CN1340727A - 用于投影型显示器的照明装置和投影型显示设备 - Google Patents

Abstract

所述照明装置具有简单结构和较小尺寸,可以获得充分的照明光量,并且可以改进照明性能,具有高度可靠性和较高性能以及较低成本。万花筒(33)设置成使得其中心轴基本对应于灯泡的光轴。万花筒包括在其后侧的漫反射表面(31),激光束从万花筒(33)的开口部照射在漫反射表面(31)上,从而采用来自漫反射表面(31)的反射光作为照明光源。

Description

用于投影型显示器的照明装置和投影型显示设备

                      发明背景

本发明涉及一种有效采用万花筒的用于投影型显示器的照明装置和投影型显示设备。

采用放电灯例如汞灯、金属卤化物灯、或氙灯作为投影型显示器的光源是一个传统取向。

然而，基于灯的光源含有许多不必要的光学成份，通过投影型显示器中的光学滤波器例如UV滤波器、IR滤波器、二向色反射镜等加以阻断，其中该投影型显示器一般采用基于三基色的光学驱动。因此，此中包含了不仅导致成本增加而且由于杂散光和发热而引起各种缺陷的因素。

光学半导体元件例如LED等可以用作新的光源选择，用以替代上述那些光源。例如，InGaAlP(红色)LED1元件具有标准为大约2V的正向电压，通常工作在20mA，其光源的电功率仅为0.04W。因而显然投影型显示器光源需要大量的光源。另外，这些半导体元件具有大的光束发散角、高折射系数和低的空气透射率的缺点。为了克服这些缺点，有可能考虑在照射表面的相对一侧应当设置一个反射器，并且应当将灯元件表面涂覆以透镜状的树脂材料，以提高其定向性和光输出效率，可见于一般的单个LED灯结构中。

然而，在此结构中，在设有大量单个LED灯的情况下，光源的形状具有较大的尺寸，因而系统增大了许多并且成本增加。另外，例如在采用液晶作为灯泡的情况下，照明角变得太大以致于包括对比度等在内的图象质量由于视场的影响而降低。因而引致很多缺陷，例如，难以构造含有投影透镜部件的实现高效率聚光的光学系统。

如上所述，传统投影型显示器具有大尺寸的光源。部件的数量增加，使其结构复杂化。另一个问题在于当采用LED时其光通量不足。

                        发明概要

因而，本发明的目的在于提供一种用于投影型显示器的照明装置和一种显示设备，它们都具有简单的结构和较小的尺寸，并且可以获得充分的照明光量。

本发明的另一个目的在于提供一种用于投影型显示器的照明装置，具有改进的照明性能和较高的可靠性。

本发明的再一个目的在于提供一种用于投影型显示器的照明装置，具有较高的性能和较低的成本。

为了实现上述目的，根据本发明的一种照明装置包括：万花筒，具有一个照射表面，与一灯泡相对并且位于该灯泡的光入射部分一侧，使得该照射表面的中心轴基本对应于所述灯泡的光轴；一个漫反射表面，设置在离开照射表面一间隔处；和反射镜，用于围绕照射表面与漫反射表面之间的空间，其中万花筒在沿中心轴方向任意位置处具有大于漫反射表面的截面区域；以及光源，具有用于将光束导引向万花筒中漫反射表面的光导装置。

根据本发明的一种投影型显示设备，包括：灯泡；万花筒，具有一个照射表面，与所述灯泡相对并且位于该灯泡的光入射部分一侧，使得照射表面的中心轴基本对应于所述灯泡的光轴；一个漫反射表面，设置在离开照射表面一间隔处；和反射镜，用于围绕照射表面与漫反射表面之间的空间，其中万花筒在沿中心轴方向任意位置处具有大于漫反射表面的截面区域；和光导装置，用于将激光束照射向万花筒中的漫反射表面。

在本发明中，漫反射表面与光导装置的光出射部之间的距离Ls由一函数表达，该函数采用至少a作为漫反射表面的反射面积，b作为依赖于照射表面的灯泡照明设定范围的面积，d作为从漫反射表面至照射表面的距离，以及Δθ作为在将光导装置插入万花筒中的插入位置处光导装置的插入角。

另外，在本发明中，漫反射表面形成为具有曲率的凸面形状。

另外，在本发明中，漫反射表面形成为具有曲率的凸面形状，并且漫反射表面与光导装置的光出射部之间的距离Ls由一函数表达，该函数采用至少a作为漫反射表面的反射面积，b作为依赖于照射表面的灯泡照明设定范围的面积，d作为从漫反射表面至照射表面的距离，以及Δθ作为在将光导装置插入万花筒中的插入位置处光导装置的插入角。

本发明的其它目的和优点将在下面的说明中给出，部分可由该说明清楚了解，或者可以通过本发明的应用来认知。本发明的目的和优点可以通过下面特别给出的手段及其组合来实现和达到。

附图的简要说明

所附图面，被引入本说明书并且构成本说明书的一个部分，显示了本发明的当前实施例，并且与上述一般说明以及下述详细说明一起，用于说明本发明的原理。

图1为表示一例根据本发明的投影型显示设备的结构示意图；

图2为感应发射光源的结构例的示意图；

图3A和3B为能级和相应能级处功率密度分布的示意图，用于说明感应发射光源的原理；

图4为能级示意图，用于说明感应发射光源的另一原理；

图5表示能够获得激光发射的半导体晶片的基本结构；

图6A至6C表示各采用感应发射光源构造的红色、绿色和蓝色光源的简化结构；

图7A表示根据本发明的万花筒的基本原理，图7B表示万花筒的一例反射表面；

图8为构成本发明照明装置的万花筒的基本原理示意图；

图9A至9C用于说明可看作球体的镜象球面的存在以及保持高会聚度光耦合的范围，其中光源侧从万花筒中的观看点P进行观看；

图10表示本发明基本实施例的基本结构；

图11表示本发明另一个实施例的基本结构；

图12表示本发明再一个实施例的基本结构；

图13用于说明在由万花筒获得的多角反射镜图象中出现的阴影问题；

图14A至14C为曲线示意图，用于说明在任意照明条件下在包含光轴的任意截面中(万花筒内垂直于光轴方向的截面)由上述阴影造成的影响；

图15表示本发明的另一实施例，其中作为光导装置的光纤的安装位置进行了调整；

图16表示本发明的另一实施例，其中光纤在万花筒上的安装方法也进行了调整；

图17为本发明另一实施例的示意图；

图18A至18C表示本发明的另一实施例；

图19表示本发明另一实施例的基本结构；

图20表示图19中所示实施例的一例设计条件的示意图；

图21也表示本发明的一例设计条件；

图22也表示本发明的一例设计条件；

图23表示根据本发明的投影型显示设备的一个基本结构例；

图24A至24D为一例激光发射装置驱动的示意图和一例空间调制元件驱动的示意图；以及

图25表示图23所示装置中加上万花筒、DMD(空间调制元件)和投影透镜部件的状态。

                    发明的详细描述

下面将参照附图说明本发明的实施例。

图1表示应用本发明的投影型显示设备的简化整体结构。标记100表示投影透镜部件，RGB合成(红绿蓝)图象光从大致外观为立方体形状的合成棱镜101的发射表面进入其中。

在合成棱镜101的侧表面101R一侧，设有一个与该侧表面平行的灯泡201R。对灯泡201R提供以对应于红色的视频信号作为显示颜色。照明光束通过设在万花筒204R开口部(照射表面)的会聚透镜203R照射在灯泡201R上。在万花筒204R的另一端设有漫反射表面205R。来自激光源206R的激光束通过光导装置(例如光纤或光缆)被内部导引至万花筒204R。从光导装置206R一端发出的光束照射在漫反射表面205R上。后面将说明该部分的具体结构和各种条件。

在合成棱镜101的侧表面101G一侧，设有一个与该侧表面平行的灯泡201G。通过来自万花筒204G的光束对灯泡201G进行照明，其中万花筒204G与上述万花筒204R具有相同的结构。相应地，用以指示灯泡201R一侧部件的相同标记也用以指示灯泡201G一侧的部件，其详细说明自此省略。上述合成棱镜101的侧表面101B设有与上述灯泡类似的灯泡201B、会聚透镜203B、万花筒204B等等。因此，用以指示灯泡201R一侧部件的相同标记也用以指示灯泡201B一侧的部件，其详细说明自此省略。

