用于图像投影的光学系统以及图像投影装置的制作方法

专利名称：用于图像投影的光学系统以及图像投影装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使用诸如液晶板的成像元件的图像投影装置的光学系统。
背景技术：
在这种图像投影装置中，重要的是该装置可以用高对比度和对整个图像来说基本上平均的亮度来投影亮图像。
采用反射成像元件如反射液晶板的用于图像投影装置(投影仪)的照明光学系统通过用抛物面反射镜反射来自光源的光束，产生基本上平行的光束。该平行光束被第一复眼透镜划分和聚集(collect)，而且每个被划分的光束都在第二复眼透镜的附近形成该光源的影像(二次光源影像(secondary light source image))。构成复眼透镜的每个微型透镜(透镜单元)具有类似于作为被照明表面的成像元件的矩形形状。
来自第二复眼透镜的被划分的光束被聚光透镜聚光以相互重叠，并穿过颜色分离/组合光学系统照射到成像元件上。该颜色分离/组合光学系统使用具有二向色膜或偏振分束膜的光学元件(二向色棱镜或偏振分束器)。
在这种图像投影装置中，增加来自光源的光的使用效率通常会使光束的角分布更大。因此，在使用具有敏感角特性的光学元件，即在使用具有相对于颜色分离/组合光学系统中的光轴倾斜的二向色膜或偏振分束膜的光学元件时，会产生图像质量的恶化，如亮度的不均匀(颜色的不均匀)或对比度的降低。
图20和21分别示出偏振分束膜的角度依赖特性(透射率特性和反射率特性)的示例。以47或49度的角度入射到偏振分束膜上的光的特性低于以45度的角度入射到其上的光的特性，而且该特性的降低程度随着入射角与45度的偏移增大而增加。
特性的降低导致所谓光的泄漏，这降低了对比度。在使用偏振分束膜时，入射角的偏移导致颜色的不均匀(颜色变化)，于是以不同于原始期望的颜色显示图像。
日本专利申请公开No.7-181392公开了一种非对称光学系统，其中为了防止图像质量的这种恶化，入射到光学元件上的光束的角分布在光学元件对角分布很敏感的方向(敏感方向)上小，而其角分布在光学元件对角分布不敏感的方向(不敏感方向)上大。
在日本专利申请公开No.7-181392公开的光学系统中，构成第一复眼透镜的透镜单元是偏心的，使得第一复眼透镜在敏感方向总体上具有正的屈光力(optical power)。
此外，在相同的方向上，构成第二复眼透镜的透镜单元也是偏心的，使得第二复眼透镜总体上具有负的屈光力。来自反射镜的光束仅在敏感方向上的这种压缩使得入射到光学元件上的光束的角分布在敏感方向和不敏感方向之间是非对称的。
但是，来自反射镜的光束仅在包括光轴的一个截面上的压缩无法减小另一个截面(垂直于上述一个截面的截面)上的入射到偏振分束膜上的光束的角分布，从而难以改善图像质量。此外，由于用于减小光束的直径的反射镜的尺寸的减小使得所投影的图像很暗，因此为了保证亮度需要反射镜的外直径大到一定的程度。

发明内容
本发明提供了一种用于图像投影的光学系统，其很容易制造和设计，并且能够以高对比度投影亮图像，还提供具有该光学系统的投影装置。
作为一个方面，本发明提供了一种用于图像投影的光学系统，其包括将从光源发射的光束通过具有分光功能的光学表面而引入成像元件的照明光学系统；以及将从该成像元件通过光学表面引入的光束投影到投影表面上的投影光学系统。该照明光学系统包括转换系统，其分别将光束在相互垂直的第一截面和第二截面中的宽度转换为不同于光束在进入该转换系统之前的宽度的宽度。在第一截面中的转换率和在第二截面中的转换率互不相同。
作为另一方面，本发明提供了一种包括上述光学系统的图像投影装置。
本发明的其它目的和特征将通过下面的描述和附图而变得明显。


图1是示出作为本发明实施例1的用于图像投影的光学系统中使用的照明光学系统的XZ截面图。
图2是示出实施例1中的照明光学系统的YZ截面图。
图3是示出用在实施例1中的偏振分束器的YZ截面图。
图4是示出用在实施例1中的第一复眼透镜的倾斜透视图。
图5是用于解释第一复眼透镜的光学作用的图。
图6是示出用在实施例1中的第二复眼透镜的倾斜透视图。
图7是示出在实施例1中从反射镜到偏振转换元件的光路的放大XZ截面图。
图8是示出在实施例1中从反射镜到偏振转换元件的光路的放大YZ截面图。
图9是示出作为本发明实施例2的用于图像投影的光学系统中使用的照明光学系统的XZ截面图。
图10是示出实施例2中的照明光学系统的YZ截面图。
图11是示出在实施例2中从反射镜到偏振转换元件的光路的放大XZ截面图。
图12是示出在实施例2中从反射镜到偏振转换元件的光路的放大YZ截面图。
图13是示出作为本发明实施例3的用于图像投影的光学系统中使用的照明光学系统的XZ截面图。
图14是示出实施例3中的照明光学系统的YZ截面图。
图15是示出在实施例3中从反射镜到偏振转换元件的光路的放大XZ截面图。
图16是示出在实施例3中从反射镜到偏振转换元件的光路的放大YZ截面图。
图17是示出作为本发明实施例4的用于图像投影的光学系统中使用的照明光学系统的XZ截面图。
图18是示出实施例4中的照明光学系统的放大YZ截面图。
图19是示出作为使用实施例1至5的光学系统之一的本发明实施例6的液晶投影仪的光学配置的YZ截面图。
图20是示出偏振分束器的透射率特性的图。
图21是示出偏振分束器的反射率特性的图。
图22是示出作为本发明实施例7的用于图像投影的光学系统中使用的照明光学系统的XZ截面图。
图23是示出实施例7中的照明光学系统的YZ截面图。
图24是示出图22中照明光学系统的改进例子的一部分的示意图。
图25是示出图22中照明光学系统的另一个改进例子的一部分的示意图。
图26是示出实施例7中照明光学系统的改进例子的XZ截面图。
图27是示出实施例7中照明光学系统的另一个改进例子的XZ截面图。
图28是示出作为本发明实施例8的用于图像投影的光学系统中使用的照明光学系统的XZ截面图。
图29是示出实施例8中的照明光学系统的YZ截面图。
图30是示出实施例8中照明光学系统的改进例子的XZ截面图。
图31是示出实施例8中照明光学系统的另一个改进例子的XZ截面图。
图32是示出作为本发明实施例9的用于图像投影的光学系统中使用的照明光学系统的XZ截面图。
图33是示出实施例9中的照明光学系统的YZ截面图。
图34是示出作为使用实施例7至9的光学系统之一的本发明实施例10的液晶投影仪的光学配置的YZ截面图。
图35和36是示出作为本发明实施例11的用于图像投影的光学系统的一部分的XZ和YZ截面图。
图37和38是示出图35和36所示的光学系统的折光力(refractivepower)配置的XZ和YZ截面图。
图39是示出这些实施例中的偏振转换元件的示意图。
图40A和40B是示出作为本发明实施例12的用于图像投影的光学系统的XZ和YZ截面图。
图41和42是示出作为本发明实施例13的液晶投影仪的光学配置的XY和YZ截面图。
图43是示出作为本发明实施例14的投影仪中使用的光源单元的截面图。
图44是示出包括多个图43所示光源单元的光源单元的图。
图45和46是示出作为本发明实施例15的液晶投影仪的光学配置的XY和YZ截面图。
图47是示出在本发明实施例15的投影仪中使用的另一个光源单元的截面图。
具体实施例方式
下面参照附图描述本发明的优选实施例。
实施例1图1和图2示出作为本发明实施例1的用于图像投影的光学系统中使用的照明光学系统的配置。该照明光学系统使用来自光源1的光束以穿过偏振分束器7而照射到作为反射成像元件的反射液晶板(下面简称为“液晶板”)8上，该液晶板设置在被照明的表面上。
由液晶板8进行了图像调制的光束(图像光)通过偏振分束器7再次引入未示出的投影透镜(或者投影光学系统)，从而投影到诸如屏幕的投影表面上。由此，该实施例中的照明光学系统还具有用偏振分束器7分析图像光和将该图像光引入到投影透镜的功能。
在该实施例中，照明光学系统的光轴定义为Z轴，平行于Z轴的方向称为“光轴方向”。该光轴例如通过穿过聚光透镜6的中心和液晶板8的板表面的中心的轴线来定义。此外，沿着Z轴的使得来自光源灯LP的光束经过聚光透镜6和偏振分束器7而向液晶板8前进的方向也称为“光前进方向”。
图1示出XZ截面(第一截面)的光学配置，在该XZ截面中进入液晶板8的板表面的光束的角分布比在YZ截面中的宽，XZ和YZ截面是包括Z轴的平面(也就是平行于Z轴的平面)而且相互垂直。该XZ截面平行于液晶板8的长边的方向(长边延伸的方向)。
此外，图2示出YZ截面(第二截面)的光学配置，在该截面中进入板表面的光束的角分布较窄。该YZ截面平行于液晶板8的短边的方向(短边延伸的方向)。
如图3所示，YZ截面平行于包括光轴(Z轴)和偏振分束器7的偏振分束表面7a的法线N的平面，该平面平行于图3的纸平面。YZ截面还可以称为“平行于偏振分束表面7a的法线N和液晶板8的板表面(入射/出射表面)8a的法线NP的截面”。
此外，XZ截面可以说是垂直于YZ截面并平行于Z轴(光轴)的截面。对Z轴、XZ截面和YZ截面的定义也适用于下面描述的实施例2-5。
尽管这些图仅示出构成照明光学系统的基本部件，实际的照明光学系统包括其它各种光学元件，如折叠从光源出发的光路的镜子、红外(热辐射)截止滤光片和偏振片。
从诸如高压水银放电管的光源1径向发射的光束由椭圆反射镜(椭圆镜)2转换为会聚光束。光源1和反射镜2构成光源灯LP。抛物面反射镜和凸透镜的组合可用来代替椭圆反射镜2。
由椭圆反射镜2反射的光被第一复眼透镜3分为多个光束，所分开的光束在第二复眼透镜4和偏振转换元件5的附近形成多个二次光源影像。
在形成各个二次光源影像之后的光束由偏振转换元件5转换为具有预定偏振方向的线性偏振光(也就是偏振状态均匀的光)，然后进入聚光透镜6。
偏振转换元件5包括多个偏振分束表面、多个反射表面和多个半波片。具体的说，偏振转换元件5是阵列类型的光学元件，其中分别包括偏振分束表面、反射表面和半波片的多个偏振转换元件部分设置在基本上垂直于光轴的方向上。可以使用偏振分束表面来代替反射表面。因此，在此偏振转换元件5可以称为“偏振转换元件阵列”。
在偏振转换元件5中，在进入每个偏振分束表面的光中，具有预定偏振方向的偏振光分量穿过该表面而从偏振转换元件5射出。
另一方面，在进入每个偏振分束表面的光中，具有垂直于上述预定偏振方向的偏振方向的偏振光分量被该表面反射，然后被反射表面反射。此外，该偏振光分量的偏振方向被半波片旋转90度，然后该光分量从偏转转换元件5射出。偏振转换元件5通过这种方式将入射的非偏振光转换为具有预定偏振方向的线性偏振光。
