CN1760717A - 照明光学系统和使用它的图像显示设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及照明光学系统和使用它的图像显示设备。具体地，一种照明光学系统，用于用来自光源的光束照射要被照射的表面，其中，在平行于照明光学系统的光轴的第一平面中将来自光源的光束分解，利用这样分解的光束在第一光源像区中形成多个第一源像，来自所述多个第一光源像的光束被导向要被照射的表面，来自光源的光束在平行于照明光学系统的光轴、垂直于第一平面的第二平面中被分解，利用这样分解的光束，在第二光源像区中形成多个第二源像，来自所述多个第二光源像的光束被导向要被照射的表面，所述第一平面中的第一光源像区的宽度大于所述第二平面中的第二光源像区的宽度。

Description

照明光学系统和使用它的图像显示设备
技术领域
本发明涉及用于照明要照明的表面的照明光学系统，并涉及其中有表面(图像显示部件比如液晶显示板)用所述照明光学系统照射，并且来自该被照射的表面的光束被投射到投影表面比如屏幕上的图像显示设备(液晶投影仪等)。
背景技术
公众已经注意到了具有下述结构的投影仪：根据图像数据经过液晶光阀(liquid crystal light valve)调制的光束被放大并投影到屏幕或者类似结构上。在这种投影仪结构中，重要的是在整个屏幕上以均匀的亮度显示投影在屏幕上的图像。
一种用于上述投影仪的公知的照明光学系统具有例如如图8所示的结构。也就是，从光源101发出的光束被抛物面反射镜102转换为基本平行的光束，然后由之输出。该平行光束被分解，并被蝇眼透镜(fly-eye lens)(微球面透镜两维排列的透镜阵列)103聚焦。各分解光束在第二蝇眼透镜104的附近被聚焦，从而产生光源的像(光源的二维像)。构成上述蝇眼透镜103、104的微透镜具有类似于液晶显示板也就是要照射的表面的形状的矩形形状。从第二蝇眼透镜输出的分解光束由会聚透镜105聚焦，并被引导通过一个分色光学系统(colorseparation optical system)106或者类似系统。从而，所述多个分解光束重叠地照射所述液晶显示板107。注意，为了方便对照明光学系统的功能的说明，在图8中只图示了照明光学系统的主要部件。
但是，上述照明光学系统一般具有这样的倾向：光利用效率(lightavailable efficiency)越高，光束的角度分布(angular distribution)越大，从而导致图像质量恶化的问题：比如，当在照明光学系统中使用对角度特性敏感的光学部件时，尤其是当在分色光学系统中使用相对于照明光学系统的光轴倾斜的分色膜(color separation film)(二向色反射镜(dichroic mirror)、二向色棱镜(dichroic prism)等)或者偏振分解膜(polarization separation film)(偏振膜分光器(polarized film splitter)等)时，对比度会降低或者出现不规则。
为了防止出现上述的图像质量恶化的情况，在日本专利公开No．H06-75200或者日本专利公开No.2004-45907中公开了使用一种非对称光学系统(asymmetric optical system)，其包括一个光学元件，该光学元件在对角度分布(angular distribution)敏感的方向具有小的角度分布，但是在对角度分布不敏感的方向具有大的角度分布。
日本专利公开No．H06-75200公开了一种使用柱面透镜阵列(该柱面透镜阵列是用作光学积分器(optical integrator)的一维阵列)，并利用在对一维角度高度敏感的元件比如二向色反射镜的弯折方向上的凯勒照明(Koehler illumination)，从而能够减少不均匀颜色的结构。
另外，日本专利公开No.2004-45907公开了这样一种结构：通过在薄膜部件的角度敏感性高的方向上在光瞳位置设置一个光阑，将光束的角度分布约束在一个剖面方向中，从而可以提高对比度。
但是，在日本专利公开No.H06-75200中，在柱面透镜阵列不具有折射能力的剖面(凯勒照明剖面(Koehler illuminationcross-section)中没有进行重叠照明，因此在光阀表面不能获得均匀的照度。因此，应当从非均匀的照度分布中选择性地使用相对平坦的分布，这样导致较低的光利用效率。另外，由于从光源到会聚透镜的光束具有较小的角度分布，尽管减小了位于其间的二向色反射镜导致的图像质量恶化效应，但是位于会聚透镜之后的具有高的角度敏感性的部件(比如液晶显示板或者二向色反射镜)导致的图像质量恶化是不可避免的，因为光束被刚好在液晶显示板之前的会聚透镜会聚。另外，在不进行重叠照射的剖面中，当光源由于光源的波动(弧形跳跃(arcjump)，退化等)而导致亮度不均匀时，光阀的照度分布也变化，这导致被投影的屏幕上的不均匀性。
