专利名称：透镜元件、照明光学设备和投影显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及主要用于照明的透镜元件、主要用于照明空间光调制器的的照明光学设备和投影显示设备，当从外部装置提供视频信号时，为形成光学图象，通过使用照明光学设备、空间光调制器和投影透镜，把大屏幕图象投影在屏幕上。
作为大屏幕的视频装置的分别使用空间光调制器的各种类型的投影显示设备是已知的。这些投影显示设备中的每一种设备使用投影透镜放大与从外部装置提供的视频信号相应的光学图象，并且通过把透射或反射型液晶面板用作空间光调制器，用光源照明液晶面板，而在液晶面板上形成光学图象。
用于投影显示设备的照明光学设备必需具有高的亮度和颜色均匀性、高的光利用效率以及在光接收表面(空间光调制器)上的大的光输出。
已经揭示了作为改进亮度和颜色均匀性的装置，即一种使用两个透镜阵列的投影显示设备(例如，日本专利申请公开第平3-111806以及平5-346557)。图26示出了投影显示设备的一种基本结构。从灯泡280发射出的白光由凹面反光镜281聚光，成为沿光轴288行进并且与之平行的光通量，它通过透镜阵列283、284和向场透镜285，并且照明液晶面板286的显示区域。使用UV-IR截止滤光器282以从照明光中去除不需要的和有害的红外光和紫外光。在液晶面板286上形成光学图象，该图象由投影透镜287放大并且投影在屏幕(未示出)上。
一般，大家知道，由凹面反光镜聚光的光通量的亮度在接近其光轴的位置处由于光通量密度上升而增加，而在离光轴较远的部分的亮度由于光通量的密度降低而减小。使用透镜阵列283和284来改进由凹面反光镜聚光的光通量的亮度不规则性。第一透镜阵列283和第二透镜阵列284分别由多个第一透镜283a和第二透镜284a的二维布置构成。从凹面反光镜282发射出的光通量被分为微光通量，而把这些微光通量引至相互叠加的结构中，从而每个微光通量照明液晶面板286的整个显示区域。
示于图26的由凹面反光镜和两个透镜阵列组合而成的传统的照明光学设备完全满足了投影显示设备所要求的显示均匀性，但是它具有下述问题。
当用透镜阵列来构造照明光学设备时，灯泡280的施照体的象在多个第二透镜284a的孔径上形成。这种状况在图27中示意地示出。当把由凹面反光镜282聚光的具有较大的亮度不均匀性的光通量施加至第一透镜阵列283时，在接近光轴位置处(在该处光通量密度较高)，多个施照体的象290的尺寸增加，而在距光轴较远的位置处(在该处光通量密度较低)，施照体的象的尺寸减小。
当第二透镜284a的孔径小于在那里形成的施照体的象290时，从孔径泄漏的光导致损耗。当对于施照体的象290应用足够大的孔径时，施照体的象290朝着周界减小尺寸，如图27所示。因此，增加了不需要的区域的数目，增加了第二透镜阵列284的有效孔径，因而需要具有较大的会聚角的投影透镜。会聚角的增加造成投影透镜尺寸的增加，因而导致成本的提高。为了减小用于照明的光的辐射角，可以增大照明光路。然而，这样做增大了第二透镜阵列284和液晶面板286之间的间隔，因而增大了投影设备的总尺寸。
当由灯泡280形成的施照体足够小时，问题的程度较轻。然而，由于施照体具有一定大小的尺寸，由实际用于上述目的的金属卤化物灯或氙灯形成的施照体具有一个问题。
作为提高照明光通量的光输出的装置，揭示了使用多个灯泡的投影显示设备(例如，日本专利申请公开平6-242397、平-265887以及平9-50082)。图28示出了上述投影显示设备的结构。
分别为多个灯泡301和302安排抛物面反射镜303和304、UV-IR截止滤光镜305和306、第一透镜阵列307和308以及第二透镜阵列309和310。用二向色反射镜311和312把从第二透镜阵列309和310射出的光分成红、绿和蓝三原色光，然后通过向场透镜318、319和320，并且进入分别相应的液晶面板321、322和323。中继透镜313和314校正照明光的强度差，它是由照明光路长度(它是在一侧的第二透镜阵列309和310和在另一侧的液晶面板321、322和323之间的距离)之差造成的。此外，安排平面反射镜315、316和317以使每种颜色的光路弯折。从液晶面板321、322和323发射出的红、绿和蓝原色光由二向色棱镜324综合，然后进入投影透镜325。投影透镜325把形成在液晶面板321、322和323上的光学图象放大，然后把它们投影在屏幕(未示出)上。
第二透镜阵列309和310的表面附近几乎与投影透镜325的光瞳表面326共轭，因而在第二透镜阵列309和310上形成的多个施照体的象的尺寸和分布被聚焦在投影透镜325的光瞳表面上。图29示意地示出形成在投影透镜325的光瞳表面326上的施照体的象340和341的状况。在图29中，虚线是示出第二透镜阵列309和310的轮廓的虚拟的直线。在投影透镜325的光轴331两侧，相应于灯泡301和302的施照体的象340和341形成在投影透镜的光瞳表面326上。
在投影透镜325中，通常提供光晕，其中，在屏幕上，周围的光照度低于中心的光照度。这是由于在投影透镜325的光瞳表面326上的施照体的象340和341由于光晕而造成遮光。因此，如图29所示，当在光轴331的两侧安排发光特性相互不同的两个灯泡301和302时，施照体的象对屏幕周围的亮度的贡献相互不同。因此，在屏幕上的投影图象中出现了颜色不均匀性。此外，如果任何灯泡熄灭，则在屏幕上的光照度分布变得不规则。
此外，在图28所示的结构的情形中，通过在一条光路中安排中继透镜313和314，把照明光引至用于原色光之一的液晶面板323，因此，在投影透镜325的光瞳表面326上形成的施照体的象对于光轴331倒转。因此，如果两个灯泡301和302的发光特性相互略有不同，则由于投影透镜325的光晕，施照体的象的遮光条件之差只在一种颜色中不同，结果，在屏幕上的投影图象中出现很大的颜色不规则性。
此外，由于增加灯泡的数目造成投影透镜所需的会聚角增大，这导致投影透镜成本的提高并且增大了投影设备的尺寸。
如上所述，在用于投影显示设备的传统的照明光学设备的情形中，以高效能得到具有均匀的亮度的光通量而不增大投影透镜的会聚角，是一个问题。此外，当使用多个灯泡时，以高效能得到具有均匀亮度和大的光输出的照明光通量而不受投影透镜的遮光的影响，也是一个问题。
本发明的透镜元件的一个目的是在由一个凹面反光镜聚光的光通量上工作，并且改进通量的照明不规则性。此外，本发明的照明光学设备的另一个目的是形成一个具有均匀的亮度、高的效能以及大的光输出，主要适于投影显示设备使用的照明光通量。此外，通过使用本发明的照明光学设备，可以提供一种投影显示设备，用于实现显示不规则性很少的明亮的投影图象。
一种对沿着光轴并基本与之平行前进的输入光通量进行工作以发射沿着所述光轴和基本与之平行前进的输出光通量的透镜元件，其特征在于，包括从入射侧按次序排列的输入侧透镜组和输出侧透镜组，其中所述输入侧透镜组在有效孔径的光轴附近具有负光焦度，而在所述输入侧透镜组的有效孔径的周围的光焦度基本为零，和所述输出侧透镜组在有效孔径的所述光轴附近具有正光焦度，而在所述输出侧透镜组的所述有效孔径的周围的光焦度基本为零。
一种对散射光进行工作以形成沿着光轴并与之基本平行前进的输出光通量的透镜元件，其特征在于，包括从入射侧，按次序排列输入侧透镜组和输出侧透镜组，其中所述输入侧透镜组在有效孔径的光轴附近的光焦度基本为零，而在所述输入侧透镜组的所述有效孔径的周围具有正光焦度，和所述输出侧透镜组在有效孔径的光轴附近具有正光焦度，而在所述输出侧透镜组的所述有效孔径的周围的光焦度基本为零。
在本发明的透镜元件的情形中，由于输入光通量密度朝光轴增加使得光接受表面的光照度朝光轴增加，但由于输入光通量密度朝着周边减小使得光接受表面的光照度相对于输入光通量朝周边减小。所以，降低接近光轴的高光通量区域的光通量，但远离光轴的周边的低光通量区域改善了光通量，于是，可以改善具有大的亮度不规则性的光通量的均匀性。
