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CN101460894B - 照明光学装置和投射式显示装置 - Google Patents

照明光学装置和投射式显示装置 Download PDF

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CN101460894B CN2007800204308A CN200780020430A CN101460894B CN 101460894 B CN101460894 B CN 101460894B CN 2007800204308 A CN2007800204308 A CN 2007800204308A CN 200780020430 A CN200780020430 A CN 200780020430A CN 101460894 B CN101460894 B CN 101460894B
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Abstract

具有：2n个光源(21a～21d)，n为2以上；2n个由椭圆面镜(21a～21d)构成的第一聚光光学系统，配置成分别对来自各光源的射出光进行聚光；n个第一合成光学系统，由截面是二等边三角形的三角柱状棱镜(23a、23b)构成，配置成分别将从第一聚光光学系统中的对应的2个第二聚光光学系统射出的射出光进行合成；第二聚光光学系统(26a、26b)，配置成分别对来自各第一合成光学系统的射出光进行聚光；n/2个第二合成光学系统，由截面是二等边三角形的三角柱状棱镜(27)构成，配置成分别将从第二聚光光学系统中的对应的2个第二聚光光学系统射出的射出光进行合成；和第三聚光光学系统(35)，由多个透镜和多个透镜阵列构成，配置成入射来自第二合成光学系统的射出光。2n个第一聚光光学系统的光轴分别相互大致平行。

Description

照明光学装置和投射式显示装置
技术领域
本发明涉及向作为图像形成装置的光阀上照射来自光源的光的照明装置、以及用照明光照射光阀上形成的图像，并由投射镜头将其放大并投射到屏幕上的投射式显示装置。
背景技术
为了得到大画面影像，已知有一种放大式显示装置，该显示装置是在光阀上形成与影像信号对应的光学像，向该光学像照射光，由投射镜头将其放大并投射到屏幕上的投影仪等。
在这样的投射式显示装置中，若与红、绿、蓝三元色相对应地使用3个光阀，就能够显示高亮度、高清晰度并且色彩再现性良好的投射图像。另外，若使用多个光源，则不仅能够显示更高亮度的投射图像，而且还具有若万一某一个光源产生故障不亮灯时其他光源仍亮灯，投射图像不中断的优点。例如在专利文献1和专利文献2中公开了使用这样的多个光源的投射式显示装置。
图11示出专利文献2中公开的使用了2个光源的投射式显示装置的结构例。在图11中，来自光源1a、1b的放射光被椭圆面镜2a、2b分别聚光在合成棱镜3上。合成棱镜3在光的入射面上形成反射镜，使来自椭圆面镜2a、2b的聚光光的光轴相互靠近，将2个光的行进方向沿着聚光光学系统的光轴10合成为一个光，使其作为发散光向以聚光镜11为首的聚光光学系统侧反射。
由聚光镜11将来自合成棱镜3的光变换为大致平行光。来自聚光镜11的大致平行光入射到由多个透镜构成的第一透镜阵列板12上。入射到第一透镜阵列板12上的光束被分割成许多光束，并且将分割后的许多光束会聚在由多个透镜构成的第二透镜阵列板13上。在第二透镜阵列板13上形成多个光源1a、1b的许多微小光源像。
第一透镜阵列板12的透镜元件的焦距等于第一透镜阵列板12和第二透镜阵列板13的间隔。第一透镜阵列板12的透镜元件的形状是与液晶板面15相似的开口形状。设定第二透镜阵列板13的透镜元件的焦距被设定为使第一透镜阵列板12面和液晶面板面16大致成为共轭关系。
照明透镜14是用于将从第二透镜阵列板13的各透镜元件射出的光叠加照射到液晶面板16上的透镜。从第二透镜阵列板13射出的许多光束被叠加在液晶面板16上，高效且均匀地照射液晶面板16。
物镜15用于将照射到液晶面板16上的光聚光到投射镜头17的瞳面(pupil plane)18上。投射镜头17将液晶面板16上形成的光学像投射到屏幕(未图示)上。
专利文献1：日本专利第3581568号公报
专利文献2：日本特开2000-171901号公报
为了提高投射式显示装置的亮度，一般最好提高作为光源的放电灯的功率消耗，于是放电灯的寿命就变短。如果既确保放电灯的寿命，又提高消耗功率，就具有发光部变大，光利用率降低的问题。
因此，使用多个消耗功率比较小的光源就能够高效地提高投射式显示装置的亮度。
但是，在图11的结构的情况下限定能够使用的光源为2个，因此，为了确保可靠性，单个光源中所能使用的消耗功率也有限制。若要进一步增加光源，装置内的容纳空间就变大，从而就必须要增大投射式显示装置。
发明内容
本发明解决上述现有技术的问题，其目的在于提供一种即使在使用多于2个的光源的情况下，也不降低光利用率，并且能够紧凑地构成投射式显示装置。
为了达到上述目的，本发明的投射式显示装置中的照明光学装置具有：2n个光源，n为2以上；由椭圆面镜构成的2n个第一聚光光学系统，配置成分别对来自上述各光源的射出光进行聚光；n个第一合成光学系统，由截面是二等边三角形的三角柱状棱镜构成，配置成分别将从上述第一聚光光学系统中的对应的2个第一聚光光学系统射出的射出光进行合成；第二聚光光学系统，配置成分别对来自上述各第一合成光学系统的射出光进行聚光；n/2个第二合成光学系统，由截面是二等边三角形的三角柱状棱镜构成，配置成分别将从上述第二聚光光学系统中的对应的2个上述第二聚光光学系统射出的射出光进行合成；和第三聚光光学系统，由多个透镜和多个透镜阵列构成，配置成入射来自上述第二合成光学系统的射出光，上述2n个第一聚光光学系统的光轴分别相互大致平行。
此外，上述第一聚光光学系统中的椭圆面的第一焦距fE1和第二焦距fE2满足式(1)的关系，
8≤fE2/fE1≤11    式(1)。
此外，本发明的投射式显示装置具有：调制入射光来形成图像的图像形成装置；向上述图像形成装置照射来自光源的光的照明光学装置；以及放大并投射上述图像形成装置上形成的光学像的投射装置，使用了上述结构的照明光学装置作为上述照明光学装置。
发明效果
根据本发明的结构，在使用3个以上的光源的情况下，通过抑制单个光源的功率消耗，既确保可靠性，又结构紧凑，并且能够高效率地照明，能够实现投射超高亮度的投射图像的投射式显示装置。
附图说明
图1A是示出本发明的实施方式1中的投射式显示装置的整体结构的正视图。
图1B是从箭头A方向看图1A中的光源配置的底视图。
图1C是从箭头B方向看图1A中的光源配置的侧视图。
图2是示出本发明的实施方式1中的投射式显示装置的椭圆面镜的概略结构的剖视图。
图3是示出该投射式显示装置的聚光镜系统的概略结构的剖视图。
图4是示出该投射式显示装置的聚光镜系统的概略结构的剖视图。
图5A是示出该投射式显示装置中包含的第一透镜阵列的概略结构的正视图。
图5B是示出该投射式显示装置中包含的第二透镜阵列的概略结构的正视图。
图6A是示出本发明的实施方式2中的投射式显示装置的整体结构的正视图。
图6B是从箭头C方向看图6A中的光源配置的底视图。
图7A是示出本发明的实施方式3中的投射式显示装置的整体结构的正视图。
图7B是从箭头D方向看图7A中的光源配置的底视图。
图7C是从箭头E方向看图7A中的光源配置的侧视图。
图8是用于说明本发明的实施方式3中的投射式显示装置的凹面镜的结构的图。
图9是用于说明该凹面镜的详细结构的图。
图10A是示出本发明的实施方式4中的投射式显示装置的整体结构的正视图。
图10B是从箭头F方向看图10A中的光源配置的底视图。
图10C是从箭头G方向看图10A中的光源配置的侧视图。
图11是示出现有例的投射式显示装置的整体结构的正视图。
附图标记的说明
1a～1b、21a～21d、51a～51d、81a～81d、111a～111d光源
2a～2b、22a～22b、52a～52b、82a～82b、112a～112b椭圆面镜
3、23a、23b、27、53a、53b、57、83a、83b、85、114a、114b、116合成棱镜
35、65、93、125第三聚光光学系统
38a～38c、68a～68c、96a～96c、128a～128c反射式光阀
39、69、97、129投射镜头
26a、26b、56a、56b聚光镜系统
