专利名称：照明系统和投影仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种照明系统，该系统把光源发出的光分成多束光，再把这些光束转换成基本上在一个方向偏振的偏振光，并且把这些光束叠加在相同的照明区域。本发明还涉及一种投影仪，该装置利用本照明系统能够以均匀的亮度显示图象。
在投影显示系统装置中，根据图象信息调制投射到称作光阀的电光装置上的光，并再把调制的光投射到屏幕上以显示图象。液晶板(液晶光阀)是一种经常被采用的电光装置。通常希望由投影显示系统显示的图象均匀并且明亮，从装置采用的照明系统发出的光有高的利用率。传统上用集成的光学系统通过液晶光阀确保区域的均匀照明。另外，在采用液晶光阀的投影仪中，液晶光阀使用一种类型的偏振光的调制，为了提高光的利用率，用偏振转换系统把光源发出的非偏振光转换成一种类型的线性偏振光。
图24表示传统的照明系统的结构。该照明系统包括一个光源4120，一个第一透镜阵列4130，一个第二透镜阵列4140，一个偏振转换系统4150和一个叠加透镜4160。两个透镜阵列4130和4140以及叠加透镜4160构成一个集成光学系统。
第一透镜阵列4130有多个小透镜4132。第二透镜阵列4140有多个与第一透镜阵列4130的多个小透镜4132对应的小透镜4142。
偏振转换系统4150有多对沿x轴平行排列的偏振分束膜4152和反射膜4154。偏振分束膜4152和反射膜4154在x轴方向有固定的倾斜，当从z轴看时逆时针倾斜。每个偏振分束膜4152的出射端设置一个λ/2延迟膜4156。
光源4120发出的大致的平行光被多个小透镜4132分成多个局部光束。小透镜4132和4142的聚光作用会聚偏振转换系统4150的偏振分束膜4152附近的每个局部光束。偏振分束膜4152透射一种线性偏振成分的所有光，如P偏振光，同时反射另一种线性偏振成分的所有光，如S偏振光。由偏振分束膜4152反射的线性偏振光成分被反射膜4154反射到叠加透镜4160。被偏振分束膜4152透射的线性偏振光成分落入到λ/2延迟膜4156，被转换成与其它的线性偏振光成分有同样偏振方向的线性偏振光，并落到叠加透镜4160上。因此，入射到叠加透镜4160上的多束局部光束基本上被转换成一种类型的偏振光，并且基本叠加在照明区域4180。这使得照明区域4180基本上被一种类型的线性偏振光均匀照明。
在上述传统的照明系统中，由第一透镜阵列4130形成的部分光束会聚到偏振分束膜4152的附近，并因此落射到偏振分束膜4152上的部分光束被空间分离。反射膜4154放置在没有部分光束的地方并反射被偏振分束膜4152反射的线性偏振光。光源发出的非偏振光被偏振分束膜4152和反射膜4154分成两种类型的线性偏振光。
如果光源4120发出完全平行光，则部分光束将被会聚成偏振分束膜4152附近的一个点。然而，如果实际上光源4120发出的光束不是完全平行光，则形成的图象将有某种程度的发散。偏振分束膜4152和反射膜4154沿x轴的宽度设置成使得几乎所有用于成象的光都有效地落到偏振分束膜4152上。
由投影仪获得较亮图象的有效方式是提高光源灯的输出。使用的光源灯包括金属卤灯和汞灯。为了增大光输出，最好使用具有长弧的灯。然而，通常长弧灯发出的光比短弧灯发出的光的平行性弱。这意味着用长弧灯简单地替代照明系统中使用的短弧灯，光束降低的平行度将导致很小比例的光入射到偏振分束膜4152上，降低偏振分束效率。因此，问题在于甚至在光源输出提高时，用于照射照明区域的光的有效输出也没有太大的提高。
本发明的目的在于提出一种技术，包括整体光学系统和偏振转换系统的照明系统，采用具有高于传统灯的输出的光源灯，使得能够提高光输出而不降低照明系统的光利用率。另一个目的在于提供一种能够获得更亮、更均匀的投影图象的投影仪。
上述的和其它相关的目的至少有一部分可以通过一种照明系统实现，该系统照射作为照明区域的光学装置的光入射面。系统包括一个发出非偏振光的光源，一个改变光源发出的光的大小的光焦度可变光中继系统，一个通过给定的入射光束对照明区域进行照射的叠加光学系统，和一个沿光焦度可变光中继系统的入射面到叠加光学系统的出射面之间的光路设置在一个选定位置处的偏振转换系统，该系统把非偏振的入射光转变成具有带一种类型的偏振方向的线性偏振成份的光束，并发射转变的光束。进入偏振转换系统的光束尺寸在预定的方向通过光焦度可变光中继系统缩小。
在本发明的照明系统中，进入偏振转换系统的光束大小在预定的方向通过光焦度可变光中继系统缩小，由此提高入射到偏振转换系统的光的入射率。结果是，照明区域可以由一种类型的线性偏振光以大致均匀的偏振方向明亮而均匀地照射。一般地，因为光源灯和弧长之间存在有一定的比例关系，并且光源灯发出的光束平行度随着弧长的增加而减弱，所以当采用高输出灯时，存在着光对偏振转换系统入射率的下降。但是，根据本发明的结构，当使用的光源灯比传统灯有较高的光输出时，可以增加包括相同方向偏振光的照明光的亮度而不降低照明系统的利用率。此处，关于光束的预定方向意味着垂直于光束传播方向的一或两个方向。因此，当用在每个方向都有均匀功率的聚光元件如球面透镜组成光焦度可变光中继系统时，光束片段的大小在每个方向都相应地缩小。另外，当用仅在一个方向具有功率的聚光元件如柱面透镜组成光焦度可变光中继系统时，光束片段仅在一个方向上缩小。
根据光学照明的一种优选结构，光焦度可变光中继系统包括具有多个第一小透镜的第一透镜阵列，具有多个设置在第一透镜阵列光发射面上的中继透镜阵列，和具有多个设置在中继透镜阵列光发射面上的第二小透镜的第二透镜阵列。第一透镜阵列和第二透镜阵列设置在中继透镜阵列的共轭点处。偏振转换系统包括一个偏振分束器阵列，具有多对沿预定的方向处于倾斜状态的相互平行的偏振分束膜和反射膜，把非偏振的入射光分成两种线性偏振光类型的多束部分光束，和一个偏振转换装置，把两种线性偏振光类型中的第一种类型的线性偏振光的偏振方向转变成与第二种类型的线性偏振光相同的偏振方向。入射到偏振转换装置的光束被光焦度可变光中继系统分成多束部分光束，并且在预定方向上每个部分光束的大小被光焦度可变光中继系统缩小。
在此布局中，光焦度可变光中继系统由透镜阵列组成，因而可使光束对偏振转换系统的入射率提高。如果问题的焦点在于提高光束对偏振分束阵列的入射率，则可以采用光焦度可变光中继系统，利用一种在一个方向上弯曲的聚光元件，如上述的柱面透镜。
在此结构中，最好叠加光学系统包括具有多个第三小透镜的第三透镜阵列，进入叠加光学系统的多束部分光束入射到第三小透镜上，具有多个与第三小透镜对应的第四小透镜的第四透镜阵列，和把穿过第三透镜阵列和第四透镜阵列的多束部分光束叠加到照明区域上的叠加透镜。
利用上述结构的叠加光学系统实质上能够使偏振转换系统射出的光全部导向照明区域，由此提高照明系统的光利用率，并能够使照明区域被更均匀地照射。
叠加光学系统可以包括具有多个把多个部分光束大致叠加到照明区域上的小透镜的第三透镜阵列，和具有多个与第三小透镜对应的第四小透镜的第四透镜阵列。
在这种情况下，照明光束入射到照明区域的入射角与由第三和第四透镜阵列以及叠加透镜组成的叠加光学系统相比可以更小。当把光学特性依赖于入射角的光学系统和元件放置在照明区域中时，可以使得此系统和元件的光利用率提高。此光学系统和元件还可以减小照明系统的复杂性和成本。
根据上述结构，最好把偏振转换系统设置在光焦度可变光中继系统和叠加光学系统之间。偏振转换系统可以设置在中继透镜阵列和光焦度可变光中继系统的第二透镜阵列之间。偏振转换系统可以设置在第三透镜阵列和第四透镜阵列之间。
无论偏振转换系统采用哪一种位置放置，都可以提高光束对偏振转换系统的入射率，如上所述。但是，当偏振转换系统设置在中继透镜阵列和第二透镜阵列之间或第三透镜阵列和第四透镜阵列之间而非直射在光焦度可变光中继系统和叠加光学系统之间时，入射率提高的更多。
另外，当偏振转换系统位于光焦度可变光中继系统和第二透镜阵列之间或中继透镜阵列和光焦度可变光中继系统的第二透镜阵列之间时，第二和第三透镜阵列可以是光学一体的。
“光学一体”元件意指用黏合剂连结在一起的光学元件，或指拥有多个光学元件功能的单个光学元件。光焦度可变光中继系统的第二透镜阵列的功能和叠加光学系统的第三透镜阵列的功能可以合并到二者之中任何一个透镜阵列中，同时省去剩余的透镜阵列。光学集成的多个光学元件(第二和第三透镜阵列)能使元件界面处产生的光学损耗降低，由此提高光利用率。它还能够降低光学系统的复杂性和成本。
根据上述结构，第一透镜阵列的多个第一小透镜在垂直于预定方向的方向中每个都有不同的光轴位置，以致进入偏振转换系统的多束部分光束至少在垂直于预定方向的方向中相互邻近。“预定方向”指偏振转换系统中多套交替的偏振分束膜和反射膜的排列方向。
通过可以使照明光束入射照明区域的角度缩小，当光学系统和元件置于照明区域中时，可以使此系统和元件的光利用率进一步提高。还能够使光学系统在沿偏振转换系统到照明区域的光路上缩小尺寸。
在此结构中，排列在预定方向的多束部分光束根据每个部分光束的排列位置以不同的缩小比而在光焦度可变光中继系统中缩小。
还可以进一步缩小照射光束对照明区域的入射角，并且当把光学特性依赖于入射角的光学系统和元件放置在照明区域中时，能够使此系统和元件的光利用率进一步提高。
根据上述结构，中继透镜可以由至少两个透镜组成的复合透镜构成。
以复合透镜构成中继透镜能够校正易于在单透镜结构中产生的色差、球差和象散等。
本发明还旨在提出一种用于显示投影图象的第一投影仪。第一投影仪包括上述任意一种照明系统，一个响应于图象信号把从照明系统接收到的光束转换成成象光束并发射转换的光束的电光装置，和一个投射电光装置发出的光的投影光学系统。
