專利名稱：用于圖像投影的光學系統(tǒng)以及圖像投影裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于使用諸如液晶板的成像元件的圖像投影裝置的光學系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在這種圖像投影裝置中，重要的是該裝置可以用高對比度和對整個圖像來說基本上平均的亮度來投影亮圖像。
采用反射成像元件如反射液晶板的用于圖像投影裝置(投影儀)的照明光學系統(tǒng)通過用拋物面反射鏡反射來自光源的光束，產(chǎn)生基本上平行的光束。該平行光束被第一復眼透鏡劃分和聚集(collect)，而且每個被劃分的光束都在第二復眼透鏡的附近形成該光源的影像(二次光源影像(secondary light source image))。構(gòu)成復眼透鏡的每個微型透鏡(透鏡單元)具有類似于作為被照明表面的成像元件的矩形形狀。
來自第二復眼透鏡的被劃分的光束被聚光透鏡聚光以相互重疊，并穿過顏色分離/組合光學系統(tǒng)照射到成像元件上。該顏色分離/組合光學系統(tǒng)使用具有二向色膜或偏振分束膜的光學元件(二向色棱鏡或偏振分束器)。
在這種圖像投影裝置中，增加來自光源的光的使用效率通常會使光束的角分布更大。因此，在使用具有敏感角特性的光學元件，即在使用具有相對于顏色分離/組合光學系統(tǒng)中的光軸傾斜的二向色膜或偏振分束膜的光學元件時，會產(chǎn)生圖像質(zhì)量的惡化，如亮度的不均勻(顏色的不均勻)或?qū)Ρ榷鹊慕档汀?br> 圖20和21分別示出偏振分束膜的角度依賴特性(透射率特性和反射率特性)的示例。以47或49度的角度入射到偏振分束膜上的光的特性低于以45度的角度入射到其上的光的特性，而且該特性的降低程度隨著入射角與45度的偏移增大而增加。
特性的降低導致所謂光的泄漏，這降低了對比度。在使用偏振分束膜時，入射角的偏移導致顏色的不均勻(顏色變化)，于是以不同于原始期望的顏色顯示圖像。
日本專利申請公開No.7-181392公開了一種非對稱光學系統(tǒng)，其中為了防止圖像質(zhì)量的這種惡化，入射到光學元件上的光束的角分布在光學元件對角分布很敏感的方向(敏感方向)上小，而其角分布在光學元件對角分布不敏感的方向(不敏感方向)上大。
在日本專利申請公開No.7-181392公開的光學系統(tǒng)中，構(gòu)成第一復眼透鏡的透鏡單元是偏心的，使得第一復眼透鏡在敏感方向總體上具有正的屈光力(optical power)。
此外，在相同的方向上，構(gòu)成第二復眼透鏡的透鏡單元也是偏心的，使得第二復眼透鏡總體上具有負的屈光力。來自反射鏡的光束僅在敏感方向上的這種壓縮使得入射到光學元件上的光束的角分布在敏感方向和不敏感方向之間是非對稱的。
但是，來自反射鏡的光束僅在包括光軸的一個截面上的壓縮無法減小另一個截面(垂直于上述一個截面的截面)上的入射到偏振分束膜上的光束的角分布，從而難以改善圖像質(zhì)量。此外，由于用于減小光束的直徑的反射鏡的尺寸的減小使得所投影的圖像很暗，因此為了保證亮度需要反射鏡的外直徑大到一定的程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于圖像投影的光學系統(tǒng)，其很容易制造和設(shè)計，并且能夠以高對比度投影亮圖像，還提供具有該光學系統(tǒng)的投影裝置。
作為一個方面，本發(fā)明提供了一種用于圖像投影的光學系統(tǒng)，其包括將從光源發(fā)射的光束通過具有分光功能的光學表面而引入成像元件的照明光學系統(tǒng)；以及將從該成像元件通過光學表面引入的光束投影到投影表面上的投影光學系統(tǒng)。該照明光學系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其分別將光束在相互垂直的第一截面和第二截面中的寬度轉(zhuǎn)換為不同于光束在進入該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之前的寬度的寬度。在第一截面中的轉(zhuǎn)換率和在第二截面中的轉(zhuǎn)換率互不相同。
作為另一方面，本發(fā)明提供了一種包括上述光學系統(tǒng)的圖像投影裝置。
本發(fā)明的其它目的和特征將通過下面的描述和附圖而變得明顯。


圖1是示出作為本發(fā)明實施例1的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中使用的照明光學系統(tǒng)的XZ截面圖。
圖2是示出實施例1中的照明光學系統(tǒng)的YZ截面圖。
圖3是示出用在實施例1中的偏振分束器的YZ截面圖。
圖4是示出用在實施例1中的第一復眼透鏡的傾斜透視圖。
圖5是用于解釋第一復眼透鏡的光學作用的圖。
圖6是示出用在實施例1中的第二復眼透鏡的傾斜透視圖。
圖7是示出在實施例1中從反射鏡到偏振轉(zhuǎn)換元件的光路的放大XZ截面圖。
圖8是示出在實施例1中從反射鏡到偏振轉(zhuǎn)換元件的光路的放大YZ截面圖。
圖9是示出作為本發(fā)明實施例2的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中使用的照明光學系統(tǒng)的XZ截面圖。
圖10是示出實施例2中的照明光學系統(tǒng)的YZ截面圖。
圖11是示出在實施例2中從反射鏡到偏振轉(zhuǎn)換元件的光路的放大XZ截面圖。
圖12是示出在實施例2中從反射鏡到偏振轉(zhuǎn)換元件的光路的放大YZ截面圖。
圖13是示出作為本發(fā)明實施例3的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中使用的照明光學系統(tǒng)的XZ截面圖。
圖14是示出實施例3中的照明光學系統(tǒng)的YZ截面圖。
圖15是示出在實施例3中從反射鏡到偏振轉(zhuǎn)換元件的光路的放大XZ截面圖。
圖16是示出在實施例3中從反射鏡到偏振轉(zhuǎn)換元件的光路的放大YZ截面圖。
圖17是示出作為本發(fā)明實施例4的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中使用的照明光學系統(tǒng)的XZ截面圖。
圖18是示出實施例4中的照明光學系統(tǒng)的放大YZ截面圖。
圖19是示出作為使用實施例1至5的光學系統(tǒng)之一的本發(fā)明實施例6的液晶投影儀的光學配置的YZ截面圖。
圖20是示出偏振分束器的透射率特性的圖。
圖21是示出偏振分束器的反射率特性的圖。
圖22是示出作為本發(fā)明實施例7的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中使用的照明光學系統(tǒng)的XZ截面圖。
圖23是示出實施例7中的照明光學系統(tǒng)的YZ截面圖。
圖24是示出圖22中照明光學系統(tǒng)的改進例子的一部分的示意圖。
圖25是示出圖22中照明光學系統(tǒng)的另一個改進例子的一部分的示意圖。
圖26是示出實施例7中照明光學系統(tǒng)的改進例子的XZ截面圖。
圖27是示出實施例7中照明光學系統(tǒng)的另一個改進例子的XZ截面圖。
圖28是示出作為本發(fā)明實施例8的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中使用的照明光學系統(tǒng)的XZ截面圖。
圖29是示出實施例8中的照明光學系統(tǒng)的YZ截面圖。
圖30是示出實施例8中照明光學系統(tǒng)的改進例子的XZ截面圖。
圖31是示出實施例8中照明光學系統(tǒng)的另一個改進例子的XZ截面圖。
圖32是示出作為本發(fā)明實施例9的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中使用的照明光學系統(tǒng)的XZ截面圖。
圖33是示出實施例9中的照明光學系統(tǒng)的YZ截面圖。
圖34是示出作為使用實施例7至9的光學系統(tǒng)之一的本發(fā)明實施例10的液晶投影儀的光學配置的YZ截面圖。
圖35和36是示出作為本發(fā)明實施例11的用于圖像投影的光學系統(tǒng)的一部分的XZ和YZ截面圖。
圖37和38是示出圖35和36所示的光學系統(tǒng)的折光力(refractivepower)配置的XZ和YZ截面圖。
圖39是示出這些實施例中的偏振轉(zhuǎn)換元件的示意圖。
圖40A和40B是示出作為本發(fā)明實施例12的用于圖像投影的光學系統(tǒng)的XZ和YZ截面圖。
圖41和42是示出作為本發(fā)明實施例13的液晶投影儀的光學配置的XY和YZ截面圖。
圖43是示出作為本發(fā)明實施例14的投影儀中使用的光源單元的截面圖。
圖44是示出包括多個圖43所示光源單元的光源單元的圖。
圖45和46是示出作為本發(fā)明實施例15的液晶投影儀的光學配置的XY和YZ截面圖。
圖47是示出在本發(fā)明實施例15的投影儀中使用的另一個光源單元的截面圖。
具體實施例方式
下面參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
實施例1圖1和圖2示出作為本發(fā)明實施例1的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中使用的照明光學系統(tǒng)的配置。該照明光學系統(tǒng)使用來自光源1的光束以穿過偏振分束器7而照射到作為反射成像元件的反射液晶板(下面簡稱為“液晶板”)8上，該液晶板設(shè)置在被照明的表面上。
由液晶板8進行了圖像調(diào)制的光束(圖像光)通過偏振分束器7再次引入未示出的投影透鏡(或者投影光學系統(tǒng))，從而投影到諸如屏幕的投影表面上。由此，該實施例中的照明光學系統(tǒng)還具有用偏振分束器7分析圖像光和將該圖像光引入到投影透鏡的功能。
在該實施例中，照明光學系統(tǒng)的光軸定義為Z軸，平行于Z軸的方向稱為“光軸方向”。該光軸例如通過穿過聚光透鏡6的中心和液晶板8的板表面的中心的軸線來定義。此外，沿著Z軸的使得來自光源燈LP的光束經(jīng)過聚光透鏡6和偏振分束器7而向液晶板8前進的方向也稱為“光前進方向”。
圖1示出XZ截面(第一截面)的光學配置，在該XZ截面中進入液晶板8的板表面的光束的角分布比在YZ截面中的寬，XZ和YZ截面是包括Z軸的平面(也就是平行于Z軸的平面)而且相互垂直。該XZ截面平行于液晶板8的長邊的方向(長邊延伸的方向)。
此外，圖2示出YZ截面(第二截面)的光學配置，在該截面中進入板表面的光束的角分布較窄。該YZ截面平行于液晶板8的短邊的方向(短邊延伸的方向)。
如圖3所示，YZ截面平行于包括光軸(Z軸)和偏振分束器7的偏振分束表面7a的法線N的平面，該平面平行于圖3的紙平面。YZ截面還可以稱為“平行于偏振分束表面7a的法線N和液晶板8的板表面(入射/出射表面)8a的法線NP的截面”。
此外，XZ截面可以說是垂直于YZ截面并平行于Z軸(光軸)的截面。對Z軸、XZ截面和YZ截面的定義也適用于下面描述的實施例2-5。
盡管這些圖僅示出構(gòu)成照明光學系統(tǒng)的基本部件，實際的照明光學系統(tǒng)包括其它各種光學元件，如折疊從光源出發(fā)的光路的鏡子、紅外(熱輻射)截止濾光片和偏振片。
從諸如高壓水銀放電管的光源1徑向發(fā)射的光束由橢圓反射鏡(橢圓鏡)2轉(zhuǎn)換為會聚光束。光源1和反射鏡2構(gòu)成光源燈LP。拋物面反射鏡和凸透鏡的組合可用來代替橢圓反射鏡2。
由橢圓反射鏡2反射的光被第一復眼透鏡3分為多個光束，所分開的光束在第二復眼透鏡4和偏振轉(zhuǎn)換元件5的附近形成多個二次光源影像。
在形成各個二次光源影像之后的光束由偏振轉(zhuǎn)換元件5轉(zhuǎn)換為具有預(yù)定偏振方向的線性偏振光(也就是偏振狀態(tài)均勻的光)，然后進入聚光透鏡6。