84a、84b、115a、115b凹面镜
具体实施方式
本发明的照明光学装置能够以上述结构为基本结构取各种各样的方式。例如，上述第二聚光光学系统可以由至少1个透镜构成，或者由反射面是变形(anamorphic)的非球面形状的凹面镜构成。除此以外，通过使用各技术方案中所述的方式，能够得到对应于各种用途的特性。
以下，参照附图，关于本发明的投射式显示装置的实施方式进行说明。
(实施方式1)
图1A是示出本发明的实施方式1中的投射式显示装置的整体结构的正视图。图1B是从箭头A方向看图1A中的光源配置的底视图。图1C是同样地从箭头B方向看图1A中的光源配置的侧视图。图2是示出椭圆面镜的概略结构的剖视图。图3和图4是示出聚光镜系统的概略结构的剖视图。图5A和图5B是分别示出第一和第二透镜阵列的概略结构的正视图。
在本实施方式的投射式显示装置中，作为用于调制入射光来形成图像的空间光调制元件，使用反射式光阀38a、38b、38c。反射式光阀38a、38b、38c在各个像素上矩阵状排列反射镜元件，根据影像信号来调制光的行进方向，通过反射角的变化形成光学像。作为用于向反射式光阀38a、38b、38c照射照明光的光源，使用由超高压水银灯构成的4个光源21a、21b、21c、21d。
椭圆面镜22a、22b、22c、22d起第一聚光光学系统的作用。合成棱镜23a、23b起第一合成光学系统的作用。入射侧透镜24a、24b和射出侧透镜25a、25b起第二聚光光学系统的作用。合成棱镜27起第二合成光学系统的作用。透镜28、31、34、第一透镜阵列29、第二透镜阵列30和全反射镜32、33起第三聚光光学系统的作用。
从光源21a、21b、21c、21d输出的输出光，被截面形状形成椭圆面的椭圆面镜22a、22b、22c、22d聚光。由椭圆面镜22a、22b、22c、22d聚光后的光源21a、21b、21c、21d的光源像，分别成像在对应的合成棱镜23a、23b的反射镜面上，然后向聚光镜系统26a、26b侧反射(参照图1B)。合成棱镜23a、23b是截面为二等边三角形的三角柱状，在光入射的面上形成有交替层叠了低折射率材料和高折射率材料的多层介质膜反射镜。
从合成棱镜23a、23b射出的光，以来自椭圆面镜22a、22b的会聚光的光轴41a、41b和来自椭圆面镜22c、22d的聚光光的光轴41c、41d分别相靠近的方式，作为发散光行进，然后，利用由相对应的入射侧透镜24a、24b和射出侧透镜25a、25b构成的作为第二聚光光学系统的聚光镜系统26a、26b，分别将其重新变换为会聚光。
由聚光镜系统26a、26b聚光后的光，在第二合成棱镜27的反射镜面重新作为发散光向第三聚光光学系统35(参照图1A)侧反射。合成棱镜27是截面为二等边三角形的三角柱状，与上述合成棱镜23a、23b同样地，在光入射的面上形成有交替层叠了低折射率材料和高折射率材料的多层介质膜反射镜。
第三聚光光学系统35中依次配置有正放大率透镜28、31、34、第一透镜阵列29、第二透镜阵列30、透镜31、全反射镜32、33、透镜34。从合成棱镜27射出的发散光被透镜28变换为大致平行光后，入射到第一透镜阵列29中。第一透镜阵列29由许多微透镜构成，为了高效地进行均匀性高的照明而将光源像分成细小的像。从第一透镜阵列59射出的光，透过了第二透镜阵列30和正透镜31之后，由全反射镜32、33反射后入射到透镜34中。
从透镜34射出的光经由全反射棱镜36入射到颜色分解合成棱镜37中。由颜色分解合成棱镜37从白色光分解成红、蓝、绿三元色光之后的照明光，入射到对应的3个光阀38a、38b、38c中。
3个光阀38a、38b、38c根据各自的影像信号来调制光的行进方向，从而形成光学像。来自光阀38a、38b、38c的反射光重新被颜色分解合成棱镜37合成为1个光，透过全反射棱镜36后，由投射镜头39将其放大并投射。
以下，进一步详细地说明构成本实施方式的投射式显示装置的上述各要素。
椭圆面镜22a、22b、22c、22d在由玻璃制成的基体材料的内表面上形成了透过红外光并反射可见光的多层介质光学膜。
关于椭圆面镜22a、22b、22c、22d的椭圆面形状，使用图2进行说明。在图2中，假设从椭圆面22的顶点到配置了光源的发光体中心21的位置的距离为第一焦距fE1，从椭圆面22的顶点到使来自光源的输出光聚光并使发光体成像的位置的距离为第二焦距fE2。优选第一和第二焦距fE1、fE2满足式(1)的关系。
8≤fE2/fE1≤11           (1)
在上述数值小于8的情况下，成像在第二焦距fE2上的光源的发光体像的成像倍率变大，聚光效率降低。为了补偿聚光效率的降低，必须要增大后面的全部光学元件的有效面积，因此，整个装置(set)就变大，难以紧凑地构成。
此外，在上述数值大于11的情况下，聚光在第二焦距fE2上的聚光角变大，需要增大后面的透镜系统的有效直径，该情况下也难以使装置大小紧凑地构成。
另一方面，在第二焦距fE2变长时，光程长度变长，因此，椭圆面镜22a、22b、22c、22d周边就不能紧凑地构成。
此外，在第一焦距fE1变短时，光源21a、21b、21c、21d靠近椭圆面镜22a、22b、22c、22d，因此，光源21a、21b、21c、21d和椭圆面镜22a、22b、22c、22d双方都难以满足用于确保可靠性的良好的冷却条件。
此外，在第二焦距fE2变短时，椭圆面镜22a、22b、22c、22d靠近后面的光学系统，因此很难构成保持结构和冷却结构。
假设上述数值(fE2/fE1)更好是9以上且10以下。通过满足以上条件，就能够兼顾聚光效率、装置紧凑性和合理的冷却结构。
合成棱镜23a、23b和合成棱镜27都将来自光源21a、21b、21c、21d的输出光聚光在微小面积上，因此，形成反射镜面的多层膜中所使用的材料必须要使用耐热性和抗紫外线性能良好的材料。否则，就有可能在多层膜面上产生裂纹和表面变质，不能够维持良好的反射率。
为了满足该条件，使用折射率为1.46的SiO2作为构成多层介质膜的低折射率层，使用折射率为2.10的Ta2O5作为高折射率层，这样来形成交替周期层。除此以外，也可以使用Ta2O5和TiO2的混合材料作为高折射率材料。
作为构成聚光镜系统26a、26b的入射侧透镜24a、24b和射出侧透镜25a、25b，如图3所示，都具有正放大率，并且抑制球面像差到最小限度，因此，使用单面为非球面的平凸透镜。有效孔径、非球面形状和焦距互为相同，入射侧透镜24a、24b将发散光变换成大致平行光，再用射出侧透镜25a、25b将其变换成会聚光。
这样地，通过将透镜的凸面形状设为非球面，并且由2个透镜来分配聚光镜系统26a、26b的放大率，就能够把透镜中所产生的像差抑制到最小限度。
另外，通过将入射侧透镜24a、24b和射出侧透镜25a、25b设计成相同形状，能够降低元件成本到廉价，也能够适于批量生产。
在此，关于将由多个椭圆面镜聚光后的光进行小型且高效的合成的条件进行补充。图4是用于说明该条件的概略图。在图4中，光轴106a和光轴103a分别示出由合成棱镜23a反射了椭圆面镜22a的光轴41a之后和从聚光镜系统26a射出之后的状态。如图4所示，光轴107a平行于聚光镜系统26a的光轴105a。
图4所示出的光学系统优选构成为，在包含合成棱镜23a的反射面的法线104a和椭圆面镜22a的光轴41a的面内，满足式(2)的关系。
L1/3≤L2≤L1            (2)
在此，L1是从合成棱镜23a上的椭圆面镜22a的光轴41a与聚光镜系统26a的光轴105a的交点到聚光镜系统26a的光入射面和光射出面之间的中间点102a的距离。L2是从椭圆面镜22a的光轴与聚光镜系统26a的光轴105a的交点到由合成棱镜23a反射的椭圆面镜22a的光轴上的光线106a与聚光镜系统26a的光轴105a所交叉的位置的距离。
在L2不满足上式的情况下，从聚光镜系统26a射出后的椭圆面镜22a的光轴103a的平行度变差，后述的第二合成棱镜27以后的聚光度变差。
此外，在L2小于下限值的情况下，光轴106a相对于聚光镜系统26a的高度变高，聚光镜系统26a的孔径变得过大，因此难以小型化。
另外，假设椭圆面镜22a的光轴41a的反射位置100a和聚光镜系统26a的光轴105a之间的距离为L3，则L2与L3的关系优选满足式(3)的关系。
L3/L2＝tanθ
5°≤θ≤20°         (3)
在θ不足5°或者超过20°时，就难以兼顾既确保良好的聚光效率又使整个装置小型化。
另外，更优选在式(4)所示的尺寸范围内构成L3。