第一投影仪利用本发明的照明系统，因此甚至在采用具有高于传统灯的光输出的光源灯时，也可增大光输出而不降低照明系统的光利用率。这样能获得更明亮、更均匀的投影图象。作为本发明的第一投影仪，可以想象一种带有单色液晶板的连续的彩色显示系统和分时系统的装置，装置中使用能够产生特定颜色的彩色滤光片等。
第一投影仪还包括一个把照明系统发出的光分成多种颜色成份的分色器，分别接收由分色器分离的各个颜色成份的多个电光装置，和合并由多个电光装置发出的每种颜色成份的颜色混合器，其中投影光学系统投射从颜色混合器发出的合并光。
此布局能够获得更加明亮、均匀的彩色投影图象。
在此结构中，最好假设x，y，z为三个互相垂直方向的轴，其中z是平行于照明系统发出的光束光轴的方向，分色器有一个大致上垂直于xz平面并相对于yz平面以预定角度倾斜的分色面，并且照明系统的位置使得偏振转换系统中包含的多对偏振分束膜和反射膜排列的预定方向基本上与y方向一致。
按照此种布局，偏振转换系统中多对偏振分束膜和反射膜排列的预定方向(以下称作偏振分束方向)垂直于分色器的分色表面中分色的方向，以致光束入射到分色表面上的入射角度的变化范围缩小。因为分色面的分色特性依赖于入射角，所以入射角变化范围的缩小也减小从分色器出射的光的颜色偏差。
最好假设x，y，z轴为三个互相垂直方向的轴，其中z的方向平行于从照明系统发出的光线之光轴的方向，颜色混合器有一个基本上垂直于xz平面并且形成一个关于yz平面预定角度的色彩混合面，照明系统的定位使得多对偏振分束膜和反射膜排列的预定方向与y方向一致。
根据这种布置，偏振转换系统中偏振光被分离的预定方向垂直于色彩混合器中色彩混合表面平面上色彩混合的方向，因而能够使得入射光束入射到色彩混合表面上的角度的改变范围缩小。因为色彩混合表面的色彩混合特性依赖于入射角，所以入射角变化范围的缩小降低了离开色彩混合表面的混合颜色的偏差。因此，能获得颜色和亮度更均匀的投影图象。
本发明还旨在提出一种用于显示投影图象的第二投影仪，包括上述任意一种照明系统，一个在反射光束的同时响应于接收的图象信号把入射光束转换成成象光束的反射型电光装置，投射反射型电光装置发出的光的投影光学系统，和一个偏振分束装置，把从照明系统发出的第一线性偏振光导向反射型电光装置，并还把从反射型电光装置接收到的第二线性偏振光束导向投影光学系统，并将其在垂直于第一偏振光的方向上起偏。
第二投影仪还使用本发明的照明系统，因此即使采用具有高于传统灯光输出的光源灯，也可以不降低照明系统利用率的情况下增大光输出。因此，可以获得更亮、亮度和色彩更均匀的投影图象。
在此结构中，还希望假设x，y，z为三个互相垂直方向的轴，其中z是平行于照明系统发出的光束光轴的方向，偏振分束元件有一个基本上垂直于xz平面并关于yz平面倾斜一预定角度的偏振光分离表面平面，照明系统的位置使得偏振转换系统中包含的多套偏振分束膜和反射膜的排列方向基本上与x方向一致。
当在z方向倾斜的yz平面内的线性偏振光落在颜色分离面上时，偏振轴的旋转降低反射型光电装置中光的利用率。因为根据上述结构，可以使在yz平面中落在偏振光分离面上的光入射角的变化范围小于在xz平面中的情况，偏振轴旋转可以缩小。这导致投影图象较亮并有更高的对比度。
本发明还旨在提供一种用于显示投影图象的第三投影仪，包括上述任意一种照明装置，一种包含多个象素和一个聚光系统的电光装置，其中每个象素包括多个对应于多种颜色的每一种光的子象素，聚光系统包括多个对应于每个象素的小聚光透镜。电光装置响应于给定的图象信息将每个象素发送的光转变为每个象素的成象光。投影仪还包括一个颜色分离器和一个投射电光装置发出的光的投影光学系统，其中颜色分离器把从照明系统出射的光分成多种颜色的光并将多种颜色成分的每种光导向不同的方向，入射到对应于各个颜色成分的子象素上。
根据本发明的第三投影装置还采用本发明的照明系统，使得即使当使用具有高于传统灯的光输出的灯光源时，也可以提高光输出而不降低照明系统的利用率，因此使得能够获得更亮、亮度和颜色更均匀的投影图象。
在这种结构中，假设x，y，z作为三个相互垂直的方向轴，z代表平行于照明系统发出的光的光轴方向，颜色分离器有多个颜色分离面，把光束选择分成多个大致垂直于xz平面并关于yz平面有不同预倾角的颜色成分，照明系统的位置使得包含在偏振转换系统中的多对偏振分束膜和反射膜的排列方向基本上与y方向一致。
根据这种结构，偏振转换系统中分离偏振光的方向垂直于颜色分离光学系统的颜色分离面中颜色分离的方向，因而使得入射到颜色分离面上的光入射角的变化范围缩小。因为颜色分离面的颜色分离特性依赖于入射角，所以入射角变化范围的缩小降低颜色分离光学系统的出射光的颜色偏差。结果是可以获得具有更均匀的亮度和颜色的投影图象。
照明系统的放置最好使得多对偏振分束膜和反射膜的预定排列方向大致上与垂直于每个象素的多对子象素对准方向的方向一致。
因为根据这种结构，偏振转换系统中偏振光分离的方向垂直于每个象素包含的多个彩色子象素的排列方向，所以可以减小由于与每个彩色子象素不相干的入射光所致的色彩漂移。
本发明的各种目的、特点、不同的方面和优点将通过下列参考附图对实施例所做的详细描述而变得更加清晰。
图1是包括本发明第一实施例的照明系统主要部分的一般结构平面图；图2是第一透镜阵列32的透视图；图3是一组第一小透镜32a、第二小透镜34a和中继透镜36a的放大图；图4(A)和4(B)表示偏振转换系统40的结构；图5(A)和5(B)表示中继透镜阵列36的改型；图6(A)和6(B)表示中继透镜阵列36的另一种改型；图7(A)和7(B)表示叠加光学系统50的改型；图8是作为本发明第二实施例的照明系统主要部分的一般结构平面图；图9是作为本发明第三实施例的照明系统主要部分的一般结构平面图；图10(A)和10(B)表示第四实施例的照明系统和第一实施例的照明系统之间的比较；图11是作为本发明第五实施例的照明系统主要部分的一般结构平面图；图12是入射到光焦度可变光中继系统30上的光束平行性示意图；图13是作为本发明第六实施例的照明系统主要部分的一般结构平面图；图14是作为本发明第七实施例的照明系统主要部分的一般结构平面图；图15(A)和15(B)表示第一实施例的照明系统100中落在偏振转换系统40上的光束形状和第七实施例的照明系统100H中落在偏振转换系统40H上的光束形状之间的比较；图16是作为本发明第八实施例的照明系统主要部分的一般结构平面图；图17是采用本发明照明系统的投影仪主要部分的一般结构平面图；图18(A)和18(B)是关于从照明系统100’穿过第一分色镜202和十字分色棱镜320的光束的示意图；图19表示第一分色镜202的分色特性；图20是采用本发明照明系统的另一投影仪主要部分的一般结构平面图；图21是关于入射到偏振分束棱镜420的光束示意图；图22是采用本发明照明系统的另一投影仪主要部分的一般结构平面图；图23(A)和23(B)是单面型彩色液晶显示光阀520的一个象素结构放大图；图24表示传统的照明系统结构；图25是本发明另一照明系统的主要部分平面图。
下面将参考附图对本发明的实施例进行描述。另外，在下列每个实施例中，除非特别声明，一般假设光沿z轴传播(平行于光轴的方向)，当观察者面对着光传播方向时，y轴指着十二点钟的方向(垂直方向)，x轴指着三点钟的方向(水平方向)。A.第一实施例图1是包括本发明第一实施例的照明系统主要部分的一般结构平面图。照明系统100包括一个光源20，一个光焦度可变光中继系统30，一个偏振转换系统40，和叠加光学系统50。光焦度可变光中继系统30设置成其光轴基本上与光源20的光轴20LC重合。偏振转换系统40和叠加光学系统50被设置成它们的光轴与穿过照明系统80中央的光轴100LC重合。光源轴20LC平行于系统光轴100LC在-x方向移动位移Dp。后面将解释位移量Dp。叠加光学系统50构成一个对照明区域80基本上均匀照明的整体光学系统。
光源20有一个光源灯22和一个把光源灯22发出的光反射成大致为平行光的凹面镜24。光源灯22可以是金属卤灯、汞灯等。最好用抛物面镜作为凹面镜24。抛物面镜也可以用椭圆镜或球面镜代替。
光焦度可变光中继系统30包括一个第一透镜阵列32，一个第二透镜阵列34和一个中继透镜阵列36。图2是第一透镜阵列32的透视图。第一透镜阵列32成为M行和N列的平—凸第一小透镜32a矩阵，每个小透镜具有大致为矩形的轮廓。在图2所示的实例中，M＝5，N＝4。从z方向看去，第一小透镜32a的每一个的形状不局限于本例的矩形，透镜的形状最好是能够没有间隙地设置它们。第一透镜阵列的第一小透镜可以有一个与照明区域80的形状对应的外部形状，因为穿过第一小透镜并由光焦度可变光中继系统30缩小的光束最好照射到第三透镜阵列52的第三小透镜52a上，并且第三小透镜52a有一个与实际被照明的照明区域80的形状对应的形状，如下所述。例如，假设液晶板作为照明区域，并且成象区域的纵横比是4∶3，则第一小透镜32a的纵横比将设为4∶3。
图1所示的第二透镜阵列34也是平凸第二小透镜34a的M行和N列矩形矩阵，平凸第二小透镜34a对应于第一透镜阵列32的第一小透镜32a。第二小透镜透镜34a小于第一小透镜32a，并由平板部分34b连接，以致第二小透镜34a彼此间隔开。第二小透镜34a不必一定要平板部分34b连接。另外，第二透镜阵列34可以包括与第一小透镜32a的形状相同的第二小透镜34Aa(虽然光学特性不同)。
中继透镜阵列36由排列成M行和N列的双凸中继透镜36a组成，双凸中继透镜对应于多个第一小透镜32a和第二小透镜34a。