偏振轉(zhuǎn)換元件5包括多個偏振分束表面、多個反射表面和多個半波片。具體的說，偏振轉(zhuǎn)換元件5是陣列類型的光學元件，其中分別包括偏振分束表面、反射表面和半波片的多個偏振轉(zhuǎn)換元件部分設(shè)置在基本上垂直于光軸的方向上。可以使用偏振分束表面來代替反射表面。因此，在此偏振轉(zhuǎn)換元件5可以稱為“偏振轉(zhuǎn)換元件陣列”。
在偏振轉(zhuǎn)換元件5中，在進入每個偏振分束表面的光中，具有預(yù)定偏振方向的偏振光分量穿過該表面而從偏振轉(zhuǎn)換元件5射出。
另一方面，在進入每個偏振分束表面的光中，具有垂直于上述預(yù)定偏振方向的偏振方向的偏振光分量被該表面反射，然后被反射表面反射。此外，該偏振光分量的偏振方向被半波片旋轉(zhuǎn)90度，然后該光分量從偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換元件5射出。偏振轉(zhuǎn)換元件5通過這種方式將入射的非偏振光轉(zhuǎn)換為具有預(yù)定偏振方向的線性偏振光。
半波片可以只設(shè)置在穿過偏振分束表面的光的光路中。此外，偏振轉(zhuǎn)換元件5可以將非偏振光轉(zhuǎn)換為各種顏色的線性偏振光分量，在這種情況下線性偏振光分量的偏振方向不必相同。
換句話說，偏振轉(zhuǎn)換元件5可以使紅、綠和藍光分量之一的偏振方向不同于另外兩個光分量的偏振方向，使得例如紅光分量是相對于偏振分束器7的S偏振光，而綠色和藍色光分量是相對于偏振分束器7的P偏振光。
具體的說，這是通過向偏振分束表面提供反射綠色和藍色S偏振光以及紅色P偏振光、并透過綠色和藍色P偏振光以及紅色S偏振光的特性，并且通過在被偏振分束表面反射的光的光路中設(shè)置半波片來實現(xiàn)。
從聚光透鏡6射出的分開的光束穿過偏振分束器7的偏振分束表面(光學膜表面或光學表面)7a，然后在液晶板上相互重疊。由此，液晶板8受到具有均勻強度分布的照明光束的照射。
偏振分束表面7a具有分光功能。被液晶板8圖像調(diào)制和反射的光由偏振分束器7的偏振分束表面7a反射而引入到未示出的投影透鏡中。
盡管在該實施例中只示出一個液晶板8，實際和通用的投影儀具有用于紅色(R)、綠色(G)和藍色(B)的三個液晶板。偏振分束器7構(gòu)成所謂的顏色分離/組合光學系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)分別將R照明光、G照明光和B照明光引入三個液晶板，并組合來自這三個液晶板的R圖像光、G圖像光和B圖像光。
偏振分束器7具有構(gòu)成偏振分束表面7a并相對于照明光學系統(tǒng)的光軸(Z軸)傾斜的偏振分束膜，該表面7a由多層膜制成。偏振分束表面7a相對于光軸的傾斜通常設(shè)置為45°或從42°至48°的角度。
偏振分束膜具有根據(jù)偏振方向分離位于作為可見光波長范圍的至少一部分的波長范圍(例如寬度為10nm或更大、優(yōu)選40nm或更大的波長范圍)內(nèi)的光的功能。總的來說，在具有特定入射角的光中，偏振分束膜反射具有第一偏振方向的光的80％或更多，并透過具有垂直于第一偏振方向的第二偏振方向的光的80％或更多。
第一和第二復眼透鏡3、4中的每一個由多個二維排列的透鏡單元構(gòu)成(也就是說，排列為多個透鏡單元分別排列在垂直于光軸的第一方向上和垂直于第一方向以及光軸的第二方向上)。每個透鏡單元的中心軸平行于Z軸。
如上所述，從設(shè)置在橢圓反射鏡2的第一焦點附近的光源1射出的光束被橢圓反射鏡2反射和聚集，從而作為會聚光束朝著第一復眼透鏡3前進。
在圖1所示的XZ截面中，如圖4所示，在第一復眼透鏡3的多個透鏡單元3a中，除中心透鏡單元之外的透鏡單元形成為使得它們的頂點在X方向上向外偏心。因此，第一復眼透鏡3對來自橢圓反射鏡2的光束總體上具有負的(凹的)透鏡功能。
將使用圖5描述這一點。圖5示出第一復眼透鏡3的中心透鏡單元3a0的XZ截面和在X方向上與其相鄰的兩個透鏡元件(外圍透鏡元件)3a1和3a2。
外圍透鏡單元3a1和3a2的頂點(該頂點位于示出外圍透鏡單元3a1、3a2的光軸01、o2的虛線上)相對于外圍透鏡單元3a1和3a2的中心(該中心位于虛線o1’、o2’上)向外偏心。如果偶數(shù)個透鏡單元分別設(shè)置在X方向和Y方向上，則優(yōu)選每個透鏡單元的頂點都相對于該透鏡單元的中心向外偏心。
在圖5中，“a”表示第一復眼透鏡3的焦距f，線A表示朝向橢圓反射鏡2而與第一復眼透鏡3(即中心透鏡單元3a0)相距“a”的位置(即入射側(cè)焦點)。
在這種情況下，分別通過外圍透鏡單元3a1、3a2的光軸o1、o2與線A的交點Q1、Q2的光線L1和L2分別穿過外圍透鏡單元3a1、3a2的中心，從而變成沿著Z軸前進的平行光線，然后從第一復眼透鏡3射出。
光線L1和L2是分別穿過外圍透鏡單元3a1、3a2的中心的光線。此外，盡管未示出，中心透鏡單元3a0的頂點位于中心透鏡單元3a0的中心，進入中心透鏡單元3a0的中心的光線平行于Z軸前進，從而從第一復眼透鏡3射出。
因此，第一復眼透鏡3具有將進入每個透鏡單元的中心的光線轉(zhuǎn)換為平行于光軸(Z軸)前進的光線的功能。換句話說，第一復眼透鏡3具有將來自橢圓反射鏡2的光束分為多個平行于光軸的光束、然后分別聚集該多個光束以使每個光束形成光源影像的功能。
因此，第一復眼透鏡3用作具有負屈光力(屈光力是焦距的倒數(shù)，并且可以稱為“折光力”)的透鏡，以將來自橢圓反射鏡2的全部會聚光束轉(zhuǎn)換為平行光束，而且還用作具有正屈光力的透鏡，用以聚集每個被分開的光束。
如上所述，第一復眼透鏡3在XZ截面中具有將來自橢圓反射鏡2的會聚光束轉(zhuǎn)換為平行于光軸的多個光束并且使它們從該復眼透鏡中射出的凹透鏡功能。
在圖2所示的YZ截面中，如圖6所示，在第二復眼透鏡4的多個透鏡單元4a中，除中心透鏡單元之外的透鏡單元形成為使得它們的頂點在Y方向向外偏心。因此，被橢圓反射鏡2反射然后進入第二復眼透鏡4的光束變成平行光束。也就是說，整個第二復眼透鏡4在YZ截面上對來自橢圓反射鏡2的光束具有負的(凹的)透鏡功能。該透鏡功能可以按照與第一復眼透鏡3相同的方式來獲得。
圖7和8分別放大地示出圖1和2示出的從橢圓反射鏡2到偏振轉(zhuǎn)換元件5的光路。被橢圓反射鏡2反射的會聚光束在XZ截面上由第一復眼透鏡3轉(zhuǎn)換為平行光束，而在YZ截面上由第二復眼透鏡4轉(zhuǎn)換為平行光束。
也就是說，光束在XZ截面上的壓縮是通過由橢圓反射鏡(或第一光學元件)2以及第一復眼透鏡(或第二光學元件)3組成的壓縮系統(tǒng)來執(zhí)行的，而光束在YZ截面上的壓縮是通過由橢圓反射鏡2以及第二復眼透鏡(或第三光學元件)4組成的壓縮系統(tǒng)來執(zhí)行的。
光束的壓縮是一種減小光束的直徑(換句話說是寬度)然后使該光束準直的光學作用。
該實施例中的平行光束不僅包括完全平行的光束，而且包括從光學性能方面可以被看作是平行光束的光束。
具體的說，從光源一側(cè)的順序來看，該實施例的壓縮系統(tǒng)由具有正屈光力的第一光學元件如橢圓反射鏡或凸透鏡、以及具有在XZ和YZ截面上互不相同的負屈光力的第二和第三光學元件或者第二光學元件如凹透鏡或具有凹透鏡功能的復眼透鏡(或透鏡陣列)的組合構(gòu)成。
但是，如果從該壓縮系統(tǒng)射出的光束是平行光束的話，壓縮系統(tǒng)可以由具有正屈光力的光學元件如橢圓反射鏡或凸透鏡、以及具有正屈光力的另一個光學元件如凸透鏡的組合構(gòu)成。如果壓縮系統(tǒng)僅由透鏡構(gòu)成，則優(yōu)選該壓縮系統(tǒng)構(gòu)成為無焦系統(tǒng)。
如上所述，該壓縮系統(tǒng)導致從其射出的光束的直徑(或?qū)挾?在XZ和YZ截面上都變得比進入其之前(即進入反射鏡2之前)的光束的直徑(或?qū)挾?窄。
在將光束從光源引入液晶板的照明光學系統(tǒng)中，該實施例的壓縮系統(tǒng)設(shè)置在照明光學系統(tǒng)的光源(發(fā)光部件)和光瞳位置(即形成光源影像或發(fā)光部件的影像的位置)之間。
在該實施例中，照明光學系統(tǒng)的光瞳位置位于偏振轉(zhuǎn)換元件(即排列了多個小型偏振轉(zhuǎn)換元件的部件)的附近。但是，該光瞳位置可以比至少一個比該偏振轉(zhuǎn)換元件更靠近液晶板的光學元件還要更靠近液晶板。
此外，針對XZ截面的、壓縮XZ截面中的光束直徑的壓縮系統(tǒng)以及針對YZ截面的、壓縮YZ截面中的光束直徑的壓縮系統(tǒng)可以由相同的光學元件構(gòu)成，或者包括相同的光學元件作為其一部分，或者由不同的光學元件構(gòu)成。
該實施例的壓縮系統(tǒng)設(shè)置在光源和偏振轉(zhuǎn)換元件之間，并在反射鏡的反射點壓縮XZ和YZ截面中的光束直徑。
因此，光束直徑可以在用于將光從光源引入液晶板的照明光學系統(tǒng)的光瞳位置(光源影像形成位置)處變窄。
此外，光學元件在XZ和YZ截面中的位置和屈光力中的至少一個方面的差異導致光束直徑在XZ和YZ截面中在進入偏振轉(zhuǎn)換元件的進入點(換句話說在從壓縮系統(tǒng)的出射點)互不相同。也就是說，包括上述差異的壓縮系統(tǒng)導致光束直徑的壓縮率會在XZ和YZ截面中互不相同。
該實施例的描述主要針對壓縮系統(tǒng)比偏振轉(zhuǎn)換元件更靠近光源的情況做出。但是，壓縮系統(tǒng)可以比上述偏振轉(zhuǎn)換元件更靠近液晶板(或者投影透鏡)。
在這種情況下，針對XZ截面的、壓縮XZ截面中的光束直徑的壓縮系統(tǒng)可以在照明光源系統(tǒng)的XZ截面中比光瞳位置(光源影像形成位置)更靠近光源，針對YZ截面的、壓縮YZ截面中的光束直徑的壓縮系統(tǒng)可以在照明光源系統(tǒng)的YZ截面中比光瞳位置(光源影像形成位置)更靠近光源。這些特征也可以應(yīng)用于下面描述的實施例。
在該實施例和后面描述的實施例中，光束的壓縮率定義為光束在從反射鏡射出的出射點(或者反射鏡上的反射點)的外徑與在緊接從壓縮系統(tǒng)射出之后的點(或者在進入偏振轉(zhuǎn)換元件的進入點)的外徑的比值。具體說來，在實施例1至5中光束的壓縮率表示通過將光束在從反射鏡射出的出射點的外徑除以光束在緊接從壓縮系統(tǒng)射出之后的點的外徑而獲得的值。需要注意，后面將描述的實施例7及其后面的實施例中的壓縮率具有與實施例1至5中的壓縮率相反的含義。其詳細定義將在后面描述。
在該實施例中，由于從第一和第二復眼透鏡3和4射出的光束作為平行光束進入偏振轉(zhuǎn)換元件5，因此壓縮率是根據(jù)橢圓反射鏡2與第一復眼透鏡3或第二復眼透鏡4之間的距離(或者長度，下面稱為“壓縮長度”)來確定的。
如圖7所示，在XZ截面，光束的壓縮是由橢圓反射鏡2和第一復眼透鏡3執(zhí)行的，從而壓縮長度是B。
如圖8所示，在YZ截面，光束的壓縮是由橢圓反射鏡2和第二復眼透鏡4執(zhí)行的，從而壓縮長度是C。
由此，在該實施例中，XZ截面和YZ截面中的壓縮率互不相同。具體的說，由于B/C＜1，因此YZ截面中的壓縮率大于XZ截面中的壓縮率。
換句話說，當XZ截面中的壓縮率是α，而YZ截面中的壓縮率是β時，α≠βα/β＜1(α≠0，β≠0，更優(yōu)選地α＞1，β＞1)如上所述，壓縮率α和β中的每一個都作為通過將光束在從橢圓反射鏡2射出的出射點的外徑除以光束在緊接從壓縮系統(tǒng)射出之后的點的外徑而獲得的值定義的。因此，如果光束被該壓縮系統(tǒng)壓縮，則壓縮率α和β邏輯上大于1。
下面利用圖1和2描述α和β。在這些圖中，Lr表示光束在橢圓反射鏡2的反射位置處垂直于光軸的方向上的寬度(或直徑)。
Lx表示光束在XZ截面中(在垂直于光軸的方向上)緊接偏振轉(zhuǎn)換元件5之前的位置處的寬度。換句話說，Lx表示光束在XZ截面中位于在相對于偏振轉(zhuǎn)換元件5來說更靠近光源那一側(cè)最靠近偏振轉(zhuǎn)換元件5的光學元件和偏振轉(zhuǎn)換元件5之間的位置處的寬度。
