一和第二列中透镜元件5a-5j的交错方式排列。在一个实施方案中，第二透镜元件阵列6的透镜元件6a-6x具有相同的大小和尺寸。

第二透镜元件的长与宽的纵横比大约为从1∶1到1∶2。根据观看的角度，长与宽的纵横比也可以看作是高与宽的纵横比。第二透镜元件以水平排列的多行方式排列。第二透镜阵列6的总形状类似矩形，纵向沿着第一透镜阵列5的矩形透镜元件5a-5x的长边扩展。

参照图1，因为灯装置3中灯(弧)1的大小的限制，反射镜2发出的光束有一个平行分量和一个发散分量。光束的平行分量和发散分量投射到第一透镜阵列5。在第一透镜阵列5的透镜元件5a-5x的焦点附近是第二透镜阵列6的对应透镜元件6a-6x，因此由第一透镜阵列5的透镜元件5a-5x发出的一些光线进入第二透镜阵列6的对应透镜元件6a-6x，其它光线进入第二透镜阵列的对应透镜元件附近的透镜元件，如图4A所示。

图4A是说明来自第一和第二透镜阵列的光线如何投射到色分离镜上的示意图。

参照图4A，假定对于第一透镜阵列5的透镜元件5n，对应于透镜元件5n的(第二透镜阵列6的)透镜元件6n位于透镜元件5n的焦点附近，透镜元件5n发出的一些光线(32)进入透镜元件6n，其它光线(33a、33b)进入邻近透镜元件6n的透镜。第二透镜阵列6发出的光线32作为主光，而第二透镜阵列6发出的光线33a、33b作为无用光。简而言之，第一透镜阵列5的透镜元件5a-5x发出的一些光线进入第二透镜阵列6的对应透镜元件6a-6x，其它光线进入邻近对应透镜的透镜元件，并分别作为主光和无用光离开第二透镜阵列6。来自第二透镜阵列6的主光32由照明系统(第一和第二准直透镜7、8等)会聚，使得来自第一透镜阵列5的透镜元件5a-5x的主光线在分色镜9R、9G、9B附近的另一个上会聚成一个，形成一幅形状与第一透镜元件相同的光图像，作为主光图像。同样，无用光33a、33b等聚焦在主光图像附近形成形状与第一透镜元件的形状一样的无用光图像。

因此，如果两个无用光33a和33b和主光32由色分离镜9分成R、G和B光线并反射，那么作为无用光的R、G和B光线(分别由R、G和B分色镜反射)将在反射式旋转地面体13的反射面相互混合并投射到面板21上，这将导致颜色混合或色纯度变坏。

为了防止这种情况，在该实施方案中，用于R光的分色镜9R、用于G光的分色镜9G、用于B光的分色镜9B构成了色分离镜组9，其大小要使得大部分主光32射到其上，而邻近主光的无用光33a和33b不会射到其上，如图4A所示。

在一个实施方案中，镜子9R、9G和9B具有基本相同的尺寸x和y，如图4B共同显示的。镜子的尺寸x和y分别对应于第一透镜阵列5的透镜元件的尺寸X和Y。图4B说明第一透镜阵列5的透镜元件50的尺寸为X和Y，其中X∶Y与x∶y大致相同。

回头参看图4A，色分离镜9R、9G和9B倾斜给定角度，使得每个镜子的垂直扩展D2稍小于其高度(或长度)y。垂直扩展是从镜子的上边缘延伸到下边缘的垂直距离，两条边缘互相平行。在一个实施方案中，垂直扩展D1定义如下：D1＝D2(d1/d2)，其中D2是透镜元件50的垂直长度，d2是第一透镜阵列5的透镜元件的焦距，d1是放置在第二透镜阵列5和镜子9R、9G和9B之间的透镜7的焦距。在另一个实施方案中，垂直扩展D1是D2(d1/d2)的90％到110％，或者D2(d1/d2)的80％到120％，或者D2(d1/d2)的70％到130％。