半波片可以只设置在穿过偏振分束表面的光的光路中。此外，偏振转换元件5可以将非偏振光转换为各种颜色的线性偏振光分量，在这种情况下线性偏振光分量的偏振方向不必相同。
换句话说，偏振转换元件5可以使红、绿和蓝光分量之一的偏振方向不同于另外两个光分量的偏振方向，使得例如红光分量是相对于偏振分束器7的S偏振光，而绿色和蓝色光分量是相对于偏振分束器7的P偏振光。
具体的说，这是通过向偏振分束表面提供反射绿色和蓝色S偏振光以及红色P偏振光、并透过绿色和蓝色P偏振光以及红色S偏振光的特性，并且通过在被偏振分束表面反射的光的光路中设置半波片来实现。
从聚光透镜6射出的分开的光束穿过偏振分束器7的偏振分束表面(光学膜表面或光学表面)7a，然后在液晶板上相互重叠。由此，液晶板8受到具有均匀强度分布的照明光束的照射。
偏振分束表面7a具有分光功能。被液晶板8图像调制和反射的光由偏振分束器7的偏振分束表面7a反射而引入到未示出的投影透镜中。
尽管在该实施例中只示出一个液晶板8，实际和通用的投影仪具有用于红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的三个液晶板。偏振分束器7构成所谓的颜色分离/组合光学系统的一部分，该系统分别将R照明光、G照明光和B照明光引入三个液晶板，并组合来自这三个液晶板的R图像光、G图像光和B图像光。
偏振分束器7具有构成偏振分束表面7a并相对于照明光学系统的光轴(Z轴)倾斜的偏振分束膜，该表面7a由多层膜制成。偏振分束表面7a相对于光轴的倾斜通常设置为45°或从42°至48°的角度。
偏振分束膜具有根据偏振方向分离位于作为可见光波长范围的至少一部分的波长范围(例如宽度为10nm或更大、优选40nm或更大的波长范围)内的光的功能。总的来说，在具有特定入射角的光中，偏振分束膜反射具有第一偏振方向的光的80％或更多，并透过具有垂直于第一偏振方向的第二偏振方向的光的80％或更多。
第一和第二复眼透镜3、4中的每一个由多个二维排列的透镜单元构成(也就是说，排列为多个透镜单元分别排列在垂直于光轴的第一方向上和垂直于第一方向以及光轴的第二方向上)。每个透镜单元的中心轴平行于Z轴。
如上所述，从设置在椭圆反射镜2的第一焦点附近的光源1射出的光束被椭圆反射镜2反射和聚集，从而作为会聚光束朝着第一复眼透镜3前进。
在图1所示的XZ截面中，如图4所示，在第一复眼透镜3的多个透镜单元3a中，除中心透镜单元之外的透镜单元形成为使得它们的顶点在X方向上向外偏心。因此，第一复眼透镜3对来自椭圆反射镜2的光束总体上具有负的(凹的)透镜功能。
将使用图5描述这一点。图5示出第一复眼透镜3的中心透镜单元3a0的XZ截面和在X方向上与其相邻的两个透镜元件(外围透镜元件)3a1和3a2。
外围透镜单元3a1和3a2的顶点(该顶点位于示出外围透镜单元3a1、3a2的光轴01、o2的虚线上)相对于外围透镜单元3a1和3a2的中心(该中心位于虚线o1’、o2’上)向外偏心。如果偶数个透镜单元分别设置在X方向和Y方向上，则优选每个透镜单元的顶点都相对于该透镜单元的中心向外偏心。
在图5中，“a”表示第一复眼透镜3的焦距f，线A表示朝向椭圆反射镜2而与第一复眼透镜3(即中心透镜单元3a0)相距“a”的位置(即入射侧焦点)。
在这种情况下，分别通过外围透镜单元3a1、3a2的光轴o1、o2与线A的交点Q1、Q2的光线L1和L2分别穿过外围透镜单元3a1、3a2的中心，从而变成沿着Z轴前进的平行光线，然后从第一复眼透镜3射出。
光线L1和L2是分别穿过外围透镜单元3a1、3a2的中心的光线。此外，尽管未示出，中心透镜单元3a0的顶点位于中心透镜单元3a0的中心，进入中心透镜单元3a0的中心的光线平行于Z轴前进，从而从第一复眼透镜3射出。
因此，第一复眼透镜3具有将进入每个透镜单元的中心的光线转换为平行于光轴(Z轴)前进的光线的功能。换句话说，第一复眼透镜3具有将来自椭圆反射镜2的光束分为多个平行于光轴的光束、然后分别聚集该多个光束以使每个光束形成光源影像的功能。
因此，第一复眼透镜3用作具有负屈光力(屈光力是焦距的倒数，并且可以称为“折光力”)的透镜，以将来自椭圆反射镜2的全部会聚光束转换为平行光束，而且还用作具有正屈光力的透镜，用以聚集每个被分开的光束。
如上所述，第一复眼透镜3在XZ截面中具有将来自椭圆反射镜2的会聚光束转换为平行于光轴的多个光束并且使它们从该复眼透镜中射出的凹透镜功能。
在图2所示的YZ截面中，如图6所示，在第二复眼透镜4的多个透镜单元4a中，除中心透镜单元之外的透镜单元形成为使得它们的顶点在Y方向向外偏心。因此，被椭圆反射镜2反射然后进入第二复眼透镜4的光束变成平行光束。也就是说，整个第二复眼透镜4在YZ截面上对来自椭圆反射镜2的光束具有负的(凹的)透镜功能。该透镜功能可以按照与第一复眼透镜3相同的方式来获得。
图7和8分别放大地示出图1和2示出的从椭圆反射镜2到偏振转换元件5的光路。被椭圆反射镜2反射的会聚光束在XZ截面上由第一复眼透镜3转换为平行光束，而在YZ截面上由第二复眼透镜4转换为平行光束。
也就是说，光束在XZ截面上的压缩是通过由椭圆反射镜(或第一光学元件)2以及第一复眼透镜(或第二光学元件)3组成的压缩系统来执行的，而光束在YZ截面上的压缩是通过由椭圆反射镜2以及第二复眼透镜(或第三光学元件)4组成的压缩系统来执行的。
光束的压缩是一种减小光束的直径(换句话说是宽度)然后使该光束准直的光学作用。
该实施例中的平行光束不仅包括完全平行的光束，而且包括从光学性能方面可以被看作是平行光束的光束。
具体的说，从光源一侧的顺序来看，该实施例的压缩系统由具有正屈光力的第一光学元件如椭圆反射镜或凸透镜、以及具有在XZ和YZ截面上互不相同的负屈光力的第二和第三光学元件或者第二光学元件如凹透镜或具有凹透镜功能的复眼透镜(或透镜阵列)的组合构成。
但是，如果从该压缩系统射出的光束是平行光束的话，压缩系统可以由具有正屈光力的光学元件如椭圆反射镜或凸透镜、以及具有正屈光力的另一个光学元件如凸透镜的组合构成。如果压缩系统仅由透镜构成，则优选该压缩系统构成为无焦系统。
如上所述，该压缩系统导致从其射出的光束的直径(或宽度)在XZ和YZ截面上都变得比进入其之前(即进入反射镜2之前)的光束的直径(或宽度)窄。
在将光束从光源引入液晶板的照明光学系统中，该实施例的压缩系统设置在照明光学系统的光源(发光部件)和光瞳位置(即形成光源影像或发光部件的影像的位置)之间。
在该实施例中，照明光学系统的光瞳位置位于偏振转换元件(即排列了多个小型偏振转换元件的部件)的附近。但是，该光瞳位置可以比至少一个比该偏振转换元件更靠近液晶板的光学元件还要更靠近液晶板。
此外，针对XZ截面的、压缩XZ截面中的光束直径的压缩系统以及针对YZ截面的、压缩YZ截面中的光束直径的压缩系统可以由相同的光学元件构成，或者包括相同的光学元件作为其一部分，或者由不同的光学元件构成。
该实施例的压缩系统设置在光源和偏振转换元件之间，并在反射镜的反射点压缩XZ和YZ截面中的光束直径。
因此，光束直径可以在用于将光从光源引入液晶板的照明光学系统的光瞳位置(光源影像形成位置)处变窄。
此外，光学元件在XZ和YZ截面中的位置和屈光力中的至少一个方面的差异导致光束直径在XZ和YZ截面中在进入偏振转换元件的进入点(换句话说在从压缩系统的出射点)互不相同。也就是说，包括上述差异的压缩系统导致光束直径的压缩率会在XZ和YZ截面中互不相同。
该实施例的描述主要针对压缩系统比偏振转换元件更靠近光源的情况做出。但是，压缩系统可以比上述偏振转换元件更靠近液晶板(或者投影透镜)。
在这种情况下，针对XZ截面的、压缩XZ截面中的光束直径的压缩系统可以在照明光源系统的XZ截面中比光瞳位置(光源影像形成位置)更靠近光源，针对YZ截面的、压缩YZ截面中的光束直径的压缩系统可以在照明光源系统的YZ截面中比光瞳位置(光源影像形成位置)更靠近光源。这些特征也可以应用于下面描述的实施例。
在该实施例和后面描述的实施例中，光束的压缩率定义为光束在从反射镜射出的出射点(或者反射镜上的反射点)的外径与在紧接从压缩系统射出之后的点(或者在进入偏振转换元件的进入点)的外径的比值。具体说来，在实施例1至5中光束的压缩率表示通过将光束在从反射镜射出的出射点的外径除以光束在紧接从压缩系统射出之后的点的外径而获得的值。需要注意，后面将描述的实施例7及其后面的实施例中的压缩率具有与实施例1至5中的压缩率相反的含义。其详细定义将在后面描述。
在该实施例中，由于从第一和第二复眼透镜3和4射出的光束作为平行光束进入偏振转换元件5，因此压缩率是根据椭圆反射镜2与第一复眼透镜3或第二复眼透镜4之间的距离(或者长度，下面称为“压缩长度”)来确定的。
如图7所示，在XZ截面，光束的压缩是由椭圆反射镜2和第一复眼透镜3执行的，从而压缩长度是B。
如图8所示，在YZ截面，光束的压缩是由椭圆反射镜2和第二复眼透镜4执行的，从而压缩长度是C。
由此，在该实施例中，XZ截面和YZ截面中的压缩率互不相同。具体的说，由于B/C＜1，因此YZ截面中的压缩率大于XZ截面中的压缩率。
换句话说，当XZ截面中的压缩率是α，而YZ截面中的压缩率是β时，α≠βα/β＜1(α≠0，β≠0，更优选地α＞1，β＞1)如上所述，压缩率α和β中的每一个都作为通过将光束在从椭圆反射镜2射出的出射点的外径除以光束在紧接从压缩系统射出之后的点的外径而获得的值定义的。因此，如果光束被该压缩系统压缩，则压缩率α和β逻辑上大于1。
下面利用图1和2描述α和β。在这些图中，Lr表示光束在椭圆反射镜2的反射位置处垂直于光轴的方向上的宽度(或直径)。
Lx表示光束在XZ截面中(在垂直于光轴的方向上)紧接偏振转换元件5之前的位置处的宽度。换句话说，Lx表示光束在XZ截面中位于在相对于偏振转换元件5来说更靠近光源那一侧最靠近偏振转换元件5的光学元件和偏振转换元件5之间的位置处的宽度。
Ly表示光束在YZ截面中(在垂直于光轴的另一个方向上)紧接偏振转换元件5之前的位置处的宽度。换句话说，Ly表示光束在YZ截面中位于在相对于偏振转换元件5来说更靠近光源那一侧最靠近偏振转换元件5的光学元件和偏振转换元件5之间的位置处的宽度。
α和β可以如下表达α＝Lr/Lxβ＝Lr/Ly。
α＞1，β＞1α和β还可以如下表达α＝Hr/Hxβ＝Hr/Hy。