图3是一组第一小透镜32a、第二小透镜34a和中继透镜36a的放大图。第一小透镜32a和第二小透镜34a设置在中继透镜36a的共轭点。即中继透镜36a的焦距fr设成(L1×L2)/(L1+L2)，其中L1是第一小透镜32a和中断透镜阵列36a之间的距离，L2是中继透镜36a和第二小透镜34a之间的距离。第一小透镜32a的焦距f1设置成L1，第二小透镜34a的焦距f2设成L2。
落在第一小透镜32a入射面上的宽度为D1的部分光束由第一小透镜32a会聚成象在中继透镜36a。该图象的光束入射到第二小透镜34a。第二小透镜34a发出的光束宽度为D2。宽度D2实际上等于(D1×L2/L1)。具体地说，光焦度可变光中继系统30具有以L2∶L1的比例减小进入第一小透镜32a的光束宽度D1的作用。例如，如果L2设为1/2L1，则光焦度可变光中继系统30可以使从第二小透镜34a出射的光束宽度D2基本上是进入第一小透镜32a的光束宽度D1的一半。随后，第一透镜阵列32形成的多个光束的每一个也可以作为部分光束或第一部分光束，并且光焦度可变光中继系统30出射的多个光束的每一个也可以作为减小的部分光束或第二部分光束。
如果光源20发出的光是平行于光源轴20LC的完全平行光，则中继透镜阵列36并不是必须的。然而，光源20发出的光一般包含不平行于光源轴20LC的光。当在这种情况下并且第一小透镜32a和第二小透镜34a简单排列时，光可能射出第一小透镜32a，不进入第二小透镜34a，因此减弱光焦度可变光中继系统30的光利用率。把中继透镜36a放置在第一小透镜32a和第二小透镜34a的公共焦点位置处，使得通过中继透镜36a的折射率把不平行于光源轴20LC的光束导向第二小透镜34a上成为可能，由此提高光的利用率。
图4(A)和4(B)表示偏振转换系统40的结构，图4(A)是系统的透视图，图4(B)是其局部放大图。偏振转换系统40包括一个遮光板42，一个偏振分束阵列44，和一个选择延迟板46。偏振分束阵列44有一个通过粘结多个平行四边形片断的列的形状的透明板44a而得到的形状。偏振分束膜44b和反射摸44c交替地形成在透明板44a的界面。偏振分束阵列44可以通过把其上形成偏振分束膜44b和反射摸44c的多个玻璃片粘结在一起以提供一个交替叠加的膜，并再以预定的角度切割粘结的玻璃片而制成。偏振分束膜可以由多层电介质膜形成，反射膜44c可以由多层电介质膜或铝膜形成。
如图4(A)所示，遮光板42包括以带状排列的遮光部分42a和透光部分42b。入射光被遮光部分42a阻挡，而被透光部分42b透射。因此遮光板42控制光的透射率。遮光部分42a和透光部分422b的分布使得来自第二透镜阵列34的缩小的部分光束只入射到偏振分束膜44b上而不入射到反射膜44c上。如图4(B)所示，透光部分42b的布置使得它们的中心与偏振分束膜44b的中心重合，透光部分42b的宽度(在x方向)设置成大致与偏振分束膜44b在x方向的宽度Wp相同。因此，遮光板42的遮光部分42a实际上阻挡不能通过偏振分束膜44b的所有缩小的部分光束，使得只有通过透明部分42b的光束入射到偏振分束膜44b上。在本实施例中遮光板42是一个透光板(例如是玻璃)，在玻璃板上形成一个有遮光特性的膜，如铬或铝，或多层电介质膜。遮光板42可以利用具有透光孔的铝板制得。
从第二透镜阵列34发出的第二部分平行光束的宽度通过光焦度可变光中继系统30设置成不大于每个透明部分42b在x方向的宽度Wp。这确保了从第二透镜阵列34发出的所有光束实际上都穿过透光部分42b。
通过透光部分42b的非偏振光，如图4(B)的实线所示，入射到偏振分束阵列44的偏振分束膜44b上，并因而被分成两种类型的线性偏振光，s偏振光和p偏振光，如虚线所示。P偏振光未被透光偏振分束膜44b改变。S偏振光被偏振分束膜44b反射，然后被反射膜44c反射，并且以x方向上Wp的宽度出射，平行于p偏振光束。λ/2延迟膜形成在选择延迟板46的表面，透过偏振分束膜44b的光从选择延迟板46出射，而在透明层46b上不形成λ/2延迟膜，透明层46b是反射膜44c反射的光出射的表面部分。因此，由p偏振分束膜44b透射的p偏振光由λ/2延迟膜46a转换成s偏振光，并从选择延迟板46射出。另一方面，由反射膜44c反射的s偏振光的偏振状态实际上不受其穿过透明板46b的影响，因此仍以s偏振光射出选择延迟板46。结果是实际上所有进入偏振转换系统40的非偏振光都被转变成s偏振光发出。或者是通过在选择延迟板46的部分上形成一个λ/2延迟膜而把光转变成p偏振光并且以p偏振光出射，其中反射膜44c反射的光从选择延迟板46射出。形成的偏振分束膜44b可以透射s偏振光并反射p偏振光。在上述解释中，选择延迟板46对应于本发明权利要求中的偏振转换装置。
如果非偏振光直接入射到反射膜44c上，则射出偏振转换系统40的光将是p偏振光而非s偏振光。如上所述，在本实施例中调节该系统，使得从光焦度可变光中继系统30出射的多束缩小的部分光束的全部都入射到偏振分束膜44b上。遮光板42避免光束入射到反射膜44c上。这防止非线偏振光入射到反射膜44c上以及偏振转换系统40发出不期望的线性偏振光(在本例中是p偏振光)。
如同从图4(B)中可以看出，从偏振转换系统40出射的两束s偏振光的中心在x方向从入射的非偏振光(s+p偏振光)的中心移动。移动的量等于λ/2延迟膜46a的宽度Wp的一半(即偏振分束膜44b在x方向宽度的一半)。由此，如图1所示，光源轴20LC偏移偏振转换系统40的系统光轴100LC的量等于Wp/2。
如上所述，从第二透镜阵列34发出的多个第二部分光束在偏振转换系统40转换成数量为第二部分光束二倍的第三部分光束。因为部分光束的数量在通过偏振转换系统40时翻倍，当第一透镜阵列32的第一小透镜32a的外形为矩形时，并当光焦度可变光中继系统30的减小比(L2/L1)小于1/2时，希望第一小透镜32a的矩形长边所在的方向与偏振转换系统40中偏振光分离的方向相同，从而减小整个光学系统的尺寸。
叠加光学系统50(图1)包括一个第三透镜阵列52，一个第四透镜阵列54和一个叠加透镜56。在第三透镜阵列52中，实际上与第二小透镜34a相同的第三小透镜52a排列在从偏振转换系统40发出的第三部分光束的光路上。即第三透镜阵列52的设置使得第三小透镜52a在y方向与第二小透镜对齐，并且λ/2延迟膜46a和选择延迟板46的透明层46b在x方向对齐。第四透镜阵列54与第三透镜阵列52的结构基本上相同。当从z方向看时，第三小透镜52a的外形基本上与照明区域80的实际照明区域的形状对应。例如，如果假设液晶板作为照明区域，并且假设成象区的纵横比为4∶3，则第三小透镜52a的纵横比将也设为4∶3。
第三小透镜52a把从偏振转换系统40发出的第三部分光束会聚到第四透镜阵列54的第四小透镜54a的附近。第四透镜阵列54的布置使得入射到叠加透镜56上的出射光束的每一个的轴垂直于叠加透镜56的入射表面。叠加透镜56把入射的多束部分光束叠加到照明区域80上。
概括地说，照明系统100的结构使得光焦度可变光中继系统30用于把从光源20发出的平行光束分成多个第一部分光束，并把第一部分光束的每一个宽度调节到可使每个光束通过遮光板42的宽度，即调节到在x方向小于透光部分42b的宽度。光焦度可变光中继系统30发出的第二部分光束的每一个由偏振转换系统40转换成偏振光有相同偏振方向的线性偏振光。在这种情况下，遮光板42设置在偏振分束阵列44的入射边，使得只有第二部分光束入射到偏振分束膜44b上。这意味着实际上没有光束经过反射膜44c落射到偏振分束膜44b上，并且从偏振转换系统40发出的线性偏振光实际上限定为一种类型。从偏振转换系统40发出的第三部分光束由第三透镜阵列52会聚到第四透镜阵列54的附近。通过第四透镜阵列54的会聚作用，会聚后出射的每束部分光束以光轴垂直于叠加透镜56入射面的方式入射到叠加透镜56上。因此，从叠加透镜56出射的部分光束或多或少地叠加到照明区域80上的相同位置。这导致照明区域80实际上被一种类型的线性偏振光均匀地照明。
如前所述，根据第一实施例的照明系统100，光焦度可变光中继系统30把从光源20发出的平行光束分成多束第一部分光束，并分离这些光束，把每个光束的尺寸缩小，使得基本上全部光束都落射到包括偏振转换系统40的偏振分束阵列44的偏振分束膜44b上。因此，可以以现有技术所述的高输出类型的光源灯实现高效率的偏振转换。
在图1所示的照明系统中，第二透镜阵列34，偏振转换系统40和第三透镜阵列52分开，以便于理解光焦度可变光中继系统30，偏振转换系统40和叠加光学系统50的作用。然而，通过利用光学粘结，虽然第三透镜阵列52面对的方向反转，但第二透镜阵列34，偏振转换系统40和第三透镜阵列52可以粘结到一起形成一个光学元件。或者可以用装配架把元件合并成一个单元。第二透镜阵列34、偏振转换系统40和第三透镜阵列52的集成将减小元件之间界面上产生的光损耗，从而提高光利用率。
在上述解释中，第一至第四透镜阵列32、34、52和54以及叠加透镜56都是平凸透镜。但也可以用其他的透镜，如双凸透镜。另外，在采用平凸透镜的情况下，对透镜凸向哪一侧没有限制。即凸侧可以在光源一侧，也可以在照明区域一侧。但考虑到透镜的光学特性，要减小球差和色差，最好第一透镜阵列32和第三透镜阵列52的凸面朝向光源一侧。从这种观点出发，可以用非球面透镜。
关于第二透镜阵列34和第三透镜阵列52之间光路的长度，经过反射膜44c的光路长于不经过反射膜44c的长度，长出的量对应于偏振分束膜44b在x方向的宽度。这可导致到达第三透镜阵列52的光束经过和不经过反射膜44c时在第三透镜阵列52处的入射效率(亮度)之差。但是，因为通过偏振转换系统40的光束实际上平行于第二透镜阵列34，所以入射效率之差非常小。另外，因为从第三透镜阵列52发出的光束最终叠加到照明区域80上的一个位置处，所以第三透镜阵列52处的任何一个入射效率之差都不会造成实际的问题，这对其他实施例和改型也成立，除了第五实施例中所述的照明系统100F。
