CN1945380A - 照明光学系统以及图像投射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能够均匀照明液晶显示元件上所显示的图像，以明亮且高对比度来投射图像的照明光学系统，照明光学系统具有：光源、偏振光变换元件、偏振光束分裂器和相位板。上述照明光学系统由经过了上述相位板的光束照明被照明面，且满足以下的条件：θx＜θy、0度＜φy≤θy。其中，设：与上述相位板的超前相轴或者滞后相轴正交，由该偏振光束分裂器反射光束并进行分离的方向为x方向；与上述相位板的超前相轴或者滞后相轴正交，并且与上述x方向正交的方向为y方向；入射到该被照明面的光束的x方向中的最大入射角为θx，y方向中的最大入射角为θy；上述光束向该相位板的入射角度，即通过该相位板的光束的主波长中的相位差成为90度的入射角度为φy。

Description

照明光学系统以及图像投射装置

技术领域

本发明涉及照明光学系统以及具有该系统的图像投射装置，适合于例如在屏幕面上放大投影基于液晶屏(图像显示元件)的原始图像的液晶投影仪。

背景技术

以往，提出了种种在屏幕面上放大投影基于液晶显示元件(液晶屏)等图像显示元件的原始图像的图像投射装置(液晶投影仪)。

作为液晶显示元件，众所周知使用了反射型液晶显示元件的图像投射装置(特开平02-250026号公报)。在特开平02-250026号公报中，作为把照明光导向反射型液晶显示元件而且检测来自反射型液晶显示元件的光的单元，使用偏振光束分裂器。

进而，作为防止由偏振光束分裂器中的偏振光倾斜的差异产生的对比度降低，在偏振光束分裂器与反射型液晶显示元件之间设置1/4相位板。

另一方面，在彩色液晶投影仪中，用对来自光源的光进行了色分解的色光分别照明R光、G光、B光用的三个图像显示元件(液晶显示元件)。而且，经过色合成单元，用一个投射透镜在屏幕面上等投射透过了三个图像显示元件的各个色光的结构是众所周知的(特开2000-305171号公报)。

近年来，在图像投射装置中要求投射更明亮的图像。特别是最近，由于重视对比度，因此与减小入射到反射型液晶显示元件上的光的入射角度(Fno暗淡)的照明系统相比较，要求更明亮的照明系统。

为此，需要加大入射到反射型液晶显示元件的光的角度，使照明系统明亮，而且提高对比度。

在特开平02-250026号公报中，相位板利用超前相轴方向与滞后相轴方向的光的相位差，该相位差与相位板的厚度有关。在暗淡的照明系统中，由于透过相位板的光的角度范围也狭窄，因此在光学性能上没有问题。

然而，在明亮的照明系统中，垂直入射的光通过相位板的距离(光路长)与以大角度入射的光通过相位板的距离不同，因此发生单一相位板中的相位差根据角度而不同的现象。

由此，不能够充分地进行偏振光束分裂器中的偏振光的倾斜的修正，导致图像对比度的降低。

发明内容

本发明的一个目的在于提供能够均匀地照明液晶显示元件等的被照明面的照明光学系统。另外，本发明的另一个目的在于能够使用该照明光学系统，投射明亮而且具有高对比度的图像的图像投射装置。