其中Hr表示进入复眼透镜的离轴透镜单元的中心的光线被反射镜反射的位置的高度(与光轴的距离)，Hx(在XZ截面中)和Hy(在YZ截面中)表示光线进入偏振转换元件5的位置的高度。
优选上述进入复眼透镜的离轴透镜单元的中心的光线进入第一和第二复眼透镜的中心。光线垂直地(即平行于光轴)进入偏振转换元件5。
尽管在该实施例中Lx和Ly定义为光束在紧接偏振转换元件5之前的位置处的直径(或宽度)，Lx和Ly还可以定义为光束在紧接压缩系统之后的位置处的直径。
在图1和图2所示的实施例中，α＝1.21和β＝1.67，从而α和β互不相同，而且α/β等于0.72(＜1)。
如上所述，在该实施例中，会聚光束由椭圆反射镜2产生，而且通过利用从椭圆反射镜2到第一复眼透镜3的距离与椭圆反射镜2到第二复眼透镜4的距离之差来使得光束在YZ截面中的压缩率大于在XZ截面中的压缩率。
因此，与在第一和第二复眼透镜之间剧烈压缩光束的传统配置相比，不需要使构成每个复眼透镜3、4的各透镜单元的偏心量很大。
因此，可以抑制每个复眼透镜3、4在光轴方向上的厚度的增加。结果，照明光学系统可以降低在每个复眼透镜中产生的像差，并在不大幅减小照明效率的情况下实现光束在YZ截面中所需要的压缩率。因此用于图像投影的光学系统可以投影亮图像，同时使光束在偏振分束器7对角分布敏感的方向上(即在YZ截面的方向上)的角分布变窄，以抑制亮度的不均匀和对比度的降低。
此外，照明光学系统(或者用于图像投影的光学系统)也将光束在偏振分束器7对角分布不敏感的方向上(即在XZ截面的方向上)的角分布变窄，由此与角分布在该方向上很大的情况相比，使得能够对抑制亮度的不均匀和对比度的降低有贡献。
实施例2图9和10示出作为本发明实施例2的用于图像投影的光学系统中使用的照明光学系统的配置。图9示出照明光学系统的XZ截面，图10示出其YZ截面。
从光源11发射出的白光由抛物面反射镜(抛物面镜)12转换为平行光束。光源11和抛物面反射镜12构成光源灯LP。平行光束由凸透镜13聚集，然后穿过第一凹柱面透镜14从而进入第一复眼透镜15。
进入第一复眼透镜15的光束被分为多个光束，由此每个光束被聚集。从第一复眼透镜15射出的光束穿过第二凹柱面透镜16，然后在第二复眼透镜17和偏振转换元件18的附近形成二次光源影像。
从偏振转换元件18射出的多个分开的光束(即具有预定偏振方向的线性偏振光)由聚光透镜19会聚，穿过偏振分束器20，然后在反射液晶板21上彼此重叠。偏振分束器20具有类似于在实施例1中描述的偏振分束膜(光学膜表面或光学表面)20a。
第一和第二复眼透镜15和17中的每一个都由二维排列的多个透镜单元构成。
图11和12分别放大地示出图9和10所示的从抛物面反射镜12到偏振转换元件18的光路。从抛物面反射镜12射出的平行光束由凸透镜13转换为会聚的光束，然后在XZ截面该会聚光束由具有凹透镜功能的第一凹柱面透镜14转换为平行光束。
另一方面，在YZ截面中来自凸透镜13的会聚光束由具有凹透镜功能的第二凹柱面透镜16转换为平行光束。
也就是说，光束在XZ截面中的压缩通过由凸透镜(或者第一光学元件)13和第一凹柱面透镜(或者第二光学元件)14构成的压缩系统执行，光束在YZ截面中的压缩通过由凸透镜13和第二凹柱面透镜(或者第三光学元件)16构成的压缩系统执行。
这里，如上所述，光束的压缩率定义为通过将光束在从抛物面反射镜12射出的出射点的外径除以光束在紧接从压缩系统射出之后的点的外径而获得的值。
在该实施例中，由于来自抛物面反射镜12的平行光束进入凸透镜13，因此从第一和第二凹柱面透镜14、16射出的平行光束进入偏振转换元件18。因此，压缩率是根据从凸透镜13到第一凹柱面透镜14或第二凹柱面透镜16的距离(压缩长度)来确定的。
如图11所示，在XZ截面，光束的压缩由凸透镜13和第一凹柱面透镜14执行，从而压缩长度为D。如图12所示，在YZ截面，光束的压缩由凸透镜13和第二凹柱面透镜16执行，从而压缩长度为E。
因此，在该实施例中，在XZ截面和在YZ截面中的压缩率互不相同。具体的说，由于D/E＜1，YZ截面中的压缩率大于在XZ截面中的压缩率。
换句话说，当XZ截面中的压缩率是α，而YZ截面中的压缩率是β时，α/β＜1(α≠0)。
如上所述，在该实施例中，从抛物面反射镜12射出的平行光束由凸透镜13转换为会聚光束，而且通过利用从凸透镜13到第一凹柱面透镜14的距离与凸透镜13到第二凹柱面透镜16的距离之差来使得光束在YZ截面中的压缩率大于在XZ截面中的压缩率。
因此，与实施例1相同，照明光学系统可以达到光束在YZ截面所需要的压缩率，同时抑制每个复眼透镜15、16的厚度的增加和所导致的照明效率的降低。因此，用于图像投影的光学系统可以投影亮图像，同时使光束在偏振分束器20对角分布敏感的方向上(即在YZ截面的方向上)的角分布变窄，以抑制亮度的不均匀和对比度的降低。
此外，照明光学系统(或者用于图像投影的光学系统)也将光束在偏振分束器20对角分布不敏感的方向上(即在XZ截面的方向上)的角分布变窄，由此，与角分布在该方向上很大的情况相比，使得能够对抑制亮度的不均匀和对比度的降低有贡献。
尽管该实施例使用作为与复眼透镜分离的透镜的凹柱面透镜，凹柱面透镜表面还可以设置在位于复眼透镜的与其透镜单元表面相反的表面上。
实施例3图13和14示出作为本发明实施例3的用于图像投影的光学系统中使用的照明光学系统的配置。图13示出照明光学系统的XZ截面，图14示出其YZ截面。
从光源31发射出的白光由抛物面反射镜32转换为平行光束。光源31和抛物面反射镜32构成光源灯LP。平行光束由双凸复曲面透镜33转换为会聚光束，然后穿过双凹复曲面透镜34从而进入第一复眼透镜35。双凸复曲面透镜33可以具有平凸形状或弯月形状，并且双凹复曲面透镜34可以具有平凹形状或弯月形状。
进入第一复眼透镜35的光束被分为多个光束，由此每个光束被聚集。从第一复眼透镜35射出的光束在第二复眼透镜36和偏振转换元件37的附近形成二次光源影像。
从偏振转换元件37射出的多个分开的光束(即具有预定偏振方向的线性偏振光)由聚光透镜38会聚，穿过偏振分束器39，然后在反射液晶板40上彼此重叠。偏振分束器39具有类似于在实施例1中描述的偏振分束膜(光学膜表面或光学表面)39a。
第一和第二复眼透镜35和36中的每一个都由二维排列的多个透镜单元构成。
图15和16分别放大地示出图13和14所示的从抛物面反射镜32到偏振转换元件37的光路。穿过双凸复曲面透镜33的光束是会聚光束，但是该会聚光束由具有凹透镜功能的双凹复曲面透镜34转换为在XZ和YZ截面中的平行光束。
也就是说，光束在XZ截面和YZ截面中的压缩通过由双凸复曲面透镜(或者第一光学元件)33和双凹复曲面透镜(或者第二光学元件)34构成的压缩系统执行。这里，光束的压缩率定义为通过将光束在从抛物面反射镜32射出的出射点的外径除以光束在紧接从压缩系统射出之后的点的外径(或者光束在进入偏振转换元件37的进入点的外径)而获得的值。在该实施例中，来自抛物面反射镜32的平行光束进入双凸复曲面透镜33，从双凹复曲面透镜34射出的平行光束进入偏振转换元件37。也就是说，在该实施例中，光束在XZ截面中的压缩率α和光束在YZ截面中的压缩率β彼此也是不同的。
当双凸复曲面透镜33在XZ和YZ截面的焦距分别是T1x和T1y，而双凹复曲面透镜34在XZ和YZ截面的焦距分别是T2x和T2y时，它们的关系表达如下T1x/T1y＞1T2x/T2y＞1。
在XZ和YZ截面中的压缩率α和β如下α＝T1x/T2x＞1β＝T1x/T2y＞1。
因此，在YZ截面中的压缩率(β)大于在XZ截面中的压缩率(α)。
换句话说，当XZ截面中的压缩率是α，而YZ截面中的压缩率是β时，α/β＜1(α≠0)如上所述，在该实施例中，从抛物面反射镜32射出的平行光束由双凸复曲面透镜33转换为会聚光束，而且通过利用双凸复曲面透镜33和双凹复曲面透镜34在XZ和YZ截面的焦距差来使得光束在YZ截面中的压缩率大于在XZ截面中的压缩率。
因此，与实施例1一样，照明光学系统可以达到光束在YZ截面所需要的压缩率，同时抑制每个复眼透镜35、37的厚度的增加和所导致的照明效率的降低。因此，用于图像投影的光学系统可以投影亮图像，同时使光束在偏振分束器39对角分布敏感的方向上(即在YZ截面的方向上)的角分布变窄，以抑制亮度的不均匀和对比度的降低。
此外，照明光学系统(或者用于图像投影的光学系统)也将光束在偏振分束器39对角分布不敏感的方向上(即在XZ截面的方向上)的角分布变窄，由此，与角分布在该方向上很大的情况相比，使得能够对抑制亮度的不均匀和对比度的降低有贡献。
实施例4图17和18示出作为本发明实施例4的用于图像投影的光学系统中使用的照明光学系统的配置。图17示出照明光学系统的XZ截面，图18示出其YZ截面。
从光源51发射出的白光由椭圆反射镜52反射以转换为会聚光束。该会聚光束进入第一复眼透镜53。光源51和椭圆反射镜52构成光源灯LP。可以用抛物面反射器代替椭圆反射器52。
在该实施例中，构成第一复眼透镜53的多个透镜单元中的每一个(除了中心透镜单元)在XZ和YZ截面中具有不同的偏心量，这向整个第一复眼透镜53提供双凸复曲面透镜功能。
进入第一复眼透镜53的光束被分为多个光束，由此每个光束被聚集。从第一复眼透镜53射出的光束在第二复眼透镜54和未示出的偏振转换元件附近形成二次光源影像。
在该实施例中，构成第二复眼透镜54的多个透镜单元中的每一个(除了中心透镜单元)在XZ和YZ截面中具有不同的偏心量，这向整个第二复眼透镜54提供双凹复曲面透镜功能。
从偏振转换元件射出的多个分开的光束(即具有预定偏振方向的线性偏振光)由聚光透镜55会聚，穿过偏振分束器56的偏振分束膜(光学膜表面或光学表面)56a，然后在反射液晶板57上彼此重叠。
作为双凸复曲面透镜的第一复眼透镜53在XZ和YZ截面中的焦距的关系以及作为双凹复曲面透镜的第二复眼透镜54在XZ和YZ截面中的焦距的关系与在实施例3中的相同。
也就是说，当XZ截面中的压缩率是α，而YZ截面中的压缩率是β时，α/β＜1(α≠0)因此，按照该实施例可以获得类似于实施例3的效果。
在上述实施例中，是针对使用偏振分束器的照明光学系统进行描述的。但是，使用相对于光轴倾斜的二向色棱镜或具有二向色膜表面的二向色镜的照明光学系统可以在上述每个实施例中采用该实施例的光束压缩系统。
