专利名称：投影式显示装置及其照射光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及配有色光合成装置的投射式显示装置及其照射光学系统。
背景技术：
在把彩色图象投射到投影屏幕上的投射式显示装置中，较多地使用正交分光棱镜。例如，透射型液晶投射器中，采用正交分光棱镜作为合成红、绿、蓝三色光并向同一方向射出的色光合成装置。此外，在反射型液晶投射器中，采用正交分光棱镜作为把白色光分离为红、绿、蓝三色光的色光分离装置，同时也采用正交分光棱镜作为再次合成已调制的三色光并向同一方向射出的色光合成装置。已知，例如在特开平1-302385号公报中披露的使用正交分光棱镜的投射式显示装置。
图17是表示投射式显示装置主要部分的原理图。该投射式显示装置配有三个液晶光阀42、44和46，以及正交分光棱镜48和投射透镜系统50。正交分光棱镜48用三个液晶光阀42、44、46合成被调制的红、绿、蓝三色光，向投射透镜系统50的方向射出。投射透镜系统50把合成的光成象在投影屏幕52上。
图18是表示分解正交分光棱镜48的一部分的透视图。通过用光学粘接剂贴合四个直角棱镜的相应直角面，制成正交分光棱镜48。
图19是表示在采用正交分光棱镜48情况下的问题的说明图。如图19(A)所示，正交分光棱镜48，在用四个直角棱镜的直角面形成的X字状的界面上，有略呈X字状配置的红色光反射膜60R和蓝色光反射膜60B。但是，在四个直角棱镜的间隙中，由于形成光学粘接剂层，所以反射膜60R、60B在正交分光棱镜48的中心轴48a部分也有间隙。
在穿过正交分光棱镜48的中心轴48a的光投射到投影屏幕52上时，在图象中便形成因中心轴48a导致的暗线。图19(B)是表示这种暗线DL的一例。该暗线DL是带有与其它部分不同颜色的稍稍暗一些的线状区域，大致形成在投射的图象中心。可以认为该暗线DL是在中心轴48a附近的反射膜的间隙中光线被散射和红色光及蓝色光不反射造成的。再有，在以X字状交叉分别形成红色反射膜、蓝色反射膜等选择反射膜的两种正交分光镜的正交分光镜中，同样也发生这个问题。在这种情况下，变为在图象中形成因镜的中心轴导致的暗线。
这样，在现有的投射式显示装置中，存在因正交分光棱镜48和正交分光镜的中心轴，在投射图象的大致中心会形成暗线的问题。
为了解决现有技术中的上述课题，本发明的目的在于提供能够使因在配备了以X字状配置正交分光棱镜和正交分光镜等两种分光膜的光学装置的中心轴造成的暗线不明显的技术。
发明的公开(用于解决课题的原理说明)首先，根据具体例，用图1至图4说明用于解决课题的原理。图中，统一地把光的行进方向作为z方向，由从光的行进方向(z方向)看三点的方向作为x方向，十二点的方向作为y方向。此外，在下面的说明中，为方便起见，把x方向表示成行方向，把y方向表示成列方向。再有，为了容易说明，以具体的例子说明下述原理，但本发明并不限于这样的具体结构。
在投射式显示装置中，作为把来自光源的光分离成多个分光束降低照射光的平面内照度不匀的技术，如WO94／22042号公报所披露的，使用带有多个小透镜的两个透镜阵列的照射光学系统(称为集成光学系统)是众所周知的。
图1是说明在使用正交分光棱镜的投射式显示装置中采用集成光学系统的情况下暗线发生原理的图。图1(A-1)、(B-1)是表示X方向的位置相互不同的小透镜10、即穿过在不同列方向上存在的小透镜10的光束(图中用实线表示)和其中心光轴(图中用密虚线表示)的轨迹图；图(A-2)、(B-2)是表示屏幕7上暗线DLa、DLb的形成位置的图。
从光源(图中省略)射出的光束由分别带有多个小透镜10的第一、第二透镜阵列1、2分离成多个分光束。穿过在第一、第二透镜阵列1、2中设置的各小透镜10的光束，由平行化透镜15转换成与各分光束中心轴平行的光束。穿过平行化透镜15的分光束重叠在液晶光阀3上，对其预定区域进行均匀的照射。再有，在图1中虽仅图示了一块液晶光阀3，但在其它两块液晶光阀中，集成光学系统的原理、暗线发生的原理也是同样的。
图2是表示第一和第二透镜阵列1、2外观的透视图。第一和第二透镜阵列1、2具有把各个略矩形形状轮廓的小透镜10按M行N列的矩阵状配置的结构。在本例中，M=10，N=8，在图1(A-1)上示出穿过第二列小透镜10的分光束的轨迹图，在图1(B-1)上示出穿过第七列小透镜10的分光束的轨迹图。
在液晶光阀3上重叠的光束接受用液晶光阀3按照图象信息的调制后，射向正交分光棱镜4。从正交分光棱镜4射出的光束通过投射透镜系统投射在屏幕7上。
如图1(A-1)、(B-1)上各个粗虚线所示，穿过正交分光棱镜4中心轴5(沿图中y方向)那部分的光也分别投射在屏幕7上的Pa、Pb的位置。因而，如在现有技术中所述，由于在该中心轴5附近的反射膜的间隙中光线被散射，同时应被反射的光未被反射，所以穿过中心轴5附近的光量会减少。因此，如图1(A-2)、(B-2)所示，就会形成比投影屏幕7上周围亮度低的部分，即形成暗线DLa、DLb。
在此，说明暗线与第一及第二透镜阵列1、2的关系。由把图1(A-1)局部放大表示的图3(A)可知，由液晶光阀3形成的象用投射透镜系统6进行反向，并经放大投射在投影屏幕7上。再有，图3(B)是表示包括正交分光棱镜4的中心轴5的xy平面的剖面图。在图3(A)、(B)中，r1表示用包括正交分光棱镜4中心轴5的xy平面切断分光束时从分光束剖面8的一端11至中心轴5的距离；r2表示从分光束剖面8的另一端12至中心轴5的距离。由于分光束8的剖面的象由投射透镜系统6反向，并经放大投射在投影屏幕7上，所以从投影屏幕7上的投射区域9的一端13至暗线DLa的距离R2与从投射区域9的另一端至暗线DLa的距离R1的比，与距离r2和距离r1的比相等。也就是说，形成暗线DLa的位置取决于包括正交分光棱镜4中心轴5的xy平面上的分光束8的剖面对于中心轴5来说，是否在哪个位置存在。