在日本专利公开No.004-45907中，在两个方向在剖面中进行重叠照射，尽管光源很难有影响，由于光束受到光阑的限制，光利用效率的极度降低是不可避免的。已经公开了这样的结构：部分透镜(透镜阵列和显示板之间的光学系统)的主点位置(principle pointpositions)，而不是光阑，在两个剖面之间相互不同，以使两个剖面中的角度分布相互不同。但是，在对实施例(准直透镜的主点被改变)的说明中所描述的方法中，在液晶显示板的表面上，照射区的边界是不清楚的，这导致亮度的降低或者照度的不均匀。另外，由于远心条件(telecentric condition)(出射光瞳离显示板表面足够远)不充分，产生了这样的问题：会导致不均匀的对比度和不均匀的色彩。
发明内容
鉴于上述问题作出了本发明，因此本发明的目的是提供一种照明光学系统，能够减少有任意光学部件具有敏感的角度分布的剖面中的角度分布，其中，亮度在光阀上是均匀的，从而基本上避免光源的不均匀性导致的效应。
根据本发明的第一方面，提供了一种照明光学系统，用于用来自光源的光束照射要被照射的表面，其中，在平行于照明光学系统的光轴的第一平面中将来自光源的光束分解，利用这样分解的光束在第一光源像区中形成多个第一源像，来自所述多个第一光源像的光束被导向要被照射的表面，来自光源的光束在平行于照明光学系统的光轴、垂直于第一平面的第二平面中被分解，利用这样分解的光束，在第二光源像区中形成多个第二源像，来自所述多个第二光源像的光束被导向要被照射的表面，所述第一平面中的第一光源像区的宽度大于所述第二平面中的第二光源像区的宽度。
另外，根据本发明的第二方面，提供了一种通过偏振分解面(polarization separation surface)的中介来使用来自光源的光照射要被照射的表面的照明光学系统，其中限定了平行于偏振分解面的法线和照明光学系统的光轴的第二平面以及垂直于第二平面、平行于照明光学系统的光轴的第一平面，该照明光学系统包括从光源按提及顺序依次安排的：
第一前侧柱面透镜阵列，包括多个在第一平面中具有折射能力的柱面透镜；
第一后侧柱面透镜阵列，包括多个在第一平面中具有折射能力的柱面透镜；
第二前侧柱面透镜阵列，包括多个在第二平面中具有折射能力的柱面透镜；以及
第二后侧柱面透镜阵列，包括多个在第二平面中具有折射能力的柱面透镜。
另外，根据本发明的第三方面，为了通过偏振分解面(polarizationseparation surface)的中介来使用来自光源的光照射要被照射的表面(其中限定了平行于偏振分解面的法线和照明光学系统的光轴的第二平面以及垂直于第二平面、平行于照明光学系统的光轴的第一平面)，提供了一种照明光学系统，包括：
在第一平面的方向上排列的多个在第一平面中具有折射能力的透镜；
在第二平面的方向上排列的多个在第二平面的方向上具有折射能力的透镜；
其中，在第一平面中排列的所述多个透镜的透镜数量大于第二平面中的透镜数量。
根据本发明的第四方面，提供了一种照明光学系统，包括：
第一光学元件阵列，包括多个在过光轴的第一平面中具有折射能力的光学元件，用于将来自光源的光分解为多个部分光束；
第二光学元件阵列，包括多个在所述第一平面中具有折射能力的光学元件，用于将所述多个部分光束传输到要被照射的表面上；
重叠光学元件，用于将所述第二光学元件阵列输出的所述多个部分光束在所述要照射的表面上相互重叠；
所述第一平面中折射能力的排列不同于过光轴并垂直于第一平面的第二平面中的排列；以及
压缩装置，用于压缩来自光源的光束在所述第一平面中的宽度。
另外，根据本发明的第五方面，提供了一种图像显示设备，包括：
至少一个液晶显示部件，以及根据本发明第一方面的照明光学系统，用于用来自光源的光照射所述至少一个液晶显示部件。
从下面参照附图对实施例的说明可以清楚本发明的其他特征。
附图说明
图1A是用于说明本发明第一实施例的照明光学系统的在第一平面中的剖面图；
图1B是用于说明图1A所示照明光学系统的在第二平面中的剖面图；
图2是用于图解本发明第一实施例的柱面透镜阵列的立体图；
图3A是用于图解本发明第一实施例的光源像成像区的在第一平面中的剖面图；
图3B是用于图解图3A所示的光源像成像区的在第二平面中的第二剖面图；
图4A是用于说明本发明第二实施例的照明光学系统的剖面图；
图4B是用于说明图4A所示照明光学系统的在第二平面中的剖面图；
图5是用于图解本发明第三实施例的图像显示设备(投影仪)的视图；
图6A是用于图解本发明第三实施例的变型的照明光学系统的在第一平面中的剖面图；
图6B是用于图解图6A所示的照明光学系统的在第二平面中的剖面图；
图7是根据本发明第二实施例的光学图像的图像视图；
图8是用于图解传统的投影仪的结构的剖面图；
图9A是用于说明第一平面中的参数W1′，W2′的视图；
图9B是用于说明第二平面中的参数W1′，W2′的视图。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的优选实施例。
(第一实施例)
见图1A和1B，其中图示了本发明的一个实施例的照明光学系统的结构，该实施例的照明光学系统用作使用反射型液晶显示板作为图像显示部件(也可以使用透射型液晶显示板)的投影仪中的照明光学系统。
