專利名稱：照射光學系統(tǒng)和使用其的投射型圖像顯示設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種照射光學系統(tǒng)，其被配置為以來自光源單元的 光通量照射表面。更具體地說，本發(fā)明涉及一種投射型圖像顯示設(shè)備 (例如液晶投影儀)，其被配置為使用所述照射光學系統(tǒng)來照射在 被照表面上所提供的諸如液晶板之類的圖像顯示元件，并且將來自所 述圖像顯示元件的光投射到諸如屏幕之類的投射表面上。
背景技術(shù)：
各種類型的傳統(tǒng)投影儀利用投射透鏡將光通量放大并且投射到 屏幕上，所述光通量是已經(jīng)通過使用諸如液晶顯示元件之類的圖像顯 示元件根據(jù)圖像信息而被調(diào)制的。關(guān)于類似于此的投影儀，強烈期望 投射在屏幕上的圖像在整個圖像上具有幾乎均勻的亮度。(使用反射型液晶顯示元件的)傳統(tǒng)圖像投射型照射光學系統(tǒng)從 其光源單元發(fā)射光通量作為由拋物面反射器所反射的基本平行的光。 平行光通量在第一透鏡陣列中被分離和聚光。每一分離的光通量被在 第二透鏡陣列的附近聚光，以形成光源單元圖像(二次光源圖像)。 構(gòu)成每一透鏡陣列的透鏡具有與作為被照表面的液晶板類似的矩形形 狀。已經(jīng)從第二透鏡陣列出射的多個分離的光通量被聚光透鏡聚光， 并且經(jīng)由色彩分離/組合光學系統(tǒng)被疊加到液晶顯示元件上，以照射該 液晶顯示元件。在色彩分離/組合光學系統(tǒng)中使用包括二向色膜和偏振分離膜的 光學元件(二向色棱鏡或偏振光束分離器)。為了在類似于此的照射光學系統(tǒng)中增加光使用效率，入射在被照 表面上的光通量的角度分布通常變得很大。相應(yīng)地，在照射光學系統(tǒng)中使用具有敏感角度特性的光學元件的情況下，可能出現(xiàn)各種問題。例如，在照射光學系統(tǒng)中可能使用諸如偏振分離膜(偏振光束分 離器)之類的光學元件。當光通量入射在偏振分離膜上時，接收具有47度至49度的入射角的入射在偏振分離膜上的光通量的光學元件的 角度特性低于接收具有45度角的入射在偏振分離膜上的光通量的光 學元件。隨著入射角與45度特定角的偏離變大，特性變得更嚴重地劣 化。特性的劣化可能引起漏光現(xiàn)象，這可能導致圖像質(zhì)量的劣化。曰本專利申請?zhí)亻_第2000-206463號和日本專利申請?zhí)亻_第 06-75200號討論了使用非對稱光學元件的照射光學系統(tǒng)，該非對稱光 學元件的角度分布在光學元件對于角度分布敏感的方向上相對小，而 在光學元件對于角度分布不敏感的方向上相對大。在如日本專利申請?zhí)亻_第2000-206463號中所討論的反射型液晶 投影儀中，孔徑光闌的外部尺寸在光學元件對光通量的角度分布敏感 的方向上較小，而在光學元件對光通量的角度分布不敏感的方向上較 大。在日本專利申請?zhí)亻_第2000-206463號中所討論的照射光學系統(tǒng) 中，因為在照射光學系統(tǒng)中所提供的第二復眼透鏡實質(zhì)上運行為孔徑 光闌，所以該第二復眼透鏡具有非對稱外部形狀(尺寸)。在這樣的 第二復眼透鏡中，入射在光學元件上的光通量的角度分布關(guān)于對于角 度分布敏感的方向與對于角度分布不敏感的方向是不對稱的。然而，在日本專利申請?zhí)亻_第2000-206463號中所討論的光學系 統(tǒng)中，因為根據(jù)光闌來確定入射角，所以大量亮度傾向于損失。在日本專利申請?zhí)亻_第06-75200號中所討論的照射光學系統(tǒng)中， 聚光透鏡在液晶板緊之前對光通量聚光。相應(yīng)地，不能防止圖像質(zhì)量 劣化，該圖像質(zhì)量劣化可能是由于設(shè)置在聚光透鏡之后的諸如液晶板 或二向色鏡之類的對于角度分布具有高敏感度的光學元件而發(fā)生的。 因此，所照射的光通量在液晶板上的分布可能變化，這可能帶來投射 到投射屏幕上的圖像的不均勻亮度。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在一種照射光學系統(tǒng)，其能夠以高亮度級別均勻地照射 圖像顯示元件，同時在光學元件的角度分布敏感的光學元件截面中保 持小的角度分布。本發(fā)明還旨在一種投射型圖像顯示設(shè)備，其能夠使 用所述照射光學系統(tǒng)來投射具有高對比度和高亮度的圖像。本發(fā)明的第一方面提供一種照射光學系統(tǒng)，被配置為將來自光 源單元的光通量引導到被照表面上，所述照射光學系統(tǒng)包括壓縮系 統(tǒng)，被配置為在第一截面和第二截面中以不同壓縮率壓縮從所述光 源單元發(fā)射的光通量，所述第一截面和第二截面彼此正交并且都包括 所述照射光學系統(tǒng)的光軸；以及偏振光分離裝置，包括偏振分離表面， 其中所述第二截面是包括所述偏振分離表面的法線的平面；并且其中 滿足以下條件-0.18*(Fno)2 + 1.245*(Fno) -1.260 < a/p < 11.4^Fno^3.6,其中a和p分別是在所述第一截面和所述第二截面中的用于壓縮 光通量的壓縮率，并且Fno是在所述第一截面和所述第二截面中根據(jù) 入射在被照表面上的光通量的最大角度所計算的兩個F數(shù)中的較小F數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種投射型顯示設(shè)備，包括圖 像顯示元件；如上所述的照射光學系統(tǒng)，被配置為照射所述圖像顯 示元件；以及投射光學系統(tǒng)，被配置為對來自所述圖像顯示元件的 圖像光進行投射。從以下結(jié)合附圖對示例性實施例的詳細描述，本發(fā)明的進一步的 特征和方面將變得明了。


并入到說明書中并且構(gòu)成說明書的一部分的附圖示出本發(fā)明的 示例性實施例、特征和方面，并且連同描述一起用于解釋本發(fā)明的原 理。圖1是根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的x-z截面。圖2是根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的Y-Z截面。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的偏振光束分離器的示 例的Y-Z截面。圖4示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的第一復眼透鏡的示例。圖5示出根據(jù)本發(fā)明第 一示例性實施例的圖4所示的第 一復眼透 鏡的光學效果的示例。圖6示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的第二復眼透鏡的示例。圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第 一示例性實施例的從反射器到偏振轉(zhuǎn)換 元件的光路在X-Z截面中的放大視圖。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的從反射器到偏振轉(zhuǎn)換 元件的光路在Y-Z截面中的放大視圖。圖9示出根據(jù)本發(fā)明第 一 示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的照射亮 度的變化，該變化由F數(shù)(Fno)和非對稱壓縮率來指示。圖10示出在根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的照射光學系統(tǒng)中的 每一入射角的漏光率。圖11示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的使用F數(shù)(Fno)和 非對稱壓縮率來指示的照射光學系統(tǒng)的照射對比度的變化。圖12示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的亮度 和對比度的變化。圖13示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的使用Fno和非對稱壓 縮率描繪的照射光學系統(tǒng)的亮度與對比度的乘積的變化。圖14示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的照射光學系統(tǒng)中的非 對稱壓縮率以及最佳壓縮率的示例，以所述非對稱壓縮率使光通量非 對稱壓縮有效，從而實現(xiàn)對于每一Fno的平衡的亮度和對比度。