其中，如果比较图1(A-1)和(B-1)可知，那么在图1(A-1)和(B-1)中，在包括正交分光棱镜4的中心轴5的xy平面上，各自的分光束剖面的位置是不同的。因此，暗线DLa和DLb分别形成在不同的位置。同样地，在第一和第二透镜阵列1、2内，由于穿过除第2列、第7列以外的列上存在的小透镜10的分光束的包括正交分光棱镜4的中心轴5的xy平面上的剖面位置也分别不同，所以在投影屏幕7上，变为仅形成第一和第二透镜阵列1、2的列数、即N个暗线。
再有，穿过在第一和第二透镜阵列1、2的相同列方向位置上排列的M个小透镜的分光束，如图4所示，在投影屏幕7上大体相等的位置上形成暗线DLc。因此，N个暗线分别是穿过在第一和第二透镜阵列1、2的相同列方向位置上排列的M个小透镜的分光束重合形成的，其暗度大致等于由各个小透镜形成的暗线暗度的总和。
如果对以上进行归纳，可导出以下的原理。
(第一原理)首先，第一，如果相对于正交分光棱镜4的中心轴5的分光束的中心轴的位置不同，那么暗线形成的位置也不同。穿过第一和第二透镜阵列1、2的不同列的分光束，由于相对于正交分光棱镜4的中心轴5的位置相互不同，所以在不同的位置形成暗线。
(第二原理)第二，包括正交分光棱镜4的中心轴5的xy平面上的分光束的剖面位置不同，入射在正交分光棱镜4上的分光束的角度就不同(参照图1)。穿过第一和第二透镜阵列1、2的不同列的分光束，由于相对正交分光棱镜4按不同的角度入射，所以在中心轴5上的分光束的位置不同。
因此，如果入射在正交分光棱镜4上的分光束的角度不同，或者，如果在液晶光阀3上重叠的分光束的角度不同，那么暗线形成的位置也不同。
(结论)如上所述，穿过在第一和第二透镜阵列1、2的相同列方向位置上排列的M个小透镜的分光束，通过在投影屏幕7上大致相等的位置形成各条暗线，其暗线的暗度大致等于由各个小透镜形成的暗线暗度的总和。因此，由穿过这些M个小透镜的分光束分别形成的暗线，如果能形成在投影屏幕7上的不同位置上较好。也就是说，如果这样，虽然暗线的数增加，但由于能够减少平均每个暗线的暗度，结果使暗线变得很不明显。再有，不必把穿过M个小透镜的所有暗线形成在不同的位置，仅把一部分暗线形成在不同的位置就足够了。
再有，依据如上所述的第一原理、第二原理中的任何一个，能够把暗线形成在不同的位置。
也就是说，如果根据第一原理，那么在穿过在相同列方向位置上排列的M个小透镜的分光束内，对于一部分，使相对于正交分光棱镜4的中心轴5的分光束的中心轴位置变化成其它位置较好。
并且，如果根据第二原理，那么在穿过相同列方向位置上排列的M个小透镜的分光束内，对于一部分，使重叠于液晶光阀3上的分光束的角度或入射在正交分光棱镜4上的分光束的角度变化成其它角度较好。
通过实现上述原理，本发明能够解决如上所述的现有技术中的课题。以下，论述其装置、作用及效果。
(用于解决课题的装置、及其作用和效果)本发明的照射光学系统是用于投射式显示装置中并射出上述照明光的照明光学系统。所说的投射式显示装置配备有色光分离装置，把照射光分离成三色光；三组光调制装置，根据提供的图象信号对所述三色光分别进行调制；色光合成装置，配有按X字状配置的两种分光膜，有与所述分光膜相互交叉位置相当的中心轴，合成由所述三组光调制装置调制的三色光，向同一方向射出；和投射装置，把由所述色光合成装置合成的光投射到投射面上；其特征在于所说的照明光学系统还配有分离重叠光学系统，产生沿与所述色光合成装置的所述中心轴大致平行的列方向，和与所述列方向大致垂直的行方向分离的多个分光束，同时重叠所述多个部分光束，这样构成所述分离重叠光学系统，使在相同列方向上存在的所述分光束内的一部分分光束照射的所述光调制装置上的照明区域，从其它部分的光束照射的照明区域向所述行方向偏移。
一个分光束把色光合成装置的中心轴投射在投射面上，形成与中心轴相应的暗线，一列多个分光束通常把色光合成装置的中心轴投射在投射面上大致相同的位置，形成暗线。按照上述结构，一部分分光束照射的光调制装置上的照明区域，从其它的分光束照射的照明区域向行方向(和与中心轴大致平行的列方向大致垂直的方向)偏移。其结果，根据第一原理，能够把相对于色光合成装置中心轴的一部分分光束的中心光路位置与其它分光束中心光路的位置错开，各个分光束在不同的位置上形成暗线。从而，能够使在投射的图象上形成的暗线不明显。
在上述照射光学系统中，所述分离重叠光学系统带有第一透镜阵列，它具有沿所述列方向和行方向上排列的多个小透镜；和第二透镜阵列，有分别与所述第一透镜阵列的所述多个小透镜对应配置的多个小透镜；在所述第二透镜阵列的大致沿所述列方向排列的至少一列的小透镜中，最好至少一部分小透镜在与其它小透镜的光学中心不同位置上有光学中心(偏心透镜)。
按照上述结构，至少在一列的多个小透镜中，由于在与其它小透镜的光学中心不同的位置上具有一部分分光束通过的一部分小透镜的光学中心，能使一部分分光束的光路与其它的分光束光路错开。因此，根据上述第一原理，利用这些多个分光束，能够防止色光合成装置的中心轴被投射在大致相同的位置上。其结果，能够使在投射图象上形成的暗线不明显。
此外，在上述照射光学系统中，最好，所述一部分小透镜是配置在其光学中心与所述其它小透镜的光学中心不同的位置上的偏心透镜，以使由穿过该一部分小透镜的分光束照射的被照明区域上的照明区域，相对于由穿过所述其它小透镜的分光束照射的所述被照明区域上的照明区域，向所述行方向偏移。
如果这样，由于穿过一部分小透镜的分光束的光路与穿过其它小透镜的分光束的光路错开，所以根据上述第一原理，利用这些多个分光束，能够防止投射在与色光合成装置中心轴大致相同的位置上。其结果，能够使在投射图象上形成的暗线不明显。