Ly表示光束在YZ截面中(在垂直于光軸的另一個方向上)緊接偏振轉(zhuǎn)換元件5之前的位置處的寬度。換句話說，Ly表示光束在YZ截面中位于在相對于偏振轉(zhuǎn)換元件5來說更靠近光源那一側(cè)最靠近偏振轉(zhuǎn)換元件5的光學元件和偏振轉(zhuǎn)換元件5之間的位置處的寬度。
α和β可以如下表達α＝Lr/Lxβ＝Lr/Ly。
α＞1，β＞1α和β還可以如下表達α＝Hr/Hxβ＝Hr/Hy。
其中Hr表示進入復眼透鏡的離軸透鏡單元的中心的光線被反射鏡反射的位置的高度(與光軸的距離)，Hx(在XZ截面中)和Hy(在YZ截面中)表示光線進入偏振轉(zhuǎn)換元件5的位置的高度。
優(yōu)選上述進入復眼透鏡的離軸透鏡單元的中心的光線進入第一和第二復眼透鏡的中心。光線垂直地(即平行于光軸)進入偏振轉(zhuǎn)換元件5。
盡管在該實施例中Lx和Ly定義為光束在緊接偏振轉(zhuǎn)換元件5之前的位置處的直徑(或?qū)挾?，Lx和Ly還可以定義為光束在緊接壓縮系統(tǒng)之后的位置處的直徑。
在圖1和圖2所示的實施例中，α＝1.21和β＝1.67，從而α和β互不相同，而且α/β等于0.72(＜1)。
如上所述，在該實施例中，會聚光束由橢圓反射鏡2產(chǎn)生，而且通過利用從橢圓反射鏡2到第一復眼透鏡3的距離與橢圓反射鏡2到第二復眼透鏡4的距離之差來使得光束在YZ截面中的壓縮率大于在XZ截面中的壓縮率。
因此，與在第一和第二復眼透鏡之間劇烈壓縮光束的傳統(tǒng)配置相比，不需要使構(gòu)成每個復眼透鏡3、4的各透鏡單元的偏心量很大。
因此，可以抑制每個復眼透鏡3、4在光軸方向上的厚度的增加。結(jié)果，照明光學系統(tǒng)可以降低在每個復眼透鏡中產(chǎn)生的像差，并在不大幅減小照明效率的情況下實現(xiàn)光束在YZ截面中所需要的壓縮率。因此用于圖像投影的光學系統(tǒng)可以投影亮圖像，同時使光束在偏振分束器7對角分布敏感的方向上(即在YZ截面的方向上)的角分布變窄，以抑制亮度的不均勻和對比度的降低。
此外，照明光學系統(tǒng)(或者用于圖像投影的光學系統(tǒng))也將光束在偏振分束器7對角分布不敏感的方向上(即在XZ截面的方向上)的角分布變窄，由此與角分布在該方向上很大的情況相比，使得能夠?qū)σ种屏炼鹊牟痪鶆蚝蛯Ρ榷鹊慕档陀胸暙I。
實施例2圖9和10示出作為本發(fā)明實施例2的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中使用的照明光學系統(tǒng)的配置。圖9示出照明光學系統(tǒng)的XZ截面，圖10示出其YZ截面。
從光源11發(fā)射出的白光由拋物面反射鏡(拋物面鏡)12轉(zhuǎn)換為平行光束。光源11和拋物面反射鏡12構(gòu)成光源燈LP。平行光束由凸透鏡13聚集，然后穿過第一凹柱面透鏡14從而進入第一復眼透鏡15。
進入第一復眼透鏡15的光束被分為多個光束，由此每個光束被聚集。從第一復眼透鏡15射出的光束穿過第二凹柱面透鏡16，然后在第二復眼透鏡17和偏振轉(zhuǎn)換元件18的附近形成二次光源影像。
從偏振轉(zhuǎn)換元件18射出的多個分開的光束(即具有預(yù)定偏振方向的線性偏振光)由聚光透鏡19會聚，穿過偏振分束器20，然后在反射液晶板21上彼此重疊。偏振分束器20具有類似于在實施例1中描述的偏振分束膜(光學膜表面或光學表面)20a。
第一和第二復眼透鏡15和17中的每一個都由二維排列的多個透鏡單元構(gòu)成。
圖11和12分別放大地示出圖9和10所示的從拋物面反射鏡12到偏振轉(zhuǎn)換元件18的光路。從拋物面反射鏡12射出的平行光束由凸透鏡13轉(zhuǎn)換為會聚的光束，然后在XZ截面該會聚光束由具有凹透鏡功能的第一凹柱面透鏡14轉(zhuǎn)換為平行光束。
另一方面，在YZ截面中來自凸透鏡13的會聚光束由具有凹透鏡功能的第二凹柱面透鏡16轉(zhuǎn)換為平行光束。
也就是說，光束在XZ截面中的壓縮通過由凸透鏡(或者第一光學元件)13和第一凹柱面透鏡(或者第二光學元件)14構(gòu)成的壓縮系統(tǒng)執(zhí)行，光束在YZ截面中的壓縮通過由凸透鏡13和第二凹柱面透鏡(或者第三光學元件)16構(gòu)成的壓縮系統(tǒng)執(zhí)行。
這里，如上所述，光束的壓縮率定義為通過將光束在從拋物面反射鏡12射出的出射點的外徑除以光束在緊接從壓縮系統(tǒng)射出之后的點的外徑而獲得的值。
在該實施例中，由于來自拋物面反射鏡12的平行光束進入凸透鏡13，因此從第一和第二凹柱面透鏡14、16射出的平行光束進入偏振轉(zhuǎn)換元件18。因此，壓縮率是根據(jù)從凸透鏡13到第一凹柱面透鏡14或第二凹柱面透鏡16的距離(壓縮長度)來確定的。
如圖11所示，在XZ截面，光束的壓縮由凸透鏡13和第一凹柱面透鏡14執(zhí)行，從而壓縮長度為D。如圖12所示，在YZ截面，光束的壓縮由凸透鏡13和第二凹柱面透鏡16執(zhí)行，從而壓縮長度為E。
因此，在該實施例中，在XZ截面和在YZ截面中的壓縮率互不相同。具體的說，由于D/E＜1，YZ截面中的壓縮率大于在XZ截面中的壓縮率。
換句話說，當XZ截面中的壓縮率是α，而YZ截面中的壓縮率是β時，α/β＜1(α≠0)。
如上所述，在該實施例中，從拋物面反射鏡12射出的平行光束由凸透鏡13轉(zhuǎn)換為會聚光束，而且通過利用從凸透鏡13到第一凹柱面透鏡14的距離與凸透鏡13到第二凹柱面透鏡16的距離之差來使得光束在YZ截面中的壓縮率大于在XZ截面中的壓縮率。
因此，與實施例1相同，照明光學系統(tǒng)可以達到光束在YZ截面所需要的壓縮率，同時抑制每個復眼透鏡15、16的厚度的增加和所導致的照明效率的降低。因此，用于圖像投影的光學系統(tǒng)可以投影亮圖像，同時使光束在偏振分束器20對角分布敏感的方向上(即在YZ截面的方向上)的角分布變窄，以抑制亮度的不均勻和對比度的降低。
此外，照明光學系統(tǒng)(或者用于圖像投影的光學系統(tǒng))也將光束在偏振分束器20對角分布不敏感的方向上(即在XZ截面的方向上)的角分布變窄，由此，與角分布在該方向上很大的情況相比，使得能夠?qū)σ种屏炼鹊牟痪鶆蚝蛯Ρ榷鹊慕档陀胸暙I。
盡管該實施例使用作為與復眼透鏡分離的透鏡的凹柱面透鏡，凹柱面透鏡表面還可以設(shè)置在位于復眼透鏡的與其透鏡單元表面相反的表面上。
實施例3圖13和14示出作為本發(fā)明實施例3的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中使用的照明光學系統(tǒng)的配置。圖13示出照明光學系統(tǒng)的XZ截面，圖14示出其YZ截面。
從光源31發(fā)射出的白光由拋物面反射鏡32轉(zhuǎn)換為平行光束。光源31和拋物面反射鏡32構(gòu)成光源燈LP。平行光束由雙凸復曲面透鏡33轉(zhuǎn)換為會聚光束，然后穿過雙凹復曲面透鏡34從而進入第一復眼透鏡35。雙凸復曲面透鏡33可以具有平凸形狀或彎月形狀，并且雙凹復曲面透鏡34可以具有平凹形狀或彎月形狀。
進入第一復眼透鏡35的光束被分為多個光束，由此每個光束被聚集。從第一復眼透鏡35射出的光束在第二復眼透鏡36和偏振轉(zhuǎn)換元件37的附近形成二次光源影像。
從偏振轉(zhuǎn)換元件37射出的多個分開的光束(即具有預(yù)定偏振方向的線性偏振光)由聚光透鏡38會聚，穿過偏振分束器39，然后在反射液晶板40上彼此重疊。偏振分束器39具有類似于在實施例1中描述的偏振分束膜(光學膜表面或光學表面)39a。
第一和第二復眼透鏡35和36中的每一個都由二維排列的多個透鏡單元構(gòu)成。
圖15和16分別放大地示出圖13和14所示的從拋物面反射鏡32到偏振轉(zhuǎn)換元件37的光路。穿過雙凸復曲面透鏡33的光束是會聚光束，但是該會聚光束由具有凹透鏡功能的雙凹復曲面透鏡34轉(zhuǎn)換為在XZ和YZ截面中的平行光束。
也就是說，光束在XZ截面和YZ截面中的壓縮通過由雙凸復曲面透鏡(或者第一光學元件)33和雙凹復曲面透鏡(或者第二光學元件)34構(gòu)成的壓縮系統(tǒng)執(zhí)行。這里，光束的壓縮率定義為通過將光束在從拋物面反射鏡32射出的出射點的外徑除以光束在緊接從壓縮系統(tǒng)射出之后的點的外徑(或者光束在進入偏振轉(zhuǎn)換元件37的進入點的外徑)而獲得的值。在該實施例中，來自拋物面反射鏡32的平行光束進入雙凸復曲面透鏡33，從雙凹復曲面透鏡34射出的平行光束進入偏振轉(zhuǎn)換元件37。也就是說，在該實施例中，光束在XZ截面中的壓縮率α和光束在YZ截面中的壓縮率β彼此也是不同的。
當雙凸復曲面透鏡33在XZ和YZ截面的焦距分別是T1x和T1y，而雙凹復曲面透鏡34在XZ和YZ截面的焦距分別是T2x和T2y時，它們的關(guān)系表達如下T1x/T1y＞1T2x/T2y＞1。
在XZ和YZ截面中的壓縮率α和β如下α＝T1x/T2x＞1β＝T1x/T2y＞1。
因此，在YZ截面中的壓縮率(β)大于在XZ截面中的壓縮率(α)。
換句話說，當XZ截面中的壓縮率是α，而YZ截面中的壓縮率是β時，α/β＜1(α≠0)如上所述，在該實施例中，從拋物面反射鏡32射出的平行光束由雙凸復曲面透鏡33轉(zhuǎn)換為會聚光束，而且通過利用雙凸復曲面透鏡33和雙凹復曲面透鏡34在XZ和YZ截面的焦距差來使得光束在YZ截面中的壓縮率大于在XZ截面中的壓縮率。
因此，與實施例1一樣，照明光學系統(tǒng)可以達到光束在YZ截面所需要的壓縮率，同時抑制每個復眼透鏡35、37的厚度的增加和所導致的照明效率的降低。因此，用于圖像投影的光學系統(tǒng)可以投影亮圖像，同時使光束在偏振分束器39對角分布敏感的方向上(即在YZ截面的方向上)的角分布變窄，以抑制亮度的不均勻和對比度的降低。
此外，照明光學系統(tǒng)(或者用于圖像投影的光學系統(tǒng))也將光束在偏振分束器39對角分布不敏感的方向上(即在XZ截面的方向上)的角分布變窄，由此，與角分布在該方向上很大的情況相比，使得能夠?qū)σ种屏炼鹊牟痪鶆蚝蛯Ρ榷鹊慕档陀胸暙I。
實施例4圖17和18示出作為本發(fā)明實施例4的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中使用的照明光學系統(tǒng)的配置。圖17示出照明光學系統(tǒng)的XZ截面，圖18示出其YZ截面。
從光源51發(fā)射出的白光由橢圓反射鏡52反射以轉(zhuǎn)換為會聚光束。該會聚光束進入第一復眼透鏡53。光源51和橢圓反射鏡52構(gòu)成光源燈LP。可以用拋物面反射器代替橢圓反射器52。
在該實施例中，構(gòu)成第一復眼透鏡53的多個透鏡單元中的每一個(除了中心透鏡單元)在XZ和YZ截面中具有不同的偏心量，這向整個第一復眼透鏡53提供雙凸復曲面透鏡功能。
進入第一復眼透鏡53的光束被分為多個光束，由此每個光束被聚集。從第一復眼透鏡53射出的光束在第二復眼透鏡54和未示出的偏振轉(zhuǎn)換元件附近形成二次光源影像。
在該實施例中，構(gòu)成第二復眼透鏡54的多個透鏡單元中的每一個(除了中心透鏡單元)在XZ和YZ截面中具有不同的偏心量，這向整個第二復眼透鏡54提供雙凹復曲面透鏡功能。
從偏振轉(zhuǎn)換元件射出的多個分開的光束(即具有預(yù)定偏振方向的線性偏振光)由聚光透鏡55會聚，穿過偏振分束器56的偏振分束膜(光學膜表面或光學表面)56a，然后在反射液晶板57上彼此重疊。
作為雙凸復曲面透鏡的第一復眼透鏡53在XZ和YZ截面中的焦距的關(guān)系以及作為雙凹復曲面透鏡的第二復眼透鏡54在XZ和YZ截面中的焦距的關(guān)系與在實施例3中的相同。