圖15示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的照射光學系統(tǒng)中的對 于每一 Fno的非對稱壓縮的更有用范圍的示例。圖16A和圖16B是分別示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的數(shù) 值示例1的示例性配置的截面。圖17A和圖17B是分別示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的數(shù) 值示例2的示例性配置的截面。圖18A和圖18B是分別示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的數(shù) 值示例3的示例性配置的截面。圖19是根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的X-Z截面。圖20是根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的Y-Z截面。圖21是示出根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的從反射器到偏振轉(zhuǎn) 換元件的光路在X-Z截面中的放大視圖。圖22是示出根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的從反射器到偏振轉(zhuǎn) 換元件的光路在Y-Z截面中的放大視圖。圖23A和圖23B是分別示出根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的數(shù) 值示例4的示例性配置的截面。圖24A和圖24B是分別示出根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的數(shù) 值示例5的示例性配置的截面。圖25是根據(jù)本發(fā)明第三示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的X-Z截面。圖26是根據(jù)本發(fā)明第三示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的Y-Z截面。圖27是示出根據(jù)本發(fā)明第三示例性實施例的從反射器到偏振轉(zhuǎn) 換元件的光路在X-Z截面中的放大視圖。圖28是示出根據(jù)本發(fā)明第三示例性實施例的從反射器到偏振轉(zhuǎn) 換元件的光路在Y-Z截面中的放大視圖。圖29A和圖29B是分別示出#>據(jù)本發(fā)明第三示例性實施例的數(shù) 值示例6的示例性配置的截面。圖30A和圖30B是分別示出根據(jù)本發(fā)明第三示例性實施例的數(shù)值示例7的示例性配置的截面。圖31示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的圖1所示的第二復眼 透鏡的光學效果的示例。圖32是示出根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的修 改的示例的X-Z截面。圖33是示出根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的修 改的示例的Y-Z截面。圖34是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的圖1所示的偏振轉(zhuǎn)換元 件的示例性組件的截面。
具體實施方式
現(xiàn)在將參照附圖詳細描述本發(fā)明的各種示例性實施例、特征和方 面。注意，在這些實施例中所闡述的組件的相對布置、數(shù)值表達式以 及數(shù)值并非旨在限制本發(fā)明的范圍。以下描述本發(fā)明的示例性實施例。根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的照 射光學系統(tǒng)將來自光源單元的光通量引導到被照表面上，在所迷被照 表面上例如設(shè)置了液晶板。所述照射光學系統(tǒng)包括壓縮系統(tǒng)，所述壓縮系統(tǒng)被配置為以對于 第一截面和第二截面而言不同的壓縮率來壓縮從光源單元發(fā)射的光通 量(光通量直徑)，所述第一截面和第二截面彼此正交并且都包括照 射光學系統(tǒng)的光軸。壓縮系統(tǒng)被設(shè)置在比偏振轉(zhuǎn)換元件的位置更接近 于光源單元的位置，所述偏振轉(zhuǎn)換元件稍后在下文中將詳細描迷。進一步地，照射光學系統(tǒng)包括偏振轉(zhuǎn)換元件和聚光透鏡。所述偏 振轉(zhuǎn)換元件統(tǒng)一光通量的偏振狀態(tài)，并且使得所述光通量從所述偏振 轉(zhuǎn)換元件出射。所述聚光透鏡對來自所述偏振轉(zhuǎn)換元件的光通量進行 聚光，并且將所述光通量引導至被照表面上，在所述被照表面上設(shè)置 了液晶板。更進一步地，所述照射光學系統(tǒng)包括偏振光分離單元。所 述偏振光分離單元包括偏振分離表面，其設(shè)置在所述聚光透鏡與所 述被照表面之間的光路內(nèi)，在所述被照表面上，設(shè)置了諸如反射型液晶板之類的圖像顯示元件。此外，根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的投射型圖像顯示設(shè)備包括所 述照射光學系統(tǒng)； 一個或多個圖像顯示元件；以及投射光學系統(tǒng)，其 將所述一個或多個圖像顯示元件的圖像投射到投射表面上。在此，圖 2所示的符號9是所述投射光學系統(tǒng)(投射透鏡)，來自圖像顯示元 件(圖像調(diào)制元件)的圖像光通量(調(diào)制的光通量)投射在投射表面 上。第一示例性實施例以下描述本發(fā)明第一示例性實施例。圖1和圖2示出使用根據(jù)本 示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的投射型顯示設(shè)備的組件。參照圖1和圖2，照射光學系統(tǒng)OE包括諸如高壓汞放電管之 類的光源單元l;以及橢圓反射器(光通量聚光單元)2，其具有凹反 射表面(優(yōu)選的，拋物面形或橢圓形)。此外，照射光學系統(tǒng)OE包括第一復眼透鏡(透鏡陣列)3和 第二復眼透鏡(透鏡陣列)4，它們將光通量分離(分隔)為多個光通 量。進一步地，照射光學系統(tǒng)OE包括偏振轉(zhuǎn)換元件5，其使得入 射的偏振光通量或非偏振光通量作為具有預(yù)定偏振的線性偏振光通量 從偏振轉(zhuǎn)換元件5出射。聚光透鏡6將已經(jīng)從偏振轉(zhuǎn)換元件5出射的 部分光通量疊加在被照表面上。此外，照射光學系統(tǒng)OE包括偏振光束分離器(偏振光分離單 元)7。聚光透鏡6利用從偏振轉(zhuǎn)換元件5出射的光經(jīng)由偏振光束分離 器7照射被提供在被照表面上的液晶板(圖^象顯示元件)8。此外，照 射光學系統(tǒng)OE包括投射透鏡(投射光學系統(tǒng))9，其將由液晶板8反 射的光投射到投射表面(屏幕)上。從光源單元1發(fā)射的光通量被橢圓反射器2轉(zhuǎn)換為聚光光通量。 在橢圓反射器2上反射的反射光然后被第一復眼透鏡3分離為多個光 通量。被第一復眼透鏡3所分離的多個光通量然后經(jīng)由第二復眼透鏡4在偏振轉(zhuǎn)換元件5的光入射表面或光出射表面上或在其附近形成多個 二次光源圖像。偏振轉(zhuǎn)換元件5包括多個偏振分離表面5a (圖34)和多個反射 器5b (圖34)以及多個1/2波長板5c (圖34)。入射在偏振分離表 面5a上的光中的具有預(yù)定偏振方向的偏振分量穿過偏振分離表面5a, 以從偏振轉(zhuǎn)換元件5出射。另一方面，入射在偏振分離表面5a上的光中的具有與所迷預(yù)定 偏振方向正交的偏振方向的偏振分量被從偏振分離表面5a反射并反 射到反射器5b上。然后，與所述預(yù)定偏振方向正交的偏振分量的偏振 方向被1/2波長板5c改變90度，并且然后所述偏振分量從偏振轉(zhuǎn)換 元件5出射。由此，偏振轉(zhuǎn)換元件5將入射的非偏振光轉(zhuǎn)換為具有預(yù)定偏振方 向的線性偏振光。由偏振轉(zhuǎn)換元件5所轉(zhuǎn)換的光然后出射，并且入射 在聚光透鏡6上。