一种用于用于沿着光轴并与之基本平行前进的预定区域的照明光学设备，其特征在于，包括施照体；凹反射镜，用于通过聚集从所述施照体射出的光来形成沿着光轴并基本与之平行前进的光通量；输入侧透镜组，从所述凹反射镜射出的光通量进入所述输入侧透镜组；和输出侧透镜组，从所述输入侧透镜组射出的光通量进入所述输出侧透镜组，其中所述输入侧透镜组在有效孔径的光轴附近具有负光焦度，而在所述输入侧透镜组的所述有效孔径的周围的光焦度基本为零，和所述输出侧透镜组在有效孔径的光轴附近具有正光焦度，而在所述输出侧透镜组的所述有效孔径的周围的光焦度基本为零。
一种用于用沿着光轴并基本与之平行前进的光通量来照亮预定区域的照明光学设备，其特征在于，包括施照体；
凹反射镜，用于通过聚集从所述施照体射出的光形成第二施照体；输入侧透镜组，其中从所述第二施照体射出的散射光进入所述输入侧透镜组；和输出侧透镜组，其中从所述输入侧透镜组射出的光通量进入所述输出侧透镜组，其中所述输入到透镜组在有效孔径的光轴附近的光焦度基本为零，而在所述输入侧透镜组的所述有效孔径的周围具有正光焦度，和所述输出侧透镜组在有效孔径的光轴附近具有正光焦度，而在所述输出侧透镜组的所述有效孔径的周围的光焦度基本为零。
一种用于通过聚集从多个施照体射出的光来照亮预定区域的照明光学设备，其特征在于，包括；施照体；第一聚光装置，用于聚集从所述施照体射出的光；光合成装置，用于合成由所述第一聚光装置聚集的光并沿着预定方向发射所述合成光；第二聚光装置，从所述光合成装置射出的光进入所述第二聚光装置并发射基本平行光；第一透镜阵列，由多个透镜构成以将由所述第二聚光装置提供的光分成多个光通量；第二透镜阵列，由多个透镜构成并且从所述第一透镜阵列提供的光进入所述第二透镜阵列，其中在构成所述第二透镜阵列的所述透镜上形成与所述施照体相对应的图象。
一种用于通过聚集从多个施照体射出的光来照明预定区域的照明光学设备，其特征在于，包括；施照体；第一聚光装置，用于聚集从所述施照体射出的光；光合成装置，用于合成由所述第一聚光装置聚集的光并沿着预定方向发射所述合成光；第二聚光装置，从所述光合成装置射出的光进入所述第二聚光装置以控制入射光的所述光通量密度，从而从有效孔径的光轴附近到周围基本变得一致，并发射基本平行光；第一透镜阵列，由多个透镜构成并将从所述第二聚光装置通过的光分成多个光通量；第二透镜阵列，由多个透镜构成并且从所述第一透镜阵列提供的光进入所述第二透镜阵列，其中所述第二聚光装置设有(1)输入侧透镜，它在有效孔径的光轴附近的光焦度基本为零，而在所述有效孔径的周围具有正光焦度，和(2)输出侧透镜，它在有效孔径的光轴附近具有正光焦度，而在所述有效孔径的周围的光焦度基本为零，和在构成所述第二透镜阵列的所述透镜上形成与所述施照体相对应的图象。
一种用于通过聚集从多个施照体射出的光来照亮预定区域的照明光学设备，其特征在于，包括施照体；第一聚光装置，用于聚集从所述施照体射出的光；光合成装置，用于合成由所述第一聚光装置聚集的光并沿着预定方向发射所述合成光；第二聚光装置，从所述光合成装置射出的光进入所述第二聚光装置以发射基本平行的光；第一透镜阵列，由多个透镜构成并将从所述第二聚光装置通过的光分成多个光通量；第二透镜阵列，由多个透镜构成并且从所述第一透镜阵列提供的光进入所述第二透镜阵列；偏振光分离装置，从所述第二透镜阵列提供的光进入所述偏振光分离装置以将自然光分成两个线性偏振光，它们的的偏振方向互相垂直；和偏振光旋转装置，从所述偏振光分离装置提供的光进入所述偏振光旋转装置以旋转所述两个线性偏振光中至少一个的所述偏振方向，其中在构成所述第二透镜阵列的所述透镜上形成与所述施照体相对应的图象。
一种用于通过聚集从多个施照体射出的光来照明预定区域的照明光学设备，其特征在于，包括；施照体；
第一聚光装置，用于聚集从所述施照体射出的光；光合成装置，用于合成由所述第一聚光装置聚集的光并沿着预定方向发射所述合成光；第二聚光装置，从所述光合成装置射出的光进入所述第二聚光装置以控制入射光的所述光通量密度，从而从有效孔径的光轴附近到周围基本变得一致，并发射基本平行光；第一透镜阵列，由多个透镜构成并将从所述第二聚光装置通过的光分成多个光通量；第二透镜阵列，由多个透镜构成并且从所述第一透镜阵列提供的光进入所述第二透镜阵列；偏振光分离装置，从所述第二透镜阵列提供的光进入所述偏振光分离装置以将自然光分成两个线性偏振光，它们的的偏振方向互相垂直；和偏振光旋转装置，从所述偏振光分离装置提供的光进入所述偏振光旋转装置，以旋转所述两个线性偏振光中至少一个的所述偏振方向，其中所述第二聚光装置设有(1)输入侧透镜，它在有效孔径的光轴附近的光焦度基本为零，而在所述有效孔径的周围具有正光焦度，和(2)输出侧透镜，它在有效孔径的光轴附近具有正光焦度而在有效孔径的周围的光焦度基本为零，和在构成所述第二透镜阵列的所述透镜上形成与所述施照体相对应的图象。
在上述本发明的第五至第八方面的照明光学设备的情形中，最好设置平面反射镜以弯折第一聚光装置和光综合装置之间的光路。
对于平面反射镜最好使用冷反射镜，以通过红外光和反射可见光。
对于光综合装置最好使用具有多个反射平面的反射棱镜。
对于光综合装置最好使用具有一个总反射平面的直角棱镜。
构成第二透镜阵列的多个透镜最好是具有一根长轴和一根短轴的矩形，多个施照体安排在大体上与长轴平行的同一个平面上，而施照体的象沿长轴方向安排。
此外，在本发明的第七至第八方面的照明光学设备的情形中，对于偏振光分离装置最好使用多个偏振光分离棱镜阵列，它们是以恒定的间距安排多个偏振光分离棱镜构成的，这些偏振光分离棱镜分别设置有沿垂直于包括多个施照体的平面的偏振光分离薄膜。
此外，在本发明的第六至第八方面的照明光学设备的情形中，最好在输入侧透镜和输出侧透镜之间设置平面反射镜，以弯折光路。
对于平面反射镜最好使用冷反射镜，以通过红外光和反射可见光。
通过使用本发明的透镜元件和凹面反光镜，本发明的照明光学设备可以形成具有亮度均匀性很高的光通量，而不增大投影透镜的聚光角。此外，当使用多个灯泡时，可以在同一个透镜阵列上形成灯泡的施照体的象，并且以高效能形成具有均匀的亮度和大的光输出的光通量。通过在棱镜阵列的出射侧安排偏振光分离装置和偏振光旋转装置，可以形成偏振方向安排得很好的照明光通量。
一种透镜显示装置，其特征在于，包括用于形成如权利要求3或4所述的照明光的照明光学设备；空间光学调制器，从所述照明光学设备提供的光进入所述空间光学调制器以根据视频信号形成光学图象；和用于将在所述空间光学调制器上的光学图象投影在屏幕上的投影装置。
本发明的第十六方面的投影显示设备最好设置由多个透镜构成的第一透镜阵列板和由多个透镜构成的第二透镜阵列板，第一透镜阵列板把从照明光学设备发射出的光分为多个光通量，而第二透镜阵列板接收从第一透镜阵列板出射的光，其中，第二透镜阵列通过相互叠加光通量，使光通量到达空间光调制器的表面。
一种投影显示装置，其特征在于，包括用于根据权利要求5至8中任一权利要求形成照明光的照明光学设备；从所述照明光学设备提供的光进入其中以根据视频信号形成光学图象的空间光学调制器，和用于将在所述空间光学调制器上的光学图象投影在屏幕上的投影装置。
一种投影显示装置，其特征在于，包括照明光学设备，用于根据权利要求5至8中任一权利要求形成白光作为照明光；颜色分离装置，用于将从所述照明光学设备提供的白光分成红、绿和蓝色成分；
三个空间光学调制器，从所述颜色分离装置提供的每个彩色光进入所述三个空间光学调制器以根据视频信号形成光学图象；颜色合成装置，用于合成从所述空间光学调制器射出的红、绿和蓝光，和用于将在所述空间光学调制器上的光学图象投影在屏幕上的投影装置。
一种投影显示装置，其特征在于，包括；照明光学设备，用于根据权利要求5至8中任一权利要求形成白光作为照明光；颜色分离装置，用于将从所述照明光学设备提供的白光分成红、绿和蓝色成分；偏振光分离棱镜，从所述颜色分离装置提供的每个彩色光进入所述偏振光分离棱镜以将入射光分成具有互相垂直的偏振光方向的两道光；三个空间光学调制器，从所述偏振光分离棱镜提供的光进入所述三个空间光学调制器，以根据视频信号形成光学图象；颜色合成装置，用于合成在从所述空间光学调制器射出的红、绿和蓝光通过所述偏振光分离棱镜之后入射的红、绿和蓝光，和用于将在所述空间光学调制器上的光学影像投影在屏幕上的投影装置。由于用本发明的照明光学设备形成的照明光通量来照射空间光调制器，因此本发明的投影显示设备可以用较小的投影设备实现显示均匀性很高的明亮的投影图象。