1.2mm≤L3≤5mm        (4)
在L3小于下限值1.2mm时，由椭圆面镜22a聚光后的光溢出合成棱镜23a的光量增多，因此，合成效率变差。此外，在大于上限值5mm时，光轴106a相对于聚光镜系统26a的高度变高，聚光镜系统26a的孔径变得过大，因此难以小型化。
以上说明以椭圆面镜22a为例，关于椭圆面镜22b、22c、22d也同样。
通过如上所述地构成，就能将由多个椭圆面镜聚光后的光进行小型且高效地合成。
在以上结构中，分别相互平行地配置光源21a、21b、21c、21d的光轴41a、41b、41c、41d。
此外，光源21a和21b及椭圆面镜22a和22b分别相对于从对应的合成棱镜23a的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线相互呈轴对称地配置。同样地，光源21c和21d及椭圆面镜22c和22d分别相对于从对应的合成棱镜23b的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线相互呈轴对称地配置。
另外，所述由光源21a、21b、椭圆面镜22a、22b、合成棱镜23a和聚光镜系统26a构成的系统以及由光源21c、21d、椭圆面镜22c、22d、合成棱镜23b和聚光镜系统26b构成的系统，相对于从合成棱镜27的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线相互呈轴对称地配置。
此外，还设计成在从4个光源21a、21b、21c、21d向后面的光学系统展开的4个光轴从合成棱镜27射出时，截面中的配置分别位于大致正方形的4个角上。即，配置成4个光轴的相邻光轴以互为相同的间隔入射到第三聚光光学系统35中。
通过如上所述地配置，即使在使用了多个光源的光学系统的情况下，照明光也具有对称性，因此，不容易产生亮度不均匀的情况。此外，整个光学系统也能够无浪费空间地紧凑构成，而且，通过对称地排列相同光学元件，也同样地能够使用共同元件来构成保持结构和冷却结构。
在以上结构中，各聚光光学系统间的关系优选满足式(5)。
(D1/f1)＝(D2/f2)＝(D3/f3)               (5)
其中，D1是椭圆面镜22a、22b、22c、22d的光射出侧开口的有效直径。f1是从椭圆面镜22a、22b、22c、22d的光射出侧开口面到光源21a、21b、21c、21d的射出光被聚光成最小尺寸的面的距离。D2是构成聚光镜系统26a、26b的入射侧透镜24a、24b和射出侧透镜25a、25b的各自的有效孔径。f2是入射侧透镜24a、24b和射出侧透镜25a、25b的焦距。D3是构成第三聚光光学系统35的透镜28的有效孔径。f3是透镜28的焦距。
通过满足该条件，能够得到良好的聚光效率。
由于入射到第一透镜阵列29中的光具有靠近光轴的中心附近最亮、越往周边越急剧变暗的趋势，因此，在就这样地照射到反射式光阀38a、38b、38c上时，面内亮度就不均匀。
因此，如图5A所示，使第一透镜阵列29构成为把分成细小部分后的各微透镜29a的开口形状当作二维面光源。使各微透镜29a的外形具有与反射式光阀38a、38b、38c的有效显示面相同的纵横比，由各微透镜29a将光源像分成透镜阵列数量个数的细小像，并其成像在对应的第二透镜阵列30的各微透镜30a上。这样，就在各微透镜30a上成像4个光源21a、21b、21c、21d的发光体像。
此外，根据发光体像的成像位置，最优化第二透镜阵列30的各微透镜30a的开口形状，以使在第二透镜阵列30的有效区域内细密填充地配置4个发光体像。通过这样做，不增大第二透镜阵列30的有效直径就能得到良好的聚光效率。
从第二透镜阵列30输出的输出光(途中经由反射镜32、33)，由第二透镜阵列30和聚光镜31、34以叠加了第一透镜阵列29的各透镜形状的像的状态照射到反射式光阀38a、38b、38c上。通过这样地构成，就能够得到均匀且与反射式光阀38a、38b、38c的纵横比相对应的聚光效率高的照明。
全反射棱镜36由2个棱镜构成，在棱镜的相互邻近面上形成有非常薄的空气层。对空气层进行角度设定，使得在照明光入射到空气层中时，以临界角以上的角度入射并全反射，然后从倾斜方向向反射式光阀38a、38b、38c侧行进，作为投射图像而从反射式光阀38a、38b、38c反射的光，以临界角以下的角度入射并透过空气层，然后入射到投射镜头39中。通过这样设置全反射棱镜36，就能够紧凑地构成整个投射光学系统。
配置在全反射棱镜36和反射式光阀38a、38b、38c之间的颜色分解合成棱镜37，由3个棱镜构成，在各个棱镜的相邻面上形成了蓝反射分色镜和红反射分色镜。
3个反射式光阀38a、38b、38c分别用于红色、绿色和蓝色。从全反射棱镜36入射的光，首先被蓝反射分色镜仅反射蓝色光，成为蓝色光而入射到蓝色用反射式光阀38c中。接着，透过了蓝反射分色镜的光，被红反射分色镜仅反射红色光，成为红色光而入射到红色用反射式光阀38a中。然后，都透过了蓝反射分色镜和红反射分色镜后的绿色光，入射到绿色用反射式光阀38b中。3个颜色的光分别被对应的反射式光阀38a、38b、38c反射后，重新由蓝反射分色镜和红反射分色镜合成为1个光，入射到全反射棱镜36中。
通过这样地将白色光分解及合成为红、蓝、绿三元色，使用与各个影像信号相对应的3个反射式光阀38a、38b、38c，就能够高精细度地显示全色的投射图像。
入射到反射式光阀38a、38b、38c中的照明光中，相当于白显示的光透过全反射棱镜36和投射镜头39后，放大并投射到屏幕(未图示)上。另一方面，相当于黑显示的光行进到投射镜头39的有效直径之外，不到达屏幕上。
再有，该情况下，光源21a、21b、21c、21d的光轴41a、41b、41c、41d如前所述地相互平行地配置，并且配置成都垂直于投射镜头39的光轴42。
作为光源21a、21b、21c、21d来使用的超高压水银灯这样的弧光灯，在相对于光轴41a、41b、41c、41d旋转的方向上使用的情况下，能够确保充分的可靠性和寿命。但是，在除此以外的方向上以倾斜状态使用时，很多情况下可靠性显著降低并且寿命差。一般的，很多投射式显示装置的设置环境都是在相对于装置的水平轴进行旋转的方向上进行投射，通过如本实施方式这样地配置，只要在相对于装置的水平轴进行旋转的方向上进行投射，不论姿势如何，都能够确保可靠性和寿命。
(实施方式2)
图6A是示出本发明的实施方式2中的投射式显示装置的整体结构的正视图。图6B是从箭头C方向看光源配置的底视图。
作为空间光调制元件，使用反射式光阀68a、68b、68c。反射式光阀中，在各个像素上矩阵状排列反射镜元件，根据影像信号调制光的行进方向，通过反射角的变化来形成光学像。使用超高压水银灯作为4个光源51a、51b、51c、51d。
椭圆面镜52a、52b、52c、52d起第一聚光光学系统的作用。合成棱镜53a、53b起第一合成光学系统的作用。入射侧透镜54a、54b和射出侧透镜55a、55b起第二聚光光学系统的作用。合成棱镜57起第二合成光学系统的作用。透镜58、61、64、第一透镜阵列59、第二透镜阵列60和全反射镜62、63起第三聚光光学系统的作用。
从光源51a、51b、51c、51d输出的输出光，经由对应的冷光镜50a、50b、50c、50d，被截面形状形成椭圆面的椭圆面镜52a、52b、52c、52d聚光。冷光镜50a、50b、50c、50d在透明玻璃板的表面上形成有反射可见光并透过紫外线和红外线的多层介质膜。若这样地配置，则只考虑冷光镜50a、50b、50c、50d周边的耐光性和冷却就行，只有可见光到达后面的光学元件，因此，能够减轻对于紫外线和红外线的耐光性和耐热性的考虑。
由椭圆面镜52a、52b、52c、52d聚光后的光源51a、51b、51c、51d的光源像，经由冷光镜50a、50b、50c、50d，分别成像在对应的第一合成棱镜53a、53b的反射镜面上，然后向聚光镜系统56a、56b侧反射。第一合成棱镜53a、53b是截面为二等边三角形的三角柱状，在光入射的面上形成有交替层叠了低折射率材料和高折射率材料的多层介质膜反射镜。
从合成棱镜53a、53b射出的光，以来自椭圆面镜52a、52b的会聚光的光轴71a、71b和来自椭圆面镜52c、52d的聚光光的光轴71c、71d分别相靠近的状态，作为发散光进行行进。然后，利用由相对应的入射侧透镜54a、54b和射出侧透镜55a、55b构成的作为第二聚光光学系统的聚光镜系统56a、56b，分别将其重新变换为会聚光。
