專利名稱：照明光學(xué)系統(tǒng)和投影顯示設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及照明光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及利用多個(gè)燈單元照射被照射面的照明光學(xué)系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
最近的投影顯示設(shè)備中的一些照明光學(xué)系統(tǒng)使用多個(gè)燈單元照射被照射面，以便 更明亮地照射被照射面和獲得輻射均勻性。在投影設(shè)備中使用多個(gè)燈單元意味著這種投影 設(shè)備的尺寸的增大。同時(shí)，投影顯示設(shè)備本身的小型化已成為現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)前的重要因素。因 此，存在縮小從多個(gè)燈單元射出的光的寬度的方法。在日本專利No. 3，992，053的英文摘要中描述的發(fā)明涉及一種合成兩個(gè)燈單元的 光束的照明光學(xué)系統(tǒng)，每個(gè)燈單元包含光源燈和反射鏡。在光的光量分布曲線中包括燈的 光軸在內(nèi)的中心部分中的大量光是從每個(gè)燈單元射出的。具體地說，在包含燈的光軸的中 心部分中從兩個(gè)燈單元射出的光束是利用多個(gè)反射鏡提取的，并且它們被合成為與一個(gè)燈 單元的孔口邊緣寬度基本相同的合成光。在日本專利No. 3，992，053的英文摘要中公開的結(jié)構(gòu)中，對應(yīng)于明亮部分的光束 被反射，以存在于合成光的外部，從而導(dǎo)致合成光的外部中的大量光。當(dāng)通過復(fù)眼透鏡或聚 光透鏡會聚合成光以照射作為被照射面的圖像調(diào)制元件時(shí)，大入射角的入射光與入射到圖 像調(diào)制元件上的所有光的比值大。結(jié)果，圖像對比度惡化。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種通過減小大入射角的入射光與入射到圖像調(diào)制元件上的所有光 的比值而能夠高對比度地明亮顯示圖像的照明光學(xué)系統(tǒng)和投影顯示設(shè)備。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，照明光學(xué)系統(tǒng)照射圖像調(diào)制元件。照明光學(xué)系統(tǒng)包括光 束合成部分和聚光透鏡。所述光束合成部分合成從第一燈單元射出的光束和從第二燈單元 射出的光束，第一和第二燈單元都包括燈和凹面鏡，所述燈具有沿著凹面鏡的光軸排列的 陰極和陽極。聚光透鏡會聚來自光束合成部分的光束。所述光束合成部分包括布置在第一 燈單元的光軸上并且偏離第二燈單元的光軸的第一反射部分，和偏離第一燈單元的光軸布 置的第二反射部分。第一反射部分和第二反射部分反射從第二燈單元射出的并且偏離第二 燈單元的光軸的光束，以合成從第一和第二燈單元射出的光束。根據(jù)下面的參考附圖的示例實(shí)施例的說明，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明的 其它特征將變得明顯。
圖1圖解說明按照第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。圖2A-2C圖解說明在燈單元的孔口平面上的照度分布。圖3圖解說明按照第一實(shí)施例的合成鏡的形狀。
圖4圖解說明光束合成部分的操作。圖5A-5F圖解說明在光穿過合成鏡之后的照度分布。圖6是圖解說明圖像顯示區(qū)的對角線長度和對比度之間的關(guān)系的曲線圖。圖7A-7C圖解說明按照第一實(shí)施例的變形的結(jié)構(gòu)。圖8圖解說明按照第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。圖9圖解說明按照第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。圖10圖解說明從燈單元到液晶顯示元件的基本結(jié)構(gòu)。圖IlA和IlB示意圖解說明第二復(fù)眼透鏡和偏振光轉(zhuǎn)換元件。圖12是圖解說明圖像顯示區(qū)的對角線長度和屏幕上的亮度之間的關(guān)系的曲線 圖。
具體實(shí)施例方式第一實(shí)施例參考圖1，說明按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。發(fā)光部分IA具有陰極和陽極。 發(fā)光部分IA被包含在發(fā)光管2A中。拋物面鏡(凹面鏡)3A反射從發(fā)光部分IA射出的光 束，并沿特定方向?qū)б龉馐?。發(fā)光部分IA發(fā)出在可見光輻射的波長范圍中的光束。發(fā) 光管2A內(nèi)的陰極和陽極沿拋物面鏡3A的光軸排列。拋物面鏡3A具有焦距f(0<f)。發(fā) 光部分IA被布置在拋物面鏡3A的焦點(diǎn)附近。發(fā)光部分1A、發(fā)光管2A和拋物面鏡3A被包 括在第一燈單元100A中。類似地，具有陰極和陽極的發(fā)光部分1B、包含發(fā)光部分IB的發(fā)光 管2B、和拋物面鏡(凹面鏡)3B被包括在第二燈單元100B中。合成鏡(光束合成部分或光學(xué)合成器)4合成從第一燈單元100A和第二燈單元 100B射出的光束。使用術(shù)語“第一”和“第二”的指示只是為了便于舉例說明，并不意圖表 示特定的順序。