CN1261755A - 光学投影装置、透射屏以及投影型图象显示装置 - Google Patents

光学投影装置、透射屏以及投影型图象显示装置 Download PDF

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Abstract

一种单板液晶背投影型图象显示装置,该装置尺寸小而且能够同时满足亮度和色彩纯度要求,而且图象聚焦非常清晰,大大地提高了对比度性能,屏幕畸变小,包括三透镜组的投影透镜单元大约为F1.5,构成为用冷却液体冷却视频信号发生器,并具有第一至第三二向色镜DM1、DM2和DM3,用于把白色照明光分成顺序为红、蓝和绿的三原色光。

Description

光学投影装置、透射屏以及投影型图象显示装置
本发明涉及用作投影电视机等的投影型图象显示装置，它把来自光源的白光分成加成的原色，利用显示元件调制每个原色，并在屏幕上放大和显示图象。
随着视频信号源的多样性，投影型图象显示装置作为大屏幕光学投影装置普及起来，因为它的适合市场的性能，例如重量轻、价格低以及体积小。尤其是，利用液晶显示元件(此后称为液晶板)的投影型图象显示装置作为视频信号发生源已经进入市场，由于近来在液晶板的清晰度和数值孔径方面取得了很大进步。与传统的投影型CRT不同，液晶板本身不发光，所以它需要光源。构成具有液晶板的投影型图象显示装置，使得来自它的白光光源的白光可以被分成加成的原色，并在液晶板中调制这些原色中每一原色，然后通过投影透镜单元把源象扩大在液晶板上，从而可以在屏幕上显示全色图象。
利用这种液晶板的投影型图象显示装置的光学系统分为两种类型：使用三个液晶板的三板类型和只使用一个液晶板的单板类型。
三板类型光学系统，对于分离白光获得原色(红、绿、和蓝)中的每一原色都具有一对液晶板和一个光学单元(彩色激光器)。光学单元(彩色分光器)传播获得的原色之一，而液晶板调制该色光的强度以便形成图象。每种颜色的图象与其他图象光学叠加(色彩合成器)以便以全色显示图象。该三板结构的光学系统具有有效利用来自白光的光以便获得高纯度的色彩。尽管如此，由于如上所述光学系统需要彩色分光器和色彩合成器，光学系统中部件数目增大，因此成本比单板结构的光学系统高。
另一方面，单板结构的光学系统只使用一个液晶板，而且根据TFT孔径是如何设置在其中的方式分为两种类型：三角形和带形。在早期的单板结构中，使用彩色滤光片把白光分成加成的原色，但是该结构在实际使用中面临如下问题，即彩色滤光片吸收并反射光，从而光利用率大约降低为三板结构的1/3。
为了解决上述问题，例如日本专利待审出版物No.4-60538已经公开一种单板彩色液晶显示装置，该装置利用设置成扇形的二向色镜4R、4G、4B，示于图1中，以便把来自白光光源1的白光分成红、绿、和蓝色光通量，从而提高光利用率。
在这一装置中，由上述二向色镜4R、4G、4B分离出来的每一光通量R、G、以及B以彼此不同的角度入射到微透镜阵列10上，微透镜阵列10位于上述政府公报的图2中所示的液晶显示元件20的光源一边。
通过该微透镜阵列10的每一光通量分布并照射在由信号电极驱动的元件场上，对应于所述光通量之一的彩色信号施加到所述信号电极上。从而，光利用率大幅度提高，因此获得比使用吸收型彩色滤光片的液晶显示元件的亮度高的图象。
日本专利公开公报No.5-328805也公开了一种投影型彩色液晶显示装置，它通过从长波一边开始把白光分成加成的原色，以便防止由每个二向色镜的波长选择特性的角度相关性产生的彩色混合，使得产生的杂散光最少，从而该装置提高了每种颜色的纯度。根据这一方法，因为初始光被分成按照R、G、B顺序的光通量，从而移动每一二向色镜的特性，不容易产生杂散光，而且每一分离的光通量的色彩纯度都提高了。这样可以在宽的色彩再现范围内投影图象。
然而，在该政府公报中公开的技术中，当G光通量以接近于液晶显示元件的法线的角度入射并被微透镜衍射时，如图6(a)所示，获得α角；当R和B光通量中的每一个倾向于液晶显示元件的法线方向入射并被微透镜衍射时，如图6(b)所示，获得β角；β角大于从液晶显示元件入射的光通量(G)的α角。这要求直径大(低F值)的投影透镜，因此成为增加投影型液晶显示装置的制造成本的主要因素。
为了解决上述问题，日本专利待审出版物No.8-114780公开了一种方法，该方法使用小直径的投影透镜保持良好的白光平衡，通过把光源发出的频谱最弱的彩色光以接近于液晶显示元件的法线的角度入射，从而消除投影透镜口径处对最小量色彩光的遮挡。
因为改善了最小量色彩光的纯度，能够获得较宽的色彩再现范围和更清晰的图象。
用于上述投影型图象显示装置的光学系统的投影透镜之一是例如日本专利待审出版物No.9-96759中公开的反焦透镜。(由于凸缘衬圈长，它最适合于三板光学系统。)由于该投影透镜的半视场角大约为42°，所以投影距离短。如果把它用于背投影型的图象显示装置，那么当只使用一个反射镜时，装置的尺寸将更小巧。
通常，用于这种情况的透射屏利用包括透镜板和菲涅耳透镜板的双板结构。在有些情况下，透射屏还在菲涅耳透镜板的图象光入射面上设置有透镜板，使得透镜板在屏幕的水平方向上的形状较长。
然而，上述的单板结构只利用日本专利待审出版物No.8-114780中提出的装置难以对于每一颜色获得预期的纯度。因为根据这一方法，由二向色镜分离的R、G、B光通量中的每一个以彼此不同的方向入射到微透镜阵列7上，微透镜阵列7位于图7所示的液晶显示元件的光源一边。通过该微透镜阵列7的每一光通量分别分布并照射在由信号电极驱动的元件场24G、24R、24B上，对应于每个光通量的彩色信号独立施加到所述信号电极上。此时，设置在微透镜阵列7上的那些微透镜之间的每个接缝不清晰，从而散射光。因此，例如，部分相对清晰度最高而且辐射频谱来自光源的绿光的光通量在接缝被散射。然后散射的绿色光通量与来自光源的辐射频谱最弱的红色光通量混合。这样，由于红色光通量与绿色光通量混合，所以液晶场24R上的红色纯度降低。液晶场24R原来只被红光照射。这就是为什么使用上述方法每种色彩纯度不能达到它的预期值。
如果设置用于分离红颜色的二向色镜的反射特性以使之纯度提高，然而，获得的红色光通量的量降低，从而通过加和三原色获得的白光平衡被损失了。
此时，如果通过降低另外两种颜色光的光量调整白光平衡，那么通过加和三原色获得白光图象的亮度被降低了。
如上所述，即使在日本专利待审出版物No.8-114780中提出的投影型彩色液晶显示装置的情况下，与使用传统投影型CRT的投影型显示装置比较，其亮度和彩色纯度都没有达到它们令人满意的程度。此外，因为在液晶板上用黑色显示图象时亮度水平高，图象的对比度变得太低，不能令人满意。
另一方面，为了实现一般家庭使用的小型背投影型图象显示装置，必须降低投影距离(投影透镜单元与屏幕之间的距离)。因此，需要广角投影透镜单元。此时，如果普通广角投影透镜单元用于该装置，由于液晶板的光分布特性而使得边缘光量比显著降低。这是因为设置在液晶板与白光光源之间的三个二向色镜中每一个的光谱透过率和反射率在光入射角范围内不同，所以来自白光光源的光通量入射在每个二向色镜和液晶板上。结果，入射在投影透镜单元的来自液晶板上每个物点的主光束近似平行于投影透镜单元的光轴传播，而且发散角变成与微透镜的数值孔径成比例。如果广角透镜用于光学系统，那么入射到投影透镜单元的来自液晶板周围的光通量大幅度降低。从而屏幕上每个放大图象的边缘部分变暗。
除了上述问题之外，该方法还遇到下列必须解决的问题。(1)每个图象在每个角必须精确聚焦。(还必须降低倍率色差。)(2)必须降低F数以便改善屏幕的亮度。(3)由于不能调整会聚度，必须降低畸变。(4)必须降低透镜表面的反射，从而降低亮度损失和确保足够的对比度特性。
如上所述，投影透镜单元有许多问题必须解决。然而实际上，即使日本专利待审出版物No.9-96759中提出的反焦透镜也不能保证足够的亮度，因为当半视场角大约为42°时，F数大(2.56)，投影距离较短。
使用液晶板的传统光学投影系统也具有普通的白光光源和用于冷却液晶板(包括偏振片)的冷风扇(未示出)。因此，光学系统的成本提高了，而且降低风扇噪声也是必须解决的问题。在空气冷却方法的情况中，难以满意地把偏振片冷却下来。因此偏振片受热影响并且物理性能变化，从而损害偏振度和对比度特性。
另一方面，用于该装置的透射屏利用日本专利待审出版物No.58-59436中提出的传统技术制造。根据传统，设置在入射面上的双凸透镜部分是椭圆柱面，而且椭圆形成为假设长轴沿着入射面与出射面之间的厚度方向，以及椭圆的两个焦点之一位于基质内部，而另一聚焦位于出射面附近。此外，椭圆的离心率选择为基质材料的折射率的近似倒数。
结果，如果平行于椭圆长轴的光通量入射在入射面上，光束全部在出射面附近的焦点产生象差，导致光束从该焦点沿着屏幕的水平方向散射。
另一方面，设置在出射面上的双凸透镜具有形成为几乎与入射面上的椭圆柱面对称的椭圆柱面。实际的透镜元件不使得光聚焦在一点上，而是散射，因为如图31和32所示在透镜元件中混合有色散材料。因此，不能把屏幕水平方向上光吸收层的宽度增加为比双凸透镜的宽度宽。由外部光导致的反射光不能降低，从而不能把对比度降低抑制在固定值内。
因此上面的描述可以总结如下。利用单板光学投影系统的背投影型图象显示装置遇到了新问题，利用传统CRT的背投影型图象显示装置还从来没有遇到过这些新问题。这些问题是：(1)必须进一步提高聚焦性能。(2)必须进一步提高对比度性能。(3)必须满足色彩纯度和亮度要求。
为了实现上述第一个目的，本发明的投影透镜单元构成为使得多个透镜元件沿着光轴设置，所述多个透镜元件用于把来自图象发生源的光的放大图象投影在屏幕上。第一至第三透镜组从屏幕一侧按照顺序排列。第一透镜组整体具有负光焦度，第二透镜组整体具有正光焦度，而第三透镜组整体具有负光焦度，而且第三透镜组还包括至少一个在它的中心部分具有负光焦度而在它的边缘部分具有正光焦度的透镜元件。第一透镜组构成为包括至少一个凸面对着屏幕而且具有负光焦度的弯月透镜。第二透镜组可以构成为包括至少一个具有负光焦度的透镜，该透镜通过胶合具有第一阿贝数的双凸透镜和具有第二阿贝数的双凹透镜获得，所述第二阿贝数小于第一阿贝数。而且，第二透镜组还包括一个在它的中心部分(包括光轴)具有正光焦度而在它的沿径向远离光轴的边缘部分光焦度几乎为零或具有负光焦度的透镜元件。