图5(A)和5(B)表示中继透镜阵列36的一种变型。为了方便起见，图5(A)和5(B)未显示偏振转换系统40和叠加光学系统50。如上所述，第一透镜阵列32的第一小透镜32a把光束会聚到中继透镜阵列36的中继透镜36a上。因此，中继透镜36a的每一个都需要有一个能够容纳由每一个第一小透镜32a聚集的光束的大小。图5(A)所示的中继透镜阵列36A有多个中继透镜36Aa，每一个中继透镜刚好具有可容纳由第一小透镜32a聚集的光束的大小。类似地图5(B)中所示的中继透镜阵列36B也具有多个中继透镜36Ba，每一个中继透镜刚好具有可容纳由第一小透镜32a聚集的光束的大小，这些中继透镜36Ba通过平板部分36Ba连接。在图5(B)的布局中，透镜阵列可以制成一个元件，比图5(A)所示的元件易于制作。另外，如图5(A)和5(B)所示，与图1所示的第二透镜阵列34对应，第二透镜阵列34A排列成透镜之间没有间隔的矩阵的第二小透镜34Aa，可以通过整体模制而制成第二透镜阵列。
图6(A)和6(B)表示中继透镜阵列36的另一种改型。图6(A)和6(B)表示的中继透镜阵列36C和36D由通过把两个透镜结合到一起而形成的复合中继透镜组成。在图6(A)中，中继透镜36C由多个复合中继透镜36Ca形成。每个复合中继透镜36Ca由彼此以凸面相对地结合在一起的两个平凸透镜36Ca1和36Ca2组成。在图6(B)中，中继透镜36D由多个复合中继透镜36Da形成，每个复合中继透镜36Da由一个双凸透镜36Da1和凹凸透镜36Da2以凹凸透镜36Da2的凹侧连接双突透镜36Da1的相应凸侧的方式结合在一起而组成。
从把第一小透镜32a发出的光导向第二小透镜34a的观点出发，希望采用小焦距或高折光度的透镜作为中继透镜阵列36的中继透镜36a。在单短焦距透镜36a的情形中，球差和色差为主要的影响，它使得由第一透镜阵列32形成的多束部分光束不可能被有效地导向第二透镜阵列34，尤其是当光源20发出的光束平行性较弱时。利用至少两个透镜构成中继透镜使得校正球差和色差成为可能。具体地说，如图6(A)和6(B)所示，利用复合中继透镜构成的中继透镜阵列能够使得第一透镜阵列32形成的部分光束被有效地导向第二透镜阵列34。
图7(A)和7(B)表示叠加光学系统50的改型。为了图示方便起见，图7(A)和7(B)没有表示出光源20、光焦度可变光中继系统30和偏振转换系统40。在图1所示的叠加光学系统50中，第四透镜阵列54和叠加透镜56之间有一个空间。但这些元件可以做成光学一体化。因而可以用光学黏合剂把成为独立光学元件的第四透镜阵列54和叠加透镜56结合到一起，如图7(A)所示，或者是形成一个具有两个元件功能的单个光学元件。例如，第四透镜阵列54和叠加透镜56可以通过整体模制而成为一个叠加透镜阵列(偏心透镜阵列)54B，如图7(B)所示，该阵列拥有第四透镜阵列54和叠加透镜56两者的功能。所以光学集成第四透镜阵列54和叠加透镜56降低了元件界面之间产生的光损耗，由此进一步提高了光的利用率。以上参考光学叠加系统的使用对上述实施例做了描述，其中光学叠加系统具有第三透镜阵列52、第四透镜阵列54和叠加透镜56。但本发明并不局限于此。例如，可以使用能够把光束从偏振转换系统40有效地传递到照明区域80，并还能够减小照明区域80中亮度不均匀水平的光学系统。
在上述解释中，第一小透镜32a的纵横比设成与照明区域80的纵横比相同。但这不是限定性的。反之，第一小透镜32a可以是能够使光束有效地入射到偏振分束膜44b上的任何一种形状。但是为了更高效地照射照明区域80，最好使第三小透镜52a与照明区域80有相同的纵横比。因而为了降低光损耗和提高光利用率，最好使第一小透镜32a和照明区域80有相同的纵横比。基于同样的考虑，对第二透镜阵列34和第四透镜阵列54的小透镜34a和54a的形状没有限制，为了便于将其布局成矩阵，希望小透镜为矩形。
另外，通过对通常的同心透镜----第一小透镜32a、第二小透镜34a和中继透镜36a的使用，对照明系统100作出了解释。但是所有或部分的这些透镜可以是柱状透镜，在偏振分束膜44b和反射膜44c排列的方向，即上述实施例中的x方向有一个折光度。或者，这些透镜也可以是复曲面透镜，沿x和y轴有不同的的折光度。另外，利用偏心透镜---第一透镜阵列32和第二透镜阵列34将能使xy平面上的第一透镜阵列34的尺寸比第二透镜阵列34的大，使得光源20发出的光能被有效地导向偏振转换系统40。
上述的每一种改型也可以用于下列的其他实施例。B.第二实施例图8是作为本发明第二实施例的照明系统主要部分的一般结构平面图。在此照明系统100C中，叠加光学系统50C用于替代图1中所示照明系统100的叠加光学系统50。叠加光学系统50C包括一个第三透镜阵列52C、第四透镜阵列54C和叠加透镜56。在第三透镜阵列52C中，一个小透镜52Ca代替第三透镜阵列52(图1)中x方向排列的每两个第三小透镜52a。从偏振分束膜44b中射出的一束光和从反射膜44c射出的另一束光等两束部分光束落到每一个第三小透镜52Ca上。第四透镜阵列54C有多个相应于第三透镜阵列52C的第三小透镜52Ca定位的第四小透镜54Ca。
从构成偏振转换系统40的选择延迟板46的λ/2延迟膜46a和透光层46b射出的两束部分光束PLa和PLb通过第三小透镜52Ca会聚到第四透镜阵列54C的附近。经过叠加透镜56，从λ/2延迟膜46a出射的部分光束Pla在系统光轴100CLC的+x侧照射到照明区域80的一部分上，而部分光束PLb在系统光轴100CLC的-x侧照射到照明区域80的一部分上。以同样的方式，照明区域80被来自其他的λ/2延迟膜46a和透光层46b的其他部分光束照射。因此，从λ/2延迟膜46a出射的多束部分光束在系统光轴100CLC的+x侧叠加到照明区域80上，从透光层46b射出的部分光束在系统光轴100CLC的-x侧叠加到照明区域80上。
因此，如同第一实施例，第二实施例的照明系统100C能够使照明区域80被一种类型的线性偏振光均匀地照明。另外，还可得到一个具有高偏振光转换效率的照明系统。此外，可以利用现有技术所述的高输出类型的光源灯实现一种偏振光照明系统。
如上所述，根据本发明的第二实施例，用从λ/2延迟膜46a和透光层46b射出的部分光束分别照射照明区域80的不同侧，即相对于系统光轴100CLC的+x侧和-x侧。当从λ/2延迟膜46a发出的部分光束和从透光层46b发出的部分光束存在着较大的有效照明强度差时，会产生亮度的变化并导致照明区域80上的亮度分界线。但是这种强度的变化可以通过优化偏振分束膜44b和λ/2延迟膜46a的光学特性而降低到非常低的水平，实质上是消除任何分界线。另外，即使小透镜52Ca和54Ca特性的变化会导致部分光束在照明区域80上的轻微的位置偏移，但可以避免亮度的变化和亮度分界线。在第一实施例的照明系统100中，偏振转换系统40发出的部分光束用于照射照明区域80的所有区域，使得在照明区域80上没有这种亮度变化或分界线。因此，就照明的均匀性而言，第一实施例优于第二实施例。第二实施例的优点在于用很少的小透镜构成第三透镜阵列52C和第四透镜阵列54C，并且通过减少小透镜连接处的光损耗而使照明光的效率更高。
从偏振转换系统40的偏振分束膜44b和反射膜44c部分发出的部分光束的数量和第三及第四透镜阵列52及54的小透镜52a和54a的数量没有严格的关系。因此，正如关于第二实施例的描述，可以利用这样一种布局第三透镜阵列上的一个小透镜和第四透镜阵列上的另一个小透镜可用于从相邻的一对偏振分束膜44b和反射膜44c传递一对部分光束。反之，也可以利用这样一种布局对于从偏振分束膜44b或反射膜44c发出的每个部分光束有两个或多个小透镜。利用后面一种布局能够更进一步减少照明区域80上亮度的不均匀性。c.第三实施例第一和第二实施例涉及一种具有叠加光学系统的照明系统，叠加光学系统利用整体光学系统，但也不是必须使用整体光学系统。图9是本发明第三实施例的照明系统主要部分一般结构的平面图。在本照明系统100D中，用叠加透镜阵列50D代替图1所示照明系统100的叠加光学系统50。叠加透镜阵列50D包括多个设置在从偏振转换系统40发出的多束部分光束光路上的小透镜50Da。小透镜50Da是根据离系统光轴100DLC的距离而发生光轴移位的偏心透镜，因此小透镜50Da发出的部分光束叠加到照明区域80上。
因此，如同前两个实施例，第三实施例的照明系统100D使得照明区域80能够被一种类型的线性偏振光均匀地照明。另外，还可得到具有高偏振光转换效率的照明系统。此外，可以利用先有技术的高光输出类型的光源灯获得偏振光照明系统。
因为第三实施例比第一和第二实施例有较少的构成元件，所以装置可以做得较小。但如下所述，前两个实施例提供比第三实施例更好的光利用率。