这里要注意，照明光学系统具有在Z轴方向的光轴。图1A和1B图示了其中入射在显示板表面的光束具有宽的角度分布的一个剖面(第一剖面或者YZ平面)，图1B图示了其中的光束具有窄的角度分布的剖面(第二剖面或者XZ平面)。尽管这些图只是图示了投影仪光学系统的主要部件，以简化其说明，但是当然也可以使用这样的结构：其具有偏振转换元件阵列(其中，用于将非偏振光转换为线性偏振光的偏振转换元件被排列为阵列)、用于弯折光路的反射镜、截除红外光的滤镜以及偏振片或者类似部件等。
从光源(照明器/灯管的发光部分)1发出的光束被抛物面反射镜2全方位地变换为基本平行的光束，然后输出。该光束被第一柱面透镜阵列(对应于光学元件阵列，以立体图示于图2中)3分解为多个部分光束，这些部分光束然后被会聚。这些分解光束在第二柱面透镜阵列4的附近被会聚，从而分别形成光源像(光源的次级影像)。在该实施例中，如上所述通过第一柱面透镜阵列的作用所获得的光源像被图示于图3A中，该图图示了光源像在垂直于光轴的平面中的位置。在图3A中，第一剖面可以被表示为一条直线。在这个例子中，W1是形成光源像的区在第一剖面中(向内的方向)的宽度。在用平行于第一剖面的剖面切割光源像成像区而获得的光源像区各自的宽度当中，在形成光源像的位置(在本实施例中，在第一剖面中具有折射能力的第二柱面透镜的位置，或者最好是入射位置)的光源像成像区的宽度W1被设置为最大(或者，是用过光轴的剖面切割所述区域而获得的宽度)。附带说明，对于W1的边界，希望选择在亮度是光源像成像区中亮度最大的点的亮度的1/2(该值可以改变为1/10)的各位置中位于最末端的两个位置之间的距离(当然也可以选择在光源像成像区中位于最末端的两个位置之间的距离，或者位于一侧最末端的带状光源像的亮度中心和位于另一侧最末端的带状光源像的亮度中心之间的距离)。这个问题类似于后面要描述的W2。
由于这些柱面透镜阵列3、4只在第一剖面中具有折射能力，因此，它们对垂直于第一剖面的第二剖面中的光束没有实质性影响。同时，远焦光学系统5(光束压缩装置，在此例中它最好是用于发出平行光束同时缩小光束直径的光学系统)、第三柱面透镜阵列6、第四柱面透镜阵列7以及柱面透镜阵列9在第一剖面中没有折射能力。因此，从第二柱面透镜阵列4输出的分解光束被会聚透镜8会聚，而不在第一剖面中受上述只在第二剖面中具有折射能力(屈光力)的光学元件的影响，然后通过分色光学系统10以重叠的方式照射反射型液晶显示板11，该分色光学系统10被配置为具有被定位为相对于照明光学系统的光轴倾斜(倾斜的程度使得照明光学系统和偏振光束分束器的光轴之间的角度为45度或者在42到48度的范围内)的偏振光束分束器。当然也可以使用另一种具有二向色反射镜或者二向色棱镜的结构。注意，上述偏振光束分束器是一种对至少部分可见光区中的光(最好至少不大于10nm)具有偏振分解特性(这样的特性使得对于以预定角度入射的光，在一个偏振方向的光不低于80％的部分被反射，而在与该方向正交的另一个偏振方向的光不低于80％的部分被透射)的光学元件，并不一定总是对整个可见光区中的光具有偏振分解特性的光学元件。
下面描述光束在第二剖面中的行为(变化)。在第二剖面中，作为基本上平行的光从反射镜2输出的光束在不受第一和第二柱面透镜阵列3、4的影响的情况下来到远焦光学系统5。该远焦光学系统5将入射的平行光束压缩，在第二剖面中输出光束直径缩小的平行光束。尽管在图1B中图示的远焦光学系统5是由凸透镜和凹透镜组合而成的，但是它也可以有凸透镜组合而成，只要这些凸透镜能够构成远焦光学系统即可。其当然也不一定非得是两个透镜。另外，可以想到该远焦光学系统可以由透镜之外的元件构成。例如，在反射镜2用作第一剖面中的抛物面反射镜(将来自光源的光作为基本上平行的光输出)，但是用作具有椭圆反射镜(其将来自光源的光作为会聚光束输出)的形状的所谓自由曲面(sculptured surface)(旋转非对称面(rotationally asymmetrical surface))的情况下，该远焦光学系统可以由椭圆反射镜和凹透镜组合而成。另外，即使反射镜2为普通椭圆反射镜的形状，如果从之输出的会聚光被转换为平行光的位置在第一剖面和第二剖面中不同，则第一剖面中的光束直径和第二剖面中的光束直径可以相互不同。
从远焦光学系统5输出的、然后被会聚的平行光束被第三柱面透镜阵列6分解为分解光束，这些分解光束然后在第四柱面透镜阵列7附近聚焦，形成光源像。图3B图示了在该实施例中，由在第二剖面的方向上具有折射能力的第三柱面透镜形成的光源像。图3B图示了在垂直于照明光学系统的光轴的平面中的光源像，图3B中的第二剖面的一个例子可以与在图3A中所示的第一剖面(一个例子)一样由一条直线表示。在此例中，该剖面方向的宽度被设为W2。