为了达到上述本发明的第一个目的，如上所述，投影透镜单元包括具有负光焦度的第一透镜组、具有正光焦度的第二透镜组、以及具有负光焦度的第三透镜组。这三个透镜组从屏幕一侧按照顺序排列。即使在视场角为80°或更大时，对于每一图象该结构也可以获得平面，所以图象在每个角上可以满意地聚焦。而且，因为在该结构中具有负光焦度的第一和第三透镜组分别位于具有正光焦度的第二透镜组的两侧，这不仅有利于校正场曲，而且还可以有效地抑制图象畸变。
然而，三组结构的投影透镜单元具有第一和第三透镜组的直径大的问题，增加了制造成本。因此为了避免这一问题，本发明的投影透镜单元具有非球面形状的透镜，以便在光轴附近具有负光焦度(用于发散)而在它的边缘部分具有正光焦度。该透镜设置在第三透镜组中，从而减小透镜的直径，同时有效地利用上述的基本结构。
第二透镜组具有非球面透镜，该透镜在光轴附近具有正光焦度(用于会聚)而在它的边缘部分具有负光焦度或光焦度近似为零(用于发散或近似零光焦度发散)。第二透镜组与如上所述的第三透镜组组合，从而具有如同扩束器(用于改变光通量的宽度)的光学系统作用，能够沿着光轴方向压缩每种来自液晶板的光通量。结果，能够减小物面的有效高度，从而使得能够容易地校正包括倍率色差在内的象差。
另外，用于达到上述第一个目的的第二种方法是通过优化包括在第二透镜组中的各透镜元件的折射和散射，同时消除由红色和蓝色光通量引起的单色象差和倍率色差。这种结构的投影透镜单元能够确保高聚焦性能和足够的边缘光量比。这是因为采用了远心结构，使得主光线几乎平行于投影透镜单元的光轴传播，而且使光通量聚焦在屏幕边缘所通过的出瞳变成大于光轴上的出瞳。
这样显然，如果非球面透镜元件设置在离液晶板最近的位置上，该透镜在光轴附近具有负光焦度(用于发散)而在它的边缘部分具有正光焦度(用于会聚)，那么可以沿着光的径向方向压缩光通量。这一效果也可以通过任何装置获得，只要该装置的从液晶板出射的光通量(就是物点)几乎平行于光轴。因此不需要使用具有三透镜组的透镜元件，所述三透镜组设置成从屏幕一侧顺序开始具有负光焦度、正光焦度、和负光焦度。
换句话说，如果压缩光通量以便使得利用液晶板的投影型图象显示装置中的透镜的直径最小，那么在离液晶板最近的位置上设置非球面透镜就有效。该透镜应该在光轴附近具有负光焦度(用于发散)而在它的边缘部分具有正光焦度(用于会聚)。
另外，为了在屏幕的任何部分清晰地聚焦图象以便获得较亮的图象，本发明的投影透镜单元在形成在屏幕中心的光通量不与形成在屏幕最边缘部分的光通量重叠的位置上具有非球面透镜。如果透镜可以大批量生产，那么价格低的塑料透镜可以作为非球面透镜。然而，该塑料透镜遇到如下问题，即它的光焦度根据由于温度变化和吸湿性引起的形状和折射率变化而变化。因此，焦点变化而且聚焦性能降低。为了避免这一问题，本发明的投影透镜单元的结构采取如下两种措施。(1)使得塑料透镜的厚度尽可能一致，从而减小由于温度变化和吸温性引起的形状和折射率变化而导致的光焦度变化。(2)多个塑料非球面透镜相组合，以便抵消根据温度和湿度变化而产生的光焦度变化，这种光焦度变化是由塑料非球面透镜的局部形状变化引起的。
另外，用于实现本发明的第一目的的第三种方法使得能够通过设计照明系统改善装置(透镜元件？？？)的聚焦性能。本发明的照明系统利用二向色镜把白光按照红、蓝、和绿的顺序分成加成的原色光通量，然后这些光通量中的每一个以彼此不同的角度入射到一个而且是同一个液晶板上。因此，当通过投影透镜元件的入瞳时，被液晶板调制的三原色光通量在液晶板屏幕的水平方向上分开。这就是为什么使用二向色镜把白光光通量分成三原色光通量，以便蓝色光通量通过入瞳的中心。当光通量通过入瞳周围时蓝色光通量产生的色差最大。此外，校正了红色光通量产生的象差的方向(符号)，以便消除倍率色差(绿光和红光光通量的焦点偏移量)。
下面，将描述用于实现本发明的第二个目的的技术方法。在这种情况下，假设这里也利用了用于本发明的投影透镜单元的技术。
第二种方法是降低构成投影透镜和屏幕两者的透镜元件上的反射损失，通过使得从本发明的光学投影装置入射到透射屏的光通量成为p偏振光实现。
第三种方法是设置二向色镜，用于把来自用于照明系统中的白光光源的白光分成三原色光通量，然后把这些光通量中的每一个以彼此不同的角度按照如下二向色镜的顺序入射到液晶板上，即用于透射青蓝色(蓝色和绿色)的二向色镜、用于透射黄色(绿色和红色)的二向色镜、和用于透射红色的二向色镜，从白光光源一侧顺序排列。此时，同时考虑亮度和色彩纯度确定最佳波长值，该波长达到不低于每个二向色镜的反射率的50％。
第四种方法是只把要偏转的预定成分增加大约50％，通过在白光光源与显示单元之间设置偏转分光镜，以便组合偏振光通量。此时，只有p偏振光成分被取出来，从而降低了由多个透镜元件构成的多透镜阵列上的反射损失。此外，上述二向色镜和光路反射镜分别设置在与偏振分光镜成直角的位置上，以便分别被p偏振化。因此，光路反射镜的反射率提高了，从而图象的亮度提高了。
第五种方法是当被设置在靠近白光光源La1的第一多透镜阵列上的各个透镜分离的光通量被设置成对着第二多透镜阵列的透镜扩束时，所述第二多透镜阵列位于液晶板一侧，把白光通量按照白光光源的光谱能量分布的强弱顺序分成红、蓝和绿光通量，然后投影在液晶板上。结果，第二多透镜阵列与液晶板之间的光路使得红光通量的光路最短，所以红光通量的投影倍率减小，从而由象差引起的离焦误差较小，红色光通量能量强度增加。
另外，因为蓝色光通量的相对清晰度低，而且光路中本身设置有反射来自白光光源的紫外光输出的滤光片，所以有效利用的蓝光通量的能量也降低了。这就是为什么在红光通量之后立即把蓝色光通量从白光通量中分离出来，使得蓝色光通量通过如上所述投影透镜单元的入瞳中心。这样，当把三种加成的颜色显示在屏幕上时，能够使得白光的亮度、以及三原色中每一个的亮度同时最大。
而且，用于达到如上所述本发明的第三个目的的第一种方法是为上述投影型图象显示装置提供液晶板和偏振片，并在液晶板与投影透镜单元的最靠近液晶板的透镜元件之间形成的空间内填充冷却液体。当温度升高时(达70℃左右)，液晶板和位于液晶板前面的偏振片受热，它们的物理特性变化，从而偏振特性降低，在某些情况下降低了对比度性能。然而在上述本发明的结构中，因为液晶板和偏振片两者都被液体(冷却介质)冷却，所以冷却效率比用空气冷却方法提高了。因此，可以防止对比度性能由于温度升高损害偏振特性而降低，从而投影高质量的图象。
而且，如果对于波长为587.6(nm)的光的折射率为1.2或更高的介质用作上述的冷却液体，那么图象光的反射率被降低的更多，从而能够进一步提高对比度性能。
本发明的第二种方法是给投影透镜单元的镜筒设置孔径，该孔径构造成只通过被液晶板调制并用于形成物象的光通量，而通过吸收遮挡其他光通量，以便使它们不通过该孔径，因此不用于形成图象的其他光通量不到达屏幕，因此更加提高了图象的对比度性能。
另外，本发明的第三种方法是设置透射屏，该透射屏具有吸收白光光源发射的光谱最强的绿光的滤光特性。因此，即使当外部光入射到屏幕时，能够保护该屏幕的投影图象的对比度性能受损害。
最后，用于实现本发明的第四个目的的第一种方法是分别在垂直于偏振分光镜的光学位置上设置上述二向色镜，以便使得入射到这些二向色镜的光成为s偏振光。因此，每个二向色镜的光谱反射率特性的升高部分变化急剧，这样提高了每种颜色的纯度。
用于实现本发明的第四个目的的第二种方法是当被设置在靠近白光光源的第一多透镜阵列上的各相应透镜分离的每个光通量被第二多透镜阵列上的透镜扩束时，所述第二多透镜阵列对着第一多透镜阵列，按照白光光源的光谱能量分布的强弱顺序(按照红、蓝和绿的顺序)分离来自光源的白光。第二多透镜阵列设置在液晶板一侧，以便把每个光通量投影在液晶板上。因此，在第二多透镜阵列与液晶板之间的光路上红光通量的光路最短，从而红光通量的能量强度变大，色彩纯度提高了。此外，当红色光通量进入液晶板的微透镜阵列时，红色光通量不靠近绿色光通量，在同一微透镜阵列上，所述绿光的相对灵敏度最高而且光源辐射光谱最强，部分红色光通量在微透镜之间的接缝上散射，使得绿色光通量不容易与红色光通量混合，所述红色光通量的光源辐射光谱最弱。因此，彩色纯度提高了。
另外，用于实现本发明的第四个目的的第三种方法是减小每个二向色镜的光谱反射率特性的波动成分，从而使得难以产生杂散光。因此，每一分离的光通量的色彩纯度都提高了，并可以在宽的色彩再现范围内投影图象。
另外，没有这样的光通量入射到对着第一多透镜阵列并设置在液晶板一侧的第二多透镜阵列的透镜上，即所述光通量是由于设置在靠近白光光源的第一多透镜阵列上的每个透镜接缝的不适当的不规则轮廓而被分离的。这些光通量中有些入射到邻近透镜上。因此，被扩束的光通量没有以预定角度入射到液晶板上，从而彼此混合。此外，非正常光在光学投影装置的侧面和/或上下面上反射，并进入每个二向色镜。结果，这些反射光导致波长偏移，使得非预定波长的光通量进入液晶板，从而损害每种色彩纯度。这就是为什么光学投影装置的侧面、以及上下表面制成锯齿形、凸凹、或者粗糙的，以便降低反射率。此外，多个孔径光阑设置在光通量通过的位置上，从而吸收和遮挡不需要的光通量，以便减少非正常光进入二向色镜，并减小每种色彩纯度的损害。
另外，用于实现本发明的第四个目的的第五种方法是提供具有吸收绿光通量的滤光特性的透射屏，所述绿光由白光光源发射并且光谱最强。因此，能够减小其中混合有红光和蓝光的辐射光谱最强的绿光，从而提高了其他颜色光中每一种的色彩纯度。
图1是背投影型图象显示装置的主要部分沿铅直方向的截面图，其中使用了根据本发明的光学投影系统。
图2也是背投影型图象显示装置的主要部分沿铅直方向的截面图，其中使用了根据本发明的光学投影系统。
图3是本发明的光学系统的主要部分的结构。
图4是本发明的光学系统的主要部分的结构。
图5是本发明的投影透镜单元的截面图，用于示出其中每个透镜的排列。
图6是另一本发明的投影透镜单元的截面图，用于示出其中每个透镜的排列。
图7是又一本发明的投影透镜单元的截面图，用于示出其中每个透镜的排列。
图8是用于描述限定透镜形状的图。
图9是用于表示为本发明的投影透镜单元的镜筒设置的孔径的示意图。
图10是用于表示本发明的投影透镜单元中出现的象差的特征曲线。
图11是用于表示本发明的投影透镜单元中出现的象差的另一特征曲线。
图12是用于表示本发明的投影透镜单元中出现的象差的又一特征曲线。
图13是用于表示本发明的投影透镜单元中出现的象差的又一特征曲线。
图14是用于表示本发明的投影透镜单元中出现的象差的又一特征曲线。
图15是用于表示本发明的投影透镜单元中出现的象差的又一特征曲线。