因此，對說明書的剩余部分和權(quán)利要求來說，可以互換或不使用這些術(shù)語。被合成鏡4反射的第一燈單元100A的光軸12A和穿過合成鏡4的第二燈單元100B 的光軸12B間隔距離D。換句話說，如圖1中所示，距離D表示從來自燈單元之一的光的反 射光側(cè)看見的燈單元的光軸之間的距離。反射光被合成鏡4反射。另選地，距離D表示從 出射自另一個(gè)燈單元的光的透射側(cè)看見的燈單元的光軸之間的距離。因此，應(yīng)注意對于下 述說明的剩余部分來說，兩個(gè)燈單元的光軸中的一個(gè)被認(rèn)為被合成鏡反射，兩個(gè)燈單元的 光軸中的另一個(gè)被認(rèn)為穿過合成鏡。第一燈單元100A被布置成使得其光軸12A相對于合成鏡4約成45°角。第二燈 單元100B被布置成大致正交于第一燈單元100A，還被布置成使得其光軸12B相對于合成鏡 4約成45°角。合成鏡4被布置成使得第一燈單元100A的光軸12A(被合成鏡4反射)和 第二燈單元100B的光軸12B (通過合成鏡4)之間的距離D滿足0 < D < 4f，其中f是拋物 面鏡3A和3B任意之一的焦距。下面更詳細(xì)地說明該條件的原因。第一復(fù)眼透鏡5和第二復(fù)眼透鏡6都是其中二維排列微小的球面透鏡的透鏡陣 列。偏振光轉(zhuǎn)換元件7把非偏振光轉(zhuǎn)換成大致線性偏振光。合成鏡4、第一復(fù)眼透鏡5、第二復(fù)眼透鏡6、偏振光轉(zhuǎn)換元件7和聚光透鏡8沿光 軸13被包括在照明光學(xué)系統(tǒng)200中。從合成鏡4輸出的合成光被分成光束，所述光束由第一復(fù)眼透鏡5會聚。所述光束會聚在第二復(fù)眼透鏡6的附近。在第二復(fù)眼透鏡6的附近會聚的光束進(jìn)入偏振光轉(zhuǎn)換元 件7，并被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的大致線性偏振光束。由偏振光轉(zhuǎn)換元件7轉(zhuǎn)換的光束被聚光透鏡8 會聚，通過偏振光束分光器9，并由液晶顯示元件(圖像調(diào)制元件)10疊加。在純白色顯示 的情況下，進(jìn)入液晶顯示元件10的ρ-偏振光被調(diào)制成S-偏振光。S-偏振光在偏振光束分 光器9的偏振光分離面被反射。反射光到達(dá)投影透鏡(投影光學(xué)系統(tǒng))11，放大的圖像被投 影到例如屏幕的投影面上。上述照明光學(xué)系統(tǒng)執(zhí)行kShler照明。發(fā)光部分IA和IB及第二復(fù)眼透鏡6被布 置在共軛位置處。第一復(fù)眼透鏡5和液晶顯示元件10也被布置在共軛位置處。下面，說明從每個(gè)燈單元射出的光束的照度分布。參考圖2A、2B和2C，說明在第一燈單元100A和第二燈單元100B每一個(gè)的孔口平 面上的照度分布。圖2A圖解說明從第一燈單元100A或第二燈單元100B射出的光束。與圖1中圖 解說明的燈單元中的組件具有相同附圖標(biāo)記的組件的描述被省略。從分別布置在拋物面鏡 3A和3B附近的發(fā)光部分IA和IB射出的光束在拋物面鏡處被反射，并以大致平行的光束的 形式被輸出給拋物面鏡的孔口平面。在從發(fā)光部分射出的光之中，在到燈單元的光軸的距 離為2f的位置被拋物面鏡反射的光束用帶箭頭的線表示。換句話說，它是沿相對于燈單元 的光軸約90° (正交)的方向，從發(fā)光部分IA或IB射出的光束。圖2B圖解說明在燈單元的孔口平面上的照度分布的灰度級圖像。圖2B顯示從燈 單元射出的光束的照度分布是環(huán)形的。圖2C圖解說明在圖2B的截面部分IIC處的光量分布(強(qiáng)度分布)。截面IIC和經(jīng) 過第一燈單元100A的光軸12A或第二燈單元100B的光軸12B的平面相同。圖2C的曲線圖 的水平軸表示沿著從燈單元射出的光的強(qiáng)度分布的位置，垂直軸表示任意單位的亮度。在 最明亮部分所位于的強(qiáng)度分布的位置處，垂直軸的亮度表示為比值1 (最高強(qiáng)度)。該光量 分布曲線圖顯示，在截面IIC中，在燈單元的光軸附近，光量明顯低，在與燈單元的光軸間 隔半徑2f的位置附近，光量最高。下面，光量分布中最高光量集中的位置被稱為峰值。與 峰值對應(yīng)的光束用圖2A中所示的帶箭頭的線指示。因此，根據(jù)圖2C，可看出從給定燈單元 射出的光束偏離其光軸。燈單元的光軸附近的低光量(低強(qiáng)度)的原因在于在布置發(fā)光管2A或2B時(shí)使用 的拋物面鏡的孔洞，或者發(fā)光管2A或2B本身起出射光的遮光部分的作用。在除截面IIC外的位置處能夠獲得圖2C中圖解說明的光量分布。例如，在燈單元 的孔口平面上，在與燈單元的光軸相交的線上的截面處可獲得相似的光量分布。下面，參考圖3說明用于合成從燈單元射出的光束的合成鏡4的形狀。圖3圖解說明從由圖1中圖解說明的箭頭所示的III方向所見的合成鏡4。按照本實(shí)施例的合成鏡4由單塊玻璃板制成，并且包括反射部分和透射部分。反 射部分用深灰色部分表示，透射部分用白色部分表示。在圖3中，線B表示經(jīng)過第一燈單元100A的光軸12A(圖1)和第二燈單元100B 的光軸12B(圖1)的平面與合成鏡4相交的線。合成鏡4包括沿著線B從第一端到第二端(對圖3來說，從右到左)依次排列的 第一透射部分31A、第一反射部分31B、第二透射部分32A和第二反射部分32B。第一反射部分31B存在于第一燈單元100A的光軸12A(圖1)上，第二透射部分32A存在于第二燈單元 100B的光軸12B (圖1)上。合成鏡4的第一反射部分31B、第一透射部分31A、第二反射部分32B和第二透射 部分32A的形狀均不局限于圖3中圖解說明的形狀。