也就是說，當XZ截面中的壓縮率是α，而YZ截面中的壓縮率是β時，α/β＜1(α≠0)因此，按照該實施例可以獲得類似于實施例3的效果。
在上述實施例中，是針對使用偏振分束器的照明光學系統(tǒng)進行描述的。但是，使用相對于光軸傾斜的二向色棱鏡或具有二向色膜表面的二向色鏡的照明光學系統(tǒng)可以在上述每個實施例中采用該實施例的光束壓縮系統(tǒng)。
表格1示出在實施例1至4中每一個的壓縮率α、β和α/β的值。但是，如果這些值在上述條件表達式的范圍內(nèi)變化，則可以獲得與實施例1至4中每一個類似的效果。也就是說，例如實施例1中的壓縮率可以應(yīng)用于其它實施例的壓縮率，其它實施例中的壓縮率可以用于實施例1的壓縮率。此外，表格1中的壓縮率α、β可用于下面描述的從實施例5開始的實施例中。
表格1

這里，滿足α/β＜1。更優(yōu)選的是α/β＜0.95，還要優(yōu)選的是α/β＜0.9。
關(guān)于下限，優(yōu)選α/β＞0.3，更優(yōu)選α/β＞0.5，更為優(yōu)選的是α/β＞0.7。
當然α＞1，但是優(yōu)選α＞1.05，更為優(yōu)選的是α＞1.10。另一方面，當然β＞1，但是優(yōu)選β＞1.10，更為優(yōu)選的是β＞1.25。
實施例5在上述每個實施例中，是針對包括比偏振轉(zhuǎn)換元件更靠近光源的壓縮系統(tǒng)并且該壓縮系統(tǒng)在XZ和YZ截面中具有不同壓縮率的照明光學系統(tǒng)進行描述的。但是，具有類似于上述每個實施例的功能的壓縮系統(tǒng)可以比偏振轉(zhuǎn)換元件更靠近偏振分束器。
而且在該情況中，壓縮系統(tǒng)配置為在YZ截面中的壓縮率大于在XZ截面中的壓縮率。
按照上述每個實施例，可以實現(xiàn)投影亮圖像同時抑制對比度降低的光學系統(tǒng)。
在實施例1至5的每一個中，壓縮率定義為通過將光束在進入壓縮系統(tǒng)之前(或者緊接從反射鏡射出之后)的點的外徑除以光束在緊接從壓縮系統(tǒng)射出之后的點的外徑而獲得的值。
但是，將在實施例7以及隨后的實施例中使用的描述為“壓縮率”和“擴展率”的比率(下面都稱為“轉(zhuǎn)換率”)具有相反的含義。也就是說，用在實施例7和隨后的實施例中的壓縮率和擴展率(轉(zhuǎn)換率)定義為通過將光束在緊接從壓縮系統(tǒng)射出之后的點的外徑除以光束在進入壓縮系統(tǒng)之前(或者緊接從反射鏡射出之后)的點的外徑而獲得的值。壓縮率和擴展率(轉(zhuǎn)換率)當然可以用在實施例7和隨后的實施例中描述的壓縮系統(tǒng)中的光學系統(tǒng)的焦距來定義。
此外，實施例1至5中的XZ和YZ截面以及實施例7至15中的XZ和YZ截面表示互不相同(或相反)的截面。也就是說，實施例7至15中的XZ截面表示平行于光學表面(偏振分束表面)的法線的截面，而YZ截面表示垂直于該XZ截面的截面。實施例7至15中的XZ和YZ截面也平行于Z軸(或照明光學系統(tǒng)的光軸)。
基于在實施例7以及隨后的實施例中使用的定義，在平行于光學表面(偏振分束表面)的法線的XZ截面中(該XZ截面對應(yīng)于實施例1至5中的YZ截面)的轉(zhuǎn)換率定義為γ，而在垂直于該XZ截面的YZ截面中(該YZ截面對應(yīng)于實施例1至5中的XZ截面)的轉(zhuǎn)換率定義為δ。在這種情況下，上述表格1可以被下面的表格1A代替。
在表格1A中，很自然γ小于1。但是，γ優(yōu)選小于0.90，更為優(yōu)選的是γ小于0.75。當然δ也小于1。但是優(yōu)選δ小于0.95，更為優(yōu)選的是δ小于0.90。它們在實施例1至5中當然得到了滿足，在實施例7至11中同樣得到滿足。但是在實施例12至15中，光束被擴展，因此γ和δ大于1。
另外，γ/δ當然小于1。但是，優(yōu)選γ/δ小于0.95，更為優(yōu)選的γ/δ小于0.90。此外，優(yōu)選γ/δ大于0.3，更為優(yōu)選的γ/δ大于0.5，還要優(yōu)選的γ/δ為0.6或更大。這些在實施例1至5當然得到了滿足，在實施例7至15中同樣得到滿足。
表格1A

如上所述，在實施例7和隨后的實施例中，XZ截面平行于光學表面(偏振分束表面)的法線，而YZ截面垂直于該XZ截面。這些定義剛好與實施例1至5中的相反。
也就是說，表格1A中的γ對應(yīng)于實施例7和隨后的實施例的XZ截面中的轉(zhuǎn)換率(壓縮率或擴展率)，表格1A中的δ對應(yīng)于實施例7和隨后的實施例的YZ截面中的轉(zhuǎn)換率。
換句話說，表格1A中的γ對應(yīng)于在實施例7和隨后的實施例的XZ截面中的α和準直放大率HX，表格1A中的δ對應(yīng)于在實施例7和隨后的實施例的YZ截面中的β和準直放大率HY。因此，表格1A中的γ/δ與實施例7和隨后的實施例中的α/β以及HX/HY同義，因此優(yōu)選其算術(shù)值在相似的范圍內(nèi)。
實施例6圖19示出使用實施例1描述的包括照明光學系統(tǒng)的用于圖像投影的光學系統(tǒng)的液晶投影儀(圖像投影裝置)的配置。圖19示出包括實施例1中的YZ截面的截面。在該液晶投影儀中，可以使用在每個實施例2至5中描述的照明光學系統(tǒng)來代替實施例1的照明光學系統(tǒng)。
在該圖中，附圖標記1表示以連續(xù)譜發(fā)射白光的光源，2表示在預(yù)定方向反射和聚集來自光源1的光的橢圓反射鏡。光源1和橢圓反射鏡2構(gòu)成光源燈LP。
附圖標記100表示省略了光源燈LP和偏振分束器7的照明光學系統(tǒng)的一部分。
附圖標記158表示反射藍色波長區(qū)域中的光(B430至495nm)和紅色波長區(qū)域中的光(R590至650nm)并透過綠色波長范圍內(nèi)的光(G505至580nm)的二向色鏡。R、G、B的上述波長區(qū)域是例子，因此實際波長區(qū)域不限于此。每個波長區(qū)域R、G、B只需要在上述范圍內(nèi)具有40nm或更大的寬度。在R波長區(qū)域內(nèi)的光、在G波長區(qū)域內(nèi)的光和在B波長區(qū)域內(nèi)的光下面分別稱為“R光”、“G光”和“B光”。
附圖標記159表示通過向透明基板粘接偏振元件而形成并且只透過S偏振光的用于G的入射側(cè)偏振板。附圖標記60表示透過P偏振光并在其由多層膜構(gòu)成的偏振分束表面(偏振分束膜)上反射S偏振光的第一偏振分束器。
附圖標記61R、61G和61B分別表示用于R、G、B的反射液晶板(或者光調(diào)制元件或成像元件)，每個液晶板都反射進入的光并進行圖像調(diào)制。
附圖標記64表示通過向透明基板粘接偏振元件而形成并且只透過S偏振光的用于G和B的入射側(cè)偏振板。
附圖標記65表示將B光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°并且不旋轉(zhuǎn)R光的偏振方向的第一色選擇性相位差板。附圖標記66表示透過P偏轉(zhuǎn)光并在其偏振分束表面上反射S偏轉(zhuǎn)光的第二偏振分束器。附圖標記67表示將R光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°并且不旋轉(zhuǎn)B光的偏振方向的第二色選擇性相位差板。
附圖標記68表示只透過S偏振光的用于R和G的出射側(cè)偏振板(偏振元件)。附圖標記69表示透過P偏轉(zhuǎn)光并在其偏振分束表面上反射S偏轉(zhuǎn)光的第三偏振分束器。
上述從二向色鏡158到第三偏振分束器69的部件構(gòu)成顏色分離/組合光學系統(tǒng)200。
附圖標記70表示投影透鏡(或投影光學系統(tǒng))。上述照明光學系統(tǒng)100、顏色分離/組合光學系統(tǒng)200和投影透鏡70構(gòu)成用于圖像投影的光學系統(tǒng)。投影透鏡70可以包括鏡子和透鏡，或者只包括鏡子，或者折射光學元件。
下面描述光穿過照明光學系統(tǒng)100之后的光學效果。首先描述G光的光路。
透過二向色鏡158的G光進入入射側(cè)偏振板159。G光在由二向色鏡158分離之后保持為S偏振光。在G光從入射側(cè)偏振板159出射之后，其作為S偏振光進入第一偏振分束器60，被其偏振分束表面反射，并到達用于G的反射液晶板61G。
設(shè)置在投影儀中的液晶驅(qū)動電路250與圖像提供裝置300如個人計算機、DVD播放器和電視調(diào)諧器連接。投影儀和圖像提供裝置300構(gòu)成圖像顯示系統(tǒng)。液晶驅(qū)動電路250基于從圖像提供裝置300接收的圖像(視頻)信息驅(qū)動液晶板61R、61G、61B，從而使液晶板61R、61G、61B形成各顏色的原始圖像。每個反射液晶板61R、61G、61B都對進入的光進行圖像調(diào)制和反射。
在經(jīng)過圖像調(diào)制后的G光中，S偏振光分量又被第一偏振分束器60的偏振分束表面反射，并向光源一側(cè)返回從而從用于投影的光中去掉。另一方面，在經(jīng)過圖像調(diào)制的G光中，P偏振光分量穿過第一偏振分束器60的偏振分束表面，并作為投影光朝著第三偏振分束器69前進。
當所有的偏振光分量都轉(zhuǎn)換為S偏振光之后(即顯示黑色時)，可以在預(yù)定方向上調(diào)整設(shè)置在第一偏振分束器60和用于G的反射液晶板61G之間的四分之一相位板62G的慢軸，以減小在第一偏振分束器60和用于G的反射液晶板61G中產(chǎn)生的被擾亂的偏振狀態(tài)的影響。
從第一偏振分束器60出射的G光作為P偏轉(zhuǎn)光進入第三偏振分束器69，穿過第三偏振分束器69的偏振分束表面，并到達投影透鏡70。
同時，由二向色鏡158反射的R光和B光進入入射側(cè)偏振板64。應(yīng)當注意，R光和B光在被二向色鏡158分離之后保持為S偏振光。在R光和B光從入射側(cè)偏振板64射出之后，這些光進入第一色選擇性相位差板65。
第一色選擇性相位差板65具有將B光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的功能。這使得B光和R光分別作為P偏振光和S偏轉(zhuǎn)光進入第二偏振分束器66。作為S偏振光進入第二偏振分束器66的R光被第二偏振分束器66的偏振分束表面反射，并到達用于R的反射液晶板61R。
作為P偏振光進入第二偏振分束器66的B光穿過第二偏振分束器66的偏振分束表面，并到達用于B的反射液晶板61B。
進入用于R的反射液晶板61R的R光經(jīng)過圖像調(diào)制和反射。在經(jīng)過圖像調(diào)制后的R光中，S偏振光分量又被第二偏振分束器66的偏振分束表面反射，并向光源一側(cè)返回從而從用于投影的光中去掉。另一方面，在經(jīng)過圖像調(diào)制的R光中，P偏振光分量穿過第二偏振分束器66的偏振分束表面，并作為用于投影的光朝著第二色選擇性相位差板67前進。
進入用于B的反射液晶板61B的B光經(jīng)過圖像調(diào)制和反射。在經(jīng)過圖像調(diào)制后的B光中，P偏振光分量又穿過第二偏振分束器66的偏振分束表面，并向光源一側(cè)返回從而從用于投影的光中去掉。另一方面，在經(jīng)過圖像調(diào)制的B光中，S偏振光分量被第二偏振分束器66的偏振分束表面反射，并作為用于投影的光朝著第二色選擇性相位差板67前進。
在這種情況下，可以調(diào)整設(shè)置在第二偏振分束器66以及用于R和B的反射液晶板61R和61B之間的各個四分之一波板62R和62B的慢軸，以便像在G光中那樣調(diào)整在R和B光每一個中的黑色顯示。
在組合為一個光束并從第二偏振分束器66射出的R和B的投影光中，R光的偏振方向由第二色選擇性相位差板67旋轉(zhuǎn)90°并轉(zhuǎn)換為S偏振光分量，所得到的光被出射側(cè)偏振板68分析并進入第三偏振分束器69。
B光作為S偏振光沒有改變地穿過第二色選擇性相位差板67，該光被出射側(cè)偏振板68分析并進入第三偏振分束器69。