本发明的进一步的目的或者特征将从参照以下的附图说明的优选实施例中明确。

附图说明

图1是本发明实施例1的主要部分的概略图。

图2是本发明实施例1的照明光学系统的说明图。

图3是图1中入射到反射型液晶显示元件中的照明光的角度分布的说明图。

图4是相位板的入射角度特性的说明图。

图5是本发明的垂直入射中的相位差的说明图。

图6是图1的图像投射装置的分光分布的说明图。

图7是本发明的设定相位差的主波长的说明图。

图8是本发明实施例2的主要部分的概略图。

图9是本发明实施例3的主要部分的概略图。

图10是本发明的照明光学系统的变形例的说明图。

图11是照明光学系统的其它变形例的说明图。

图12是本发明的偏振光分离元件的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的理想实施例。

实施例1

图1是本发明的图像投射装置的实施例1的主要部分的概略图。

图2A、2B、2C是抽出了图1的图像投射装置的一部分的部分照明光学系统的光路说明图。

图2A相当于图1的剖面图(XZ面)，图2B相当于与图2A正交的剖面图(YZ面)。

图1中，1是光源。2是反射器。3是由多个圆柱透镜构成的第1透镜阵列，4是由多个圆柱透镜构成的第2透镜阵列。第1、第2透镜阵列3、4构成光束分离部件的一个要素。

6是把无偏振光变换为具有特定偏振方向的偏振光的偏振光变换元件。7是第1圆柱透镜。5是聚光透镜。8是第2圆柱透镜。

41是分色镜，42、43、44是分别显示G(绿色光)、R(红色光)、B(蓝色光)的图像的反射型液晶显示元件。45是第1偏振光束分裂器。46是第2偏振光束分裂器。

47是第1偏振光板，48是第2偏振光板。49是使R的偏振光状态变换90度，不变换B的偏振光状态的色选择性相位板。50是第3偏振光板，51是第4偏振光板。52是具有反射G的光，透过B的光，反射R的无用偏振光成分，透过R的投射光的特性的分色偏振光棱镜。53是投射透镜，54、55、56是分别由G、R、B用的水晶构成的相位板。

另外，第1、第2透镜阵列3、4仅在图2B(YZ面)中具有光焦度。第1、第2圆柱透镜7、8仅在图2A(XZ面)中具有光焦度。聚光透镜5由旋转对称面构成。

实施例1的照明光学系统由光束分离部件3、4把来自光源1的光束分离为多条光束。

然后，由偏振光变换元件6使来自光束分离部件3、4的光束的偏振方向一致后射出。

接着，根据偏振光状态，由偏振光束分裂器45、46分离来自偏振光变换元件6的光束。

然后，由相位板54～56向来自偏振光束分裂器45、46的光束赋予相位差，用经过了该相位板54～56的光束照明反射型液晶显示元件42～44。

这时，设与相位板的超前相轴或者滞后相轴正交，用偏振光束分裂器45、46分离光束的方向为X方向，与相位板的超前相轴或者滞后相轴正交而且与X方向正交的方向为Y方向。

设入射到图像显示元件42～44中的光束的X方向上的最大入射角度为θx，Y方向上的最大入射角度为θy。

另外，设通过该相位板的光束的主波长中的相位差成为90度的入射角度为y。这时，满足

θx＜θy         ……(1)

0度＜y≤θy    ……(2)

的条件。

特别是，最大入射角度θy与入射角度y满足

10度＜θy         ……(3)

θy/2＜y≤θy   ……(4)

的条件。

通过满足条件式(1)、(2)，能够使具有预定宽度的入射角度的照明光中的漏光为最小，容易提高投射图像的对比度。进而，如条件式(3)所示，使入射角度θy大于10度，在偏振光束分裂器中，使与分离光的方向正交的方向的入射角度y满足条件式(4)，而不损失亮度，容易提高投射图像的对比度。

其次，使用图2A、2B、2C说明实施例1的照明光学系统的光学作用。从光源1射出的白色光由反射器2反射聚光，入射到第1透镜阵列3。

入射的光由形成第1透镜阵列3的多个圆柱透镜分离为多条光束，透过第2透镜阵列4，入射到偏振光变换元件6。如图2C所示，偏振光变换元件6包括偏振光分离膜6a、反射膜6b和1/2相位板6c。

而且，用偏振光分离膜6a把入射的光Lf分离为P偏振光Lp和S偏振光Ls，S偏振光由反射膜6b反射到与P偏振光相同的方向，通过在P偏振光的射出侧配置1/2相位板6c，变换为与S偏振光相同的偏振光状态，将射出光变换为具有规定偏振光状态的光。如果根据图2A、2B的结构，则在偏振光变换元件中，变换为S偏振光，在偏振光束分裂器中作为P偏振光入射。

图2B表示由第1透镜阵列3把入射光分离为多条光束的剖面。图2B中，从偏振光变换元件6射出的光由聚光透镜5在反射型液晶显示元件42上重叠各个光束。

另外，在图2A的剖面中，沿着该剖面的方向，用具有光焦度的第1圆柱透镜7聚光来自偏振光变换元件6的光。

在图2A的剖面中，由第1圆柱透镜7变换为聚光的光束，由第2圆柱透镜8变换为实质上的平行光束。在此，第2圆柱透镜8配置在比第1圆柱透镜的聚焦位置还远的位置上(在反射型液晶显示元件42侧)。并且，第2圆柱透镜8的折射能力强于第1圆柱透镜7的折射能力。

由此，产生出把光束的宽度从反射器2的宽度变换为反射型液晶显示元件42的宽度，而且，照明光入射到反射型液晶显示元件42的角度θx的范围成为小于图2B的剖面的角度θy的角度(θx＜θy)的照明状态。