第一反射部分31B或第二透射部分 32A可具有與出射光束的照度分布的環(huán)形形狀對應(yīng)的大致半圓形狀。另一方面，第一反射部 分31B和第二透射部分32A不必共有一個(gè)它們的邊；它們可以相互分離。下面參考圖4，說明當(dāng)在照明光學(xué)系統(tǒng)200中使用上述合成鏡4合成從燈單元 100A和100B射出的光束時(shí)發(fā)生的操作。圖4圖解說明相互大致正交布置的兩個(gè)燈單元 100A和100B，和沿照明光學(xué)系統(tǒng)200的光軸13布置的合成鏡4。前面描述過的組件使用相 同的附圖標(biāo)記，并且其說明被省略。為了簡化說明，圖4中圖解說明了合成鏡4，以使得顯示 其沿圖3中的線B的截面。合成鏡4的黑色部分是反射部分，而虛線環(huán)繞的部分是透射部 分。如前所述，合成鏡4 (光束合成部分)包括從第一端到第二端順序排列的第一透射部分 31A、第一反射部分31B、第二透射部分32A和第二反射部分32B。用實(shí)線箭頭指示的光束41 和42對應(yīng)于第一燈單元100A的兩個(gè)峰值，而用虛線箭頭指示的光束43和44對應(yīng)于第二 燈單元100B的兩個(gè)峰值。參看合成鏡4的反射部分，注意第一反射部分31B被布置在第一燈單元100A的光 軸上，并且偏離第二燈單元100B的光軸。第二反射部分32B偏離第一燈單元100A的光軸。 第一反射部分31B和第二反射部分32B反射從第二燈單元100B射出的偏離其光軸的光，該 反射光與從第一燈單元100A射出的光結(jié)合。另一方面，當(dāng)參看合成鏡4的透射部分時(shí)，第二 透射部分32A被布置在第二燈單元100B的光軸上，并且偏離第一燈單元100A的光軸。第 一透射部分3IA偏離第二燈單元100B的光軸。換句話說，第二透射部分32A和第一透射部 分31A透射從第一燈單元100A射出的偏離其光軸的光，該透射光與從第二燈單元100B射 出的光結(jié)合?；趫D2A、2B和2C中圖解說明的從燈單元射出的光束的光量分布，進(jìn)行了上述說 明。在從第一燈單元100A射出的光束的光量分布的峰值中，第一峰值光束41和第二峰值光 束42在圖4中依次從上到下排列。在從第二燈單元100B射出的光的照度分布的峰值中，第 三峰值光束43和第四峰值光束44在圖4中依次從左到右排列。首先，合成鏡4的第一透 射部分31A允許第一燈單元100A的第一峰值光束41透射通過。在第二燈單元100B的光 軸上的第二透射部分32A允許第一燈單元100A的第二峰值光束42透射通過。第二燈單元 100B的第三峰值光束43被第二反射部分32B反射。第二燈單元100B的第四峰值光束44 被在第一燈單元100A的光軸上的第一反射部分31B反射。S卩，從圖4中圖解說明的觀察平 面A來看，來自燈單元的光束被合成，以使得第一峰值光束41、第四峰值光束44、第二峰值 光束42和第三峰值光束43在圖4中依次從上到下排列。這里使用的觀察平面A表示位于 緊接在合成鏡4的出射面之后的平面。觀察平面A大致垂直于包含第一燈單元100A的光 軸和第二燈單元100B的光軸(其中第二燈單元100B的光軸已被合成鏡4反射)的平面。 按另一種方式來說，觀察平面A大致平行于液晶顯示元件10。合成鏡4的第一透射部分31A和第二透射部分32A均可以是透明玻璃板或者自由 空間(free-space)孔口，只要它具有允許光透射通過的功能。參考圖5A-5F更詳細(xì)地說明合成鏡4的上述操作。
圖5A表示合成光在觀察平面A (圖4)中的照度分布的圖像，圖5B圖解說明在沿 圖5A的線VB-VB的截面上的光量分布。這些圖顯示合成鏡4合成光束，以使得通過考慮到 從燈單元射出的光束的光量分布而設(shè)置反射部分，明亮部分鄰近照明光學(xué)系統(tǒng)200的光軸 13。通過沿包含第一和第二燈單元100A和100B的光軸的平面切割照度分布，獲得圖5B中 使用的截面，這同樣適用于圖5D和5F。為了參考，圖5C表示當(dāng)在照明時(shí)只使用第一燈單元100A(圖4)時(shí)，在光束通過合 成鏡4之后，觀察平面A中的照度分布的圖像，圖5D圖解說明在沿圖5C的線VD-VD的截面 上的光量分布。類似地，圖5E表示當(dāng)在照明時(shí)只使用第二燈單元100B時(shí)，在光束穿過合成 鏡4之后，觀察平面A中的照度分布的圖像，圖5F圖解說明在沿圖5E的線VF-VF的截面上 的光量分布。恰當(dāng)?shù)夭贾镁哂袌D3中所示形狀的合成鏡4和相對于合成鏡4的燈單元使得光 束能夠被合成，以致從燈單元射出的偏離其光軸的光束的明亮部分鄰近照明光學(xué)系統(tǒng)的光 軸。當(dāng)明亮部分鄰近照明光學(xué)系統(tǒng)的光軸時(shí)，在利用聚光透鏡8(圖1)會聚合成光，并照射 液晶顯示元件10(圖1)時(shí)，能夠降低傾斜地入射到液晶顯示元件10上的光的比例。傾斜 入射光的比例的降低使作為圖像調(diào)制元件的液晶顯示元件能夠把大量的光調(diào)制成適當(dāng)?shù)?偏振光狀態(tài)，從而能夠獲得高圖像對比度。如開始時(shí)所述，當(dāng)凹面鏡是具有焦距f的拋物面鏡時(shí)，有用的是兩個(gè)燈單元的光 軸之間的距離D滿足0 < D < 4f。這是因?yàn)楫?dāng)0 < D < 4f時(shí)，與燈單元的峰值對應(yīng)的光束 能夠被疊加。最好，距離D可被設(shè)置成滿足f < D < 3f。