图16是用于表示本发明的投影透镜单元中出现的象差的又一特征曲线。
图17是用于表示本发明的投影透镜单元中出现的象差的又一特征曲线。
图18是用于表示本发明的投影透镜单元中出现的象差的又一特征曲线。
图19示出本发明的投影透镜光瞳上的光通量遮挡。
图20示出本发明的投影透镜光瞳上的光通量遮挡。
图21是利用单板液晶板的光学投影系统的主要部分的截面图。
图22是单板液晶板的主要部分的截面图。
图23是用于本发明的实施例中的超高压汞灯的波长光谱分布图。
图24是表示用于本发明的光学系统的滤光片的光谱透过率的特征曲线。
图25是表示用于本发明的光学系统的滤光片的光谱透过率的另一特征曲线。
图26是表示用于本发明的光学系统的滤光片的光谱透过率的另一特征曲线。
图27是表示用于本发明的光学系统的滤光片的光谱透过率的另一特征曲线。
图28示出肉眼的相对敏感度特性(2度视场角和10度视场角)。
图29是2度视场角时三个光谱刺激值的表。
图30是10度视场角时三个光谱刺激值的另一表。
图31是透射屏的主要部分的透视图。
图32是透射屏的主要部分的另一透视图。
图33是透射屏的主要部分的又一透视图。
图34是透射屏的主要部分的又一透视图。
图35是透射屏的主要部分的又一透视图。
图36是透射屏的主要部分的透视图。
图37是表示为透射屏设置的滤光片的光谱透过率的特征曲线，所述透射屏用于具有本发明的光学投影系统的背投影型图象显示装置。
图38是多透镜阵列的实施例的示意图。
下面，将参考附图描述本发明的最佳实施例。
图1和2示出背投影型图象显示装置的整体结构，后面将要描述的本发明的光学系统用于所述背投影型图象显示装置。图1和2是背投影型图象显示装置沿着图象观察方向(图象光的出射方向)并垂直于水平方向一侧的截面图。
在图1和2中，11是包括白光光源和液晶板的光学单元。来自光学单元11的输出光被与光学单元11相连的投影透镜12扩束。来自该投影透镜12的扩束光被反射镜13以预定角度反射，以便从屏幕14的背面投影到屏幕14上。因此，在屏幕14的观察图象一侧显示图象。光学单元11、投影透镜12和反射镜13被安装在壳体15内。屏幕14位于壳体15的前部(观察图象一侧)。上述的“各光学单元”是指该实施例中的光学单元11、投影透镜12、反射镜13和屏幕14，而且本发明只改善了这些光学元件中的光学单元11、投影透镜12和屏幕14。
在图2所示的背投影型图象显示装置中，降低了反射镜13对于来自投影透镜12的扩束光的反射角，并缩短了投影距离，以便把装置的深度减小为比图1所示的小。在图2所示的装置中，铅直方向上的尺寸(高度)比图1所示装置的高度稍微大。本发明的光学单元可以用于图1和2所示的装置。
首先，将详细描述作为本发明的光学单元的实施例的投影透镜12。图5是作为本发明的实施例的投影透镜8的主要部分的截面图。在图5中，标号7是液晶板，8是设置在光出射侧的偏振片。标号9是冷却液体，L11是第十一个透镜。L10是第十个透镜，L9是第九个透镜，L8是第八个透镜，L7是第七个透镜，L6是第六个透镜，L5是第五个透镜，L4是第四个透镜，L3是第三个透镜，L2是第二个透镜，而L1是第一个透镜。
第十一个透镜L11和液晶板7通过O形环分别规定在支架6上。偏振片8位于第十一个透镜L11后面形成的空间中，液晶板7固定在支架6上。那么，冷却液体9密封在形成于偏振片与液晶板之间的空间中。冷却液体9循环，降低和统一液晶板和偏振片之间被入射光加热的温度，然后通过形成于支架6上的辐射板5把热量辐射到外部。此时，建议把液晶板7的入射光一侧涂覆以防反射材料，以便降低由于光入射面上的反射导致的光损失。(没有示出设置在光入射侧的偏振片)。
第一至第四透镜分别具有负光焦度，它们组合形成第一透镜组。第五至第十透镜组合形成第二透镜组，以便承担整个投影透镜单元的部分正光焦度。(然而，为降低轴上色差而设置的透镜组合光焦度(通过胶合第七和第八透镜获得)取负值)。第一和第二透镜组安装在内镜筒1中，并用螺钉(未示出)固定在外镜筒2上。此外，该外镜筒2用螺钉通过固定板4(未示出)固定在支架6上。液晶板上的图象被放大并投影在屏幕(未示出)上，所述液晶板是物面。
要计算第三透镜组的焦点，必须全部考虑第十一透镜L11、偏振片8、冷却液体9、以及液晶板7。
图6示出作为本发明的实施例的投影透镜单元的结构，用于示出其中每个透镜的排列。表1示出具体透镜数据。图7示出作为本发明的另一实施例的投影透镜单元的结构，用于示出其中每个透镜的排列。表3示出具体透镜数据。图6和7示出投影透镜单元中的透镜排列，不包括透镜筒中的其他元件。
本发明实施例中的投影透镜单元构成使得当把显示在1.6英寸液晶板上的图象放大并投影在50英寸屏幕上时，能够获得理想性能。投影透镜的半视场角宽度为44.3度。
因此，只用一个反射镜13就足以实现如图1所示压缩高度的装置，以及如图2所示深度大幅度减小的装置。
表1和3示出本发明的投影透镜单元可以使用的具体透镜数据。
                          [表1]
                                                            折射率(555nm)/透镜       面序号              曲率半径         表面间距(mm)
                                                            阿贝常数(νd)屏幕                          ∞                  650                1.0第一透镜      S1            -57.14              4.55           1.49291/58.0
          S2            -37.00              10.143             1.0第二透镜      S3            -75.00              3.00           1.51827/64.2
          S4            -26.00              5.70               1.0第三透镜      S5            -36.210             3.00           1.51827/64.2
          S6            -21.300             13.30              1.0第四透镜      S7            325.87               2.70           1.51827/64.2
          S8            -480.00             6.69               1.0第五透镜      S9            -46.195             5.70           1.81087/25.5
          S10           180.00              3.40               1.0第六透镜      S11           79.108              3.50           1.83853/43.0
          S12           42.223              8.711              1.0第七透镜      S13           30.00               3.00           1.85306/23.8第八透镜      S14           -31.070             17.00          1.69910/55.5
          S15           45.587              1.4614             1.0第九透镜      S16           -52.183             18.00          1.62229/60.3
          S17           87.592              12.604             1.0第十透镜      S18           -175.00             5.70           1.49291/58.0
          S19           39.235              6.6893             1.0第十一透镜    S20           70.000              5.100          1.49291/58.0
          S21           -500.0冷却液体      S22            ∞                 8.00              1.44671偏振片        S23            ∞                 1.60              1.51827冷却液体      S24            ∞                 6.00              1.44671液晶板        S25            ∞                 4.10              1.46579(非球面数据)面序号         CC          AE              AF               AG              AHS1         1.66671    -9.056717E-6    6.141192E-9      -1.298421E-12    -7.969922E-16S2         0.50000    -9.701383E-6    4.700787E-9       1.107547E-11    -8.904763E-15S18        -45.3169   1.7912986E-5    -2.3356823E-9    -5.267746E-11    5.079977E-14S19        0.598261   -1.267814E-5    -2.0820712E-9    -2.594471E-11    1.146374E-14S20        4.485518   -3.756551E-5    4.0091649E-8     -2.422088E-11    -3.862568E-16
