CN102591017A - 照明光学系统和具有它的图像投影装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及照明光学系统和具有它的图像投影装置。该照明光学系统包括：被配置为在第一和第二截面中的每一个上压缩光束的第一压缩系统；被配置为在第一截面上压缩光束的第二压缩系统；被布置为使得包含第二偏振分离表面的法线和光轴的截面变为第二截面并被配置为将非偏振光转换成线偏振光的偏振转换器；沿光路被布置于偏振转换器的前面的第一透镜阵列；和沿光路被布置于第一透镜阵列和偏振转换器之间的第二透镜阵列。第一透镜阵列和第二透镜阵列在第二截面上都不具有光焦度。

Description

照明光学系统和具有它的图像投影装置

技术领域

本发明涉及照明光学系统和诸如液晶投影仪的图像投影装置。

背景技术

日本专利公开No.(“JP”)2008-299298提出，在用于液晶投影仪的照明光学系统中，改变纵截面与横截面之间的光束的压缩比，这里，纵截面是包含偏振分离表面的法线的面，并且，横截面是包含光轴并且与纵截面正交的截面。纵截面上的光束的压缩在使偏振光束分离器(PBS)上的光束的入射角度分布变窄并保持对比度方面是有效的。横截面上的光束的压缩在照明光学系统的小型化方面是有效的。

JP 7-181392在横截面上设置具有正焦度的第一积分器和具有负焦度的第二积分器。JP 2002-40416在纵截面上通过使用柱面透镜而不是积分器来压缩光束，并且，不在横截面上压缩光束。

但是，由于JP 7-181392和JP 2002-40416仅沿单个方向，即在纵向或横向中的任一个上压缩光束，因此JP 7-181392和JP 2002-40416是不利的，并且照明光学系统(或液晶投影仪)变长。

另外，在JP 2008-299298中公开的照明光学系统通过改变(或偏心)第一积分器的各透镜单元的顶点的高度来确保横截面上的第一积分器的焦度。因此，各透镜单元和偏振转换器之间的距离变得不恒定，并且，不能提供足够明亮的图像。

发明内容

本发明提供可投影明亮的图像的小的图像投影装置。

根据本发明的照明光学系统被配置为通过使用来自光源的光束照射图像显示装置。该照明光学系统包括：偏振分离器，该偏振分离器具有被配置为分离光束的偏振分量的第一偏振分离表面；第一压缩系统，该第一压缩系统被配置为在包含第一偏振分离表面的法线和照明光学系统的光轴的第一截面以及包含光轴并与第一截面正交的第二截面中的每一个上压缩光束；第二压缩系统，该第二压缩系统被配置为在第一截面上压缩光束；偏振转换器，该偏振转换器包含第二偏振分离表面，被布置为使得包含第二偏振分离表面的法线和光轴的截面变为第二截面，并被配置为将非偏振光转换成线偏振光；第一透镜阵列，该第一透镜阵列包含被配置为将所述光束分离成多个光束的多个透镜单元，并且沿光路被布置于偏振转换器的前面；和第二透镜阵列，该第二透镜阵列包含与第一透镜阵列的所述多个透镜单元对应的多个透镜单元，并且沿光路被布置于第一透镜阵列和偏振转换器之间。第一透镜阵列和第二透镜阵列在第二截面上都不具有光焦度。

参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是根据第一实施例的照明光学系统的纵截面图。

图2是根据第一实施例的图1所示的照明光学系统的横截面图。

图3是根据第一实施例的图1所示的偏振光束分离器的纵截面图。

图4是根据第一实施例的图1所示的偏振转换器的横截面图。

图5是根据第一实施例的图1所示的第一蝇眼透镜的透视图。

图6是根据第一实施例的图1所示的第二蝇眼透镜的透视图。

图7是根据第二实施例的照明光学系统的纵截面图。

图8是根据第二实施例的照明光学系统的横截面图。

图9是根据第三实施例的包括照明光学系统的图像投影装置的结构图。

具体实施方式

将参照附图对本发明的实施例给出描述。

第一实施例

图1和图2是示出根据第一实施例的被配置为照射液晶投影仪(图像投影装置)的反射型液晶面板的照明光学系统的光路图。图1示出纵截面，并且，图2示出横截面。本实施例将纵截面设为包含偏振光束分离器(“PBS”)的偏振分离截面的法线和光轴的面，并将横截面设为包含光轴并且与纵截面正交的截面。纵截面被设为YZ面(第一截面)，并且，横截面被设为XZ面(第二截面)。