图1示出本发明的棱镜元件的实施例的示意方框图；图2(a)和2(b)是用于说明本发明的透镜元件功能的示意方框图；图3是示出本发明的透镜元件的另一个实施例的示意方框图；图4是示出本发明的照明光学设备的实施例的示意方框图；图5是示出本发明的照明光学设备的另一个实施例的示意方框图；图6是用于说明本发明的照明光学设备的功能的示意图；图7是用于说明现有技术的照明光学设备的功能的示意图；图8(a)是示出本发明的照明光设备的另一个实施例的示意方框图；图8(b)是反射棱镜78的放大图；图9是示出第一棱镜阵列的结构的示意方框图；图10是示出在本发明的第二透镜阵列上的施照体的象的一个实施例的示意图11是示出在本发明的投影透镜的光瞳表面上的施照体的象的一个实施例的示意图；图12是示出反射棱镜的另一种结构的示意方框图；图13是示出本发明的照明光学设备的又一个实施例的示意方框图；图14是示出偏振光分离棱镜阵列的结构的示意方框图；图15是说明偏振光分离棱镜阵列的功能的示意图；图16是示出在本发明的投影棱镜的光瞳表面上的另一个施照体的象的示意图；图17是示出本发明的照明光学设备的再一个实施例的示意方框图；图18是示出在本发明的投影棱镜的光瞳表面上的又一个施照体的象的示意图；图19是示出本发明的照明光学设备的还有一个实施例的示意方框图；图20是示出在本发明的投影棱镜的光瞳表面上的再一个施照体的象的示意图；图21是示出本发明的投影显示设备的一个实施例的示意方框图；图22是示出本发明的投影显示设备的另一个实施例的示意方框图；图23是示出本发明的投影显示设备的又一个实施例的示意方框图；图24是示出本发明的投影显示设备的再一个实施例的示意方框图；图25是示出本发明的投影显示设备的还有一个实施例的示意方框图；图26是示出传统的投影显示设备的一个实施例的示意方框图；图27是示出在传统的第二透镜阵列上的施照体的象的示意图；图28是示出传统的投影显示设备的另一个实施例的示意方框图；以及图29是示出在传统的投影棱镜的光瞳表面上的施照体的象的示意图。
下面参看附图描述本发明的特殊的实施例。
(实施例1)图1示出本发明的透镜元件的基本结构。透镜元件由两个透镜(诸如输入侧透镜1和输出侧透镜2)构成，该透镜元件对输入几乎平行于光轴3行进的光通量4工作，以出射几乎平行于光轴3行进的光通量5。
输入侧透镜1由非球面的输入面和平坦的输出面构成，并且具有与光轴3旋转对称的透镜形状。输入侧透镜1在光轴3附近具有负的光焦度(power)，以适度地辐射输入至光轴3附近的光。与此同时，输入侧透镜1在孔径的周边(它对输入光通量(luminous)4的有效截面的周边工作)处具有大体上为零的光焦度，因而光线几乎直接直线地通过周边行进。
输出侧透镜2由具有平坦的输入面和非球面的输出面构成，并且具有对于光轴3旋转对称的透镜形状。输出侧透镜2在光轴3附近具有正的光焦度，因而通过光折射来发射进入光轴3附近的光，从而光几乎平行于光轴3行进。与此同时，输出侧透镜2在孔径周边附近具有大体为零的光焦度，因而使通过输入侧透镜1的周边的光直接出射而不折射。
按照上述结构，将输入光通量4的通过截面面积与输出光通量5的通过截面面积相比，通过光轴3附近的光通量的通过截面面积被放大。然而，将输出光通量5的通过截面面积与输入光通量4的通过截面面积相比，通过远离光轴3的周边的光通量的通过截面面积被缩小。
所以，当存在具有大的亮度不规则性的光通量并且由于光通量密度朝光轴3增加而增大受光面的光照度以及由于光通量密度朝周边减小而减小受光面的光照度时，如果通过使用上述光通量作为输入，使适于图1的透镜元件工作，则光轴附近的光通量密度高的区域由于增大了通过面积而减小了光通量密度。在远离光轴的光通量密度低的区域由于减小了通过面积而增大了光通量密度。按照上述作用，与输入光通量4的截面的亮度分布相比，改进了输出光通量5的截面的亮度分布的均匀性。
通过参看图2(a)和2(b)，在下面补充要提供给本发明的透镜元件的一个实施例的功能。下面所述的内容是特殊设计本发明的透镜元件的表面形状的基本概念的概要。图2(a)和2(b)示意地示出沿光轴3行进的光通量的截面，其中，图2(a)示出输入光通量4的截面而图2(b)示出输出光通量5的截面。
例如，用由四条虚线所示的同心圆把输入光通量的截面分为五个区域10A、11A、12A、13A和14A。假设五个区域的面积是S1、S2、S3、S4和S5。与上述五个区域相应，把输出光通量也分为五个区域1B、11B、12B、13B和14B，并且假设五个区域的面积是SS1、SS2、SS3、SS4和SS5。
如此构造本发明的透镜元件，从而通过输入光通量的区域10A的光几乎从输出光通量的区域10B出射。对于区域11A和11B、12A和12B、13A和13B以及14A和14B也是如此。与此同时，如此形成区域的面积，从而满足下述表示式SS1＞＞S1，SS2＞＞S2，SS3＞＞S3，SS4＞＞S4以及SS5＞＞S5。此外，使输入光通量4和输出光通量5的有效光通量直径几乎相等，并且平行于光轴3行进的输入光通量与输出光通量中的光轴3平行地出射。
按照上述结构，通过区域10A的光通量的光通量密度减小并从区域10B出射。对于从区域11B出射的光通量也是如此。通过这些区域的光通量是输入光通量和输出光通量，它们在受光面上的亮度(光照度)减小。通过区域12A并从区域12B出射的光通量在受光面上的亮度不变，由于其光通量密度几乎保持不变。
通过区域13A并从区域13B出射的光通量的光通量密度增加，它们是输入光通量和输出光通量，并且改进了在受光面上的亮度。对于从区域14B出射的光通量也是如此。作为这些作用的结果，校正了输入光通量的亮度不规则性，由此可以得到具有改进的亮度均匀性的输出光通量。
上述过程示出关于把光通量的截面分成五个区域的构成本发明的透镜元件的概念。然而，把截面分成区域的数目只是为了使描述简单。即使通过按照上述过程把截面分成五个区域来构造透镜元件，也能够充分得到本发明的好处。此外，通过增加划分的数目并且进行实际的设计，对于改进亮度均匀性的本发明的透镜元件的好处，能够得到更加充分的结果。
此外，图1示出当使用两个透镜时的本发明的透镜元件的结构。然而，本发明的好处不限于上述情形。最好用至少两组透镜(诸如输入透镜组和示出透镜组)来构造本发明的透镜元件，并且组成输入侧透镜组，从而得到通过使用输入侧透镜1描述的作用。与此同时，最好组成输出侧透镜组，从而得到通过使用输出侧透镜2描述的作用。
所以，对于输入侧透镜组，在光轴附近具有负的光焦度而在周边处具有大体上为零的光焦度就足够了。此外，对于输出侧透镜组，在光轴附近具有正的光焦度而在周边处具有大体上为零的光焦度就足够了。
按照上述结构，本发明的透镜元件对几乎与光轴平行行进的输入光通量工作并且出射几乎与光轴平行行进的示出光通量。于是，与输入光通量的亮度的均匀性相比，可以改进输出光通量的亮度的均匀性。
(实施例2)图3示出本发明的透镜元件的另一种基本结构。该透镜元件由两个透镜(诸如输入侧透镜21和输出侧透镜22)组成，并且对从光轴23上的一点射出的输入光通量24工作，以出射几乎平行于光轴23行进的射出光通量。
输入侧透镜21由非球面输入面和输出面构成，它具有对于光轴旋转对称的透镜形状。输入侧透镜21在光轴23附近具有大体上为零的光焦度，因此使输入至光轴23附近的光直接行进，而不大大改变光的行进方向。此外，输入侧透镜21对于输入至输入侧透镜21的远离光轴23的孔径的周边的光具有正的光焦度，折射光，并且作为几乎平行于光轴23行进的光出射光。
输出侧透镜22由平坦的输入面和非球面的射出面构成，后者具有与光轴23旋转对称的透镜形状。输出侧透镜22在光轴23附近具有正的光焦度，因而使输至该部分的光作为几乎平行于光轴23行进的光出射。于此同时，透镜22在孔径周边具有大体上为零的光焦度，因而对来自输入侧透镜21的周边的几乎平行于光轴23行进的光直接出射。