表格1示出在实施例1至4中每一个的压缩率α、β和α/β的值。但是，如果这些值在上述条件表达式的范围内变化，则可以获得与实施例1至4中每一个类似的效果。也就是说，例如实施例1中的压缩率可以应用于其它实施例的压缩率，其它实施例中的压缩率可以用于实施例1的压缩率。此外，表格1中的压缩率α、β可用于下面描述的从实施例5开始的实施例中。
表格1

这里，满足α/β＜1。更优选的是α/β＜0.95，还要优选的是α/β＜0.9。
关于下限，优选α/β＞0.3，更优选α/β＞0.5，更为优选的是α/β＞0.7。
当然α＞1，但是优选α＞1.05，更为优选的是α＞1.10。另一方面，当然β＞1，但是优选β＞1.10，更为优选的是β＞1.25。
实施例5在上述每个实施例中，是针对包括比偏振转换元件更靠近光源的压缩系统并且该压缩系统在XZ和YZ截面中具有不同压缩率的照明光学系统进行描述的。但是，具有类似于上述每个实施例的功能的压缩系统可以比偏振转换元件更靠近偏振分束器。
而且在该情况中，压缩系统配置为在YZ截面中的压缩率大于在XZ截面中的压缩率。
按照上述每个实施例，可以实现投影亮图像同时抑制对比度降低的光学系统。
在实施例1至5的每一个中，压缩率定义为通过将光束在进入压缩系统之前(或者紧接从反射镜射出之后)的点的外径除以光束在紧接从压缩系统射出之后的点的外径而获得的值。
但是，将在实施例7以及随后的实施例中使用的描述为“压缩率”和“扩展率”的比率(下面都称为“转换率”)具有相反的含义。也就是说，用在实施例7和随后的实施例中的压缩率和扩展率(转换率)定义为通过将光束在紧接从压缩系统射出之后的点的外径除以光束在进入压缩系统之前(或者紧接从反射镜射出之后)的点的外径而获得的值。压缩率和扩展率(转换率)当然可以用在实施例7和随后的实施例中描述的压缩系统中的光学系统的焦距来定义。
此外，实施例1至5中的XZ和YZ截面以及实施例7至15中的XZ和YZ截面表示互不相同(或相反)的截面。也就是说，实施例7至15中的XZ截面表示平行于光学表面(偏振分束表面)的法线的截面，而YZ截面表示垂直于该XZ截面的截面。实施例7至15中的XZ和YZ截面也平行于Z轴(或照明光学系统的光轴)。
基于在实施例7以及随后的实施例中使用的定义，在平行于光学表面(偏振分束表面)的法线的XZ截面中(该XZ截面对应于实施例1至5中的YZ截面)的转换率定义为γ，而在垂直于该XZ截面的YZ截面中(该YZ截面对应于实施例1至5中的XZ截面)的转换率定义为δ。在这种情况下，上述表格1可以被下面的表格1A代替。
在表格1A中，很自然γ小于1。但是，γ优选小于0.90，更为优选的是γ小于0.75。当然δ也小于1。但是优选δ小于0.95，更为优选的是δ小于0.90。它们在实施例1至5中当然得到了满足，在实施例7至11中同样得到满足。但是在实施例12至15中，光束被扩展，因此γ和δ大于1。
另外，γ/δ当然小于1。但是，优选γ/δ小于0.95，更为优选的γ/δ小于0.90。此外，优选γ/δ大于0.3，更为优选的γ/δ大于0.5，还要优选的γ/δ为0.6或更大。这些在实施例1至5当然得到了满足，在实施例7至15中同样得到满足。
表格1A

如上所述，在实施例7和随后的实施例中，XZ截面平行于光学表面(偏振分束表面)的法线，而YZ截面垂直于该XZ截面。这些定义刚好与实施例1至5中的相反。
也就是说，表格1A中的γ对应于实施例7和随后的实施例的XZ截面中的转换率(压缩率或扩展率)，表格1A中的δ对应于实施例7和随后的实施例的YZ截面中的转换率。
换句话说，表格1A中的γ对应于在实施例7和随后的实施例的XZ截面中的α和准直放大率HX，表格1A中的δ对应于在实施例7和随后的实施例的YZ截面中的β和准直放大率HY。因此，表格1A中的γ/δ与实施例7和随后的实施例中的α/β以及HX/HY同义，因此优选其算术值在相似的范围内。
实施例6图19示出使用实施例1描述的包括照明光学系统的用于图像投影的光学系统的液晶投影仪(图像投影装置)的配置。图19示出包括实施例1中的YZ截面的截面。在该液晶投影仪中，可以使用在每个实施例2至5中描述的照明光学系统来代替实施例1的照明光学系统。
在该图中，附图标记1表示以连续谱发射白光的光源，2表示在预定方向反射和聚集来自光源1的光的椭圆反射镜。光源1和椭圆反射镜2构成光源灯LP。
附图标记100表示省略了光源灯LP和偏振分束器7的照明光学系统的一部分。
附图标记158表示反射蓝色波长区域中的光(B430至495nm)和红色波长区域中的光(R590至650nm)并透过绿色波长范围内的光(G505至580nm)的二向色镜。R、G、B的上述波长区域是例子，因此实际波长区域不限于此。每个波长区域R、G、B只需要在上述范围内具有40nm或更大的宽度。在R波长区域内的光、在G波长区域内的光和在B波长区域内的光下面分别称为“R光”、“G光”和“B光”。
附图标记159表示通过向透明基板粘接偏振元件而形成并且只透过S偏振光的用于G的入射侧偏振板。附图标记60表示透过P偏振光并在其由多层膜构成的偏振分束表面(偏振分束膜)上反射S偏振光的第一偏振分束器。
附图标记61R、61G和61B分别表示用于R、G、B的反射液晶板(或者光调制元件或成像元件)，每个液晶板都反射进入的光并进行图像调制。
附图标记64表示通过向透明基板粘接偏振元件而形成并且只透过S偏振光的用于G和B的入射侧偏振板。
附图标记65表示将B光的偏振方向旋转90°并且不旋转R光的偏振方向的第一色选择性相位差板。附图标记66表示透过P偏转光并在其偏振分束表面上反射S偏转光的第二偏振分束器。附图标记67表示将R光的偏振方向旋转90°并且不旋转B光的偏振方向的第二色选择性相位差板。
附图标记68表示只透过S偏振光的用于R和G的出射侧偏振板(偏振元件)。附图标记69表示透过P偏转光并在其偏振分束表面上反射S偏转光的第三偏振分束器。
上述从二向色镜158到第三偏振分束器69的部件构成颜色分离/组合光学系统200。
附图标记70表示投影透镜(或投影光学系统)。上述照明光学系统100、颜色分离/组合光学系统200和投影透镜70构成用于图像投影的光学系统。投影透镜70可以包括镜子和透镜，或者只包括镜子，或者折射光学元件。
下面描述光穿过照明光学系统100之后的光学效果。首先描述G光的光路。
透过二向色镜158的G光进入入射侧偏振板159。G光在由二向色镜158分离之后保持为S偏振光。在G光从入射侧偏振板159出射之后，其作为S偏振光进入第一偏振分束器60，被其偏振分束表面反射，并到达用于G的反射液晶板61G。
设置在投影仪中的液晶驱动电路250与图像提供装置300如个人计算机、DVD播放器和电视调谐器连接。投影仪和图像提供装置300构成图像显示系统。液晶驱动电路250基于从图像提供装置300接收的图像(视频)信息驱动液晶板61R、61G、61B，从而使液晶板61R、61G、61B形成各颜色的原始图像。每个反射液晶板61R、61G、61B都对进入的光进行图像调制和反射。
在经过图像调制后的G光中，S偏振光分量又被第一偏振分束器60的偏振分束表面反射，并向光源一侧返回从而从用于投影的光中去掉。另一方面，在经过图像调制的G光中，P偏振光分量穿过第一偏振分束器60的偏振分束表面，并作为投影光朝着第三偏振分束器69前进。
当所有的偏振光分量都转换为S偏振光之后(即显示黑色时)，可以在预定方向上调整设置在第一偏振分束器60和用于G的反射液晶板61G之间的四分之一相位板62G的慢轴，以减小在第一偏振分束器60和用于G的反射液晶板61G中产生的被扰乱的偏振状态的影响。
从第一偏振分束器60出射的G光作为P偏转光进入第三偏振分束器69，穿过第三偏振分束器69的偏振分束表面，并到达投影透镜70。
同时，由二向色镜158反射的R光和B光进入入射侧偏振板64。应当注意，R光和B光在被二向色镜158分离之后保持为S偏振光。在R光和B光从入射侧偏振板64射出之后，这些光进入第一色选择性相位差板65。
第一色选择性相位差板65具有将B光的偏振方向旋转90°的功能。这使得B光和R光分别作为P偏振光和S偏转光进入第二偏振分束器66。作为S偏振光进入第二偏振分束器66的R光被第二偏振分束器66的偏振分束表面反射，并到达用于R的反射液晶板61R。
作为P偏振光进入第二偏振分束器66的B光穿过第二偏振分束器66的偏振分束表面，并到达用于B的反射液晶板61B。
进入用于R的反射液晶板61R的R光经过图像调制和反射。在经过图像调制后的R光中，S偏振光分量又被第二偏振分束器66的偏振分束表面反射，并向光源一侧返回从而从用于投影的光中去掉。另一方面，在经过图像调制的R光中，P偏振光分量穿过第二偏振分束器66的偏振分束表面，并作为用于投影的光朝着第二色选择性相位差板67前进。
进入用于B的反射液晶板61B的B光经过图像调制和反射。在经过图像调制后的B光中，P偏振光分量又穿过第二偏振分束器66的偏振分束表面，并向光源一侧返回从而从用于投影的光中去掉。另一方面，在经过图像调制的B光中，S偏振光分量被第二偏振分束器66的偏振分束表面反射，并作为用于投影的光朝着第二色选择性相位差板67前进。
在这种情况下，可以调整设置在第二偏振分束器66以及用于R和B的反射液晶板61R和61B之间的各个四分之一波板62R和62B的慢轴，以便像在G光中那样调整在R和B光每一个中的黑色显示。
在组合为一个光束并从第二偏振分束器66射出的R和B的投影光中，R光的偏振方向由第二色选择性相位差板67旋转90°并转换为S偏振光分量，所得到的光被出射侧偏振板68分析并进入第三偏振分束器69。
B光作为S偏振光没有改变地穿过第二色选择性相位差板67，该光被出射侧偏振板68分析并进入第三偏振分束器69。
由出射侧偏振板68进行的分析实现了R和B的投影光，其排除了由于穿过第二偏振分束器66、用于R和B的反射液晶板61R和61B，以及四分之一波板62R和62B而产生的无效分量。
进入第三偏振分束器69的R和B的投影光被第三偏振分束器69的偏振分束表面反射，并与上述穿过该偏振分束表面的G光组合。所得到的光到达投影透镜70。
因此，组合的R、G、B的投影光(即彩色图像)由投影透镜70放大并投影在诸如屏幕的投影表面上。
由于上述光路用在反射液晶板针对白色显示运行时，因此下面描述反射液晶板针对黑色显示运行时的光学效果。
首先描述G光的光路。作为穿过二向色镜158的S偏振光的G光进入入射侧偏振板159。然后G光进入第一偏振分束器60，被其偏振分束表面反射，并到达用于G的反射液晶板61G。但是，反射液晶板61G针对黑色显示运行，G光没有经过图像调制就被反射。