由聚光镜系统56a、56b聚光后的光，在第二合成棱镜57的反射镜面上重新作为发散光向第三聚光光学系统65侧反射。合成棱镜57也是截面为二等边三角形的三角柱状，在光入射的面上形成有交替层叠了低折射率材料和高折射率材料的多层介质膜反射镜。
第三聚光光学系统65依次配置有正放大率的透镜58、61、64、第一透镜阵列59、第二透镜阵列60、透镜61、全反射镜62、63、透镜64。从合成棱镜57射出的发散光被透镜58变换为大致平行光后，入射到第一透镜阵列59中。第一透镜阵列59为了高效地进行均匀性高的照明，将光源像分成细小的像。从第一透镜阵列59射出的光，透过了第二透镜阵列60和正透镜61之后，由全反射镜62、63反射后入射到透镜64中。
从透镜64射出的光经由全反射棱镜66入射到颜色分解合成棱镜67中。由颜色分解合成棱镜67从白色光分解成红、蓝、绿三元色光之后的照明光，入射到对应的3个光阀68a、68b、68c中。
3个光阀68a、68b、68c根据各自的影像信号来调制光的行进方向，从而形成光学像。来自光阀68a、68b、68c的反射光重新被颜色分解合成棱镜67合成为1个光，透过全反射棱镜66后，由投射镜头69将其放大并投射。
以下，进一步详细地说明构成本实施方式的投射式显示装置的上述各要素。
椭圆面镜52a、52b、52c、52d的椭圆面形状与实施方式1的椭圆面镜22a、22b、22c、22d同样，优选满足式(1)的条件。
在本实施方式中，在式(1)中的fE2/fE1的值小于8的情况下，成像在第二焦距fE2上的光源的发光体像的成像倍率变大，聚光效率降低。从而，为了补偿聚光效率的降低，必须要增大后面的全部光学元件的有效面积，因此，整个装置就变大，难以紧凑地构成。
此外，在上述数值大于11的情况下，聚光在第二焦距fE2上的聚光角变大，需要增大后面的透镜系统的有效直径，该情况下也难以使装置大小紧凑地构成。
另一方面，在第二焦距fE2变长时，光程长度变长，因此，椭圆面镜52a、52b、52c、52d周边同样地不能紧凑地构成。
此外，在第一焦距fE1变短时，光源51a、51b、51c、51d靠近椭圆面镜52a、52b、52c、52d，因此，光源51a、51b、51c、51d和椭圆面镜52a、52b、52c、52d双方都难以满足用于确保可靠性的良好的冷却条件。
此外，在第二焦距fE2变短时，椭圆面镜52a、52b、52c、52d靠近后面的光学系统，因此很难构成保持结构和冷却结构。
构成聚光镜系统56a、56b的入射侧透镜54a、54b和射出侧透镜55a、55b与实施方式1同样地，都具有正放大率，并且把球面像差抑制到最小限度，因此，使用单面为非球面的平凸透镜。有效孔径、非球面形状和焦距互为相同，入射侧透镜54a、54b将发散光变换成大致平行光，再用射出侧透镜55a、55b将其变换成会聚光。
在以上结构中，分别相互平行地配置光源51a、51b、51c、51d的光轴71a、71b、71c、71d。
此外，光源51a和51c、椭圆面镜52a和52c及冷光镜50a、50c分别相对于从对应的合成棱镜53a的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线相互呈轴对称地配置。同样地，光源51b和51d、椭圆面镜52b和52d及冷光镜50b、50d分别相对于从对应的合成棱镜53b的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线相互呈轴对称地配置。
另外，所述由光源51a、51c、椭圆面镜52a、52c、冷光镜50a、50c、合成棱镜53a和聚光镜系统56a构成的系统，以及由光源51b、51d、椭圆面镜52b、52d、冷光镜50b、50d、合成棱镜53b和聚光镜系统56b构成的系统，相对于从合成棱镜57的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线相互呈轴对称地配置。
此外，在本实施方式的情况下，也设计成在从4个光源51a、51b、51c、51d向后面的光学系统展开的4个光轴从合成棱镜57射出时，截面中的配置分别位于大致正方形的4个角上。即，配置成4个光轴的相邻光轴以互为相同的间隔入射到第三聚光光学系统65中。
通过如上所述地配置，即使在使用了多个光源的光学系统的情况下，照明光也具有对称性，因此，不容易产生亮度不均匀的情况。此外，整个光学系统也能够无浪费空间地紧凑地构成，而且，通过对称地排列相同的光学元件，也同样地能够使用共同元件来构成保持结构和冷却结构。
在本实施方式的情况下，为了确保良好的聚光效率，各聚光光学系统间的关系优选满足式(5)。
其中，该情况下，D1是椭圆面镜52a、52b、52c、52d的光射出侧开口的有效直径。f1是从椭圆面镜52a、52b、52c、52d的光射出侧开口面到光源51a、51b、51c、51d的射出光被聚光成最小尺寸的面的距离。D2是构成聚光镜系统56a、56b的入射侧透镜54a、54b和射出侧透镜55a、55b的各自的有效孔径。f2是入射侧透镜54a、54b和射出侧透镜55a、55b的焦距。D3是构成第三聚光光学系统65的透镜58的有效孔径。f3是透镜58的焦距。
使第一透镜阵列59构成为把分成细小部分后的各透镜的开口形状当作二维面光源。使各透镜的外形具有与反射式光阀68a、68b、68c的有效显示面相同的纵横比，第一透镜阵列59的各透镜将光源像分成透镜阵列数量个数的细小像而成像在对应的第二透镜阵列60的各透镜上。这样，就在第二透镜阵列60的各透镜上成像4个光源51a、51b、51c、51d的发光体像。
根据发光体像的成像位置，最优化第二透镜阵列60的各透镜的开口形状，以使在第二透镜阵列60的有效区域内细密填充地配置4个发光体像。通过这样做，不增大第二透镜阵列60的有效直径而能得到良好的聚光效率。
从第二透镜阵列60输出的输出光，途中经由反射镜62、63，由第二透镜阵列60和聚光镜61、64以叠加了第一透镜阵列59的各透镜形状的像的状态照射到反射式光阀68a、68b、68c上。
与实施方式1同样地，通过这样地构成，就能够得到均匀且与反射式光阀68a、68b、68c的纵横比相对应的聚光效率高的照明。
全反射棱镜66由2个棱镜构成，在棱镜的相互邻近面上形成有非常薄的空气层。对空气层进行角度设定，使得在照明光入射到空气层中时，以临界角以上的角度入射并全反射，然后从倾斜方向向反射式光阀68a、68b、68c侧行进，作为投射图像而从反射式光阀68a、68b、68c反射的光，以临界角以下的角度入射并透过空气层，然后入射到投射镜头69中。通过这样设置全反射棱镜66，就能够紧凑地构成整个投射光学系统。
配置在全反射棱镜66和反射式光阀68a、68b、68c之间的颜色分解合成棱镜67由3个棱镜构成，在各个棱镜的相邻面上形成了蓝反射分色镜和红反射分色镜。
3个反射式光阀68a、68b、68c分别用于红色、绿色和蓝色。从全反射棱镜66入射的光，首先被蓝反射分色镜仅反射蓝色光，成为蓝色光后入射到蓝色用反射式光阀68c中。接着，透过了蓝反射分色镜的光，被红反射分色镜仅反射红色光，成为红色光后入射到红色用反射式光阀68a中。然后，都透过了蓝反射分色镜和红反射分色镜后的绿色光，入射到绿色用反射式光阀68b中。3个颜色的光分别被对应的反射式光阀68a、68b、68c反射后，重新由蓝反射分色镜和红反射分色镜合成为1个光，入射到全反射棱镜66中。
通过这样地将白色光分解和合成为红、蓝、绿三元色，使用与各个影像信号相对应的3个反射式光阀68a、68b、68c，就能够高精细度地显示全色的投射图像。
入射到了反射式光阀68a、68b、68c中的照明光中，相当于白显示的光透过全反射棱镜66和投射镜头69后，放大并投射到屏幕(未图示)上。另一方面，相当于黑显示的光行进到投射镜头69的有效直径之外，不到达屏幕上。
再有，在该情况下，光源51a、51b、51c、51d的光轴71a、71b、71c、71d如前所述地相互平行地配置，并且配置成都垂直于投射镜头69的光轴70。
(实施方式3)
图7A是示出本发明的实施方式3中的投射式显示装置的整体结构的正视图。图7B是从箭头D方向看光源配置的底视图。图7C是从箭头E方向看光源配置的侧视图。
作为空间光调制元件，使用反射式光阀96a、96b、96c。反射式光阀在各个像素上矩阵状排列反射镜元件，根据影像信号来调制光的行进方向，通过反射角的变化而形成光学像。使用超高压水银灯作为4个光源81a、81b、81c、81d。