与输入侧透镜21的通过截面面积相比，输出侧透镜22的通过光轴23附近的光通量的通过截面面积增大。然而，与输入侧透镜21的通过截面面积相比，输出侧透镜22的通过远离光轴23的周边的光通量的通过截面面积减小。所以，在这种情形中，也可以得到亮度不规则性得到改善的输出光通量。
图3示出当使用两个透镜时，本发明的透镜元件的结构。然而，本发明的好处不限于上述情形。最好用至少两组(诸如输入侧透镜组和输出侧透镜组)来构成透镜元件，从而每个透镜组达到上述作用。
因此，对于输入侧透镜组，在光轴附近具有大体上为零的光焦度而在周边处具有正的光焦度就足够了。此外，对于输出侧透镜组，在光轴附近具有正的光焦度而在周边处具有大体上为零的光焦度就足够了。
按照上述结构，本发明的透镜元件对从几乎是一点射出的光工作，并且能够形成几乎平行于光轴的亮度均匀性号的输出光通量。
(实施例3)图4示出本发明的照明光学设备的基本结构。照明光学设备由施照体31、抛物面反光镜32、输入侧透镜1和输出侧透镜2组成。由输入侧透镜1和输出侧透镜2组成的透镜元件36具有与图1的透镜元件相同的结构。
施照体31相应于，例如，在放电灯的电极之间形成的电弧或者相应于卤素灯等等的灯丝。也可以用诸如LED等电发光体来组成施照体31。在这些施照体的情形中，把它们的有效区域的重心设置在抛物面反光镜的焦点附近。抛物面反光镜32把从施照体31发射的光加以会聚，以形成几乎平行于光轴35行进的光通量。
抛物面反光镜32具有这样的好处，即，由于反光镜32的反射面对于施照体31具有较大的立体角，因此能够增大会聚率。此外，在会聚和发射平行光通量的情形中，光通量密度朝光轴35增加，而朝离开光轴35减小。因此，反光镜32输出亮度不规则性较大的照明光通量。
然而，按照参考图1描述的作用和效果，由输入侧透镜1和输出侧透镜组成的透镜元件36进一步使输入光通量33的密度均匀，并且输出具有改进的亮度不规则性的光通量34。
按照上述结构，与仅仅使用传统的抛物面反光镜进行照明的情形相比，使用本发明的照明光学设备可以得到具有改进的亮度不规则性的照明光通量。
(实施例4)图5示出本发明的照明光学设备的另一种基本结构。照明光学设备由施照体41、椭圆面反光镜42、输入侧透镜21和输出侧透镜22组成。由输入侧透镜21和输出侧透镜22组成的透镜单元具有与图3的透镜单元相同的结构。
在施照体41的情形中，把有效区域的重心设置在椭圆面反光镜42的第一焦点附近。椭圆面反光镜42会聚从施照体41发射出的光并且会聚在反光镜42的第二焦点附近的光。在第二焦点附近形成点状的发光面47，并且透镜元件4会聚从发光面47发射出的光以形成几乎平行于光轴行进的光通量44。
通过参照图6对本发明的照明光学设备的功能和优点加以补充如下。
图6是图5的照明光学设备的简图，图中只示出用于说明的光线。在下面的描述中，假设下面的四条光线在光轴45上通过的光线50、在光轴45附近通过的光线51、通过椭圆面反光镜42的孔径的最远周边和透镜元件46的最远周边的光线53以及通过光线53的内侧的光线52。
在上述的光线中，对于三条光线51、52和53定义两个角度α和θ和一个高度h。假设在从施照体41发射出的光线和光轴45之间形成的角度是α，而把角度α1、α2和α3分派给在椭圆面反光镜42上的光线51、52和53。然而，只注意角度α的绝对值，但其方向(符号)没有任何意义。在图6中，为方便起见，把角度α1以及角度α2和α3示于光轴45的两侧。然而，由于这个系统对于光轴45是旋转对称的，最好假设α1、α2和α3为正的角度。
此外，假设在通过第二焦点并朝输入侧透镜21行进的光线和光轴之间形成的角度为θ。此外，假设把角度θ1、θ2和θ3分派给光线51、52和53。然而，类似于角度α的情形，最好假设角度θ为正的角度。
在光线从输出侧透镜出射的情形中，由于这些光线平行于光轴45行进，因此把从光轴45算起的高度定义为h。此外，把高度h1、h2和h3分派给光线51、52和53。此外，由于与上面所述的相同的原因，通过只注意高度h的绝对值而假设高度h为正值。
此外，在图7中示出一种传统的结构，以通过比较更清楚地描述本发明的功能和优点。图7示出，通过使用与图6相同的施照体41和椭圆面反光镜42，在第二焦点附近形成发光点47。传统上，发光点47由特殊的会聚透镜64会聚，以形成沿光轴行进并且几乎平行于光轴65的光通量。在会聚透镜64的情形中，一般，普遍知道，通过把透镜64的焦点调节至椭圆面反光镜42的第二焦点以及使用具有合适的锥形系数的非球面来消除球差。通过使用会聚透镜64，从一个点辐射出的光作为平行于光轴65的光发射。
在图7中，与图6的情形相似，也定义四条光线。在此情形中，假设下述四条光线在光轴65上通过的光线60、在光轴65附近通过的光线61、通过椭圆面反光镜42的孔径的最远的周边和会聚透镜64的最远的周边的光线63以及通过光线63的内侧的光线62。
此外，在光线61、62和63的情形中，在图7中示出角度α1′、α2′和α3′；角度θ1′、θ2′和θ3′；以及高度h1′、h2′和h3′，并且与图6的情形相类似地定义它们。
在图6的本发明的照明光线设备的结构和图7的传统的结构中，定义了光线使其高度h1、h2和h3彼此相等。对于这两种结构，假设了出射的光通量在光轴附近的亮度和在光通量的周边处的亮度。在光轴附近，由高度h1确定的整个圆的面积假设为S1。在光通量的周边处，在高度h2和h3之间的球状区域的面积假设为S2。
在图6中，用于照明面积S1的光是通过在光线50和51之间的区域的光线组，它是包括在角度α1和θ1之间的光线组。在图7中，照明面积S1的光是通过在光线50和51之间的区域的光线组，它是包括在角度α1′和θ1′之间的光线组。此外，在图6中，用于照明面积S2的光是通过在在光线52和53之间的区域的光线组，它包括在从角度α2至角度α3的区域以及从角度θ2至角度θ3的区域中。在图7中，用于照明面积S2的光是通过在光线62和63之间的区域的光线组，它包括在从角度α2′至角度α3′的区域以及从角度θ2′至角度θ3′的区域中。
通过参看图7，首先描述传统的结构的问题如下。在出射光通量的截面(受光面)上，上述面积S1和S2具有关系式S1＜＜S2。当高度h1′等于高度h3′-h2′时，这很清楚。所以，为以相同的亮度照明这两个区域S1和S2，根据面积S1和S2，必需把较多的光线引至S2侧。
然而，要引至这些面积S1和S2的光由椭圆面反光镜42的角度α确定。例如，由于要提供给面积S1的光施加至光线60和61之间的范围，因此光线变为包括在角度α1′中的光线组。由于要提供给面积S2的光施加至光线62和63之间的范围，因此光线变为包括在角度α3′-α2′中的光线组。
在示于图7的传统结构的情形中，很清楚，α1′变得大于α3′-α2′，因此，会聚较多的光线组并且导致光线65附近的较小的面积S1。因此，由于光通量密度较大，光轴65的附近变亮，而由于光通量密度较小，远离光轴65的光通量周边变暗，于是在周边处的亮度不规则性增大。
在示于图6的本发明的照明光线设备的情形中，改善了上述问题。由于高度h1、h2和h3对于图6和图7是共同的，对于面积S1和S2也一样，于是，α1′大于α1，而α3′-α2′小于α3-α2。所以，通过使用本发明的透镜元件来组成如图5所示的照明光学设备，到达光轴45附近的光线在椭圆面反光镜42上的会聚范围减小，因而降低了其亮度。然而，到达光通量周边的的光线增大了在椭圆面反光镜42上的会聚范围，因而改善了其亮度。由此，可以改善出射的光通量的亮度不规则性。
当通过比较本发明的透镜元件和传统的会聚透镜来理解上述功能时，组成本发明的透镜元件，从而θ1′＞θ1并且θ3′-θ2′＜θ3-θ2。
按照上述结构，本发明的照明光学设备对由椭圆面反光镜会聚的光通量工作，以形成亮度均匀性很好的照明光通量。