如果入射到叠加透镜阵列50D的光束有良好的平行性，则叠加透镜阵列50D发出的光束基本上叠加到照明区域80。然而实际上光源20发出的光并非是理想平行的。实际上，光焦度可变光中继系统30发出的光束的平行性与上述的缩小比(L2/L1)成反比。因为以与系统光轴100DLC成给定角度入射到叠加透镜阵列50D上的部分光束照射的区域与基本上以平行于系统光轴100DLC入射到叠加透镜阵列50D的部分光束照射的区域有很小的不同，所以要把从叠加透镜阵列50D发出的所有部分光束叠加到照明区域80的相同位置是困难的。因此，为了得到照明区域80的均匀照明，最好把小透镜50Da发出的每个部分光束的照射区域设置成稍大于照明区域80。结果是第三实施例中照明区域80处的光利用率变得低于第一实施例中的情况。当叠加光学系统50采用一个整体光学系统时，如同第一实施例的照明系统100，叠加光学系统50发出的多束部分光束的每一个基本上都叠加到照明区域80上的相同位置。因此，第一和第二实施例可以提供比第三实施例高的光利用率。D.第四实施例图10(A)和10(B)表示第四实施例和第一实施例中照明系统之间的比较。图10(A)是第四实施例中照明系统主要部分的一般结构平面图，而图10(B)表示第一实施例的照明系统100。此照明系统100E有一个叠加光学系统50E，代替照明系统100的叠加光学系统50。叠加光学系统50E包括第三透镜阵列52E和第四透镜阵列54E。第三透镜阵列52E具有照明系统100中第三透镜阵列52和叠加透镜56的功能。组成第三透镜阵列52E的多个小透镜52Ea是偏心透镜，其光轴依据离系统光轴100ELC的距离而移动，使得小透镜50Ea发出的部分光束叠加到照明区域80上。第四透镜阵列54E包括多个设置在第三透镜阵列52E发出的多束部分光束光路上的小透镜54Ea。通过多个小透镜54Ea的聚光率，甚至那些从光源20以相对于系统光轴100ELC的一倾角而发出的光束也基本上叠加到照明区域80的相同位置。此处，假设最外部小透镜52Ea发出的部分光束的轴相对于照明区域80的入射角为θ1，最外部小透镜52a发出的部分光束的轴相对于照明区域80的入射角为θ2。
第三透镜阵列52E用作叠加透镜，因此如果第三透镜阵列52E至照明区域80的距离与照明系统100的第三透镜阵列52至照明区域80的距离相同，则入射角θ1将小于θ2。
照明系统发出的光落射到其上的光学系统如液晶板或透镜的光学特性依赖于光的入射角。一般地，小入射角意味着更高的光利用率。因此，与第一实施例的照明系统相比，第四实施例的照明系统100E的优点在于它在照明区域产生更高的光利用率。E.第五实施例图11是本发明第五实施例中照明系统主要部分的一般结构平面图。在本照明系统100F中，省去第一实施例中照明系统100的第二透镜阵列34，并且用第三透镜阵列52F代替第三透镜阵列52，第三透镜阵列52F具有第二透镜阵列34和第三透镜阵列52的功能。第一透镜阵列32、中继透镜阵列36和第三透镜阵列52F组成一个光焦度可变光中继系统30F。另外，第三透镜阵列52F、第四透镜阵列54和叠加透镜56构成一个叠加光学系统50F。此外，可以认为第四透镜阵列54和叠加透镜56组成叠加光学系统50F。
第一透镜阵列32把光源20发出的平行光束分成多束部分光束并把光束会聚到中继透镜阵列36之内。从中继透镜阵列36出射的多束部分光束穿过偏振转换系统40并落到第三透镜阵列52F上。落到第三透镜阵列52F上的多束部分光束通过叠加光学系统50F叠加到照明区域80。
从中继透镜阵列36发出的多束部分光束落到第三透镜阵列52F上。因为偏振转换系统40设置在中继透镜阵列36和第三透镜阵列52F之间，所以入射到偏振转换系统40上的每个部分光束的宽度小于入射到第三透镜阵列52F上的每个部分光束的宽度，并小于x方向上偏振分束膜44b的宽度，即遮光板42透光部分42b的-x方向的宽度。
图12是关于入射到光焦度可变光中继系统30上的光束平行性的释意图。在第一实施例的照明系统100中，以预定的缩小比(L2/L1)缩小的部分光束落射到第二小透镜34a上。因为光源20发出的光不是理想平行的，所以部分光束以相对光轴32aLC各种角度地落射到第一小透镜32a上。以相对于光轴32aLC为θL1的角度落射的部分光束被导向第二小透镜34a，其方式与平行于光轴32aLC的部分光束的方式相同，但是以大于θL1的θL2(≌θL1×L1/L2)的角度出射。结果是从第二小透镜34a发出的光束随着距第二小透镜34a距离的增加而继续发散。因此，从第二透镜阵列发出的每个部分光束对于第三透镜阵列相应的第三小透镜52a可以变得过大，导致光利用率的降低。
因为与第一实施例的照明系统100相比，在照明系统100F中，第三透镜阵列52f包括第二透镜阵列的功能，所以它具有能够提高入射到偏振分束阵列44和入射到第三透镜阵列52F的光的利用率。第二透镜阵列34没有省去，但可以改成包括在第三透镜阵列52的附近。然而，从光利用率的角度出发，省去第二透镜阵列34并使用第三透镜阵列52F更好。就简化照明系统结构而言也较好。
关于中继透镜阵列36和第三透镜阵列52F之间光路的长度，经过反射膜44c的光路长于不经过反射膜44c的光路，长出的光路量相应于x方向偏振膜44b的宽度(见图4(B))。在目前的布局中，第一透镜阵列32、中继透镜阵列36和第三透镜阵列52F构成光焦度可变光中继系统，使得光路长度的差异不影响入射到第三透镜阵列52F上的光束宽度。具体地说，入射到位于反射膜44c之后的第三小透镜52Fb上的光束宽于入射到位于偏振分束膜44b之后的第三小透镜52Fa上的光束。这种宽度上的差异不影响光束对于第三透镜阵列52F的入射效率。对于这种情况，希望利用第三小透镜52Fa和52Fb组成第三透镜阵列52F，两个小透镜52Fa和52Fb在其光学特性(如焦距)上或在z轴上的位置做轻微地修改(具体地说，把第三小透镜52Fb放置得离偏振转换系统40比离第三小透镜52Fa更近)。构成第四透镜阵列54的第四小透镜54a的透镜特性可以做相应地修改。采用第三透镜阵列52F的结构使得可以消除上述光路长度差异的影响。因此，在本例中，具有不同光学特性的两种类型的平凸透镜，即第三小透镜52Fa和52Fb以凸面取相反方向的方式设置。F.第六实施例图13是本发明第六实施例中照明系统主要部分的一般结构平面图。在此照明系统100G中，省去第一实施例中照明系统100的第三透镜阵列52，并用第二透镜阵列34代替，采用的第二透镜阵列34G具有第二透镜阵列34和第三透镜阵列52的功能。因此第一透镜阵列32、中继透镜阵列36和第二透镜阵列34G组成光焦度可变光中继系统30G。此外，第二透镜阵列34G、第四透镜阵列54和叠加透镜56组成叠加光学系统50G。第四透镜阵列54和叠加透镜56也可以认为是构成叠加光学系统50G。
第一透镜阵列32把光源20发出的平行光束分成多束部分光束并把光束会聚到中继透镜阵列36之内。从中继透镜阵列36出射的多个发散的部分光束落到第二透镜阵列34G上。落到第二透镜阵列34G上的多束部分光束再通过第二透镜阵列34G会聚到第四透镜阵列54的附近。因此会聚到第四透镜阵列54附近的多束部分光束通过叠加透镜56叠加到照明区域80。
从第二透镜阵列34G发出的多束部分光束会聚落到第四透镜阵列54上。偏振转换系统40设置在第二透镜阵列34G和第四透镜阵列54之间。入射到偏振转换系统40上的每个部分光束的宽度小于x方向上偏振分束膜44b的宽度，即小于遮光板42透光部分42b的x方向的宽度。与第一实施例的照明系统100相比，第六实施例的照明系统100G具有能够提高入射到偏振分束膜44上的光束利用率的优点。第三透镜阵列52没有省去，但可以改为包含在第二透镜阵列34的附近。然而，从光利用率的角度看，省去第三透镜阵列52并使用第二透镜阵列34G更为有利。从简化照明系统结构的方面看也有益。
在第二透镜阵列34G中，排列在x方向的透镜数量小于排列在x方向的第三透镜阵列52的透镜数量。数量小的原因在于在x方向偏振转换系统40发出的部分光束的量是入射的部分光束量的两倍。因为在偏振转换系统40的入口侧设置了具有第三透镜阵列34和第三透镜阵列52两者功能的第二透镜阵列34G，所以在x方向以少于第三透镜阵列52的透镜构成。按照本发明，“光学集成”不仅意味着利用黏合剂把多个光学元件粘结到一起以形成一个拥有多个光学元件的功能的光学元件，而且包括删除不必要的光学元件。G.第七实施例图14是本发明第七实施例的照明系统中主要部分的一般结构侧视图。在照明系统100H中，第一实施例的光焦度可变光中继系统30被光焦度可变光中继系统30H替代。与沿y轴的大小有差异不同，偏振转换系统40h和叠加光学系统50H与偏振转换系统40和叠加光学系统50相同。
光焦度可变光中继系统30H包括第一透镜阵列32H、中继透镜阵列36H和第二透镜阵列34H。第一透镜阵列32H包括多个第一小透镜32Ha。第一小透镜32Ha为光轴位置在y方向偏移的偏心透镜，偏移量依据在y方向离系统光轴100HLC的距离。因此，在±y轴方向偏离系统光轴100HLC的第一小透镜32Ha发出的部分光束根据偏离量而反射。
中继透镜阵列36H包括设置在从第一透镜阵列32H发出的多束光束光路上的多个中继透镜36Ha。与图1所述照明系统100的中继透镜阵列36相比，沿y轴到系统光轴100HLC每一侧的中继透镜阵列36H较小。第二透镜阵列34H包括多个设置在从中继透镜阵列36H发出的光束光路上的第二小透镜34Ha，并且沿y轴到系统光轴100HLC每一侧的中继透镜阵列36H比照明系统100的第二透镜阵列34小。第二小透镜34Ha为光轴位置在y方向与相应的第一小透镜32Ha的光轴相反方向偏移的偏心透镜，偏移量与离系统光轴100HLC的距离有关。结果是，从第二透镜阵列34H发出的每束部分光束的中心轴实质上平行于系统光轴100HLC。
图15(A)和15(B)表示第一实施例的照明系统100中落在偏振转换系统40上的光束形状和第七实施例的照明系统100H中落在偏振转换系统40H上的光束形状之间的比较。在每种情形中，从照明区域80的角度看。参见图15(A)，多束部分光束落射到构成偏振转换系统40的偏振光分束器的偏振分束膜44b和反射膜44c上。从第一透镜阵列32发出的每束部分光束由光焦度可变光中继系统30收敛并入射到偏振转换系统40上。这导致在竖直方向中部分光束之间产生根本没有光束的区域NA。如图15(B)所示，当采用偏振转换系统40H时，消除了NA区域并且偏振转换系统40的竖直尺寸被缩小。