此外，在上述照射光学系统的各情况中，在相同列方向上存在的所述多个小透镜被分成多个组；
在同一组中包括的小透镜相对于透镜中心，在相同位置上有光学中心；在不同组中包括的小透镜在相对于透镜中心互不相同的位置上有光学中心较好。
如果这样，由于穿过多个组的每个组的小透镜的分光束的光路不同，所以与投射的色光合成装置的中心轴相对应的暗线形成在多个组的每个组中，能够防止投射在与色光合成装置中心轴大致相同的位置上。
并且，最好对在相同列方向上存在的所述多个小透镜进行分组，以使穿过所述多个组的各个组的分光束的光量相等。
如果穿过各个组的分光束的光量不同，那么由穿过各个组的分光束造成的与投射的色光合成装置的中心轴相对应的暗线的暗度也各自不同。使这些暗线不明显是本发明的目的，但相对于人而言，由于对光的识别能力比较高，所以暗线的暗度不同是不太好的。因此，如果穿过各个组的分光束的光量相等，那么能够使由穿过各个组的分光束造成的暗线的暗度相等。
再有，把所述多个组沿所述列方向至少划分成两个区域就行。如果这样，用简单的结构就能够防止投射在与色光合成装置的中心轴大致相同的位置上。
此时，所述多个组是沿所述列方向划分的两个区域，在所述两个区域内的一个区域中包括的多个小透镜的光学中心和在另一个区域中包括的多个小透镜的光学中心位于相对于透镜中心对称的位置较好。
如果这样，由于能够通过按上下相反方向配置与在一个区域中包括的小透镜相同的小透镜来构成另一个区域，所以能够用一种小透镜构成第二透镜阵列。
此外，在上述照射光学系统的各情况中，把所述第二透镜阵列的多个小透镜的各个光学中心配置在与所述光源的光轴中心相对应的所述第二透镜阵列中心成点对称的位置上较好。
在投射式显示装置中使用的光源，一般来说在光轴中心的光量最大，具有随着离开光轴中心而变小的倾向。在把这样的光源用于投射式显示装置的情况下，如果象上述那样，能够使与利用穿过第二透镜阵列的多个小透镜的分光束投射的色光合成装置中心轴相当的多条暗线的暗度完全相等。
此外，在上述照射光学系统的各情况中，所述分离重叠光学系统还包括重叠聚合透镜，大致按所述光调制装置上的照明位置重叠并合成穿过所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列的多个小透镜的多个分光束；和偏振光转换元件，设置在所述第二透镜阵列与所述重叠聚合装置之间；所述偏振光转换元件配有偏振光分光镜阵列，带有多组相互平行的偏振光分离膜和反射膜，把穿过所述第二透镜阵列的多个小透镜的多个分光束分离成各自两种直线偏振光分量；和偏振光转换装置，使被所述偏振光分光镜阵列分离的所述两种直线偏振光分量的偏振光方向一致。
如果这样，由于利用把有随机偏振光的照射光转换成一种直线偏振光，所以能够提高光的利用效率。
本发明的投射式显示装置包括上述照射光学系统中的任一种；色光分离装置，把所述照射光分离成三色光；三组光调制装置，根据提供的图象信号分别调制所述三色光；色光合成装置，配有按X字状配置的两种分光膜，有在相当于所述分光膜相互交叉的位置的中心轴，合成并射出由所述三组光调制装置调制的三色光；和投射装置，把由所述色光合成装置合成的光投射在投射面上；其特征在于，所述照射光学系统配有分离重叠光学系统，在与所述色光合成装置的所述中心轴大致平行的列方向，和在与所述列方向大致垂直的行方向，产生分离的多个分光束，同时重叠所述多个分光束；这样构成所述分离重叠光学系统，以使在相同列方向上存在的所述分光束内的一部分分光束照射的所述光调制装置上的照明区域，从其它分光束照射的照明区域向所述行方向偏移。
通过把上述照射光学系统中的任何一个用于投射式显示装置中，与所述各照射光学系统同样，能够使在投射图象上形成的暗线不明显。
图面的简单说明图1是说明在使用正交分光棱镜的投射式显示装置中采用集成光学系统时的暗线发生原理的图。
图2是表示第一和第二透镜阵列1、2的外观的透视图。
图3是表示图1(A-1)的局部放大图和包括正交分光棱镜4的中心轴5的xy平面上的剖面图。
图4是表示穿过两个透镜阵列1、2的第N列小透镜的分光束投射在投影屏幕7上状况的原理图。
图5是表示本发明第一实施例的投射式显示装置的主要部分的示意性平面图。
图6是表示第一透镜阵列120外观的透视图。
图7是表示第一实施例中第二透镜阵列130的说明图。
图8是表示第二透镜阵列130功能的说明图。
图9是表示第一、第二透镜阵列120、130的分光束重叠在液晶光阀252上的状况的原理图。
图10是表示穿过小透镜132a、132b、132c的分光束穿过正交分光棱镜260状况的说明图。
图11是表示第二透镜阵列130的各行小透镜的光轴与穿过各小透镜的分光束的光量之间关系的说明图。
图12是表示具有与图7所示的透镜阵列不同结构的第二透镜阵列130’的外观的透视图。
图13是表示第二实施例的投射式显示装置的主要部分的示意性平面图。
图14是表示偏振光转换元件140结构的说明图。
图15是展示第二实施例中第二透镜阵列130功能的说明图。
图16是展示第二实施例中第二透镜阵列130功能的说明图。
图17是表示投射式显示装置主要部分的原理图。
图18是表示分解正交分光棱镜48的一部分的透视图。
图19是说明采用正交分光棱镜48情况下的问题的说明图。
实施发明的优选实施例下面，根据实施例说明本发明的实施形态。再有，在以下说明中，光的行进方向为z方向，从光的行进方向(z方向)看3点的方向为x方向，12点的方向为y方向。
A．第一实施例图5是表示本发明第一实施例的投射式显示装置主要部分的示意性平面图。该投射式显示装置配有照射光学系统100，分光镜210、212，反射镜218、222、224，入射侧透镜230，中继透镜232，三片场透镜240、242、244，三块液晶光阀(液晶屏)250、252、254，正交分光棱镜260和投射透镜系统270。