已經(jīng)從偏振轉(zhuǎn)換元件5出射的多個分離的光通量穿過偏振光束分 離器7的偏振分離表面7a,以疊加在反射型液晶板8上。由此，以具 有均勻光分布的照射光通量來照射液晶板8。已經(jīng)被圖像調(diào)制并且由液晶板8反射的光然后再次入射在偏振光 束分離器7上。然后，光被偏振光束分離器7的偏振分離表面7a反射， 并且被引導到投射透鏡9中。投射透鏡9將第一復眼透鏡3上形成的圖像信息在y方向上投射在投射表面(屏幕)上。在本示例性實施例中，照射光學系統(tǒng)OE的光軸O垂直地穿過液 晶板8的板表面的中心。在本示例性實施例中，將光軸O取作Z軸。在本示例性實施例中，如圖3所示，將包括光軸(Z軸)和垂直 于偏振光束分離器7的與光軸(Z軸)相交的偏振分離表面7a的直線 N的平面(等同于圖3的紙平面的平面)取作Y-Z截面(第二截面)。 進一步地，將與Y-Z截面正交并且包括光軸的截面取作X-Z截面(第 一截面)。注意，在本發(fā)明的以下示例性實施例的每一個中，也使用 相同的Z軸、X-Z截面和Y-Z截面。圖1示出在x-z側(cè)(第一截面)上的每一構(gòu)件的光學布置。x-z截面是在液晶板8的較長邊的方向上的截面。圖2示出在Y-Z截面(第二截面)上的每一構(gòu)件的光學布置。 Y-Z截面是在液晶板8的較短邊的方向上的截面。如圖3所示，偏振光束分離器7包括偏振分離膜(偏振分離表面) 7a，其由朝向照射光學系統(tǒng)OE的光軸(Z軸)O傾斜的多層膜構(gòu)成。 在本示例性實施例中，將偏振分離表面7a朝向照射光學系統(tǒng)OE的光 軸0的傾斜度e設(shè)置為45度。然而，對于角度e，可以設(shè)置40度至 50度。偏振分離膜7a具有分離功能，該功能對在以預(yù)定角度入射的光 的第一偏振方向上行進的光的80%或多于80%進行反射，并且對在與 第一偏振方向正交的第二偏振方向上行進的光的80%或多于80%進 行透射。圖4是示出根據(jù)本示例性實施例的第一復眼透鏡3的一部分的透 視圖。圖5是根據(jù)本示例性實施例的第一復眼透鏡3的靠近光軸的一 部分的X-Z截面。圖6是示出根據(jù)本示例性實施例的第二復眼透鏡4 的一部分的透視圖。第一復眼透鏡(第一光學元件)3和第二復眼透鏡(第二光學元 件)4構(gòu)成壓縮系統(tǒng)。壓縮系統(tǒng)祐z沒置在光源單元l(或橢圓反射器2) 與偏振轉(zhuǎn)換元件5之間。更具體地說，壓縮系統(tǒng)被設(shè)置在如下位置， 即，該位置比光源單元1的位置更接近于被照表面(諸如液晶板之類 的圖像顯示元件)以及比偏振轉(zhuǎn)換元件5的位置更接近于光源單元(光 源側(cè))。第一復眼透鏡3在第一截面或第二截面中具有負折光力。第二復 眼透鏡4在另一截面中具有與第一復眼透鏡3的負折光力不同的負折 光力。笫一復眼透鏡3由以二維陣列上布置的多個透鏡單元3a構(gòu)成。 第二復眼透鏡4由以二維陣列布置的多個透鏡單元4a構(gòu)成。第一復眼 透鏡3的透鏡單元3a和第二復眼透鏡4的透鏡單元4a的光軸O平行于z軸。關(guān)于笫一復眼透鏡3，從圖4和圖5可見，除了被設(shè)置在多個透 鏡單元3a的中心(在光軸上)的透鏡單元3a0之外的透鏡單元(3al、 3a2等)的光軸Ol和02等中的每一個分別從光軸Ol，和光軸02，向 X方向的外側(cè)偏心。光軸Ol和02在Y方向上不偏心。由于這種配 置，作為整體，第一復眼透鏡3相對于來自橢圓反射器2的光通量而 在X-Z截面中具有作為負(凹)透鏡的透鏡功能(發(fā)散功能)。在此， 中心軸Ol，和02，指的是穿過透鏡單元的外徑的中心并且平行于光軸 O的軸。現(xiàn)在，以下將參照圖5詳細描述第一復眼透鏡3的光學效果(透 鏡功能)。圖5示出透鏡單元3a0以及透鏡單元(外部透鏡單元)3al 和3a2，透鏡單元3a0被設(shè)置在X-Z截面中的光軸O上的第一復眼透 鏡3的中心部分處，透鏡單元3al和3a2在X方向上與透鏡單元3aO 鄰近。參照圖5，分別穿過透鏡單元3al和3a2的中心(外部尺寸中 心)Pl和P2的會聚射線rl和r2在穿過透鏡單元3al和3a2之后變 為平行于光軸O?？梢酝ㄟ^以下配置來實現(xiàn)上述光學效果(透鏡功能)。在圖5所 示的示例中，將透鏡單元3al的表面頂點Ql和透鏡單元3a2的表面 頂點Q2中的每一個取作光軸Ol和02與透鏡單元之間的相交位置。 進一步地，在圖5所示的示例中，將外部透鏡單元3al的中心P1和 外部透鏡單元3a2的中心P2中的每一個取作光軸Ol，和Or與透鏡單 元的表面之間的相交位置。表面頂點Q1 (Q2)離開中心P1 (P2)向 光軸O的外側(cè)偏心(以《更從光軸O偏離)。圖6所示的第二復眼透鏡4對應(yīng)于當?shù)谝粡脱弁哥R3 (圖4)繞 著光軸O旋轉(zhuǎn)90度時的狀態(tài)。關(guān)于第二復眼透鏡4，除了透鏡單元4a的中心透鏡單元"0之外 的透鏡單元4al的光軸03和透鏡單元4a2的光軸O4中的每一個在Y 方向上離開中心軸03，和04，向外部偏心。光軸03和04在X方向上 不偏心，如圖6和圖31所示。采用這種配置，作為整體，第二復眼透鏡4對于來自橢圓反射器2的光通量在Y-Z截面中具有負(凹)透鏡 的透鏡功能(發(fā)散功能)?，F(xiàn)在，以下將參照圖31詳細描述第二復眼透鏡4的光學效果(透 鏡功能)。圖31示出透鏡單元4a0以及透鏡單元(外部透鏡單元)4al 和4a2，透鏡單元4a0被設(shè)置在Y-Z截面中的光軸O上的第二復眼透 鏡4的中心部分處，透鏡單元4al和4a2在Y方向上與透鏡單元4a0 鄰近。參照圖31，分別穿過透鏡單元4al的中心(外部尺寸中心)Rl 和透鏡單元4a2的中心(外部尺寸中心)R2的會聚射線r3和r4中的 每一個在穿過透鏡單元4al和4a2之后變?yōu)槠叫杏诠廨SO。可以通過以下配置來實現(xiàn)上述光學效果(透鏡功能)。在圖31 所示的示例中，將透鏡單元4al和4a2的表面頂點Sl和S2中的每一 個取作光軸03和04與透鏡單元之間的相交位置。進一步地，將外部 透鏡單元4al和4a2的中心Rl和R2中的每一個取作中心軸03，和 04，與透鏡單元的表面的相交位置。表面頂點Sl (S2)從光軸O向中心Rl (R2)的外側(cè)偏心。注 意，在圖31所示的第二復眼透鏡4的示例性配置中，透鏡單元的取向 (光入射側(cè)和光出射側(cè)的取向)與圖5所示的相反。偏心的效杲在光 入射側(cè)和光出射側(cè)是相同的。在本示例性實施例中，在偏振光束分離器7對光通量的角度分布 敏感的方向上(即在Y-Z截面的方向上)，光通量的角度分布較小。 通過這種配置，可以抑制當經(jīng)由偏振光束分離器7將顯示在液晶板8 上的圖像投射到投射表面上時圖像的不均勻的亮度或圖像的對比度的 劣化。相應(yīng)地，本示例性實施例可以投射具有高亮度和高對比度的圖 像。在本示例性實施例中，與在平行于液晶板8的較短邊的Y-Z截面 (圖2中所示的第二截面)相比，在平行于液晶板8的較長邊的X-Z 截面(圖l中所示的第一截面)中，在液晶板8的板表面上入射的光通量的角度分布更大。在本示例性實施例中，第一復眼透鏡3和第二復眼透鏡4被提供在光源單元1與偏振光束分離器7之間作為壓縮系統(tǒng)。作為壓縮系統(tǒng)， 第一復眼透鏡3和第二復眼透鏡4分別在照射光學系統(tǒng)OE的彼此正 交的第一截面(X-Z截面)和第二截面(Y-Z截面)中壓縮光通量。關(guān)于光通量的壓縮率(平行放大率)，第一截面(X-Z截面)中 的壓縮率a與第二截面(Y-Z截面)中的壓縮率p不同。在本示例性 實施例中，壓縮率a和p的關(guān)系是OKP。現(xiàn)在，將描述根據(jù)本示例性實施例的第一復眼透鏡3和第二復眼 透鏡4的光通量壓縮功能。圖7和圖8是示出關(guān)于本示例性實施例的組件(橢圓反射器2、 第一復眼透鏡3、第二復眼透鏡4和偏振轉(zhuǎn)換元件5 (圖l和圖2)) 的光路的放大視圖。參照圖7,已經(jīng)在橢圓反射器2上被反射并且穿過第一復眼透鏡 3的透鏡單元的中心的會聚射線在已經(jīng)被第一復眼透鏡3轉(zhuǎn)換為平行 于光軸O的射線之后從X-Z截面出射。另一方面，參照圖8，穿過第 二復眼透鏡4的透鏡單元的中心的會聚射線在已經(jīng)被第二復眼透鏡4 轉(zhuǎn)換為平行于光軸O的射線之后從Y-Z截面出射。也就是說，在圖7所示的示例中，光通量在X-Z截面中被橢圓反 射器2和第一復眼透鏡3壓縮。另一方面，在圖8所示的示例中，光 通量在Y-Z截面中被橢圓反射器2和第二復眼透鏡4壓縮。