                          [表2]
                                                    折射率(555n.m)/透镜      面序号      曲率半径      表面间距(mm)
                                                     阿贝常数(νd)屏幕                      ∞            650                   1.0第一透镜     S1       -63.775          4.55              1.49291/58.0
         S2       -39.746          10.143                1.0第二透镜     S3       -70.00           3.00              1.51827/64.2
         S4       -24.50           5.70                  1.0第三透镜     S5       -34.000          3.00              1.51827/64.2
         S6       -21.300          13.30                 1.0第四透镜     S7       340.06           2.70              1.51827/64.2
         S8       -480.00          6.69                  1.0第五透镜     S9       -46.195          5.70              1.81087/25.5
         S10      180.00           3.40                  1.0第六透镜     S11      79.102           3.50              1.83853/43.0
         S12      42.089           8.711                 1.0第七透镜     S13      30.00            3.00              1.85306/23.8第八透镜     S14      -31.070          17.00             1.69910/55.5
         S15      45.587           2.66                  1.0第九透镜     S16      -51.378          16.00             1.62229/60.3
         S17      87.592           12.604                1.0第十透镜     S18      -175.00          5.70              1.49291/58.0
         S19      41.494           6.9564                1.0第十一透镜   S20      70.000           4.600             1.49291/58.0
         S21      -500.0冷却液体     S22        ∞             8.00                1.44671偏振片       S23        ∞             1.60                1.51827冷却液体     S24        ∞             6.00                1.44671液晶板       S25        ∞             4.10                1.46579(非球面数据)面序号    CC          AE               AF           AG               AHS1    1.91069    -9.921107E-6    9.719141E-9   -6.886507E-12   2.390934E-15S2    0.50000    -1.0701291E-5   1.190249E-8   -4.450229E-12   2.351065E-15S18   -32.4986   1.806376E-5     2.075073E-8   -1.004275E-10   8.048705E-14S19   1.158486   -1.009448E-5    1.027012E-8   -5.664122E-11   3.051688E-14S20   4.133819   -3.374035E-5    2.746039E-8   -3.157388E-12   -1.159482E-14
                           [表3]
                                                    折射率(555nm)/透镜      面序号          曲率半径      表面间距(mm)
                                                     阿贝常数(νd)屏幕                          ∞             650             1.0第一透镜     S1            -66.415         4.55         1.49291/58.0
         S2            -38.000         11.140           1.0第二透镜     S3            -75.00          3.00         1.51827/64.2
         S4            -25.840         6.15             1.0第三透镜     S5            -36.210         3.00         1.51827/64.2
         S6            -20.500         11.51            1.0第四透镜
         S7            88.188          2.70         1.51827/64.2
         S8            -3000.0         0.16             1.0第五透镜     S9            -42.910         5.70         1.85306/23.8
         S10           483.00          3.30             1.0第六透镜     S11           284.78          3.50         1.83805/37.3
         S12           40.350          8.420            1.0第七透镜     S13           25.614          3.00         1.85306/23.8第八透镜     S14           -31.070         18.50        1.69910/55.5
         S15           34.944          10.0             1.0第九透镜     S16           -52.480         18.00        1.62229/60.3
         S17           95.000          10.800           1.0第十透镜     S18           -234.02         5.70         1.49291/58.0
         S19           41.086          6.86             1.0第十一透镜   S20            70.000          3.300        1.49291/58.0
         S21           -500.0冷却液体     S22             ∞            6.500           1.44671偏振片       S23             ∞            1.60            1.51827冷却液体     S24             ∞            6.00            1.44671液晶板       S25             ∞            4.10            1.46579(非球面数据)面序号      CC             AE            AF             AG             AHS1      -1.65759     -4.185486E-6   -1.388992E-8   2.662426E-11   -1.585180E-14S2      1.25000      1.806825E-6    -3.234478E-8   8.178348E-11   -5.098478E-14S18     -174.7652    1.276181E-5    -2.845374E-8   6.605380E-11   -4.037350E-14S19     0.3875325    -1.920221E-5   -5.634405E-9   5.572927E-11   -3.864189E-14S20     3.5862026    -4.614361E-5   9.109874E-8   -1.133869E-10   8.206802E-14