(实施例5)图8(a)和8(b)还示出本发明的照明光学设备的另一个基本结构。本发明的照明光学设备构成照明光通量，它主要通过运用大量灯来照亮空间光学调制器。照明光学设备89是由灯70和71、作为第一聚光装置的椭球面镜72和73、UV-IR截止面镜(cut mirror)74和75、平面镜76和77、作为光合成装置的反射棱镜78(如图8(b)所示)、作为第二聚光装置的聚光透镜80、第一透镜阵列81、第二透镜阵列82和光束合成透镜83。空间光学调制器运用透射型液晶板，以通过运用偏振光和散射调制光。
此外，为了示出在图9至11以及图8(a)、8(b)之间的方向关系，在每张图中示出X、Y和Z坐标轴。
灯70和71分别运用放电灯，诸如金属卤化物灯。在灯70的电极之间形成施照体70a，而且在灯71的电极之间形成施照体71a。把施照体70a的有效区域的重心设置在椭球面镜72的第一焦点附近，而把施照体71a的有效区域的重心设置在椭球面镜73的第一焦点附近。此外，把反射棱镜78的反射平面78a设置在椭球面镜72和73的第二焦点附近。由椭球面镜72和73聚集从施照体70a和70b射出的光以在椭球面镜72和73的第二焦点附近(即，在反射棱镜78的反射平面78a附近)形成施照体象70b和71b将由铝薄膜或介电多层薄膜构成的反射涂层(relection coating)施于反射棱镜78的反射平面78a，从而平面78a有效地反射可见光。较佳的是，设定反射平面78a的倾斜角，从而反射光的光轴几乎与聚光透镜80的光轴平行。UV-IR截止滤波器(cut filter)74和75用于去除从灯70和71射出的光中有害的紫外光和红外线光。此外，平面镜76和77用于弯曲从椭球面镜72和73射出的光的光程。
根据上述结构，可以获得等同于其中将最初互相分开的施照体70a和71a设置成互相靠近的情况并有效地合成从灯70和71射出的光。在这种情况下，将聚集多个灯射出的光到这样的程度以至于几乎可将光看作一个光发射源的过程定义为合成。此后，将施照体象70a和71a称为第二光源79。
从第二光源79射出的光是散射光，它进入聚光透镜80。聚光透镜80例如运用非球面棱镜，而且将它的焦点调节至几乎在第二光源79的重心上。通过运用聚光透镜80，降低从第二光源79的重心射出的光在沿着从轴88附近的有效孔径光轴88的周围的光通量、将它改变成与光轴88平行前进的光并射出。
从聚光透镜80射出的平行光通量进入由多个透镜81a构成的第一透镜阵列81，并将它分成多个微光通量。图9示出第一透镜阵列81的结构。两维设置透镜81a、形成形状类似于与液晶板85的显示区域的每个棱镜，而且每个透镜81a的焦距几乎等于在第一透镜阵列81和第二透镜阵列82之间的间隔。在图9中，透镜81a具有相同的孔径形状。之后，将用于构成第一透镜阵列81的透镜元件81a称为第一透镜。
将多个微光通量聚合在由多个透镜82a构成的第二透镜阵列82。由施照体70a和71a在第二透镜阵列82上形成多个图象作为第二光源79的图象。较佳的是，形成形状例如与第一透镜阵列81相同的第二透镜阵列82。之后，将用于构成第二透镜阵列82的透镜元件82a称为第二透镜。图10示意地示出在第二透镜阵列82上形成的施照体象的状态。在第二透镜82a的每个孔径上形成两个施照体象70c和71c作为第二光源79的图象。通过沿着第二透镜82a的孔径的主轴方向形成这两个施照体象70c和71c，可以提高光利用率。此外，在图10中，通过对与施照体71相对应的施照体象71c涂上阴影线而不是对施照体象70c涂上阴影线，将施照体象71c与施照体象70c区分开。
第二透镜82a放大进入相对应的第一透镜81a的表面的微光通量，并照亮液晶板85的表面。因此，定出第二透镜82a的焦距，使第一透镜81a的表面变成几乎与液晶板85的表面共轭。将光束合成透镜83用于把从多个第二透镜82a射出的光互相叠加在液晶板85上。由于把第一透镜阵列81的入射光通量分成多个微光通量，然后将它们放大并互相叠加在液晶板85上，所以可以均匀地照亮液晶板85的表面。为了通过运用透镜阵列来构造照明光学设备，在第二透镜阵列上分散地形成施照体象。在图8中，由于在第二透镜82a的孔径上稠密地形成多个施照体70和71的图象70C和71C，就无需大大增加第二透镜阵列82的有效孔径。因此，通过应用上述照明光学设备构成投影显示装置，而可以通过运用具有相对较小的会聚角(converging angle)而显示明亮的投影像。
向场透镜84用于聚光以照亮在投影透镜86的光瞳表面87上的液晶板85。投影透镜86把在液晶板85上形成的光图象投影到屏幕(未图示)上。
投影透镜86的光瞳表面87几乎与第二透镜阵列82的表面附近共轭，而且在第二透镜阵列82上形成的施照体象70c和71c在投影透镜86的光瞳表面上成象。图11示意地示出投影透镜86的光瞳表面87的状态。破折线是示出第二透镜阵列轮廓的虚线。通过与如图28所示的传统结构相比，可发现，在图11中，形成的两个施照体象，它们几乎于光轴88对称。因此，可以具有即使灯具有互不相同的发光特征或者其中一盏灯熄灭，也不会发生亮度或颜色不规则的优点。
灯70和71可以不仅分别使用放电灯，而且可以分别使用电致施照体(诸如，卤素灯或LED)。椭球面镜72和73可以分别运用任何一种反射镜，只要这种反射镜把从灯70和71射出的光聚集成几乎一点。例如，它可以运用正光焦度的聚光透镜。
设置在椭球面镜72和73之间的一侧的平面镜76和77和设置在它们之间的另一侧的反射棱镜78可以分别使用冷反射镜。由于冷反射镜通过红外线光而反射可见光，所以它可以控制由反射棱镜78和聚光透镜80所产生的热量。此外，还可以采用直接将由椭球面镜72和73聚集的光于反射棱镜78的反射平面78a上的结构而不必运用平面镜76和77。
可以运用设有如图12所示的全反射平面的直角棱镜92和93，而不是运用反射棱镜78。由于通过运用全反射可以提高反射比，所以提高了效率。在这种情况下，通过运用具有高耐热性的石英玻璃来做棱镜，可以提高可靠度。此外，可以运用平面镜，而不是反射棱镜78。
只要棱镜几乎合成从不同方向入射的光并沿着预定方向发射它们，那么可以运用任何反射棱镜。例如，还可以运用光导光学元件(诸如，光纤)。
并不一定要用非球面棱镜来构成聚光棱镜80。还可以用球面透镜或多个透镜来构成聚光透镜80。通过用具有高耐热性的树脂来制造聚光透镜，可以减少成本和重量。
第一透镜阵列81和第二透镜阵列82不一定要具有相同形状。只要起到如上作用，在第一透镜阵列81和第二透镜阵列82之间，透镜数量和形状可以互不相同。此外，可以运用其中将第二透镜阵列82的第二透镜82a适当地制成偏心(decentering)结构，而不是设定光束合成透镜83。
虽然图8示出运用两个灯的结构，但是还可以运用使用两个灯或更多灯的结构。在这种情况下，通过运用在相同的第二透镜阵列上形成所有灯的施照体象的结构，可以获得本发明的优点。
根据上述结构，本发明的照明光学设备通过有效地在第二透镜的孔径上设置多个灯的施照体象，可以高效率地形成具有大量光输出的照明光通量。通过用上述照明光学设备构成透射显示装置，即使运用多个光源仍可以在几乎于光轴对称的投影透镜的光瞳表面上形成多个施照体象。因此，可以实现具有较佳光亮度均匀性和颜色均匀性的明亮的投影图象。此外，因为能够有效地合成从多个施照体射出的光，而不必减小F数量的投影透镜，所以可以减小投影器的尺寸和成本。
(实施例6)图13示出本发明的照明光学设备的另一个基本结构。从灯70和71至聚光透镜80的结构与如图8上述的相同。在聚光透镜80之后，第一透镜阵列100、第二透镜阵列101、偏振光分离棱镜阵列102、半波片103和光束合成透镜104构成照明光学设备110。
本发明的照明光学设备110与如图8所示的不同之处如下。
图14示出偏振光分离棱镜阵列102和半波片03的结构。通过沿着几乎与包括施照体70a和71a的平面垂直的方向，设置多个偏振光分离棱镜111，构成偏振光分离偏振分离阵列102。在图14的情况下，以大约为第二透镜阵列101的1/2透镜间距的间距，沿着它的短轴方向，设置偏振光分离棱镜111。将偏振光分离薄膜112和反射薄膜113交替地汽相淀积在偏振分离棱镜111之间的连接平面上。此外，以比偏振分离棱镜102之间的间距大两倍的间距，把半波片103设置在偏振光分离棱镜阵列102的外侧。