這使光束能夠被合成，以使得來自第二 燈單元的光量大的部分位于在第一燈單元的光軸附近的光量小的部分中，從而液晶顯示元 件或者其它被照射面能夠被均勻照射。就除了液晶顯示元件10之外還包括置于聚光透鏡8和液晶顯示元件10之間的偏 振光束分光器9的系統(tǒng)來說，類似于本實(shí)施例，存在明亮照明方面的更多有益效果。這是因 為如果入射角大的光進(jìn)入也具有入射角特性的偏振光束分光器9的偏振光分離膜，那么應(yīng) 被透射的光會被反射，并且進(jìn)入液晶顯示元件10的光量會被降低。對本實(shí)施例來說，包含燈單元的光軸12A和12B的平面和偏振光束分光器9的偏 振光分離面的法線大致平行。不過，它們可以不平行。對第一實(shí)施例來說，復(fù)眼透鏡被用作積分器。不過，本發(fā)明也適用于使用光積分棒 (rod integrator)的照明光學(xué)系統(tǒng)。這種情況下，由合成鏡合成的光能夠被會聚以進(jìn)入光 積分棒。另外在這種情況下，能夠獲得高對比度。下面說明定量效果。圖6是圖解說明液晶顯示元件10的圖像顯示區(qū)的對角線長度和對比度之間的關(guān) 系的曲線圖。圖像顯示區(qū)是液晶顯示元件10中供實(shí)際顯示圖像之用的區(qū)域。實(shí)線表示按 照本發(fā)明的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的結(jié)果；虛線表示按照上面提及的日本專利No. 3，992，053 的結(jié)構(gòu)的結(jié)果；交替的交替的長短虛線表示使用一個(gè)燈單元的結(jié)構(gòu)的結(jié)果。水平軸代表液 晶顯示元件10的圖像顯示區(qū)的單位為毫米的對角線長度，垂直軸表示對比度。垂直軸的 對比度被表示成到1為止的比值，其中液晶顯示元件的對角線長度約為17. 8mm并且使用一 個(gè)燈單元的結(jié)構(gòu)的亮度為1。對任意系統(tǒng)來說，亮度是恒定的，并且結(jié)果是在燈的弧長約為1. 1mm的條件下獲得的。燈的弧長表示陽極電極和陰極電極之間的距離。根據(jù)圖6的曲線圖，顯然按照本實(shí)施例的對比度高于其它系統(tǒng)的對比度。特別地， 當(dāng)液晶顯示元件10的對角線長度短時(shí)，可獲得更有利的效果。這是因?yàn)檎丈渚哂卸虒蔷€ 長度的液晶顯示元件10涉及比例增大的傾斜入射到液晶顯示元件10的光。如上所述，就本實(shí)施例來說，光束能夠被合成，以使得明亮部分鄰近照明光學(xué)系統(tǒng) 的光軸，從而能夠高對比度地顯示圖像。對本實(shí)施例來說，第一和第二燈單元100A和100B被布置成使得包含其光軸12A 和12B的平面和偏振光束分光器9的偏振光分離面的法線大致平行。不過，本發(fā)明并不局 限于這種結(jié)構(gòu)。具體地說，有用的是偏振光束分光器9繞照明光學(xué)系統(tǒng)200的光軸13旋轉(zhuǎn) 約90度。換句話說，有用的是包含偏振光束分光器9的偏振光分離面的法線和照明光學(xué)系 統(tǒng)200的光軸13的平面，與包含第一和第二燈單元100A和100B的光軸12A和12B的平面 大致相互垂直。這同樣適用于下面說明的變形。作為第一實(shí)施例中的拋物面鏡被改變的一個(gè)例子，參考圖7A說明其中使用橢圓 鏡作為凹面鏡的變形。除使用橢圓鏡的燈單元外的結(jié)構(gòu)大致上與按照第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu) (圖1)相同，從而，圖7A中只圖解說明燈單元。燈單元100C包括具有陰極和陽極的發(fā)光部 分1C、包含發(fā)光部分IC的發(fā)光管2C、橢圓鏡3C和凹透鏡4C。燈單元100C具有光軸12C。 這里，橢圓鏡3C的焦距為fl和f2(0 <fl< f2)。發(fā)光部分IC被布置在橢圓鏡3C的焦點(diǎn) 附近。就上述結(jié)構(gòu)來說，從焦點(diǎn)附近的發(fā)光部分IC射出的光束被橢圓鏡3C反射，并會聚 在與焦距f2對應(yīng)的位置。會聚光束被凹透鏡4C輸出為大致平行光束。輸出光束被在第一 實(shí)施例中圖解說明的合成鏡4合成，以致每個(gè)燈單元的光量分布的峰值鄰近照明光學(xué)系統(tǒng) 的光軸，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高對比度照明。作為使用橢圓鏡作為凹面鏡的一個(gè)例子，可以獲得使用具有長焦距f2的橢圓鏡 而不是使用凹透鏡4C的變形。當(dāng)橢圓鏡(凹面鏡)具有焦距fl和f2(0<fl<f2)時(shí)，在兩個(gè)燈單元的光 軸之間的距離為D的情況下，燈單元100C和合成鏡4(圖3)可被布置成使得滿足0 < D < 4XflXf2/(fl+f2)。這是因?yàn)楫?dāng)滿足0 < D < 4XflXf2/(fl+f2)時(shí)，與從燈單元射出 的光的峰值對應(yīng)的光束能夠被疊加。優(yōu)選地，光軸之間的距離D可被設(shè)置成使得滿足flXf2/ (fl+f2)≤D≤3XflXf2/(fl+f2)。這使從第二燈單元射出的出射光的明亮部分能夠恰 當(dāng)?shù)嘏c在第一燈單元附近的低光量部分結(jié)合，以使得能夠更均勻地照射被照射面。凹面鏡并不局限于拋物面鏡或橢圓鏡。可以使用任意凹面鏡，只要它能夠把從發(fā) 光管射出的光導(dǎo)引到特定方向。作為第一實(shí)施例中的合成鏡4被改變的例子，參考圖7B說明其中合成棱鏡包括在 其接合面的反射部分的變形。