灯泡201R、201G和201B为透射型液晶显示元件。而且，漫反射表面205R、205G和205B为具有完全漫射特性或紧密漫射特性的反射表面。在各漫反射表面205R、205G和205B的后侧可以附着有散热片。

在本发明中，当然可以采用LED作为上述光源。在此情况下，用LED发光基板来替代漫反射表面部分。

图2表示激光源(感应发射光源)206R、206G和206B之中206B的结构例。就成本来看，考虑到生产效率、输出功率、空间因素、和批量生产优势，半导体激光器适用于作为激光源206B。

首先，参照附图说明对于由光导装置所导引激光束的激光源的基本原理。

图3A表示能级和发光跃迁，以说明感应发射光源的工作原理。在图3B中，纵坐标表示在相应能级的Tm³⁺离子的分布密度，横坐标表示光功率P(W)。

首先说明引起注意的几个点。考虑图3B，随着光功率的增加在能级7与1之间出现一个交点。接着能级7的分布密度超过光功率的分布密度并引起反转。这说明480nm的CW输出是可能的。也就是说，图3A中所示的发光跃迁可以继续。

然而，即使光功率增加，能级8的分布密度也不会超过能级2的分布密度，所以不能获得450nm的CW输出。其主要原因为停留在能级2的电子的寿命长达6ms，而停留在能级8的电子的寿命短至55μs。

显示光源需要用于红色的610nm至630nm波长，用于绿色的510nm至530nm波长，和用于蓝色的460 nm至470nm波长，以及W(瓦特)级以上的输出。对于红色和绿色，其波长多少具有一定的容许宽度。然而对于蓝色，其波长是非常苛刻的。如果蓝色波长偏移至短波长一侧，则光束变紫。特别地，如果波长偏移至长波长一侧，则颜色再现范围变得非常窄。

尽管已知基于氮化镓的激光二极管用作发射具有蓝色波长光束的激光器，但是由于其输出和可靠性方面的原因，目前难于采用该激光二极管用于显示目的。

然而，铥(TM)可以同时输出450nm和480nm的光束，因而可以用作大致相当于显示所用460nm至470nm光束的光源。

同时，自然需要CW(连续波)以应用于显示。尽管从Tm的物理特性可以获得对于480nm输出的CW，但是由于上述能级8与2之间的关系，使得对于450nm难以获得CW输出。

考虑图3B中功率非常高的状态，例如接近2W的区域。此时，能级7的分布密度大于能级1的分布密度，因而存在反转分布状态。当能级7为43mW以上时，即处于反转分布状态。

假定此时在图3A的能级7与1之间强制进行感应发射(箭头106所指的发光跃迁)。通过从能级7到能级1进行感应发射(箭头106所指的发光跃迁)，发出了具有480nm波长的光束。由于此效应，能级7的分布密度降低，底部能级1的分布密度升高。

由于假定了由波长650nm的激励光进行了充分激励，所以随着能级7分布密度的降低，对激励光的吸收变得更好，从而有效实现了从能级2到能级7的吸收跃迁(箭头105)，因而能级2的分布密度降低。

另外，随着能级1分布密度的降低，吸收激励光从而实现从能级1到能级5和6的吸收反转(箭头101)。然而，由于能级5和6具有较短的寿命，所以随机发生到能级4的无发射跃迁(箭头102)，从而分布密度增加。

当能级4的电子分布密度增加并且能级2的电子分布密度降低时，完成从能级4到能级8进而到能级2的跃迁路径。

也就是说，在由波长650nm的激励光实现充分激励的状态下，进一步吸收激励光从而实现从能级4到能级8的吸收跃迁(箭头108)，因而能级8的分布密度增加。

通过上述过程，出现了能级2分布密度降低与能级8分布密度增加之间的关系，能级8的分布密度超过了能级2的分布密度，从而实现了这两个能级之间的反转分布。通过实现此状态，波长450nm的辐射由从能级8到能级2的跃迁(箭头104)实现。

由于该450nm波长的辐射增加了能级2的分布密度，所以如果该系统达到均衡态则能级2的分布密度稳定在系统均衡时的值。

特别地，此时，其它能级的分布密度都各自稳定在一定的均衡态。

也就是说，对Tm³⁺离子提供以充分的激励光密度，并充分感应和发射具有480nm波长的辐射光，从而有效进行从能级2到能级7的吸收跃迁(箭头105)。以此方式，结果减小了能级2的分布密度并增加了能级8的分布密度。

其结果是，可以同时获得具有480nm波长的辐射光和从能级8到能级2的感应发射(箭头104所指的发光跃迁)。

基于上述原理，下面参照图2详细说明实施例1的具体结构。在图2中，标记301表示激励光源装置，由激光二极管晶片(或SLD(超级荧光二极管，Super-Luminescent Diode))构造而成，其输出激励光靠近650nm的中心波长。标记302表示驱动装置，用于驱动激励光源装置301，由电源/电路系统构造而成。

标记305表示光纤，由具有低声子能量的材料例如氟化物制成。将Tm³⁺离子加入光纤的芯部。标记303表示耦合元件，由用于连接激励光源301与光纤305的波导通路构造而成。标记304表示反射镜，由一个用于反射从激励光源装置301一端发出的激励光的光学部件构造而成。例如，它由形成在激励光源装置301一端的介电材料制成的多层膜构成，对于波长接近650nm的激励光具有99％以上的高反射系数。标记308表示制作在光纤305中的光纤梯阶(反射镜)，制作成具有一个梯阶使得对于靠近650nm激励波长的光束具有99％以上的高反射系数。也就是说，该梯阶是一个通过局部改变光纤使得其反射系数根据波长周期性变化而制成的反射镜。标记306和307也是反射镜，其通带范围通过沿长度方向逐步改变梯阶周期得以增宽，从而既反射波长450nm的光束也反射波长480nm的光束。

另外，反射镜306构造成对于波长450nm和480nm的光束具有99％以上的反射系数，反射镜307构造成对于这些波长具有不同的局部反射系数。

标记309为插入在光纤中的偏振元件，例如通过将由光学部件制成的偏振器插入设在光纤305的狭缝中构造而成。

下面，参照图2说明其操作。

首先，从激励光源装置301的两端发出激励光。从激励光源装置301后端表面发出的激励光由反射镜304加以反射，再次通过激励光源装置301，因而得以放大。从其前端表面发出的激励光通过耦合元件303进入光纤305。该激励光由反射镜308加以反射，再次进入并通过激励光源装置301，因而得以放大。也就是说，对于激励光(650nm)，在反射镜304与308之间构成谐振器，由于该谐振器结构，使得可以在光纤305中保持高的激励光密度。该激励光由加入在光纤305中的Tm³⁺离子所吸收。

与上述原理类似，通过使激励光的光密度非常高，可以发出具有450nm和480nm波长的光束。因此，对于具有450nm和480nm波长的辐射光束，由反射镜306(高反射)与反射镜307(部分反射)构成谐振器。另外，通过插入在光纤305中的偏振元件309，产生对于沿特定方向偏振具有高Q值的谐振器。具有这些波长的光束对于其偏振被强烈激励。在谐振器内被重复反射和放大的光束，保持了较高的激励光密度，产生激光振荡。这些光束部分由于部分反射而通过反射镜307，同时作为具有450nm和480nm波长的光束输出。

如上所述，由谐振器进行光纤内的能量控制。分别对多个波长构造谐振器。具有激励所必需波长的光束被封闭在光纤中，具有需要波长的光束被提取出来。也就是说，在该实施例中，第一谐振器用于具有650nm波长的光束，第二谐振器用于具有450nm和480nm波长的光束。然后提取出具有450nm和480nm波长的光束。

一个后面将要说明的实施例可以阐明用于能量控制的各种变型装置。

在上述实施例中，光纤305中的反射镜并不限于本实施例中所述的位置。如果反射镜307和308的位置互相替换显然也可以获得相同的操作和作用。

偏振器309的位置并不限于本发明中所述的位置，只要其位于由反射镜306和307所构成的谐振器中即可。

尽管反射镜307对于450nm和480nm的光束都进行部分反射，但是也可以通过将具有窄带范围的反射镜分成两个对于具有450nm和480nm波长的光束分别具有部分反射系数的反射镜来构造该反射镜。