下面，将参考表1和图6描述怎样识别上述透镜数据。表1示出数据分为关于主要围绕光轴的透镜区域的球面数据和关于球面外围部分的非球面数据。首先，表1示出屏幕的曲率半径为无穷大(即为平面)，屏幕与第一透镜组的第一透镜L1的面S1之间在光轴上的距离(表面间距)为650mm，而两者之间的介质折射率为1.0。表1还示出透镜面S1的曲率半径为-57.14mm(如果曲率中心在屏幕一侧，符号为正，也就是说，在这种情况下曲率中心在液晶板一侧)，透镜面S1与透镜面S2之间在光轴上的距离为4.55mm，而两透镜面之间介质的折射率为1.49291。以同样方式，表1示出面S25的曲率半径为无穷大(即为平面)，板厚度为4.1mm，折射率为1.46624。
分别示出了第一透镜组G1的第一透镜L1的透镜面S1和S2、第二透镜组G2的第十透镜L10的透镜面S18和S19、以及第三透镜组G3的第十一透镜L11的透镜面S20的非球面系数。非球面系数是当透镜形状用下面的式子表示时所取的系数。
[式1] Z ( r ) = ( r 2 / RD ) 1 + 1 - ( 1 + CC ) r 2 / R D 2 + AE · r 4 + AF · r 6 + AG · r 8 + AH · r 10 + … + A · r 2 n
无论RD、CC、AE、AF、AG、AH、…、A
A：任意常数，n：任意自然数。
在式1中，当z轴设定为光从视频信号发生源向屏幕传播的轴向方向，r轴设定为如用于限定透镜形状的图8所示的透镜半径方向时，z(r)表示物镜的高度。r表示沿着半径方向的方向，RD表示曲率半径。因此，如果给出诸如系数RD、CC、AE、AF、AG、AH等等，就可以根据上式1确定透镜面高度即透镜形状。
这样就描述完了怎样识别表1中的数据。表2和3示出了对应于其他实施例的数据。表4集中示出表1至3示出的设置在本发明的投影透镜单元中的透镜元件的焦距和阿贝数。
                                            [表4]
      表1中的数据       表2中的数据          表3中的数据
  透镜     焦距(mm)  阿贝常数     焦距(mm)   阿贝常数      焦距(mm)   阿贝常数
第一透镜   -230.13     58.0   -228.28     58.0    -190.25     58.0
第二透镜   -78.425     64.2   -74.402     64.2    -77.683     64.2
第三透镜   -107.17     64.2   -119.68     64.2    -97.527     64.2
第四透镜   -374.09     64.2   -383.62     64.2    -165.25     64.2
第五透镜   45.852     25.5   45.852     25.5    46.429     23.8
第六透镜   103.51     43.0   102.84     43.0    55.732     37.3
第七透镜   -29.740     23.8   -29.745     23.8    -25.956     23.8
第八透镜   166.34     55.5   166.34     55.5    114.88     55.5
第九透镜   55.281     60.3   54.443     60.3    56.992     60.3
第十透镜   65.596     58.0   68.643     58.0    71.393     58.0
第十一透镜   -140.13     58.0   -140.13     58.0    -140.14     58.0
第七与第八透镜组合 -80.522 80.522 -110.503
整个系统   21.740   21.737     21.859
下面将描述本发明的投影透镜单元的每个透镜组的作用。
本发明的投影透镜单元构成使得第一透镜组具有负光焦度，第二透镜组具有正光焦度，如图5至7所示。
因此，在本发明的实施例中，即使在象角几乎90°宽时也可以获得平面图象，使得每幅图象在每个角上的聚焦令人满意。而且，因为具有负光焦度的第一和第三透镜组分别设置在具有正光焦度的第二透镜组的两侧，该结构也可以有效地减小这些透镜结构中出现的畸变。在本发明的实施例中，图象畸变为0.5％或更小。
本发明的投影透镜单元构成使得第一透镜组的第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的凸面对着屏幕一边，从而使得这些透镜作为负弯月透镜，以便抑制每个图象产生象差和校正场曲。特别是，塑料非球面透镜用作第一透镜L1，来自轴上物点P0的光通量和来自屏幕最边缘物点p1的光通量在完全不同的部分通过该透镜，使得非常精确地校正慧差和色散，而不对轴上象差有负面影响。此外，每个透镜的厚度尽可能一致，以便防止透镜的形状和折射率变化导致透镜的光焦度变化，透镜形状和光焦度变化是由于温度变化和塑料透镜特有的吸湿性引起的。此外，第四透镜L4也部分负责校正球差、图象弯曲、和慧差。第四透镜L4设置在非常靠近来自轴上物点p0的光通量扩展最宽的地方。
第二透镜组承担整个投影透镜单元的正光焦度。在投影透镜单元的情况下，第五透镜L5由阿贝常数为30或更小的高色散材料构成，而且具有正光焦度。第六透镜L6也由阿贝常数为45或更小的高色散材料构成，而且具有正光焦度。透镜L5和L6中的每一个都由折射率为1.8或更高的高折射材料构成，并具有正光焦度。透镜L5和L6中的每一个都满足消色差条件，并控制通过它自身的光束的高度和进入第一透镜组的光通量的高度，从而降低倍率色差。
第七透镜L7由由阿贝常数为25或更小的高色散材料构成，第八透镜L8由阿贝常数为50或更高的低色散材料构成，从而各自只降低轴上色差。
第九透镜L9由阿贝常数为60.3的低色散材料构成。它是双凸透镜，并承担整个投影透镜单元的部分正光焦度。
第十透镜L10是塑料透镜，并承担整个投影透镜单元的部分正光焦度。正如第一透镜L1一样，第十透镜L10也设置在来自轴上物点P0的光通量和来自屏幕最边缘物点p1的光通量从不同点通过的位置上，而且透镜L10制成使得透镜面S18和S19为非球面。因此，第十透镜L10能校正轴上象差以及轴外高阶慧差和象散。
第三透镜组G3的第十一透镜L11是塑料透镜并制成非球面，并使得透镜面S20在光轴附近具有负光焦度(用于发散)，而在边缘部分具有正光焦度(用于会聚)。在本发明的实施例中，折射率为1.44671的冷却液体填充在液晶板和第十一透镜L11之间，以便冷却液晶板和偏振片，以及降低由于反射导致的图象光损失，获得高对比度的图象。通过包括冷却液体、液晶板和偏振片来计算和评价第三透镜组的光焦度。
由于本发明的投影透镜单元构成为使第三透镜组包括非球面透镜，该透镜在光轴附近具有负光焦度(用于发散)，而在边缘部分具有正光焦度(用于会聚)，减小了第三和第二透镜组的直径，从而降低了制造成本，并很好地利用了包括三组透镜的基本结构的优点。此外，由于第二透镜组包括非球面透镜，该透镜在光轴附近具有正光焦度，而在边缘部分具有负光焦度或光焦度几乎为零，因此当与第三透镜组组合时，第二透镜组可以具有光束扩展器单元(用于变换光通量宽度)的作用，即可以把来自液晶板的光通量在半径方向上压缩。因此，可以降低液晶板的有效高度(板中心与每个角之间的距离)，从而能够容易地校正包括倍率色差在内的象差。
非球面透镜都是塑料透镜。如果大批量生产，这些透镜的价格很低。根据本发明，第十一透镜L11和第十透镜L10是非球面透镜，它们在它们的局部部分组合，从而消除由于温度和湿度变化导致的光焦度变化。下面将详细描述该技术。
在图6所示的本发明的第一实施例中，如果平行于光轴(1，1′)的光通量进入第十一透镜L11和第十透镜L10，在第十一透镜L11的光轴(1，1′)附近发生发散作用(凹透镜)，而边缘部分发生会聚作用(凸透镜)。另一方面，在第十透镜L10的光轴(1，1′)附近发生会聚作用(凸透镜)，而边缘部分发生发散作用(凹透镜)。换句话说，在都是塑料透镜的第十一透镜L11和第十透镜L10上，在轴上物点p0的光通量通过的光轴附近区域内，第十一透镜L11上发生发散作用(凹透镜)，而第十透镜L10发生会聚作用(凸透镜)。相反，在屏幕上最边缘部分的物点p1的光通量通过的边缘部分内，第十一透镜L11上发生会聚作用(凸透镜)，而第十透镜L10发生发散作用(凹透镜)。
因此，即使由于温度变化和吸收水分导致物镜的形状和折射率变化，从而改变光焦度时，这些因素可以彼此抵消。这样可以解决焦点变化和聚焦性能变坏的传统问题。
在本发明的投影透镜单元中，因为来自轴上物点P0的光通量和来自屏幕最边缘物点p1的光通量在第一透镜L1、第十透镜L10和第十一透镜L11每个中的完全不同点上通过，这些透镜形成为非球面透镜，从而校正了轴上象差、以及轴外高阶慧差和象散。
而且，如图5至7所示，因为来自屏幕最边缘物点p1的光通量通过的第十一透镜L11没有形成为简单的凹透镜，而是形成为在边缘部分具有会聚作用(凸透镜)的非球面透镜，所以透镜L11不扩展光通量。此外，透镜L11允许位于屏幕一侧的第十透镜L10后面的透镜的直径各自减小，从而可以大大降低投影透镜单元的制造成本，而且可以有效地校正包括倍率色差在内的象差。
下面，将参考图6和7描述第十一透镜L11可以采用的透镜面S21的形状。透镜面S21与冷却液体相接触。