照射光学系统100配有射出大致平行光束的光源110，第一透镜阵列120，第二透镜阵列130，重叠透镜150和反射镜160。照射光学系统100是用于大体均匀照射处于被照明区域的三块液晶光阀250、252、254的集成光学系统。
光源110有作为射出放射状光线的放射光源的光源灯112，和把从光源灯112射出的放射光以大致平行的光束射出的凹面镜114。作为凹面镜114，使用抛物面镜就可以。
图6是表示第一透镜阵列120外观的透视图。第一透镜阵列120有把具有大略矩形状轮廓的小透镜122按M行N列排列的矩阵状结构。本例中，M=6，N=4。第二透镜阵列130有把小透镜按M行N列排列，使其基本上与第一透镜阵列120的小透镜122相对应的矩阵状结构。再有，对于第二透镜阵列130将在后面详细说明。各小透镜122把从光源110(图5)射出的光束分离成多个(即M×N个)分光束，把各分光束聚光在第二透镜阵列130的附近。设定从z方向看到的各小透镜122的外形形状，以便构成与液晶光阀250、252、254的显示区域形状大致相似的形状。在本实施例中，按4∶3设定小透镜122的纵横比(宽与长的尺寸比例)。
在图5所示的投射式显示装置中，利用构成集成光学系统的第一和第二透镜阵列120、130，把从光源110射出的平行光束分离成多个分光束。利用小透镜122的聚光作用，将从第一透镜阵列120的各小透镜122射出的分光束聚光，以使在对应第二透镜阵列130的各小透镜132内成象光源110的光源象。也就是说，只在对应第一透镜阵列120的小透镜122的数的第二透镜阵列130的小透镜132内，形成二次光源象。
重叠透镜150具有作为重叠从第二透镜阵列130的各小透镜132射出的分光束，在被照明区域的液晶光阀250、252、254上聚光的重叠光学系统的功能。再有，能够使用具有该重叠透镜150功能和第二透镜阵列130的各小透镜功能的一片透镜阵列代替两片透镜130、150。此外，反射镜160具有朝向分光镜210的方向反射从重叠透镜150射出的光束的功能，但在装置的结构上，不一定必须具有该反射镜160。上述结果，可均匀地照射各液晶光阀250、252、254。
两片分光镜210、212具有色光分离装置的功能，即把由重叠透镜150聚光的白色光分离成红、绿、蓝三色光的色光分离装置的功能。第一分光镜210透过从照射光学系统100射出的白色光束的红色光分量，同时反射蓝色光分量和绿色光分量。用反射镜218反射透过第一分光镜210的红色光，穿过场透镜240达到用于红光的液晶光阀250。该场透镜240把第二透镜阵列130射出的各分光束转换成相对于其中心轴平行的光束。在其它液晶光阀前设置的场透镜242、244也同样。在用第一分光镜210反射的蓝色光和绿色光内，用第二分光镜212反射绿色光，穿过场透镜242到达用于绿光的液晶光阀252。另一方面，蓝色光透过第二分光镜212，穿过配有入射侧透镜230、中继透镜232和反射镜222、224的中继透镜系统，并穿过场透镜244到达用于蓝色光的液晶光阀254。再有，对蓝色光采用中继透镜系统，是由于蓝色光的光路长度比其它颜色光的光路长度长，采用它可防止光的利用效率降低的缘故。也就是说，入射侧透镜230上入射的分光束按原样传送到射出侧透镜244。
三块液晶光阀250、252、254具有根据提供的图象信息(图象信号)分别调制三色色光并形成图象的光调制装置的功能。正交分光棱镜260具有合成三色色光形成彩色图象的色光合成装置的功能。再有，正交分光棱镜260的结构与图18和图19说明的结构相同。也就是说，在正交分光棱镜260上形成反射红光的介质多层膜和反射蓝光的介质多层膜，这些介质膜在四个直角棱镜的界面上大约按X字状形成。由这些介质多层膜合成三色光，形成投影彩色画象用的合成光。朝向投射透镜系统270的方向射出由正交分光棱镜260生成的合成光。投射透镜系统270具有把该合成光投射在投影屏幕300上，显示彩色图象的投射光学系统的功能。
其次，图5所示第一实施例的投射式显示装置的特征在于第二透镜阵列130。图7是表示第一实施例的第二透镜阵列130的说明图。该第二透镜阵列130采用其小透镜132的光轴位置不同的三种小透镜132a、132b、132c，并有各行不同的结构。在图7(A)中，在各小透镜的表面上画的十字表示各小透镜的光轴位置，即表示光学中心。构成第二透镜阵列130的第2、5行的小透镜132a的光轴位置位于透镜的中心。此外，构成第3、6行的小透镜132b的光轴位置相对于透镜中心偏向+x方向。构成第1、4行小透镜132c的光轴位置相对于透镜中心偏向-x方向。图7(B)表示小透镜132b、132c的那种光轴位置偏离的小透镜(偏心透镜)的结构例。如图所示，小透镜132b、132c是通过在预定位置切断球面透镜，相对于切断后透镜中心有与光轴偏离透镜等效结构的偏心透镜。
图8是展示第二透镜阵列130功能的说明图。图8(A)表示从第二透镜阵列130上侧开始的第二行的平面图，图8(B)表示从第二透镜阵列130上侧开始的第三行的平面图，图8(C)表示从第二透镜阵列130上侧开始的第四行的平面图。再有，为简便起见，仅表示从光源部分110至液晶光阀252的光路上的主要部分。此外，着重说明第一、第二透镜阵列120、130的第二列(图6、图7)。