激励光源装置301可以是能够以较高光密度谐振的光源。例如，可以采用半导体激光器。在此情况下，无需反射镜304。

光纤305中的各反射镜都可以是由多层膜制成的具有窄带范围的反射镜。

另外，可以采用具有非对称截面形状的芯部的偏振保持光纤作为光纤305。

偏振元件309并非本发明的关键元件，因而在输出光不需要恒定偏振的情况下可以加以省略。这也适用于下述的实施例。

已有关于上变频(up-conversion)激光器的报导，当采用具有靠近645nm的645nm波长的激励光对Ho³⁺离子进行激励时，能够获得545nm的输出。通过采用加入Ho³⁺离子替代Tm³⁺离子的光纤305，采用发出具有靠近645nm波长的光束的光源装置替代光源装置301，并且将反射镜308的反射中心波长设定在靠近645nm，将反射镜306和307的反射中心波长设定在靠近545nm，采用与上述实施例中相同的结构，可以构造出具有高效率的绿色上变频光纤激光装置。

也有报导当采用波长靠近970nm或800nm的光束对Er³⁺离子进行激励时，能够获得波长545nm的光输出。在此情况下，通过采用加入Er³⁺离子替代Tm³⁺离子的光纤305，采用发出波长靠近970nm或645nm的激励光的光源装置替代光源装置301，并且将反射镜308的反射中心波长设定在靠近970nm或800nm，将反射镜306和307的反射中心波长设定在靠近545nm，采用与上述实施例中相同的结构，可以构造出具有高效率的绿色上变频光纤激光装置。

用于半导体激光器的材料并不限于上述材料，也可以采用Pr³⁺和Yb³⁺。图4表示其能级。

图5表示能够获得激光发射的半导体晶片的基本结构。该半导体晶片由N电极、N-GaAs(间隙层)、N-Gal-xAlxAs(包覆层)、N-Gal-yAlyAs(活性层)、N-Gal-xAlxAs(包覆层)、N-GaAs(电流封闭层)、P-GaAs基片、P电极和Al电极构造而成。

图6A、6B和6C表示采用上述原理构造的红色光源(630至650nm)、绿色光源(520至560nm)、和蓝色光源(450和480nm)的简化结构。

图7A和7B表示采用根据本发明的万花筒的照明系统的基本原理。

在图7A和7B中，标记31表示漫反射表面(用作表面光源)，标记32表示照射表面。漫反射表面31的外围空间以及照射表面32的外围空间由例如反射镜(导引区)33包围。然而，该空间也可以填充以树脂或者也可以构造成棱镜。

为了简化说明，假定照射表面32为具有任意纵横比的矩形，并且在上述三种颜色的系统中只画出了一个照明光学系统。

漫反射表面31为例如红色LED光源的总体，具有其垂直和水平尺寸小于照射表面32的垂直和水平尺寸的形状。漫反射表面31的有效外端以及漫反射表面32的有效外端由反射镜33a、33b、33c、和33d无间隙地包围。从照射表面32的中央观看部“P”观看，基于漫反射表面31和反射镜33a、33b、33c、和33d的镜象看起来是椭球光源，其半径由照射表面与漫反射表面31之间的尺寸比决定。

也就是说，从漫反射表面31发出的光束到达照射表面32的观看点“P”。如果在漫反射表面31与照射表面32之间保持充分的距离，并且如果投影系统(投影透镜系统)34具有根据光源镜象的最大照明光束的发散角作为其F值，则可以获得具有高效率和均匀性的投影型光学装置。

投影系统(投影透镜)34所达到的F值不必总是覆盖镜象的所有范围。当光源以完全漫射状态发出光束并且反射镜33a、33b、33c、和33d基本不产生反射损耗时可以显著产生该效果(高效率的均匀投影)。

基本上，在上述本发明所用的万花筒33中，漫反射表面31和照射表面32(照射表面或显示表面)设置成使得其中心轴大致互相对应。另外，万花筒具有反射镜33a至33d，围绕由漫反射表面31和照射表面32产生的空间。万花筒在沿其中心轴方向的任意位置上的截面面积大于漫反射表面31。因此，万花筒33由上、下、左、和右反射镜33a、33b、33c、和33d构成。

图8表示构造上述装置的基本理念。为了简化说明，该实施例是基于一种颜色的结构，漫反射表面31和照射表面32设置成关于光轴对称，图中画出了包含光源的二维截面图。

假定漫反射表面31的尺寸为“a”，照射表面32的尺寸为“b”，漫反射表面31与照射表面32之间的距离为“d”。另外，漫反射表面31的端部和照射表面32的端部由反射镜33a、33b、33c、和33d彼此相对地无间隙包围。此时，从照射表面32的中心观看点“P”看去，漫反射表面31和漫反射表面31以及光源镜象35设置在半径为“r”的圆36上，其中半径“r”为从漫反射表面31到反射镜33a与33b的延长线交点“O”处的距离。

如果保持充分的照明距离“d”，可以将镜象35看作圆36(以下称镜象球面)。因此，至观看点“P”的最大照明角为光轴与圆36自点“P”的切线之间的夹角“θ”。若照射表面32至反射镜33a与33b延长线交点的距离为“L，  反射镜33a和33b与光轴的夹角都为“φ”，则有：

r＝d×(a/(b-a))               …(1)

L＝d×b/(b-a)                 …(2)

φ＝tan^-1{(b-a)/(2d)}        …(3)因此，照明角“θ”为：

θ＝sin^-1(r/L)＝sin^-1(a/b)  …(4)因此，该投影系统能够覆盖整个上述照明角的最小F值为：

F＝1/(2sinθ)＝b/(2a)            …(5)

该F值不依赖于照明距离“d”。

因此，如果从任意方向看光源表面的尺寸比与照射表面32的尺寸比彼此相等，也即光源表面与照射表面32彼此类似，则从观看点“P”看去，漫反射表面31及其镜象35看起来为球状。

同时，即使观看点P远离光轴，镜象球面36的中心O也不会改变。因此，通过在万花筒33的发光一侧设置具有焦距L(＝d·b/(b-a))的准直透镜37，可以确保对于投影照明为重要因素的远心状态。

在此方面，如图9A、9B和9C所示，当从观看点P看光源部分31(即漫反射表面31)一侧时，只要存在可看作球体的镜象球面36并且可以保持高度会聚的光学耦合，就可以保持尺寸a与b之间的上述关系而不受中继透镜37、38、39等的影响。也就是说，在保持光会聚效率的情况下，不依赖于中继系统也可以保持光学亮度的恒定性。

在本发明中，上述光源由漫反射表面根据上述基本结构实现。作为其一个例子，提供了一种通过光照射漫反射表面31的装置。用作此装置的可以是沿与照明方向相反的方向输入具有高度定向性的激光束的装置，其中的激光束由作为感应发射光源的半导体激光器产生。通过采用该结构，可以用简单设计条件和普通廉价照明光学部件来获得具有高质量和高效率投影型灯泡的照明光学系统。

图10表示本发明的基本实施例。

也就是说，下面进行说明，图7A、8和9中相同的部件用相同的标记表示。在本发明中，由激光源产生的具有高定向性的光束被引导进入万花筒33中并照射在漫反射表面31上。在此情况下，光束通过图10中箭头41、42和43所指的路径照射。也即，具有高定向性的光束从围绕漫反射表面31的万花筒33开口端输入，例如也从灯泡或照明设定范围b的外部输入。将如此引入的光束进一步通过万花筒33的内表面引导至漫反射表面31，或者直接引导至漫反射表面31并由之反射。

此时，通过漫反射表面31将激光束转换成以激光束的到达位置作为光源的漫射光源。其结果是，当从观看点P观看万花筒33的内部时，在上述镜象球面上可以看到反射光。

下面仅考虑入射激光束(箭头42)说明漫反射表面13和万花筒33的作用。通过箭头42所指路径输入的激光束到达位置44并由其漫射和反射。在该漫射并反射的光束中，部分定向光束到达观看点P。

另外，在漫反射表面31反射的光束中，在主镜象的位置45和46处的部分主要反射光束也到达观看点P。类似地，当从观看点P看万花筒33的次级反射光束时，可以看到好象来自镜象35的位置47和48的反射激光束到达。

现在假定漫反射表面31的反射特性为具有完全漫射特性，并且万花筒33具有非常好的可忽视损耗的反射效率。包含镜象的位置44至48处的光源到达观看点P，具有同等的亮度。因此，通过角度分布将位置44至48的亮度值集中在一起，可以获得类似于光轴上亮度的亮度。也就是说，可以保持远心特性。