椭圆面镜82a、82b、82c、82d起第一聚光光学系统的作用。合成棱镜83a、83b起第一合成光学系统的作用。凹面镜84a、84b起第二聚光光学系统的作用。合成棱镜85起第二合成光学系统的作用。透镜86、89、92、第一透镜阵列87、第二透镜阵列88和全反射镜90、91起第三聚光光学系统的作用。
从光源81a、81b、81c、81d输出的输出光，被截面形状形成椭圆面的椭圆面镜82a、82b、82c、82d聚光。由椭圆面镜82a、82b、82c、82d聚光后的光源81a、81b、81c、81d的光源像，分别成像在对应的第一合成棱镜83a、83b的反射镜面上，然后向凹面镜84a、84b侧反射。第一合成棱镜83a、83b是截面为二等边三角形的三角柱状，在光入射的面上形成有交替层叠了低折射率材料和高折射率材料的多层介质膜反射镜。
射出了第一合成棱镜83a、83b的光，以来自椭圆面镜82a、82b的会聚光的光轴80a、80b和来自椭圆面镜82c、82d的聚光光的光轴80c、80d分别相靠近的方式，作为发散光行进，然后，由对应的凹面镜84a、84b分别将其重新变换为会聚光。
由凹面镜84a、84b聚光后的光，在第二合成棱镜85的反射镜形成面上重新作为发散光向第三聚光光学系统93侧反射。第二合成棱镜85是截面为二等边三角形的三角柱状，与第一合成棱镜83a、83b同样地，在光入射的面上形成有交替层叠了低折射率材料和高折射率材料的多层介质膜反射镜。
第三聚光光学系统93依次配置有正放大率的透镜86、第一透镜阵列87、第二透镜阵列88、正放大率的透镜89、全反射镜90、91、正放大率的透镜92。从第二合成棱镜85射出的发散光被透镜86变换为大致平行光后，入射到第一透镜阵列87中。第一透镜阵列87为了高效地进行均匀性高的照明而将光源像分成细小的像。从第一透镜阵列87射出的光，透过了第二透镜阵列88和正透镜89之后，由全反射镜90、91反射后入射到透镜92中。
从透镜92射出的光经由全反射棱镜94入射到颜色分解合成棱镜95中。由颜色分解合成棱镜95从白色光分解成红、蓝、绿三元色光之后的照明光，入射到对应的3个光阀96a、96b、96c中。
3个光阀96a、96b、96c根据各自的影像信号来调制光的行进方向，从而形成光学像。来自光阀96a、96b、96c的反射光重新被颜色分解合成棱镜95合成为1个光，透过全反射棱镜94后，由投射镜头97将其放大并投射。
以下，进一步详细地说明构成本实施方式的投射式显示装置的上述各要素。
椭圆面镜82a、82b、82c、82d在玻璃制成的基体材料的内表面上形成了透过红外光并反射可见光的多层介质光学膜，与实施方式1同样地椭圆面形状优选满足上述的式(1)的条件。
在本实施方式中，在式(1)中的fE2/fE1的值小于8的情况下，成像在第二焦距fE2上的光源的发光体像的成像倍率变大，聚光效率降低。从而，为了补偿聚光效率的降低，必须要增大后面的全部光学元件的有效面积，因此，整个装置就变大，难以紧凑地构成。
此外，在上述数值大于11的情况下，聚光在第二焦距fE2上的聚光角变大，需要增大后面的透镜系统的有效直径，该情况下也难以使装置大小紧凑地构成。
另一方面，在第二焦距fE2变长时，光程长度变长，因此，椭圆面镜82a、82b、82c、82d周边同样地不能紧凑地构成。
此外，在第一焦距fE1变短时，光源81a、81b、81c、81d靠近椭圆面镜82a、82b、82c、82d，因此，光源81a、81b、81c、81d和椭圆面镜82a、82b、82c、82d双方都难以满足用于确保可靠性的良好的冷却条件。
此外，在第二焦距fE2变短时，椭圆面镜82a、82b、82c、82d靠近后面的光学系统，因此很难构成保持结构和冷却结构。
另外，上述数值优选9以上且10以下。通过满足以上条件，就能够兼顾聚光效率、装置紧凑性和合理的冷却结构。
下面，使用图8和9说明凹面镜84a、84b的椭圆面形状。凹面镜84a、84b形成为光的入射面相对于光轴不旋转对称的变形非球面形状。如图8所示，根据发散光的各光线的入射角，反射镜形成面的焦距连续变化，使得从第一合成棱镜83a、83b的光轴上的射出点109射出的发散光重新被聚光在第二合成棱镜85的入射点110上，成为会聚光。
参照图9，关于凹面镜84a、84b的截面形状进行说明。图9中示出包含入射光轴107和射出光轴108的平面上的截面形状。如图所示，假设从射出点109到入射光轴107与射出光轴108的交点的距离为a，从交点到入射点110的距离为b时，a和b的总和为L0。此外，假设关于从射出点109射出的任意光线的、从射出点109经由凹面镜84a、84b到达第二合成棱镜85的入射点110的平行于光轴的方向上的距离为Ln。假设任意的光入射点的焦距为fn，则焦距进行变化，以使L0与fn的关系满足式(6)。
fn＝Ln(L0-Ln)/L0              (6)
再有，在反射镜形成面中，第一截面形状和垂直于该第一截面形状的方向的第二截面形状的焦距都连续地变化，其中，第一截面形状在包括来自第一合成棱镜83a、83b的射出光进行入射的入射光轴107和被凹面镜反射的射出光轴108的平面上。并且，第一截面形状和第二截面形状是形状互不相同的变形非球面形状。
此外，在凹面镜84a、84b的反射镜形成面上，形成有由SiO2构成的低折射率层和由Nb2O5构成的高折射率层的交替周期层结构的多层介质膜，具有透过紫外光和红外光的大部分，仅反射可见光的特性。
为了确保反射式光阀96a、96b、96c、96d的可靠性，从光源81a、81b、81c、81d与可见光一同射出的紫外光和红外光需要在到达反射式光阀96a、96b、96c、96d之前被遮断。由于凹面镜84a、84b兼具该作用，因此不需要另外设置用于遮断紫外光和红外光的光学元件，能够减少元件数量。
再有，作为高折射率层的材料，除了上述Nb2O5以外，也可以使用TiO2和/或Ta2O5。
此外，凹面镜84a、84b的基板是由模压加工而成的玻璃材料，包括周边的保持结构一起形成为一个整体，能够进一步实现元件数量的削减。
在以上结构中，分别相互平行地配置光源81a、81b、81c、81d的光轴80a、80b、80c、80d。
此外，光源81a和81b及椭圆面镜82a和82b分别相对于从对应的第一合成棱镜83a的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线呈轴对称地配置。同样地，光源81c和81d及椭圆面镜82c和82d相对于从对应的第一合成棱镜83b的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线呈轴对称地配置。
另外，所述由光源81a、81b、椭圆面镜82a、82b、第一合成棱镜83a和凹面镜84a构成的系统以及由光源81c、81d、椭圆面镜82c、82d、第一合成棱镜83b和凹面镜84b构成的系统，相对于从第二合成棱镜85的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线相互呈轴对称地配置。
此外，还设计成在从4个光源81a、81b、81c、81d向后面的光学系统中展开的4个光轴从合成棱镜85射出时，截面中的配置分别位于大致正方形的4个角上。即，配置成4个光轴的相邻光轴以互为相同的间隔入射到第三聚光光学系统93中。
通过如上所述地配置，即使在使用了多个光源的光学系统的情况下，照明光也具有对称性，因此，不容易产生亮度不均匀的情况。此外，整个光学系统也能够无浪费空间地紧凑构成，而且，通过对称地排列相同光学元件，也同样地能够使用共同元件来构成保持结构和冷却结构。
使第一透镜阵列87构成为把分成细小部分后的各透镜的开口形状当作二维面光源。使各透镜的外形具有与反射式光阀96a、96b、96c的有效显示面相同的纵横比，由第一透镜阵列87的各透镜将光源像分成透镜阵列数量个数的细小像，然后使其成像在对应的第二透镜阵列88的各透镜上。这样，就在第二透镜阵列88的各透镜上成像4个光源81a、81b、81c、81d的发光体像。
根据发光体像的成像位置，最优化第二透镜阵列88的各透镜的开口形状，使得在第二透镜阵列88的有效区域内细密填充地配置4个发光体像。通过这样做，不增大第二透镜阵列88的有效系统而能得到良好的聚光效率。
从第二透镜阵列88输出的输出光，途中经由反射镜90、91，由第二透镜阵列88和透镜89、92以叠加了第一透镜阵列87的各透镜形状的像的状态照射到反射式光阀96a、96b、96c上。与实施方式1同样地，通过这样构成，就能够得到均匀且与反射式光阀96a、96b、96c的纵横比相对应的聚光效率高的照明。