参照图15描述偏振光分离棱镜阵列102和半波片103的功能。可见到第二透镜阵列101的第二透镜101a。第从第二透镜101a射出的光进入偏振光分离棱镜121，其中P偏振光通过偏振光分离薄膜122，但是从薄膜122反射S偏振光。被反射的S偏振光进入下一个反射薄膜123、再次被反射、并进入半波片103。设定半波片103从而旋转入射偏振光的方向至90°，而且把入射S偏振光转换成P偏振光。反射薄膜123可以运用与偏振光分离薄膜122相同的薄膜。
由偏振光分离棱镜阵列102和半波片103把自然光转换成具有一个偏振光方向的光，并由光束合成透镜104把它叠加在液晶板106上以均匀照亮液晶板106的显示区域。在这种情况下，将偏振器设置在液晶板106的入射侧上，其中将偏振光轴调节至P偏振光。从而可以运用在现有技术中一般被在入射侧的偏振器弃用的与S偏振光相对应的光，因此，可以增加照亮液晶板106所需的光能。
投影透镜107的光瞳表面108几乎与第二透镜阵列101的表面附近共轭。
图16示意地示出投影透镜107的光瞳表面108的状态。破折线是示出第二透镜阵列101的轮廓的虚线。由于在第二透镜阵列101表面附近的状态在光瞳表面108上成象，所以沿着短轴方向交替形成直接通过分离棱镜阵列102的光的施照体象130P以及从偏振光分离棱镜阵列102反射并通过半波片103的光的施照体象130S。于是，通过沿着第二透镜101a的短轴方向设置两个施照体70a和71a并沿着第二透镜101a的短轴方向设置与施照体70a和71a相对应的P偏振光和S偏振光的图象130P和130S，可以很精密地形成施照体象并以高效率形成具有大量光输出的照明光通量。
虽然图13示出运用两盏灯的结构，但是还可以运用使用两盏灯或更多灯的结构。在这种情况下，只要使用在相同第二透镜阵列上形成所有灯的施照体象的结构，可以获得本发明的优点。
根据上述结构，本发明的照明光学设备通过有效把多个施照体象设置在第二透镜的孔径上，可以高效率地形成具有大量光输出的照明光通量。此外，由于设置用于把自然光转换成单向偏振光的光学元件，所以当运用偏振光照亮元件(诸如液晶板)时，可以大大提高光利用率。通过用以上的照明光学设备构成投影显示装置，即使运用许多光源，也可以在几乎以光轴对称的投影透镜的光瞳表面上形成大量施照体象。因此，可以实现具有较佳光亮度均匀性和颜色均匀性的非常明亮的投影图象。此外，由于可以有效地合成从多个施照体射出的光，而不必减小F数量的投影透镜，所以可以减小投影器的尺寸和成本。
(实施例7)图17示出本发明的照明光学设备的另一个基本结构。从灯70和71至反射棱镜78的结构以及从第一透镜阵列81至液晶板85的结构都与如图8所示的相同。然而，图17的结构不同于图8的结构，其中设置作为聚光装置的输入侧透镜140和输出侧透镜141而不是聚光透镜50。
本发明的照明光学设备145与如图8所示的结构的不同之处如下。即，当根据与如图3所示的透镜元件相同的功能从第二光源79射出的发散光进入输入侧透镜140和输出侧透镜141时，透镜140和141射出具有几乎一致的密度的平行通过量而与离光轴145的距离无关。一般而言，当具有不规则密度的光通量进入第一透镜阵列81时，在第二透镜阵列82上形成的施照体象的尺寸变成不规则，而且在具有更大光通量密度的区域中形成更大施照体象。当灯的施照体尺寸相对较小时，没有任何问题。然而，当施照体尺寸减小时，施照体象的尺寸将成正比增加。如果环境需要，形成大于第二透镜82a的孔径的施照体象从而导致光损失。然而，通过用输入侧透镜140和输出侧透镜141使入射到第一透镜阵列81的光通量密度几乎一致，可以使施照体象的尺寸几乎一致。因此，可以大大减小上述光损失。
图18示意地示出投影透镜142的光瞳表面143的状态。破折线是示出第二透镜阵列82的轮廓的虚线。由于在第二透镜阵列82表面附近的状态在光瞳表面143上成象，所以根据输入侧透镜140和输出侧透镜141的功能，在光瞳表面143上形成其尺寸几乎一致的施照体象70d和71d，而与离光轴144的距离无关。
虽然图17示出运用两盏灯的结构，但是可以运用使用两盏灯或更多灯的结构。在这种情况下，只要结构在相同第二透镜阵列上形成所有灯的施照体象，就可以获得本发明的优点。
根据上述结构，本发明的照明光学设备可以通过将多个施照体象有效地设置在第二透镜的孔径上来高效地形成具有大量光输出的照明光通量。此外，通过设置输入侧透镜和输出侧透镜并几乎使入射到第一透镜阵列的光通量密度一致，可使施照体象的尺寸一致。因此，即使施照体的尺寸增加，也可以实现很高的光利用率。通过用上述照明光学设备构成投影显示装置，即使运用许多光源，也可以在几乎于光轴对称的投影透镜的光瞳表面上形成大量施照体象。因此，可以实现具有较佳光亮度均匀性和颜色均匀性的明亮的投影图象。此外，可以减小投影器的尺寸和成本，因为可以有效地合成从多个施照体射出的光而不减小F数量的投影透镜。
(实施例8)图19示出本发明的照明光学设备的又一个基本结构。图19的其它结构与图13的相同，除了设置输入侧透镜140和输出侧透镜141而不是聚光透镜50。
输入侧透镜140和输出侧透镜41把从第二光源79射出的发散光转换成具有几乎一致密度的平行光通量。从第一透镜阵列100到光束合成透镜104的元件有效地使输出侧透镜141的出射光进入液晶板106，并根据如图14所示的作用，均匀地照亮液晶板106的显示区域。
图20示意地示出投影透镜150的光瞳表面151的状态。破折线是示出第二透镜阵列101的轮廓的虚线。由于在第二透镜阵列101的表面附近的状态在光瞳表面151上成象，所以沿着短轴方向交替地形成直接通过偏振光分离棱镜阵列102的光的施照体象160P和从偏振光分离棱镜阵列102反射并通过半波片103的光的施照体象160S。
虽然图19示出运用两盏灯的结构，但是可以运用使用两盏灯或更多灯的结构。在这种情况下，只要结构在相同透镜阵列上形成所有灯的施照体象，可具有获得本发明的优点。
根据上述结构，本发明的照明光学设备可以通过在第二透镜的孔径上有效地设置多个施照体象，可高效地形成具有大量光输出的照明光通量。此外，通过设置输入侧透镜和输出侧透镜并使入射到第一透镜阵列的平行光通量的密度几乎一致，可以使施照体象的尺寸一致。因此，即使施照体的尺寸增加，可以实现高光利用率。此外，由于设置用于把自然光转换成单向偏振光的光学元件，所以当运用偏振光照亮元件(诸如液晶板)时，可以大大提高光利用率。通过用上述照明光学设备构成投影显示装置，即使运用许多光源，也可以在几乎于光轴对称的投影透镜的光瞳表面上形成大量施照体象。因此，可以实现具有较佳光亮度均匀性和颜色均匀性的十分明亮的投影图象。此外，由于可以有效地合成从多个施照体射出的光而不必减小F数量的投影透镜，所以可以减小投影器的尺寸和成本。
(实施例9)图21示出本发明的投影显示装置的基本结构。由灯170、抛物面镜32、UV-IR截止滤波器171、输入侧透镜1、输出侧透镜2、向场透镜172、液晶板173和投影透镜174构成投影显示装置。为了方便起见，把输入侧透镜1和输出侧透镜2示为平圆形透镜。然而，通过将由这些透镜组构成的透镜元件36和抛物面镜32组合起来构成的照明光学设备的结构、功能和优点与参照图1和4所述的上述实施例的相同。
由UV-IR截止滤波器171将从施照体31射出的光中除去有害的紫外线光和红外线光，并由本发明的透镜元件36将它们改变成具有高亮度均匀性照明光，而且通过向场透镜172以照亮液晶板173的显示区域。液晶板173是设有红色、绿色和蓝色滤波器的有源矩阵系统(active-matrix-system)颜色液晶板，它通过控制加在与视频信号相对应的象素上的电压来调制光并形成颜色光学图象(color optical image)。放大这种光学图象并由投影透镜174将它投影在屏幕(未图示)上。
还可以运用通过将两个透镜阵列设置在输出侧透镜2的出射侧构成的结构。在这种情况下，由于在透镜阵列上形成尺寸几乎一致的施照体象，所以可以提高光利用率。