由出射側(cè)偏振板68進行的分析實現(xiàn)了R和B的投影光，其排除了由于穿過第二偏振分束器66、用于R和B的反射液晶板61R和61B，以及四分之一波板62R和62B而產(chǎn)生的無效分量。
進入第三偏振分束器69的R和B的投影光被第三偏振分束器69的偏振分束表面反射，并與上述穿過該偏振分束表面的G光組合。所得到的光到達投影透鏡70。
因此，組合的R、G、B的投影光(即彩色圖像)由投影透鏡70放大并投影在諸如屏幕的投影表面上。
由于上述光路用在反射液晶板針對白色顯示運行時，因此下面描述反射液晶板針對黑色顯示運行時的光學效果。
首先描述G光的光路。作為穿過二向色鏡158的S偏振光的G光進入入射側(cè)偏振板159。然后G光進入第一偏振分束器60，被其偏振分束表面反射，并到達用于G的反射液晶板61G。但是，反射液晶板61G針對黑色顯示運行，G光沒有經(jīng)過圖像調(diào)制就被反射。
結(jié)果，G光在被反射液晶元件61G反射之后保持為S偏振光。因此，G光再次被第一偏振分束器60的偏振分束表面反射，穿過入射側(cè)偏振板159，并向光源返回從而從投影光中去掉。
下面描述R光和B光的光路。作為由二向色鏡158反射的S偏振光的R光和B光進入入射側(cè)偏振板64。在R光和B光從入射側(cè)偏振板64射出之后，它們進入第一色選擇性相位差板65。第一色選擇性相位差板65具有只將B光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的功能。這使得B光和R光分別作為P偏振光和S偏振光進入第二偏振分束器66。
作為S偏振光進入第二偏振分束器66的R光被第二偏振分束器66的偏振分束表面反射，并到達用于R的反射液晶板61R。作為P偏振光進入第二偏振分束器66的B光穿過第二偏振分束器66的偏振分束表面，并到達用于B的反射液晶板61B。
由于用于R的反射液晶板61R是針對黑色顯示運行的，進入用于R的反射液晶板61R的R光沒有經(jīng)過圖像調(diào)制就被反射。
結(jié)果，R光在被用于R的反射液晶元件61R反射之后保持為S偏振光。因此，R光再次被第二偏振分束器66的偏振分束表面反射，穿過入射側(cè)偏振板64，并向光源返回從而從投影光中去掉。
另一方面，由于用于B的反射液晶板61B是為黑色顯示運行的，進入用于B的反射液晶板61B的B光沒有經(jīng)過圖像調(diào)制就被反射。因此B光在被用于B的反射液晶板61B反射之后保持為P偏振光。因此，B光再次穿過第二偏振分束器66的偏振分束表面，由第一色選擇性相位差板65轉(zhuǎn)換為S偏振光，穿過入射側(cè)偏振板64，并向光源返回從而從投影光中去掉。
由此黑色顯示在投影表面上。
盡管在該實施例中顏色分離/組合光學系統(tǒng)200包括波長選擇性相位差板(wavelength selective phase plate)，但該波長選擇性相位差板可以去掉。在這種情況下，在該顏色分離/組合光學系統(tǒng)200中的偏振分束器可以配置為其偏振分束膜用作針對在可見光范圍內(nèi)的特定波長范圍的偏振分束表面，并且用作針對其它波長范圍的透射或反射表面而不管偏振方向是什么。
此外，四分之一相位板可以設(shè)置在顏色分離/組合光學系統(tǒng)200和投影透鏡70之間，使得防止由投影透鏡70中的透鏡表面反射、然后返回四分之一相位板的光再次被其反射并再次返回屏幕方向。
此外，盡管該實施例使用三個液晶板，也可以使用一個、兩個、四個或更多液晶板。
此外，這些實施例中的復眼透鏡可以由兩個彼此靠近的柱面透鏡或相互粘合的兩個柱面透鏡組成。
實施例7圖22和23示出使用實施例7的包括照明光學系統(tǒng)的用于圖像投影的光學系統(tǒng)的投影儀的配置。在下面的實施例中，XZ和YZ截面的定義和壓縮率的含義與在實施例1至6中的不同。
在這些圖中，附圖標記401表示光源如高壓水銀放電管，402表示作為光束聚集器的橢圓反射鏡(橢圓鏡)。光源401的發(fā)光表面401a設(shè)置在橢圓反射鏡402的第一焦點P1上。
從光源401徑向射出的光束由橢圓反射鏡402轉(zhuǎn)換為會聚光束，從而在橢圓反射鏡402的第二焦點P2聚集。
可以使用拋物面反射鏡和正透鏡的組合來代替橢圓反射鏡402。
從橢圓反射鏡402的頂點T到其第二焦點P2的距離fp對應(yīng)于橢圓反射鏡(或光束聚集器)402的焦距。也就是說，橢圓反射鏡402在比第一透鏡陣列403更靠近光源401的第二焦點P2處聚集來自光源401的光束。在此第二焦點P2是指聚集來自光源401的光束的位置，并且在不使用橢圓反射鏡402的情況下對應(yīng)于光聚集點(光聚集位置)。
來自第二焦點P2的光束由第一透鏡陣列403分為多個光束，該第一透鏡陣列403比第二焦點P2更靠近偏振轉(zhuǎn)換元件405。分開的光束穿過第二透鏡陣列404，然后在附近或者在偏振轉(zhuǎn)換元件405的光入射側(cè)或者在其光出射側(cè)形成多個二次光源影像。
形成各二次光源影像的光束由偏振轉(zhuǎn)換元件405轉(zhuǎn)換為具有預(yù)定偏振方向的線性偏振光，然后進入聚光透鏡406。
從聚光透鏡406射出的分開的光束穿過偏振分束器407的偏振分束表面(光學膜表面或光學表面)407a，然后在液晶板408上相互重疊。由此，用具有均勻強度分布的照明光束照射液晶板408。
由液晶板408圖像調(diào)制和反射的光被偏振分束器407的偏振分束表面407a反射，從而引入投影透鏡409。
盡管在該實施例中僅示出一個液晶板408，實際和通用的投影儀具有用于紅色(R)、綠色(G)和藍色(B)的三個液晶板。偏振分束器407構(gòu)成所謂的顏色分離/組合光學系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)分別將R照明光、G照明光和B照明光引入這三個液晶板，并組合來自這三個液晶板的R圖像光、G圖像光和B圖像光。
在圖22中示出第一截面(或XZ截面)，其包括偏振分束器407的偏振分束表面407a的法線以及照明光學系統(tǒng)的光軸。
光軸o例如通過經(jīng)過聚光透鏡406的中心和液晶板408的板表面中心的軸線來定義，并對應(yīng)于Z軸。
在圖23中，示出包括照明光學系統(tǒng)的光軸o的垂直于第一截面的第二截面(或YZ截面)。
圖22所示的XZ截面是平行于具有矩形形狀的液晶板408的短邊的截面，圖23所示的YZ截面是平行于液晶板408的長邊的截面。
換句話說，XZ截面是平行于偏振分束表面407a的法線和液晶板408的板表面(入射/出射表面)的法線的截面。YZ截面是垂直于XZ截面并平行于Z軸(光軸)的截面。針對Z軸、XZ截面和YZ截面的定義也適用于下面描述的實施例。
該照明光學系統(tǒng)使用來自光源401的光束穿過偏振分束器407而照射作為反射成像元件的反射液晶板(下面簡稱為“液晶板”)408上，該液晶板408設(shè)置在該照明光束的照射表面上。由液晶板8進行了圖像調(diào)制的光束(圖像光)再次通過偏振分束器407引入投影透鏡(或者投影光學系統(tǒng))，從而投影到諸如屏幕的投影表面上。
在圖22所示的第一截面(即XZ截面)中，第一透鏡陣列403的光入射表面形成為僅在第一截面中具有正折光力的圓柱表面。第一透鏡陣列403的光出射表面形成為透鏡陣列表面。第二透鏡陣列404的光入射表面形成為透鏡陣列表面。第二透鏡陣列404的光出射表面形成為沒有折光力的表面。
在圖23所示的第二截面(即YZ截面)中，第一透鏡陣列403的光入射表面形成為沒有折光力的表面。第一透鏡陣列403的光出射表面形成為透鏡陣列表面。第二透鏡陣列404的光入射表面形成為透鏡陣列表面。第二透鏡陣列404的光出射表面形成為僅在第二截面中具有正折光力的圓柱表面。
在第一截面中，當?shù)谝煌哥R陣列403的圓柱表面的焦距為fx時，從第二焦點P2到第一透鏡陣列403的距離是fx。從第二焦點P2發(fā)散的光束穿過第一透鏡陣列403而變成平行光束，該平行光束穿過第二透鏡陣列404和偏振轉(zhuǎn)換元件405而進入聚光鏡406。
在該實施例中的平行光束不僅包括完全平行的光束，還包括從光學性能的方面來看可以看作是平行光束的光束。
在圖22中，虛線表示穿過第一透鏡陣列403的中心的光束(即沿著光軸o前進的光束)。實線表示經(jīng)過非第一透鏡陣列403中心的部分的光束。圖22示出由實線示出的光束在液晶板408上的疊加。在第一截面中，第一透鏡陣列403用作準直器。
在圖23所示的第二截面中，當作為第二透鏡陣列404的光出射表面的圓柱表面的焦距為fy時，從第二焦點P2到第二透鏡陣列404的距離(空氣等效值)是fy。
因此在從第二焦點P2發(fā)散的光束中，穿過第一透鏡陣列403的圓柱表面(光出射表面)的中心以及第二透鏡陣列404的圓柱表面(光入射表面)的中心的光束從第二透鏡陣列404的光出射表面射出，而變成平行光束。
第一透鏡陣列403的光出射表面和第二透鏡陣列404的光入射表面促使多個分開的光束在聚光透鏡406的焦平面上形成多個光源影像。
來自多個光源影像的多個光束穿過偏振轉(zhuǎn)換元件405，然后由聚光透鏡406重疊在液晶板408上。
在第二截面中，第二透鏡陣列404用作準直器。
圖39示出偏振轉(zhuǎn)換元件405的一部分。偏振轉(zhuǎn)換元件405設(shè)置在準直器的光出射側(cè)或者準直器的光路中。
偏振轉(zhuǎn)換元件405包括多個偏振分束表面405a、多個反射表面405b和多個半波片405c。具體的說，偏振轉(zhuǎn)換元件405是一種陣列類型的光學元件，其中分別包括偏振分束表面405a、反射表面405b和半波片405c的多個偏振轉(zhuǎn)換元件部分排列在基本上垂直于光軸的方向上。可以用偏振分束表面代替反射表面405b。因此，這里的偏振轉(zhuǎn)換元件405可以稱為“偏振轉(zhuǎn)換元件陣列”。
在進入每個偏振分束表面405a的光中，具有預(yù)定偏振方向的偏振光分量穿過該表面而從偏振轉(zhuǎn)換元件405射出。
另一方面，在進入每個偏振分束表面405a的光中，具有垂直于上述預(yù)定偏振方向的偏振方向的偏振光分量被該表面反射，然后被反射表面405b反射。此外，該偏振光分量的偏振方向被半波片405c旋轉(zhuǎn)90度，然后該光分量從偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換元件405射出。偏振轉(zhuǎn)換元件405通過這種方式將入射的非偏振光轉(zhuǎn)換為具有預(yù)定偏振方向的線性偏振光。
半波片405c可以只設(shè)置在穿過偏振分束表面405a的光的光路中。偏振轉(zhuǎn)換元件405可以將非偏振光轉(zhuǎn)換為各種顏色的線性偏振光分量，在這種情況下線性偏振光分量的偏振方向不必相同。
換句話說，偏振轉(zhuǎn)換元件405可以使紅、綠和藍光分量之一的偏振方向不同于另外兩個光分量的偏振方向，使得例如紅光分量是相對于偏振分束器407的S偏振光，而綠色和藍色光分量是相對于偏振分束器407的P偏振光。
具體的說，這是通過向偏振分束表面405a提供反射綠色和藍色S偏振光以及紅色P偏振光，并透過綠色和藍色P偏振光以及紅色S偏振光的特性，并且通過在被偏振分束表面405a反射的光的光路中設(shè)置半波片405c來實現(xiàn)。
被橢圓反射鏡(或第一光學元件402)反射的會聚光束由第一透鏡陣列(或第二光學元件)403在圖22所示的XZ截面中轉(zhuǎn)換為平行光束，并且由第二透鏡陣列(或第三光學元件)404在圖23所示的YZ截面中轉(zhuǎn)換為平行光束。
也就是說，光束在XZ截面中的壓縮是通過由橢圓反射鏡402以及第一透鏡陣列403組成的壓縮系統(tǒng)來執(zhí)行的，光束在YZ截面中的壓縮是通過由橢圓反射鏡402以及第二透鏡陣列404組成的壓縮系統(tǒng)來執(zhí)行的。