结果，G光在被反射液晶元件61G反射之后保持为S偏振光。因此，G光再次被第一偏振分束器60的偏振分束表面反射，穿过入射侧偏振板159，并向光源返回从而从投影光中去掉。
下面描述R光和B光的光路。作为由二向色镜158反射的S偏振光的R光和B光进入入射侧偏振板64。在R光和B光从入射侧偏振板64射出之后，它们进入第一色选择性相位差板65。第一色选择性相位差板65具有只将B光的偏振方向旋转90°的功能。这使得B光和R光分别作为P偏振光和S偏振光进入第二偏振分束器66。
作为S偏振光进入第二偏振分束器66的R光被第二偏振分束器66的偏振分束表面反射，并到达用于R的反射液晶板61R。作为P偏振光进入第二偏振分束器66的B光穿过第二偏振分束器66的偏振分束表面，并到达用于B的反射液晶板61B。
由于用于R的反射液晶板61R是针对黑色显示运行的，进入用于R的反射液晶板61R的R光没有经过图像调制就被反射。
结果，R光在被用于R的反射液晶元件61R反射之后保持为S偏振光。因此，R光再次被第二偏振分束器66的偏振分束表面反射，穿过入射侧偏振板64，并向光源返回从而从投影光中去掉。
另一方面，由于用于B的反射液晶板61B是为黑色显示运行的，进入用于B的反射液晶板61B的B光没有经过图像调制就被反射。因此B光在被用于B的反射液晶板61B反射之后保持为P偏振光。因此，B光再次穿过第二偏振分束器66的偏振分束表面，由第一色选择性相位差板65转换为S偏振光，穿过入射侧偏振板64，并向光源返回从而从投影光中去掉。
由此黑色显示在投影表面上。
尽管在该实施例中颜色分离/组合光学系统200包括波长选择性相位差板(wavelength selective phase plate)，但该波长选择性相位差板可以去掉。在这种情况下，在该颜色分离/组合光学系统200中的偏振分束器可以配置为其偏振分束膜用作针对在可见光范围内的特定波长范围的偏振分束表面，并且用作针对其它波长范围的透射或反射表面而不管偏振方向是什么。
此外，四分之一相位板可以设置在颜色分离/组合光学系统200和投影透镜70之间，使得防止由投影透镜70中的透镜表面反射、然后返回四分之一相位板的光再次被其反射并再次返回屏幕方向。
此外，尽管该实施例使用三个液晶板，也可以使用一个、两个、四个或更多液晶板。
此外，这些实施例中的复眼透镜可以由两个彼此靠近的柱面透镜或相互粘合的两个柱面透镜组成。
实施例7图22和23示出使用实施例7的包括照明光学系统的用于图像投影的光学系统的投影仪的配置。在下面的实施例中，XZ和YZ截面的定义和压缩率的含义与在实施例1至6中的不同。
在这些图中，附图标记401表示光源如高压水银放电管，402表示作为光束聚集器的椭圆反射镜(椭圆镜)。光源401的发光表面401a设置在椭圆反射镜402的第一焦点P1上。
从光源401径向射出的光束由椭圆反射镜402转换为会聚光束，从而在椭圆反射镜402的第二焦点P2聚集。
可以使用抛物面反射镜和正透镜的组合来代替椭圆反射镜402。
从椭圆反射镜402的顶点T到其第二焦点P2的距离fp对应于椭圆反射镜(或光束聚集器)402的焦距。也就是说，椭圆反射镜402在比第一透镜阵列403更靠近光源401的第二焦点P2处聚集来自光源401的光束。在此第二焦点P2是指聚集来自光源401的光束的位置，并且在不使用椭圆反射镜402的情况下对应于光聚集点(光聚集位置)。
来自第二焦点P2的光束由第一透镜阵列403分为多个光束，该第一透镜阵列403比第二焦点P2更靠近偏振转换元件405。分开的光束穿过第二透镜阵列404，然后在附近或者在偏振转换元件405的光入射侧或者在其光出射侧形成多个二次光源影像。
形成各二次光源影像的光束由偏振转换元件405转换为具有预定偏振方向的线性偏振光，然后进入聚光透镜406。
从聚光透镜406射出的分开的光束穿过偏振分束器407的偏振分束表面(光学膜表面或光学表面)407a，然后在液晶板408上相互重叠。由此，用具有均匀强度分布的照明光束照射液晶板408。
由液晶板408图像调制和反射的光被偏振分束器407的偏振分束表面407a反射，从而引入投影透镜409。
尽管在该实施例中仅示出一个液晶板408，实际和通用的投影仪具有用于红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的三个液晶板。偏振分束器407构成所谓的颜色分离/组合光学系统的一部分，该系统分别将R照明光、G照明光和B照明光引入这三个液晶板，并组合来自这三个液晶板的R图像光、G图像光和B图像光。
在图22中示出第一截面(或XZ截面)，其包括偏振分束器407的偏振分束表面407a的法线以及照明光学系统的光轴。
光轴o例如通过经过聚光透镜406的中心和液晶板408的板表面中心的轴线来定义，并对应于Z轴。
在图23中，示出包括照明光学系统的光轴o的垂直于第一截面的第二截面(或YZ截面)。
图22所示的XZ截面是平行于具有矩形形状的液晶板408的短边的截面，图23所示的YZ截面是平行于液晶板408的长边的截面。
换句话说，XZ截面是平行于偏振分束表面407a的法线和液晶板408的板表面(入射/出射表面)的法线的截面。YZ截面是垂直于XZ截面并平行于Z轴(光轴)的截面。针对Z轴、XZ截面和YZ截面的定义也适用于下面描述的实施例。
该照明光学系统使用来自光源401的光束穿过偏振分束器407而照射作为反射成像元件的反射液晶板(下面简称为“液晶板”)408上，该液晶板408设置在该照明光束的照射表面上。由液晶板8进行了图像调制的光束(图像光)再次通过偏振分束器407引入投影透镜(或者投影光学系统)，从而投影到诸如屏幕的投影表面上。
在图22所示的第一截面(即XZ截面)中，第一透镜阵列403的光入射表面形成为仅在第一截面中具有正折光力的圆柱表面。第一透镜阵列403的光出射表面形成为透镜阵列表面。第二透镜阵列404的光入射表面形成为透镜阵列表面。第二透镜阵列404的光出射表面形成为没有折光力的表面。
在图23所示的第二截面(即YZ截面)中，第一透镜阵列403的光入射表面形成为没有折光力的表面。第一透镜阵列403的光出射表面形成为透镜阵列表面。第二透镜阵列404的光入射表面形成为透镜阵列表面。第二透镜阵列404的光出射表面形成为仅在第二截面中具有正折光力的圆柱表面。
在第一截面中，当第一透镜阵列403的圆柱表面的焦距为fx时，从第二焦点P2到第一透镜阵列403的距离是fx。从第二焦点P2发散的光束穿过第一透镜阵列403而变成平行光束，该平行光束穿过第二透镜阵列404和偏振转换元件405而进入聚光镜406。
在该实施例中的平行光束不仅包括完全平行的光束，还包括从光学性能的方面来看可以看作是平行光束的光束。
在图22中，虚线表示穿过第一透镜阵列403的中心的光束(即沿着光轴o前进的光束)。实线表示经过非第一透镜阵列403中心的部分的光束。图22示出由实线示出的光束在液晶板408上的叠加。在第一截面中，第一透镜阵列403用作准直器。
在图23所示的第二截面中，当作为第二透镜阵列404的光出射表面的圆柱表面的焦距为fy时，从第二焦点P2到第二透镜阵列404的距离(空气等效值)是fy。
因此在从第二焦点P2发散的光束中，穿过第一透镜阵列403的圆柱表面(光出射表面)的中心以及第二透镜阵列404的圆柱表面(光入射表面)的中心的光束从第二透镜阵列404的光出射表面射出，而变成平行光束。
第一透镜阵列403的光出射表面和第二透镜阵列404的光入射表面促使多个分开的光束在聚光透镜406的焦平面上形成多个光源影像。
来自多个光源影像的多个光束穿过偏振转换元件405，然后由聚光透镜406重叠在液晶板408上。
在第二截面中，第二透镜阵列404用作准直器。
图39示出偏振转换元件405的一部分。偏振转换元件405设置在准直器的光出射侧或者准直器的光路中。
偏振转换元件405包括多个偏振分束表面405a、多个反射表面405b和多个半波片405c。具体的说，偏振转换元件405是一种阵列类型的光学元件，其中分别包括偏振分束表面405a、反射表面405b和半波片405c的多个偏振转换元件部分排列在基本上垂直于光轴的方向上。可以用偏振分束表面代替反射表面405b。因此，这里的偏振转换元件405可以称为“偏振转换元件阵列”。
在进入每个偏振分束表面405a的光中，具有预定偏振方向的偏振光分量穿过该表面而从偏振转换元件405射出。
另一方面，在进入每个偏振分束表面405a的光中，具有垂直于上述预定偏振方向的偏振方向的偏振光分量被该表面反射，然后被反射表面405b反射。此外，该偏振光分量的偏振方向被半波片405c旋转90度，然后该光分量从偏转转换元件405射出。偏振转换元件405通过这种方式将入射的非偏振光转换为具有预定偏振方向的线性偏振光。
半波片405c可以只设置在穿过偏振分束表面405a的光的光路中。偏振转换元件405可以将非偏振光转换为各种颜色的线性偏振光分量，在这种情况下线性偏振光分量的偏振方向不必相同。
换句话说，偏振转换元件405可以使红、绿和蓝光分量之一的偏振方向不同于另外两个光分量的偏振方向，使得例如红光分量是相对于偏振分束器407的S偏振光，而绿色和蓝色光分量是相对于偏振分束器407的P偏振光。
具体的说，这是通过向偏振分束表面405a提供反射绿色和蓝色S偏振光以及红色P偏振光，并透过绿色和蓝色P偏振光以及红色S偏振光的特性，并且通过在被偏振分束表面405a反射的光的光路中设置半波片405c来实现。
被椭圆反射镜(或第一光学元件402)反射的会聚光束由第一透镜阵列(或第二光学元件)403在图22所示的XZ截面中转换为平行光束，并且由第二透镜阵列(或第三光学元件)404在图23所示的YZ截面中转换为平行光束。
也就是说，光束在XZ截面中的压缩是通过由椭圆反射镜402以及第一透镜阵列403组成的压缩系统来执行的，光束在YZ截面中的压缩是通过由椭圆反射镜402以及第二透镜阵列404组成的压缩系统来执行的。
如上所述，在该实施例中，会聚光束由椭圆反射镜402产生，而且通过利用从椭圆反射镜402到第一透镜阵列403的距离与椭圆反射镜402到第二透镜阵列404的距离之差来使得光束在XZ截面的压缩率(或准直放大率)大于在YZ截面中的压缩率(或准直放大率)。
因此，与在第一和第二透镜阵列之间剧烈压缩光束的传统配置相比，不需要使构成每个透镜阵列403、404的各透镜单元的偏心量很大。