第十一塑料透镜L11的位于屏幕一侧的透镜面S20如上所述是非球面。另一方面，如果与冷却液体接触的透镜面S21是非球面，而且它的曲率中心例如位于屏幕一侧，那么该透镜的边缘部分过薄，从而在模塑时树脂不能平滑地流动，边缘部分不能成形为预定形状。相反，为了确保边缘部分有足够的厚度，透镜中心变得过厚，模塑时需要更多树脂。此外，模塑所花费的时间更多，导致大大提高投影透镜单元的制造成本。因此，为了避免上述问题，把与冷却液体接触的透镜面S21形成为近似平面，或使曲率中心在液晶板一侧。这样透镜L11可以形成为一致，边缘部分与中心部分之间厚度差异很小。
图10至18示出当利用如上所述的本发明投影透镜单元把图象显示在1.6英寸单板液晶板上时产生的象差，而且该图象被放大并投影在50英寸屏幕上。
图10至12是与表1中的数据对应的特征曲线。图10是示出轴上象差的特征曲线。图10中的B表示450nm的光通量产生的象差，G表示555nm的光通量产生的象差。R表示650nm的光通量产生的象差。图11示出图象在40％高度处产生的象差。图12示出图象在80％高度处产生的象差。
同样，图13至15示出与表2中的数据对应的特征曲线。图16至18示出与表3中的数据对应的特征曲线。在图1和2所示的实施例中，绿光(555nm)和红光(650nm)的光通量产生的轴上象差校正得很好，如图10和13所示。然而，在相同实施例中蓝光(450nm)的光通量产生的最大象差为1.7mm。
本发明的照明单元制成利用二向色镜按照蓝、绿和红的顺序把白光分成三原色光通量。每个光通量以彼此不同的角度入射到同一个液晶板。因此，如果被液晶板调制的三原色光通量通过如图19和20所示的投影透镜单元的入瞳，那么它们在液晶板的屏幕的水平方向上分开。这就是为什么使用二向色镜把白光分成三原色，以便使得蓝光的光通量通过入瞳的中心。当光通量通过入瞳周围的点时，蓝色光通量产生的象差最大。此外，此时，建议校正红色光通量沿着该方向产生的象差的方向(取正号)，以便消除倍率色差，如图11、12、14和15所示(表示为绿色光通量和红色光通量的焦点偏移量，通常为负值)。这是根据本发明的实施例改善包括照明单元在内的聚焦性能的具体例子。在如表3所示的本发明的实施例中，关于如图16所示的轴上象差，由红、蓝和绿色光通量三者产生的象差比较而言校正得很好。另一方面，关于轴上产生的象差，红色光通量产生的象差一旦取负值，该象差与(特别是80％象高)倍率色差(表现为绿色和红色光通量的焦点之间的偏移量，通常取负号)叠加，从而图象颜色在屏幕上分开。因此能够看到聚焦性能严重变坏。
如下所示，表1和2所示的投影透镜单元与表3所示的投影透镜单元之间在焦距、第五和第六透镜的色散、以及第七和第八透镜的组合焦距方面有差异。
p78/p0＜-0.2
0.4＞p6/p0
vd6＞37.3
其中：
p78：第七和第八透镜的组合焦距的倒数(光焦度)，
p0：整个投影透镜单元的组合焦距的倒数(光焦度)，
p6：第六透镜的组合焦距的的倒数(光焦度)，以及
vd6：第六透镜的阿贝值。
另一方面，本发明的投影透镜单元在实际使用中没有任何问题，因为虽然象角非常宽，几乎达90°，但是图象畸变很低，只有0.5％。
而且，表示本发明的投影透镜单元的亮度的F数大约为1.5，比传统的象角大于90°的投影透镜单元的F2.4小得多。本发明的投影透镜单元可以保证令人满意的亮度。
而且，本发明的投影透镜单元可以在屏幕的每个角上聚焦图象，因为透镜元件在聚焦到屏幕中心的光通量不与聚焦到屏幕最边缘部分的光通量重叠的地方具有非球面透镜，以便投影明亮的图象。
而且，因为本发明的投影透镜单元包括三个透镜组，光通量被聚焦在屏幕边缘上所通过的入瞳比被聚焦在光轴上所通过的入瞳大，光通量的主光线被几乎平行于投影透镜单元的光轴输出(远心结构)。因此能够确保足够的边缘光量比。虽然象角宽几乎达90°，在最边缘部分反射率达50％或更高(中心为100％)，这是由于远心结构，在远心结构中来自液晶板上每一点的光通量的主光线都几乎平行于投影透镜单元的光轴入射。投影透镜单元在实际使用中不会有问题。
在本发明的实施例中，如上所述，整个投影透镜单元的正光焦度集中在第二透镜组上，而且各自具有负光焦度的透镜组都位于屏幕一侧和液晶板一侧。
构成第一透镜组G1的四个透镜中的第一至第三透镜L1至L3都是弯月透镜，它们的凸面对着屏幕一侧，以便抑制象差的产生并校正场曲，如上所述。
而且，在本发明的投影透镜单元中，第二与第三透镜组G2和G3之间的距离可以变化，如图5所示，以便当图象的比率变化时调整焦距，以便改变投影距离，从而在屏幕上放大并投影这些图象。此时，产生的图象弯曲和倍率色差变化可以通过沿着光轴移动第四透镜L4来抵消。
如图5所示的投影透镜单元的外镜筒2具有不呈圆形的孔径9-1，用于吸收和阻挡被如图9所示的液晶板调制的光通量，它们对于形成物的图象同时通过聚焦物象所需要的光通量并不是必需的。此外，L11一侧表面9-3接收入射光通量，具有不均匀的光吸收结构9-4。不均匀结构可以形成为象细纹一样，凸凹并且粗糙，以便防止反射光束返回到液晶板。因此，形成物象所不需要的光通量不到达屏幕，从而大大改善了透镜单元的对比度性能。
本发明实施例中的投影透镜单元的三个塑料非球面透镜中，第一透镜L1形成为尽可能减小光焦度。此外，因为透镜形成为一致的厚度，它可以减小由于形状和折射率变化引起的光焦度变化，所述形状和折射率变化是由于温度变化和塑料透镜特有的吸湿性引起的。
而且，第十和第十一透镜L10和L11形成为两个透镜的光焦度绝对值几乎相等，从而这两个透镜中的每个透镜能够减小由于形状和折射率变化引起的光焦度变化，所述形状和折射率变化是由于每个透镜上的温度变化和吸湿性引起的。
第七透镜是由高色散材料构成的双凸透镜。它胶合在第八透镜元件上，从而能够大部分校正轴上象差。
这样就参考透镜数据描述完了本发明实施例中的投影透镜单元的特征。
虽然在该实施例中非球面透镜面使用的非球面系数高达十次方系数AH，当然，本发明也包括利用十二次以上的更高次系数的其他结构的投影透镜单元。
液晶板和偏振片两者都具有降低偏振特性的特征，尤其是温度升高(例如高达70℃)时的偏振度(光通过偏振片时分别与偏振面成0°角和90°角的光量比)。因此，当温度升高时，对比度降低。为了防止这种情况发生，本发明利用冷却液体冷却液晶板和偏振片。由于液晶板和偏振片二者的温度被冷却得比传统压缩空气冷却方法低大约7℃至10℃，显示单元的对比度可以提高大约10％。
而且，如果液晶板和偏振片一直用于高温下(例如，最大70℃)。它们将各自成为损坏对比度性能的因素。然而，如果液晶板和偏振片用于冷却液体中，如果工作过程中温度被冷却10℃，它们的使用寿命将延长大约1.5至2倍。
如图5所示，如果偏振片8设置在冷却液体9中并被之冷却，建议把偏振片8放置在一对玻璃板之间，并用环状密封材料密封偏振片8，以便完全覆盖边缘部分(为的是防止外部冷却液体进去)。密封材料应该是象硅一样的粘合剂。
通常，冷却液体是类似甘醇、癸乙二醇、甘油、或这些物质的混合液的有机溶剂。如果使用扩展树脂形成的偏振片8直接浸在冷却液体中，那么偏振片8将溶解。为了避免这一问题，在该实施例中，偏振片8放置在一对玻璃板之间，从而防止偏振片8直接与冷却液体9接触。
而且，用于提高本发明实施例中的亮度的第二种方法是使用如上所述的投影透镜单元，使得入射到透射屏上的p偏振光通量，并减少投影透镜单元的透镜元件和屏幕上的反射损失。结果，透镜元件之间的多次反射减少了，从而也提高了投影图象的对比度特性。另一方面，即使屏幕上的多次反射也可以减少(尤其是菲涅耳透镜的表面上)，从而可以大大提高投影图象的对比度性能。
用于改善亮度的第三种方法是把来自白光光源的白光分成三原色的光通量，如图3所示，并组合二向色镜以便以彼此不同的角度入射这些光通量中的每一个。二向色镜从白光光源La1一侧开始按照MD3、DM2、和DM1的顺序排列，其中MD3用于透射青蓝色(蓝色和绿色)，DM2用于透射黄色(绿色和红色)，DM1用于透射红色。位于图3所示的微透镜阵列MLB的出射光一侧的FL1和位于二向色镜DM1、DM2、和MD3各自出射光一侧的FL2是场镜，用于把来自微透镜阵列MLA和MLB的光通量大致设置成彼此平行。
此时，波长T50％定义为同时考虑亮度和色彩纯度时的最佳值。波长T50％使得每个二向色镜可以具有50％或更高的反射率。白光光源La1是可以从市场上买到的任何一种，诸如超高压汞灯(例如，UHP灯；菲利浦公司制造)，如果它的发光效率优良。然而，由于这种灯是在汞灯的基础上制造的，它在红光波长区域内的辐射能比蓝光波长区域内的辐射能低。因此难以同时满足红色纯度和装置(投影透镜单元)亮度的要求。为了解决这一问题，发明人等通过试验利用辐射能量分布如图23所示的超高压汞灯制造了光学照明系统，并证实在亮度和色彩纯度两方面都满足投影透镜单元的要求，如下所述。滤光片F1设置在超高压汞灯和PBS之间，以便拦截紫外和红外光线。滤光片F1的光谱透过率特性如图24所示。此外，用于该试制中的二向色镜从白光光源一侧开始按照如下顺序设置：二向色镜DM1，用于透射青蓝色(蓝色和绿色)，光谱透过率特性示于图27中；二向色镜DM2，用于透射黄色(绿色和红色)，光谱透过率特性示于图26中；以及二向色镜DM3，用于透射红色，光谱透射率特性示于图25中。每个二向色镜在透过率特性变化显著的部分倾斜，以便DM1、DM2、和DM3的透过率分别为6.4％/nm、6.8％/nm、6.8％/nm或更多。此外，如果波长变成T50％或以上(该值允许每个二向色镜的反射率达到50％或更高)，满足下列条件，从而满足物体投影透镜单元的亮度和色彩纯度要求。在这种情况下，λDM1表示允许透射青蓝色(蓝色和绿色)的二向色镜DM1的透过率变成50％或更高的波长(T50％)，λDM2表示允许透射黄色(绿色和红色)的二向色镜DM2的透过率变成50％或更高的波长(T50％)，而λDM3表示允许透射红色的二向色镜DM3的透过率变成50％或更高的波长(T50％)。
λDM1≥585
λDM2≤520
λDM3≥580
用于提高亮度的第四种方法可以只把预定的偏振光成分增加大约50％，如果白光光源是偏振光，并利用设置在白光光源La1与液晶板7之间的偏振分光镜PBS与其他光组合，如图3所示。此时，因为只输出p偏振光，可以减小一对多透镜阵列MLA和MLB上的反射损失，每个多透镜阵列包括多个透镜元件。图38示出多透镜阵列的实施例。在图38中，标号381是具有基准面的支撑框，所述基准面用于允许把多透镜阵列精确地固定到光学系统壳体上。382表示微透镜阵列的透镜元件。
如果p偏振光进入微透镜阵列，每个面的反射率可以比s偏振光入射时减少大约3％还多。而且，二向色镜DM1、DM2、和DM3光学上垂直于偏振分光镜PBS设置，以便获得s偏振光成分。因此，因为光路中反射镜的反射率提高了，从而提高了亮度。