對圖7B中所示的附圖標(biāo)記來說，只說明未在圖1中圖解說明的71和72。合成棱鏡71是光束合成部分的示例，包括接合面72。在第一實(shí)施例中，使用合成 鏡4合成從兩個(gè)燈單元100A和100B射出的光束。另選地，如圖7B中所示，也可使用包括 具備功能與合成鏡4相同的反射部分的接合面72的合成棱鏡71。這樣，和第一實(shí)施例的情況一樣，能夠高對比度地顯示圖像。用于獲得本實(shí)施例的有益效果的合成鏡4和合成棱鏡71并不局限于上述形狀。例 如，反射部分可具有與從燈單元射出的光束的光量分布對應(yīng)的大致半圓形狀。這種情況下， 該形狀適合于照度分布，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更明亮的照明。作為第一實(shí)施例的另一種變形，參考圖7C說明其中利用反射件使合成光中未被 使用的光束返回拋物面鏡的結(jié)構(gòu)。對圖7C中所示的附圖標(biāo)記來說，只說明圖1中未示出的 附圖標(biāo)記73。反射件73被布置成與第二燈單元100B相對，合成鏡4被布置在反射件73和 第二燈單元100B之間。粗虛線箭頭表示從第二燈單元100B射出的未入射到合成鏡4的第 一或第二反射部分上并且未被用在合成光中的部分光束。未入射到合成鏡4的第一或第二 反射部分上的光束隨后被反射件73沿和入射光束的方向大致相同的方向反射，并再次返 回拋物面鏡3B，如細(xì)虛線箭頭所示。返回拋物面鏡3B的光束沿拋物面鏡3B的焦點(diǎn)的方向 (到發(fā)光部分IB的方向)被導(dǎo)引，在與先前反射光束的位置不同的位置處被反射，并被再次 導(dǎo)引到合成鏡4。導(dǎo)引到合成鏡4的光束被合成鏡4的反射部分反射，并且用在合成光中。上述反射件73的設(shè)置使得能夠有效利用從燈單元射出的光束，從而能夠進(jìn)一步 提高照明亮度。反射件73的位置并不局限于圖7C中圖解說明的位置。例如，反射件73可在圖中 的垂直方向具有短的長度，可被布置在第二燈單元100B和合成鏡4之間，或者布置成與凹 面鏡接觸。借助這樣的結(jié)構(gòu)，可獲得類似的有益效果。第二實(shí)施例圖8圖解說明使用用于紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)的三個(gè)反射液晶顯示元件作為圖像 調(diào)制元件的投影顯示設(shè)備。在圖8中，燈單元100A和100B及照明光學(xué)系統(tǒng)200與第一實(shí)施例中的相同，從而 省略其說明。這里只說明不同的部分。從發(fā)光部分IA和IB射出的光束進(jìn)入照明光學(xué)系統(tǒng)200，其ρ-偏振光進(jìn)入分色鏡 801。分色鏡801反射對應(yīng)于藍(lán)(B)和紅(R)的光，允許對應(yīng)于綠(G)的光透射通過。第一 偏振光束分光器802允許ρ-偏振光透射通過，反射S-偏振光，并且具有偏振光分離面。反射液晶顯示元件803R、803G和803B反射入射光束，進(jìn)行圖像調(diào)制，并且分別對 應(yīng)于紅、綠和藍(lán)。四分之一波長板804R、804G和804B分別對應(yīng)于紅、綠和藍(lán)。出射側(cè)偏光 器805允許綠光的S-偏振光透射通過。入射側(cè)偏光器806允許ρ-偏振光透射通過。顏色 選擇性相位延遲板807把紅光的偏振方向旋轉(zhuǎn)約90度，不旋轉(zhuǎn)藍(lán)光的偏振方向。第二偏振 光束分光器808允許ρ-偏振光透射通過，反射S-偏振光，并具有偏振光分離面。出射側(cè)偏光器809處理藍(lán)光，只允許藍(lán)光的S-偏振光透射通過；它允許紅光透射 通過，而不管紅光的偏振方向。合成棱鏡810具有如下特性關(guān)于藍(lán)光和綠光的分色鏡功 能，和允許紅光的P-偏振光透射通過并反射紅光的S-偏振光的偏振光束分光器功能。上 面所述的從分色鏡801到合成棱鏡810的組件被包括在顏色分離和合成光學(xué)系統(tǒng)300中。 投影透鏡811起投影光學(xué)系統(tǒng)的作用。按照第二實(shí)施例的投影顯示設(shè)備包括燈單元100A和100B、上面說明的照明光學(xué) 系統(tǒng)200、顏色分離和合成光學(xué)系統(tǒng)300以及投影光學(xué)系統(tǒng)400。利用本投影顯示設(shè)備中的合成鏡4合成來自多個(gè)燈單元的光束使光量分布的燈單元的峰值能夠集中在照明光學(xué)系統(tǒng)的光軸附近。于是，能夠高對比度地顯示圖像。第二實(shí)施例描述使用三個(gè)反射液晶顯示元件的例子。不過，反射液晶顯示元件的 數(shù)目并不局限于三個(gè)；例如，可以是兩個(gè)或四個(gè)。對本實(shí)施例來說，包含第一和第二燈單元的光軸12A和12B的平面，與顏色分離和 合成光學(xué)系統(tǒng)300的顏色分離和合成面(包含分離之前的光和分離之后的光的面)相同 (或者平行)。不過，可以使用其它結(jié)構(gòu)。具體地說，有用的是包含第一和第二燈單元的光 軸12A和12B的平面，與顏色分離和合成光學(xué)系統(tǒng)300的顏色分離和合成面可以大致相互 垂直(顏色分離和合成面大致垂直于圖8的紙面)。換句話說，包含分色鏡801的顏色分離 面、第一和第二偏振光束分光器802和808中每一個(gè)的偏振光分離面、合成棱鏡810的顏色 合成面的法線、和照明光學(xué)系統(tǒng)200的光軸13的平面大致垂直于包含第一和第二燈單元的 光軸12A和12B的平面。