对于通过箭头41所指路径并到达漫反射表面31的激光束确保了远心特性，这一点无需说明。类似地，对于在万花筒33内表面上反射并沿箭头43所指路径到达漫反射表面31的激光束也确保了远心特性。这指的是激光束的入射条件是允许的。此种实施例作为照明系统对于采用无偏振控制的DMD(数字微反射镜装置)等作为灯泡的投影型投影仪是有效的。DMD是用于显示器、投影仪等的光学空间光调制器。也即，来自万花筒33的光束照射在DMD上，由之反射的光束投影在屏幕上。

接下来，在采用有偏振控制的灯泡例如液晶等的情况下，如果照明光束是随机偏振的则用偏振片将照明光束转换成只沿一个方向的偏振光。必须用此作为灯泡的照明光。

激光束初始时具有感应发射特性，因此，其偏振光是均匀的。然而，如果激光束多次通过由产生应力的树脂制成的成形产品、镀膜透镜等，其偏振度即会丧失。

对于万花筒，通过多次反射降低了偏振特性。因此，如果用其作为液晶灯泡的照明光，则由于偏振片的作用会损失大约一半光束。此时，光束由偏振片吸收，因而需要对发热进行处理，或者存在功能可靠性方面的问题。另外，由于光束利用效率减小至一半，所以存在亮度以及亮度与功率之比方面的缺点。

为了解决这些问题，本发明可进一步采用如下结构。

图11表示本发明的另一个实施例。该光学系统的结构位置在采用该实施例作为万花筒33与灯泡的光入射表面之间的光中继装置时是有用的。

透镜51相当于多个蝇眼透镜之中的一个蝇眼。当具有远心特性和任意漫射角的光束进入透镜51时，光束被会聚在设于透镜51焦点位置处的中继透镜54的光轴上。偏振反射镜53透过p偏振成份并反射s偏振成份。

现在假定从万花筒入射至透镜51的光束52具有最大漫射角，由透镜51和54获得。此时，该最大漫射光束包含在大致等于区域a的区域之内平行于光轴直接传播的成份。也即，光束厚度得以保持并中继至透镜55(会聚透镜)。透镜55位于离开透镜54的焦距的位置。

接下来，以相对于光轴成45度的夹角设置偏振反射镜53。因此，s偏振成份被反射至与透镜51的光轴成90度的方向。在s偏振成份的前进传播方向设有中继透镜56。该透镜56设在透镜51的焦距位置，其关系类似于透镜51与54之间的关系。通过该透镜56的光束由偏振反射镜57加以反射。偏振反射镜57设置成与透镜56的光轴成45度夹角，用于将其反射光(s偏振成份)导引至平行于上述透镜54的光轴。来自该偏振反射镜57的光束被导引至透镜58(会聚透镜)。透镜56与58之间的光学距离设计成等于透镜54与55之间的光学距离。

通过上述透镜54的p偏振成份接着通过设在靠近透镜54处的偏振轴旋转片59，并被导引至透镜55。

设置此结构的结果是使得从透镜58和55发出的光束都是s偏振光。根据此结构，光束变为恒定偏振光，从而通过设在灯泡附近的偏振片可以大幅度降低光束损失。

此结构的重要方面在于，通过进行将随机偏振光变成恒定偏振光的过程使得两个输出光都类似于入射光。也就是说，从投影仪一侧看，一个光源被用作两个光源(两倍)。从其相反一侧看，这意味着光源尺寸a通过关系式F＝1/(2a)可以减小至一半，除非照明条件改变。也即，获得F＝1/(4a)。

如上所述，当灯泡必需用偏振照明时，漫反射表面的尺寸在利用偏振的两个轴向上降至正常计算值的一半或更小。

然而上述结构会增加部件的数量。因此，其需要偏振照明的情况下，可以采用下述结构以简化结构。

在图12中，与上述实施例中相同的部件用相同的标记表示。在本实施例中，只有一任意偏振成份被允许通过万花筒33的开口部，并且设有偏振反射镜59，垂直于所述任意偏振成份的偏振成份由之高效率反射。图中所示圆内的纵向箭头表示V偏振。图中所示圆内的横向箭头表示水平偏振。

现在假定根据图12中所示结构作为入射光的光源(箭头60)被垂直对准(V偏振)，如图中所示。此时，偏振反射镜59的偏振轴被设成V偏振轴。以此方式，入射光以高效率进入万花筒33。

入射偏振光由万花筒33中的反射镜加以反射并导引至漫反射表面31。从而改变成漫反射光61。接着，漫反射光61以任意光取向分布沿朝向开口的方向(照射表面方向)向前传播。此光束被变为随机偏振的光束62。在该随机偏振光束中，V偏振成份通过偏振反射镜59而成为照明光63。

垂直于V偏振成份的H偏振成份由偏振反射镜59反射至万花筒33内，并返回漫反射表面31。接着，该成份作为新的漫射光源向开口部传播。以此方式，随机偏振光的V偏振光通过偏振反射镜59而成为照明光。

偏振反射镜59的入射和反射条件都确定在由初始条件限定的F值范围内，使得上述反射和输出基本重复，直至所有光束都由于各反射镜的反射效率而完全损失。以此，该万花筒照明装置可以用作双偏振光系统。

在上述说明中，仅优先考虑了漫射尺寸条件(5)F＝1/(2sinθ)＝b/(2a)，照明距离d不是参数，也就是说，在可以从观看点将镜象看作圆或球体的范围内不受该参数的影响。

然而实际上，光源和镜象不是平滑球体，而是多面体形状。因此，由多面体顶点造成的阴影(图中斜线71和72的范围)被放大至不容忽视的程度，特别是在照明距离较短的范围内。在此情况下，不受斜线71和72范围影响的观看点P与受其影响的观看点Q之间的差别是显著的。

可以认为这是一个导致不稳定照明或者损害远心特性的因素。

因此，在对该影响(由斜线范围造成的影响)量化的同时试图确定照明距离d的最佳范围。

图14A至14C用曲线图形式显示了在任意照明条件下在包含光轴的任意截面中(在万花筒内垂直于光轴方向的截面)上述阴影的影响。横坐标表示相对于万花筒33的光轴的偏振角(偏振角＝照明距离/照明范围)。在图14A中，镜象的数量表示在右侧纵坐标中，镜面角φ表示在左侧纵坐标中。在图14B中，照明系统的F值表示在左侧纵坐标中。另外，在图14C中，投影系统的效率表示在左侧纵坐标中。

如图14A所示，此例中的重点在于所实现的实际反射镜引起反射损失。也就是说，照明系统的效率随着镜象的数量N的增加而恶化。另外，在此例中，最短边方向(例如TV屏幕上的垂直方向)的镜象数量自然要多增加许多。

图14B表示关于上述镜象数量的照明F值。图14C表示关于投影系统的会聚效率，通过在漫反射相对于镜象数量具有完全漫射特性的情况下由关系式(5)获得。

从上述结果可知，在照明质量与照明效率(镜象(反射)数量)之间存在交换关系。如果选择引起5％以下照明不均匀度的沿万花筒中心轴方向长度d，则该长度应落入从最大对角线1.7倍至最大对角线6倍的范围内，此时镜象数量即使在最短边也不超过10。也就是说，万花筒沿中心轴方向的长度d设计成落入从灯泡的照明设定范围区域的最大对角线1.7倍至最大对角线6倍的范围内。

如上所述，在本发明的装置中，任意感应发射光源例如半导体激光器等实现了较低的价格、紧凑性，和较高的设计自由度。另外，即使对于例如液晶显示器等偏振照明，也可以实现具有高照明效率的装置。

另外，至于制造方面，可以提供高质量和高效率的用于投影型投影仪的照明装置，而不必投资制造特别部件或者高精密布置的部件。

另外，通过采用可以高输出、高效率和高纯度地提供波长并且可以实现批量生产以及低价格的半导体激光器和上变频激光器作为本发明的光源，可以以低得多的成本提供具有非常小尺寸的照明装置。

本发明并不限于上述各实施例。

在上述实施例中，例如，采用比如光纤等波导装置作为将来自光源的光束照射至漫反射表面31上的装置。然而，在安装该波导装置时应当注意几点。

图15表示对作为波导装置的光纤的安装位置进行了调整的实施例。与上述实施例中相同的部件用相同的标记表示。

假定万花筒33的设定条件满足上述表达式(1)至(5)。还假定从激光源(未画出)通过波导通路(未画出)输入的激光束80是从四个角的任意位置S沿万花筒33的对角线方向通过光纤81输入的。该激光束80到达漫反射表面31并由之漫射和反射。