根据上述结构，本发明的投影显示装置可以获得具有高度均匀性的投影图象，这是因为由输入和输出侧透镜将具有由抛物面镜聚光的不规则密度的光通量变成具有相对均匀密度的光通量以照亮液晶板。
(实施例10)图22示出本发明的投影显示装置的另一个基本结构。由灯180、椭球面镜42、UV-IR截止滤波器181、输入侧透镜21、输出侧透镜22、向场透镜182、液晶板183和投影透镜184构成投影显示装置。为了方便起见，将输入侧透镜21和输出侧透镜22示为平圆形透镜。然而，通过将由这些透镜组构成的透镜元件46与抛物面镜42组合起来构成的照明光学设备的结构、功能和优点与参照图3和5所述的上述实施例的相同。
还可以运用通过将两个透镜阵列设置的输出侧透镜22的出射侧来构成的结构。在这种情况下，可以提高光利用率，因为在透镜阵列上形成尺寸几乎一致的施照体象。
根据上述结构，本发明的投影显示装置可以获得具有高度均匀性的投影图象，因为由输入和输出侧透镜将具有由椭球面镜聚光的不规则密度的光通量变成具有具有相对均匀密度的光通量，以照亮液晶板。
(实施例11)图23示出本发明的投影显示装置的另一个基本结构。由照明光学设备89、向场透镜190、液晶板191、投影透镜192和屏幕194构成投影显示装置。照明光学设备89具有如图8所示的相同结构。
照明光学设备89形成具有高亮度、颜色均匀性和大量光输出的照明光通量，以照亮液晶板191。放大通过液晶板191的光并由投影透镜192将它投影在屏幕194上。在几乎以光轴195对称的投影透镜192的光瞳表面193上形成如图11所示的施照体象。
还可以运用如图13、17或19所示的本发明的照明光学设备，它们利用本发明的透镜元件和偏振光分离装置作为照明光学设备。
根据上述结构，可以用利用多盏灯的照明光学设备构成本发明的投影显示装置作为具有较佳投影图象均匀性、明亮图象和高投影光利用率的投影显示装置。由于运用一个液晶板，所以可以构成小巧而低成本的投影显示装置。
(实施例12)图24示出本发明的投影显示装置的又一个基本结构。由照明光学设备110；分色镜201、202、216和217；平面镜200、204、205和206；中继透镜207和208；向场透镜209、210和211；液晶板212、213和214；分色棱镜215；投影透镜218；和屏幕221构成投影显示装置。照明光学设备110具有如图13所示的相同结构。然而，将平面镜设置在第一透镜阵列100和第二透镜阵列101之间以弯曲光程。
从照明光学设备110射出的光进入颜色分离装置203。红色和绿色反射分色镜201及绿色反射分色镜202将进入颜色分离装置203的光分成红、绿和蓝这三种基本颜色。蓝和绿光通过向场透镜209和210并进入液晶板212和213。红光进入中继透镜207和208以及向场透镜211并进入液晶板214。将平面镜204、205和206设置在蓝和红光程以弯曲光程。三块液晶板分别使用有源矩阵系统并通过控制加在与视频信号相对应的象素上的电压来调制光以形成蓝、绿和红光学图象。由作为颜色合成装置的分色棱镜215合成通过液晶板212、213和214的光、并由投影透镜218将它放大和投影在屏幕221上。在投影透镜218的光瞳表面219上形成如图16所示的施照体象。
还可以运用如图8、17或19所示的本发明的照明光学设备。
根据上述结构，通过运用利用多盏灯的照明光学设备，可以将本发明的投影显示装置构成为具有较佳投影图象均匀性和高光利用率的明亮的投影显示装置。由于运用三块液晶板，所以可以构成明亮的高精度投影显示装置。
(实施例13)图25示出本发明的投影显示装置的另一个基本结构。由照明光学设备110；分色镜231、232、243和244；平面镜234；偏振光分离棱镜235、236和237；反射类液晶板238、239和240；半波片241和242；分光棱镜245；和投影棱镜246构成投影显示装置。
从照明光学设备110射出的光进入颜色分离装置233。由红色透射分光镜231和绿色反射分光镜232把进入颜色分离装置233的光分成红、绿和蓝色。经分开的红、绿和蓝色光进入偏振光分离棱镜235、236和237。偏振光分离棱镜235、236和237是具有分别由介电多层薄膜构成的偏振光分离薄膜235a、236a和237a的棱镜。偏振光分离薄膜235a、236a和237a分别具有45°入射角，而且P偏振光通过偏振光分离薄膜，而S偏振光从表面反射回来。反射的S偏振红、绿和蓝光进入反射式液晶板238、239和240。反射式液晶板238、239和240分别运用有源矩阵系统，而且分别设有液晶层和反射薄膜。液晶运用同向扭转homeotropic液晶、HAN模式液晶或45°扭转向列(twisted nematic)液晶。当根据视频信号将电压加在反射式液晶板238、239或240上时，液晶的双折射改变。当入射到反射式液晶板238、239和240的光通过液晶成并从反射薄膜反射，而且再次通过液晶层时，由于双折射导致将光的偏振状态从S偏振光改变成P偏振光，并发射。从反射式液晶板238射出的绿色P偏振光通过偏振光分离棱镜235，然后进入作为颜色合成装置的分光棱镜245。从反射类液晶板239和240射出的红和蓝色P偏振光通过偏振光分离棱镜236和237，而且由半波片241和242将它们的偏振方向旋转至S偏振光方向。于是，光进入分色棱镜245。由分色棱镜245合成红和蓝光并由投影透镜246将它放大和投影在屏幕(未图示)上。
另一方面，从偏振光分离棱镜235、236和237反射S偏振光，并回到照明光学设备110，其中反射式液晶板238、239和240没有改变上述S偏振光的偏振状态。于是，放大在由反射式液晶板238、239和240进行的偏振光状态改变上形成的光学图象并将它投影在屏幕(未图示)上，而且形成全色投影图象。
还可以运用如图8、17或19所示的本发明的照明光学设备作为照明光学设备。
根据上述结构，可以通过运用采用许多灯的照明光学设备将本发明的投影显示装置构成为具有较佳投影图象均匀性、明亮图象和高投影光利用率的投影显示装置。由于使用三块反射式液晶板，所以可以构成明亮的高精度投影显示装置。
对于上述实施例，描述将运用偏振光的液晶板作为空间光学调制器的情况，然而，还可以运用液晶板，它随着衍射或反射变化使用散射或空间光学调制器来形成与视频信号相对应的光学图象。此外，还可以构成通过运用透射屏来向后投影(rear projection)的投影显示装置。
权利要求
1.一种对沿着光轴并基本与之平行前进的输入光通量进行工作以发射沿着所述光轴和基本与之平行前进的输出光通量的透镜元件，其特征在于，包括从入射侧按次序排列的输入侧透镜组和输出侧透镜组，其中所述输入侧透镜组在有效孔径的光轴附近具有负光焦度，而在所述输入侧透镜组的有效孔径的周围的光焦度基本为零，和所述输出侧透镜组在有效孔径的所述光轴附近具有正光焦度，而在所述输出侧透镜组的所述有效孔径的周围的光焦度基本为零。
2.一种对散射光进行工作以形成沿着光轴并与之基本平行前进的输出光通量的透镜元件，其特征在于，包括从入射侧，按次序排列输入侧透镜组和输出侧透镜组，其中所述输入侧透镜组在有效孔径的光轴附近的光焦度基本为零，而在所述输入侧透镜组的所述有效孔径的周围具有正光焦度，和所述输出侧透镜组在有效孔径的光轴附近具有正光焦度，而在所述输出侧透镜组的所述有效孔径的周围的光焦度基本为零。
3.一种用于用于沿着光轴并与之基本平行前进的预定区域的照明光学设备，其特征在于，包括施照体；凹反射镜，用于通过聚集从所述施照体射出的光来形成沿着光轴并基本与之平行前进的光通量；输入侧透镜组，从所述凹反射镜射出的光通量进入所述输入侧透镜组；和输出侧透镜组，从所述输入侧透镜组射出的光通量进入所述输出侧透镜组，其中所述输入侧透镜组在有效孔径的光轴附近具有负光焦度，而在所述输入侧透镜组的所述有效孔径的周围的光焦度基本为零，和所述输出侧透镜组在有效孔径的光轴附近具有正光焦度，而在所述输出侧透镜组的所述有效孔径的周围的光焦度基本为零。