当如此确定色分离镜的大小并设置垂直扩展D1时，大部分无用光33a和33b被滤除或不会到达反射式旋转多面体13，因此不会到达面板。结果是能够防止上述问题(颜色混合混色纯度变坏)。

此外，当每个分色镜9R、9G和9B起光圈的作用，去掉了主光的不强烈部分时，将主光的强度不均匀性降到最低，从而获得一幅横过面板21均匀光分布的图像。

分色镜9R、9G和9B反射的R、G和B光截面形状实际上等于第一透镜元件的形状，是被逐步整形的；在反射式旋转多面体13附近被反射后，它们的形状类似于整个第二透镜阵列的形状，因此它们变成光点在对应于第二透镜元件区域的区域中的光图像。第二透镜阵列6中心的光点大且强烈，而在边缘区域的那些光点小且强度低。

来自色分离镜9的光点由反射式旋转多面体13反射，其形状从第一透镜元件的形状改变到第二透镜阵列的形状。形状已经变成与第二透镜阵列相同的光图像在穿过光成像系统16时进一步整形并投射到面板21上，其形状等于第一透镜阵列的形状。总的来说，在色分离镜附近光图像的形状等于第一透镜阵列(第一透镜元件)的每个元件的形状；在反射式旋转多面体13附近形状等于整个第二透镜阵列的形状；然后在面板21上形状再次变得等于每个第一透镜元件的形状。

接下来，参照图5A和图5B，在第二透镜阵列的两个不同形状之间进行比较，一个形状如图3B所示，另一个形状是在传统光学装置中常见的正方形或圆形。

图5A和图5B是显示在反射式旋转多面体上的光点的示意图；图5A显示了由传统第二透镜阵列产生的光点，图5B显示了由根据本发明一个实施方案的第二透镜阵列产生的光点。

如果第二透镜阵列是圆形的，那么在反射式旋转多面体13附近的光点形状类似于如上所述的整个第二透镜阵列的形状，因此圆形的红色光点41R、绿色光点41G和蓝色光点41B如图5A所示投射到反射式旋转多面体13的反射面上，反射面反射这些光点41R、41G和41B，并将它们投射到面板21上。因为每个光点是圆形的，所以部分红色光点41R干扰了部分绿色光点41G，部分绿色光点41G干扰了部分蓝色光点41B，这将导致颜色混合和色纯度变坏。此外，如果，例如在绿色光点41G和蓝色光点41B之间的干扰区域应该出现在反射式旋转多面体13两个反射面之间的边界处，那么一些光线象散射光一样照射在面板21之外，导致光损失。这种散射光可以由PBS 18、透镜14、透镜15或偏振板17的端面等反射，然后到达面板21或投影透镜23，由于重叠了散射光而使对比度失真或颜色混合。

通过对比，根据该实施方案，第二透镜阵列为矩形，其长边平行于矩形的第一透镜元件5a-5x的长边，因此在反射式旋转多面体13反射面上的红色光点41R、绿色光点41G和蓝色光点41B在形状上类似于整个第二透镜阵列6，或是没有发生干扰的矩形，如图5B所示，因此能够防止由于散射光而产生的颜色混合、光损失或对比度失真。

在该实施方案中，第一透镜阵列5的透镜元件5a-5x是偏心透镜，放大了光线并使它们到达第二透镜阵列6的对应透镜元件6a-6x。这意味着第二透镜元件6a-6x可以足够大以减小光损失的可能性。

作为选择，当第一透镜元件5a-5x(第一透镜阵列的透镜元件)在形状上类似于反射镜的孔时，整个第二透镜阵列是矩形的，第一透镜元件5a-5x是偏心透镜，投射到第二透镜阵列上的光束是矩形的，能够获得使用与图3A显示的透镜阵列产生的相同的效果，即能够防止颜色混合、散射光和先损失。