通过比较图3A和3B可以知道，在第二剖面中的光源像宽度W2比第一方向上的光源像宽度W1窄。W1和W2之间的尺寸关系(比例)可以直接对应于在偏振光束分束器处角度分布之间的尺寸关系(比例)，因此其问的关系最好设置为W1＞W2，也就是，W2/W1最好小于0.8但是大于0.1，更好的是小于0.6大于0.3。对于上述条件式，如果超过上限，就不能充分地获得提高对比度的效果，在被照射的表面比如液晶显示部件上会表现出不均匀的亮度而不会有令人满意的改善。另外，如果达不到下限，则被分解并且由第三柱面透镜阵列6中的某个透镜会聚的光束不入射到对应的柱面透镜单元上而是入射到第四柱面透镜阵列7的一个不同的透镜单元上的情况会增加。不入射到对应的透镜单元上的光束部分地来到要被照射的表面上的有效区之外的位置，因此变得无效。也就是，光利用效率会降低。在如上所述达不到下限的情况下，未到达要被照射的表面的光的百分比急剧增加，因此在投影仪中获得的亮度大大下降。因此这不是优选的。注意，W1和W2可以被分别当做在第一剖面中入射到第二柱面透镜阵列上的光束的光束直径以及在第二剖面中入射到第四柱面透镜阵列上的光束的光束直径。另外，如图9A和9B所示，如果将第二柱面透镜阵列的一侧端部的柱面透镜的光轴和另一侧端部的柱面透镜的光轴之间的距离定义为W1’，将第四柱面透镜阵列的一侧端部的柱面透镜的光轴和另一侧端部的柱面透镜的光轴之间的距离定义为W2’，则最好将它们之间的关系定为W1′＞W2′，也就是，W2′/W1′最好小于0.8但是大于0.1，更好的是小于0.6但是大于0.3。
从第四柱面透镜阵列7输出的分解光束被会聚透镜8和柱面透镜阵列9会聚，经由具有偏振光束分束器等的分色光学系统10以重叠的方式照射反射型液晶显示板11。会聚透镜8是在第一和第二剖面中具有相等的折射能力的球面透镜(当然，取代会聚透镜8，也可以使用两个透镜：一个只在第一剖面中有折射能力，另一个只在第二剖面中有折射能力)。
见图1A和1B，要求用于会聚分解光束的折射能力在第二剖面(其中，柱面透镜阵列位于更靠近显示板一侧的位置)中大于在第一剖面中，因此，借由柱面透镜阵列10提高了会聚透镜的折射能力。当然可以在各剖面中添加柱面透镜。另外，可以使用在第一表面和第二表面之间具有不同的折射能力的复曲面透镜，以表现出类似的效果。另外，尽管第四柱面透镜阵列8在其后表面具有负折射能力(负屈光力)(这是在第三和第四柱面透镜阵列7，8具有相同的节距时所需的)，也可以如下所述实现类似的功能：使得一个柱面透镜阵列中的柱面透镜是偏心的，或者使柱面透镜阵列的节距在第三柱面透镜阵列和第四柱面透镜阵列之间不同。
在本实施例中，尽管从反射镜输出的光束的光束直径不是在第一剖面而是在第二剖面中被压缩，以使得光源像成像区的宽度在第一剖面中不同于在第二剖面中，但是本发明不限于这种安排。例如，可以同时在第一和第二剖面中压缩光束直径，也可以在一个剖面中压缩光束直径同时在另一个剖面中放大光束直径，当然可以在两个剖面中都放大光束直径。如果反射镜的形状适当(从反射镜输出的光束的光束直径在第一剖面和第二剖面之间不同)，则可以不使用具有在第一和第二剖面中压缩和放大光束的功能的光学系统。如果光源像成像区的宽度在第一剖面和第二剖面之间不同，并且如果光源像成像区在对角度分布敏感的剖面(平行于偏振光束分束器的偏振分解面的法线和照明光学系统的光轴，也就是本实施例中的第二剖面)中的宽度W2和光源像成像区在垂直于前述剖面、对角度分布不敏感的剖面(也就是平行于照明光学系统的光轴的剖面)中的宽度W1满足上述条件，则可以使用任何结构。
使用上述结构，如图1A和1B所示，在第二剖面中入射到反射型液晶显示板(要被照射的表面)11上的照明光束的角度分布相对于第一剖面(在通过照明光学系统中具有折射能力的最后一个光学元件后)变窄。安排在反射型液晶显示板11前面的分色光学系统10中的偏振光束分束器适合弯折光束在第二剖面中的部分光路。通用的电介质多层膜偏振光分束器利用P偏振和S偏振之间布鲁斯特角的差异进行偏振分解。光束偏离布鲁斯特角越多，偏振分解就越不充分。因此，如果使用具有宽的角度分布的照明光学系统，则要透射的偏振光会被反射，或者要反射的偏振光会被透射。这样，偏振状态不同于所需的偏振光的光(泄漏光)就会入射到液晶显示板上，导致对比度的降低。但是，在本实施例的照明光学系统中，由于对角度分布敏感的剖面中的角度分布被设置为小于对角度分布不敏感的剖面中的角度分布，可以约束对角度分布敏感的剖面中泄漏光的产生程度，从而可以获得高对比度的图像。
另外，上述的W1和W2可以进行如下替换以满足上述条件式。一种照明光学系统包括：用于将光源的光束在第一剖面中分解为多个部分光束并会聚各部分光束的第一柱面透镜阵列(第一前侧光学元件阵列)3，位于所述多个部分光束的会聚位置附近、具有多个对应于所述多个部分光束的光学元件、用于将所述部分光束引导到要被照射的表面比如反射型液晶显示板上的第二柱面透镜阵列(第一后侧光学元件阵列)4，用于将光源的光束在第二剖面中分解为多个部分光束并会聚各部分光束的第三柱面透镜阵列(第二前侧光学元件阵列)6，位于所述多个部分光束的会聚位置附近、具有多个对应于所述多个部分光束的光学元件、用于将所述部分光束引导到要被照射的表面比如反射型液晶显示板上的第四柱面透镜阵列(第二后侧光学元件阵列)7。在该照明光学系统中，第二光学元件阵列(第一后侧光学元件阵列)4在第一剖面中的宽度(属于第二柱面透镜阵列的柱面透镜一端到另一端的距离，或者从最靠近所述多个柱面透镜的一侧端部布置的柱面透镜的顶部位置或者顶面到最靠近另一侧端部布置的柱面透镜的顶部位置或者顶面的距离)可以被设为W1，同时第四光学元件阵列(第二后侧光学元件阵列)7在第二剖面中的宽度(属于第四柱面透镜阵列的多个柱面透镜一端到另一端的距离，或者从最靠近所述多个柱面透镜的一侧端部布置的柱面透镜的顶部位置或者顶面到最靠近另一侧端部布置的柱面透镜的顶部位置或者顶面的距离)可以被设为W2，这样就可以确立上述条件式。