4.一种用于用沿着光轴并基本与之平行前进的光通量来照亮预定区域的照明光学设备，其特征在于，包括施照体；凹反射镜，用于通过聚集从所述施照体射出的光形成第二施照体；输入侧透镜组，其中从所述第二施照体射出的散射光进入所述输入侧透镜组；和输出侧透镜组，其中从所述输入侧透镜组射出的光通量进入所述输出侧透镜组，其中所述输入到透镜组在有效孔径的光轴附近的光焦度基本为零，而在所述输入侧透镜组的所述有效孔径的周围具有正光焦度，和所述输出侧透镜组在有效孔径的光轴附近具有正光焦度，而在所述输出侧透镜组的所述有效孔径的周围的光焦度基本为零。
5.一种用于通过聚集从多个施照体射出的光来照亮预定区域的照明光学设备，其特征在于，包括；施照体；第一聚光装置，用于聚集从所述施照体射出的光；光合成装置，用于合成由所述第一聚光装置聚集的光并沿着预定方向发射所述合成光；第二聚光装置，从所述光合成装置射出的光进入所述第二聚光装置并发射基本平行光；第一透镜阵列，由多个透镜构成以将由所述第二聚光装置提供的光分成多个光通量；第二透镜阵列，由多个透镜构成并且从所述第一透镜阵列提供的光进入所述第二透镜阵列，其中在构成所述第二透镜阵列的所述透镜上形成与所述施照体相对应的图象。
6.一种用于通过聚集从多个施照体射出的光来照明预定区域的照明光学设备，其特征在于，包括；施照体；第一聚光装置，用于聚集从所述施照体射出的光；光合成装置，用于合成由所述第一聚光装置聚集的光并沿着预定方向发射所述合成光；第二聚光装置，从所述光合成装置射出的光进入所述第二聚光装置以控制入射光的所述光通量密度，从而从有效孔径的光轴附近到周围基本变得一致，并发射基本平行光；第一透镜阵列，由多个透镜构成并将从所述第二聚光装置通过的光分成多个光通量；第二透镜阵列，由多个透镜构成并且从所述第一透镜阵列提供的光进入所述第二透镜阵列，其中所述第二聚光装置设有(1)输入侧透镜，它在有效孔径的光轴附近的光焦度基本为零，而在所述有效孔径的周围具有正光焦度，和(2)输出侧透镜，它在有效孔径的光轴附近具有正光焦度，而在所述有效孔径的周围的光焦度基本为零，和在构成所述第二透镜阵列的所述透镜上形成与所述施照体相对应的图象。
7.一种用于通过聚集从多个施照体射出的光来照亮预定区域的照明光学设备，其特征在于，包括施照体；第一聚光装置，用于聚集从所述施照体射出的光；光合成装置，用于合成由所述第一聚光装置聚集的光并沿着预定方向发射所述合成光；第二聚光装置，从所述光合成装置射出的光进入所述第二聚光装置以发射基本平行的光；第一透镜阵列，由多个透镜构成并将从所述第二聚光装置通过的光分成多个光通量；第二透镜阵列，由多个透镜构成并且从所述第一透镜阵列提供的光进入所述第二透镜阵列；偏振光分离装置，从所述第二透镜阵列提供的光进入所述偏振光分离装置以将自然光分成两个线性偏振光，它们的的偏振方向互相垂直；和偏振光旋转装置，从所述偏振光分离装置提供的光进入所述偏振光旋转装置以旋转所述两个线性偏振光中至少一个的所述偏振方向，其中在构成所述第二透镜阵列的所述透镜上形成与所述施照体相对应的图象。
8.一种用于通过聚集从多个施照体射出的光来照明预定区域的照明光学设备，其特征在于，包括；施照体；第一聚光装置，用于聚集从所述施照体射出的光；光合成装置，用于合成由所述第一聚光装置聚集的光并沿着预定方向发射所述合成光；第二聚光装置，从所述光合成装置射出的光进入所述第二聚光装置以控制入射光的所述光通量密度，从而从有效孔径的光轴附近到周围基本变得一致，并发射基本平行光；第一透镜阵列，由多个透镜构成并将从所述第二聚光装置通过的光分成多个光通量；第二透镜阵列，由多个透镜构成并且从所述第一透镜阵列提供的光进入所述第二透镜阵列；偏振光分离装置，从所述第二透镜阵列提供的光进入所述偏振光分离装置以将自然光分成两个线性偏振光，它们的的偏振方向互相垂直；和偏振光旋转装置，从所述偏振光分离装置提供的光进入所述偏振光旋转装置，以旋转所述两个线性偏振光中至少一个的所述偏振方向，其中所述第二聚光装置设有(1)输入侧透镜，它在有效孔径的光轴附近的光焦度基本为零，而在所述有效孔径的周围具有正光焦度，和(2)输出侧透镜，它在有效孔径的光轴附近具有正光焦度而在有效孔径的周围的光焦度基本为零，和在构成所述第二透镜阵列的所述透镜上形成与所述施照体相对应的图象。
9.如权利要求5至8中任一权利要求所述的照明光学设备，其特征在于，在所述第一聚光装置和光合成装置之间设置用于弯曲光程的平面镜。
10.如权利要求6或8所述的照明光学设备，其特征在于，在所述输入侧透镜和所述输出侧透镜之间设置用于弯曲光程的平面镜。
11.如权利要求9或10所述的照明光学设备，其特征在于，所述平面镜是用于通过红外线光并反射可见光的冷反射镜。
12.如权利要求5至8中任一权利要求所述的照明光学设备，其特征在于，所述光合成装置运用设有多个反射平面的反射棱镜。
13.如权利要求5至8中任一权利要求所述的照明光学设备，其特征在于，所述光合成装置具有设有全反射平面的直角棱镜。
14.如权利要求5至8中任一权利要求所述的照明光学设备，其特征在于，构成所述第二透镜阵列的透镜是分别具有主轴和短轴的阵形，和将施照体设置在与所述主轴基本平行的相同平面，而且沿着所述主轴的方向设置所述施照体的所述图象。
15.如权利要求7或8所述的照明光学设备，其特征在于，所述偏振光分离装置运用偏振光分离棱镜阵列，其中通过沿着与包括多个施照体的平面垂直的方向，以恒定间距设置分别设有偏振光分离薄膜的多个偏振光分离棱镜，构成所述偏振光分离棱镜。
16.一种透镜显示装置，其特征在于，包括用于形成如权利要求3或4所述的照明光的照明光学设备；空间光学调制器，从所述照明光学设备提供的光进入所述空间光学调制器以根据视频信号形成光学图象；和用于将在所述空间光学调制器上的光学图象投影在屏幕上的投影装置。
17.如权利要求16所述的投影显示装置，其特征在于，包括第一透镜阵列和第二透镜阵列，其中所述第一透镜阵列由多个透镜构成以将从照明光学设备提供的光分成多个光通量；而第二透镜阵列由多个透镜构成并且从所述第一透镜阵列提供的光进入所述第二透镜阵列，和所述第二透镜阵列使多个光通量到达所述空间光学调制器的所述表面，同时使所述光通量相互重叠。
18.一种投影显示装置，其特征在于，包括用于根据权利要求5至8中任一权利要求形成照明光的照明光学设备；从所述照明光学设备提供的光进入其中以根据视频信号形成光学图象的空间光学调制器，和用于将在所述空间光学调制器上的光学图象投影在屏幕上的投影装置。
19.一种投影显示装置，其特征在于，包括照明光学设备，用于根据权利要求5至8中任一权利要求形成白光作为照明光；颜色分离装置，用于将从所述照明光学设备提供的白光分成红、绿和蓝色成分；三个空间光学调制器，从所述颜色分离装置提供的每个彩色光进入所述三个空间光学调制器以根据视频信号形成光学图象；颜色合成装置，用于合成从所述空间光学调制器射出的红、绿和蓝光，和用于将在所述空间光学调制器上的光学图象投影在屏幕上的投影装置。
20.一种投影显示装置，其特征在于，包括；照明光学设备，用于根据权利要求5至8中任一权利要求形成白光作为照明光；颜色分离装置，用于将从所述照明光学设备提供的白光分成红、绿和蓝色成分；偏振光分离棱镜，从所述颜色分离装置提供的每个彩色光进入所述偏振光分离棱镜以将入射光分成具有互相垂直的偏振光方向的两道光；三个空间光学调制器，从所述偏振光分离棱镜提供的光进入所述三个空间光学调制器，以根据视频信号形成光学图象；颜色合成装置，用于合成在从所述空间光学调制器射出的红、绿和蓝光通过所述偏振光分离棱镜之后入射的红、绿和蓝光，和用于将在所述空间光学调制器上的光学影像投影在屏幕上的投影装置。
全文摘要
提供一种照明光学设备,它包括多个施照体;第一聚光装置,用于聚集从旋照体射出的光;光合成装置,用于合成由第一聚光装置聚焦的光并沿着预定方向发射合成光;第二聚光装置,从光合成装置射出的光进入其中以发出基本平行的光;第一透镜阵列,由多个透镜构成以将从第二聚光装置提供的光分成多个光通量;和第二透镜阵列,由多个透镜构成并且从第一透镜阵列提供的光进入其中。
文档编号G02B9/10GK1229180SQ9910385
公开日1999年9月22日 申请日期1999年3月12日 优先权日1998年3月12日
发明者和田充弘, 田中孝明, 枡本吉弘 申请人:松下电器产业株式会社