为了简化说明，注意光轴上的一个观看点P进行说明。在所漫射并反射的光束中，只有沿某一任意方向反射的光束由万花筒33的内表面沿既定方向反射。以此方式，将光束转换成照明光束82，以既定的角度射向观看点P。

当从观看点P观看该状态时，看起来就象光束来自球体36上的光源，其中球体36的中心位于万花筒33内表面的延长表面与万花筒33中心轴的延长线之间的交点O处。因此，如果在观看点附近设置上述准直透镜37，则满足由表达式(4)至(5)所表示的照明角条件。

也就是说，本实施例包括一个万花筒33，具有围绕由一开口部(照射表面)和漫反射表面31所形成空间的反射镜，其中的漫反射表面31设在从开口部沿中心轴方向的一定间隔处，并且具有在中心轴方向任意位置大于漫反射表面31的截面区域；和一个作为光源的光导装置，用于输入照射在万花筒33漫反射表面31上的光束，平行于作为万花筒内表面的反射镜。以此方式，可以构造具有均匀性和高质量的照明装置。

在上述实施例中，光纤81看起来会产生大的阴影。然而实际光纤细至大约50至200μm，考虑到光束保持条件和实际光纤元件安装误差的容许范围，其阴影落在实际投影型显示器的灯泡照明的边缘范围内。因此，通过将光纤入射位置S设在万花筒33的一个对角处，可以使光纤81的安装所造成的有害影响减至最小。另外，其位置靠近万花筒33的开口部并且在角部，因而可以方便地进行安装工作，并且可以实现安装位置精度的可靠性。

本发明并不限于上述实施例。

在从光纤81发出的激光束具有由光纤结构所确定的漫射角的情况下，对部件的组件和设计施加了限制。因此，在本发明中，对用于将光纤固定至万花筒33的方法进行了改变。

下面进行说明，在图16中与上述实施例中相同的部件用相同的标记表示。

如果光纤81具有发散角，则在万花筒33内传播的光束中，存在相对于光纤81所发出光束的光轴具有最大角θna的光束85。如果光束85的延长线与交点O的最短距离ra超过理想镜象圆(球体)的半径r，则镜象范围(照射角)在半径为最短距离ra的圆(球体)表面上从镜象36延伸至镜象35。这意味着在光纤81顶端激光束的发射位置过于靠近漫反射表面31。在镜象35的情况下，照明效果恶化。

下面是可以消除这种缺陷的条件，即不超过照明角的条件。所有从光纤81发出的光束最好都应到达漫反射表面31，也即，所有光束最好都应处于圆36的立体角范围内，其中圆36上存在有镜象35，在以漫反射表面31作为光源的情况下镜象35依赖于万花筒33。也就是说，最好将光纤81的顶端设置在离开漫反射表面31的位置，使得Δθ+θna处于所述立体角之内。

下面针对处于光轴上的情况说明这一点，以简化说明。

如图17所示，如果光纤81插入在万花筒33中，则在该位置86入射方向81的轴与万花筒33内表面产生的夹角表示为Δθ。光源光束的有效发散角表示为Δθ。另外，从光纤81发出的光源光束的有效发散角表示为θna。具有作为角Δθ与有效发散角θna之和的总和角的输出光获得一个由万花筒33和漫反射表面31形成的镜象，即具有半径r的圆36。在此情况下，具有总和角的输出光位置S(＝86)可以如下得到。

r＝d×(a/(b-a))                          …(1)

从交点O到圆36被看成具有尺寸(Δθ+θna)的观看点S的距离(r+Ls)如下。

L·sin(Δθ+θna)＝r                      …(6)因此，由表达式(1)和(6)可得下式。

L＝a·b·sin(Δθ+θna)/(b-a)             …(7)

因此，最好应位于如下位置。

Ls＝{(ab)/(b-a)}{(1/sin(Δθ+θna))-1}    …(8)

换句话说，最佳入射位置位于由以交点O为中心具有半径(r+Ls)的圆的切线(如图17所示)与从交点O到万花筒33一侧的延长线彼此相交的点所形成的表面S上。

光纤81的芯部直径为大约数十μm，因而很小，从而在大多数情况下可以提供具有高质量并且无缺陷的照明装置，只要不超过由表达式(8)所得的位置。

如上所述，根据本实施例，在万花筒33的中间位置86处设置一个安装孔用于安装光纤81。因为反射镜部分可能损坏，所以制作安装孔的工作应当仔细进行。一种不设置安装孔的方法可以是在对万花筒33成形和制作时预先制作孔。然而该方法存在易于在孔的周围产生应力并且易于产生形变的问题。

另一种不设置安装孔的方法可以是将来自万花筒33开口部的光纤插入至达到距离Ls的位置。然而，如果将光纤插入至图17中所示的位置，则需要有固定光纤的处理，结果该处理工作存在困难。

为了消除该复杂处理，采用中继透镜是有效的，从而光纤安装位置可以选择在靠近万花筒33开口部的位置。

图18A至18C表示采用中继透镜37、38或39的实施例。与上述实施例中相同的部件用相同的标记表示。

在图18A中，标记33表示万花筒，标记31表示漫反射表面，以及标记36表示镜象形成于其上的圆。中继透镜37固定在该万花筒33的开口部，其光轴大致与万花筒33的中心轴对准。该照明装置构造成满足上述表达式(1)至(5)。如果满足该条件，则可以在满足上述Ls的位置切割万花筒33，如图18B或18C所示。另外，其照明光束通过中继透镜37、38或39(图18B)加以耦合。图18C中所示的例子表示采用微透镜作为中继透镜37和38的情况。

万花筒33开口部的位置可以等于从漫反射表面31到光纤的光出射端距离为Ls的位置。以此方式，可以容易地进行光纤81的安装和固定。该优点已经参照图15进行了说明。

如上所述，在根据本发明的照明装置中，任何类型感应发射光源，首先包括半导体激光器，可以以低价格和紧凑的尺寸以及较高的设计自由度视点投影型投影仪。另外，也减少了对特别制造工艺和制造设备的要求。

本发明并不限于上述实施例。

参照前面图13，有如下说明。“然而实际上，光源和镜象不是平滑球体，而是多面体形状。因此，由多面体顶点造成的阴影(图中斜线71和72的范围)被放大至不容忽视的程度，特别是在照明距离较短的范围内。在此情况下，不受斜线71和72范围影响的观看点P与受其影响的观看点Q之间的差别是显著的。”作为反措施以改进此点，已经说明“万花筒沿中心轴方向的长度d设计成落入从灯泡的照明设定范围区域的最大对角线1.7倍至最大对角线6倍的范围内”，参照图15。

然而，当再次返回图14A进行讨论时，可以指出如下。在图14A中，横坐标表示通过将万花筒33的光轴长度d除以照明尺寸b所得的值。另外，该图给出了镜面设定角和所观看镜象数量的分析。根据该分析，图14B画出了取决于同样参数的光轴观看点处的最大照明角特性。在此状态下，图14B表示在设定由表达式(5)所得投影条件时的投影效率。

如果观看点从观看点P向图13中所示点Q处连续偏移，则出现不均匀的照明，对应于图14B和14C所示曲线中的波纹。为了改进此点，最好将照明距离加以固定。然而此要求的满足牺牲了通过降低体积占用、尺寸和重量以及减小相应部件来降低成本的目的。

即使这种牺牲可以接受，考虑到图14B中镜象的数量，每次当镜象数量增加一个时光源也会通过另一个具有有限反射效率的反射镜。因此，如果保持照明距离d大于照明范围的5倍，通过进行测试计算假定例如铝蒸镀膜反射镜具有95％的反射系数，则可以从所述曲线中估算出来的不均匀照明优越至1％。然而镜象的数量为8，所以预计有95％的8次方，即34％的反射损耗。

这意味着照明质量、形状、成本以及效率构成了彼此折衷的关系，因而需要进一步的调整以提供具有小尺寸和高效率以及低价格的投影型显示器。

在本发明中，对照明装置进行了进一步的调整。

也就是说，在采用激光束作为本发明光源的情况下，对由表达式(5)所得的光源范围(漫反射表面)进行调整，以获得可以在其中获得多面体形状镜象并且可以限制其顶点的影响(不均匀照明)的光源范围。因此，漫反射表面设置成具有曲率以不受影响。

而且，在LED等设置在漫射自我发射板中的情况下，大量发光元件设置在具有曲率的安装(面板)表面上或者大量发光元件设置在平面面板上，并且采用任意透明树脂等材料将发光表面加工成具有曲率的形状。