有用的是包含第一和第二偏振光束分光器802和808至少之一的 偏振光分離面的法線和照明光學(xué)系統(tǒng)200的光軸13的平面大致垂直于包含第一和第二燈 單元的光軸12A和12B的平面。再換句話說，包含每個(gè)燈單元的光軸的平面可大致垂直于 至少一個(gè)液晶顯示元件的法線。反射液晶顯示元件被用作圖像調(diào)制元件。不過，本發(fā)明并不局限于反射液晶顯示 元件。附圖中，為了簡化說明，圖解說明了投影顯示設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)；它可包括其它組件，比 如紅外線截止濾光片和偏光器。第三實(shí)施例第三實(shí)施例是使用三個(gè)微鏡器件(圖像調(diào)制元件)的投影顯示設(shè)備的例子，參考 圖9進(jìn)行說明?；旧虾偷谝粚?shí)施例中相同的結(jié)構(gòu)的說明被省略，只說明不同的部分。燈單元100A和100B及照明光學(xué)系統(tǒng)200與第一實(shí)施例中的大致相同。合成鏡4通過合成從燈單元100A和100B射出的光束而得到的光穿過第一復(fù)眼透 鏡5、第二復(fù)眼透鏡6和聚光透鏡8。從聚光透鏡8輸出的光被棱鏡91全反射，并被導(dǎo)引到 顏色分離和合成棱鏡93。顏色分離和合成棱鏡93分離色光，并把分離的光分量導(dǎo)引到微鏡 器件 94R、94G 和 94B。在白色顯示中，被微鏡器件94R、94G和94B反射的色光分量通過顏色分離和合成 棱鏡93，以便再次合成光束。合成光通過棱鏡92，并被導(dǎo)引到投影透鏡(投影光學(xué)系統(tǒng))95。 這里使用的白色顯示指示投影顯示設(shè)備在投影目標(biāo)面上顯示白色圖像的狀態(tài)。在黑色顯示中，每個(gè)微鏡器件94R、94G和94B中的微小鏡被傾斜，從而經(jīng)照明光學(xué) 系統(tǒng)200和棱鏡91進(jìn)入微鏡器件94R、94G和94B的光被返回到棱鏡91和照明光學(xué)系統(tǒng) 200，而不進(jìn)入投影透鏡95。這里，黑色顯示時(shí)進(jìn)入微鏡器件94R、94G和94B的光束被導(dǎo)引 的方向并不局限于朝著照明光學(xué)系統(tǒng)200(朝著光源)的方向；它可以是和朝著投影透鏡 95的方向不同的任意方向。每個(gè)微鏡器件通過改變其微小鏡的傾斜角，改變?nèi)肷涔獾姆瓷浞较?，從而調(diào)整像 素的亮度。因此，如果入射光未以適當(dāng)?shù)慕嵌热肷?，那么光不會沿希望的方向反射，對比?會降低。按照本實(shí)施例的光束合成部分(合成鏡4)的使用能夠降低傾斜入射光的比例，從 而能夠高對比度地明亮顯示圖像。本實(shí)施例描述使用三個(gè)微鏡器件作為圖像調(diào)制元件的例子。不過，微鏡器件的數(shù)目可以是例如一個(gè)或兩個(gè)。前面說明了本發(fā)明的實(shí)施例。除了上述有益效果之外，就本發(fā)明來說，可獲得更明 亮地照射被照射面的有益效果。參考圖10、11A和IlB說明技術(shù)細(xì)節(jié)。圖10圖解說明投影顯示設(shè)備的從燈單元到圖像調(diào)制元件的基本結(jié)構(gòu)。為了簡化 說明，只圖解說明基本結(jié)構(gòu)。投影顯示設(shè)備包括包含燈101和拋物面鏡的燈單元102、第一復(fù)眼透鏡103、第二 復(fù)眼透鏡104、偏振光轉(zhuǎn)換元件105、具有焦距F的聚光透鏡106和作為圖像調(diào)制元件的液 晶顯示元件107。圖IlA是圖10中圖解說明的第二復(fù)眼透鏡104和偏振光轉(zhuǎn)換元件105的放大示 意圖。圖IlB是圖IlA中圖解說明的第二復(fù)眼透鏡104的包含微小透鏡的一部分的放大示意圖。從圖10中圖解說明的燈單元102射出的大致平行的光束被第一復(fù)眼透鏡(其中 二維排列微小的球面透鏡)103分割和準(zhǔn)直。分割光束被會聚在第二復(fù)眼透鏡104附近，并 且形成光源的圖像(二次光源圖像)。包括在復(fù)眼透鏡103和104中的每個(gè)微小透鏡具有 與作為被照射面的液晶顯示元件類似的矩形形狀(圖11B)。從第二復(fù)眼透鏡104輸出的分 割光束被偏振光轉(zhuǎn)換元件105轉(zhuǎn)換成線性偏振光。如圖IlA中所示，偏振光轉(zhuǎn)換元件105 包括成行排列的偏振光分離膜。由偏振光轉(zhuǎn)換元件105轉(zhuǎn)換成大致線性偏振光的分割光束 由聚光透鏡106會聚，并疊加在液晶顯示元件107上。液晶顯示元件107 —般大致為矩形， 一般被這樣使用使得在屏幕上是水平定向的。下面在說明書中，沿液晶顯示元件的圖像顯 示區(qū)的長邊的方向(屏幕上的水平方向)被稱為長方向，沿其短邊的方向(屏幕上的垂直 方向)被稱為短方向。這里，近似滿足下述關(guān)系式B = aX (F/d)......... (1)其中a是包括在第二復(fù)眼透鏡104中的微小透鏡的寬度，d是第一復(fù)眼透鏡103和 第二復(fù)眼透鏡104之間的距離，F(xiàn)是聚光透鏡106的焦距，B是液晶顯示元件107在短方向 上的寬度，如圖10U1A和IlB中所示。光在液晶顯示元件107上的入射角θ由下面的表達(dá)式表示θ = tan-1 (A/2F).........(2)其中A是燈單元102的孔口的寬度。在圖10中圖解說明的系統(tǒng)中，照明亮度極大地取決于在第二復(fù)眼透鏡104附近形 成的光源的圖像(二次光源圖像)的大小，或者另選地，取決于第二復(fù)眼透鏡104的微小透 鏡的寬度以及偏振光轉(zhuǎn)換元件105的成行排列的有效部分和無效部分(圖11A)之間的距離。