另外，在第一剖面中布置的第一和第二柱面透镜阵列的柱面透镜的数量大于在第二剖面中第三和第四柱面透镜阵列的柱面透镜数量。最好，第一和第二柱面透镜阵列的柱面透镜数量不小于第三和第四柱面透镜阵列的柱面透镜数量的1.3倍(最好不小于1.6倍)但是不大于3倍(最好是2.5倍，更好的是2倍)。
另外，在第二剖面中，由于光束在入射到显示板上之前的光束直径窄(角度分布窄，或者每一个光束的放大角小)，偏振光束分束器本身可以是小尺寸的，因此可以有助于照明光学系统的小型化。
在本实施例中，尽管远焦系统5在第二剖面中具有折射能力，并且在第二柱面透镜阵列(在液晶显示一侧)4的后侧安排了第三和第四柱面透镜阵列6，7、会聚透镜8以及柱面透镜阵列9，但是本发明不限于这种结构。也就是，可以将远焦系统5、第三和第四柱面透镜阵列、柱面透镜阵列9等(它们的一部分或者全部)安排在第二柱面透镜阵列4(第一柱面透镜阵列3)(在光源一侧)的前侧。具体地，如果第一剖面和第二剖面在折射能力方面是相互独立的从而不会导致物理干扰的问题，那么它们可以以任何方式排列。
另外，会有这样一种情况：偏振转换元件(偏振光束分束器阵列)被布置在透镜阵列附近，以提高光利用效率。尽管这没有图示，但是希望将偏振转换元件安排在第二柱面透镜阵列4的后侧或者在第四柱面透镜阵列7的后侧。具体地，在布置在阵列7的后侧的情况下，与传统情况相比元件尺寸可以小型化，因此可以获得使设备小型化和简单化的好处，设备的总体成本也会降低。
使用本实施例的上述方案，可以实现一种两个剖面具有不同的角度分布的照明光学系统，因此，即使使用对角度特性敏感的光学元件的光学系统也能约束其性能的恶化。具体地，在投影仪中，可以产生高对比度的图像。
(第二实施例)
见图4，其中图示了本发明的第二实施例。在该实施例中，透镜阵列在第一和第二剖面中共用。该实施例中的透镜阵列13、14为所谓的蝇眼透镜阵列，其中二维排列了球面透镜。
在第二剖面中，由凹、凸柱面透镜组合而成的远焦系统在透镜阵列13、14的光源侧进行光束的压缩。使用该结构，该实施例中的透镜阵列13、14的边的长度(在第一剖面方向的入射光束宽度，以及在第二剖面方向的入射光束宽度)在第一剖面和第二剖面之间不同，第一剖面中的宽度(第一剖面方向的边长)大于第二剖面中的宽度(第二剖面方向的边长)。被分解并被透镜阵列13会聚的光束在透镜阵列14附近构成一组光源像。图7图示了该组光源像的图像(在垂直于光轴的面上的图像)。当然，光源像的数量不限于图7所示，只需二维地形成任意数目的多个光源像就足够了。这里要注意，即使对于形成这些光源像的光源像成像区，第一实施例中所述的W1和W2之间的关系也是满足的。附带说明，在用平行于第一剖面的多个平面切割形成所述多个光源像的光源像成像区(最好是从所述多个光源像中一侧最末端的光源像的一侧最末端部分到另一侧最末端的光源像的另一侧最末端部分的距离中的最大一个，从一侧最末端的光源像的亮度重心到另一侧最末端的光源像的亮度重心的距离，或者半宽值，也就是在一侧最末端亮度变为光源像最大亮度的一半的位置和另一侧最末端亮度变为光源像的最大亮度的一半的位置之间的距离)所获得的光源像成像区的宽度当中(也就是在平行于第一剖面的剖面中)，第一剖面中的光源像成像区的宽度W1是最大的。第二剖面中的宽度W2是类似于上述情况的距离。这样，即使在第二实施例中，W1和W2也是相互不同的(非对称的)，因此，可以获得与第一实施例类似的技术效果和优点。第二实施例的配置类似于第一实施例，只不过使用了蝇眼透镜，作为在第一剖面中具有折射能力的第一(第二)柱面透镜阵列和在第二剖面中具有折射能力的第三(第四)柱面透镜阵列共用的光学部件。使用这种配置，可以缩减部件数量，从而可以获得简化照明光学系统结构的技术效果和优点，可以提高生产率，降低成本。
但是，由于透镜阵列13的透镜单元和要被照射的表面之间具有共轭关系，要求透镜单元的形状遵循液晶显示板的长宽比。这样，在第二剖面中压缩光束的情况下，透镜单元的形状本身不能变窄，因此，要求减少第二剖面中透镜单元的数量。如果减少透镜单元的数量，对要被照射的表面上的不均匀性的改善效果可能就要降低，导致对光束压缩的限制。因此，与第一实施例相比，涉及的自由度降低。这样，就希望第二实施例的配置满足关于W1和W2的条件式。另外，希望在第二剖面的方向上安排至少不少于三个在第二剖面中具有折射能力的透镜单元，另外，希望将在第一剖面中具有折射能力的透镜单元的数目设置为不小于在第二剖面的方向上具有折射能力的透镜单元的数量的1.3倍(最好不小于1.6倍)但是不大于3倍(最好是2.5倍)。
作为本实施例的一个变型，可以在透镜阵列13，14之间进行光束的压缩。具体地，如图6所示，提供了第一光学元件23，在其一个表面(光源侧的表面)上形成有蝇眼透镜表面，在其另一个表面(在要被照射的表面一侧的表面)上形成有凸透镜表面；并提供了第二光学元件24，在其一个表面(光源侧的表面)上形成有凹透镜表面，在其另一个表面(在要被照射的表面一侧的表面)上形成有蝇眼透镜表面。使用这种结构，可以进一步减少部件的数量，从而可以提供成本更低的投影仪。在该结构中，第一光学元件和第二光学元件的布置顺序可以反过来。另外，所述远焦系统的配置不限于凸透镜表面和凹透镜表面的组合，也可以使用凸表面和凸透镜表面的组合，或者椭圆反射面和凹透镜表面的组合，等等。