因此，根据第七实施例的照明系统100H，第一实施例的偏振转换系统40由竖直尺寸较小的偏振转换系统40H代替，使得偏振转换系统40H的光学系统下游做的较小。另外，可以减小光束在y方向入射到照明区域80上的角度，与照明系统100相比，可以增大照明区域的光利用率。
即使第一透镜阵列32H与第一实施例的第一透镜阵列32相同，并且将椭圆镜用作光源20的凹面镜24，也可以获得与照明系统100H相同的效果。特别是，因为第一透镜阵列32由同轴透镜形成，比起照明系统100H的情形，可以更有效地降低第一透镜阵列32的制造成本以及第一透镜阵列32中各种类型的象差。H.第八实施例图16是本发明第八实施例中照明系统主要部分的一般结构平面图。此照明系统100I包括一个光焦度可变光中继系统30I，一个偏振转换系统40I和一个叠加光学系统50I。
当光源20的凹面镜24为抛物面镜时，光源20发出的光束的平行性在光轴周围(以下称作中心部分)趋于最差，靠外围处较好。如图第十五实施例中图12所述，当光束的平行性较差时，从光焦度可变光中继系统发出的部分光束趋于显示出更大的发散。因此，落到偏振转换系统40H的部分光束在中心部分也比在外围的得多。另外，因为在光源20中心部分的光强度较大，所以希望把偏振转换系统40H在x方向的尺寸设置成与中心部分的部分光束的尺寸持平。把中心部分的部分光束作为基准能够使外围的部分光束在竖直和水平方向上比中心部分的部分光束小，由此也使得缩小偏振转换系统40H外围部分的竖直和水平尺寸成为可能。
偏振转换系统40I由40I1部分构成，±x方向最外部的部分光束落射到在该部分上的比其它部分40I2的小。光焦度可变光中继系统30I由两个具有不同透镜特性的部分30I1和30I2组成，30I1部分产生的光束尺寸对应于偏振转换系统部分40I1，30I2部分产生的光束尺寸对应于偏振转换系统部分40I2。第三透镜阵列52I和第三透镜阵列54I也由对应于偏振转换系统部分40I1大小的52I1和54I1部分和对应于偏振转换系统部分40I2大小的52I2和54I2部分构成。
照明系统100I定位在偏振转换系统40I的下游端，可以做得较小。另外，可以缩小光束入射到照明区域80上的角度，当光学特性依赖于入射角度的光学系统或光学元件用在照明系统的下游时，该系统和元件的光利用率与第一实施例的照明区域100相比有所提高。J.第九实施例图17是采用本发明照明系统的投影仪主要部分的一般结构平面图。此投影仪1000包括一个照明系统100’，一个分色器200，一个光导系统220，三个液晶光阀(液晶板)300R、300G、300B，一个十字分色棱镜320和一个投影光学系统340。在投影仪1000中，照明系统100’发出的光被分色器200分成红(R)、蓝(B)、绿(G)g光。每种颜色的光通过相应的液晶光阀300R、300G和300B，并按照图象信息调制。然后，调制的彩色光由十字分色棱镜320合并，并且彩色图象由投影光学系统340显示在屏幕SC上。
在照明系统100’中，照明系统100的偏振转换系统40的偏振分束膜44b和反射膜44c排列在y方向。
组成照明系统100’的光学元件的功能与照明系统100中的相同。因此，照明系统100’发出一种线性偏振照明光束(例如，在本例中为s偏振光)，偏振光中的偏振成份对构成照明区域80的液晶光阀300R、300G和300B的照明有相同的偏振方向。液晶光阀300R、300G和300B的入射面上配置有偏振片(偏振片布置成其透射轴与光的偏振轴对齐)，从而增强照明光的偏振度。然而，当照明系统100’发出的光是高度偏振时，可以省去偏振片。此处所称的照明光偏振度意指被预定为线性偏振光的照明光的比例。
分色器200包括分色镜202和204，以及一个用于把照明系统100’发出的光束分成红、绿、蓝光的反射镜208。第一分色镜202透射包含在照明系统100’发出的光中的红光并反射蓝色和绿色成份。第一分色镜202透射的红光被反射镜208反射到十字分色棱镜320上。分色镜200分出的红光穿过一个场透镜232到达红色液晶光阀300R。场透镜232把照明系统100’发出的部分光束转变成平行于中心光轴的光束。设置在其它液晶光阀前面的场透镜234和230执行相同的功能。
第一分色镜202反射的蓝、绿光中绿光被第二分色镜204反射并由此折向十字分色棱镜320。分色器200发出的绿光成份经过场透镜234到达绿色液晶光阀300G。透过第二分色镜204的蓝光成份射出分色器200并入射到导光系统220，在那儿穿过入口透镜222、中继透镜226、反射镜224和228以及出口透镜(场透镜)230等到达蓝色液晶光阀300B。对蓝光采用导光系统220的原因是为了防止由蓝光光路长于其它颜色光的光路这一事实导致的光利用率的下降。换言之，它能够使蓝光无变化地透射到出口透镜230。照明系统100’的叠加透镜56到液晶光阀300R和300G的距离实际上设为相同。
液晶光阀300R、300G和300B用作根据接收到的图象信息(图象信号)调制每种颜色的光的光调制器。十字分色棱镜320用作把调制的三种颜色的光合并以形成一个彩色图象的颜色合并器。十字分色棱镜320由一个由多层介质膜的堆积形成的红光反射膜321和由多层介质膜的堆积形成的蓝光反射膜322排成十字交叉的形式而构成。红色反射分色面321和蓝色反射分色面322构成本发明的颜色合并面。十字分色棱镜320合并的光束在投影光学系统340的方向出射，投影光学系统把合并的光束投影到屏幕SC上显示出一个彩色图象。最好将远心透镜用于投影光学系统340。
利用具有高的偏振光转换率的照明系统100’提高了投影仪1000的光利用率，产生明亮的图象显示。
利用带有其它实施例中的照明系统的投影仪1000将仍然能够获得同样的效果。
图18(A)和18(B)是关于从照明系统100’穿过第一分色镜202、第二分色镜204和十字分色棱镜320的光束的释意图。为了方便于显示排列成一条直线，图18(A)和18(B)的要点只在第一分色镜202、红色液晶光阀300R和十字分色棱镜320。如图所示，第一分色镜202实际上垂直于xz面定位，与yz面成一预定角θM1。
图19表示第一分色镜202的分色特性。当一束光以预定的角度θM1落射到第一分色镜202上时，分色镜202只透射红光(大约580nm)成份并反射其它的颜色成份(蓝色和绿色)，如图19中的实线所示。入射到第一分色镜202的光束入射角的偏差导致分色特性相应变化。因此，除非光束以预定角θM1落射到第一分色镜202上，导向红色液晶光阀300R的红光将有偏差。
如图18(A)所示，即使两束光LA1，LA2在x方向以相对于系统光轴1000LC为相同的绝对角θLA1、θLA2从不同的点出发，入射到第一分色镜202的光束入射角θA1和θB1将仍然互不相同并偏离开预定的角度θM1。例如，关于光束LA1，结果将是图19中单点虚线所示的特征类型，关于光束LA2，结果将是图象实线所示的特征类型。具体地说，如果在xy平面存在斜入射光束，光束相对于系统光轴1000LC有θLA1和θLA2的入射角，则第一分色镜202的分色特性将显示出与入射角的变宽成比例的变化，产生沿x轴导向红色液晶光阀300R的红光非对称的颜色偏移。
另一方面，如图18(B)所示，如果在y方向以相同的绝对角θLB1和θLB2从不同点发出两束光束LB1和LB2，则相对于第一分色镜202的入射角θa1和θb1将也相同，以致于相对于光束LA1和LA2的分色特性也将相同。例如，关于两光束LB1和LB2的的特性将如图19中的单点虚线表示。具体地说，如果在yz平面存在斜入射光束，光束相对于系统光轴1000LC有θLA1和θLA2的入射角，则第一分色镜202的分色特性将显示出与入射角的变宽的一半成比例地变化，产生沿x轴导向红色液晶光阀300R的红光非对称的颜色偏移。然而，重要的是yz平面上的斜入射对分色镜分色特性的影响小于在xz平面上的斜入射的影响。结果是在红光透过第一分色镜202到达红色液晶光阀300R的情形中，在y方向的颜色偏移的影响小于在x方向的这种颜色偏移的影响。
这表示关于照明系统发出的光束相对于系统光轴1000LC的角度，最好在x方向的角度小于在y方向的角度。
在照明系统100’的偏振转换系统40中，从光焦度可变光中继系统30发出的每束部分光束被分成y方向上的两束光，偏振分束膜44b和反射膜44c排列在此方向。照明系统100’在y方向上发出的光通量密度大于在x方向的光通量密度，因此，与排列在x方向的光束光通量相比，排列在y方向的光束对其光学特性有角度依赖性的光学系统或光学元件有更大的影响。另外，如第七实施例所述，偏振分束系统在垂直于偏振转换系统40中分离偏振光的方向上可以被缩小，因此，光通量在相应于偏振光被分离方向的平面(yz平面)上的光束倾斜变得大于光通量在垂直于偏振光被分离方向的平面(xz平面)上的光束倾斜，并且因此对具有光学特性角度依赖性的光学系统或光学元件的影响趋于变大。
对第一分色镜202的上述解释也适于第二分色镜204。
基于上述的解释，在投影仪1000中最好用这样一种照明系统，此照明系统中偏振转换系统40在y方向而非x方向上分离线性偏振光成份。即把本发明的照明系统应用到包括分色镜的装置中时，偏振转换系统中偏振光分离的方向最好布置成与光被分色镜分成两种颜色的方向成直角。这样将可以有益地减少投影图象中颜色的变化。