在图8(A)中，从光源部分110射出的平行光由第一透镜阵列120的小透镜122分离成分光束，在第二透镜阵列130的小透镜132a的内部聚光，使之成象光源象。并且，从小透镜132a射出的分光束通过重叠透镜150照射作为液晶光阀252的光入射面的被照明区域252a。这里，小透镜132a的光轴位置处于透镜中心(图7)，从小透镜132a射出的分光束照射照明区域2561a，使其中心轴256cl穿过被照明区域252a的中心。另一方面，在图8(B)中，从第二透镜阵列130的第二列小透镜132b射出的分光束与图8(A)同样，照射被照明区域252a。但是，由于小透镜132b的光轴位置偏向+x方向(图7)，所以从小透镜132b射出的分光束照射从照明区域2561a向+x方向偏离的照明区域2571a，以便其中心轴257cl相对于被照明区域252a中心向+x方向偏离地穿过。此外，图8(C)中，从第二透镜阵列130的第二列小透镜132c射出的分光束也和图8(A)、(B)同样，照射被照明区域252a。但是，由于小透镜132c的光轴位置偏向-x方向(图7)，所以从小透镜132c射出的分光束照射从照明区域2561a向-x方向偏离的照明区域2581a，以便其中心轴258cl相对于被照明区域252a中心向-x方向偏离地穿过。再有，第二透镜阵列130的第5、第6、第1行中的分光束的光路也分别与图8(A)、(B)、(C)相同。也就是说，如图8(A)、(B)、(C)所示，穿过在相同列方向排列的透镜阵列的分光束，利用第二透镜阵列的三种小透镜132a、132b、132c和重叠透镜150，分别在不同的三种照明区域2561a、2571a、2581a重叠，照射被照明区域252a，各自的中心轴256cl、257cl、258cl也穿过相对于被照明区域252a中心的各个不同位置。
图9是表示在液晶光阀252上重叠由第一、第二透镜阵列120、130产生的分光束的模式的原理图。再有，该图是从重叠透镜150侧观察液晶光阀252的图，用实线表示由穿过小透镜132a的分光束产生的照明区域2561a，用虚线表示由穿过小透镜132b的分光束产生的照明区域2571a，用一点锁线表示由穿过小透镜132c的分光束产生的照明区域2581a。此外，对于照明区域2561a、2571a、2581a的y方向的偏离，仅仅是为了明确表示各自的位置的不同而错开绘出，但实际中基本不错开。从图中可知，相对于照明区域2561a，照明区域2571a向+x方向偏移，照明区域2581a向-x方向偏移。其中，如果照明区域2561a、2571a、2581a的x方向位置偏移，那么在液晶光阀252的两端部分会产生照射不均，实际上按比液晶光阀252的外形小一周设定投射上使用的有效区域253，不会有投射到其它部分的问题。
图10是表示穿过小透镜132a、132b、132c的分光束穿过正交分光棱镜260模式的说明图。再有，为了容易理解，省略或简化了说明上不必要的部分。穿过第二透镜阵列130第二行第二列的小透镜132a的分光束的中心轴256cl、穿过第三行第二列的小透镜132b的分光束的中心轴257cl、和穿过第四行第二列小透镜132c的分光束的中心轴258cl分别穿过相对于正交分光棱镜260中心轴262的不同位置。首先，如第一原理所述，如果穿过正交分光棱镜260的分光束的中心轴的相对于正交分光棱镜260的中心轴262的位置不同，那么暗线形成位置也变得不同。因此，由各个穿过沿相同列方向上排列的M个小透镜的分光束形成的暗线不会集中在一个地方，使暗线不明显成为可能。
下面，说明第二透镜阵列130中光轴位置不同的透镜配置方法。图11是表示第二透镜阵列130的各行小透镜的光轴位置与穿过各小透镜的分光束光量关系的说明图。图11(A)表示从光源部分110射出的光量分布。此外，图11(B)表示从光源部分110侧观察第二透镜阵列130的正面图。如图11(A)所示，光源部分110一般在灯光源部分112的光轴中心附近最亮，随着离开光轴中心而变暗。也就是说，穿过第二透镜阵列130的各小透镜的分光束的亮度，如图11(B)所示，如果假设在行方向上看的第2、5行的亮度为中等亮度，那么第3、4行的亮度就较大，第1、6行的亮度就变小。
但是，如上所述，穿过在第二透镜阵列130相同列方向上排列的M个小透镜的分光束，在相同位置有光轴的每个小透镜，在本实施例中，为在由小透镜132c组成的第一行和第四行的组、由小透镜132a组成的第二行和第五行的组、由小透镜132b组成的第三行和第六行的组，在屏幕上的相同位置形成暗线。如果穿过各个组的分光束光量不同，那么形成的三条暗线的暗度也变得分别不同。由于人对于相对比较的光的识别能力比较高，所以如果多条暗线的暗度相互不同，那么存在使暗线容易变得明显的倾向。
因此，在第二透镜阵列的相同列方向上排列的M个小透镜内，以其光轴位置相同的小透镜为一组，如果决定各小透镜的光轴位置，使穿过各个组的分光束光量变得相等，那么能够使由穿过各个组的分光束产生的三条暗线的暗度大致相等。
因此，在本实施例中，如图11(B)所示，分别以第一行和第四行、第二行和第五行、第三行和第六行为一组，把各个组的透镜的光轴相对于透镜中心配置在-x方向、中心、+x方向的三个位置上，使由穿过在相同列方向上排列M个小透镜的分光束各自形成的暗线分离在三个地方，并且由于以相同的暗度形成，使暗线不明显成为可能。
再有，对于各小透镜132b、132c的光轴位置的错位量，能够根据第二透镜阵列130、偏振光转换元件140、重叠透镜150、场透镜240、242、244、液晶光阀250、252、254、正交分光棱镜260的中心轴262等的几何关系，通过计算求出。此外，也能够从实验中求出。此时，各小透镜132b、132c，即最好使光轴位置偏离透镜中心的小透镜的光轴位置错位，以使穿过这些小透镜的分光束产生的暗线形成在由穿过第二行和第五行的小透镜132a、即光轴位置处于透镜中心的小透镜的分光束产生的暗线间隔的中间。特别是最好在由穿过其光轴位置处于透镜中心的小透镜(小透镜132a)的分光束产生的暗线间隔的正中间产生偏移，以产生由穿过其光轴位置偏离透镜中心的小透镜(小透镜132b、132c)的分光束产生的暗线。如果这样，能够使暗线的间隔最大，使产生的暗线不重叠。