(第三实施例)
见图5，其中图示了包括如上述第一和第二实施例所述的照明光学系统100的图像显示设备(投影仪)。其中图示了用于发射具有连续光谱的白光的发光管41，用于将来自发光管41的光会聚到预定方向的反射镜42，发光管41和反射镜42构成照明器(灯)40。来自照明器40的光利用如上述第一和第二实施例所述的照明光学系统100被导向液晶显示部件(反射型液晶显示板或者类似部件)。下面进行详细描述。
仍然参见图5，其中图示了用于反射蓝色(B)和红色(R)波长范围内的光、但是透过绿色(G)波长范围内的光的二向色反射镜58，由贴在透明基底上的偏振器构成的、只透过S偏振光的用于G光的入射侧偏振片59，以及具有偏振分解膜、用于透过P偏振成分但是反射S偏振光的第一偏振光束分束器60。
另外，其中图示了用于反射入射光并进行图像调制的红光反射型液晶显示部件61R、蓝光反射型液晶显示部件61B以及绿光反射型液晶显示部件61G，用于红光的1/4波片62R，用于绿光的1/4波片62G，用于蓝光的1/4波片62B，由贴在透镜基底上的偏振器构成、只透射S偏振光的用于RB光的入射侧偏振片64，将B光的偏振方向改变90度角、但是不改变R光的偏振方向的第一色选择性相差板65，具有偏振分解膜、用于透射P偏振光但是反射S偏振光的第二偏振光束分束器66，以及将R光的偏振方向改变90度角、但是不改变B光的偏振方向的第二色选择性相差板67。
另外，还图示了仅透射S偏振光的出射侧偏振片(偏振器)68，和具有偏振分解膜、用于透射P偏振光但是反射S偏振光的第三偏振光束分束器69(色合成装置)。从二向色反射镜58到第三偏振光束分束器69的部件构成色分解和合成光学系统200。
图中还图示了投影镜头光学系统70。上述照明光学系统、分色和合成光学系统以及投影镜头光学系统构成图像显示光学系统。
下面说明在光通过照明光学系统之后的光学作用。首先描述G光路。
通过二向色反射镜58后的G光入射到入射侧偏振片59上。在G光被二向色反射镜58分解之后，其仍然是S偏振光。进一步，在从入射侧偏振片59出射之后，G光作为S偏振光入射到第一偏振光束分束器60上，在偏振分解膜上被反射，然后来到G光反射型液晶显示部件61G。在G光反射型液晶显示部件91G中，G光被进行图像调制并被反射。经过图像调制的G光的反射光的S偏振光分量在第一偏振光束分束器60的偏振分解膜上再次反射，并被返回光源侧，从而被从投影光中去除。同时，经过图像调制的G光的反射光的P偏振分量透过第一偏振光束分束器60的偏振分解膜，作为投影光被导向第三偏振光束分束器69。此时，在所有偏振分量都被改变到S偏振的条件(显示黑色的条件)下，设置在G光反射型液晶显示部件61G和第一偏振光束分束器60之间的1/4波片62G的相位滞后轴(phase lagaxis)被调整到预定的方向，以便将在第一偏振光束分束器60和G光反射型液晶显示部件61G处发生的偏振条件的扰动多导致的影响保持在最小值。从第一分束器60输出的G光以P偏振状态入射到第三偏振光束分束器69上，然后透过第三偏振光束分束器69中的偏振分解膜，到达投影镜头70。
同时，有二向色反射镜58反射的R和B光入射到入射侧偏振片64上。注意，即使在被二向色反射镜58相互分离之后，R和B光仍然是S偏振的。进一步，R和B光从入射侧偏振片64输出，之后入射到第一色选择性相差板65上。该第一色选择性相差板65具有这样的功能：只有B光的偏振方向被旋转90度角，因此，P偏振的B光和S偏振的R光入射到第二偏振光束分束器66上。S偏振的入射到第二偏振光束分束器66上的R光被第二偏振光束分束器66的偏振分解面反射，然后来到R光反射型液晶显示部件61R。另外，P偏振的入射到第二偏振光束分束器66上的B光透过第二偏振光束分束器66的偏振分解面，然后来到B光反射型液晶显示部件61B。
入射到R光反射型液晶显示部件61R的R光被进行图像调制并被反射。经过图像调制和反射的R光的S偏振分量再次透过第二偏振光束分束器66的偏振分解面，然后返回光源侧，从而被从投影光中去除。同时，经过图像调制和反射的R光的P偏振分量透过第二偏振光束分束器66的偏振分解面，然后作为投影光被导向第二色选择性相差板67。
另外，入射到B光反射型液晶显示部件61B的B光被进行图像调制并被反射。经过图像调制和反射的B光的P偏振分量再次透过第二偏振光束分束器66的偏振分解面，然后返回光源侧，从而被从投影光中去除。同时，经过图像调制和反射的B光的S偏振分量被第二偏振光束分束器66的偏振分解面反射，然后作为投影光被导向第二色选择性相差板67。
此时，类似于G光，通过调整设置在第二偏振光束分束器66和R和B光反射型液晶显示部件62R、62B之间的1/4波片62A、62B的相位滞后轴，可以对R和B光分别进行黑显示调节。