全反射棱镜94由2个棱镜构成，在棱镜的相互邻近面上形成有非常薄的空气层。对空气层进行角度设定，使得在照明光入射到空气层中时，以临界角以上的角度入射并全反射，然后从倾斜方向向反射式光阀96a、96b、96c侧行进，作为投射图像而从反射式光阀96a、96b、96c反射的光，以临界角以下的角度入射并透过空气层，然后入射到投射镜头97中。通过这样设置全反射棱镜94，就能够紧凑地构成整个投射光学系统。
配置在全反射棱镜94和反射式光阀96a、96b、96c之间的颜色分解合成棱镜95由3个棱镜构成，在各个棱镜的相邻面上形成了蓝反射分色镜和红反射分色镜。
3个反射式光阀96a、96b、96c分别用于红色、绿色和蓝色。从全反射棱镜94入射的光，首先被蓝反射分色镜仅反射蓝色光，成为蓝色光后入射到蓝色用反射式光阀96c中。接着，透过了蓝反射分色镜的光，被红反射分色镜仅反射红色光，成为红色光后入射到红色用反射式光阀96a中。然后，都透过了蓝反射分色镜和红反射分色镜后的绿色光，入射到绿色用反射式光阀96b中。
3个颜色的光分别被对应的反射式光阀96a、96b、96c反射后，重新由蓝反射分色镜和红反射分色镜合成为1个光，入射到全反射棱镜94中。
入射到反射式光阀96a、96b、96c中的照明光中，相当于白显示的光透过全反射棱镜94和投射镜头97后，放大并投射到屏幕(未图示)上。另一方面，相当于黑显示的光行进到投射镜头97的有效直径之外，不到达屏幕上。
再有，在本实施方式中，光源81a、81b、81c、81d的光轴80a、80b、80c、80d如前所述地相互平行地配置，并且配置成都垂直于投射镜头97的光轴98。
作为光源81a、81b、81c、81d来使用的超高压水银灯这样的弧光灯，在相对于光轴80a、80b、80c、80d旋转的方向上使用的情况下，能够确保充分的可靠性和寿命。但是，在除此以外的方向上以倾斜状态使用时，很多情况下可靠性显著降低并且寿命变短。一般而言，很多投射式显示装置的设置环境都是在相对于装置的水平轴进行旋转的方向上进行投射，通过如本实施方式这样地配置，只要在相对于装置的水平轴进行旋转的方向上进行投射，不论姿势如何，都能够确保可靠性和寿命。
(实施方式4)
图10A是示出本发明的实施方式4中的投射式显示装置的整体结构的正视图。图10B是从箭头F方向看光源配置的底视图。图10C是从箭头G方向看光源配置的侧视图。
作为空间光调制元件，使用反射式光阀128a、128b、128c。反射式光阀在各个像素上矩阵状排列反射镜元件，根据影像信号调制光的行进方向，通过反射角的变化而形成光学像。使用超高压水银灯作为4个光源111a、111b、111c、111d。
椭圆面镜112a、112b、112c、112d起第一聚光光学系统的作用。第一合成棱镜114a、114b起第一合成光学系统的作用。凹面镜115a、115b起第二聚光光学系统的作用。第二合成棱镜116起第二合成光学系统的作用。透镜117、121、124、第一透镜阵列118、第二透镜阵列120和全反射镜122、123起第三聚光光学系统125的作用。
从光源111a、111b、111c、111d输出的输出光，经由对应的冷光镜113a、113b、113c、113d，被截面形状形成椭圆面的椭圆面镜112a、112b、112c、112d聚光。冷光镜113a、113b、113c、113d具有在透明玻璃板的表面上形成了反射可见光并透过紫外线和红外线的多层介质膜的结构。若这样地配置，则只考虑冷光镜113a、113b、113c、113d周边的耐光性和冷却就行，只有可见光到达后面的光学元件，因此，能够减轻对于紫外线和红外线的耐光性和耐热性的考虑。
由椭圆面镜112a、112b、112c、112d聚光后的光源111a、111b、111c、111d的光源像，经由冷光镜113a、113b、113c、113d，分别成像在对应的第一合成棱镜114a、114b的反射镜形成面上，向凹面镜115a、115b侧反射。第一合成棱镜114a、114b是截面为二等边三角形的三角柱状，在光入射的面上形成有交替层叠了低折射率材料和高折射率材料的多层介质膜反射镜。
从合成棱镜114a、114b射出的光，以来自椭圆面镜112a、112b的会聚光的光轴71a、71b和来自椭圆面镜112c、112d的聚光光的光轴71c、71d分别相靠近的方式，作为发散光行进，然后，由对应的凹面镜115a、115b分别将其重新变换为会聚光。
由凹面镜115a、115b聚光后的光，在第二合成棱镜116的反射镜形成面上重新作为发散光向第三聚光光学系统125侧反射。第二合成棱镜116也是截面为二等边三角形的三角柱状，在光入射的面上形成有交替层叠了低折射率材料和高折射率材料的多层介质膜反射镜。
第三聚光光学系统125依次配置有正放大率的透镜117、第一透镜阵列118、全反射镜119、第二透镜阵列120、正放大率的透镜121、全反射镜122、123和正放大率的透镜124。从合成棱镜116射出的发散光被透镜117变换为大致平行光后，入射到第一透镜阵列118中。第一透镜阵列118为了高效地进行均匀性高的照明而将光源像分成细小的像。从第一透镜阵列118射出的光，通过全反射镜119，透过了第二透镜阵列120，并透过正透镜121之后，由全反射镜122、123反射而入射到透镜124中。
从透镜124射出的光经由全反射棱镜126，入射到颜色分解合成棱镜127中。由颜色分解合成棱镜127从白色光分解成红、蓝、绿三元色光之后的照明光，入射到对应的3个光阀128a、128b、128c中。
3个光阀128a、128b、128c根据各自的影像信号来调制光的行进方向，从而形成光学像。来自光阀128a、128b、128c的反射光重新被颜色分解合成棱镜127合成为1个光，透过全反射棱镜126后，由投射镜头129将其放大并投射。
以下，进一步详细地说明构成本实施方式的投射式显示装置的上述各要素。
与实施方式1同样地，椭圆面镜112a、112b、112c、112d的椭圆面形状优选满足式(1)的条件。
在本实施方式中，在式(1)中的fE2/fE1的值小于8的情况下，成像在第二焦距fE2上的光源的发光体像的成像倍率变大，聚光效率降低。从而，为了补偿聚光效率的降低，必须要增大后面的全部光学元件的有效面积，因此，整个装置就变大，难以紧凑地构成。
此外，在上述数值大于11的情况下，聚光在第二焦距fE2上的聚光角变大，需要增大后面的透镜系统的有效直径，该情况下也难以使装置大小紧凑地构成。
另一方面，在第二焦距fE2变长时，光程长度变长，因此，椭圆面镜112a、112b、112c、112d周边同样地不能紧凑地构成。
此外，在第一焦距fE1变短时，光源111a、111b、111c、111d靠近椭圆面镜112a、112b、112c、112d，因此，光源111a、111b、111c、111d和椭圆面镜112a、112b、112c、112d双方都难以满足用于确保可靠性的良好的冷却条件。
此外，在第二焦距fE2变短时，椭圆面镜112a、112b、112c、112d靠近后面的光学系统，因此很难构成保持结构和冷却结构。
凹面镜115a、115b与实施方式3同样地形成有光的入射面不相对于光轴旋转对称的变形非球面形状。根据发散光的各光线的入射角，反射镜形成面的焦距连续变化，使得从合成棱镜114a、114b的射出点射出的发散光重新被聚光在合成棱镜116的入射点上，成为会聚光。
在以上结构中，分别相互平行地配置光源111a、111b、111c、111d的光轴131a、131b、131c、131d。
此外，光源111a和111b、椭圆面镜112a和112b及冷光镜113a和113b分别相对于从对应的合成棱镜114a的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线相互呈轴对称地配置。同样地，光源111c和111d、椭圆面镜112c和112d及冷光镜113c和113d分别相对于从对应的合成棱镜114b的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线相互呈轴对称地配置。
在本实施方式中，通过使用冷光镜113a、113b、113c、113d，就将光源111a、111b、111c、111d全部平行靠近地配置在同一方向上。这样，就能够总是以相同条件保持光源111a、111b、111c、111d的配置姿势，而且还具有能够紧凑地构成冷却结构的优点。