图6是根据本发明第二实施方案的光学装置的透视图。那些等同于图1中显示的元件以相同的引用数字表示，这里省略了它们的描述．

如图所示，部分切除反射镜2的外壁，从而发出矩形光束。进入偏振转换器61的部分光束穿过偏振转换器61并以P偏振光离开：然后在由 板转换成S偏振光之后，进入第一透镜阵列5。偏振转换器61的第一反射面61a反射光束的其它部分，并由其第二反射面61b进一步反射。它以S偏振光形式也进入第一透镜阵列5。然后已经穿过第一和第二准直透镜7、8的光由色分离镜9分成R、G和B光线，光线以平行光线形式进入反射式旋转多面体13。当R、G和B光线彼此平行的到达多面体13时，它们在多面体反射面上的入射角是相同的，在反射面上反射的彩色光线的光分布在R、G和B光线之间差不多相同。此外，由反射式旋转多面体13反射并投射到面板21上的R、G和B光线彼此平行，因此增加了面板21上的光利用效率。如果增加了成像系统中的透镜光学能力，那么可能发生像差。但是，当两种颜色的平行光线穿过成像系统中的透镜末端时弯曲，因此能够使用透镜光学能力较高的部分。这意味着通过使用成像系统中光学能力较低的透镜能够防止像差。随着反射式旋转多面体13旋转，反射光线变得不再平行，但是R、G和B光线的角度以相同的方式改变，所以能够达到如上提到的相同效果。

在读实施方案中，第一透镜阵列5的透镜元件5a-5x是偏心光线并将它们投射到第二透镜阵列6的对应透镜元件6a-6x的偏心透镜，所以第二透镜元件6a-6x可以足够大，从而减小光损失的可能性。在这种情况下，要求第一透镜元件5a-5x在形状上类似PBS 61。

图7是根据本发明第三实施方案的光学装置的透视图。那些等同于图1中显示的元件以相同的引用数字表示，这里忽略了对它们的描述。数字79表示一个色分离镜。色分离镜79可以如下制备：将一个由三个玻璃板构成的、在玻璃板之问和外部玻璃板的外表面上带有分色镜的玻璃板部件按入射光一侧与光线几乎垂直的方式切割成带状；然后抛光。

与图1中显示的、其中在空气中提供的用于R光的分色镜9R、用于G光的分色镜9G、用于B光的分色镜9B的情况相比，该实施方案中由玻璃和分色镜构成的色分离镜79的镜子之间的物理距离相等，但光学长度不同。让我们假设c表示图1所示的镜子9R和9G之间和镜子9G和9B之间的距离，d表示根据该实施方案的色分离镜79中镜子9R和9G之间和镜子9G和9B之间的距离，n表示玻璃的折射率。即使在物理长度上c＝d，但因为玻璃色分离镜79的光学长度表示为c/n(f＝c/n)，所以也会短一些。因此，通过色分离镜79(用于R光的分色镜9R、用于G光的分色镜9G、用于B光的分色镜9B)易于消除无用光。此外，因为色分离镜79的光学长度可以短一些，所以能够减少面板上R、G和B光点的模糊。另外，通过利用较短的色分离镜79的光学长度能够消除无用光。色分离镜79可以具有光圈的功能来整形主光，从而去掉主光强度低的部分以防止主光分布的强度不均匀性，获得一幅横过面板21均匀光分布的图像。

透镜阵列71是三个透镜的组合，每个透镜包括一个凸透镜特定宽度的中部。该透镜阵列71会聚否则会发散的光线，因此在反射式旋转多面体13反射面上的光点在焦点上。更特别的是，能够减小光点的大小，从而使面板上的光点更小，因此可以增加三种光(R、G、B)之间的间隔以防止彩色光线混合。较小的光点能够防止面板上的保护间隔侵蚀，使得能够获得足够的时间写入数据。

透镜阵列71的会聚光消除了在成像系统中使用厚透镜的需要，从而能够防止由于成像透镜而产生的偏差。

在该实施方案中，因为来自色分离镜79的光线彼此平行，而且来自反射式旋转多面体13的光线彼此平行，R、G和B光线从色分离镜79到面板21的光路长度实际上是相等的，因此面板上的R、G和B光点的大小大致相等。因为这个原因，色分离镜79和反射式旋转多面体13发出的光线平行的事实带来了另一个优点：能够达到与参照图6解释的相同的效果。