在本实施例中，对每行使透镜光轴位置不同来进行配置，但并不限定于此只要由穿过在相同列方向上排列的M个小透镜的各个分光束形成的暗线不集中在一个地方就可以。
图12表示具有与图7所示透镜阵列不同结构的第二透镜阵列130’。第二透镜阵列130’把M行小透镜按行中心划分为上部和下部两个区域，由光轴处于从透镜中心向-x方向错位的位置的小透镜132’c构成上部，由光轴处于从透镜中心向+x方向错位的位置的小透镜132’b构成下部。把这样的第二透镜阵列130’用于图5所示的照射光学系统100中，或用于投射式显示装置中，由于穿过在相同列方向上排列M个小透镜的分光束形成的暗线分离形成在两个地方，所以与采用第二透镜阵列130的情况相比，暗线的分离数变少，但同样能够使暗线不明显。此外，在这种情况下，由于在不同位置上有光轴的小透镜仅按第二透镜阵列130’的上下行方向分为两个区域，所以与第二透镜阵列130相比，可容易地构成第二透镜阵列130’。
B．第二实施例图13是表示本发明第二实施例的投射式显示装置的图。第二实施例与第一实施例的不同点在于，采用在第二透镜阵列130和重叠透镜150之间设有偏振光转换元件140的照射光学系统100’。其它结构要素与第一实施例相同。此外，除从照射光学系统100’射出的照射光是预定的偏振光之外，作为装置的基本功能是相同的。再有，第二透镜阵列130与第一实施例同样，使用图12所示的第二透镜阵列130’也可以。以下，说明与第一实施例不同的功能。
图14是表示偏振光转换元件140(图13)结构的说明图。该偏振光转换元件140配有偏振光分光镜阵列141和选择相位差板142。偏振光分光镜阵列141其各个剖面为平行四边形柱状的多个透光性板材143有被交替粘合的形状。在透光性板材143的界面上，交替形成偏振光分离膜144和反射膜145。再有，通过使形成这些膜的多块玻璃板进行粘合，按预定的角度斜向切断，制成该偏振光分光镜阵列141，以便交替地配置偏振光分离膜144和反射膜145。
把穿过第一和第二透镜阵列120、130的有随机偏振光方向的光用偏振光分离膜144分离成s偏振光和p偏振光。p偏振光原封不动地透过偏振光分离膜144。另一方面，s偏振光相对于向s偏振光的偏振光分离膜144的入射点垂线反射，使入射光线和反射光线与垂线构成的角度对称(反射规则)。用偏振光分离膜144反射的s偏振光还用反射膜145根据反射规则反射，按与原样通过偏振光分离膜的p偏振光大致平行的状态射出。选择相位差板142是在穿过偏振光分离膜144的光的射出面部分形成λ／2相位差层146，在用反射膜145反射的光的射出面部分是不形成λ／2相位差层的光学元件。因此，透过偏振光分离膜144的p偏振光由λ／2相位差层146转换成s偏振光并射出。其结果，入射在偏振光转换元件140上的有随机偏振光方向的光束基本上被转换成s偏振光并射出。当然，只在用反射膜145反射的光的射出面部分，通过形成选择相位差板142的λ／2相位差层146，也能够转换成p偏振光并射出。
再有，从图14(A)可了解，从偏振光转换元件140的一个地方的偏振光分离膜144射出的s偏振光的中心位置(把两个s偏振光未看作一次集中的光束情况下的中心位置)比入射的随机光束(s偏振光+p偏振光)的中心偏向x方向。该偏移量与λ／2相位差层146的宽度Wp(即偏振光分离膜144的x方向的宽度)的一半相等。由此，如图13所示，在从偏振光转换元件140以后的系统光轴(用一点锁线表示)只偏移与Wp／2相等距离L的位置设定光源110的光轴(用双点锁线表示)。
此外，在第一实施例中(图5)，由第一透镜阵列120的小透镜122聚光的分光束被聚光，以便在对应于第二透镜阵列130的小透镜132内成象光源110的光源象，但在第二实施例中，在偏振光转换元件140中为了有效地利用从第二透镜阵列130射出的各分光束，在偏振光转换元件140的偏振光分离膜144(图14)的附近成象光源象也可以。
图15、图16是展示第二实施例的第二透镜阵列130(图7)功能的说明图。图15表示穿过第二透镜阵列130第2行第1列的小透镜132a的分光束的光路，图16表示穿过第二透镜阵列130第4行第1列的小透镜132c的分光束的光路。在图15中，从图中未示出的第一透镜阵列120的第2行第1列的小透镜122射出的、其中心轴356cl与系统光轴平行的分光束356通过小透镜122的聚光作用聚光在偏振光分离膜144上。原样透过偏振光分离膜144的分光束356a，通过重叠透镜150的聚光作用，照射作为液晶光阀252的光入射面的被照明区域252a。此外，由偏振光分离膜144反射的、并用反射膜145反射的分光束356b同样也照射被照明区域252a。其中，小透镜132a其光轴位置处于透镜中心(图7)，从小透镜132a射出的分光束，其中心轴356cl平行于系统光轴向偏振光转换元件140入射，从偏振光转换元件140射出的两个分光束356a、356b照射照明区域356la，以使它们的中心轴356cla、356clb穿过被照明区域252a的中心。
在图16中，与图15同样，从第一透镜阵列120的第4行第1列的小透镜122射出的其中心轴358cl平行于系统光轴的分光束358，通过小透镜122的聚光作用聚光在偏振光分离膜144上。原样穿过偏振光分离膜144的分光束358a，利用重叠透镜150的聚光作用照射被照明区域252a。此外，由偏振光分离膜144反射的、并用反射膜145反射的分光束356b同样也照射被照明区域252a。其中，由于小透镜132c的光轴位置从透镜中心向-x方向偏移(图7)，所以从小透镜132c射出的分光束，其中心轴358cl相对于光的行进方向向离开系统光轴的方向倾斜，入射到偏振光转换元件140上，从偏振光转换元件140射出的两个分光束358a、358b照射照明区域358la，以使它们的中心轴358cla、358clb从被照明区域252a的中心向-x方向偏移，并穿过被照明区域252a。