另外，所述由光源111a、111b、椭圆面镜112a、112b、冷光镜113a、113b、合成棱镜114a和凹面镜115a构成的系统以及由光源111c、111d、椭圆面镜112c、112d、冷光镜113c、113d、合成棱镜114b和凹面镜115b构成的系统，相对于从合成棱镜116的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线相互呈轴对称地配置。
此外，还设计成在从4个光源111a、111b、111c、111d向后面的光学系统中展开的4个光轴从合成棱镜116射出时，截面中的配置分别位于大致正方形的4个角上。即，配置成4个光轴的相邻光轴以互为相同的间隔入射到第三聚光光学系统125中。
通过如上所述地配置，即使在使用了多个光源的光学系统的情况下，照明光也具有对称性，因此，不容易产生亮度不均匀的情况。此外，整个光学系统也能够无浪费空间地紧凑构成，而且，通过对称地排列相同光学元件，也同样地能够使用共同元件来构成保持结构和冷却结构。
使第一透镜阵列118构成为把分成细小部分后的各透镜的开口形状当作二维面光源。使各透镜的外形具有与反射式光阀128a、128b、128c的有效显示面相同的纵横比，由第一透镜阵列118的各透镜将光源像分成透镜阵列数量个数的细小像，然后使其成像在对应的第二透镜阵列120的各透镜上。这样，就在第二透镜阵列120的各透镜上成像4个光源111a、111b、111c、111d的发光体像。
根据发光体像的成像位置，最优化第二透镜阵列120的各透镜的开口形状，使得在第二透镜阵列120的有效区域内细密填充地配置4个发光体像。通过这样做，不增大第二透镜阵列120的有效系统而能得到良好的聚光效率。
从第二透镜阵列120输出的输出光，途中经由全反射镜122、123，由第二透镜阵列120和透镜121、124以叠加了第一透镜阵列118的各透镜形状的像的状态照射到反射式光阀128a、128b、128c上。与实施方式1同样地，通过这样地构成，就能够得到均匀且与反射式光阀128a、128b、128c的纵横比相对应的聚光效率高的照明。
全反射棱镜126由2个棱镜构成，在棱镜的相互邻近面上形成有非常薄的空气层。对空气层进行角度设定，使得在照明光入射到空气层中时，以临界角以上的角度入射并全反射，然后从倾斜方向向反射式光阀128a、128b、128c侧行进，作为投射图像而从反射式光阀128a、128b、128c反射的光，以临界角以下的角度入射并透过空气层，然后入射到投射镜头129中。这样地，通过设置全反射棱镜126，就能够紧凑地构成整个投射光学系统。
配置在全反射棱镜126和反射式光阀128a、128b、128c之间的颜色分解合成棱镜127由3个棱镜构成，在各个棱镜的相邻面上形成了蓝反射分色镜和红反射分色镜。
3个反射式光阀128a、128b、128c分别用于红色、绿色和蓝色。从全反射棱镜126入射的光，首先被蓝反射分色镜仅反射蓝色光，成为蓝色光后入射到蓝色用反射式光阀128c中。接着，透过了蓝反射分色镜的光，被红反射分色镜仅反射红色光，成为红色光后入射到红色用反射式光阀128a中。然后，都透过了蓝反射分色镜和红反射分色镜后的绿色光，入射到绿色用反射式光阀128b中。3个颜色的光分别被对应的反射式光阀128a、128b、128c反射后，重新由蓝反射分色镜和红反射分色镜合成为1个光，入射到全反射棱镜126中。
入射到反射式光阀128a、128b、128c中的照明光中，相当于白显示的光透过全反射棱镜126和投射镜头129后，放大并投射到屏幕(未图示)上。另一方面，相当于黑显示的光行进到投射镜头129的有效直径之外，不到达屏幕上。
再有，该情况下，光源111a、111b、111c、111d的光轴131a、131b、131c、131d如前所述地相互平行地配置，并且配置成都垂直于投射镜头129的光轴132。
在本实施方式中，作为光阀，使用了调制光的行进方向的反射式光阀，但如果是向有效显示区域的外侧照射一部分无用光的结构的情况下，则使用调制光的偏光方向和/或散射状态的类型的光阀和/或透射式光阀，也能发挥同样的效果。
此外，在本实施方式中所使用的光源是4个，但如果在使用了本实施方式1或2的聚光镜系统的结构和使用了本实施方式3或4的凹面镜的结构中进行展开，则也可以基于同样的考虑而使用4个以上的光源来构成。
工业实用性
根据本发明，在使用多个光源的情况下，通过抑制单个电源的功率消耗，能够确保可靠性，并且能够紧凑且高效地进行照明，在投射超高亮度的投射图像的投影仪等投射式显示装置中十分有用。

Claims (30)

1.一种投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，具有：
2n个光源，n为2以上；
由椭圆面镜构成的2n个第一聚光光学系统，配置成分别对来自上述各光源的射出光进行聚光；
n个第一合成光学系统，由截面是二等边三角形的三角柱状棱镜构成，配置成分别将从上述第一聚光光学系统中的对应的2个第一聚光光学系统射出的射出光进行合成；
第二聚光光学系统，配置成分别对来自上述各第一合成光学系统的射出光进行聚光；
n/2个第二合成光学系统，由截面是二等边三角形的三角柱状棱镜构成，配置成分别将从上述第二聚光光学系统中的对应的2个上述第二聚光光学系统射出的射出光进行合成；和
第三聚光光学系统，由多个透镜和多个透镜阵列构成，配置成入射来自上述第二合成光学系统的射出光，
上述2n个第一聚光光学系统的光轴分别相互大致平行，
上述第一聚光光学系统中的椭圆面的第一焦距fE1和第二焦距fE2满足式(1)的关系，
8≤fE2/fE1≤11式(1)。
2.根据权利要求1所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，上述第二聚光光学系统至少由1个透镜构成。
3.根据权利要求2所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
作为上述第二聚光光学系统的上述透镜，由入射来自上述第一合成光学系统的光的入射侧透镜和光射出的射出侧透镜这2个透镜构成，上述2个透镜都是正透镜，有效孔径和焦距相互大致相同。
4.根据权利要求3所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
上述2个透镜是相互大致相同形状。
5.根据权利要求3所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
上述2个透镜都是修正球面像差的非球面透镜。
6.根据权利要求5所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
上述2个透镜的非球面形状是椭圆面形状。
7.根据权利要求1所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
从上述第二聚光光学系统射出的2n个上述第一聚光光学系统的光轴，相对于上述第二聚光光学系统的光轴大致平行，
在包含上述第一合成光学系统的反射面的法线和上述第一聚光光学系统的光轴的面内，被上述第一合成光学系统反射的上述第一聚光光学系统的光轴与上述第二聚光光学系统的光轴交叉，
假设从上述第一聚光光学系统的光轴与上述第二聚光光学系统的光轴的交点，到上述第二聚光光学系统的光入射面与光射出面之间的中间点的距离为L1，从上述第一聚光光学系统的光轴与上述第二聚光光学系统的光轴的交点，到被上述第一合成光学系统反射的上述第一聚光光学系统的光轴与上述第二聚光光学系统的光轴相交叉的位置的距离为L2时，距离L1和距离L2满足式(2)的关系，
L1/3≤L2≤L1式(2)。
8.根据权利要求7所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
假设上述第一聚光光学系统的光轴在上述第一合成光学系统中的反射位置与上述第二聚光光学系统的光轴之间的距离为L3时，距离L2和距离L3满足式(3)的关系，
L3/L2＝tanθ
5°≤θ≤20°式(3)。
9.根据权利要求8所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
距离L3满足式(4)，
1.2mm≤L3≤5mm    式(4)。
10.根据权利要求1所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