術(shù)語"光通量的壓縮"指的是這樣的過程由橢圓反射器2減小 光通量的寬度(光通量直徑)，然后通過出射平行光線使得穿過第一 復眼透鏡3和第二復眼透鏡4的透鏡單元的中心的光變?yōu)槠叫?。更進 一步地，對光通量進行壓縮的第一復眼透鏡3和第二復眼透鏡4被稱 為壓縮光學系統(tǒng)(壓縮系統(tǒng))。不僅可以通過本示例性實施例而且還 可以通過本發(fā)明的其它方面(將在以下詳細描述)實現(xiàn)光通量壓縮的 過程。光通量壓縮率指的是被橢圓反射器2反射的(在垂直于光軸O 的方向上的)光通量的寬度"D"與在穿過第一復眼透鏡3或第二復 眼透鏡4之后的光通量的寬度"D，"的比率，即比率"D/D，"。也就是說，可以將壓縮率獲得為將在由壓縮系統(tǒng)進行壓縮之前的光通量的 直徑(寬度)除以在由壓縮系統(tǒng)進行壓縮之后的光通量的直徑(寬度)的結(jié)果。例如，當在橢圓反射器2上被反射后即刻的光通量寬度D在 穿過第一復眼透鏡3(或第二復眼透鏡4 )之后即刻被減小到一半(D/2 ) 時，壓縮率是"2"?？梢酝ㄟ^以下表達式來計算X-Z截面中的壓縮率a和Y-Z截面 中的壓縮率p:a = DX/DX， P = DY/DY"其中，"DX"表示在光通量從橢圓反射器2出射(被橢圓反射 器2反射)時在X-Z截面(圖7)中的光通量的寬度，"DY"表示在 光通量從橢圓反射器2出射(被橢圓反射器2反射)時在Y-Z截面(圖 8)中的光通量的寬度，"DX，"表示在光通量入射在偏振轉(zhuǎn)換元件5 上時在X-Z截面(圖7)中的光通量的寬度，"DY，"表示在光通量 入射在偏振轉(zhuǎn)換元件5上時在Y-Z截面(圖8)中的光通量的寬度。在本示例性實施例中，已經(jīng)從第一復眼透鏡3 (第二復眼透鏡4) 出射的光通量作為平行光通量入射在偏振轉(zhuǎn)換元件5上。因此，可以 根據(jù)橢圓反射器2與第一復眼透鏡3或第二復眼透鏡4之間的距離(下 文中簡稱為"壓縮距離")來確定壓縮率a和壓縮率P。在圖7所示的示例中，因為光通量被橢圓反射器2和第一復眼透 鏡3壓縮，所以壓縮距離等同于在X-Z截面中的距離In。另一方面， 在圖8所示的示例中，因為光通量被橢圓反射器2和第一復眼透鏡4 壓縮，所以壓縮距離等同于在Y-Z截面中的距離L2。相應(yīng)地，本示例 性實施例對于X-Z截面和Y-Z截面使用不同的光通量壓縮率。更具體地說，可以通過以下表達式計算壓縮率a:a = DX/DX， = |f2|/|ffi|其中，"f2，，表示橢圓反射器2的焦距，"ffl"表示通過會聚透 鏡效果獲得的第一復眼透鏡3在X-Z截面中的焦距。 類似地，可以通過以下表達式計算壓縮率p:<formula>formula see original document page 18</formula>其中，"ff2"表示通過會聚透鏡效果獲得的第二復眼透鏡4在 Y-Z截面中的焦距。更進一步地，可以將距離"和L2表示如下<formula>formula see original document page 18</formula>由于IVL2 < 1，因此Y-Z截面中的光通量壓縮率p大于X-Z截 面中的光通量壓縮率a。也就是說， a/p<l。如上所述，在本示例性實施例中，會聚光通量從橢圓反射器2出 射。因此，本示例性實施例使用橢圓反射器2與第一復眼透鏡3和第 二復眼透鏡4之間的距離差，來實現(xiàn)在Y-Z截面中比在X-Z截面中更 大的光通量壓縮率。相應(yīng)地，在本示例性實施例中，亮度的損失小于 使用通過第二復眼透鏡的形狀實現(xiàn)的孔徑效應(yīng)從而獲得X-Z截面和 Y-Z截面中的光通量角度分布的不同的設(shè)備。在本示例性實施例中，在偏振光束分離器7對光通量的角度分布 敏感的方向上(Y-Z截面的方向上)，光通量的角度分布較小。由此， 本示例性實施例可以減少在經(jīng)由偏振光束分離器7將顯示在液晶板8 上的圖像投射到投射表面上時圖像的不均勻亮度或圖像的對比度劣 化。相應(yīng)地，本示例性實施例可以以高亮度和高對比度將圖像投射到 投射表面(屏幕表面)上?？梢曰谌肷湓诒徽毡砻嫔系墓馔康淖畲笕肷浣怯嬎阏丈涔?學系統(tǒng)的F數(shù)Fno (下文中簡稱為"Fno")。也就是說，F(xiàn)no被定 義為除法"fe/D"的商，其是通過將入射在偏振轉(zhuǎn)換元件5上的光通 量D的寬度除以聚光透鏡6的焦距fe而計算出的。由于對于光通量寬度而言DX，>DY，，因此X-Z截面中的Fno與 Y-Z截面中的Fno不同。下文中，F(xiàn)no是X-Z截面中的值，其比如上 所述定義的Y-Z截面中的Fno更小。在本示例性實施例中，投射圖像的投射圖像亮度L與Fno以及 壓縮率a與壓縮率p之間的比率a/p有關(guān)。下文中，將壓縮率a/p簡稱為"a/p"?？梢酝ㄟ^以下表達式來計算與Fno和a/p均有關(guān)的亮度L的程度L= {-1.94*(a/p)4 + 3.86* (a/p)2}*(l/Fno)0隨著Fno變大或者a/p變小，亮度L減小，并且投射圖像的亮度降低。圖9示出根據(jù)本示例性實施例的在使用Fno和a/(5作為參數(shù)的情 況下的亮度L?？梢曰趯τ谏渚€的每個入射角的漏光率來計算投射圖像的對 比度。"漏光率，，指的是甚至當顯示黑色圖像時到達投射表面(屏幕) 的光的比率。圖10示出根據(jù)本示例性實施例的射線的每個入射角的示例性漏 光率。參照圖IO，該圖的中央部分與垂直于液晶板8的直線的方向?qū)?應(yīng)。入射角在外圍部分較大，這表示隨著入射角變大，漏光率變大。 根據(jù)入射角確定漏光映射的值。因此，算出的對比度與Fno和a/p均 有關(guān)，F(xiàn)no和a/p確定從照射光學系統(tǒng)發(fā)射的光通量相對于液晶板的 入射角，F(xiàn)no和a/p在設(shè)計照射光學系統(tǒng)時被確定。可以通過以下表達式來計算可以與Fno和a/p均有關(guān)地計算出的 對比度C的程度C = 1 - {(1.567* (a/p)2 + 0.89)*(l/Fno)7/4}o隨著Fno變大或者a/p變小，所得到的對比度C增大，這表示對 比度C變得更高。圖11示出根據(jù)本示例性實施例的在使用Fno和a/p作為參數(shù)的 情況下的對比度C。在增大亮度L和對比度C兩者的情況下，亮度L 和對比度C兩者均移動到坐標系的正方向，在所述坐標系中，將亮度 L取作水平軸，將對比度C取作垂直軸。圖12示出根據(jù)本示例性實施例的將亮度L取作水平軸并將對比 度C取作垂直軸的曲線圖。參照圖12，亮度L朝向右邊變得更高， 對比度C朝向上邊變得更高。也就是說，亮度L和對比度C兩者均朝向右上部變得更高。參照圖12，曲線M10表示當a/p = 1時的亮度和對比度。曲線 M09表示當a/p = 0.9時的亮度和對比度。曲線M085表示當a/p = 0.85 時的亮度和對比度。曲線M075表示當a/p = 0.75時的亮度和對比度。 曲線M07表示當a/p = 0.7時的亮度和對比度。在圖12中，曲線M09位于上述這些曲線的最右上部。在與曲線 M09對應(yīng)的非對稱光通量壓縮的情況下，與對應(yīng)于對稱壓縮的曲線 M10相比，亮度L和對比度C兩者均增大。進一步地，對于與位于曲 線M10的右上部的曲線M085對應(yīng)的壓縮，根據(jù)光通量的非對稱壓縮 的效果，亮度L和對比度C兩者均比與曲線M10對應(yīng)的壓縮增大了。另一方面，在與位于曲線M10的左下部的曲線M075對應(yīng)的壓 縮的情況下，亮度L和對比度C兩者均比與曲線M10對應(yīng)的壓縮減 小了。也就是說，通過使用比1小的a/p，也就是通過使用光通量的 非對稱壓縮的效果，亮度L和對比度C兩者均增大。然而，在a/[5的 特定值(峰值)處，亮度L和對比度C兩者均開始減小。存在表現(xiàn)出 由于光通量非對稱壓縮而產(chǎn)生的效果的a/|3的最小值。本示例性實施例使用L*C的乘積W(即亮度L和對比度C的乘 積)作為估計函數(shù)。可以使用Fno和a/p作為參數(shù)來將乘積W表示為 函數(shù)"W(Fno， a/p)"。如果亮度L和對比度C的乘積變大，則對應(yīng)曲 線上的乘積W在曲線圖上移動到右上位置。也就是說，如果函數(shù) "W(Fno，a/p)"的值變大，則亮度L和對比度C兩者均變高。圖13示出根據(jù)本示例性實施例的將Fno值取作其水平軸并且將 函數(shù)W(Fno， a/p)的值取作其垂直軸的曲線圖。參照圖13，曲線W10 示出當a/p-l時的亮度和對比度的乘積。曲線W09示出當a/p = 0.9 時的亮度和對比度的乘積。曲線W08示出當a/p = 0.8時的亮度和對 比度的乘積。