这样，光被合成为单一光束。在从第二偏振光束分束器66输出的R投影光和B投影光中，R光被第二色选择性相差板67转换为S偏振分量(其偏振方向被旋转90度角)，并在入射到第三偏振光束分束器69之前由出射侧偏振片68加以分析。另外，仍然为S偏振状态的B光透过第二色选择性相差板67，然后在入射到第三偏振光束分束器69之前由出射侧偏振片68加以分析。注意，R投影光和B投影光由出射侧偏振片68加以分析，以被调节为这样的光：其中去除了由于通过第二偏振光束分束器66、R和B光反射型液晶显示部件61R和61B以及1/4波片62R、62B而造成的无效分量。
另外，入射到第三偏振光束分束器69上的R投影光和B光在第三分束器69的偏振分解面上被反射，然后与上述偏振分解面反射的G光合成，之后来到投影镜头70。
然后，合成的R、G和B投影光被投影镜头70放大并投射到要被照射的表面比如屏幕上。
上述的光路所涉及的是反射型液晶显示部件表现白色的情况，因此，下面对反射型液晶显示部件表现黑色的情况下的光路进行说明。
首先说明G光光路。
透过二向色反射镜58的G光的S偏振分量入射到入射侧偏振片59上，然后入射到第一偏振光束分束器60上，从而被偏振分解面反射，来到G光反射型液晶显示部件61G。但是，由于反射型液晶显示部件61G表现黑色，G光的反射未经图像调制。这样，即使在反射型液晶显示部件61G上反射之后，G光仍然是S偏振，因此再次被第一偏振光束分束器60的偏振分解面反射。其然后透过入射侧偏振片59，返回光源侧，以被从投影光中去除。
下面说明R和B光的光路。
从二向色反射镜58反射的R和B光的S偏振分量入射到入射侧偏振片64上。之后，它们从入射侧偏振片64输出，然后入射到具有将B光的偏振方向单独旋转90度角的功能的第一色选择性相差板65，因此P偏振的B光和S偏振的R光入射到第二偏振光束分束器66上。这样，入射到第二偏振光束分束器66上的、S偏振的R光被第二偏振光束分束器66的偏振分解面反射，来到R光反射型液晶显示部件61R。另外，入射到第二偏振光束分束器66上的、P偏振的B光透过第二偏振光束分束器66的偏振分解面，来到B光反射型液晶显示部件61B。由于R光反射型液晶显示部件61R表现黑色，入射到R光液晶显示部件61R上的R光未经图像调制而被反射。因此，即使在被R光反射型液晶显示部件61R反射之后，R光仍然是S偏振的，因此在第一偏振光束分束器60的偏振分解面上被反射，然后透过入射侧偏振片64，返回光源侧，从而被从投影光中去除。这样就显示了黑色。同时，由于B光反射型液晶显示部件6表现黑色，入射到B光反射型液晶显示部件61B上的B光未经图像调制即被反射。这样，由于B光在被B光反射型液晶显示部件61B反射后仍然是P偏振的，其再次透过第一偏振光束分束器60的偏振分解面，被第一色选择性相差板65改变为S偏振光，然后透过入射侧偏振片64，从而返回光源侧，被从投影光中去除。
这样，使用反射型液晶显示部件(反射型液晶显示板)的投影式图像显示设备具有上述的光学结构。
在此第三实施例中，尽管在分色和合成系统200中包含了波长选择性相差板等部件，如果设置在分色和合成系统200中的偏振光束分束器具有在可见光区中特定波长范围中用作偏振光束分束器但是在其他波长区中不管偏振方向怎样都透射光或者反射光的偏振分解膜，则可以认为不需要波长选择性相差板。另外，可以在分色和合成系统200和投影镜头70之间设置1/4相差板，以防止在投影镜头70中的透镜表面上反射而返回的光在向着屏幕的方向(朝向要被照射的表面的方向)上反射回来。
另外，在该第三实施例中，尽管说明了存在三个液晶显示部件，但是液晶显示部件的数量不限于3，而可以是2或者4，当然也可以是1。
如上所述，根据该实施例，可以提供一种照明光学系统，其具有高的光利用效率，并能够基本上均匀地照射要被照射的表面。根据该实施例还可以提供一种使用上述照明光学系统的图像显示设备。
上面参照实施例描述了本发明。但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例。对所附权利要求的范围应作最宽的解释，以包括所有的修改和等效结构与功能。

Claims (16)

1.一种照明光学系统，用于用来自光源的光束照射要被照射的表面，其中，在平行于照明光学系统的光轴的第一平面中将来自光源的光束分解，利用这样分解的光束在第一光源像区中形成多个第一源像，来自所述多个第一光源像的光束被导向要被照射的表面，
来自光源的光束在平行于照明光学系统的光轴、垂直于第一平面的第二平面中被分解，利用这样分解的光束，在第二光源像区中形成多个第二源像，来自所述多个第二光源像的光束被导向要被照射的表面，
所述第一平面中的第一光源像区的宽度大于所述第二平面中的第二光源像区的宽度。
2.如权利要求1所述的照明光学系统，其中，第一平面中的第一光源像区的宽度W1和第二平面中的第二光源像区的宽度W2满足下列条件：W2/W1＜0.8。
3.如权利要求1所述的照明光学系统，包括：
第二前侧光学元件阵列，包括多个光学元件，用于在第二平面中分解来自光源的光束，
第二后侧光学元件阵列，包括对应于所述第二前侧光学元件阵列中的所述多个光学元件的多个光学元件，用于接收来自所述第二前侧光学元件阵列的光，以及
位于所述光源和第二后侧光学元件阵列之间的压缩装置，用于压缩来自光源的光束在第二平面中的宽度。
4.如权利要求1所述的照明光学系统，包括：
第一前侧光学元件阵列，包括多个光学元件，用于在第一平面中分解来自光源的光束，