玻璃色分离镜79是小分色棱镜，可以采用如图8所示的结构。

图8显示了根据本发明第四实施方案的光学装置(成像设备)的一般结构。如根据图中玻璃分离镜89说明的，可以如此排列使得来自照明系统中第二透镜阵列的光线进入如下所示的色分离镜89，透射R光线并反射G和B光线。在这种情况下，在反射式旋转多面体13上的R、G和B光点大小相似，可以消除由于光路差异而产生的大小差异。另外，如图8所示，在为了结构完整性而需要时，通过反射镜81等可以弯曲光路。

在该实施方案中，使用平的PBS 18a作为检偏镜。这达到与图1中所示的棱镜PBS 18相同的作用。

图9显示了根据本发明第五实施方案的光学装置的一般结构。那些等同于图1中所示的元件以相同的引用数字表示并忽略了它们的描述。数字91表示一个色分离部件，包括一个用于R光91R的色分离镜、一个用于G光91G的色分离镜和一个用于B光91B的色分离镜。向分离镜91R、91G和91B发出的光线互相大致平行，由第一和第二透镜11a和12a聚焦在反射式旋转多面体13上，具有聚光的功能。透镜11a和12a也称作准直透镜。由反射式旋转多面体13反射的R、G和B光线彼此的路径相交，进入聚光透镜92，彼此大致平行的离开该透镜，然后进入PBS 18。

在第二透镜阵列6和色分离镜部件91之间没有象准直透镜这样的透镜，而且在没有使用成像透镜的情况下通过聚光透镜92使由反射式旋转多面体13反射的R、G和B光线几乎平行。

当如图3B所示构成第二透镜阵列6时，反射式旋转多面体13上的R、G和B色光点没有重叠，因此不再需要成像系统。在该实施方案中，无用光由色分离镜91产生。作为对策，如果需要的话可以在从色分离镜91到反射式旋转多面体13之间的R、G和B光路中安装一个光圈，从而防止无用光到达反射式旋转多面体13。设计色分离镜91可以考虑在第一透镜阵列5和第二透镜阵列6之间的距离短一些时，第二透镜阵列6发出的主光和无用光之间的角度要大一些，主光和无用光之间的距离要大一些。

图10是根据本发明第六实施方案的光学装置的分解图。在图10中，那些等同于图1中所示的元件以相同的引用数字表示并忽略了它们的描述。

关于图1所示的第一透镜阵列5，每个透镜元件的短边应该要足够短，如参照图1所解释的，以易于制造第一透镜阵列。该问题的解决方法是使用短边与长边之比尽可能接近于1(即正方形)的第一透镜元件并通过色分离镜将比值改成所需要的比值。该实施方案可以采用这种方法使第一透镜阵列的制造更容易一些。

如图10所示，第一透镜阵列5a的透镜元件在形状上比色分离镜上要求的第一透镜元件图像更接近正方形。在一个实施方案中，第一透镜元件的长宽比从1∶1到3∶16。第二透镜阵列6a的每个透镜元件类似于正方形，如图1所示。在该实施方案中，第一和第二透镜阵列5a和6a中的透镜元件不是以交错方式排列的，但是可以如此排列。

参照图10，第一和第二透镜阵列5a和6a发出的光线由作为检偏镜的PBS 4转换成S偏振光或P偏振光，然后穿过圆柱形透镜101、第一准直透镜7和第二准直透镜8，到达色分离镜(没有显示)。数字102显示了，例如在一个用于G光的色分离镜上形成的光点。