因此，在第二实施例中，与第一实施例一样，将在液晶光阀250、252、254中的，由第二透镜阵列的相同列方向的小透镜射出的分光束产生的照射位置(重叠结合位置)对光轴位置不同的每个小透镜132a、132b、132c错开。因此，由各个穿过在相同列方向上排列的M个小透镜的分光束所形成的暗线不会集中在一个地方，使暗线不明显成为可能。
再有，一般是在液晶光阀250、252、254的入射面上配置偏振光板。但是，用液晶光阀250、252、254调制的光束只是预定的偏振光，其它的偏振光作为无用的光束损失了。但是，在第二实施例中，如果把从偏振光转换元件140射出的光束作为与被液晶光阀250、252、254利用的预定偏振光相同的偏振光，那么与第一实施例相比，能够提高作为投射式显示装置的光的利用效率。
而且，在第二实施例中，与第一实施例一样，能够根据第二透镜阵列130、偏振光转换元件140、重叠透镜150、场透镜240、242、244、液晶光阀250、252、254、正交分光棱镜260的中心轴262等的几何关系，通过计算求出各小透镜132b、132c的光轴位置的错位量。此外，也能够从实验中求出。但是，在第二实施例中，穿过第二透镜阵列的分光束，利用偏振光转换元件140，还产生在行方向上仅错位间隔Wp的分光束(图14)，分光束的行方向间隔变为第一实施例的1／2。而且，各小透镜132b、132c，即其光轴位置与透镜中心偏离的小透镜的光轴位置最好被偏移，以便由穿过其光轴位置偏离透镜中心的小透镜(小透镜132b、132c)的分光束引起的暗线，形成在由穿过按这样的1／2间隔产生的第2行和第5行的小透镜132a、即其光轴位置处于透镜中心的小透镜的分光束产生的暗线间隔的正中间。
再有，本发明并不限于上述实施例和实施形态，在不脱离其主要精神的范围内，能够进行各种形态的变换，例如，可以有如下的变形。
第二透镜阵列的光学中心(光轴)的位置在各行、或多个组的每个组中所有行方向偏离不同的位置也可以。此外，只有一行或一组偏离行方向的不同位置也可以。并且，在上述实施例中，把来自光源的光束分离成矩阵状的多个光束，但在至少分离成大致一列排列的多个光束的情况下，也能够采用本发明。也就是说，第二透镜阵列的沿预定列方向大致排列的至少一列小透镜内的至少一部分小透镜，只要在与其它小透镜的光学中心不同位置有光学中心的透镜就可以。此时，由穿过一部分小透镜的分光束产生的被照明区域的照射位置(照明区域)与由穿过其它小透镜的分光束产生的照射位置不同。由此，相对于正交分光棱镜中心轴的分光束的位置，因穿过至少一部分小透镜的分光束与穿过其它小透镜的分光束不同，所以能够分离暗线发生位置。因此，能够使因正交分光棱镜原因造成的暗线不明显。
也就是说，投射式显示装置产生大致沿相当于色光合成装置中心轴的方向分离的至少一列的多个分光束，同时还可以配有在光调制装置上将多个分光束大致重叠的分离重叠光学系统。而且，该分离重叠光学系统，还可以配有使一部分分光束的光路与其它部分分光束的光路错开的照射位置变更装置，以使一列分光束内的一部分分光束的照射的光调制装置上的照明区域，从其它部分分光束照射的照明区域向与色光合成装置的中心轴对应方向的不同的方向错开。
在上述各实施例中，以在透射型投射式显示装置中采用本发明的情况为例进行了说明，但本发明也可以用于反射型的投射式显示装置。其中，‘透射型’是指液晶光阀等的光调制装置透射光的类型，‘反射型’是指光调制装置反射光的类型。在反射型投射式显示装置中，正交分光棱镜被作为把白色光分离成红、绿、蓝三色光的色光分离装置使用，同时，也作为把已调制的三色光再次合成并射向同一方向的色光合成装置使用。在反射型投射式显示装置中采用本发明的情况下，能够获得与透射型投射式显示装置大致相同的效果。
本发明的照射光学系统能够适用于各种投射式显示装置。此外，本发明的投射式显示装置也可用于把例如从计算机输出的图象和从录象机输出的图象投射到屏幕上，进行显示。
权利要求
1．一种用于投射式显示装置并射出上述照射光的照射光学系统，所说的投射式显示装置配备有色光分离装置，把照射光分离成三色光；三组光调制装置，根据提供的图象信号对所述三色光分别进行调制；色光合成装置，配有按X字状配置的两种分光膜，有与所述分光膜相互交叉位置相当的中心轴，合成由所述三组光调制装置调制的三色光，向同一方向射出；和投射装置，用于把由所述色光合成装置合成的光投射到投射面上；其特征在于还配有分离重叠光学系统，在与所述色光合成装置的所述中心轴大致平行的列方向，和在与所述列方向大致垂直的行方向，产生分离的多个分光束，同时重叠所述多个分光束，这样构成所述分离重叠光学系统，使在相同列方向上存在的所述分光束内的一部分分光束照射的所述光调制装置上的照明区域，从其它部分的光束照射的照明区域向所述行方向偏移。
2．如权利要求1所述的照射光学系统，其特征在于，所述分离重叠光学系统包括第一透镜阵列，有在所述列方向和行方向上排列的多个小透镜；和第二透镜阵列，有分别与所述第一透镜阵列的所述多个小透镜对应配置的多个小透镜；所述第二透镜阵列，是在大致沿所述列方向排列的至少一列的小透镜中的至少一部分小透镜在与其它小透镜的光学中心不同位置上有光学中心的透镜。
3．如权利要求2所述的照射光学系统，其特征在于，所述一部分小透镜是配置在其光学中心与所述其它小透镜的光学中心不同的位置上的偏心透镜，以使由穿过该一部分小透镜的分光束照射的被照明区域上的照明区域，相对于由穿过所述其它小透镜的分光束照射的所述被照明区域上的照明区域，向所述行方向偏移。