因为投影仪1000中采用照明系统100’，照明系统100’中偏振转换系统40在y方向分离线性偏振光成份，所以可以减少投影图象中颜色的变化。
对于分色镜的上述解释也适用于十字分色棱镜320的红色反射分色面321和蓝色反射分色面322。具体地说，如图18(A)所示，即使沿x轴从不同的点以相对于系统光轴1000LC相同的绝对角θLA1和θLA2发出两束光LA1，LA2，入射到红光反射分色面321上的光束入射角θA2和θB2仍然互不相同并且偏离预定角θM2。另外如同图18(B)所示，如果两束光LB1，LB2沿y轴从不同的点以相对于系统光轴1000LC相同的绝对角θLB1和θLB2落射到红色反射分色面321上，则相对于第一分色镜202的入射绝对角θa2和θb2将相同。
因此，当本发明的照明系统应用到包括一个十字分色棱镜的装置中时，最好布置成偏振转换系统中分离偏振光的方向与光束被分色棱镜分成两种颜色的方向成直角。
因为投影仪1000中采用照明系统100’，照明系统100’中偏振转换系统40在y方向分离线性偏振光成份，所以可以减少投影图象中颜色的变化。
对投影仪1000已经关于显示彩色图象的装置已做了描述，它也可以应用到显示单色图象的投影仪中。K.第十实施例图20是采用本发明照明系统的另一投影仪主要部分的一般结构平面图。本投影显示装置2000利用第一实施例的照明系统100。
投影仪2000包括照明系统100，偏振分束棱镜420，反射型液晶光阀(液晶板)440和投影光学系统340。反射型液晶光阀440、偏振分束棱镜420和投影光学系统340以此顺序设置在系统光轴2000LC上。
从照明系统100发出的s态线性偏振光通过平行于系统光轴2000LC的侧面422射入偏振分束棱镜420并落射到偏振分束膜428上。偏振分束膜428反射s偏振光并透射p偏振光，使得入射到偏振分束膜428的s偏振光经面对光阀440的侧面反射出来。
入射到光阀440的光在入射的相反方向上被反射。当液晶完全截止时，射出光阀440的光是s偏振光，该s偏振光进入偏振分束棱镜420并再被偏振分束膜428反射。结果是出自光阀440的光不入射到投影光学系统340上但从面对照明系统100的侧面422发出，导致SC屏幕上的暗显示。当液晶完全导通时，光阀440发出的光被转变成p偏振光并因此透过偏振分束膜428。结果是出自光阀440的光从侧面426发出并入射到投影光学系统340，产生光的屏幕显示。当液晶处于导通和截止的中间状态时，中间状态包括s和p偏振光，产生半色调显示。
以这种方式，投影仪2000利用照明系统100发出的光，根据接收到的图象信息导通或截止光阀440每个象素的液晶，并由此在屏幕上显示图象。
利用此第十实施例的投影仪2000，还可以通过使用具有高的偏振光转换率的照明系统提高光的利用率，显示亮的图象。
实际上，通过使用其它实施例中的任何一个照明系统的投影仪2000可以获得相同的效果。
偏振分束棱镜420相应于权利要求中的偏振分束装置。
对投影仪2000已经关于从照明系统100发出的被偏振分束棱镜420反射到光阀440上的照明光束做了描述。然而，可以改做用另外一种布局，照明系统100发出的照明光从偏振分束棱镜420透射到反射型液晶光阀440上，并且被反射型液晶光阀440反射的光又被偏振分束棱镜420反射到投影光学系统340上。
图21是关于入射到偏振分束棱镜420的光束释意图。此处集中对yz平面的光做以解释。B光是垂直落射到侧面422(即沿侧面422的法线或沿z轴)的光束，A光和C光是以相对于光入射面422一定的角度斜入射的光束。如果入射到侧面422的光的偏振轴垂直于偏振光被偏振分束膜428分离的方向(z和x方向)，即，如果偏振轴是y方向，则无论是A，B或C哪一束光都将通过偏振分束膜428的反射而折射90度，并因此从侧面424出射。因为B光垂直落射到入射面422，所以被偏振分束膜428反射出侧面424的B光的偏振轴取向将在y方向。但是，在A光和C光斜入射到入射面422的情形中，当从z方向看偏振分束棱镜420时，从侧面424发出的光的偏振轴将不与y轴重合，而是绕y轴旋转+θR(A光)，-θR(C光)。如果光以相对于z轴的倾斜角在垂直于偏振分束膜428分离偏振光的方向(x和z方向)的平面中落射到偏振分束膜428上，则偏振分束膜428反射的光的偏振轴将旋转，无论偏振分束膜428的偏振分束特性如何。这表示即使在之前已经设置了偏振轴后，线性偏振光落射到偏振分束棱镜420，如果部分线性偏振光斜入射到侧面422，则射出侧面424并落射到反射型液晶光阀440上的光将包括无用的线性偏振光成份，并将减弱投影图象的亮度和对比度。
因此，照明系统发出的光束最好相对于系统光轴2000L在y方向，即在垂直于偏振分束膜428分离偏振光方向的方向上，有较小的倾斜。
如上所述，照明系统发出的光通量密度在偏振转换系统40分离偏振光的方向上比在与其成直角的方向上大。因此，和在与偏振光分离的方向成直角的方向传播的光束相比，与偏振光分离的方向对齐的光束对光学特性具有角度依赖性的光学系统或光学元件有更大的影响。
基于上述原因，在第十实施例的投影仪2000中最好使用一种这样的照明系统，照明系统中的偏振转换系统40把线性偏振光成分在与偏振分束棱镜420相同的方向，即x方向分离。换言之，当本发明的照明系统用于包括反射型液晶光阀和偏振分束棱镜的投影仪时，照明系统的偏振转变系统中偏振光被分离的方向最好与偏振分束棱镜分离偏振光的方向相同。这将有利地提高偏振分束棱镜的偏振转换率并增大投影图象的亮度和对比度。
对投影仪2000已经关于显示单色图象的装置已做了描述，它也可以有效地应用到显示彩色图象的投影仪中。L.第十一实施例图22是采用本发明照明系统的另一投影仪主要部分的一般结构平面图。
投影仪3000包括一个照明系统100’，三个分色镜500R，500G和500B，一个透射型彩色液晶光阀(液晶板)520和一个投影光学系统340。分色镜500R，500G和500B分别反射红(R)、绿(G)和蓝(B)光，并透射其它颜色的光。分色镜500R，500G和500B以接近照明系统100’一侧的顺序排列，彼此之间并非平行的关系。分色镜不必一定以该顺序排列，而是根据单板型彩色液晶光阀520的象素结构决定布局，后面将要描述。另外，离照明系统100’最远的分色镜(在本实施例中是分色镜500B)也可改用反射镜。
分色镜500R，500G和500B的位置接近照明系统100’的系统光轴100LC和投影系统光轴3000LC之间的会合处，绿色反射分色镜500G的镜面法线和照明系统100’的光轴100L形成45度角，投影系统光轴3000LC穿过单板型彩色液晶光阀520的中心。红色反射分色镜500R绕y轴顺时针旋转，与分色镜500G成一小角度。蓝色反射分色镜500B也绕y轴轻微地顺时针旋转，与分色镜500G成一小角度。
关于照明系统100’发出的光，红光被分色镜500R反射到光阀520上。绿光透过分色镜500R之后被分色镜500G反射，穿过分色镜500R并入射到光阀520上。蓝光穿过分色镜500R和500G，并被分色镜500B反射到达光阀520。因为三个分色镜不互相平行，所以每个分色镜反射的光以不同的入射角落射到光阀520上。
图23(A)和23(B)是单板型彩色液晶显示光阀520的一个象素结构放大图。如图23(A)所示，光阀520包括一个由多个象素组成的光阀部分530和一旨在光阀部分530入射面上的微透镜阵列540。光阀部分530的每个象素包括三个相应于红(R)、绿(G)和蓝(B)的彩色子象素531R、531G和531B。每个象素531的入射面上设置一个微透镜541。以不同角度入射到单面型彩色液晶光阀520的三色光束分别被微透镜阵列540的单个微透镜541会聚到对应的子象素531R、531G和531B，每个子象素根据施加到系统的图象信息信号调制彩色光。
每种颜色的光束入射到光阀520上的角度设置成与三个分色镜的角度相对应，以致每个彩色光入射到相应的象素531上。这些角度根据子象素531R、531G和531B之间的间隔PD以及微透镜541的焦距fμ而确定。
从图22中光阀520的每个象素531出射的光被投影光学系统340投射到屏幕SC上显示彩色图象。
通过本第十实施例的投影仪3000，还可以利用具有高的偏振光转换率的照明系统100’来提高光利用率，显示亮的图象。
另外，通过利用其它实施例中的一个照明系统的投影仪3000能够获得同样的效果。
正如参考第七实施例所做的描述，可以在垂直于偏振转换系统40中分离偏振光方向的方向缩小偏振分束系统的尺寸，因此，光通量在包含偏振光分离方向的平面(yz平面)中的光束倾斜对具有光学特性角度依赖性的光学系统或光学元件的影响比光通量在垂直于偏振光分离方向的平面(xz平面)中的光束倾斜的大。另外，因为照明系统100发出的光通量密度在y方向上的比在x方向的大，与排列在x方向的光通量的光束影响相比，排列在y方向的光束对具有光学特性角度依赖性的光学系统或光学元件具有更多的影响。光束发散角和光束会聚特性是相反的关系。小发散的图象不能由具有大发散角的光束形成。因此，用于照射液晶光阀的光束发散角越大，光阀或投影光学系统的光利用率更低。
如图23(B)所示，当从z方向看时，构成液晶光阀520一个象素531的每个子象素531R，531G，531B具有沿y轴延伸的矩形，造成大致上为正方形的象素531。因此，通过利用光学特性如入射光束的发散角或会聚角与子象素形状匹配的结构，可以避免光利用率的降低，甚至在照明系统100’的情况下，照明系统发出的光束在特定的方向具有较大的发散角。具体地说，照明系统100发出的光束显示大发散角的方向最好设置成与矩形子象素的长边重合。通过这种布局，会聚的图象在x方向小，在y方向较大，使得每种颜色的光能够入射到对应的子象素上。