下面说明作出上述改进的照明装置。

图19表示本发明的基本结构。下面进行说明，与上述实施例相同的部件用相同的标记表示。漫反射表面31(具有尺寸a)与照明设定范围(具有尺寸b)之间的空间由万花筒33包围。在上述开口部设有会聚透镜37，其焦点位于从万花筒33开口部至交点O的光轴距离L处。在该照明装置中，满足上述表达式(5)的关系。

激光束91现在从任意位置照射在漫反射表面31的光轴位置上。从照明观看点P所看的漫反射表面31及其镜象35设置在其中心位于交点O处并具有由表达式(1)确定的半径r的球体上。其结果是，它看起来象是由漫反射表面31和镜象35产生的从多面体球的各中心92朝向观看点P的多个光源。

甚至假定如下情况，由于安装误差等原因造成激光束91到达漫反射表面31的位置偏移，由来自多面体形状顶点的直线与光轴在观看点P处互相交叉产生的夹角θ为最大角，并且来自镜象另一位置(顶点除外)的光束与光轴互相交叉产生的任何角都不超过所述最大角。只要为照明范围两倍的万花筒照明距离d得以可靠保持，则角θ可以近似至由F＝b/(2a)确定的F值的θ。

然而，如果观看点P偏移，则参照图14说明的不均匀照明会出现，并且随着照明距离d变短而更加显著。因此，降低尺寸变得困难。

因此，在本发明中，在漫反射表面31上针对由r＝(a·b)/(a-b)确定的半径r进行了处理，使得漫反射表面31A及其镜象变为具有半径r的球体。相应地，照明效率是恒定的，即使在不能获得充分照明距离d的情况下。

在本发明中，对上述结构加入了进一步的改进。取决于包含球面的照明角随着照明距离d而增大，尽管只是稍微的增大。在此情况下，不能通过由表达式(5)确定的关系来保持理想的聚焦系数。

因此，在本发明中，即使对于漫反射表面通过设定球面来构造曲面31A，也需计算使照明效率不会下降的参数。

下面参照图20说明设计条件。

在到观看点P的最大照明角θ恒定的情况下，随着照明距离缩短至L1，至L2，并进一步缩短至L3，镜象球体的半径和发射表面的尺寸逐渐减小，由之对于由表达式(5)所确定的漫反射表面31的尺寸A聚焦系数不变。也就是说，如图中所示，当距离为L1时，镜象位于其上的球体的半径为r1，并且反射表面的尺寸为a1。当距离为L2时，镜象位于其上的球体的半径为r2，并且反射表面的尺寸为a2。当距离为L3时，镜象位于其上的球体的半径为r3，并且反射表面的尺寸为a3。

利用图20中所示参数，得其间关系如下。

sinθ＝1/(2·F)                                     …(11)

r＝(r+d)sinθ                                       …(12)因此，得下式。

r＝d/(2·F-1)                                       …(13)注意θ_M，得下式。

sinθ_M＝a/(2·r)                                   …(14)

tanθ_M＝(b-A)/(2·d)                               …(15)

这里，

F＝b/(2·A)                                         …(16)为万花筒的一个条件，代入得下式。

θ_M＝tan^-1(b·(2·F-1)/(4·d·F)}                 …(17)因此有下式。

a＝{2d/(2F-1)}sin[tan^-1{b·(2·F-1)/(4·d·F)}]    …(18)

此时，将表达式(13)直接应用于r，因而得下式。

r＝d/(2·F-1)                                       …(13)另外，由于反射表面具有曲率，所以万花筒光轴部分的长度L必须从距离d向万花筒开口端部在光轴上延伸取决于曲率的下述间隔成份。

r·(1-cosθ_M)                                      …(19)因此，可以使照明光路程的影响降至最低，从而可以通过如下设定获得具有高效率和高质量的照明光学系统。

L＝d+r[1-cos[tan^-1{(b(2F-1))/(4dF)}]]              …(20)

在具有一定程度扩展的半导体激光器等入射光源条件下，如果将上述本发明应用于照明装置，则可以使万花筒长度的影响降至最低，从而可以获得具有高效率和高质量的照明。然而，如果具有非常锐利定向性的光源，例如采用气体激光器等的光源，入射至距光轴很远的位置，则特别在照明距离d较短的区域会存在缺陷。

此情况显示在图21中，下面进行说明。

与上述实施例相同的部件采用相同的标记表示。假定万花筒33、漫反射表面31、照明范围b、和照明距离d满足上述条件(表达式20)。在此情况下，光轴与万花筒之间的夹角为θ_M。

漫反射表面31及其镜象35以同等间隔设在其中心位于交点O的圆36上，这一点已经进行说明。为了简化说明，将镜象分成以光轴作为分界彼此隔开的区域p和q进行说明。

下面假定漫反射表面31由漫反射表面31p和31q构成。然后，漫反射表面31p的区域p方向的镜象一定例如按36p和36q的顺序以θ_M的角间隔排列。镜象36p为虚象，不能从观看点P观看到。

类似地，漫反射表面31q的区域q方向的镜象一定例如按36q′和36p′的顺序以θ_M的角间隔排列。然而，镜象36p′为虚象，不能从观看点P观看到。

在此状态下，假定以气体激光器为代表的具有良好线性度的光源输入至漫反射表面的位置(离开光轴)502。在此情况下，至观看点P的照明光位于可以观看到漫射光源的位置503和504，其中位置504不能在观看点处验证。

其结果是，射向作为照明位置P的观看点的照明光的主光束为来自位置502的直接反射光和来自位置503的镜象反射光的平均。在此情况下，照明光的传播轴与光轴成Θ角，并且具有与光轴成一定角度的偏离。这意味着丧失了远心特性。

相应地，在采用易受照明范围b影响的液晶灯泡等的情况下，出现不均匀的对比度，并且照明质量下降，特别在显示黑色的情况下。

因此，在本发明中，角θ_M的选择条件设定如下。也即，当把由照明条件F引入的照明设定最大角θ和由万花筒与光轴之间关系产生的上述角θ_M乘以奇数(1除外)的积加在一起时，选择角θ_M使得相加结果为90度。

下面参照图22说明此效果。

图22表示两个万花筒33-1和33-2。

这些万花筒33-1和33-2设计成满足上述表达式(20)。当从观看点P观看漫反射表面一侧时，看到漫反射表面31位于中央处角θ_M的范围内。继而，看到其主镜象31A位于角2θ_M的范围内。另外，看到二级反射图象31B位于角2θ_M的范围内。

如果选择角θ_M使得连接镜象中心O与第N和第N+1镜象(其中N大于或等于2)边界的直线以直角与源自观看点P的最大照明角范围θ相交，则在一个区域可以从该观看点观看到的镜象数量为恰当奇数。也即，一个区域的整个镜象范围为由θ_M乘以一个奇数所得的角度。

假定例如入射光束511此时到达大幅度偏离光轴的漫反射位置512。在此情况下，到达观看点P的光束照射自观看点P看到的漫反射表面到达位置512以及相应镜象的对应位置513和514。此时，如果漫反射表面31′具有完全漫反射特性并且万花筒反射镜的反射效率理想，则各光束具有同等强度，主光束等于光轴上的光束。该特性即使在观看位置偏离光轴的情况下也不会丧失。尽管对观看点Q的照明情况是一起说明的，但是例如如果在万花筒开口一侧设有其交点为r+d的会聚透镜(未画出)，则在此情况下主光束平行于光轴。

实际上，由于轻微反射损失以及完全漫射偏差，预计主光束存在轻微的偏移。然而，如果在实际水平确保有充分的镜面效率性能，则该轻微变化的影响可以忽略。

从上述可知，可以避免将主光束改变至任意观看位置的万花筒安装条件为镜象数量为恰当的整数。也即，如果将光轴与万花筒之间的偏移角设定在下面由照明最大角θ表示的角度，其中照明最大角θ决定于照明条件F，则可以针对任何类型光源构造出提供主光束最小变化的照明光学系统。

Θ＝(90-θ)/(2·N-1)(其中N为除1之外的2或2以上的整数)

根据上述本发明，即使用感应发射光源也可以获得具有低价格和紧凑尺寸以及高设计自由度的装置。另外，可以方便地将需要部件高精度安装的气体激光器、需要高安装技术的光纤等等互相组装。另外，可以获得如下装置，它几乎不受主光束变化的影响，造成较少的不均匀照明，并且实现高聚焦系数和高可靠性。至于制造方面，不需要部件的特别投资或高精度布置，因而本发明适用于具有高质量和高效率的投影设备。