图3表示对应于照明光学系统的反射型液晶屏42的入射角度的光强度分布。在图3中，白色部分是光强度强的部分。在入射角度的范围狭窄的方向(x方向)是与由偏振光束分裂器分离光的XZ剖面平行的方向(x方向)，Fno大约是4，最大入射角度成为7度，入射角度大的方向是与其垂直的方向(y方向)，Fno大约是2，最大入射角度是14°。

这样在两个剖面方向中由不同的聚光作用下聚光的光在图1中由分色镜41分离为G和R、B光。

G光由第1偏振光板47截断不需要的偏振光成份，通过第1偏振光束分裂器45、G的1/4相位板54，导向G的反射型液晶显示元件42。

由G的反射型液晶显示元件42根据G的图像把偏振光状态调制了的光由第1偏振光束分裂器45检光，进而由第3偏振光板50检光。然后，由分色偏振光棱镜52反射，到达投射透镜(投射光学系统)53。

另一方面，透过分色镜41的R、B的光由第2偏振光板48截断不需要的偏振光成分，由色选择性相位板49把R光变换为由第2偏振光束分裂器46反射的偏振光状态。而且，R光被第2偏振光束分裂器46反射、通过R的1/4相位板55，导向R的反射型液晶显示元件43。

另外，B光通过第2偏振光束分裂器46、B的1/4相位板56，导向B的反射型液晶显示元件44。由R的反射型液晶显示元件43根据R的图像把偏振光状态调制了的光由第2偏振光束分裂器46检光，还由分色偏振光棱镜52检光，到达投射透镜53。

另外，由B的反射型液晶元件44根据B的图像把偏振光状态调制了的光由第2偏振光束分裂器46检光，还由第4偏振光板51检光，透过分色偏振光棱镜52，到达投射透镜53。

于是，由投射透镜53向屏幕S投射基于液晶显示元件42～44的图像信息。

这里，1/4相位板54～56由水晶构成，由把超前相轴扭转到90度的方向的两片相位板粘贴在一起的结构构成。由水晶构成的相位板如图4所示，根据入射角度，入射光的相位按照二次曲线变化，相位差变化量根据入射方向，正负不同。

图4中表示入射角为0度时成为相位差90度的情况。在这样的特性时，在大入射角度中，相位差很大地偏离90度。

设相位板主波长中的相位差成为1/4相位(90度)的入射角度y在y方向上为14°，在图4中相位差变化量成为35.3度。其结果，通过使在这里使用的相位板的垂直入射中的相位差成为54.7(90度-35.3度)度，能够使y中的相位差成为90度。

在图5中表示与在相位板提供给主波长的光的相位差为1/4相位(90度)的入射角度y，y方向的主波长为550nm那样地设定时的0度入射对应的波长特性。

根据图5，垂直入射(入射角度0度)时的相位差是54.7度。在入射角度狭窄的x方向中，虽然相位差偏离1/4相位，但这些方向由于入射角度狭窄，因此能够减少漏光。

另外，可以使这时的入射角度y成为

5度＜y＜15度

左右。

这里，作为主波长，在R、G、B的各个波长区域中，在照明光的强度分布上乘以相对可见度，选择感度最高的波长。

例如，在使用图6那样的波长分布的R、G、B的情况下，如果乘以相对可见度，则成为图7那样的分光分布。

这里，B、G、R的主波长成为

B＝490nm

G＝550nm

R＝595nm

另外，在实施例1以及后述的实施例中也可以使用透射型液晶显示元件。

实施例2

图8是本发明的图像投射装置的实施例2的主要部分的概略图。实施例2与实施例1相比较，色分解合成系统的结构不同，其它的结构相同。对于与实施例1相同的要素，赋予与实施例1相同的符号。

以下，以与实施例1的不同之处为中心说明实施例2。

图8中，61是分色镜，62、63、64分别是显示G、R、B的图像的反射型液晶显示元件。65是第1偏振光束分裂器，66是第2偏振光束分裂器。

67是第1偏振光板。68是第2偏振光板。69是使B的偏振光状态变换90度，不变换R的偏振光状态的第1色选择性相位板。70是第3偏振光板。72是第4偏振光板。

71是使R的偏振光状态变换90度，不变换B的偏振光状态的第2色选择性相位板。73是透过G光，反射B、R光的光束分裂器。74是投射透镜。75、76、77分别是由G、R、B的水晶板构成的相位板。