照明光学系统通过利用来自光源10的光束经由PBS 17照射作为图像显示装置的反射型液晶面板(以下，简称为“液晶面板”)。通过液晶面板18调制的图像光再次经由PBS 17被引向投影透镜(未示出)并被投影到诸如屏幕的投影表面上。

本实施例将照明光学系统的光轴(例如被定义为穿过会聚透镜16的中心和液晶面板18的面板表面中心的轴线)设为Z轴，并将光轴方向设为与Z轴平行的方向。沿Z轴的方向(在该方向上，来自光源10的光束从会聚透镜16经由PBS 17行进到液晶面板18)是光的行进方向，并且，沿该方向形成光路。

纵截面(YZ面)是入射到液晶面板18的面板表面18a(入射/出射表面)上的光束的角度分布较小的截面，并且是与液晶面板18的短边的延伸方向平行的截面。纵截面是与包含光轴(Z轴)和PBS 17的偏振分离表面17a的法线(N)的表面(或图3的纸面)平行的截面。纵截面是与偏振分离表面17a的法线N和液晶面板18的面板表面18a的法线NP平行的截面。

横截面(XZ面)是入射到液晶面板18的面板表面18a上的光束的角度分布较大的截面，并且是与液晶面板18的长边的延伸方向平行的截面。横截面包含光轴并与纵截面正交。

从诸如高压汞放电管的光源10以放射状发射的光束通过椭圆反射器(第一光学元件)11被转换成会聚光束。由于椭圆反射器可减少透镜的数量，因此，反射器变得较小。

被椭圆反射器11反射的反射光通过准直透镜(第二光学元件)12准直化。椭圆反射器11和准直透镜12构成远焦(afocal)系统或者被配置为压缩来自光源10的光束的第一压缩系统。第一压缩系统在纵截面和横截面上压缩光束。

通过第一压缩系统准直化的光束通过第一蝇眼透镜13被分成多个光束，并且，所述多个分离光束在第二蝇眼透镜14和偏振转换器15附近形成多个二次光源图像。形成各二次光源图像的光束通过偏振转换器15被转换成具有预定偏振方向的线偏振光，并然后入射到会聚透镜16。

第一蝇眼透镜13包含被配置为将入射的光束分离成多个光束的多个透镜单元13a，并沿光路被布置于偏振转换器15的前面。第二蝇眼透镜14包含多个透镜单元14a，并沿光路被布置于第一蝇眼透镜13和偏振转换器15之间。

图4是偏振转换器15的横截面图。偏振转换器15包含多个偏振分离表面(第二偏振分离表面)21、多个反射表面22和多个半波片23。入射到偏振分离表面21上的光之中的与预定偏振方向正交的偏振分量透过偏振分离表面21，并且，其偏振方向被半板23转变90°，并且从偏振转换器15出射。另一方面，入射到各偏振分离表面21上的光之中的与预定偏振方向平行的偏振分量被偏振分离表面21反射，然后被反射表面22反射，并且出射。作为结果，偏振转换器15将入射的非偏振光转换成具有预定偏振方向的线偏振光，并且，发射得到的光。

偏振转换器15在XZ截面上交替包含作为有效区域15A和非有效区域15B的两种类型的区域，并且，入射到有效区域15A的光变为适于有效利用的预定偏振光。如图4所示，偏振转换器15被布置为使得与包含光轴和偏振分离表面21的法线的面(或图4的纸面)平行的截面可变为横截面(XZ截面)。