而且，用于提高亮度的第五种方法是当被设置在靠近白光光源La1的第一多透镜阵列MLA上的透镜分离的光通量被对着第二多透镜阵列MLB的透镜扩束时，所述第二多透镜阵列位于液晶板一侧，把来自白光光源的白光按照白光光源的光谱能量分布的强弱顺序分成红、蓝和绿光，然后投影在液晶板7上。结果，第二多透镜阵列MLB与液晶板7之间的光路使得红光通量的光路最短，所以投影倍率减小，而且随着象差引起的离焦误差变小，红色光通量能量强度增加。
另一方面，蓝色光通量的相对可见度低，如图28所示，而且投影透镜单元的蓝色光通量的透过率低。此外，因为滤光片F1设置在光路中以便反射来自白光光源的紫外光，所以蓝光的有效能量降低了。因此为了避免这一问题，在分离红光之后分离彩色光，如图20所示，使得蓝色光通量通过投影透镜单元的入瞳中心，然后通过液晶板的中心TFT孔径，如上所述。因此，能够通过在屏幕上叠加三颜色使得获得的白光的亮度、以及三原色中每一个的亮度最大。
图19示出其中象素设置成列式的实施例，图20示出其中的象素设置成三角形的实施例。
另一方面，紫外光会损坏用于构成投影透镜单元的壳体的合成树脂。为了避免这一问题，建议将壳体设置金属膜31，以便防止壳体与白光直接接触。
而且，用于提高本发明实施例中的对比度性能的第一种方法是投影型图象显示单元。如图5所示，显示单元具有液晶板7和偏振片8(入射光一侧的偏振片没有示出)。冷却液体填充在液晶板7与最靠近液晶板7的透镜元件L1之间的空间内。当温度升高时(达70℃左右)，位于前面的液晶板7和偏振片8受热影响，从而在有些情况下它们的偏振特性降低，对比度性能降低。然而在上述本发明的结构中，液晶板和偏振片两者都被液体(冷却介质)冷却，所以两者能够比用空气冷却方法更有效地冷却。因此，可以防止显示单元的对比度性能由于过高温度损害反射特性而降低，从而能够投影高质量的图象。
而且，如果上述冷却液体对于波长为587.6(nm)的光的折射率为1.2或更高，如表1至3所示，图象光的反射率被降低的更多，从而能够进一步提高对比度性能。
另外，达到同一目的的第二种方法是给投影透镜单元的镜筒设置如下形状的孔径，即使得只通过被液晶板板调制并用于形成图象的光通量，而不通过如上所述不用于形成图象的其他光通量。通过该孔径，不用于形成图象的光通量不到达屏幕，因此更加提高了对比度性能。
另外，达到同一目的的第三种方法是设置如图31至36所示的透射屏，该透射屏具有吸收白光光源La1发射的光谱最强的绿光的滤光特性(灯的辐射能量分布示于图23中，相对灵敏度示于图28至30中)。发明人等制造了具有如图27所示吸收特性的透射屏，并检验对比度性能。发现如果555nm附近的绿光的吸收率提高11％，那么对比度性能提高6％。透射屏分为包括双板的透射屏，例如如图31和32所示的透镜板27b/28b或菲涅耳透镜板27a/28a，和包括三板的透射屏，例如如图33和34所示的透镜板27b/28b、菲涅耳透镜板27a/28a和波长选择滤光片29c/30c。在每个屏幕结构中，把波长选择滤光片设置在最靠近屏幕的观察图象一侧的元件上，能够最有效地提高对比度性能。
在另一实施例中，菲涅耳透镜板28a在图象光通量入射一侧具有菲涅耳透镜，如图35所示(当屏幕的水平方向确定为纵向时，表示为如下形状，即其中双凸透镜的图象光通量入射一侧位于屏幕的垂直方向)，而且作为第一元件的双凸透镜连续设置在屏幕的水平方向。这些双凸透镜中的每个形成为在屏幕的垂直方向上较长。透光狭缝316形成在每个双凸透镜的焦点附近，以便通过图象光通量。此外，在邻近狭缝316之间形成有光吸收层313，以便防止外部光引起对比度性能受损害。如果透镜是椭圆透镜，沿着光轴方向上第一元件的厚度大约为透镜间距的1.5倍。当每个透镜是非球面时，厚度甚至变成大约5倍，以便偏离它的焦点。因此，如果透镜间距变窄，那么厚度也减小，从而透镜的机械强度降低。因此为了避免这一问题，本发明把第一元件粘合在第二元件上(由于成本原因通常使用热塑树脂)。因此，发明人等通过在该第二元件中混合染料或颜料制成吸收特性如图37所示的透射屏，然后检验对比度性能。发现当波长555nm附近的光吸收率提高12％时，对比度性能提高6％。此外，当在第二元件的观察图象一侧镀防反射膜311时，当外部光入射到屏幕上时对比度性能的受损害程度大大降低。图36示出对于图35所示的透射屏具有三个波长选择滤光片321的屏幕结构。
因为使用如上所述的具有波长选择滤光片的透射屏，有效地防止了当外部光入射到屏幕时投影图象的对比度性能受损害。
最后，在本发明的实施例中，用于改善每种颜色的纯度的第一种方法是在光学上垂直于偏振分光镜PBS的位置上设置如上所述的二向色镜DM1、DM2、和DM3，从而能够使得入射到这些二向色镜的光通量成为s偏振光。
而且，因为二向色镜从白光光源一侧开始按照如下顺序设置：二向色镜DM1，用于透射青蓝色(蓝色和绿色)，光谱透过率特性示于图27中；二向色镜DM2，用于透射黄色(绿色和红色)，光谱透过率特性示于图26中；以及二向色镜DM3，用于透射红色，光谱透射率特性示于图25中。每个二向色镜在透过率特性变化显著的部分倾斜，以便对于DM1为6.4％/nm、对于DM2为6.8％/nm、和对于DM3为6.8％/nm或更多。每个二向色镜在光谱透过率特性升高的部分显著地倾斜，从而改善了色彩纯度。
而且，因为二向色镜彼此离得很近，如图21所示，用于透射青蓝色(蓝色和绿色)的二向色镜DM1在短波区域(560nm及以下的波长区域)的透射率降低大约2％，该二向色镜DM1光谱透过率特性示于图27中，那么红光成分以及绿光和蓝光成分在DM1上反射，并且这些颜色被混合，从而色彩纯度降低了。而且，如图21所示的反射光D和E也在DM2上产生，从而透射率降低了。因此，反射光进入正常TFT孔径以外的其他部分，如图22所示，从而色彩纯度降低了。
在发明人等所进行的试验中，发现如果透过率降低大约1％，实际中不会产生什么问题，但是如果把透过率的降低压缩在0.5％以内，将获得更好的色彩纯度。
而且，按照第二种方法，被设置在第一多透镜阵列上的各个透镜分离的光通量被对着第二多透镜阵列的透镜扩展并投影在液晶板上，如图4所示，其中第一多透镜阵列靠近白光光源La1，第二多透镜阵列位于液晶板一侧。此时，根据白光光源La1(灯的辐射能量分布示于图23中，相对灵敏度示于图28至30中))的光谱能量分布的强弱顺序把光通量分成红、蓝和绿光。结果，因为在第二多透镜阵列MLB与液晶板7之间红光通量的光路最短，所以红色光通量的投影倍率减小，从而红色光通量能量强度增加，并提高了色彩纯度。而且，如图22所示，当红色光通量进入液晶板的微透镜阵列时，红色光通量不靠近绿色光通量(DM3上反射的光)，在同一微透镜阵列208上，所述绿光的相对灵敏度最高而且光源辐射光谱最强，部分红色光通量在微透镜之间的接缝上散射并不与红色光通量混合(DM1上反射的光)，所述红光的光源辐射光谱最弱。因此，颜色纯度提高了。
而且，分离的光通量不进入对着第二多透镜阵列MLB的透镜，所述第二多透镜阵列MLB位于液晶板一侧，这是由于设置在靠近白光光源的第一微透镜阵列上的透镜之间的每个接缝的表面精度误差，如图4所示，而且这些光通量中有一些进入邻近的透镜。(参见图4)结果，每个扩展的光通量不是以直角进入液晶板，导致色彩混合。此时，这些光通量以不同的角度进入二向色镜，从而导致波长偏移和损害每种颜色的纯度。因此为了避免这一问题，使用了第三种方法。根据该第三种方法，投影光学单元的侧面以及上下表面设置有锯齿41a、41b、44a和44b，或者是凸凹或者是粗糙的，以便降低每个表面上的反射率，以便即使非正常的光入射到投影光学单元的侧面上、以及上下表面上，它的能量也被降低了。此外，光路本身上设置有孔径光阑42a、42b、43a、43b、45a、和45b，以便遮挡其中的非正常的光和吸收不需要的光通量，从而减少入射到二向色镜的非正常光和减小每种颜色的纯度损害。
而且，利用第五种方法以便提供具有吸收绿光的滤光特性的透射屏，所述绿光由白光光源发射并且光谱最强。因此，混合在红光和蓝光中的绿光减少，从而提高了其他颜色光中每一种的色彩纯度。实际上，通过试验，在结构如图35所示的透射屏的第二元件中混合颜料，制成吸收特性如图37所示的透射屏，并检验每种颜色的纯度是否提高了。然后发现当波长555nm附近的光吸收率提高12％时，混合在红颜色中的绿光的能量降低了，而且红光的色度从(x＝0.565，y＝0.365)改善为(x＝0.581，y＝0.371)。
因此根据本发明，可以实现以下效果。(1)因为公开了包括三透镜组的投影透镜单元，该投影透镜单元从屏幕一侧开始依次是具有负光焦度的第一透镜组、具有正光焦度的第二透镜组、以及具有负光焦度的第三透镜组，因此即使在象角宽几乎达90°时能够获得平面图象，而且在每个角上把这些图象满意地聚焦。(2)因为各自具有负光焦度的第一和第三透镜组对称设置在具有正光焦度的第二透镜组的两边，因此即使在象角宽几乎达90°时，也能够把投影图象的畸变抑制在1％或以下。(3)因为第三透镜组包括非球面透镜，该透镜分别在光轴附近具有负光焦度，而在边缘具有正光焦度，因此第二和第三透镜组中的每个透镜的直径减小了。此外，可以减小每种光通量的直径，从而可以减小表观物高，并能够容易地校正每种象差。(4)本发明的投影透镜单元构成为采用远心结构，以便即使在象角宽几乎达90°时在边缘部分有足够的光量。(5)如果这些透镜中每个透镜的厚度一致，那么投影透镜单元的透镜可以是塑料非球面透镜。因此，这些塑料非球面透镜设置并组合以便抵消它的局部形状变化引起的光焦度变化，所述形状变化是由于温度和湿度变化引起的，从而减小了由于温度变化和吸湿性引起的形状和折射率变化而导致的聚焦性能的降低。(6)在投影透镜单元中，折射率为1.2或更高的冷却介质填充在每个透镜和液晶板之间，以便把它们光学耦合，从而降低了图象光的反射损失，并防止图象光的反射损害对比度性能。(7)因为冷却液体填充在液晶板和每个透镜之间，从而冷却液晶板和偏振片，可以防止液晶板和偏振片温度升高。此外，使用这种投影透镜单元使得能够在屏幕的任何部分获得明亮而且高度聚焦的图象，从而提供了小型背投影型显示单元。此外，如果背投影型显示单元具有单板投影型光学单元，可以取得如下效果。(1)聚焦性能提高了。(2)对比度性能提高了。(3)能够同时满足色彩纯度和亮度要求。

Claims (23)

1.一种光学投影装置，包括