因此，在第十一实施例的投影仪3000中，偏振光在偏振转换系统40中被分离的方向设置成与用于液晶光阀的子象素长边重合。结果是各种颜色的光只入射到相应的子象素上，使获得明亮的没有颜色漂移的图象成为可能。在利用彩色子象素被空间分离的光阀的投影仪中，单板型彩色液晶光阀的一个典型例子，可以通过光束最宽并有最大入射角的方向与子象素的长边对齐而减少各种颜色的光入射到错误的子象素上(衰减显示图象的颜色效果)。
虽然已关于照明系统的实例对上述实施例做了描述，其中照明系统有一个包括第一透镜阵列、第二透镜阵列和中继透镜阵列的光焦度可变光中继系统，但本发明并不局限于此，并可以改换成下述的结构。
图25表示本发明照明系统的改型。照明系统100J包括一个光源20，一个光焦度可变光中继系统30J，一个偏振转换系统40J和一个叠加光学系统50J。光焦度可变光中继系统30J包括一个第一透镜32J，一个中继透镜36J和一个第二透镜34J，这些透镜与第一实施例的第一小透镜32a，中继透镜36a和第二小透镜34a具有相同的功能。
偏振转换系统40J具有一个偏振分束器44Ja和一个反射棱镜44Jb，以及一个λ/2延迟片46J。光焦度可变光中继系统30J发出的光束入射到偏振分束器44Ja上并被偏振分束膜44b分成两种类型的线性偏振光，如s偏振光和p偏振光。一种类型的线性偏振光，如p偏振光穿过偏振分束膜44b并落射到λ/2延迟片46J上，在那儿被转换成s偏振光并出射。s偏振光被偏振分束膜44b反射到反射棱镜44Jb，从那儿被反射膜44c反射，并与λ/2延迟片46J发出的s偏振光以大致相同的方向出射。从光焦度可变光中继系统30J发出的光束被偏振转换系统40J转换成在相同方向上的两束光。
叠加光学系统50J包括一对第三透镜52J和一对与第三透镜52J对应的第四透镜54J，透镜位于偏振分束器44Ja和反射棱镜44Jb的出口侧。从偏振转换系统40J发出的两光束经过相应的第四透镜54J和第三透镜52J照射到照明区域80上大致相同的位置。
在此照明系统100J中，光源20发出的光束大小可以通过光焦度可变光中继系统30J缩小，使得光源20发出的光束有效地落射到偏振转换系统40。结果是得到一个具有高的偏振转换效率的照明系统。
以上对用于投影仪中的本发明的照明系统做了描述。但这不是限制性的。本发明的照明系统可以用于各种类型的装置。
虽然液晶板用作电光装置，但可以使用以特定的线性偏振光照明的各种类型的电光装置。
应该十分地明确，上述实施例仅仅是举例性的，不限定为任何一种特型。本发明的范围和实质仅由所附的权利要求限定。
权利要求
1.一种照射作为照明区域的光学装置的光入射面的照明系统，系统包括一个发出非偏振光的光源，一个改变光源发出的光束的大小的光焦度可变光中继系统，一个通过给定的入射光束对照明区域进行照射的叠加光学系统，和一个沿光焦度可变光中继系统的入射面到叠加光学系统的出射面之间的光路设置在一个选定位置处的偏振转换系统，该系统把非偏振的入射光转变成具有带一种类型的偏振方向的线性偏振成份的光束，并发射转变的光束，其中进入偏振转换系统的光束大小在预定的方向通过光焦度可变光中继系统缩小。
2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于光焦度可变光中继系统包括具有多个第一小透镜的第一透镜阵列，具有多个设置在第一透镜阵列光发射面上的中继透镜阵列，和具有多个设置在中继透镜阵列光发射面上的第二小透镜的第二透镜阵列，其中第一透镜阵列和第二透镜阵列设置在中继透镜阵列的共轭点处，和其中偏振转换系统包括一个偏振分束器阵列，具有多对沿预定的方向处于倾斜状态的相互平行的偏振分束膜和反射膜，把非偏振的入射光分成两种线性偏振光类型的多束部分光束，和一个偏振转换装置，把两种线性偏振光类型中的第一种类型的线性偏振光的偏振方向转变成与第二种类型的线性偏振光相同的方向，其中入射到偏振转换装置的光束被光焦度可变光中继系统分成多束部分光束，并且在预定方向上每个部分光束的大小被光焦度可变光中继系统缩小。
3.如权利要求2所述的照明系统，其特征在于叠加光学系统包括具有多个第三小透镜的第三透镜阵列，进入叠加光学系统的多束部分光束入射到第三小透镜上，具有多个与第三小透镜对应的第四小透镜的第四透镜阵列，和把穿过第三透镜阵列和第四透镜阵列的多束部分光束叠加到照明区域上的叠加透镜。
4.如权利要求3所述的照明系统，其特征在于偏振转换系统设置在第三透镜阵列和第四透镜阵列之间。
5.如权利要求4所述的照明系统，其特征在于第二透镜阵列和第三透镜阵列为光学一体。
6.如权利要求2所述的照明系统，其特征在于叠加光学系统包括具有多个把多个部分光束大致叠加到照明区域上的小透镜的第三透镜阵列，和具有多个与多个第三小透镜对应的第四小透镜的第四透镜阵列。
7.如权利要求6所述的照明系统，其特征在于偏振转换系统设置在第三透镜阵列和第四透镜阵列之间。
8.如权利要求7所述的照明系统，其特征在于第二透镜阵列和第三透镜阵列为光学一体。
9.如权利要求2所述的照明系统，其特征在于偏振转换系统设置在光焦度可变光中继系统和叠加光学系统之间。
10.如权利要求2所述的照明系统，其特征在于偏振转换系统设置在中继透镜阵列和光焦度可变光中继系统的第二透镜阵列之间。
11.如权利要求2所述的照明系统，其特征在于第一透镜阵列的多个第一小透镜在垂直于预定方向的方向上有不同的光轴位置，因此进入偏振转换系统的多个部分光束至少相互邻近垂直于预定方向的方向。
12.如权利要求11所述的照明系统，其特征在于排列在预定方向上的多个部分光束中的每一个在光焦度可变光中继系统中以根据每个部分光束排列位置而不同的缩小比缩小。
13.如权利要求2所述的照明系统，其特征在于中继透镜由至少包括两个透镜的复合透镜构成。
14.一种用于显示投影图象的投影仪，包括一种如权利要求1至13中任意一种的照明系统，一个响应于图象信号把从照明系统接收到的光束转换成成象光束并发射转换的光束的电光装置，和一个投射电光装置发出的光的投影光学系统。
15.如权利要求14所述的投影仪，还包括一个把照明系统发出的光分成多种颜色成份的分色器，分别接收由分色器分离的颜色成份的多个电光装置，和合并由多个电光装置发出的每种颜色成份的颜色混合器，其中投影光学系统投射从颜色混合器发出的合并光。
16.如权利要求15所述的投影仪，其特征在于假设x，y，z为三个互相垂直方向的轴，其中z是平行于照明系统发出的光束光轴的方向，分色器有一个大致上垂直于xz平面并相对于yz平面以预定角倾斜的分色面，和照明系统的位置使得偏振转换系统中包含的多对偏振分束膜和反射膜的排列方向基本上与y方向一致。
17.如权利要求15所述的投影仪，其特征在于假设x，y，z轴为三个互相垂直方向的轴，其中z的方向平行于从照明系统发出的光线之光轴的方向，颜色混合器有一个基本上垂直于xz平面并且关于yz平面倾斜预定角度的色彩混合面，和照明系统的定位使得多套偏振分束膜和反射膜排列的方向基本上与y方向一致。
18.一种显示投影图象的投影仪，包括如权利要求1至13的任意一种照明系统，一个响应于接收到的图象信号把从入射光束转换成成象光束并反射此光束的反射型电光装置，一个投射反射型电光装置发出的光的投影光学系统，和一个偏振分束装置，把照明系统接收到的第一线性偏振光导向反射型电光装置，并把收自反射型电光装置且在垂直于第一线性偏振光的方向上起偏的第二线性偏振光导向投影光学系统。
19.一种如权利要求18所述的投影仪，其特征在于假设x，y，z作为三个相互垂直的方向轴，z代表平行于照明系统发出的光的光轴方向，偏振分束元件有多个大致垂直于xz平面并关于yz平面有不同预倾角的偏振分束面，和照明系统的位置使得包含在偏振转换系统中的多套偏振分束膜和反射膜的排列方向基本上与x方向一致。
20.一种用于显示投影图象的投影仪，包括如权利要求1至13的任意一种照明系统，一种包含多个象素和一个聚光系统的电光装置，其中每个象素包括多个对应于多种颜色的每一种光的子象素，聚光系统包括多个对应于每个象素的小聚光透镜，电光装置响应于给出的图象信息把每个象素传送的光转变成每个象素的成象光，一个颜色分离器，把从照明系统出射的光分成多种颜色成份并将多种颜色成分的每一种导向不同的方向，入射到对应于各个颜色成分的子象素上，和一个投射电光装置发出的光的投影光学系统。
21.根据权利要求20所述的投影仪，其特征在于假设x，y，z作为三个相互垂直的方向轴，z代表平行于照明系统发出的光的光轴方向，分色器有多个大致上垂直于xz平面并相对于yz平面以不同的预定角倾斜的分色面，把光束选择性地分成多种颜色成份，和照明系统的位置使得偏振转换系统中包含的多对偏振分束膜和反射膜的排列方向基本上与y方向一致。
22.根据权利要求20所述的投影仪，其特征在于照明系统的位置使得多对偏振分束膜和反射膜的排列方向基本上与垂直于每个象素的多个子象素的对齐方向的方向一致。
全文摘要
一种照明系统,包括:一个发出非偏振光的光源,一个改变光源发出的光束的大小的减小光学延迟系统,一个通过入射光束对照明区域进行照射的叠加光学系统,和一个沿光焦度可变光中继系统的入射面到叠加光学系统的出射面之间的光路设置在一个选定位置处的偏振转换系统,该系统把非偏振的入射光转变成具有带一种类型的偏振方向的线性偏振成份的光束,并发射转变的光束。进入偏振转换系统的光束在预定的方向通过光焦度可变光中继系统缩小。
文档编号H04N9/31GK1264842SQ00102630
公开日2000年8月30日 申请日期2000年2月23日 优先权日1999年2月23日
发明者伊藤嘉高 申请人:精工爱普生株式会社