在第二復(fù)眼透鏡104附近的二次光源圖像由會聚從燈單元102射出的大致平行的 光束的第一復(fù)眼透鏡103形成。因此，二次光源圖像的大小大致與第一復(fù)眼透鏡103的焦 距或者第一復(fù)眼透鏡103和第二復(fù)眼透鏡104之間的距離d成比例。由于二次光源圖像由從燈單元中的燈射出的會聚光束形成，因此當(dāng)燈單元102中 的燈的弧長為L時(shí)，二次光源圖像的大小也大致與燈單元102中的燈的弧長L成比例。因此，通過利用燈的弧長L以及第一復(fù)眼透鏡和第二復(fù)眼透鏡之間的距離d的以下表達(dá)式，能夠表示二次光源圖像的大小< 二次光源圖像的大小> =^ LXd …(3)液晶顯示元件107只被形成二次光源圖像的光之中的穿過第二復(fù)眼透鏡104的對 應(yīng)微小透鏡和偏振光轉(zhuǎn)換元件105的有效部分的光照射。于是，如圖IlB中所示，隨著二次 光源圖像的大小相對于第二復(fù)眼透鏡104的微小透鏡的寬度和偏振光轉(zhuǎn)換元件105的成行 排列的一行偏振光分離膜的寬度的減小，亮度增大。相反，如果二次光源圖像的大小較大， 那么它伸出第二復(fù)眼透鏡104的微小透鏡的區(qū)域之外，或者另選地，它因偏振光轉(zhuǎn)換元件 105的無效部分而發(fā)虛，從而亮度降低。因此，通過把第二復(fù)眼透鏡的微小透鏡的寬度除以二次光源圖像的大小而獲得的 值可以是代表照明亮度的變量。下述關(guān)系式被滿足γ o^a/(LXd)......... (4)其中Y是通過把第二復(fù)眼透鏡的微小透鏡的寬度除以二次光源圖像的大小而獲 得的值。即，當(dāng)Y大時(shí)，照明亮度增大，而相反，當(dāng)Y小時(shí)，照明亮度降低。根據(jù)表達(dá)式(1)和(2)，下述關(guān)系式被滿足y (2BXtan θ )/AXL......... (5)由于從燈單元102射出的光束的光量分布不均勻，因此表達(dá)式(5)和照明亮度不 成比例。不過，表達(dá)式(5)顯示當(dāng)燈單元的孔口寬度A和燈的弧長L大或者液晶顯示元件 的寬度B小時(shí)，亮度降低。換句話說，為了保持高于一定程度的對比度，而不改變液晶顯示元件的寬度B、燈 單元的孔口寬度A和燈的弧長L，必須減小液晶顯示元件107上的入射角Θ。如果θ的值 被減小，那么根據(jù)表達(dá)式(5)，Y的值必然被降低，從而亮度降低。接下來，下面說明按照第一實(shí)施例的與亮度相關(guān)的定量效果。圖12是圖解說明液晶顯示元件10的圖像顯示區(qū)的對角線長度和亮度之間的關(guān)系 的曲線圖。實(shí)線表示按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的結(jié)果；虛線表示按照上面提及的日 本專利No. 3，992，053的結(jié)構(gòu)的結(jié)果；交替的長短虛線表示使用一個(gè)燈單元的結(jié)構(gòu)的結(jié)果。 水平軸表示液晶顯示元件10的圖像顯示區(qū)的單位為毫米的對角線長度，垂直軸表示亮度。 垂直軸的亮度被表示成到1為止的比值，其中使用一個(gè)燈單元并且液晶顯示元件的對角線 長度約為17. 8mm的結(jié)構(gòu)的亮度為1。對任意系統(tǒng)來說，對比度是恒定的，結(jié)果是在燈的弧長 約為1.1mm的條件下獲得的。圖12中圖解說明的結(jié)果顯示出屏幕上本實(shí)施例的亮度高于其它系統(tǒng)。最好滿足 O < P/L < 23，其中L是燈單元的燈沿著光軸的弧長，P是液晶顯示元件的圖像顯示區(qū)的對 角線長度。這是因?yàn)榫推渌到y(tǒng)來說，如果光源的長度P長，或者液晶顯示元件的圖像顯示 區(qū)的長度短，那么不進(jìn)入透鏡陣列的光或者因偏振光轉(zhuǎn)換元件的無效部分而發(fā)虛的光的量 會被增大。就本實(shí)施例來說，可以使用合成從多個(gè)燈單元射出的光束以使得它們的明亮部分 鄰近照明光學(xué)系統(tǒng)的光軸的光束合成部分。因此，能夠提供能夠明亮地顯示高對比度圖像 的照明光學(xué)系統(tǒng)和投影顯示設(shè)備。盡管關(guān)于示例實(shí)施例說明了本發(fā)明，不過應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不局限于公開的示例 實(shí)施例。下述權(quán)利要求的范圍應(yīng)被給予最寬廣的解釋，以包含所有這樣的修改及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
一種照射圖像調(diào)制元件的照明光學(xué)系統(tǒng)，所述照明光學(xué)系統(tǒng)包括光束合成部分(4)，所述光束合成部分(4)合成從第一燈單元(100A)射出的光束和從第二燈單元(100B)射出的光束，第一和第二燈單元各自包括燈和凹面鏡(3A，3B)，所述燈具有沿著凹面鏡的光軸排列的陰極和陽極；和聚光透鏡(8)，所述聚光透鏡會聚來自光束合成部分的光束，其特征在于光束合成部分包括布置在第一燈單元的光軸上并且偏離第二燈單元的光軸的第一反射部分(31B)；和偏離第一燈單元的光軸布置的第二反射部分(32B)，其中第一反射部分和第二反射部分反射從第二燈單元射出的并偏離第二燈單元的光軸的光束，以合成從第一和第二燈單元射出的光束。