这里，由分色镜61把来自光源1的光束分离为G和R、B光。其中，G光由第1偏振光板67截断不需要的偏振光成份，由第1偏振光束分裂器65反射，通过G的1/4相位板75，导向G的反射型液晶显示元件62。

由G的反射型液晶显示元件62根据G的图像把偏振光状态调制了的光由第1偏振光束分裂器65检光，还由第3偏振光板70检光，透过偏振光束分裂器73，到达投射透镜74。

由分色镜61反射了的R、B光由第2偏振光板68截断不需要的偏振光成分。然后，R光原封不动地透过第1色选择性相位板69，由第2偏振光束分裂器66反射，通过R的1/4相位板76，导向R的反射型液晶显示元件63。

另外，B光由第1色选择性相位板69变换为透过第2偏振光束分裂器66的偏振光状态。然后B光通过第2偏振光束分裂器66和B的1/4相位板77，导向B的反射型液晶显示元件64。

由R的反射型液晶显示元件63根据R的图像把偏振光状态调制了的光由第2色选择性相位板71把偏振光状态变更以后，由第4偏振光板72检光，进而透过偏振光束分裂器73，到达投射透镜74。

由B的反射型液晶显示元件64根据B的图像把偏振光状态调制了的光由第2偏振光束分裂器66检光，由第4偏振光板72检光，进而透过偏振光束分裂器73，到达投射透镜74。

以上是实施例2的色分解合成系统的结构。

实施例3

图9是本发明的图像投射装置的实施例3的主要部分的概略图。

图9作为中心表示色分解合成系统。

来自照明光学系统(在此表示为IL并且省略)的白色光由第1分色镜81分离为B和RG光。透过第1分色镜81的B的光由反射镜82反射了以后，到达第1偏振光板83。

由第1偏振光板83截断不需要的偏振光成分，由第1偏振光束分裂器84反射，通过B的1/4相位板85，导向B的反射型液晶显示元件86。

由B的反射型液晶显示元件86根据B的图像把偏振光状态调制了的光由第1偏振光束分裂器84检光，还由第2偏振光板85检光，由色合成棱镜87反射，到达投射透镜88。

由第1分色镜81反射了的RG光由第2分色镜89分离为G和R光。

由第2分色镜89反射的G光到达第3偏振光板90。

G光由第3偏振光板90截断不需要的偏振光成分，由第2偏振光束分裂器91反射，通过G的1/4相位板92，导向G的反射型液晶显示元件93。

由G的反射型液晶显示元件93根据G的图像把偏振光状态调制了的光由第2偏振光束分裂器91检光，还由第4偏振光板94检光，透过色合成棱镜87，到达投射透镜88。

透过了第2分色镜89的R光到达第5偏振光板95。由第5偏振光板95截断不需要的偏振光成分，由第3偏振光束分裂器96反射，通过R的1/4相位板97，导向R的反射型液晶显示元件98。

由R的反射型液晶显示元件98根据R的图像把偏振光状态调制了的光由第3偏振光束分裂器96检光，进而由第6偏振光板99检光，由色合成棱镜87反射，到达投射透镜88。

以上是实施例3的色分解合成系统的结构。

另外，在各实施例中，相位板是水晶，而代替水晶，也可以使用把薄膜延伸的相位板。

其次，说明各实施例的装置结构的变形例。

实施例1、2中，代替图2A、图2B所示的照明光学系统，也可以是图10所示那样的结构。

图10中，在第1圆柱透镜7的聚光位置或者其附近设置第3、第4透镜阵列15、16。第3、第4透镜阵列15、16由配置在与第1透镜阵列3不同剖面方向的多个圆柱透镜构成。

由第3透镜阵列15分割了的多条光束由第4透镜阵列16、聚光透镜5、第2圆柱透镜8，重叠到反射型液晶显示元件42上。

这时，也能够做成由第1圆柱透镜7聚光的向剖面方向的液晶显示元件42的光的入射角度减小的照明光学系统。

另外，以上的说明中表示的圆柱透镜、圆柱透镜阵列不限于该形状，也可以是由具有很大光焦度的剖面和与其相比较具有较小光焦度的剖面构成的复曲面透镜。

另外，作为图2A、B的变形例，也可以是图11A、图11B所示的结构。在图11A、11B中，21是光源，22是反射器。23是在XZ面中具有光焦度的第1圆柱透镜，24是在XZ面中具有光焦度的第2圆柱透镜。