第一后侧光学元件阵列，包括对应于所述第一前侧光学元件阵列中的所述多个光学元件的多个光学元件，用于接收来自所述第一前侧光学元件阵列的光，
第二前侧光学元件阵列，包括多个光学元件，用于在第二平面中分解来自光源的光束，
第二后侧光学元件阵列，包括对应于所述第二前侧光学元件阵列中的所述多个光学元件的多个光学元件，用于接收来自所述第二前侧光学元件阵列的光，
其中，所述第一后侧光学元件阵列和第二后侧光学元件阵列位于相互不同的位置。
5.如权利要求4所述的照明光学系统，其中，所述第一后侧光学元件阵列的位置比第二后侧光学元件阵列更靠近光源。
6.如权利要求4所述的照明光学系统，其中，构成第一前侧光学元件阵列、第一后侧光学元件阵列、第二前侧光学元件阵列和第二后侧光学元件阵列的光学元件是柱面透镜。
7.如权利要求1所述的照明光学系统，其中，所述照明光学系统包括相对于照明光学系统的光轴倾斜布置的偏振分解面，该偏振分解面的法线基本上平行于所述第二平面。
8.如权利要求1所述的照明光学系统，其中，用于照射要照射的表面的光束在第一平面中的角度分布不同于用于照射要照射的表面的光束在第二平面中的角度分布。
9.如权利要求1所述的照明光学系统，其中，入射在要照射的表面上的光束的发散角大于入射在要照射的表面上的光束在第二平面中的发散角。
10.一种通过偏振分解面的中介来使用来自光源的光照射要被照射的表面的照明光学系统，其中限定了平行于偏振分解面的法线和照明光学系统的光轴的第二平面以及垂直于第二平面、平行于照明光学系统的光轴的第一平面，该照明光学系统包括从光源按提及顺序依次安排的：
第一前侧柱面透镜阵列，包括多个在第一平面中具有折射能力的柱面透镜；
第一后侧柱面透镜阵列，包括多个在第一平面中具有折射能力的柱面透镜；
第二前侧柱面透镜阵列，包括多个在第二平面中具有折射能力的柱面透镜；以及
第二后侧柱面透镜阵列，包括多个在第二平面中具有折射能力的柱面透镜。
11.如权利要求10所述的照明光学系统，其中，入射在第一后侧柱面透镜阵列上的入射光束在第一平面方向的光束宽度大于入射到第二后侧柱面透镜阵列上的入射光束在第二平面的方向上的光束宽度。
12.如权利要求10所述的照明光学系统，其中满足下列条件：W2’/W1’＜0.8，其中，W1’是在属于第一后侧柱面透镜阵列的所述多个柱面透镜中，在第一平面中在一侧末端的柱面透镜和在另一侧末端的柱面透镜的光轴之间的距离，W2’是在属于第二后侧柱面透镜阵列的所述多个柱面透镜中，在第二平面中在一侧末端的柱面透镜和在另一侧末端的柱面透镜的光轴之间的距离，
13.一种通过偏振分解膜的中介来使用来自光源的光照射要被照射的表面的照明光学系统，其中限定了平行于偏振光学面的法线和照明光学系统的光轴的第二平面以及垂直于第二平面、平行于照明光学系统的光轴的第一平面，该照明光学系统包括：
在第一平面的方向上排列的多个在第一平面中具有折射能力的透镜；
在第二平面的方向上排列的多个在第二平面中具有折射能力的透镜；
其中，在第一平面中排列的所述透镜的数量大于第二平面中排列的透镜的数量。
14.如权利要求13所述的照明光学系统，其中，在第一平面中排列的所述透镜的数量小于第二平面中排列的透镜的数量的两倍。
15.一种照明光学系统，包括：
第一光学元件阵列，包括多个在过光轴的第一平面中具有折射能力的光学元件，用于将来自光源的光分解为多个部分光束；
第二光学元件阵列，包括多个在所述第一平面中具有折射能力的光学元件，用于将所述多个部分光束传输到要被照射的表面上；
重叠光学元件，用于将所述第二光学元件阵列输出的所述多个部分光束在所述要照射的表面上相互重叠；
所述第一平面中折射能力的排列不同于过光轴并垂直于第一平面的第二平面中的排列；以及
压缩装置，用于压缩来自光源的光束在所述第一平面中的宽度。
16.一种图像显示设备，包括：
至少一个液晶显示部件，以及
根据权利要求1所述的照明光学系统，用于用来自光源的光照射所述至少一个液晶显示部件。
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Application publication date: 20060419

Assignee: Canon (China) Co.,Ltd.

Assignor: Canon Kabushiki Kaisha

Contract record no.: 2013990000359

Denomination of invention: Illumination optical system and image display apparatus making use thereof

Granted publication date: 20090715

License type: Common License

Record date: 20130628

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Granted publication date: 20090715

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