2.按照權(quán)利要求1所述的照明光學(xué)系統(tǒng)，其中光束合成部分合成從第二燈單元射出的 并被第一反射部分和第二反射部分反射的光束、以及從第一燈單元射出的并在第一反射部 分和第二反射部分之間穿過的光束。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的照明光學(xué)系統(tǒng)，其中光束合成部分還包括第一透射部分 (31A)和第二透射部分(32A)，第二透射部分被布置在第二燈單元的光軸上，光束合成部分的第一透射部分、第一反射部分、第二透射部分和第二反射部分依次從 第一端到第二端排列，并且在包含第一燈單元的光軸和第二燈單元的光軸的截面中，當(dāng)在第一燈單元的孔口平 面上與第一燈單元的光軸相交的線上的光量分布的兩個(gè)峰值是第一峰值(41)和第二峰值 (42)，并且在第二燈單元的孔口平面上與第二燈單元的光軸相交的線上的光量分布的兩個(gè) 峰值是第三峰值(43)和第四峰值(44)時(shí)，第一透射部分允許對應(yīng)于第一峰值的光束透射 通過，第一反射部分反射對應(yīng)于第四峰值的光束，第二透射部分允許對應(yīng)于第二峰值的光 束透射通過，第二反射部分反射對應(yīng)于第三峰值的光束。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的照明光學(xué)系統(tǒng)，其中當(dāng)凹面鏡是具有焦距f的拋物面鏡 時(shí)，下述關(guān)系式被滿足0 < D < 4f其中D是第一燈單元的光軸和第二燈單元的光軸之間的距離。
5.按照權(quán)利要求1或2所述的照明光學(xué)系統(tǒng)，其中當(dāng)凹面鏡是具有焦距fl和f2的橢 圓鏡時(shí)，其中0 < fl < f2，下述關(guān)系式被滿足0 < D < 4XflXf2/(fl+f2)其中D是第一燈單元的光軸和第二燈單元的光軸之間的距離。
6.按照權(quán)利要求1或2所述的照明光學(xué)系統(tǒng)，還包括反射件(73)，其中反射件使未入射到第一反射部分或第二反射部分上的光束返回第一燈單元和第 二燈單元至少之一。
7.一種照射圖像調(diào)制元件的照明光學(xué)系統(tǒng)，所述照明光學(xué)系統(tǒng)包括光束合成部分(4)，所述光束合成部分(4)合成來自第一燈單元(100A)的光束和來自 第二燈單元(100B)的光束，第一和第二燈單元各自包括燈和凹面鏡，所述燈具有沿著凹面 鏡的光軸排列的陰極和陽極；和聚光透鏡(8)，所述聚光透鏡會聚來自光束合成部分的光束， 其特征在于 光束合成部分包括布置在第一燈單元的光軸上并且偏離第二燈單元的光軸的反射部分(31B)，所述反射 部分反射從第二燈單元射出的并偏離第二燈單元的光軸的光束；和布置在第二燈單元的光軸上并且偏離第一燈單元的光軸的透射部分(32A)，所述透射 部分允許從第一燈單元射出的并偏離第一燈單元的光軸的光束透射通過，其中反射部分和透射部分合成從第二燈單元射出并被反射部分反射的光束以及從第 一燈單元射出并穿過透射部分的光束。
8.按照權(quán)利要求1或2所述的照明光學(xué)系統(tǒng)，還包括布置在聚光透鏡和圖像調(diào)制元件 之間的偏振光束分光器(9)。
9.一種投影顯示設(shè)備，包括 圖像調(diào)制元件(10)；按照權(quán)利要求1或2所述的照射圖像調(diào)制元件的照明光學(xué)系統(tǒng)；和 投影來自照明光學(xué)系統(tǒng)的光束的投影光學(xué)系統(tǒng)(11)。
10.按照權(quán)利要求9所述的投影顯示設(shè)備，其中圖像調(diào)制元件包含液晶顯示元件或微 鏡器件。
11.按照權(quán)利要求9或10所述的投影顯示設(shè)備，其中下述關(guān)系式被滿足 0 < P/L < 23其中L是第一或第二燈單元中的燈的弧長，P是圖像調(diào)制元件的圖像顯示區(qū)的對角線 長度。
12.一種照射圖像調(diào)制元件的照明光學(xué)系統(tǒng)，所述照明光學(xué)系統(tǒng)包括 大致相互正交布置的第一燈單元和第二燈單元(100A，100B)；具有第一反射部分(31B)和第二反射部分(32B)的光束合成部分(4)，所述光束合成部 分被配置成合成從第一燈單元射出的光束和從第二燈單元射出的光束；和 配置成會聚來自光束合成部分的光束的聚光透鏡(8)，其中被光束合成部分反射的第一燈單元的光軸和穿過光束合成部分的第二燈單元的 光軸相互間隔預(yù)定距離，其中第一反射部分被布置在第一燈單元的光軸上并且偏離第二燈單元的光軸，第二反 射部分被布置成偏離第一燈單元的光軸，并且其中第一反射部分和第二反射部分反射從第二燈單元射出并且偏離第二燈單元的光 軸的光束，以合成從第一和第二燈單元射出的光束。
全文摘要
本申請涉及照明光學(xué)系統(tǒng)和投影顯示設(shè)備，包括光束合成部分和會聚來自光束合成部分的光束的聚光透鏡。光束合成部分合成來自都包括燈和凹面鏡的第一和第二燈單元的光束，所述燈具有沿凹透鏡的光軸排列的陰極和陽極。光束合成部分包括布置在第一燈單元的光軸上并且偏離第二燈單元的光軸的第一反射部分，和偏離第一燈單元的光軸布置的第二反射部分。第一和第二反射部分反射從第二燈單元射出并且偏離第二燈單元的光軸的光束，以合成來自第一和第二燈單元的光束。
文檔編號F21V7/00GK101995751SQ20101026086
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月20日
發(fā)明者兒玉浩幸, 前田勇樹, 須藤貴士 申請人:佳能株式會社