曲線W07表示當a/p 二 0.7時的亮度和對比度的乘積。 曲線W06表示當a/p = 0.6時的亮度和對比度的乘積。如果取當Fno-2.25時的乘積W的值，則對于曲線W07至曲線W09中每一個的乘積 W的值大于曲線W10的乘積W的值。對于曲線W06的乘積W的值小于曲線W10的乘積W的值。如果更仔細地檢查曲線W07至曲線 W09中的每一個，則發(fā)現(xiàn)曲線W08的乘積W的值是對于該Fno的乘 積W的最大值?？梢酝ㄟ^使用小于1的a/p來增大函數(shù)"W(Fno = 2.25， a/p)"的 值。然而，在a/p-0.8作為峰值的情況下，隨著a/p變小，函數(shù)"W，， 的值減小。在a/p = 0.6附近，函數(shù)W(Fno = 2.25， a/卩)的值變得比W(Fno =2.25，01/|5=1)小，并且不能實現(xiàn)光通量的非對稱壓縮的效果。也就是 說，存在表現(xiàn)出由于光通量非對稱壓縮而產(chǎn)生的效果的a/p的最小值。在本示例性實施例中，F(xiàn)no = 2.25。然而，F(xiàn)no的值不限于2.25。 進一步地，如果Fno-2.25，則用于實現(xiàn)光通量的非對稱壓縮的效果 的a/p的最小值是大約0.63。也就是說，在設(shè)置Fno的任意值的情況下，a/p的值必需等于或 大于特定最小值^，以滿足條件W(Fno，a/p)>W(Fno，a/p = l)，并且 實現(xiàn)光通量的非對稱壓縮的效果。如果超出最小值B，則不能實現(xiàn)光 通量的非對稱壓縮的效果。相應(yīng)地，在對光通量進行非對稱壓縮時， 基于Fno值使用在^<(1/|5<1的范圍內(nèi)的a/|3是有用的。圖14示出根據(jù)本示例性實施例的指示每一Fno值的最小值n的 示例性曲線Sl。根據(jù)圖14所示的曲線，具有最小值^的非對稱壓縮率a/j5可以 被表示為Fno的函數(shù)"a/p = -0.18*(Fno)2 + 1.245*(Fno) - 1.260"。在 此，如果Fno = 2.25，則a/卩-0.63。因此，在對光通量進行非對稱壓縮時，將壓縮光學系統(tǒng)的壓縮率 a/p設(shè)置在可以滿足以下表達式的范圍內(nèi)是有用的-0.18*(Fno)2 + 1.245*(Fno) -1.260 < a/卩< 1 (1)進一步地，在a/p最大值Y2處，可以獲得函數(shù)W(Fno， a/p)的最 大值。a/p最大值Y2位于^〈Y2〈1的范圍內(nèi)。函數(shù)W(Fno，a/卩)的值其中，1.4 ￡ Fno ^ 3.6 1 <a<p(2)(3) 。隨著a/p更為靠近最大值Y2而增大。例如，如果Fno = 2.25，則y2 ( a/p )的值在0.80附近，如圖13 所示。相應(yīng)地，如果壓縮率a/p在Y3^a/pSY4的范圍內(nèi)，其中，b和Y4可以滿足^〈Y3〈Y2〈Y4〈1，則這更為有用。圖15示出才艮據(jù)本示例性實施例的分別指示每一 Fno的示例性a/p 最大值m4的曲線Sl-S4。為了實現(xiàn)更高的光通量的非對稱壓縮的效果，更有用的是，將值 h設(shè)置為朝向h比^的值大20%，并且將值Y4設(shè)置為朝向丫2比1的 值大20%。也就是說，Y3-0.8y! + 0.2Y2并且Y4-0.8 + 0.2y2?？梢酝ㄟ^ 以下表達式將y3和y4表示為Fno的函數(shù) = -0.159*(Fno)2 + 1.101* (Fno) -1.006 y4 = -0.011*(Fno)2 + 0.082* (Fno) + 0.837。因此，由于Y3^a/卩SY4，因此如果光通量壓縮^殳置可以滿足以下 表達式，則這更為有用-0.159*(Fno)2+1.101*(Fno)-1.006 5 a/p H011*(Fno)2+0.082*(Fno)+0.837 (la)更具體地說，如果a/p大于0.5并且小于0.95，則這是有用的。 如果a/p大于0.6并且/或者小于0.92，則這更為有用。如果a/p大于 0.69并且/或者小于0.89，則這甚至更為有用。進一步地，如果壓縮率a和p滿足以下條件，則這是有用的1.05 < a1.1 <p。如果壓縮率a大于1.11并且/或者小于1.5,則這更為有用。如果 壓縮率a大于1.23并且/或者小于1.37，則這甚至更為有用。對于壓 縮率P,如果壓縮率p大于1.30并且/或者小于2.30，則這是有用的。 如果壓縮率p大于1.40并且/或者小于2.18，則這甚至更為有用。在本示例性實施例中，僅描述了照射光學系統(tǒng)的基本組件。然而， 在實際照射光學系統(tǒng)中，另外設(shè)置了各種光學元件，如用于折疊來自 光源的光的光路的折疊鏡、熱射線截止濾波器以及偏振板。更進一步地，在本示例性實施例中，使用一個液晶板8。然而， 在實際普通投影儀中提供與紅色、綠色和藍色(R、 G、 B)光之中每 一個對應(yīng)的三個液晶板。偏振光束分離器7構(gòu)成色彩分離/組合光學系 統(tǒng)的一部分，所述色彩分離/組合光學系統(tǒng)將R、 G、 B的每一色彩的 照射光引導至所述三個液晶板，并且組合來自所述三個液晶板的每一 色彩圖像光?，F(xiàn)在，將描述根據(jù)第一示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的詳細配置 和數(shù)值示例。數(shù)值示例1圖16A是根據(jù)數(shù)值示例1的照射光學系統(tǒng)的X-Z截面。圖16B 是根據(jù)數(shù)值示例1的照射光學系統(tǒng)的Y-Z截面。在圖16A和16B中 的每一個中，照射光學系統(tǒng)的組件與圖l和圖2所示的組件相同。該 情況也適用于以下數(shù)值示例中的每一個。 橢圓反射器的第二焦距f2 = 230mm 橢圓反射器與第一復眼透鏡之間的距離Li-46mm 橢圓反射器與第二復眼透鏡之間的距離L2 = 87mm 其中，在通過第一復眼透鏡的偏心實現(xiàn)的凹透鏡效果的情況下的焦距 ffl = -184mm在通過第二復眼透鏡的偏心實現(xiàn)的凹透鏡效果的情況下的焦距ff2 = -143mm 因此a = |f2|/|fn| = 1.25 P = =1.607a/p = 0.78 其中，聚光透鏡焦距fe = 100mm入射在偏振轉(zhuǎn)換元件上的光通量在X-Z截面中的寬度D2 =因此Fno = fc/D2 = 2.35 其中，^ = 0.627， y3 = 0.703，并且y4 = 0.969。 因此，壓縮率a/p滿足以下條件數(shù)值示例l是高度考慮了對比度的平衡設(shè)計。數(shù)值示例2圖17A是^f艮據(jù)數(shù)值示例2的照射光學系統(tǒng)的X-Z截面。圖17B 是根據(jù)數(shù)值示例2的照射光學系統(tǒng)的Y-Z截面。 橢圓反射器的第二焦距f2 = 230mm 橢圓反射器與第一復眼透鏡之間的距離Li-46mm 橢圓反射器與第二復眼透鏡之間的距離L2 = 80.5mm 其中，在通過第一復眼透鏡的偏心實現(xiàn)的凹透鏡效果的情況下的焦距 ffl = -184mm在通過第二復眼透鏡的偏心實現(xiàn)的凹透鏡效果的情況下的焦距 ff2 = -149.5mm 因此a = |f2|/|fn| = 1.25 P = = 1.538a/|3 = 0.81 其中，聚光透鏡焦距fe = 78.6mm入射在偏振轉(zhuǎn)換元件上的光通量在X-Z截面中的寬度D2 =42.5mm因此Fno = fe/D2 = 1.85 其中，^ = 0.427， Y3 = 0.487，并且y4 = 0.951。 因此，壓縮率a/(3滿足以下條件 Yi<Y3<a/p<y4<l。與數(shù)值示例1的設(shè)計相比，數(shù)值示例2是強調(diào)亮度的設(shè)計。 數(shù)值示例3圖18A是根據(jù)數(shù)值示例3的照射光學系統(tǒng)的X-Z截面。圖18B 是根據(jù)數(shù)值示例3的照射光學系統(tǒng)的Y-Z截面。 橢圓反射器的第二焦距f2 = 182.4mm 橢圓反射器與第一復眼透鏡之間的距離In = 45.6mm 橢圓反射器與第二復眼透鏡之間的距離L2 = 86.6mm 其中，在通過第一復眼透鏡的偏心實現(xiàn)的凹透鏡效果的情況下的焦距 ffl = -136.8mm在通過第二復眼透鏡的偏心實現(xiàn)的凹透鏡效果的情況下的焦距f。 = -95.7mm 因此a = |f2|/|fn| 二 1.333 P = |f2|/|f。| = 1.