上述第三聚光光学系统从光入射侧开始依次由第一正透镜、第一透镜阵列、第二透镜阵列、第二正透镜、第三正透镜构成。
11.根据权利要求10所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
构成上述第二透镜阵列的各微透镜的开口形状各不相同，使得上述多个光源的全部根据各个位置的上述光源的像的大小高效地成像。
12.根据权利要求1所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
作为上述第一合成光学系统和上述第二合成光学系统的上述棱镜，在光入射的面上形成有多层介质膜反射镜，
上述多层介质膜反射镜由多层膜构成，该多层膜交替层叠了作为低折射率层的SiO2层和作为高折射率层的Ta2O5层，或者该多层膜交替层叠了作为低折射率层的SiO2层和作为高折射率层的Ta2O5与TiO2的混合物层。
13.根据权利要求1所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
上述第一聚光光学系统、上述第二聚光光学系统及上述第三聚光光学系统满足式(5)的关系，
(D1/f1)＝(D2/f2)＝(D3/f3)式(5)
其中，D1是作为上述第一聚光光学系统的上述椭圆面镜的光射出侧开口的有效直径，
f1是从上述椭圆面镜的光射出侧开口面到上述光源的射出光被聚光成最小尺寸的面的距离，
D2是构成上述第二聚光光学系统的上述入射侧透镜和射出侧透镜的各自的有效孔径，
f2是上述入射侧透镜和射出侧透镜的焦距，
D3是构成上述第三聚光光学系统的第一正透镜的有效孔径，
f3是上述第一正透镜的焦距。
14.根据权利要求1所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
上述多个光源和上述多个第一聚光光学系统，分别相对于从对应的作为上述第一合成光学系统的上述棱镜的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线，呈轴对称地配置。
15.根据权利要求1所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
上述多个光源、上述多个第一聚光光学系统、上述多个第一合成光学系统和上述多个第二聚光光学系统，相对于从对应的作为上述第二合成光学系统的上述棱镜的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线，呈轴对称地配置。
16.根据权利要求1所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
包括4个上述光源和4个上述第一聚光光学系统，
包括2个上述第一合成光学系统和2个上述第二聚光光学系统，
上述2个第一合成光学系统分别将从对应的2个上述光源和2个上述第一聚光光学系统射出的射出光进行合成，
上述第二合成光学系统将从上述2个第一合成光学系统和上述2个第二聚光光学系统射出的射出光进行合成，
从上述第二合成光学系统射出的对应于4个上述光源的光轴，分别配置在截面是大致正方形的4个角上。
17.根据权利要求1所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
第二聚光光学系统由反射面是变形非球面形状的凹面镜构成。
18.根据权利要求17所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
在作为上述第二聚光光学系统的上述凹面镜中，第一截面形状和垂直于上述第一截面形状的方向上的第二截面形状的焦距都连续变化，所述第一截面形状在包含来自上述第一合成光学系统的射出光所入射的入射光轴和被上述凹面镜反射的射出光轴的平面上，
并且，上述第一截面形状和上述第二截面形状是形状互不相同的变形非球面形状，
来自上述第一合成光学系统的射出光线束被上述第二聚光光学系统聚光在大致1个点上。
19.根据权利要求18所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
作为上述第二聚光光学系统的上述凹面镜的上述第一截面形状满足式
(6)，
fn＝Ln(L0-Ln)/L0式(6)
其中，fn是任意的光入射点的焦距，
Ln是从上述第一合成光学系统的光轴上的光射出点到任意光线入射的上述第二聚光光学系统的光入射点的、平行于光轴的方向上的距离，
L0是光轴上的从上述第一合成光学系统的光射出点到上述第二聚光光学系统的入射点的距离和从上述第二聚光光学系统的射出点到上述第二合成光学系统的入射点的距离的总和。
20.根据权利要求17所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
在上述凹面镜的反射镜面上形成有由低折射率层和高折射率层的交替周期层构成的多层介质膜，具有透过紫外光和红外光，反射可见光的特性。
21.根据权利要求20所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
上述低折射率层是SiO2层，上述高折射率层是由TiO2、Ta2O5、Nb2O5的某一个构成的层，或者是由这些化合物的混合物构成的层。
22.根据权利要求18所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
上述凹面镜的反射镜基板由玻璃材料构成，该反射镜基板是包括保持结构的一体成形体。
23.根据权利要求17所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
上述第三聚光光学系统从光入射侧开始依次由第一正透镜、第一透镜阵列、第二透镜阵列、第二正透镜、第三正透镜构成。
24.根据权利要求23所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
构成上述第二透镜阵列的各微透镜的开口形状各不相同，使得上述多个光源的全部根据各个位置的上述光源的像的大小高效地成像。
25.根据权利要求17所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
作为上述第一合成光学系统和上述第二合成光学系统的上述棱镜，在光入射的面上形成有多层介质膜反射镜，
上述多层介质膜反射镜由多层膜构成，该多层膜交替层叠了作为低折射率层的SiO2层和作为高折射率层的Ta2O5层，或者该多层膜交替层叠了作为低折射率层的SiO2层和作为高折射率层的Ta2O5和TiO2的混合物层。
26.根据权利要求17所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
上述多个光源和上述多个第一聚光光学系统，分别相对于从对应的作为上述第一合成光学系统的上述棱镜的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线，呈轴对称地配置。
27.根据权利要求17所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
上述多个光源、上述多个第一聚光光学系统、上述多个第一合成光学系统和上述多个第二聚光光学系统，相对于从对应的作为上述第二合成光学系统的上述棱镜的截面形状即二等边三角形的顶角到底边的垂线，呈轴对称地配置。
28.根据权利要求17所述的投射式显示装置中的照明光学装置，其特征在于，
包括4个上述光源和4个上述第一聚光光学系统，
包括2个上述第一合成光学系统和2个上述第二聚光光学系统，
上述2个第一合成光学系统分别将从对应的2个上述光源和2个上述第一聚光光学系统射出的射出光进行合成，
上述第二合成光学系统将从上述2个第一合成光学系统和上述2个第二聚光光学系统射出的射出光进行合成，
从上述第二合成光学系统射出的对应于4个上述光源的光轴，分别配置在截面是大致正方形的4个角上。
29.一种投射式显示装置，其特征在于，具有：
图像形成装置，调制入射光来形成图像；
照明光学装置，向上述图像形成装置照射来自光源的光；和
投射装置，放大并投射上述图像形成装置上形成的光学像，
作为上述照明光学装置，使用了权利要求1～28中任一项所记载的照明光学装置。
30.根据权利要求29所述的投射式显示装置，其特征在于，多个上述光源的射出光轴和上述投射装置的光轴正交。
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