下面说明采用上述照明装置的投影型显示设备结构的另一个具体例子。

图23表示一个其中上述上变频激光装置和采用万花筒的照明装置结合以实现显示设备的例子。

标记600表示例如一个棱柱形光纤装载盒体，在该盒体600内部设有一个沿朝向顶部的方向位于底部的卷筒601。盒体600与卷筒601之间的间距可以填充以冷却介质603用于冷却。而且，该冷却介质603可以强制循环。最好采用不可燃遮光材料制作盒体600。

半导体光源611、612和613以90度间隔分别安装在盒体600的三个角部的表面上。这些半导体光源611、612和613可以与散热处理器614、615和616相接触。

一端固定至半导体光源611的光导路径621由光纤631加以连接，并且通过一个分支部分617将该光纤631围绕卷筒601导引至盒体的外部。类似地，一端固定至半导体光源612的另一光导路径622由光纤632加以连接，并且通过分支部分617将该光纤632围绕卷筒601导引至盒体的外部。同样类似地，一端固定至半导体光源613的另一光导路径623由光纤633加以连接，并且通过分支部分617将该光纤633围绕卷筒601导引至盒体的外部。

光纤631、632和633从盒体600的提取口604提取出来，由一层保护涂覆膜605加以集束，并且被导引至照明装置。

下面对光纤进行说明。

各光纤具有一个称作芯部的光路(具有折射率N1)和一个称作包层的涂层(具有折射率N2)。各光纤具有一个根据Q_R＝sin^-1(N1/N2)由折射率决定的临界角。超过临界角的光束不会通过光纤，而是在半途中损耗掉，因而不会到达光纤的输出端。然而，如果在用以减小投影型显示器尺寸的安装空间条件下将光纤弯曲并以任意曲率安装，则在光束进入光纤之后，接近临界角的光束首先在初始阶段落入临界角之内，然后在任意位置重复地入射和反射，从而由该光束引起一定的损耗。

该损耗根据材料、折弯曲率、芯部厚度、芯部和包层的边界条件等而变化。

继而，在上述损耗可以在选定卷筒半径时尽可能减小的条件下选择卷筒半径，其结构基本上设置成使得光纤缠绕在卷筒上。另外，在上变频时预计会产生热量。因此，最好采用能够冷却全部这些部件的结构。

同时，在光发射基于激光器的情况下，在达到谐振状态时通过齐平光密度来提高效率。因此，如果满足谐振条件，则基于时分驱动的光发射是有效的。因而下面对如下设备进行说明，该设备根据采用单片的时分驱动系统，可以由就灯泡(DMD)而言较低的功率消耗来获得较大的能量。

在上述上变频激光系统中，对光纤进行了梯度处理，其结构设置成对任一波长产生谐振，从而进行感应发射。为了产生振荡，需要一任意光强，从而光纤需要满足该条件的一任意厚度的芯部直径，并实现等于或大于一任意效率的入射效率。然而，在一旦实现振荡之后，随着光密度的增高其变频效率增大。因此，上变频光纤的截面区域最好尽可能地窄。换句话说，只要满足振荡条件，则由连续振荡发出光束时比由时分驱动(脉冲驱动)发出光束时，可以由较小的电功率获得较高的光输出。相应地，激光响应速度具有高速响应，可以用于通信。

因此，本系统采用例如图24A至24D所示的驱动系统。图24A和24B为时序图，分别表示水平同步信号和驱动周期。例如，输出颜色R光束的激光装置工作水平周期的1/3周期，输出颜色G光束的另一激光装置工作在下一个1/3周期。输出颜色B光束的另一激光装置工作在再下一个1/3周期。以此时序向发射激光束的灯泡提供R、G和B视频信号。通过重复该操作实现显示设备。

然而，在实际的时分驱动中，各颜色的发光周期的比值最好如图24C或24D中所示加以调整，使得观看者不会感觉到“颜色分裂”。

图25表示从万花筒701发出的光束通过反射镜702和中继透镜703进一步照射在DMD704上的情况，其结构如图23所示。该图还画出了从DMD704反射的光学图象被导入投影透镜部件100的情况。用于将来自开口侧的各颜色光束输出至漫反射表面的光纤被导入万花筒701中。与图23中相同的部件用相同的标记表示。

尽管上述各实施例每个都单独地构成本发明，但是任意这些实施例组合而成的结构也属于本发明的范围。

例如，已经说明激光束照射在漫反射表面31上。然而，漫反射表面31可以是平面，也可以是具有曲率的表面。另外，用于导引激光束的导引装置可以设置成将其端部设定在万花筒33的开口部，也可以将其端部设定在比万花筒33开口部更深入的位置。此外，该导引装置可以通过设在万花筒33主体部分上的孔导入。

另外，其中具有高效率的光束而不是激光束照射在万花筒33的漫反射表面上的结构也属于本发明的范围。另外，甚至其中漫反射表面31具有曲率以及大量由其本身发光的发光元件的结构也属于本发明的范围。另外，本发明的范围包括其中冷却介质或装置设在靠近于发射激光束的振荡部或者直接设在其上的结构。而且，本发明的范围包括如下结构，其中光纤缠绕在卷筒上以获得光纤距离(长度)并实现振荡功能，其输出光用作万花筒的光源。

如上所述，根据本发明，可以提供一种用于投影型显示器的照明装置，具有简单的结构和较小的尺寸，并且可以获得充分的照明光量。另外，根据本发明，可以提供一种用于投影型显示器的照明装置，具有改进的照明性能和较高的可靠性。而且，根据本发明，可以提供一种用于投影型显示器的照明装置，具有较高的性能和较低的成本。

本领域的技术人员易于得出其它的优点和改型。因此，本发明在其较宽方面并不限于此处所示和所述的具体细节和典型实施例。相应地，可以在不偏离由所附权利要求及其等同物所限定的一般发明理念的精神和范围的情况下作出各种改型。

Claims (23)

1.一种用于投影型显示器的照明装置，其特征在于，该装置包括：

万花筒(204R、204G、204B)，具有一个照射表面，与灯泡(201R、201G、201B)相对并且位于该灯泡的光入射部分一侧，使得照射表面(32)的中心轴基本对应于所述灯泡的光轴；一个漫反射表面(205R、205G、205B)，设置在离开照射表面一间隔处；和反射镜，用于围绕照射表面与漫反射表面之间的空间，其中万花筒在沿中心轴方向任意位置处具有大于漫反射表面的截面区域；和

光源(206R、206G、206B)，具有用于将光束导引向万花筒中漫反射表面的光导装置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述灯泡为基于非偏振控制的照明系统，其中a为漫反射表面的反射面积，b为依赖于照射表面的灯泡照明设定范围的面积，其与由灯泡或投影条件决定的灯泡照明F值的关系基本满足F＝b/(2a)，漫反射表面的反射面积a与灯泡照明设定范围的面积b基本上彼此相等。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述灯泡为基于偏振控制的照明系统，

其中a为漫反射表面的反射面积，b为依赖于照射表面的灯泡照明设定范围的面积，其与由灯泡或投影条件决定的灯泡照明F值的关系基本满足F＝b/(2a)，并且

在照射表面上设有偏振反射镜，用于透射一既定偏振轴成份并反射与该既定偏振轴成份垂直的偏振成份。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述灯泡为基于偏振控制的照明系统，

其中a为漫反射表面的反射面积，b为依赖于照射表面的灯泡照明设定范围的面积，其与由灯泡或投影条件决定的灯泡照明F值的关系基本满足F＝b/(2a)，并且

在垂直于中心轴的截面位置处基本满足F＝b/(4a)。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于万花筒沿中心轴方向的长度d设计成落入所述灯泡的照明设定范围区域的最大对角线1.7倍至6倍的范围内。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述光源为包含上变频光纤激光器的感应发射光，所述光导装置为用于导引该感应发射光的光缆。

7.一种用于投影型显示器的照明装置，其特征在于，该装置包括：

万花筒(204R、204G、204B)，具有一个开口部；一个漫反射表面(205R、205G、205B)，与该开口部相对，位于该开口部沿中心轴方向的一间隔处；和反射镜，用于围绕所述开口部与漫反射表面之间的空间，其中万花筒在沿中心轴方向任意位置处具有大于漫反射表面的截面区域；和