如上所述，在該實施例中，會聚光束由橢圓反射鏡402產(chǎn)生，而且通過利用從橢圓反射鏡402到第一透鏡陣列403的距離與橢圓反射鏡402到第二透鏡陣列404的距離之差來使得光束在XZ截面的壓縮率(或準直放大率)大于在YZ截面中的壓縮率(或準直放大率)。
因此，與在第一和第二透鏡陣列之間劇烈壓縮光束的傳統(tǒng)配置相比，不需要使構(gòu)成每個透鏡陣列403、404的各透鏡單元的偏心量很大。
因此，可以抑制每個透鏡陣列403、404在光軸方向上的厚度的增加。結(jié)果，該照明光學系統(tǒng)可以降低在每個透鏡陣列中產(chǎn)生的像差，并在不大幅減小照明效率的情況下實現(xiàn)光束在XZ截面的所需要的壓縮率(或需要的準直放大率)。由此，用于圖像投影的光學系統(tǒng)可以投影亮圖像，同時使光束在偏振分束器407對角分布敏感的方向上(即在XZ截面的方向上)的角分布變窄，以抑制亮度的不均勻和對比度的降低。
此外，照明光學系統(tǒng)(或者用于圖像投影的光學系統(tǒng))也將光束在偏振分束器407對角分布不敏感的方向上(即在YZ截面的方向上)的角分布變窄，由此，與角分布在該方向上很大的情況相比，使得能夠?qū)σ种屏炼鹊牟痪鶆蚝蛯Ρ榷鹊慕档陀胸暙I。
在該實施例中，進入液晶板408的板表面的光束在圖23所示平行于液晶板408的長邊的YZ截面中的角分布大于在圖22所示平行于液晶板408的短邊的XZ截面中的角分布。
在該實施例中，準直器(或透鏡陣列，或第二和第三光學元件)403、404設(shè)置在光源401和偏振分束器407之間，在該照明光學系統(tǒng)中，這些準直器分別在彼此垂直的第一(XZ)和第二(YZ)截面中壓縮光束。通過準直器403在第一截面中獲得的壓縮率(或準直放大率)以及通過準直器404在第二截面中獲得的壓縮率是互不相同的。
光束的壓縮是由光束聚集器(或橢圓反射器)402減小光束的直徑(換句話說，寬度)、然后通過準直器403或404使光束準直的光學作用。
壓縮率定義為在緊接從準直器403或404射出之后的位置的光束直徑L(在XZ截面中是Lx，在YZ截面中是Ly)與在光束聚集器402上的反射位置處的光束直徑Lr之比L/Lr。
當?shù)谝唤孛嬷械膲嚎s率是α，而第二截面中的壓縮率是β時，α＝Lx/Lrβ＝Ly/Lr，其中，
α≠βα＜1，β＜1α＜βα/β＜1。
也就是說，在圖22所示的第一截面中的壓縮率α小于在圖23所示的第二截面中的壓縮率β。
例如，α＝0.6β＝0.83。
α/β＝0.72。
在該實施例中，每個光學元件具有滿足α/β≤0.75的設(shè)置。
優(yōu)選的，每個光學元件可以具有滿足0.5＜α/β≤0.75的設(shè)置。
在此，第一截面中的壓縮率(轉(zhuǎn)換率)α、第二截面中的壓縮率(轉(zhuǎn)換率)β以及比例α/β可以分別被第一和第二截面中的準直放大率HX和HY以及HX/HY所代替。
因此，下面描述的HX和HY與壓縮率(轉(zhuǎn)換率)α(γ)和β(δ)的含義大致相同，涉及α(γ)、β(δ)和α/β(γ/δ)的條件表達式可以適用于HX、HY和HX/HY。
因此，當然與γ/δ的數(shù)值范圍一樣，HX/HY小于1。但是，優(yōu)選HX/HY小于0.95，更為優(yōu)選的是HX/HY小于0.90，更進一步優(yōu)選的是如上所述HX/HY為0.75或更低。此外，如上所述，優(yōu)選HX/HY大于0.5，更為優(yōu)選的是HX/HY為0.6或更大。但是只需要HX/HY像γ/δ那樣大于0.3。
此外，在該實施例中，在第一截面(XZ截面)中的準直放大率HX和在第二截面(YZ截面)中的準直放大率HY如下所示。
在如圖22所示的第一截面中的第一準直放大率(壓縮率)HX表示為HX＝|fx/fp|。
在如圖23所示的第二截面中的第二準直放大率HY表示為HY＝|fy/fp|。
如圖22和23所示，第二透鏡陣列404比第一透鏡陣列403更遠離第二焦點P2，從而|fy|＞|fx|。
因此，HX和HY滿足下面的條件HY＞HX。
由此，來自光束聚集器402的光束以在第一和第二截面中不同的壓縮率壓縮，由此轉(zhuǎn)換為在這些截面中具有不同寬度(或直徑)的光束。
在該實施例中，偏振轉(zhuǎn)換元件405配置為多個偏振轉(zhuǎn)換元件部分排列在圖23所示的光束寬度較寬的第二截面中，偏振分束器407配置為偏振分束表面407a在圖22所示的光束寬度較窄的第一截面的方向上折疊光束。這使得可以提高對比度，而不會降低在偏振分束表面407a上的亮度。
此外，針對XZ截面的、壓縮在XZ截面中的光束寬度的準直器以及針對YZ截面的、壓縮在YZ截面的光束寬度的準直器可以通過相同的光學元件構(gòu)成，或者包括相同的光學元件作為其部件，或者通過不同的光學元件構(gòu)成。
該實施例中的準直器設(shè)置在光源和偏振轉(zhuǎn)換元件之間，并在XZ和YZ截面中壓縮反射鏡的反射點的光束直徑。由此，光束直徑可以在照明光學系統(tǒng)的、將光從光源引入液晶板的光瞳位置(光源影像形成位置)處變窄。
此外，光學元件的位置和屈光力的至少一項在XZ和YZ截面中的差異使得光束直徑在XZ和YZ截面中進入偏振轉(zhuǎn)換元件的進入點處(換句話說，在從準直器射出的出射點)互不相同。也就是說，包括上述差異的準直器使得光束直徑的壓縮率在XZ和YZ截面中互不相同。
該描述主要針對在該實施例中準直器比偏振轉(zhuǎn)換元件更靠近光源的情況做出的。但是，準直器可以比偏振轉(zhuǎn)換元件更靠近液晶板(或投影透鏡)。
在這種情況下，針對YZ截面的、用于壓縮YZ截面的光束直徑的準直器在照明光學系統(tǒng)的YZ截面中可以比光瞳位置(光源影像形成位置)更靠近光源，針對XZ截面的、用于壓縮XZ截面的光束直徑的準直器在照明光學系統(tǒng)的XZ截面中可以比光瞳位置(光源影像形成位置)更靠近光源。這些也適用于下面描述的實施例。
作為替換實施例，在該實施例中可以在第一和第二截面中以不同的比率來擴展進入的光束，而不是由準直器403和404進行壓縮。在這種情況下，在該實施例中不是由光束聚集器402和準直器403、404構(gòu)成壓縮系統(tǒng)，而是使用由光束發(fā)散器和準直器構(gòu)成的擴展系統(tǒng)，該光束發(fā)散器具有負的折光力(或者負的屈光力)以使光束發(fā)散，該準直器具有正的折光力以使來自光束發(fā)散器的光束準直。
這種采用光束發(fā)散器和準直器的配置適用于光源和反射來自光源的光束的反射鏡的外徑很小的情況，如外徑小于液晶板(或成像元件)的尺寸或小于該尺寸一半的情況。
在擴展光束的情況下，在第一和第二截面中的擴展率分別是HXX和HYY。在這種情況下，在第二截面中的擴展率大于在第一截面中的擴展率，從而可以獲得類似于在壓縮光束的情況中的效果。
也就是說，類似的效果可以通過滿足以下條件來獲得HXX＜HYY。
擴展率和壓縮率可以稱為“轉(zhuǎn)換率”，其是一種轉(zhuǎn)換光束直徑(或光束寬度)的比率。此外，擴展系統(tǒng)和壓縮系統(tǒng)可以稱為“轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”。它們都適用于下面描述的實施例。
在計算準直放大率(HX，HY)時使用的每個截面中的焦距定義如下。
在圖22和23中，第一和第二透鏡陣列403、404中每一個在其一個表面上具有圓柱表面，在其另一個表面上具有透鏡陣列表面，但是圓柱表面和透鏡陣列表面可以彼此組合在一起。
圖24示出組合的透鏡陣列A的例子。透鏡陣列A在其一個光學表面上具有多個微型透鏡表面(透鏡單元LA1、LA2、LA2’)，每個微型透鏡表面都是偏心的。
透鏡陣列A(或光學表面)的焦距可以在計算時基于經(jīng)過透鏡單元LA1的中心的光線與經(jīng)過透鏡單元LA2、LA2’的中心的光線的會聚點來定義。
當構(gòu)成透鏡陣列A的每個透鏡單元都排列為垂直于參考軸(即照明光學系統(tǒng)的光軸)o時，每個透鏡單元(例如LA1、LA2、LA2’)的表面的平行于參考軸o的法線可以認為是每個透鏡單元的光軸(如o1、o2和o2’)。
因此在圖24中，在跟蹤經(jīng)過透鏡單元(LA1、LA2、LA2’)的中心(o1、o2和o2’)并平行于參考軸o的光線時，穿過透鏡單元LA2和LA2’的光線被該透鏡單元折射，并在預(yù)定點Q與中心透鏡單元LA1的光軸相交。
從透鏡單元LA1的透鏡表面到點Q的距離fg對應(yīng)于透鏡陣列A在第一和第二截面每一個中的焦距。
如果透鏡單元LA2和LA2’相對于參考軸o對稱，則經(jīng)過透鏡單元LA2和LA2’中心的光線在一個點與中心透鏡單元LA1的光軸相交。
另一方面，如果透鏡單元LA2和LA2’關(guān)于參考軸o非對稱，則經(jīng)過透鏡單元LA2和LA2’中心的光線在不同的交點與中心透鏡單元LA1的光軸相交。在這種情況下，透鏡陣列A的焦距可以利用交點的中點來定義。
此外，如果在如圖25所示的參考軸o上沒有設(shè)置透鏡單元，則為設(shè)置在參考軸o附近的透鏡單元LA3和LA3’繪制類似的示圖(figure)使得可以基于經(jīng)過透鏡單元LA3和LA3’的中心的兩個光線的交點Q’來定義焦距fg’。
圖26示出由代替橢圓反射鏡(橢圓鏡)而使用的拋物面反射鏡(物鏡)402a和正透鏡420的組合構(gòu)成的光束聚集器的例子。來自光源401的光束被拋物面反射鏡402a反射，從而變成平行光束，然后進入正透鏡420。
如果正透鏡420的焦點與圖22、23所示的第二焦點P2一致，則穿過正透鏡420的光束聚集在第二焦點P2上。由此，可以獲得類似于上面所描述的效果。
在這種情況下，由拋物面反射鏡402a和正透鏡420組成的光束聚集器的焦距對應(yīng)于正透鏡420的焦距f20。
另一方面，如果光束聚集器如圖27所示由拋物面反射鏡402b和正透鏡420b的組合構(gòu)成，則光束聚集器的焦距可以如下定義。
在這種情況下，光束聚集器的焦距可以通過認為具有焦距fp的透鏡設(shè)置在拋物面反射鏡402b的頂點T1，而且正透鏡420b(其焦距為f20)與頂點T1之間間隔空氣距離d來定義。
可替換地，光束聚集器可以由橢圓反射鏡和聚集透鏡構(gòu)成。
實施例8圖28、29示出實施例8的使用包括照明光學系統(tǒng)的用于圖像投影的光學系統(tǒng)的投影儀的配置。圖28示出第一截面(或XZ截面)，圖29示出第二截面(或YZ截面)。
該實施例與圖22和23所示的實施例7的不同之處僅在于具有旋轉(zhuǎn)對稱形狀的負透鏡423設(shè)置在橢圓反射鏡421和第一透鏡陣列424之間，其它配置與實施例7相同。
在圖28和29中，與圖22和23相同的元件標以相同的附圖標記。
在這些圖中，附圖標記401表示光源，421表示橢圓反射鏡，423表示負透鏡，424表示第一透鏡陣列，425表示第二透鏡陣列。405表示偏振轉(zhuǎn)換元件，406表示聚光透鏡，407表示偏振分束器(PBS)，408表示反射成像元件，409表示投影透鏡，410表示相位片。
在圖28和29中，由橢圓反射鏡421和負透鏡423形成光源401的虛像的點P2’對應(yīng)于圖22和23所示的第二焦點P2。
因此，在該實施例中，點P2’基本上可以認為是圖22和23中的第二焦點P2。
在該實施例中，光源401的發(fā)光點設(shè)置在橢圓反射鏡421的第一焦點P1，來自光源401的光束聚集在橢圓反射鏡421的第二焦點P2。橢圓反射鏡421構(gòu)成光束聚集器。
從橢圓反射鏡421的頂點T到其第二焦點P2的距離對應(yīng)于光束聚集器的焦距fp。
設(shè)置在橢圓反射鏡421和第二焦點P2之間的負透鏡423的負屈光力使得光束在點P2’形成第二焦點(即物點)P2的影像。光束從點P2’發(fā)散開去。
第一透鏡陣列424的入射側(cè)表面具有在圖28所示的第一(XZ)截面中具有正屈光力的透鏡陣列形狀。入射側(cè)表面在透鏡單元之間沒有梯級(step)，這與圖26所示的第一透鏡陣列不同。但是，在該透鏡陣列中的正透鏡的焦距可以按照與使用圖26描述的類似的方式來計算。