因此，可以抑制每个透镜阵列403、404在光轴方向上的厚度的增加。结果，该照明光学系统可以降低在每个透镜阵列中产生的像差，并在不大幅减小照明效率的情况下实现光束在XZ截面的所需要的压缩率(或需要的准直放大率)。由此，用于图像投影的光学系统可以投影亮图像，同时使光束在偏振分束器407对角分布敏感的方向上(即在XZ截面的方向上)的角分布变窄，以抑制亮度的不均匀和对比度的降低。
此外，照明光学系统(或者用于图像投影的光学系统)也将光束在偏振分束器407对角分布不敏感的方向上(即在YZ截面的方向上)的角分布变窄，由此，与角分布在该方向上很大的情况相比，使得能够对抑制亮度的不均匀和对比度的降低有贡献。
在该实施例中，进入液晶板408的板表面的光束在图23所示平行于液晶板408的长边的YZ截面中的角分布大于在图22所示平行于液晶板408的短边的XZ截面中的角分布。
在该实施例中，准直器(或透镜阵列，或第二和第三光学元件)403、404设置在光源401和偏振分束器407之间，在该照明光学系统中，这些准直器分别在彼此垂直的第一(XZ)和第二(YZ)截面中压缩光束。通过准直器403在第一截面中获得的压缩率(或准直放大率)以及通过准直器404在第二截面中获得的压缩率是互不相同的。
光束的压缩是由光束聚集器(或椭圆反射器)402减小光束的直径(换句话说，宽度)、然后通过准直器403或404使光束准直的光学作用。
压缩率定义为在紧接从准直器403或404射出之后的位置的光束直径L(在XZ截面中是Lx，在YZ截面中是Ly)与在光束聚集器402上的反射位置处的光束直径Lr之比L/Lr。
当第一截面中的压缩率是α，而第二截面中的压缩率是β时，α＝Lx/Lrβ＝Ly/Lr，其中，
α≠βα＜1，β＜1α＜βα/β＜1。
也就是说，在图22所示的第一截面中的压缩率α小于在图23所示的第二截面中的压缩率β。
例如，α＝0.6β＝0.83。
α/β＝0.72。
在该实施例中，每个光学元件具有满足α/β≤0.75的设置。
优选的，每个光学元件可以具有满足0.5＜α/β≤0.75的设置。
在此，第一截面中的压缩率(转换率)α、第二截面中的压缩率(转换率)β以及比例α/β可以分别被第一和第二截面中的准直放大率HX和HY以及HX/HY所代替。
因此，下面描述的HX和HY与压缩率(转换率)α(γ)和β(δ)的含义大致相同，涉及α(γ)、β(δ)和α/β(γ/δ)的条件表达式可以适用于HX、HY和HX/HY。
因此，当然与γ/δ的数值范围一样，HX/HY小于1。但是，优选HX/HY小于0.95，更为优选的是HX/HY小于0.90，更进一步优选的是如上所述HX/HY为0.75或更低。此外，如上所述，优选HX/HY大于0.5，更为优选的是HX/HY为0.6或更大。但是只需要HX/HY像γ/δ那样大于0.3。
此外，在该实施例中，在第一截面(XZ截面)中的准直放大率HX和在第二截面(YZ截面)中的准直放大率HY如下所示。
在如图22所示的第一截面中的第一准直放大率(压缩率)HX表示为HX＝|fx/fp|。
在如图23所示的第二截面中的第二准直放大率HY表示为HY＝|fy/fp|。
如图22和23所示，第二透镜阵列404比第一透镜阵列403更远离第二焦点P2，从而|fy|＞|fx|。
因此，HX和HY满足下面的条件HY＞HX。
由此，来自光束聚集器402的光束以在第一和第二截面中不同的压缩率压缩，由此转换为在这些截面中具有不同宽度(或直径)的光束。
在该实施例中，偏振转换元件405配置为多个偏振转换元件部分排列在图23所示的光束宽度较宽的第二截面中，偏振分束器407配置为偏振分束表面407a在图22所示的光束宽度较窄的第一截面的方向上折叠光束。这使得可以提高对比度，而不会降低在偏振分束表面407a上的亮度。
此外，针对XZ截面的、压缩在XZ截面中的光束宽度的准直器以及针对YZ截面的、压缩在YZ截面的光束宽度的准直器可以通过相同的光学元件构成，或者包括相同的光学元件作为其部件，或者通过不同的光学元件构成。
该实施例中的准直器设置在光源和偏振转换元件之间，并在XZ和YZ截面中压缩反射镜的反射点的光束直径。由此，光束直径可以在照明光学系统的、将光从光源引入液晶板的光瞳位置(光源影像形成位置)处变窄。
此外，光学元件的位置和屈光力的至少一项在XZ和YZ截面中的差异使得光束直径在XZ和YZ截面中进入偏振转换元件的进入点处(换句话说，在从准直器射出的出射点)互不相同。也就是说，包括上述差异的准直器使得光束直径的压缩率在XZ和YZ截面中互不相同。
该描述主要针对在该实施例中准直器比偏振转换元件更靠近光源的情况做出的。但是，准直器可以比偏振转换元件更靠近液晶板(或投影透镜)。
在这种情况下，针对YZ截面的、用于压缩YZ截面的光束直径的准直器在照明光学系统的YZ截面中可以比光瞳位置(光源影像形成位置)更靠近光源，针对XZ截面的、用于压缩XZ截面的光束直径的准直器在照明光学系统的XZ截面中可以比光瞳位置(光源影像形成位置)更靠近光源。这些也适用于下面描述的实施例。
作为替换实施例，在该实施例中可以在第一和第二截面中以不同的比率来扩展进入的光束，而不是由准直器403和404进行压缩。在这种情况下，在该实施例中不是由光束聚集器402和准直器403、404构成压缩系统，而是使用由光束发散器和准直器构成的扩展系统，该光束发散器具有负的折光力(或者负的屈光力)以使光束发散，该准直器具有正的折光力以使来自光束发散器的光束准直。
这种采用光束发散器和准直器的配置适用于光源和反射来自光源的光束的反射镜的外径很小的情况，如外径小于液晶板(或成像元件)的尺寸或小于该尺寸一半的情况。
在扩展光束的情况下，在第一和第二截面中的扩展率分别是HXX和HYY。在这种情况下，在第二截面中的扩展率大于在第一截面中的扩展率，从而可以获得类似于在压缩光束的情况中的效果。
也就是说，类似的效果可以通过满足以下条件来获得HXX＜HYY。
扩展率和压缩率可以称为“转换率”，其是一种转换光束直径(或光束宽度)的比率。此外，扩展系统和压缩系统可以称为“转换系统”。它们都适用于下面描述的实施例。
在计算准直放大率(HX，HY)时使用的每个截面中的焦距定义如下。
在图22和23中，第一和第二透镜阵列403、404中每一个在其一个表面上具有圆柱表面，在其另一个表面上具有透镜阵列表面，但是圆柱表面和透镜阵列表面可以彼此组合在一起。
图24示出组合的透镜阵列A的例子。透镜阵列A在其一个光学表面上具有多个微型透镜表面(透镜单元LA1、LA2、LA2’)，每个微型透镜表面都是偏心的。
透镜阵列A(或光学表面)的焦距可以在计算时基于经过透镜单元LA1的中心的光线与经过透镜单元LA2、LA2’的中心的光线的会聚点来定义。
当构成透镜阵列A的每个透镜单元都排列为垂直于参考轴(即照明光学系统的光轴)o时，每个透镜单元(例如LA1、LA2、LA2’)的表面的平行于参考轴o的法线可以认为是每个透镜单元的光轴(如o1、o2和o2’)。
因此在图24中，在跟踪经过透镜单元(LA1、LA2、LA2’)的中心(o1、o2和o2’)并平行于参考轴o的光线时，穿过透镜单元LA2和LA2’的光线被该透镜单元折射，并在预定点Q与中心透镜单元LA1的光轴相交。
从透镜单元LA1的透镜表面到点Q的距离fg对应于透镜阵列A在第一和第二截面每一个中的焦距。
如果透镜单元LA2和LA2’相对于参考轴o对称，则经过透镜单元LA2和LA2’中心的光线在一个点与中心透镜单元LA1的光轴相交。
另一方面，如果透镜单元LA2和LA2’关于参考轴o非对称，则经过透镜单元LA2和LA2’中心的光线在不同的交点与中心透镜单元LA1的光轴相交。在这种情况下，透镜阵列A的焦距可以利用交点的中点来定义。
此外，如果在如图25所示的参考轴o上没有设置透镜单元，则为设置在参考轴o附近的透镜单元LA3和LA3’绘制类似的示图(figure)使得可以基于经过透镜单元LA3和LA3’的中心的两个光线的交点Q’来定义焦距fg’。
图26示出由代替椭圆反射镜(椭圆镜)而使用的抛物面反射镜(物镜)402a和正透镜420的组合构成的光束聚集器的例子。来自光源401的光束被抛物面反射镜402a反射，从而变成平行光束，然后进入正透镜420。
如果正透镜420的焦点与图22、23所示的第二焦点P2一致，则穿过正透镜420的光束聚集在第二焦点P2上。由此，可以获得类似于上面所描述的效果。
在这种情况下，由抛物面反射镜402a和正透镜420组成的光束聚集器的焦距对应于正透镜420的焦距f20。
另一方面，如果光束聚集器如图27所示由抛物面反射镜402b和正透镜420b的组合构成，则光束聚集器的焦距可以如下定义。
在这种情况下，光束聚集器的焦距可以通过认为具有焦距fp的透镜设置在抛物面反射镜402b的顶点T1，而且正透镜420b(其焦距为f20)与顶点T1之间间隔空气距离d来定义。
可替换地，光束聚集器可以由椭圆反射镜和聚集透镜构成。
实施例8图28、29示出实施例8的使用包括照明光学系统的用于图像投影的光学系统的投影仪的配置。图28示出第一截面(或XZ截面)，图29示出第二截面(或YZ截面)。
该实施例与图22和23所示的实施例7的不同之处仅在于具有旋转对称形状的负透镜423设置在椭圆反射镜421和第一透镜阵列424之间，其它配置与实施例7相同。
在图28和29中，与图22和23相同的元件标以相同的附图标记。
在这些图中，附图标记401表示光源，421表示椭圆反射镜，423表示负透镜，424表示第一透镜阵列，425表示第二透镜阵列。405表示偏振转换元件，406表示聚光透镜，407表示偏振分束器(PBS)，408表示反射成像元件，409表示投影透镜，410表示相位片。
在图28和29中，由椭圆反射镜421和负透镜423形成光源401的虚像的点P2’对应于图22和23所示的第二焦点P2。
因此，在该实施例中，点P2’基本上可以认为是图22和23中的第二焦点P2。
在该实施例中，光源401的发光点设置在椭圆反射镜421的第一焦点P1，来自光源401的光束聚集在椭圆反射镜421的第二焦点P2。椭圆反射镜421构成光束聚集器。
从椭圆反射镜421的顶点T到其第二焦点P2的距离对应于光束聚集器的焦距fp。
设置在椭圆反射镜421和第二焦点P2之间的负透镜423的负屈光力使得光束在点P2’形成第二焦点(即物点)P2的影像。光束从点P2’发散开去。
第一透镜阵列424的入射侧表面具有在图28所示的第一(XZ)截面中具有正屈光力的透镜阵列形状。入射侧表面在透镜单元之间没有梯级(step)，这与图26所示的第一透镜阵列不同。但是，在该透镜阵列中的正透镜的焦距可以按照与使用图26描述的类似的方式来计算。