卯6 a/p 二 0.7 其中，聚光透鏡焦距fe = 85mm入射在偏振轉(zhuǎn)換元件上的光通量在X-Z截面中的寬度D2 =40.5mm因此Fno = fc/D2 = 2.1 其中，<formula>formula see original document page 26</formula>，并且y4 = 0.961。 因此，壓縮率a/p滿足以下條件<formula>formula see original document page 26</formula>。與數(shù)值示例2的設(shè)計相比，數(shù)值示例3是強調(diào)對比度的平衡設(shè)計。第二示例性實施例以下描述本發(fā)明第二示例性實施例。圖19和圖20示出根據(jù)本發(fā) 明第二示例性實施例的照射光學系統(tǒng)OE的組件。本發(fā)明的第二示例 性實施例可以實現(xiàn)與第一示例性實施例中所實現(xiàn)的類似光學效果。更具體地說，圖19是根據(jù)本示例性實施例的照射光學系統(tǒng)OE 的X-Z截面。圖19所示的X-Z截面等同于圖1所示的X-Z截面。圖 20是根據(jù)本示例性實施例的照射光學系統(tǒng)OE的Y-Z截面。圖20所 示的Y-Z截面等同于圖2所示的Y-Z截面。本示例性實施例使用與第 一示例性實施例不同的壓縮光學系統(tǒng)。本示例性實施例使用作為第三光學元件的正透鏡(凸透鏡)l3， 以及作為第二光學元件14和16的兩個負柱形透鏡(凹柱形透鏡)l4 和16，以壓縮來自拋物面反射器12的光通量。從光源單元11發(fā)射的白光作為平行光通量從拋物面反射器l2出射。所述平行光通量被在X-Z截面(第一截面)和Y-Z截面(第二 截面)中具有相同級別的正折光力的凸透鏡(正透鏡(第三光學元件)) 13聚光(所述平行光通量經(jīng)歷凸透鏡13的聚光效果)。注意，凸透 鏡13的正折光力在X-Z截面和Y-Z截面中并非必需相同。已經(jīng)從凸 透鏡13出射的光通量穿過在X-Z截面中具有負折光力的第一凹柱形 透鏡(第一光學元件)14。然后，光通量入射在第一復眼透鏡15上。已經(jīng)入射在笫一復眼透鏡15上的光通量然后被分離為多個光通 量。每一分離的光通量被第一復眼透鏡15聚光。已經(jīng)從第一復眼透鏡 15出射的光通量然后入射到在Y-Z截面中具有負折光力的第二凹柱 形透鏡(第二光學元件)16上。在已經(jīng)穿過第二凹柱形透鏡16之后，光通量經(jīng)由第二復眼透鏡 17在偏振轉(zhuǎn)換元件18的光入射表面或光出射表面上或在其附近形成 多個二次光源圖像。已經(jīng)從偏振轉(zhuǎn)換元件18出射的多個分離的光通量(具有預(yù)定偏 振方向的線性偏振光)被聚光透鏡19聚光。然后，所述多個分離的光 通量穿過偏振光束分離器20,并且在反射型液晶板21上被組合。將與第一示例性實施例中所描述的類似的偏振分離膜20a提供給 偏振光束分離器20。第一復眼透鏡15和第二復眼透鏡17中的每一個包括被以二維陣列布置的多個透鏡單元。圖21和圖22中的每一個是示出對于本示例性實施例的組件(拋 物面反射器12、凸透鏡13、凹柱形透鏡14、第一復眼透鏡15、第二 凹柱形透鏡16、第二復眼透鏡17以及偏振轉(zhuǎn)換元件18 (圖19和圖 20))的光路的放大視圖。已經(jīng)從拋物面反射器12出射的平行光通量被凸透鏡13轉(zhuǎn)換為會 聚光通量。然后，該光通量被具有凹透鏡效果的凹柱形透鏡"在X-Z 截面(圖21)中轉(zhuǎn)換為平行光通量。另一方面，來自凸透鏡13的會 聚光通量被具有凹透鏡效果的第二凹柱形透鏡l6在Y-Z截面(圖22 ) 中轉(zhuǎn)換為平行光通量。也就是說，在圖21所示的示例中，光通量在X-Z截面中被凸透 鏡(第三光學元件)13和凹柱形透鏡(第一光學元件)"壓縮。另一 方面，在圖22所示的示例中，光通量在Y-Z截面中被凸透鏡U和第 二凹柱形透鏡(第二光學元件)16壓縮。可以通過以下表達式計算X-Z截面中的壓縮率a和Y-Z截面中 的壓縮率p:a = DX/DX"p = DY/DY,其中，"DX"表示在光通量從橢圓反射器12出射(被橢圓反射 器12反射)時光通量在X-Z截面(圖21)中的寬度，"DY"表示在光通量從橢圓反射器12出射(被橢圓反射器12反射)時光通量在Y-Z 截面(圖22)中的寬度，"DX，"表示在光通量入射在偏振轉(zhuǎn)換元件 18上時光通量在X-Z截面(圖21)中的寬度，"DY，"表示在光通量 入射在偏振轉(zhuǎn)換元件18上時光通量在Y-Z截面(圖22)中的寬度。在本示例性實施例中，來自拋物面反射器12的平行光通量入射 在凸透鏡13上，并且已經(jīng)從凹柱形透鏡14和第二凹柱形透鏡16出射 的光通量作為平行光通量入射在偏振轉(zhuǎn)換元件18上。因此，可以根據(jù) 凸透鏡13與凹柱形透鏡14或第二凹柱形透鏡16之間的距離("壓縮 距離")來確定壓縮率。在圖21所示的示例中，因為光通量被凸透鏡13和凹柱形透鏡14 壓縮，所以壓縮距離等同于X-Z截面中的距離L3。另一方面，在圖 22所示的示例中，因為光通量被凸透鏡13和第二凹柱形透鏡16壓縮， 所以壓縮距離等同于Y-Z截面中的距離L4。相應(yīng)地，本示例性實施例 對于X-Z截面和Y-Z截面使用不同的光通量壓縮率。更具體地說，可以通過以下表達式來計算壓縮率a:DX/DX， = |fconvex|/|fconcavel|其中，'％。nvex，，表示凸透鏡13的焦距，"fc。ncavel"表示凹柱形 透鏡14在X-Z截面中的焦距。類似的，可以通過以下表達式來計算壓縮率P:DY/DY， = |fc。nvexl/|fc。ncave2|其中，'％。neave2"表示第二凹柱形透鏡^在Y-Z截面中的焦距。 相應(yīng)地，可以如下表示壓縮率a和壓縮率P: 壓縮率a = DX/DX， = |fc。nvex|/|fe。ncavei| 壓縮率P = DY/DY， = |fc。nvex|/|fe。n<:ave2|。 進一步地，可以將距離L3和L4表示如下L3 - |fcoiwex| - |fconcavel| L4 — |fconvex| - |fc<mcave2| c由于L3/L4< 1,因此Y-Z截面中的光通量壓縮率P大于X-Z截 面中的光通量壓縮率a。即a/p<l。
如上所述，在本示例性實施例中，已經(jīng)從拋物面反射器12出射 的平行光通量被凸透鏡13轉(zhuǎn)換為會聚光通量。因此，本示例性實施例 通過使用凸透鏡13與第一凹柱形透鏡14和第二凹柱形透鏡16之間的 距離差，實現(xiàn)在Y-Z截面中比在X-Z截面中更大的光通量壓縮率。相 應(yīng)地，與由第一示例性實施例實現(xiàn)的效果類似，本示例性實施例可以 抑制第一復眼透鏡15或第二復眼透鏡17的厚度增大以及照射光學系 統(tǒng)OE的照射效率的降低，同時實現(xiàn)在Y-Z截面中充分高的光通量壓 縮率。
在本示例性實施例中，在偏振光束分離器20對光通量的角度分 布敏感的方向上(Y-Z截面的方向上)，光通量的角度分布較小。通 過這種配置，本示例性實施例可以抑制在經(jīng)由偏振光束分離器20將顯 示在液晶板上的圖像投射到投射表面上時，圖像的不均勻亮度或圖像 的對比度劣化。相應(yīng)地，本示例性實施例可以以高亮度和高分辨率將 圖像投射到投射表面(屏幕表面)上。
笫一示例性實施例與第二示例性實施例之間僅有的差別在于，確 定壓縮率a和壓縮率p的根據(jù)第二示例性實施例的壓縮光學系統(tǒng)具有 不同的配置。因此，在第一示例性實施例中描述的每一條件表達式也 可以在第二示例性實施例中成立。
除了復眼透鏡(第一復眼透鏡15和第二復眼透鏡17)之外，并 且與所述復眼透鏡分離地，本示例性實施例使用凹柱形透鏡(凹柱形 透鏡14和第二凹柱形透鏡16)。然而，本發(fā)明不限于該實施例。也 就是說，作為對本示例性實施例的修改，可以如在第一示例性實施例 中那樣，通過使得復眼透鏡的透鏡單元偏心來實現(xiàn)凹透鏡效果。在通 過偏心來提供凹透鏡效果的情況下，部件的數(shù)量可以減少。因此，可 以容易地組裝照射光學系統(tǒng)，這可以降低制造成本。
圖32和圖33中的每一個示出當部分地修改根據(jù)本發(fā)明第二示例 性實施例的圖19和圖20所示的配置時照射光學系統(tǒng)OE在X-Z截面 和Y-Z截面中的組件。在圖32和圖33所示的示例中，照射光學系統(tǒng)OE不包括根據(jù)第 二示例性實施例的在圖19和圖20的示例中所提供的凹柱形透鏡14 和第二凹柱形透鏡16。取而代之，在圖32所示的示例中，照射光學 系統(tǒng)OE通過使得第一復眼透鏡15偏心而獲得凹透鏡效果。類似的， 在圖33所示的示例中，照射光學系統(tǒng)OE通過使得第二復眼透鏡17 偏心而獲得凹透鏡效果。