从会聚透镜16发射的多个分离光束通过PBS 17的偏振分离表面17a叠加于液晶面板18上。由此，通过均匀分布的照明光束照射液晶面板18。

被液晶面板18调制和反射的图像光被PBS 17的偏振分离表面17a反射，并且被引向投影透镜(未示出)。虽然本实施例示出单个液晶面板18，但是，实际的一般的投影仪包含与RGB对应的三个液晶面板。PBS 17形成被配置为引导与所述三个液晶面板中的一个对应的各RGB颜色照射光并且从三个液晶面板合成各颜色图像光的颜色分析/合成光学系统的一部分。

PBS 17包含被布置为关于照明光学系统的光轴(Z轴)倾斜并包含多层膜(偏振分离膜)的(第一)偏振分离表面17a。偏振分离膜17a对光束的偏振分量进行分离。偏振分离表面17a相对于光轴Z的斜度一般被设为45°或在42°与48°之间。在JP 2008-299298中公开了偏振分离表面17a的角度依赖性。

偏振分离表面17a对于可见光区域中的至少一部分波长区域(诸如具有100nm或更大的宽度的波长区域)的光具有基于偏振方向的分离功能。一般地，在以特定的角度入射的光中，偏振分离表面17a以80％或更多反射第一偏振方向的光，并且以80％或更多透过与第一偏振方向正交的第二偏振方向的光。

在第一蝇眼透镜13和第二蝇眼透镜14中沿二维方向布置多个透镜单元。各蝇眼透镜的中心线与Z轴平行。图5是第一蝇眼透镜13的透视图，图6是第二蝇眼透镜14的透视图。

在图1所示的纵截面中，由于图5所示的多个透镜单元13a中的中心透镜单元以外的透镜单元的顶点沿Y方向向内偏心，因此，第一蝇眼透镜13总体用作正(凸)透镜。换句话说，在图1所示的纵截面中，各透镜单元13a的顶点位置(或高度)不同。

在图1所示的纵截面中，由于图6所示的多个透镜单元14a中的中心透镜单元以外的透镜单元的顶点沿Y方向向外偏心，因此第二蝇眼透镜14总体用作负(凹)透镜。换句话说，在图1所示的纵截面中，各透镜单元14a的顶点位置(或高度)不同。

第一蝇眼透镜13和第二蝇眼透镜14构成被配置为在纵截面上压缩光束的第二压缩系统。对于伴随PBS 17的偏振分离表面的入射角度变化的偏振分离特性的变化，YZ截面(纵截面)比XZ截面(横截面)敏感。第一和第二压缩系统减小纵截面上的角度分布，使得光能够以适当的角度入射到PBS 17上，并且提高图像质量，诸如更少的不均匀亮度以及更为增强的对比度。

因此，第一压缩系统以横截面需要的压缩量在纵截面和横截面上压缩光束，并且，第二压缩系统仅在纵截面上压缩光束。作为结果，本实施例在纵截面和横截面之间实现光束的不对称压缩。

纵截面上的光束的压缩在减小入射到PBS 17的偏振分离表面17a上的光束的角度分布以及限制对比度下降方面是有效的。横截面上的光束的压缩有助于小型化。由于一对蝇眼透镜在横截面上不具有焦度(由于各透镜单元的恒定顶点位置)，因此，各透镜单元和偏振转换器15之间的距离变得恒定。换句话说，第一蝇眼透镜13(第一透镜阵列)和第二蝇眼透镜14(第二透镜阵列)在第二截面上都不具有光焦度。由于在偏振转换器15附近制作的光源图像具有几乎恒定的位置，因此，穿过有效区域15A的光量可增加以确保亮度。这里使用的光焦度意味着对于与光轴平行地入射到各透镜单元的中心上的光线的光焦度(折光力)。并且，由于一对蝇眼透镜在纵截面上具有焦度，因此，与使用昂贵的柱面透镜时相比，成本变低并且尺寸变小。