25是由在YZ面中具有光焦度的多个透镜构成的第1透镜阵列，26是由在YZ面中具有光焦度的多个透镜构成的第2透镜阵列。27是聚光透镜。

28是把无偏振光变换成规定的偏振光的偏振光变换元件。45是偏振光束分裂器，54是1/4相位板，42是反射型液晶显示元件，47是第1偏振光板。

说明图11A、11B的光学作用。在这些图中，从光源21放射的白色光由反射器22反射聚光，入射到第1圆柱透镜23。由第1圆柱透镜23把光仅聚光到规定的剖面方向(X方向)。

第2圆柱透镜24具有把来自第1圆柱透镜23的光束变换为几乎平行状态的作用。然后，仅沿着规定的方向压缩了光束的宽度的平行光入射到第1透镜阵列25。

入射的光在图11A、图11B的剖面中，由形成第1透镜阵列25的透镜分离成多条光束，透过第2透镜阵列26，入射到偏振光变换元件28。

偏振光变换元件28如图12所示，由偏振光分离膜28a、反射膜28b和1/2相位板28c构成。

偏振光变换元件28由偏振光分离膜28a把入射的光分离为P偏振光和S偏振光。然后，S偏振光由反射膜28b反射成与P偏振光相同的方向，通过在P偏振光的射出侧配置1/2相位板28c，变换为与S偏振光相同的偏振光状态，使射出光变换为具有规定的偏振光状态的光。

由第1透镜阵列25所分离的多条光束从偏振光变换元件28射出之后，由聚光透镜27在反射型液晶显示元件42上重叠各个光束。由此，生成由第1圆柱透镜23聚光的剖面(图11C)中的光比与其正交的剖面的光减小了入射到反射型液晶显示元件42的角度的照明状态，即，θx＜θy。

依据以上的各实施例，可以得到能够均匀地照明液晶显示元件上显示的图像，能够投射明亮而且具有高对比度的图像照明控制系统以及图像投射装置。

Claims (5)

1.一种照明光学系统，其特征在于包括：

光源；

偏振光变换元件，把来自上述光源的光束变换为具有特定偏振方向的光束；

偏振光束分裂器，把来自该偏振光变换元件的光束基于其偏振光状态进行分离；以及

相位板，对来自偏振光束分裂器的光束赋予相位差，

这里，上述照明光学系统用经过了上述相位板的光束照明被照明面，且满足以下的条件，

θx＜θy

0度＜y≤θy

其中，设：

与上述相位板的超前相轴或者滞后相轴正交，由该偏振光束分裂器反射光束并进行分离的方向为x方向；

与上述相位板的超前相轴或者滞后相轴正交，并且与上述x方向正交的方向为y方向；

入射到该被照明面的照明光束的x方向中的最大入射角为θx，y方向中的最大入射角为θy；

上述光束向该相位板的入射角度，即通过该相位板的光束的主波长中的相位差成为90度的入射角度为y。

2.根据权利要求1所述的照明光学系统，其特征在于包括：

光束分离器件，把来自上述光源的光束分离为多条光束。

3.根据权利要求1所述的照明光学系统，其特征在于：

上述最大入射角度θy和入射角度y满足如下条件：

10度＜θy

θy/2＜y≤θy。

4.一种图像投射装置，其特征在于包括：

图像显示元件；

照明光学系统，照明上述图像显示元件；以及

投射光学系统，在被投射面上投射来自上述图像显示元件的光束，

这里，上述照明光学系统包括：

光源；

偏振光变换元件，把来自上述光源的光束变换为具有特定偏振方向的光束；

偏振光束分裂器，把来自上述偏振光变换元件的光束基于其偏振光状态进行分离；以及

相位板，对来自上述偏振光束分裂器的光束上赋予相位差，

这里，上述照明光学系统用经过了上述相位板的光束照明上述图像显示元件，且满足以下的条件：

θx＜θy

0度＜y≤θy

其中，设：

与上述相位板的超前相轴或者滞后相轴正交，由该偏振光束分裂器反射光束并进行分离的方向为x方向；

与上述相位板的超前相轴或者滞后相轴正交，并且与上述x方向正交的方向为y方向；

入射到该被照明面的照明光束的x方向中的最大入射角为θx，y方向中的最大入射角为θy；

上述光束向该相位板的入射角度，即通过该相位板的光束的主波长中的相位差成为90度的入射角度为y。

5.根据权利要求4所述的图像投射装置，其特征在于：

上述图像显示元件是反射型的液晶显示元件。

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