如果相對于第一復眼透鏡15和第二復眼透鏡17中的每一個的透 鏡單元表面而提供凹柱形表面，則也是有用的。
現(xiàn)在，以下將描述根據(jù)第二示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的詳細 配置和數(shù)值示例。
數(shù)值示例4
圖23A是根據(jù)數(shù)值示例4的照射光學系統(tǒng)的X-Z截面。圖23B 是根據(jù)數(shù)值示例4的照射光學系統(tǒng)的Y-Z截面。在圖23A和23B中， 照射光學系統(tǒng)的組件與第一示例性實施例中的圖l和圖2所示的組件 相同。該情況也適用于第二示例性實施例的以下數(shù)值示例。
凸透鏡與第一凹柱形透鏡之間的距離1^-16.3mm
凸透鏡與第二凹柱形透鏡之間的距離L2 = 45.9mm
其中，
凸透鏡焦距fconvex = 125mm 第一凹柱形透鏡焦距fconcavei = -108.7mm 第二凹柱形透鏡焦距fe。neave2= -82.8mm 因此
<formula>formula see original document page 30</formula>
a/p = 0.728 其中，
聚光透鏡焦距fe = 82mm
入射在偏振轉(zhuǎn)換元件上的光通量在X-Z截面中的寬度D6 =44.3mm
因此
Fno = fc/D6 = 1.85 其中，
= 0.427， y3 = 0.487，并且y4 = 0.951。 因此，壓縮率a/p滿足以下條件 yi<y3<a/p<y4<l。
與數(shù)值示例1相比，數(shù)值示例4是強調(diào)亮度的設(shè)計。 數(shù)值示例5
圖24A是根據(jù)數(shù)值示例5的照射光學系統(tǒng)的X-Z截面。圖24B 是根據(jù)數(shù)值示例5的照射光學系統(tǒng)的Y-Z截面。
凸透鏡與第一凹柱形透鏡之間的距離L! = 19.5mm 凸透鏡與第二凹柱形透鏡之間的距離L2 = 65.1mm 其中，
凸透鏡焦多巨fe。nvex = 195mm 第一凹柱形透鏡焦距fc。neavel = -175.5mm 第二凹柱形透鏡焦距fc。neave2 = -129.9mm 因此
- |fconvex|/|fconcavel| — LIU P - |fconvex|/|fconcave2| — 1*502
a/p = 0.74
其中，
聚光透鏡焦距fe = 115mm
入射在偏振轉(zhuǎn)換元件上的光通量在X-Z截面中的寬度D6 =
46.9mm
因此
Fno = fc/D6 = 2.45 其中，r = 0.71， I = 0.737,并且y4 = 0.972。 因此，壓縮率a/p滿足以下條件 Yi <Y3 < a/p < y4 < 1。
與數(shù)值示例1相比，數(shù)值示例5是強調(diào)對比度的設(shè)計。 第三示例性實施例
以下描述本發(fā)明第三示例性實施例。圖25和圖26示出根據(jù)本發(fā) 明第三示例性實施例的照射光學系統(tǒng)OE的組件。本發(fā)明第三示例性 實施例可以實現(xiàn)與第一示例性實施例類似的光學效果。
更具體地說，圖25是根據(jù)本示例性實施例的照射光學系統(tǒng)OE 的X-Z截面。圖25所示的X-Z截面等同于圖1所示的X-Z截面。圖 26是^l據(jù)本示例性實施例的照射光學系統(tǒng)OE的Y-Z截面。圖26所 示的Y-Z截面等同于圖2所示的Y-Z截面。本示例性實施例使用與第 一示例性實施例以及第二示例性實施例中不同的壓縮光學系統(tǒng)。
本示例性實施例使用復曲面透鏡(toriclens) 33,其兩個表面 都具有凸形狀；以及復曲面透鏡34，其兩個表面都具有凹形狀，以壓 縮光通量。本示例性實施例的壓縮系統(tǒng)包括第四光學元件33(復曲 面透鏡33)，其在第一截面和第二截面中具有不同的正折光力。進一 步地，本示例性實施例的壓縮系統(tǒng)包括第五光學元件34 (復曲面透 鏡34)，其在第一截面和第二截面中具有不同的負折光力。如上所迷， 第四光學元件和第五光學元件是復曲面透鏡。
從光源單元31發(fā)射的白光作為平行光通量從拋物面反射器32出射。
所述平行光通量被兩個表面都具有凸形狀的雙凸復曲面透鏡33 會聚。然后，會聚的光通量穿過雙凹復曲面透鏡34，然后入射在第一 復眼透鏡35上。已經(jīng)入射在第一復眼透鏡35上的光通量被分離為多 個光通量，并且每一分離的光通量被第一復眼透鏡35聚光。已經(jīng)從第 一復眼透鏡35出射的光通量經(jīng)由第二復眼透鏡36在偏振轉(zhuǎn)換元件37 的光入射表面或光出射表面或在其附近形成多個二次光源圖像。
32已經(jīng)從偏振轉(zhuǎn)換元件37出射的多個分離的光通量(具有預(yù)定偏 振方向的線性偏振光)被聚光透鏡38聚光。然后，所述多個分離的光 通量穿過偏振光束分離器39，并且在反射型液晶板40上被組合。在 偏振光束分離器39中提供與第一示例性實施例所描述的類似的偏振 分離膜39a。第一復眼透鏡35和第二復眼透鏡36中的每一個包括被以二維陣 列布置的多個透鏡單元。圖27和圖28是示出對于本示例性實施例的組件(拋物面反射器 32、復曲面透鏡33、復曲面透鏡34、第一復眼透鏡35和第二復眼透 鏡37 (圖25和圖26 ))的光路的放大視圖。已經(jīng)穿過雙凸復曲面透鏡33的會聚光通量然后被在X-Z截面和 Y-Z截面中具有凹透鏡效果的雙凹復曲面透鏡34轉(zhuǎn)換為平行光通量。 也就是說，在X-Z截面和Y-Z截面兩者中，雙凸復曲面透鏡33和雙 凹復曲面透鏡34都壓縮光通量。在此，可以通過以下表達式來計算X-Z截面中的壓縮率a和Y-Z 截面中的壓縮率卩<formula>formula see original document page 33</formula>其中，"DX，，表示在光通量從橢圓反射器32出射(被橢圓反射 器32反射)時光通量在X-Z截面(圖27)中的寬度，"DY"表示在 光通量從橢圓反射器32出射(被橢圓反射器32反射)時光通量在Y-Z 截面(圖28)中的寬度，"DX，"表示在光通量入射在偏振轉(zhuǎn)換元件 37上時光通量在X-Z截面(圖27)中的寬度，"DY，"表示在光通量 入射在偏振轉(zhuǎn)換元件37上時光通量在Y-Z截面(圖28)中的寬度。在本示例性實施例中，來自拋物面反射器32的平行光通量入射 在雙凸復曲面透鏡33上，并且已經(jīng)從雙凹復曲面透鏡34出射的光通 量作為平行光通量入射在偏振轉(zhuǎn)換元件37上。因此，可以根據(jù)雙凸復 曲面透鏡33與雙凹復曲面透鏡34之間的距離("壓縮距離")來確 定壓縮率a和壓縮率|5。更具體地說，可以通過以下表達式來計算壓縮率a: DX/DX，=|Tlx|/|T2X|其中，"Tlx"表示雙凸復曲面透鏡33在X-Z截面中的焦距， "T2x"表示雙凹復曲面透鏡34在X-Z截面中的焦距。類似的，可以 通過以下表達式來計算壓縮率p: DY/DY， = |Tly|/|T2y|其中，"Tly"表示雙凸復曲面透鏡33在Y-Z截面中的焦距， "T2y"表示雙凹復曲面透鏡34在Y-Z截面中的焦距。 相應(yīng)地，可以如下表示壓縮率a和壓縮率p: 壓縮率a = DX/DX， = |Tlx|/|T2x| 壓縮率P = DY/DY， = |Tly|/|T2y|進一步地，雙凸復曲面透鏡33和雙凹復曲面透鏡34的焦距具有 由以下表達式所表示的關(guān)系 Tlx/T2x > 1 Tly/T2y > 1 Tlx/Tly>l T2x/T2y>l。因此，Y-Z截面中的光通量壓縮率p大于X-Z截面中的光通量壓 縮率a。雖然作為雙凸復曲面透鏡33和雙凹復曲面透鏡34之間的距 離的距離Ls在X-Z截面中與在Y-Z截面中相同，但壓縮率根據(jù)各個 截面中的焦距而對于X-Z截面和Y-Z截面不同。如上所述，在本示例性實施例中，已經(jīng)從拋物面反射器32出射 的平行光通量被雙凸復曲面透鏡33轉(zhuǎn)換為會聚光通量。因此，本示例 性實施例通過使用在X-Z截面中和Y-Z截面中雙凸復曲面透鏡33和 雙凹復曲面透鏡34的焦距之間的差，實現(xiàn)了在Y-Z截面中比在X-Z 截面中更大的光通量壓縮率。相應(yīng)地，與由第一示例性實施例實現(xiàn)的 效果類似，本示例性實施例可以抑制第 一復眼透鏡35或第二復眼透鏡 36的厚度增大以及照射光學系統(tǒng)OE的照射效率的降低，同時實現(xiàn)在 Y-Z截面中足夠高的光通量壓縮率。