光学照明系统，具有偏振分光镜，用于把来自白光光源的白光光通量变成偏振光并与其他光通量组合，从而取出预定的偏振光；包括多个透镜元件的多透镜阵列；以及照射装置，用于把所述白光光通量分成红、绿、和蓝三原色光通量并把三种颜色光通量中的每一种以彼此不同的角度照射在一个而且是同一个显示元件上；以及
投影装置，用于投影被所述显示元件调制的所述三原色光通量；其中
所述光学照明系统和所述投影装置设置在所述白光光源和所述显示元件之间。
2.根据权利要求1所述的光学投影装置，其中
来自所述白光光源的所述白光被按照红、蓝、和绿的顺序分成三原色。
3.根据权利要求1或2所述的光学投影装置，其中
把用于透射来自所述白光光源的青蓝色(蓝色和绿色)的二向色镜DM1、用于透射黄色(绿色和红色)的DM2、和用于透射红色的DM3用作所述的照射装置，用于把来自所述白光光源的所述白光按照红、蓝、和绿的顺序分成三原色光通量并把三种颜色光通量中的每一种以彼此不同的角度照射在一个而且是同一个显示元件上，所述DM1、DM2、和DM3顺序排列使得所述二向色镜中每一个的波长满足下面的相应条件，以便确保反射率为50％或更高，
λDM1≥585
λDM2≤520
λDM3≥580。
4.一种光学投影装置，包括
光学照明系统，具有偏振分光镜，用于把来自所述白光光源的所述白光光通量变成偏振光并与其他光通量组合，从而取出预定的偏振光；包括多个透镜元件的多透镜阵列；以及照射装置，用于把所述白光光通量分成红、绿、和蓝三原色光通量并把三种颜色光通量中的每一种以彼此不同的角度照射在一个而且是同一个显示元件上；以及
投影透镜单元，用作投影被所述显示元件调制的所述三原色光通量的装置；其中
所述光学照明系统和所述投影透镜单元设置在所述白光光源和所述显示元件之间；
当通过所述投影透镜单元的入瞳时，被所述显示元件调制的红、蓝、和绿色光通量被沿着所述显示元件的屏幕的水平方向分开。
5.根据权利要求4所述的光学投影装置，其中
当被所述显示元件调制并沿着所述显示元件的屏幕的水平方向分开的红、蓝、和绿色光通量通过所述投影透镜单元的所述入瞳时，所述蓝色光通量通过所述入瞳的中心。
6.一种光学投影装置，包括
光学照明系统，具有照射装置，用于把来自所述白光光源的所述白光光通量分成红、绿、和蓝三原色光通量并把三种颜色光通量中的每一种照射在显示元件上；以及
用作投影装置的投影透镜单元，用于利用所述显示元件调制所述三原色光通量并投影所述红、蓝、和绿色光通量；其中
所述光学照明系统和所述投影透镜单元设置在所述白光光源和所述显示元件之间；以及
所述投影透镜单元允许所述红色光通量产生的象差的符号与所述蓝色光通量产生的象差的符号不同，而且每种光通量产生的象差的符号与所述投影透镜单元产生的倍率色差的符号不同。
7.一种光学投影装置，包括
光学照明系统，具有偏振分光镜，用于把来自所述白光光源的所述白光光通量变成偏振光并与其他光通量组合，从而取出预定的偏振光；包括多个透镜元件的多透镜阵列；以及照射装置，用于把所述白光光通量分成红、绿、和蓝三原色光通量并把三种颜色光通量中的每一种以彼此不同的角度照射在一个而且是同一个显示元件上；以及
由多个透镜元件构成的投影透镜单元，用作投影被所述显示元件调制的所述三原色光通量的投影装置；其中
所述光学照明系统和所述投影透镜单元设置在所述白光光源和所述显示元件之间；
所述显示元件是与偏振片结合的液晶板；以及
冷却液体填充在形成于所述液晶板和多个所述透镜元件之一之间的空间内，所述透镜元件之一最靠近所述液晶板。
8.根据权利要求6或7所述的光学投影装置，其中
所述投影透镜单元具有第一透镜组，整体具有负光焦度；第二透镜组，整体具有正光焦度；和第三透镜组，整体具有负光焦度，而且包括至少一个在它的包含光轴的中心部分具有负光焦度而在它的边缘部分具有正光焦度的透镜元件；所述第一至第三透镜组从所述屏幕一侧按照顺序排列。
9.根据权利要求8所述的光学投影装置，其中
所述投影透镜单元具有从所述屏幕一侧按照顺序排列的所述第一、第二和第三透镜组；
所述第一透镜组整体具有负光焦度，并包括至少一个凸面对着所述屏幕的弯月透镜元件；
所述第二透镜组整体具有正光焦度，并包括至少一个这样的透镜元件，该透镜元件通过胶合具有第一阿贝数的双凸透镜元件和阿贝数小于所述第一阿贝数的双凹透镜元件获得，以便具有负的组合光焦度；以及
所述第三透镜组整体具有负光焦度，而且包括至少一个在它的包含光轴的中心部分具有负光焦度而在它的边缘部分具有正光焦度的透镜元件。
10.根据权利要求7所述的光学投影装置，其中
所述偏振片设置在形成于所述液晶板与所述投影透镜单元的一个所述透镜元件之间的空间内，所述一个透镜元件最靠近所述液晶板并被所述冷却液体冷却。
11.一种光学投影装置，包括
光学照明系统，用于把来自所述白光光源的所述白光光通量分成红、绿、和蓝三原色光通量并把三原色光通量照射在所述显示元件上；以及
投影透镜单元，用作投影被所述显示元件调制的所述红、绿、和蓝三原色光通量的投影装置；其中
所述光学照明系统和所述投影透镜单元设置在所述白光光源和所述显示元件之间；
所述投影透镜单元包括多个透镜元件和两种或多种类型的镜筒，以便根据放大图象的倍率改变特定透镜元件的间距；以及
每个所述镜筒具有孔径，用于通过被所述显示元件调制并用于形成预定图象的光通量，和通过吸收而挡住不用于形成所述预定图象的其他光通量。
12.根据权利要求11所述的光学投影装置，其中
所述镜筒的所述孔径不形成为圆形。
13.根据权利要求11所述的光学投影装置，其中
所述镜筒的所述孔径形成为几乎与所述显示元件的屏幕显示区域形状相似。
14.一种光学投影装置，包括
光学照明系统，具有偏振分光镜，用于把来自所述白光光源的所述白光光通量变成偏振光并与其他光通量组合，并只取出p偏振光；包括多个透镜元件的多透镜阵列；和用作如下装置的二向色镜，即把所述白光光通量分成红、绿、和蓝三原色光通量并把三原色光通量中的每一种以彼此不同的角度照射在一个而且是同一个显示元件上，使得所述二向色镜设置成使得所述p偏振光成分偏转成s偏振光，所述显示元件在它的光输出端具有1/2波片，而且被所述显示元件调制的光通量又变成p偏振光；以及
投影透镜单元，用作把被所述显示元件调制的所述红、绿、和蓝三原色光通量投影在屏幕上的投影装置；其中
所述光学照明系统和所述投影透镜单元设置在所述白光光源和所述显示元件之间。
15.一种透射屏，用于利用所述光学照明系统在所述屏幕上放大和投影图象的投影型图象显示单元，所述光学照明系统具有如下装置，即用于把来自所述白光光源的所述白光光通量分成红、绿、和蓝三原色光通量并把三原色光通量中的每一种以彼此不同的角度照射在所述显示元件上的装置，所述投影透镜单元用作投影被所述显示元件调制的所述红、绿、和蓝三原色光通量的投影装置；其中
所述光学照明系统和所述投影透镜单元设置在所述白光光源和所述显示元件之间；
所述透射屏由多个板构成；
所述透射屏的第一个板是具有至少一个菲涅耳透镜面的菲涅耳透镜板；
第二个板是包括多个第一透镜和多个第二透镜的透镜板，各第一透镜分别形成使得位于图象显示单元一侧的透镜面的形状在所述屏幕的垂直方向上较长，而且多个第二透镜连续设置在所述屏幕的水平方向上以便几乎对着所述第一透镜并分别形成使得在观察图象一侧的透镜面形状在所述屏幕的垂直方向上较长；以及
第三个板具有吸收所述白光光源发射的光谱最强的颜色光的滤光特性。
16.一种透射屏，用于利用所述光学照明系统在所述投影型屏幕上放大和投影图象的投影型图象显示单元，所述光学照明系统具有如下装置，即用于把来自所述白光光源的所述白光光通量分成红、绿、和蓝三原色光通量并把这些颜色光通量中的每一种照射在所述显示元件上的装置，所述投影透镜单元用作投影被所述显示元件调制的所述红、绿、和蓝三原色光通量的投影装置；其中
所述光学照明系统和所述投影透镜单元设置在所述白光光源和所述显示元件之间；
所述透射屏由多个板构成；
所述第一个板是具有至少一个菲涅耳透镜面的菲涅耳透镜板；
第二个板包括多个元件，而且第一元件包括多个各自形成的第一透镜，使得位于图象显示单元一侧的透镜面的形状在所述屏幕的垂直方向上较长，并连续设置在所述屏幕的水平方向上，而且孔径形成在每个所述第一透镜的屏幕观察一侧的焦点附近，而且光吸收层形成在邻近孔径之间的每个边界上，并粘合和粘结在所述第二元件上。
17.根据权利要求16所述的透射屏，其中
所述第一元件具有吸收所述白光光源发射的光谱最强的颜色光的滤光特性。
18.根据权利要求16所述的透射屏，其中
所述第二元件具有吸收所述白光光源发射的光谱最强的颜色光的滤光特性。
19.一种透射屏，用于利用所述光学照明系统在所述投影型屏幕上放大和投影图象的投影型图象显示单元，所述光学照明系统具有如下装置，即用于把来自所述白光光源的所述白光光通量分成红、绿、和蓝三原色光通量并把这些颜色光通量中的每一种照射在显示元件上的装置，所述投影透镜单元用作投影被所述显示元件调制的所述红、绿、和蓝三原色光通量的投影装置；其中
所述光学照明系统和所述投影透镜单元设置在所述白光光源和所述显示元件之间；
所述透射屏由多个板构成；
第一个板是具有至少一个菲涅耳透镜面的菲涅耳透镜板；
第二个板包括多个元件，而且第一元件包括多个各自形成的第一透镜，使得位于图象显示单元一侧的透镜面的形状在所述屏幕的垂直方向上较长，并连续设置在所述屏幕的水平方向上，而且孔径形成在每个所述第一透镜的屏幕观察一侧的焦点附近，而且光吸收层形成在邻近孔径之间的每个边界上，并粘合和粘结所述在第二元件上；以及
第三个板具有吸收所述白光光源发射的光谱最强的颜色光的滤光特性。
20.一种投影型图象显示装置，其中使用根据权利要求1-14中任何一项所述的投影光学单元。
21.一种投影型图象显示装置，其中使用根据权利要求15-19中任何一项所述的透射屏。
22.一种投影型图象显示装置，包括
分光元件，用于根据所述白光光通量的传播方向分离来自所述白光光源的所述白光光通量，并按照红光、蓝光、和绿光的顺序通过所述偏振分光镜和所述微透镜阵列，而且把这些分开的彩色光出射到所述液晶板的光入射面一侧。
23.根据权利要求22所述的投影型图象显示装置，其中所述分光元件包括：
第一二向色镜，用于透射青蓝色(蓝色和绿色)光；
第二二向色镜，用于透射黄色(绿色和红色)光；和
第三二向色镜，用于透射红色，所述第一至第三二向色镜根据所述白光光通量的传播方向排列。
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