由于第一蝇眼透镜13的透镜单元在横截面上不偏心，因此，Z方向的二次光源图像具有几何恒定的位置。由于平行光入射到第一蝇眼透镜13上，因此，第一蝇眼透镜13不必在横截面上偏心。

本实施例可相对便宜地投影明亮的图像并且限制图像质量劣化。

可以满足以下的条件，这里，α是由于第一蝇眼透镜13和第二蝇眼透镜14的透镜单元的偏心而导致的在第一蝇眼透镜13和第二蝇眼透镜14之间的在YZ截面上的压缩比：

式1

1.1＜α＜1.9。

当该值小于式1的下限时，图像质量劣化，诸如不均匀的亮度和对比度下降，并且，希望的性能变得无法获得。当该值大于式1的上限时，第一蝇眼透镜13和第二蝇眼透镜14的透镜单元的偏心量变大，并且，它们沿光轴方向变厚。作为结果，在蝇眼透镜中出现的像差量变得更大，出现图像质量劣化和亮度下降，并且，希望的性能变得无法获得。

α可进一步满足下式：

式2

1.1＜α＜1.5。

横截面上的光束的压缩使得能够有效地利用来自椭圆反射器11的光束并由此在保持光学系统的预定尺寸的同时提供明亮的图像。在β是包含椭圆反射器11和准直透镜12的压缩系统的XZ截面和YZ截面之间的压缩比的情况下，压缩比β可满足下式：

式3

1.1＜β＜1.9。

当该值小于式3的下限时，来自椭圆反射器11的光量对于有效利用变得更少，由此，明亮的图像和希望的性能是无法获得的。当该值大于上限时，来自椭圆反射器11的光可被有效利用，但在第二蝇眼透镜14和偏振转换器15附近形成的多个二次光源图像变大。作为结果，用于照射面板有效区域的光量减少，并因此不能获得明亮的图像和希望的性能。

β可进一步满足下式：

式4

1.1＜β＜1.5。

现在将参照图1和图2给出α和β的描述。Hr0表示被椭圆反射器11反射的光束宽度(沿与光轴垂直的方向)。Hr1表示通过准直透镜12准直化的光束宽度(沿与光轴垂直的方向)。Hx表示偏振转换器15紧前的XZ截面上的光束宽度。Hy表示偏振转换器15紧前的YZ截面上的光束宽度。

这里，α和β可被表达如下：

式5

α＝Hr1/Hy

式6

β＝Hr0/Hr1

式7

Hx＝Hr1

在本实施例中，α＝1.26并且β＝1.30，满足式1～4。

第一蝇眼透镜13的各透镜单元13a可以是复曲面透镜(toriclens)，并且在偏振转换器15侧的XZ截面上形成二次光源图像，并在第二蝇眼透镜14的YZ截面上形成二次光源图像。

偏振转换器15的利用效率的提高依赖于XZ截面上的二次光源图像的位置而不是YZ截面上的二次光源图像的位置。由此，通过在纵截面上在第二蝇眼透镜14上产生二次光源图像，提高蝇眼透镜的利用效率。

这是由于，经过第一蝇眼透镜13和第二蝇眼透镜14的相应的透镜单元以外的部分的光变为照射液晶面板18的照射区域外部的不要光。

出于这种目的，可以满足以下的条件，这里，f1是XZ截面上的第一透镜阵列13的透镜单元的焦距，并且，f2是YZ截面上的第一透镜阵列13的透镜单元的焦距：

式8

1.0＜f1/f2＜1.5。

当该值变得小于式8的下限或大于其上限时，二次光源图像变得远离偏振转换器15，并且偏振转换效率下降。作为结果，图像变暗，并且，不能获得希望的性能。

f1和f2可进一步满足以下的条件：

式9

1.02＜f1/f2＜1.25。

虽然本实施例示出椭圆反射器，但是可以使用抛物面反射器和具有正光焦度的透镜。

第二实施例

图7和图8是示出根据第二实施例的用于液晶投影仪(图像投影装置)的照明光学系统的结构的光路图。图7示出纵截面，并且，图8示出横截面。与第一实施例类似，图7将纵截面设为YZ表面(第一截面)，并且，图8将横截面设为XZ表面(第二截面)。