在本示例性實施例中，在偏振光束分離器39對光通量的角度分 布敏感的方向上(在Y-Z截面的方向上)，光通量的角度分布較小。 通過這種配置，本示例性實施例可以抑制在經(jīng)由偏振光束分離器39 將顯示在液晶板上的圖像投射到投射表面上時圖像的不均勻亮度或圖 像的對比度劣化。相應(yīng)地，本示例性實施例可以以高亮度和高對比度 將圖像投射到投射表面(屏幕表面)上。與第二示例性實施例類似，第一示例性實施例與第三示例性實施 例之間僅有的差別在于，確定壓縮率a和壓縮率p的根據(jù)第三示例性 實施例的壓縮光學系統(tǒng)具有不同的配置。因此，在第一示例性實施例 中描述的每一條件表達式也可以在第三示例性實施例中成立?，F(xiàn)在將描述根據(jù)第三示例性實施例的照射光學系統(tǒng)的詳細配置 和數(shù)值示例。數(shù)值示例6圖29A是# 據(jù)數(shù)值示例6的照射光學系統(tǒng)的X-Z截面。圖29B 是根據(jù)數(shù)值示例6的照射光學系統(tǒng)的Y-Z截面。在圖29A和"B中， 照射光學系統(tǒng)的組件與第一示例性實施例中的圖1和圖2所示的組件 相同。該情況也適用于第三示例性實施例的以下數(shù)值示例。 復曲面透鏡之間的多巨離L5 = 40mm 雙凸復曲面透鏡在X-Z截面中的焦距Tlx = 200mm 雙凸復曲面透鏡在Y-Z截面中的焦距TIy == 135.1mm 雙凹復曲面透鏡在X-Z截面中的焦距T2x = 160mm 雙凹復曲面透鏡在Y-Z截面中的焦距T2y = 95.1mm 因此a = |Tlx|/|T2x| = 1.25 P = |Tly|/|T2y| = 1.42 a/p = 0.88 其中，聚光透鏡焦距fe = 119mm入射在偏振轉(zhuǎn)換元件上的光通量在X-Z截面中的寬度D10 = 43.3mni 因此Fno = fc/D10 = 2.75 其中，= 0.803， y3 = 0.819，并且y4 = 0.979。 因此，壓縮率a/p滿足以下條件與數(shù)值示例1相比，數(shù)值示例6是強調(diào)對比度的設(shè)計。 數(shù)值示例7圖30A是# 據(jù)數(shù)值示例7的照射光學系統(tǒng)的X-Z截面。圖30B 是根據(jù)數(shù)值示例7的照射光學系統(tǒng)的Y-Z截面。 復曲面透鏡之間的距離L5 = 60mm 雙凸復曲面透鏡在X-Z截面中的焦距Tlx - 240mm 雙凸復曲面透鏡在Y-Z截面中的焦距Tly = 112.1mm 雙凹復曲面透鏡在X-Z截面中的焦距T2x = 180mm 雙凹復曲面透鏡在Y-Z截面中的焦距T2y = 52.1mm 因此<formula>formula see original document page 36</formula>進一步地，聚光透鏡焦距fc = 85mm入射在偏振轉(zhuǎn)換元件上的光通量在X-Z截面中的寬度D10 =40.6mm因此Fno = fc/D10 = 2.1 其中，= 0.561， y3 = 0.605，并且y4 = 0.961。 因此，壓縮率a/p滿足以下條件 n<a/p<Y4<l。數(shù)值示例7是考慮亮度與對比度之間的平衡的設(shè)計。 通過上述配置，本示例性實施例可以實現(xiàn)甚至以高亮度級別的亮 度來照射圖像顯示元件的照射光學系統(tǒng)，其光通量角度分布在光學元 件對光通量角度分布敏感的面中較小。進一步地，通過上述配置，本 示例性實施例可以實現(xiàn)投射型顯示設(shè)備，其使用上述照射光學系統(tǒng)來投射具有高亮度和高對比度的圖像。雖然已經(jīng)參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不 限于所公開的示例性實施例。所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)被給予最寬泛的 解釋，從而包括所有修改，等同的結(jié)構(gòu)以及功能。
權(quán)利要求
1、一種照射光學系統(tǒng)，被配置為將來自光源單元的光通量引導到被照表面上，所述照射光學系統(tǒng)包括壓縮系統(tǒng)，被配置為在第一截面和第二截面中以不同壓縮率壓縮從所述光源單元發(fā)射的光通量，所述第一截面和第二截面彼此正交并且都包括所述照射光學系統(tǒng)的光軸；以及偏振光分離裝置，包括偏振分離表面，其中所述第二截面是包括所述偏振分離表面的法線的平面；并且其中滿足以下條件-0.18＊(Fno)2+1.245＊(Fno)-1.260＜α/β＜11.4≤Fno≤3.6，其中α和β分別是在所述第一截面和所述第二截面中的用于壓縮光通量的壓縮率，并且Fno是在所述第一截面和所述第二截面中根據(jù)入射在被照表面上的光通量的最大角度所計算的兩個F數(shù)中的較小F數(shù)。
2、 如權(quán)利要求1所述的照射光學系統(tǒng)，進一步包括 偏振轉(zhuǎn)換元件，被配置為統(tǒng)一來自所述壓縮系統(tǒng)的光通量的偏振狀態(tài)；以及聚光透鏡，被配置為對來自所述偏振轉(zhuǎn)換元件的光通量進行聚 光，并且將光通量引導到所述被照表面上，其中，所述偏振分離表面被設(shè)置在所述聚光透鏡和所述被照表面之間。
3、 如權(quán)利要求2所述的照射光學系統(tǒng)，其中，所述壓縮系統(tǒng)使 得從所述光源單元發(fā)射的光通量作為平行光通量入射在所迷偏振轉(zhuǎn)換 元件上。
4、 如前述權(quán)利要求中任一項所述的照射光學系統(tǒng)，其中，所述壓縮系統(tǒng)包括第一光學元件，其在所述第一截面和所述第二截面之中任一截面 中具有負折光力；以及第二光學元件，其在另一截面中具有與所述第一光學元件的折光 力不同的負折光力。
5、 如權(quán)利要求4所述的照射光學系統(tǒng)，其中， 所述第一光學元件和所述第二光學元件中的每一個包括具有多個透鏡單元的透鏡陣列，并且其中，所述多個透鏡陣列中的一部分是偏心的。
6、 如權(quán)利要求1所述的照射光學系統(tǒng)，其中，從所述光源單元 開始，所述壓縮系統(tǒng)按順序包括第一光學元件，其在所述第一截面和所述第二截面中均具有相同 的正折光力；笫二光學元件，其在所述第一截面和所述第二截面之中任一截面中具有負折光力；以及第三光學元件，其在另一截面中具有與所述第二光學元件的折光 力不同的負折光力。
7、 如權(quán)利要求6所述的照射光學系統(tǒng)，其中，所述壓縮系統(tǒng)進 一步包括第四光學元件，其在所述第一截面和所述第二截面中具有相互不 同的正折光力；以及第五光學元件，其在所述第一截面和所述第二截面中具有相互不 同的負折光力。
8、 如權(quán)利要求7所述的照射光學系統(tǒng)，其中，所述第四光學元 件和所述第五光學元件中的每一個是復曲面透鏡。
9、 如權(quán)利要求1所述的照射光學系統(tǒng)，其中，所述壓縮率a和 P滿足以下條件1.05 <a，以及 1.1 < (3。
10、 一種投射型顯示設(shè)備，包括 圖像顯示元件；如權(quán)利要求1至9中任一項所述的照射光學系統(tǒng)，被配置為照 射所述圖像顯示元件；以及投射光學系統(tǒng)，被配置為對來自所述圖像顯示元件的圖像光進 行投射。
全文摘要
本發(fā)明提供照射光學系統(tǒng)和使用其的投射型圖像顯示設(shè)備。所述照射光學系統(tǒng)被配置為將來自光源單元的光通量引導到被照表面上，所述照射光學系統(tǒng)包括壓縮系統(tǒng)，被配置為在第一截面和第二截面中以不同壓縮率壓縮光通量，所述第一截面和第二截面彼此正交；以及偏振光分離單元，包括偏振分離表面。所述第二截面包括垂直于所述偏振分離表面的直線。其中當在所述第一截面中的用于壓縮光通量的壓縮率是α，在所述第二截面中的壓縮率是β，并且在所述第一截面和所述第二截面中根據(jù)入射在被照表面上的光通量的最大角度所計算的F數(shù)中的較小F數(shù)是Fno時，滿足以下條件-0.18*(Fno)²+1.245*(Fno)-1.260＜α/β＜1，1.4≤Fno≤3.6。
文檔編號G02B3/10GK101334521SQ20081013052
公開日2008年12月31日 申請日期2008年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者山內(nèi)悠, 門脅亮太 申請人:佳能株式會社