如果從上述形狀獲得的第一透鏡陣列424的焦距是fx，則與點P2’相距fx的第一透鏡陣列424在該(XZ)截面中使光束準直。
因此，負透鏡423和第一透鏡陣列424構(gòu)成在第一(XZ)截面中的準直器。
該準直器在第一(XZ)截面中的焦距由負透鏡423的焦距f23和第一透鏡陣列424的焦距fx1確定。
在圖28所示的第一截面中，如果空氣轉(zhuǎn)換距離定義為從負透鏡423的、透鏡陣列一側(cè)的主平面位置到第一透鏡陣列424的表面的距離L1，則負透鏡423和第一透鏡陣列424的合成焦距表達為fx＝1/(1/f23+1/fx1-L1/f23/f1)第二透鏡陣列425的出射側(cè)表面具有在圖29所示的第二(YZ)截面中具有正屈光力的透鏡陣列形狀。
如果從上述形狀獲得的第二透鏡陣列425的焦距是fy1，則與點P2’相距空氣轉(zhuǎn)換距離fy的第二透鏡陣列425在該(YZ)截面中使光束準直。
因此，負透鏡423和第二透鏡陣列425構(gòu)成在第二(YZ)截面中的準直器。
該準直器在第二(YZ)截面中的焦距由負透鏡423的焦距f23和第一和第二透鏡陣列424和425中每一個的焦距fy1確定。
在圖29所示的第二截面中，如果從負透鏡423的、透鏡陣列一側(cè)的主平面位置到第二透鏡陣列425的表面的距離定義為L2，則負透鏡423和第二透鏡陣列425的合成焦距表達為fy＝1/(1/f23+1/fy1-L2/f23/fy1)在這種情況下，圖28所示的第一截面中的第一準直放大率HX表達為HX＝|fx/fp|類似地，圖29所示的第二截面中的第二準直放大率HY表達為HY＝|fy/fp|在圖28和29中，第二透鏡陣列425比第一透鏡陣列424更遠離第二焦點P2，從而|fy|＞|fx|由此，HY＞HX因此，來自光束聚集器的光束以在第一和第二截面中的不同壓縮率被壓縮，并由此轉(zhuǎn)換為在這些截面中具有不同寬度(或直徑)的光束。
例如，如果f23＝-50mm，fx＝150mm，L1＝50mm，fy＝200mm，L2＝100mm，則fx和fy如下所示fx＝-150mmfy＝-200mm。
因此，HX/HY＝|fx/fy|＝0.75實施例8的改進例子圖30和31示出圖28和29所示的實施例8的改進例子。
在這些圖中，附圖標記401表示光源，421a表示橢圓反射鏡，423a表示具有旋轉(zhuǎn)對稱形狀的負透鏡，424a表示第一透鏡陣列，425a表示第二透鏡陣列。405表示偏振轉(zhuǎn)換元件，406表示聚光透鏡，407表示偏振分束器(PBS)，408表示反射成像元件，409表示投影透鏡。
在圖30中，光源401設(shè)置在橢圓反射鏡421a的第一焦點P1，來自光源401的光束聚集在橢圓反射鏡421a的第二焦點P2。橢圓反射鏡421a構(gòu)成光束聚集器。
從橢圓反射鏡421a的頂點T到其第二焦點P2的距離對應(yīng)于光束聚集器的焦距fp。
設(shè)置在橢圓反射鏡421a和第二焦點P2之間的負透鏡423a的負屈光力使光束準直。
在圖30所示的第一截面中，第一透鏡陣列424a和第二透鏡陣列425a沒有屈光力。也就是說，透鏡單元均勻設(shè)置在透鏡陣列424a和425a中。因此，負透鏡423a構(gòu)成第一(XZ)截面中的準直器。
在圖31所示的第二(YZ)截面中，第一透鏡陣列424a具有負屈光力的透鏡陣列形狀，第二透鏡陣列425a具有正屈光力的透鏡陣列形狀。
如果從上述形狀獲得的第一和第二透鏡陣列424a和425a的焦距為fy1和fy2，則第一和第二透鏡陣列424a和425a設(shè)置為使得它們的對應(yīng)于焦距fy1和fy2的焦點在點R1相互重合。由此，光束被第一透鏡陣列424a發(fā)散，然后由第二透鏡陣列425a在第二截面中再次準直。
因此，負透鏡423a和第一、第二透鏡陣列424a、425a構(gòu)成在第二截面中的準直器。
該準直器的焦距fx和fy由負透鏡423a的焦距f23和第一、第二透鏡陣列424a、425a的焦距fy1、fy2確定。
在圖30所示的第一截面中，準直器的焦距fx與負透鏡423a的焦距相同，即fx＝f23。
在圖31所示的第二截面中，如果第一透鏡陣列424a的焦距是fy1，第二透鏡陣列425a的焦距是fy2，則從三個光學元件423a、424a、425a的合成焦距獲得的準直器的焦距fy為fy＝f23×|fy2/fy1|。
在這種情況下，圖30所示的第一截面中的第一準直放大率HX表達為HX＝|fx/fp|。
類似地，圖31所示的第二截面中的第二準直放大率HY表達為
HY＝|fy/fp|。
在圖31中示出|fy2|＞|fy1|，從而|fy|＞|fx|，由此，HY＞HX。
因此，來自光束聚集器421a的光束以在第一和第二截面中的不同壓縮率被壓縮，并由此轉(zhuǎn)換為在這些截面中具有不同寬度(直徑)的光束。
實施例9圖32和33示出使用實施例9的包括照明光學系統(tǒng)的用于圖像投影的光學系統(tǒng)的投影儀的配置。圖32示出第一截面(或XZ截面)，圖33示出第二截面(或YZ截面)。
在圖32和33中，與圖22和23相同的元件標以相同的附圖標記。
在這些圖中，附圖標記401表示光源，432表示橢圓反射鏡，433表示第一透鏡陣列，434表示第二透鏡陣列。405表示偏振轉(zhuǎn)換元件，406表示聚光透鏡，407表示偏振分束器(PBS)，408表示反射成像元件，409表示投影透鏡，410表示相位片。
虛線o表示照明光學系統(tǒng)的參考軸(或光軸)，其與橢圓反射鏡432的旋轉(zhuǎn)對稱軸以及聚光透鏡406的光軸重合。但是，這些軸不是必須彼此重合。
在該實施例中，光源401設(shè)置在橢圓反射鏡432的第一焦點P1，來自光源401的光束聚集在橢圓反射鏡432的第二焦點P2。橢圓反射鏡432構(gòu)成光束聚集器。
從橢圓反射鏡432的頂點T到其第二焦點P2的距離對應(yīng)于光束聚集器的焦距fp。
第二透鏡陣列434的入射側(cè)表面具有在圖32所示的第一(XZ)截面中具有負屈光力的柱面形狀。
如果從上述形狀獲得的第二透鏡陣列434的焦距是fx，則與第二焦點P2相距fx的第二透鏡陣列434在該(XZ)截面中使光束準直。
因此，第二透鏡陣列434構(gòu)成在第一(XZ)截面中的準直器。
第一透鏡陣列433的出射側(cè)表面具有在圖33所示的第二(YZ)截面中具有負屈光力的柱面形狀。
如果從上述形狀獲得的第一透鏡陣列433的焦距是fy，則與第二焦點P2相距空氣轉(zhuǎn)換距離fy的第一透鏡陣列433在該第二截面中使光束準直。
因此，第一透鏡陣列433構(gòu)成在第二(YZ)截面中的準直器。
在這種情況下，圖32所示的第一截面中的第一準直放大率HX表達為HX＝|fx/fp|。
類似地，圖33所示的第二截面中的第二準直放大率HY表達為HY＝|fy/fp|。
在圖32和33中，第一透鏡陣列433設(shè)置在比第二透鏡陣列434更遠離第二焦點P2的位置，從而|fy|＞|fx|，由此，HY＞HX。
當fp＝200mm，fx＝90mm，fy＝150mm時，HX＝0.45HY＝0.75，而HX/HY＝0.6。
由此，來自光束聚集器的光束在第一和第二截面中以不同壓縮率被壓縮，并由此轉(zhuǎn)換為在這些截面中具有不同寬度(直徑)的光束。
實施例10圖34示出使用三個反射成像元件以及一個在實施例7至9中描述的照明光學系統(tǒng)的投影儀。
該實施例的投影儀如圖34所示是三板類型的投影儀，其中顏色分離元件501設(shè)置在偏振分束器471和472之間，顏色組合元件502設(shè)置在偏振分束器471、472和投影透鏡409之間。
在圖34中，與圖22和23中相同的元件標以相同的附圖標記。
在圖34中，附圖標記503、504、505分別表示用于綠色(G)、紅色(R)和藍色(B)的反射成像元件。附圖標記506、507、508表示用于G、R、B的半相位片。附圖標記471表示用于G的偏振分束器，472表示用于R和B的偏振分束器。附圖標記509表示色選擇性相位差板。
可以使用透射成像元件來代替反射成像元件。在使用透射成像元件的情況下，優(yōu)選兩個相互垂直的截面方向中光束寬度比例較小的那個方向用于該成像元件的相對較低對比度一側(cè)。
在實施例7至9的每一個中，在計算光束的壓縮率時，優(yōu)選將光束準直器視為不管方向如何都具有恒定焦距，而且從反射鏡到具有共同(common)正屈光力的光學元件的光學系統(tǒng)可以看作是光束壓縮系統(tǒng)。
實施例11圖35和36示出來自拋物面反射鏡RF的光束由在XZ截面和YZ截面中具有不同正屈光力(fx，fy)的復曲面透鏡TL聚集。
圖37和38示出在圖35和36中示出的光學系統(tǒng)的折光力配置。
在該光學系統(tǒng)中，如圖37和38所示，可以認為在XZ和YZ截面中弱正屈光力一側(cè)的焦距(fy)用作共同的焦距，而在圖37所示的XZ截面中強正屈光力一側(cè)的焦距(fx)通過其間沒有間隔地設(shè)置焦距為fy的正透鏡和焦距為fx’的正透鏡來形成。
如果通過認為焦距fx’是準直器的一部分來計算合成焦距，則上述每個實施例中的條件都可適用于這種情況。
當使用高強度光源時，由于熱量問題，反射鏡的尺寸不能減小。因此，當例如使用強度高于30瓦特的燈和對角尺寸為1英寸或更小的小型成像元件時，縮小光束寬度對增加光使用效率很有效。在這種情況下，優(yōu)選準直放大率HY滿足以下條件HY＜1根據(jù)上述各實施例，可以實現(xiàn)以高對比度投影亮圖像的光學系統(tǒng)和包含該光學系統(tǒng)的圖像投影裝置。
實施例12圖40A和40B示出本發(fā)明實施例12的用于圖像投影的光學系統(tǒng)。該實施例示出來自光源或反射鏡的光束的直徑(或?qū)挾?被擴大的配置。這種配置尤其是對于光源或反射鏡的外徑很小的情況很有效。
盡管可以用高壓水銀燈作為該實施例的光源，但是小型光源如氙燈和激光光源特別適用于該實施例。具體地說，該實施例適用于反射鏡的外徑或者激光光源的激光振蕩區(qū)域的尺寸小于成像元件的有效區(qū)域(或圖像顯示區(qū)域)的尺寸的情況。此外，該實施例特別適用于反射鏡的外徑或者激光振蕩區(qū)域的尺寸等于或小于成像元件的有效區(qū)域尺寸的一半的情況。
圖40A示出平行于液晶板(或圖像顯示元件或成像元件)的短邊的XZ截面，在該XZ截面中光束的擴展率(或轉(zhuǎn)換率)小于在后面描述的YZ截面中的擴展率。圖40B示出平行于液晶板的長邊的YZ截面，在該YZ截面中光束的擴展率(或轉(zhuǎn)換率)大于在XZ截面中的擴展率。
附圖標記1001表示徑向發(fā)射光束的光源(或發(fā)光點)。附圖標記1002表示將光源1001射出的光束轉(zhuǎn)換為平行光束的拋物面反射鏡(拋物面鏡)。附圖標記1003表示將來自拋物面反射鏡1002的光束轉(zhuǎn)換為發(fā)散光束的凹透鏡(或第一光學元件)。可以使用橢圓反射鏡來代替拋物面反射鏡1002，而且光源1001和反射鏡1002之間的位置關(guān)系可以設(shè)置為使得由該反射鏡1002反射的光束變成發(fā)散光束。
在圖40A所示的XZ截面中，附圖標記1004表示由多個微型透鏡單元(或多個微型柱面透鏡單元)組成的第一透鏡陣列。第一透鏡陣列1004使發(fā)散光束準直(即將該發(fā)散光束轉(zhuǎn)換為平行光束)，并將其分為多個光束。附圖標記1005表示由多個微型透鏡單元組成并將多個分開的光束引入后面的偏振轉(zhuǎn)換元件陣列1006的第二透鏡陣列。
附圖標記1007表示聚光透鏡，1008表示偏振分束器，1009表示四分之一相位板，1010表示液晶板，1011表示投影透鏡。這些元件的功能與上述實施例的相同，因此省略其描述。
在圖40B所示的YZ截面中，附圖標記1004表示由多個微型透鏡單元組成并使發(fā)散光束沒有改變地射出的第一透鏡陣列。也就是說，第一透鏡陣列1004對光束沒有準直效果。第一透鏡陣列1004將發(fā)散光束分為多個光束。