如果从上述形状获得的第一透镜阵列424的焦距是fx，则与点P2’相距fx的第一透镜阵列424在该(XZ)截面中使光束准直。
因此，负透镜423和第一透镜阵列424构成在第一(XZ)截面中的准直器。
该准直器在第一(XZ)截面中的焦距由负透镜423的焦距f23和第一透镜阵列424的焦距fx1确定。
在图28所示的第一截面中，如果空气转换距离定义为从负透镜423的、透镜阵列一侧的主平面位置到第一透镜阵列424的表面的距离L1，则负透镜423和第一透镜阵列424的合成焦距表达为fx＝1/(1/f23+1/fx1-L1/f23/f1)第二透镜阵列425的出射侧表面具有在图29所示的第二(YZ)截面中具有正屈光力的透镜阵列形状。
如果从上述形状获得的第二透镜阵列425的焦距是fy1，则与点P2’相距空气转换距离fy的第二透镜阵列425在该(YZ)截面中使光束准直。
因此，负透镜423和第二透镜阵列425构成在第二(YZ)截面中的准直器。
该准直器在第二(YZ)截面中的焦距由负透镜423的焦距f23和第一和第二透镜阵列424和425中每一个的焦距fy1确定。
在图29所示的第二截面中，如果从负透镜423的、透镜阵列一侧的主平面位置到第二透镜阵列425的表面的距离定义为L2，则负透镜423和第二透镜阵列425的合成焦距表达为fy＝1/(1/f23+1/fy1-L2/f23/fy1)在这种情况下，图28所示的第一截面中的第一准直放大率HX表达为HX＝|fx/fp|类似地，图29所示的第二截面中的第二准直放大率HY表达为HY＝|fy/fp|在图28和29中，第二透镜阵列425比第一透镜阵列424更远离第二焦点P2，从而|fy|＞|fx|由此，HY＞HX因此，来自光束聚集器的光束以在第一和第二截面中的不同压缩率被压缩，并由此转换为在这些截面中具有不同宽度(或直径)的光束。
例如，如果f23＝-50mm，fx＝150mm，L1＝50mm，fy＝200mm，L2＝100mm，则fx和fy如下所示fx＝-150mmfy＝-200mm。
因此，HX/HY＝|fx/fy|＝0.75实施例8的改进例子图30和31示出图28和29所示的实施例8的改进例子。
在这些图中，附图标记401表示光源，421a表示椭圆反射镜，423a表示具有旋转对称形状的负透镜，424a表示第一透镜阵列，425a表示第二透镜阵列。405表示偏振转换元件，406表示聚光透镜，407表示偏振分束器(PBS)，408表示反射成像元件，409表示投影透镜。
在图30中，光源401设置在椭圆反射镜421a的第一焦点P1，来自光源401的光束聚集在椭圆反射镜421a的第二焦点P2。椭圆反射镜421a构成光束聚集器。
从椭圆反射镜421a的顶点T到其第二焦点P2的距离对应于光束聚集器的焦距fp。
设置在椭圆反射镜421a和第二焦点P2之间的负透镜423a的负屈光力使光束准直。
在图30所示的第一截面中，第一透镜阵列424a和第二透镜阵列425a没有屈光力。也就是说，透镜单元均匀设置在透镜阵列424a和425a中。因此，负透镜423a构成第一(XZ)截面中的准直器。
在图31所示的第二(YZ)截面中，第一透镜阵列424a具有负屈光力的透镜阵列形状，第二透镜阵列425a具有正屈光力的透镜阵列形状。
如果从上述形状获得的第一和第二透镜阵列424a和425a的焦距为fy1和fy2，则第一和第二透镜阵列424a和425a设置为使得它们的对应于焦距fy1和fy2的焦点在点R1相互重合。由此，光束被第一透镜阵列424a发散，然后由第二透镜阵列425a在第二截面中再次准直。
因此，负透镜423a和第一、第二透镜阵列424a、425a构成在第二截面中的准直器。
该准直器的焦距fx和fy由负透镜423a的焦距f23和第一、第二透镜阵列424a、425a的焦距fy1、fy2确定。
在图30所示的第一截面中，准直器的焦距fx与负透镜423a的焦距相同，即fx＝f23。
在图31所示的第二截面中，如果第一透镜阵列424a的焦距是fy1，第二透镜阵列425a的焦距是fy2，则从三个光学元件423a、424a、425a的合成焦距获得的准直器的焦距fy为fy＝f23×|fy2/fy1|。
在这种情况下，图30所示的第一截面中的第一准直放大率HX表达为HX＝|fx/fp|。
类似地，图31所示的第二截面中的第二准直放大率HY表达为
HY＝|fy/fp|。
在图31中示出|fy2|＞|fy1|，从而|fy|＞|fx|，由此，HY＞HX。
因此，来自光束聚集器421a的光束以在第一和第二截面中的不同压缩率被压缩，并由此转换为在这些截面中具有不同宽度(直径)的光束。
实施例9图32和33示出使用实施例9的包括照明光学系统的用于图像投影的光学系统的投影仪的配置。图32示出第一截面(或XZ截面)，图33示出第二截面(或YZ截面)。
在图32和33中，与图22和23相同的元件标以相同的附图标记。
在这些图中，附图标记401表示光源，432表示椭圆反射镜，433表示第一透镜阵列，434表示第二透镜阵列。405表示偏振转换元件，406表示聚光透镜，407表示偏振分束器(PBS)，408表示反射成像元件，409表示投影透镜，410表示相位片。
虚线o表示照明光学系统的参考轴(或光轴)，其与椭圆反射镜432的旋转对称轴以及聚光透镜406的光轴重合。但是，这些轴不是必须彼此重合。
在该实施例中，光源401设置在椭圆反射镜432的第一焦点P1，来自光源401的光束聚集在椭圆反射镜432的第二焦点P2。椭圆反射镜432构成光束聚集器。
从椭圆反射镜432的顶点T到其第二焦点P2的距离对应于光束聚集器的焦距fp。
第二透镜阵列434的入射侧表面具有在图32所示的第一(XZ)截面中具有负屈光力的柱面形状。
如果从上述形状获得的第二透镜阵列434的焦距是fx，则与第二焦点P2相距fx的第二透镜阵列434在该(XZ)截面中使光束准直。
因此，第二透镜阵列434构成在第一(XZ)截面中的准直器。
第一透镜阵列433的出射侧表面具有在图33所示的第二(YZ)截面中具有负屈光力的柱面形状。
如果从上述形状获得的第一透镜阵列433的焦距是fy，则与第二焦点P2相距空气转换距离fy的第一透镜阵列433在该第二截面中使光束准直。
因此，第一透镜阵列433构成在第二(YZ)截面中的准直器。
在这种情况下，图32所示的第一截面中的第一准直放大率HX表达为HX＝|fx/fp|。
类似地，图33所示的第二截面中的第二准直放大率HY表达为HY＝|fy/fp|。
在图32和33中，第一透镜阵列433设置在比第二透镜阵列434更远离第二焦点P2的位置，从而|fy|＞|fx|，由此，HY＞HX。
当fp＝200mm，fx＝90mm，fy＝150mm时，HX＝0.45HY＝0.75，而HX/HY＝0.6。
由此，来自光束聚集器的光束在第一和第二截面中以不同压缩率被压缩，并由此转换为在这些截面中具有不同宽度(直径)的光束。
实施例10图34示出使用三个反射成像元件以及一个在实施例7至9中描述的照明光学系统的投影仪。
该实施例的投影仪如图34所示是三板类型的投影仪，其中颜色分离元件501设置在偏振分束器471和472之间，颜色组合元件502设置在偏振分束器471、472和投影透镜409之间。
在图34中，与图22和23中相同的元件标以相同的附图标记。
在图34中，附图标记503、504、505分别表示用于绿色(G)、红色(R)和蓝色(B)的反射成像元件。附图标记506、507、508表示用于G、R、B的半相位片。附图标记471表示用于G的偏振分束器，472表示用于R和B的偏振分束器。附图标记509表示色选择性相位差板。
可以使用透射成像元件来代替反射成像元件。在使用透射成像元件的情况下，优选两个相互垂直的截面方向中光束宽度比例较小的那个方向用于该成像元件的相对较低对比度一侧。
在实施例7至9的每一个中，在计算光束的压缩率时，优选将光束准直器视为不管方向如何都具有恒定焦距，而且从反射镜到具有共同(common)正屈光力的光学元件的光学系统可以看作是光束压缩系统。
实施例11图35和36示出来自抛物面反射镜RF的光束由在XZ截面和YZ截面中具有不同正屈光力(fx，fy)的复曲面透镜TL聚集。
图37和38示出在图35和36中示出的光学系统的折光力配置。
在该光学系统中，如图37和38所示，可以认为在XZ和YZ截面中弱正屈光力一侧的焦距(fy)用作共同的焦距，而在图37所示的XZ截面中强正屈光力一侧的焦距(fx)通过其间没有间隔地设置焦距为fy的正透镜和焦距为fx’的正透镜来形成。
如果通过认为焦距fx’是准直器的一部分来计算合成焦距，则上述每个实施例中的条件都可适用于这种情况。
当使用高强度光源时，由于热量问题，反射镜的尺寸不能减小。因此，当例如使用强度高于30瓦特的灯和对角尺寸为1英寸或更小的小型成像元件时，缩小光束宽度对增加光使用效率很有效。在这种情况下，优选准直放大率HY满足以下条件HY＜1根据上述各实施例，可以实现以高对比度投影亮图像的光学系统和包含该光学系统的图像投影装置。
实施例12图40A和40B示出本发明实施例12的用于图像投影的光学系统。该实施例示出来自光源或反射镜的光束的直径(或宽度)被扩大的配置。这种配置尤其是对于光源或反射镜的外径很小的情况很有效。
尽管可以用高压水银灯作为该实施例的光源，但是小型光源如氙灯和激光光源特别适用于该实施例。具体地说，该实施例适用于反射镜的外径或者激光光源的激光振荡区域的尺寸小于成像元件的有效区域(或图像显示区域)的尺寸的情况。此外，该实施例特别适用于反射镜的外径或者激光振荡区域的尺寸等于或小于成像元件的有效区域尺寸的一半的情况。
图40A示出平行于液晶板(或图像显示元件或成像元件)的短边的XZ截面，在该XZ截面中光束的扩展率(或转换率)小于在后面描述的YZ截面中的扩展率。图40B示出平行于液晶板的长边的YZ截面，在该YZ截面中光束的扩展率(或转换率)大于在XZ截面中的扩展率。
附图标记1001表示径向发射光束的光源(或发光点)。附图标记1002表示将光源1001射出的光束转换为平行光束的抛物面反射镜(抛物面镜)。附图标记1003表示将来自抛物面反射镜1002的光束转换为发散光束的凹透镜(或第一光学元件)。可以使用椭圆反射镜来代替抛物面反射镜1002，而且光源1001和反射镜1002之间的位置关系可以设置为使得由该反射镜1002反射的光束变成发散光束。