附图标记31表示光源单元，附图标记32表示第一蝇眼透镜，附图标记33表示第二蝇眼透镜，附图标记34表示偏振转换器，附图标记35表示会聚透镜，附图标记36表示PBS，并且，附图标记37表示液晶面板。第一蝇眼透镜32的R2表面形成在XZ截面和YZ截面上具有负光焦度的凹透镜。

来自光源单元31的会聚光束通过第一蝇眼透镜32的R1被分成多个光束。多个分离光束的横截面在具有负光焦度的第一蝇眼透镜32的R2表面上被准直化，并且，多个分离光束的纵截面通过第二蝇眼透镜33被准直化。

多个准直化和分离的光束在第二蝇眼透镜33和偏振转换器34附近形成多个二次光源图像。形成各二次光源图像的光束通过偏振转换器34被转换成具有预定偏振方向的线偏振光，并且入射到会聚透镜35。

从会聚透镜35发射的多个分离光束透过偏振光束分离器36，并且叠加于液晶面板37上。由此，通过均匀分布的照明光束照射液晶面板37。

作为具有负光焦度的准直透镜12的替代，本实施例使具有负光焦度的凹透镜与第一蝇眼透镜32的R2表面一体化，并且，减小结构尺寸。另外，本实施例在防止图像质量劣化的同时投影明亮的图像。

虽然本实施例在第一蝇眼透镜32的R2表面上布置具有负光焦度的凹透镜，但是，可以在第一蝇眼透镜32和第二蝇眼透镜33之间布置具有负光焦度的凹透镜。

第三实施例

图9是具有根据第一实施例的照明光学系统的图像投影装置的光路图。

从光源单元51发射的光束通过准直透镜52被转换成平行光束，并且出射。该平行光束通过与第一蝇眼透镜13对应的第一蝇眼透镜53被分离成多个光束，并且，各分离光束会聚。

各分离光束在偏振转换器55和与第二蝇眼透镜14对应的第二蝇眼透镜54附近会聚，并且形成光源的图像(二次光源图像)。通过沿二维方向布置的多个透镜单元形成第一蝇眼透镜53和第二蝇眼透镜54。各透镜单元具有与作为后面将描述的要被照射的表面的液晶面板(图像显示装置)类似的矩形透镜形状。

偏振转换器55将从第二蝇眼透镜54发射的各分离光束转换成作为线偏振光的s偏振光。从偏振转换器55发射的s偏振光被反射镜70反射。然后，它被会聚透镜56会聚，穿过颜色分析/合成光学系统57，并且以叠加的方式照射B带、G带和R带反射型液晶面板65、60和64。

颜色分析/合成光学系统57包含被配置为反射透过会聚透镜56的偏振光之中的B带光和R带光并透过G带光的二向色反射镜58。透过二向色反射镜58的G带偏振光被第一PBS 59反射，并且入射到G带反射型液晶面板60。

各反射型液晶面板与驱动器D连接。从诸如个人计算机、DVD播放器、录像机或TV调谐器的图像信息供给器IP向作为安装有投影光学系统的投影仪(图像投影装置)的一部分的驱动器D供给图像信号。驱动器D基于输入图像信号的RGB分量驱动与颜色对应的反射型液晶面板。由此，各反射型液晶面板反射并调制各波长带的入射光，并且发射图像光。