光源(206R、206G、206B)，具有用于基本平行于所述反射镜将光束导引进入万花筒中漫反射表面的光导装置。

8.一种用于投影型显示器的照明装置，其特征在于，该装置包括：

万花筒(204R、204G、204B)，具有一个开口部；一个漫反射表面(205R、205G、205B)，与该开口部相对，位于该开口部沿中心轴方向的一间隔处；和反射镜，用于围绕所述开口部与漫反射表面之间的空间，其中万花筒在沿中心轴方向任意位置处具有大于漫反射表面的截面区域；和

光源(206R、206G、206B)，具有用于基本平行于所述反射镜将光束照射向万花筒中漫反射表面的光纤状光导装置(207R、207G、207B)，其中

万花筒中所述光导装置的光出射端的位置位于如下范围内，其中从漫反射表面到该光出射端的距离Ls不超过由下式给出的位置

Ls＝{(ad)/(b-a)}{(1/sin(θna+Δθ))-1}

其中，Δθ为在将光导装置插入万花筒中的插入位置处相对于万花筒表面的插入角，θna为由光导装置的材料结构所决定的出射发散角，a为在包含光导装置插入位置和中心轴的万花筒内截面上漫射表面的尺寸，b为开口部的尺寸，以及d为万花筒的光轴平行分量长度。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于所述开口部与漫反射表面之间的距离d基本上等于距离Ls，并且该开口部与从开口部发出的光束所导向的灯泡照射表面通过中继透镜进行耦合。

10.一种用于投影型显示器的照明装置，其特征在于，该装置包括：

万花筒(204R、204G、204B)，具有一个照射表面，与灯泡(201R、201G、201B)相对并且位于该灯泡的光入射部分一侧，使得照射表面(32)的中心轴基本对应于该灯泡的光轴；一个漫反射表面(205R、205G、205B)，设置在离开照射表面一间隔处；和反射镜，用于围绕照射表面与漫反射表面之间的空间，其中万花筒在沿中心轴方向任意位置处具有大于漫反射表面的截面区域；和

光源(206R、206G、206B)，具有用于将光束导引向万花筒中漫反射表面的光导装置，其中

a为漫反射表面的反射面积，b为依赖于照射表面的灯泡照明设定范围的面积，以及d为从漫反射表面至照射表面的距离，由灯泡或投影条件决定的灯泡照明的F值基本满足F＝b/(2a)，并且

漫反射表面作为其曲率r具有基本等于r＝(ad)/(b-a)的曲率。

11.一种用于投影型显示器的照明装置，其特征在于，该装置包括：

万花筒(204R、204G、204B)，具有一个照射表面，与灯泡(201R、201G、201B)相对并且位于该灯泡的光入射部分一侧，使得照射表面(205R、205G、205B)的中心轴基本对应于该灯泡的光轴；一个漫反射表面，设置在离开照射表面一间隔处；和反射镜，用于围绕照射表面与漫反射表面之间的空间，其中万花筒在沿中心轴方向任意位置处具有大于漫反射表面的截面区域；和

光源(206R、206G、206B)，具有用于将光束导引向万花筒中漫反射表面的光导装置，其中

a为漫反射表面的反射面积，b为依赖于照射表面的灯泡照明设定范围的面积，以及d为从漫反射表面至照射表面的距离，由灯泡或投影条件决定的灯泡照明的F值基本满足F＝b/(2a)，

漫反射表面具有曲率r，

具有曲率r的漫反射表面的反射面积a其垂直于光轴的分量表示为

a＝[(2d)/(2F-1)]sin[tan^-1((b(2F-1))/(4dF)}]并且具有曲率半径r＝d/(2F-1)，以及

对于万花筒的光轴分量L基本满足由下式表达的条件

L＝d+r[1-cos[tan^-1{(b(2F-1))/(4dF)}]]。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，万花筒中心轴与来自光导装置的光束经由照射并且反射在漫反射表面上的中心路径之间的偏移角Θ满足

Θ＝(90-θ)/(2·N-1)(其中N为除1之外的2或2以上的整数)，其中a为在漫反射表面位置处垂直于中心轴的表面的尺寸，θ为由灯泡的投影透镜等决定的照明F值所确定的照明最大角。

13.一种用于投影型显示器的照明装置，包括万花筒(204R、204G、204B)，具有一个照射表面(32)，与灯泡相对并且位于该灯泡的光入射部分一侧，使得照射表面的中心轴基本对应于该灯泡的光轴；一个漫反射表面(205R、205G、205B)，设置在离开照射表面一间隔处；和反射镜，用于围绕照射表面与漫反射表面之间的空间，其中万花筒在沿中心轴方向任意位置处具有大于漫反射表面的截面区域，其中

所述漫反射表面形成为具有曲率的漫反射表面，该漫反射表面凸向照射表面一侧。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述漫反射表面具有多个发光元件。

15. 如权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括用于将激光束照射在漫反射表面上的光导装置。

16.一种用于投影型显示器的照明装置，其特征在于，该装置包括：

万花筒(204R、204G、204B)，具有一个照射表面，与灯泡(201R、201G、201B)相对并且位于该灯泡的光入射部分一侧，使得照射表面(32)的中心轴基本对应于该灯泡的光轴；一个漫反射表面(205R、205G、205B)，设置在离开照射表面一间隔处；和反射镜，用于围绕照射表面与漫反射表面之间的空间，其中万花筒在沿中心轴方向任意位置处具有大于漫反射表面的截面区域；和

光导装置(207R、207G、207B)，用于将激光束照射在万花筒中的漫反射表面上。

17.一种用于投影型显示器的照明装置，其中分别通过光导装置用来自多个光源的光束照射一单个灯泡，其特征在于

各光导装置(631、632、633)具有光纤或上变频光纤，缠绕在装载于一单个盒体中的卷筒上，

所述卷筒(601)具有一任意厚度，其直径超过由所述光纤或上变频光纤的限定NA所确定的最小半径，以及

光导装置插入所述单个盒体的位置在所述卷筒切线的延长线上，设在多个部分，并且沿一个相同的旋转方向取向。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，从光导装置发出的光束设置成从万花筒的开口部附近进入万花筒，

万花筒由所述开口部，与该开口部相对的漫反射表面，和用于围绕该开口部与漫反射表面之间空间的反射镜所构成，

漫反射表面由根据a＝b/(2·F)所确定的光轴法线分量a表示，其中b为在包含光轴的任意截面中的灯泡照明尺寸，以及F为灯泡的照明F值，并且

来自光导装置的光束沿其中出现反射镜延长线方向交点的方向输入。

19.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述灯泡采用单片数字微反射镜装置(DMD)，其中反射镜制作在一矩阵上，彩色显示通过分区驱动进行。

20.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述光源包括半导体元件，光导装置具有上变频光纤并且采用具有最短波长的光束。

21.一种投影型显示设备，其特征在于包括：

灯泡(201R、201G、201B)；

万花筒(204R、204G、204B)，具有一个照射表面，与所述灯泡相对并且位于该灯泡的光入射部分一侧，使得照射表面的中心轴基本对应于该灯泡的光轴；一个漫反射表面，设置在离开照射表面一间隔处；和反射镜，用于围绕照射表面与漫反射表面之间的空间，其中万花筒在沿中心轴方向任意位置处具有大于漫反射表面的截面区域；和

光源(206R、206G、206B)，具有用于将光束导引向万花筒中漫反射表面的光导装置。

22.一种投影型显示设备，其特征在于，该设备包括：

灯泡(201R、201G、201B)；

万花筒(204R、204G、204B)，具有一个照射表面，与所述灯泡相对并且位于该灯泡的光入射部分一侧，使得照射表面的中心轴基本对应于该灯泡的光轴；一个漫反射表面，设置在离开照射表面一间隔处；和反射镜，用于围绕照射表面与漫反射表面之间的空间，其中万花筒在沿中心轴方向任意位置处具有大于漫反射表面的截面区域；和

光导装置(206R、206G、206B)，用于将激光束照射向万花筒中的漫反射表面。

23.一种投影型显示器，其中分别通过光导装置用来自多个光源的光束照射一单个灯泡，其特征在于

各光导装置(631、632、633)具有光纤或上变频光纤，缠绕在装载于一单个盒体中的卷筒上，

所述卷筒(601)具有一任意厚度，其直径超过由所述光纤或上变频光纤的限定NA所确定的最小半径，以及

光导装置插入所述单个盒体的位置在所述卷筒切线的延长线上，设在多个部分，并且沿一个相同的旋转方向取向。

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