4．如权利要求2或3所述的照射光学系统，其特征在于，在相同列方向上存在的所述多个小透镜被分成多个组，在同一组中包括的小透镜相对于透镜中心在相同位置上有光学中心，在不同组中包括的小透镜相对于透镜中心在互不同位置上有光学中心。
5．如权利要求4所述的照射光学系统，其特征在于，对在相同列方向上存在的所述多个小透镜进行分组，以使穿过所述多个组的各个组的分光束的光量相等。
6．如权利要求4所述的照射光学系统，其特征在于，所述多个组是沿所述列方向划分的至少两个区域。
7．如权利要求6所述的照射光学系统，其特征在于，所述多个组是沿所述列方向划分的两个区域，在所述两个区域内的一个区域中包括的多个小透镜的光学中心和在另一个区域中包括的多个小透镜的光学中心位于相对于透镜中心对称的位置。
8．如权利要求2至6中任何一项所述的照射光学系统，其特征在于，所述第二透镜阵列的多个小透镜的各个光学中心配置在与所述光源的光轴中心相对应的与所述第二透镜阵列中心点对称的位置上。
9．如权利要求2至8其中任何一项所述的照射光学系统，其特征在于，所述分离重叠光学系统还包括重叠结合透镜，在所述光调制装置上的照明位置大致重叠并合成穿过所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列的多个小透镜的多个分光束；和偏振光转换元件，设置在所述第二透镜阵列与所述重叠结合装置之间；所述偏振光转换元件配有偏振光分光镜阵列，有多组相互平行的偏振光分离膜和反射膜，把穿过所述第二透镜阵列的多个小透镜的多个分光束分别分离成两种直线偏振光分量；和偏振光转换装置，使被所述偏振光分光镜阵列分离的所述两种直线偏振光分量的偏振光方向一致。
10．一种投射式显示装置，包括照射光学系统，发射照明光；色光分离装置，把所述照射光分离成三色光；三组光调制装置，根据提供的图象信号分别调制所述三色光；色光合成装置，配有按X字状配置的两种分光膜，有与所述分光膜相互交叉的位置相当的中心轴，合成并射出由所述三组光调制装置调制的三色光；和投射装置，把由所述色光合成装置合成的光投射在投射面上；其特征在于，所述照射光学系统配有分离重叠光学系统，在与所述色光合成装置的所述中心轴大致平行的列方向，和在与所述列方向大致垂直的行方向，产生分离的多个分光束，同时重叠所述多个分光束；这样构成所述分离重叠光学系统，以使在相同列方向上存在的所述分光束中的一部分分光束照射的所述光调制装置上的照明区域，从其它分光束照射的照明区域向所述行方向偏移。
11．如权利要求10所述的投射式显示装置，其特征在于，所述分离重叠光学系统包括第一透镜阵列，有在所述列方向和行方向上排列的多个小透镜；和第二透镜阵列，有分别对应于所述第一透镜阵列的所述多个小透镜配置的多个小透镜；在所述第二透镜阵列的大致沿所述列方向排列的至少一列的小透镜中的至少一部分小透镜是在与其它小透镜的光学中心不同位置上有光学中心的透镜。
12．如权利要求11所述的投射式显示装置，其特征在于，所述一部分小透镜是配置在其光学中心与所述其它小透镜的光学中心不同的位置上的偏心透镜，以使由穿过该一部分小透镜的分光束照射的被照明区域上的照明区域，相对于由穿过所述其它小透镜的分光束照射的所述被照明区域上的照明区域，向所述行方向偏移。
13．如权利要求11或12所述的投射式显示装置，其特征在于，在相同列方向上存在的所述多个小透镜被分成多个组；在同一组中包括的小透镜相对于透镜中心在相同位置上有光学中心；在不同组中包括的小透镜相对于透镜中心在互不同位置上有光学中心。
14．如权利要求13所述的投射式显示装置，其特征在于，对在相同列方向上存在的所述多个小透镜进行分组，以使穿过所述多个组的各个组的分光束的光量相等。
15．如权利要求13所述的投射式显示装置，其特征在于，所述多个组是沿所述列方向划分的至少两个区域。
16．如权利要求15所述的投射式显示装置，其特征在于，所述多个组是沿所述列方向划分的两个区域，在所述两个区域内的一个区域中包括的多个小透镜的光学中心和在其它区域中包括的多个小透镜的光学中心位于相对于透镜中心对称的位置。
17．如权利要求11至15中任一项所述的投射式显示装置，其特征在于，所述第二透镜阵列的多个小透镜的各个光学中心配置在与所述光源的光轴中心相当的与所述第二透镜阵列中心点对称的位置上。
18．如权利要求11至17中任一项所述的投射式显示装置，其特征在于，所述分离重叠光学系统还包括重叠结合透镜，在所述光调制装置上的照明位置使穿过所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列的多个小透镜的多个分光束大致重叠并合成；和偏振光转换元件，设置在所述第二透镜阵列与所述重叠结合装置之间；所述偏振光转换元件配有偏振光分光镜阵列，有多组相互平行的偏振光分离膜和反射膜，把穿过所述第二透镜阵列的多个小透镜的多个分光束分别分离成两种直线偏振光分量；和偏振光转换装置，使被所述偏振光分光镜阵列分离的所述两种直线偏振光分量的偏振光方向一致。
全文摘要
使由正交分光棱镜中心轴产生的暗线变得不明显。利用在相同列方向位置上排列的小透镜用相对于透镜中心透镜光轴位置不同的三种小透镜132a、132b、132c,使第二透镜阵列130成为每行不同的结构。分光束分别照射不同的照明区域2561a、2571a和2581a,使分别穿过小透镜132a、132b、132c的分光束的中心轴相对于液晶光阀252的被照明区252a的中心,分别穿过不同的位置。
文档编号G02B3/00GK1206474SQ97191521
公开日1999年1月27日 申请日期1997年10月27日 优先权日1996年10月30日
发明者伊藤嘉高, 桥爪俊明 申请人:精工爱普生株式会社