在图10中，第一透镜阵列5a的每个透镜元件的长边及其短边分别由A1和A2表示；第一透镜阵列5a和第二透镜阵列6a之间的距离由a表示。圆柱形透镜和准直透镜的合成焦距在第一透镜元件短边方向上由b1表示，在第一透镜元件长边方向上由b2表示。对应的光点102的长边长度由B1表示，光点102的短边长度由B2表示。这里，下列关系式成立：放大率M1(＝B1/A1)＝b2/a和放大率M2(＝B2/A2)＝b1/a。因此，当关系式M1＞M2时，即满足b2＞b1时，光点短边与长边之比小于第一透镜元件的短边与长边之比。

在该实施方案中，能够以这种方式减小色分离镜上光点的短边与长边的长度比，因此第一透镜阵列的每个透镜元件的短边可以长于另外要求的。这使其易于制造第一透镜阵列5a。

第一透镜阵列的每个透镜元件的形状比在图1的实施方案中的形状更接近正方形。光点102的短边更短一些，这使产生无用光的可能性减到最小。

在上面的实施方案中，旋转多面体围绕中心轴以环状排列的多个反射面是平直面。但是，本发明不限于此。反射面可以是弯曲的。如果反射面是弯曲的，那么可以控制R、G和B光线在显示设备上的滚动速度为几乎恒定。

如上所述，根据该实施方案，发生多种颜色的光点在面板上混合和对比度失真的可能性减小。此外，能够增加光利用效率。

根据优选实施方案已经描述了前述发明。但是，那些本领域中的熟练人员将认识到存在很多这些实施方案的变体。这些变体规定为是在本发明和附加权利要求的范围内的。

上述详细描述是提供用于说明本发明的特定实施方案的，不是为了限制。在本发明的范围内能够进行很多修改和变体。因此本发明是由附加权利要求定义的。

Claims (10)

1.一种投影式图像显示装置，包括：

一个发光的光源；

一个偏振光束分光器，使从光源接收到的光偏振；

一个包括多个矩形形状的第一透镜元件的第一透镜阵列，接收来自偏振光束分光器的光，每个第一透镜元件有第一条边和第二条边，第一条边长于第二条边，第一透镜阵列形状为矩形，第一透镜阵列有第三条边和第四条边，第三条边长于第四条边，第一透镜元件的第一条边和第一透镜阵列的第三条边沿着第一方向扩展；

一个包括多个第二透镜元件的第二透镜阵列，配置用于接收来自第一透镜阵列的光，第二透镜阵列为矩形形状，有第五条边和第六条边，第二透镜阵列的第五和第六条边具有与第一透镜阵列的第三和第四条边大致相同的尺寸；

一个色分离镜，配置用于将来自第二透镜阵列的光分成多个不同颜色的光线；

一个图像显示设备，配置用于根据多个光线形成一幅光学图像；以及

一个投影器，配置用于投影由图像显示设备作为一幅彩色图像发出的多个光线。

2.权利要求1的装置，其中第二透镜阵列的第二透镜元件的形状大致为正方形。

3.权利要求2的装置，其中大多数第二透镜元件沿着垂直于第一方向的第二方向以交错方式排列。

4.权利要求3的装置，其中第一方向是垂直方向，第二方向是水平方向。

5.权利要求1的装置，还包括：

一个旋转多面体，配置用于接收来自色分离镜的多个光线并将多个光线投射到图像显示设备上，投射的多个光线的光轴方向不同。

6.权利要求5的装置，其中多个第一透镜元件以交错方式沿着第一方向排列，多个第二透镜元件以交错方式沿着垂直于第一方向的第二方向排列。

7.权利要求5的装置，其中由旋转多面体投射的多个光线至少有两个在到达图像显示设备之前路径与其它相交。

8.权利要求5的装置，其中第一透镜的第一条边为长度L，第一透镜的第二条边为宽度W，其中比值L∶W为4∶1或更小。

9.权利要求8的装置，其中比值L∶W大于或等于16∶9/4。

10.权利要求1的装置，其中第二透镜阵列产生无用光和主光，其中色分离镜配置用于接收主光并将主光分成多个光线，以及滤除无用光，无用光位于主光的外围。

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