来自G带液晶面板(以下，称为“G液晶面板”)60的图像光透过第一PBS 59和合成棱镜61，并且，通过投影透镜62投影于屏幕(未示出)上。

在被二向色反射镜58反射的B带偏振光和R带偏振光之中，R带偏振光通过波长选择相位板66被转换成p偏振光并且透过第二偏振光束分离器63，并且，B带偏振光被第二偏振光束分离器63反射。从第二偏振光束分离器63发射的B带偏振光和R带偏振光分别会聚于B带液晶面板(以下称为“B液晶面板”)65和R带液晶面板(以下称为“R液晶面板”)64上。

通过R液晶面板64反射和调制的R带偏振光被第二偏振光束分离器63反射。通过B液晶面板65反射和调制的B带偏振光透过第二偏振光束分离器63。这些R带偏振光和B带偏振光被合成棱镜61反射，并且通过投影透镜62投影到屏幕上。

虽然各实施例对于被配置为分离来自光源的入射光束的透镜阵列利用二次蝇眼透镜，但是，包含线状布置的柱面透镜的透镜阵列也可提供本发明的效果。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (10)

1.一种被配置为通过使用来自光源(10)的光束照射图像显示装置(18)的照明光学系统，该照明光学系统包括：

偏振分离器(17)，该偏振分离器(17)具有被配置为对光束的偏振分量进行分离的第一偏振分离表面(17a)；

第一压缩系统(11，12)，该第一压缩系统(11，12)被配置为在包含第一偏振分离表面的法线(N)和照明光学系统的光轴(Z)的第一截面(YZ)以及包含所述光轴并与第一截面正交的第二截面(XZ)中的每一个上压缩光束；

第二压缩系统(13，14)，该第二压缩系统(13，14)被配置为在第一截面上压缩光束；

偏振转换器(15)，该偏振转换器(15)包含第二偏振分离表面(21)，被布置为使得包含第二偏振分离表面的法线和所述光轴的截面变为第二截面，并被配置为将非偏振光转换成线偏振光；

第一透镜阵列(13)，该第一透镜阵列(13)包含被配置为将所述光束分离成多个光束的多个透镜单元(13a)，并且沿光路被布置于偏振转换器的前面；和

第二透镜阵列(14)，该第二透镜阵列(14)包含与第一透镜阵列的所述多个透镜单元对应的多个透镜单元(14a)，并且沿光路被布置于第一透镜阵列与偏振转换器之间，

其特征在于，第一透镜阵列和第二透镜阵列在第二截面上都不具有光焦度。

2.根据权利要求1的照明光学系统，其中，第一透镜阵列和第二透镜阵列构成第二压缩系统，

其中，第一透镜阵列在第一截面上具有正光焦度，在第一透镜阵列中的所述多个透镜单元之中，至少一部分透镜单元偏心，并且，

其中，第二透镜阵列在第一截面上具有负光焦度，在第二透镜阵列中的所述多个透镜单元之中，至少一部分透镜单元偏心。

3.根据权利要求1或2的照明光学系统，其中，满足以下的条件：

1.1＜β＜1.9

这里，β是第一压缩系统的第二截面和第一截面之间的压缩比。

4.根据权利要求3的照明光学系统，其中，满足以下的条件：

1.1＜β＜1.5。

5.根据权利要求1到4中任一项的照明光学系统，其中，第一压缩系统包含：

在第一截面上和第二截面上都具有正光焦度的第一光学元件(11)；和

在第一截面上和第二截面上都具有负光焦度的第二光学元件(12)。

6.根据权利要求5的照明光学系统，其中，第一光学元件是被配置为反射和会聚来自光源的光束的椭圆反射器。

7.根据权利要求5或6的照明光学系统，其中，第一压缩系统是远焦系统。

8.根据权利要求5到7中任一项的照明光学系统，其中，第一透镜阵列与第二光学元件一体化。

9.根据权利要求1的照明光学系统，其中，满足以下的条件：

1.0＜f1/f2＜1.5

这里，f1是第二截面上的第一透镜阵列中的所述多个透镜单元的焦距，并且，f2是第一截面上的第一透镜阵列中的所述多个透镜单元的焦距。

10.一种图像投影装置，包括根据权利要求1～9中任一项的照明光学系统。

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