在图40A所示的XZ截面中，附图标记1004表示由多个微型透镜单元(或多个微型柱面透镜单元)组成的第一透镜阵列。第一透镜阵列1004使发散光束准直(即将该发散光束转换为平行光束)，并将其分为多个光束。附图标记1005表示由多个微型透镜单元组成并将多个分开的光束引入后面的偏振转换元件阵列1006的第二透镜阵列。
附图标记1007表示聚光透镜，1008表示偏振分束器，1009表示四分之一相位板，1010表示液晶板，1011表示投影透镜。这些元件的功能与上述实施例的相同，因此省略其描述。
在图40B所示的YZ截面中，附图标记1004表示由多个微型透镜单元组成并使发散光束没有改变地射出的第一透镜阵列。也就是说，第一透镜阵列1004对光束没有准直效果。第一透镜阵列1004将发散光束分为多个光束。
附图标记1005表示由多个微型透镜单元组成的第二透镜阵列。第二透镜阵列1005使发散光束准直(即将该发散光束转换为平行光束)，并将其引入后面的偏振转换元件阵列1006。附图标记1007至1011表示与图40A所示的XZ截面中相同的元件，因此省略其描述。
在该实施例中，进入液晶板1010的板表面的光束在图40B示出的平行于液晶板1010的长边的YZ截面(或第二截面)中的角分布大于其在图40A所示的平行于液晶板1010的短边的XZ截面(或第一截面)中的角分布。
该实施例具有准直器(或第二和第三光学元件)1004、1005，换句话说是光源1001和偏振分束器1008之间的扩展系统，该准直器分别在照明光学系统中相互垂直的第一(XZ)和第二(YZ)截面中扩展光束。通过准直器1004在第一截面中获得的扩展率(或准直放大率)以及通过准直器1005在第二截面中获得的扩展率互不相同。
光束的扩展是通过光束发散器(或凹透镜)1003增加该光束的直径(换句话说是宽度)、然后由准直器1004或1005使该光束准直的光学作用。
扩展率定义为在紧接从准直器1004或1005射出后的位置处的光束直径L(在XZ截面中是Lx，在YZ截面中是Ly)与在被光束发散器1003扩展之前的光束直径Lr之比L/Lr。
当第一截面中的扩展率为α，而第二截面的扩展率为β时，α＝Lx/Lrβ＝Ly/Lr，其中，
α≠βα＜1，β＜1α＜βα/β＜1也就是说，在图40A所示的第一截面中的扩展率α小于在图40B所示的第二截面中的扩展率β。
例如，当Lr＝30mm，Lx＝12mm，而Ly＝18mm时，α＝0.4β＝0.6α/β＝0.67。
实施例13图41和42示出实施例13的包括照明光学系统的用于图像投影的光学系统的XZ截面和YZ截面。
在这些图中，附图标记701表示光源单元，703表示第一透镜阵列，704表示第二透镜阵列。附图标记705表示偏振转换元件，706表示聚光透镜，707表示偏振分束器(PBS)，708表示反射液晶板(或反射成像元件)，709表示投影透镜，710表示相位片。
光源单元701由可以发射高强度光的光源部分714和设置在光源单元701的光出射侧的凹透镜715构成。光源部分714包括发光元件如氙灯，在该发光元件中发光电极711和712与抛物面反射镜713集成地形成。从光源部分714发射的光束由凹透镜715转换为发散光束。
虚线o表示照明光学系统的参考轴(或光轴)，其与椭圆反射镜713的旋转对称轴以及聚光透镜706的光轴重合。但是，这些轴并非必须彼此重合。
第一透镜阵列703在其入射侧具有在图41所示XZ截面中具有正屈光力的柱面形状。
如果从上述形状获得的焦距为fx，则将该形状的焦点基本上设置在凹透镜715的焦点处将使光束在该(XZ)截面中准直。
在图41中用粗虚线表示的光线经过每个透镜阵列的中心并被准直。从第一透镜阵列703开始所示的细实线表示被第一透镜阵列703分开的多个光束在反射液晶板708上重叠。也就是说，第一透镜阵列703是XZ截面中的准直器。
第二透镜阵列704在其出射侧具有在图42所示YZ截面中具有正屈光力的柱面形状。
如果从上述形状获得的焦距为fy，则将该形状的焦点基本上设置在凹透镜715的焦点处将使光束在该(YZ)截面中准直。也就是说，第二透镜阵列704是YZ截面中的准直器。
根据图41和42，第二透镜阵列704设置在比第一透镜阵列703更远离凹透镜715的位置上，从而fx和fy满足以下关系|fy|＜|fx|。
因此，来自作为光束聚集器的抛物面反射镜713的光束被转换为在XZ和YZ截面中具有不同宽度(直径)的光束。
在该实施例中，偏振转换元件705配置为使得在光束宽度较宽的第二截面方向上排列多个偏振转换元件部分。偏振分束器707配置为偏振分束表面在光束宽度较窄的第一截面的方向上折叠光束。这使得可以提高对比度而不会降低亮度。
尽管图41和42示出第一和第二透镜阵列703、704的每一个在其一个表面上具有柱面形状而在另一个表面上具有透镜阵列形状的情况，但是柱面形状和透镜阵列形状可以相互集成地设置在同一个表面上。
实施例14图43示出用于在实施例14的用于图像投影的光学系统中的照明光学系统的光源单元。
光源单元721具有这样的配置从安装在诸如LED芯片或LD(激光二极管)芯片上的光源722辐射出的发散光被凸透镜723转换为具有小发散角度的光束，并使其从该凸透镜射出。在图43中，射出的光由细实线表示。
在只使用一个光源721时，光量可能不足，因此优选使用其中多个光源单元721如图44所示排列的光源单元731。
图45和46示出包括使用图44所示光源单元731的照明光学系统的用于图像投影的光学系统的XZ截面和YZ截面。在图45和46中，与实施例13相同的元件标以相同的附图标记，并且省略其描述。
作为用于该实施例的光学系统的光源，可以使用没有电极的放电管。
实施例15图47示出用于在实施例15的用于图像投影的光学系统中的照明光学系统的另一个光源单元。
在该实施例中，来自多个光源842的平行光束分别被具有对应于该多个光源842的多个透镜单元的透镜阵列843会聚一次，然后作为发散光束引入未示出的照明光学系统。该光束由细实线表示。
此外，本发明不限于这些优选实施例，在不脱离本发明的范围的情况下可以作出各种改变和变型。
本申请要求基于2006年6月8日提交的日本专利申请No.2006-160000、2007年5月1日提交的日本专利申请No.2007-120515以及2007年6月6日提交的日本专利申请No.2007-150814的外国优先权，通过引用将它们每一个的全文合并于此，就像在此完整地陈述了一样。
权利要求
1.一种用于图像投影的光学系统，包括照明光学系统，其将从光源发射的光束通过具有分光功能的光学表面引入成像元件；以及投影光学系统，其将从该成像元件通过所述光学表面引入的光束投影到投影表面上，其中所述照明光学系统包括转换系统，该转换系统将光束在相互垂直的第一截面和第二截面中的宽度分别转换为不同于光束在进入该转换系统之前的宽度的宽度，并且在第一截面中的转换率和在第二截面中的转换率互不相同。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述照明光学系统包括偏振转换元件，用于将非偏振光转换为线性偏振光，并且所述转换系统设置在所述光源和所述偏振转换元件之间。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一截面平行于所述光学表面的法线和所述成像元件的入射表面的法线，所述第二截面垂直于第一截面，并且所述转换率满足以下条件α/β＜1其中α表示在第一截面中的转换率，β表示在第二截面中的转换率。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述转换系统是压缩系统，其分别压缩光束在第一和第二截面中的宽度。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中所述压缩系统从光源一侧起按顺序包括在第一和第二截面中具有相同正屈光力的第一光学元件、在第一和第二截面中的一个截面中具有第一负屈光力的第二光学元件、以及在第一和第二截面中的另一个截面中具有不同于第一负屈光力的第二负屈光力的第三光学元件。
6.根据权利要求4所述的光学系统，其中所述压缩系统从光源一侧起按顺序包括在第一截面中具有第一正屈光力而在第二截面中具有不同于第一正屈光力的第二正屈光力的第一光学元件、在第一截面中具有第一负屈光力而在第二截面中具有不同于第一负屈光力的第二负屈光力的第二光学元件。
7.根据权利要求4所述的光学系统，其中所述压缩系统从光源一侧起按顺序包括在第一和第二截面中具有相同正屈光力的第一光学元件、在第一和第二截面中的一个截面中具有第一正屈光力的第二光学元件、以及在第一和第二截面中的另一个截面中具有不同于第一正屈光力的第二正屈光力的第三光学元件。
8.根据权利要求4所述的光学系统，其中所述压缩系统从光源一侧起按顺序包括在第一和第二截面中具有相同负屈光力的第一光学元件、在第一和第二截面中的一个截面中具有第一正屈光力的第二光学元件、以及在第一和第二截面中的另一个截面中具有不同于第一正屈光力的第二正屈光力的第三光学元件。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述转换系统是分别扩展光束在第一和第二截面中的宽度的扩展系统。
10.根据权利要求9所述的光学系统，其中所述扩展系统从光源一侧起按顺序包括在第一和第二截面中具有相同负屈光力的第一光学元件、在第一和第二截面中的一个截面中具有第一正屈光力的第二光学元件、以及在第一和第二截面中的另一个截面中具有不同于第一正屈光力的第二正屈光力的第三光学元件。
11.一种包括根据权利要求1所述的光学系统的图像投影装置。
全文摘要
公开了一种用于图像投影的光学系统，其容易制造和设计，并可以以高对比度投影亮图像。该光学系统包括照明光学系统，其将从光源发射的光束通过具有分光功能的光学表面而引入成像元件；以及投影光学系统，其将从该成像元件通过光学表面引入的光束投影到投影表面。该照明光学系统包括转换系统，用于将光束在照明光学系统的相互垂直的第一截面和第二截面中的宽度分别转换为不同于光束在进入该转换系统之前宽度的宽度。在第一和第二截面中的转换率互不相同。
文档编号H04N5/74GK101086557SQ20071011022
公开日2007年12月12日 申请日期2007年6月8日 优先权日2006年6月8日
发明者山内悠, 奥山敦, 儿玉浩幸, 须藤贵士 申请人:佳能株式会社