附圖標記1005表示由多個微型透鏡單元組成的第二透鏡陣列。第二透鏡陣列1005使發(fā)散光束準直(即將該發(fā)散光束轉(zhuǎn)換為平行光束)，并將其引入后面的偏振轉(zhuǎn)換元件陣列1006。附圖標記1007至1011表示與圖40A所示的XZ截面中相同的元件，因此省略其描述。
在該實施例中，進入液晶板1010的板表面的光束在圖40B示出的平行于液晶板1010的長邊的YZ截面(或第二截面)中的角分布大于其在圖40A所示的平行于液晶板1010的短邊的XZ截面(或第一截面)中的角分布。
該實施例具有準直器(或第二和第三光學元件)1004、1005，換句話說是光源1001和偏振分束器1008之間的擴展系統(tǒng)，該準直器分別在照明光學系統(tǒng)中相互垂直的第一(XZ)和第二(YZ)截面中擴展光束。通過準直器1004在第一截面中獲得的擴展率(或準直放大率)以及通過準直器1005在第二截面中獲得的擴展率互不相同。
光束的擴展是通過光束發(fā)散器(或凹透鏡)1003增加該光束的直徑(換句話說是寬度)、然后由準直器1004或1005使該光束準直的光學作用。
擴展率定義為在緊接從準直器1004或1005射出后的位置處的光束直徑L(在XZ截面中是Lx，在YZ截面中是Ly)與在被光束發(fā)散器1003擴展之前的光束直徑Lr之比L/Lr。
當?shù)谝唤孛嬷械臄U展率為α，而第二截面的擴展率為β時，α＝Lx/Lrβ＝Ly/Lr，其中，
α≠βα＜1，β＜1α＜βα/β＜1也就是說，在圖40A所示的第一截面中的擴展率α小于在圖40B所示的第二截面中的擴展率β。
例如，當Lr＝30mm，Lx＝12mm，而Ly＝18mm時，α＝0.4β＝0.6α/β＝0.67。
實施例13圖41和42示出實施例13的包括照明光學系統(tǒng)的用于圖像投影的光學系統(tǒng)的XZ截面和YZ截面。
在這些圖中，附圖標記701表示光源單元，703表示第一透鏡陣列，704表示第二透鏡陣列。附圖標記705表示偏振轉(zhuǎn)換元件，706表示聚光透鏡，707表示偏振分束器(PBS)，708表示反射液晶板(或反射成像元件)，709表示投影透鏡，710表示相位片。
光源單元701由可以發(fā)射高強度光的光源部分714和設(shè)置在光源單元701的光出射側(cè)的凹透鏡715構(gòu)成。光源部分714包括發(fā)光元件如氙燈，在該發(fā)光元件中發(fā)光電極711和712與拋物面反射鏡713集成地形成。從光源部分714發(fā)射的光束由凹透鏡715轉(zhuǎn)換為發(fā)散光束。
虛線o表示照明光學系統(tǒng)的參考軸(或光軸)，其與橢圓反射鏡713的旋轉(zhuǎn)對稱軸以及聚光透鏡706的光軸重合。但是，這些軸并非必須彼此重合。
第一透鏡陣列703在其入射側(cè)具有在圖41所示XZ截面中具有正屈光力的柱面形狀。
如果從上述形狀獲得的焦距為fx，則將該形狀的焦點基本上設(shè)置在凹透鏡715的焦點處將使光束在該(XZ)截面中準直。
在圖41中用粗虛線表示的光線經(jīng)過每個透鏡陣列的中心并被準直。從第一透鏡陣列703開始所示的細實線表示被第一透鏡陣列703分開的多個光束在反射液晶板708上重疊。也就是說，第一透鏡陣列703是XZ截面中的準直器。
第二透鏡陣列704在其出射側(cè)具有在圖42所示YZ截面中具有正屈光力的柱面形狀。
如果從上述形狀獲得的焦距為fy，則將該形狀的焦點基本上設(shè)置在凹透鏡715的焦點處將使光束在該(YZ)截面中準直。也就是說，第二透鏡陣列704是YZ截面中的準直器。
根據(jù)圖41和42，第二透鏡陣列704設(shè)置在比第一透鏡陣列703更遠離凹透鏡715的位置上，從而fx和fy滿足以下關(guān)系|fy|＜|fx|。
因此，來自作為光束聚集器的拋物面反射鏡713的光束被轉(zhuǎn)換為在XZ和YZ截面中具有不同寬度(直徑)的光束。
在該實施例中，偏振轉(zhuǎn)換元件705配置為使得在光束寬度較寬的第二截面方向上排列多個偏振轉(zhuǎn)換元件部分。偏振分束器707配置為偏振分束表面在光束寬度較窄的第一截面的方向上折疊光束。這使得可以提高對比度而不會降低亮度。
盡管圖41和42示出第一和第二透鏡陣列703、704的每一個在其一個表面上具有柱面形狀而在另一個表面上具有透鏡陣列形狀的情況，但是柱面形狀和透鏡陣列形狀可以相互集成地設(shè)置在同一個表面上。
實施例14圖43示出用于在實施例14的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中的照明光學系統(tǒng)的光源單元。
光源單元721具有這樣的配置從安裝在諸如LED芯片或LD(激光二極管)芯片上的光源722輻射出的發(fā)散光被凸透鏡723轉(zhuǎn)換為具有小發(fā)散角度的光束，并使其從該凸透鏡射出。在圖43中，射出的光由細實線表示。
在只使用一個光源721時，光量可能不足，因此優(yōu)選使用其中多個光源單元721如圖44所示排列的光源單元731。
圖45和46示出包括使用圖44所示光源單元731的照明光學系統(tǒng)的用于圖像投影的光學系統(tǒng)的XZ截面和YZ截面。在圖45和46中，與實施例13相同的元件標以相同的附圖標記，并且省略其描述。
作為用于該實施例的光學系統(tǒng)的光源，可以使用沒有電極的放電管。
實施例15圖47示出用于在實施例15的用于圖像投影的光學系統(tǒng)中的照明光學系統(tǒng)的另一個光源單元。
在該實施例中，來自多個光源842的平行光束分別被具有對應(yīng)于該多個光源842的多個透鏡單元的透鏡陣列843會聚一次，然后作為發(fā)散光束引入未示出的照明光學系統(tǒng)。該光束由細實線表示。
此外，本發(fā)明不限于這些優(yōu)選實施例，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以作出各種改變和變型。
本申請要求基于2006年6月8日提交的日本專利申請No.2006-160000、2007年5月1日提交的日本專利申請No.2007-120515以及2007年6月6日提交的日本專利申請No.2007-150814的外國優(yōu)先權(quán)，通過引用將它們每一個的全文合并于此，就像在此完整地陳述了一樣。
權(quán)利要求
1.一種用于圖像投影的光學系統(tǒng)，包括照明光學系統(tǒng)，其將從光源發(fā)射的光束通過具有分光功能的光學表面引入成像元件；以及投影光學系統(tǒng)，其將從該成像元件通過所述光學表面引入的光束投影到投影表面上，其中所述照明光學系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將光束在相互垂直的第一截面和第二截面中的寬度分別轉(zhuǎn)換為不同于光束在進入該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之前的寬度的寬度，并且在第一截面中的轉(zhuǎn)換率和在第二截面中的轉(zhuǎn)換率互不相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述照明光學系統(tǒng)包括偏振轉(zhuǎn)換元件，用于將非偏振光轉(zhuǎn)換為線性偏振光，并且所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)置在所述光源和所述偏振轉(zhuǎn)換元件之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述第一截面平行于所述光學表面的法線和所述成像元件的入射表面的法線，所述第二截面垂直于第一截面，并且所述轉(zhuǎn)換率滿足以下條件α/β＜1其中α表示在第一截面中的轉(zhuǎn)換率，β表示在第二截面中的轉(zhuǎn)換率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是壓縮系統(tǒng)，其分別壓縮光束在第一和第二截面中的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學系統(tǒng)，其中所述壓縮系統(tǒng)從光源一側(cè)起按順序包括在第一和第二截面中具有相同正屈光力的第一光學元件、在第一和第二截面中的一個截面中具有第一負屈光力的第二光學元件、以及在第一和第二截面中的另一個截面中具有不同于第一負屈光力的第二負屈光力的第三光學元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學系統(tǒng)，其中所述壓縮系統(tǒng)從光源一側(cè)起按順序包括在第一截面中具有第一正屈光力而在第二截面中具有不同于第一正屈光力的第二正屈光力的第一光學元件、在第一截面中具有第一負屈光力而在第二截面中具有不同于第一負屈光力的第二負屈光力的第二光學元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學系統(tǒng)，其中所述壓縮系統(tǒng)從光源一側(cè)起按順序包括在第一和第二截面中具有相同正屈光力的第一光學元件、在第一和第二截面中的一個截面中具有第一正屈光力的第二光學元件、以及在第一和第二截面中的另一個截面中具有不同于第一正屈光力的第二正屈光力的第三光學元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學系統(tǒng)，其中所述壓縮系統(tǒng)從光源一側(cè)起按順序包括在第一和第二截面中具有相同負屈光力的第一光學元件、在第一和第二截面中的一個截面中具有第一正屈光力的第二光學元件、以及在第一和第二截面中的另一個截面中具有不同于第一正屈光力的第二正屈光力的第三光學元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是分別擴展光束在第一和第二截面中的寬度的擴展系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學系統(tǒng)，其中所述擴展系統(tǒng)從光源一側(cè)起按順序包括在第一和第二截面中具有相同負屈光力的第一光學元件、在第一和第二截面中的一個截面中具有第一正屈光力的第二光學元件、以及在第一和第二截面中的另一個截面中具有不同于第一正屈光力的第二正屈光力的第三光學元件。
11.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)的圖像投影裝置。
全文摘要
公開了一種用于圖像投影的光學系統(tǒng)，其容易制造和設(shè)計，并可以以高對比度投影亮圖像。該光學系統(tǒng)包括照明光學系統(tǒng)，其將從光源發(fā)射的光束通過具有分光功能的光學表面而引入成像元件；以及投影光學系統(tǒng)，其將從該成像元件通過光學表面引入的光束投影到投影表面。該照明光學系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，用于將光束在照明光學系統(tǒng)的相互垂直的第一截面和第二截面中的寬度分別轉(zhuǎn)換為不同于光束在進入該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之前寬度的寬度。在第一和第二截面中的轉(zhuǎn)換率互不相同。
文檔編號H04N5/74GK101086557SQ20071011022
公開日2007年12月12日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月8日
發(fā)明者山內(nèi)悠, 奧山敦, 兒玉浩幸, 須藤貴士 申請人:佳能株式會社