照明光学系统、图像显示装置以及照明空间调节器的方法

专利名称：照明光学系统、图像显示装置以及照明空间调节器的方法
技术领域：
本发明涉及一种以平衡方式照亮物体的照明光学系统，包括该照明光学系统的图像显示装置和由照明光学系统照明的空间调节器，以及对该空间调节器照明的方法。
背景技术：
近年来，例如，已经广泛使用一种投影型液晶显示装置，该装置使用一种以液晶面板为代表的空间调节器作为光开关器件，并且通过诸如液晶投影仪等的投影光学系统将液晶面板上的图像放大和投影在屏幕上。在这种类型的液晶显示装置中，采用了由包括B(蓝色)、R(红色)、G(绿色)的三色滤光片的一个液晶面板构成的单面板系统，以及由用于B(蓝色)、R(红色)、G(绿色)光路的三个单色液晶面板构成的三面板系统。
作为在这种投影型液晶显示装置中的照明光学系统的光源，通常采用具有在可见光波长范围内的连续发射光谱的金属卤化物灯、超高压汞灯等。
图10示出了超高压汞灯的发射光谱。如图10所示，超高压汞灯的发射光谱包含几个能量峰。在发射光谱中，具有在400nm～480nm的波长范围内的能量峰PB的光线用作蓝光，具有在490nm～550nm波长范围内的能量峰PG的光线用作绿光。而且，620nm～700nm波长范围内的光线用作红光。
然而，如图10所示，在该超高压汞灯中，与蓝光和绿光相比，红光的相对强度显著不足。由于红光分量的不足，最终得到的投影图像的白色平衡(white balance)趋向于绿色和蓝色，因此不能获得理想的色彩呈现性能。于是，不可避免地降低绿光分量和蓝光分量的强度，以调节白色平衡，从而获得满意的色彩呈现性能。但是，在这种方法中，总照明度降低，由此导致出现不能获得足够的投影图像的亮度的问题。
而且，图10中的发射光谱包含黄光分量或橙光分量，它们具有在580nm左右波长范围内的、比红光波段的能级更高的能量峰PY。黄光分量或橙光分量的存在引起投影图像的色彩呈现性能的问题，例如将应该是红色的投影图像的原始色彩变成橙色，或者将应该是绿色的投影图像的原始色彩变成黄绿色。在使用金属卤化物灯的情况下，存在类似的问题。

发明内容
考虑到上述的问题，本发明的一个目的是提供一种具有良好色彩呈现性能同时确保足够亮度的照明光学系统，一种包括这种照明光学系统的图像显示装置和由该照明光学系统照明的空间调节器，以及一种对该空间调节器照明的方法。
根据本发明的照明光学系统包括第一光源；第二光源，其具有不同于该第一光源发射光谱的发射光谱；和替代光学系统，用来自该第二光源的光束取代来自该第一光源的光束中的特定波段内的光。在这种情况下，来自第二光源的光束优选具有在特定波段内的强度峰，并且当特定波段是红光波段时，具有红光波段内的峰的发光二极管或红色激光器优选用作第二光源。
而且，替代光学系统优选包括光合成部件，合成和射出来自第一光源的、作为在第一偏振方向上起偏的第一线偏振光束而入射的光束和来自第二光源的、作为在第二偏振方向上起偏的第二线偏振光束而入射的光束；偏振旋转部件，仅仅将从光合成部件射出的光束中的特定波段内的沿第一偏振方向起偏的光选择性地旋转至第二偏振方向，以及仅仅将从光合成部件射出的光束中的特定波段内的沿第二偏振方向起偏的光选择性地旋转至第一偏振方向；以及起偏振部件，仅仅允许从偏振旋转部件射出的光束中的第一偏振方向上的线偏振光束通过。
相反地，上述替代光学系统可以包括偏振旋转部件，仅仅将从光合成部件射出的光束中除特定波段之外的波段内的在第一偏振方向上起偏的光选择性地旋转至第二偏振方向，以及将从光合成部件射出的光束中除特定波段之外的波段内的在第二偏振方向上起偏的光选择性地旋转至第一偏振方向；以及起偏振部件，仅仅允许从偏振旋转部件射出的光束中的在第二偏振方向上的线偏振光束通过。
在根据本发明的照明光学系统中，通过替代光学系统将来自第一光源的光束中的特定波段内的光用来自第二光源的光束替代，该第二光源的发射光谱不同于第一光源的发射光谱。从而，来自第一光源的光束中光强度弱的特定波段内的光可以被来自第二光源的具有足够强度的光束所替代。
根据本发明的图像显示装置包括照明光学系统；空间调制器件，使用从照明光学系统射出的光束作为照明光，和以像素点为基础进行选择性的空间调制，以形成光学图像，其中该照明光学系统包括第一光源；第二光源，具有不同于第一光源的波长谱的发射光谱；和替代光学系统，用来自第二光源的光束取代来自第一光源的光束中特定波段内的光。
在根据本发明的图像显示装置中，在照明光学系统中，通过替代光学系统将来自第一光源的光束中的特定波段内的光用来自第二光源的光束替代，该第二光源的发射光谱不同于第一光源的发射光谱。从而，来自第一光源的光束中光强度弱的特定波段内的光可以被来自第二光源的具有足够强度的光束所替代。
在根据本发明对空间调制器照明的方法中，该空间调制器进行以像素点为基础的选择性空间调制以形成光学图像，该方法包括下列步骤从第一光源发射出光束；从第二光源发射出光束，该第二光源具有不同于第一光源发射光谱的发射光谱；用从第二光源射出的光束替换来自第一光源的光束中的特定波段内的光；和在特定波段内的光被来自第二光源的光束替换的状态下，将来自第一光源的光束导引至空间调制器。
在根据本发明对空间调制器照明的方法中，在来自第一光源的光束中的特定波段内的光被来自第二光源的光束所替代之后，该第二光源的发射光谱不同于第一光源的发射光谱，来自第一光源的光束被导引至空间调制器。从而，来自第一光源的光束中光强度弱的特定波段内的光可以被来自第二光源的具有足够强度的光束所替代。


图1是根据本发明一实施例的投影型液晶显示装置的平面示意图；图2是图1所示投影型液晶显示装置的蝇眼透镜部分和偏振转换部件中的光路的剖面图；图3是图2所示偏振转换部件的一部分的放大剖面图；图4是图1所示投影型液晶显示装置的蝇眼透镜部分和偏振转换部件中的光路的透视示意图；图5是图1所示投影型液晶显示装置的另一蝇眼透镜部分和另一偏振转换部件中的光路的剖面图；图6是图5所示偏振转换部件的一部分的放大剖面图；图7A和7B是显示出图1所示PS分离/合成部件中入射光束的偏振方向的剖面图；图8A～8C是穿过图1所示投影型液晶显示装置的光束的波长谱图；图9A和9B是图7A和7B所示偏振旋转部件和偏光板的另一实施例的剖面图；和图10是典型超高压汞灯的发射光谱图。
具体实施例方式
下面参考附图更详细地说明本发明的优选实施例。
首先，参考图1，下面说明根据本发明一实施例的、作为图像显示装置的液晶显示装置的结构。在本实施例中，“前面”表示从物体看过去靠近光源的一侧；而“后面”表示从物体看过去与光源相对的一侧。
图1示出了当直接从上方或侧面看过去的、根据实施例的液晶显示装置的示意图。液晶显示装置是三面板系统投影型彩色液晶显示装置，包括第一光学系统1和第二光学系统2。
第一光学系统1包括第一光源11、第二光源21和PS分离/合成部件16。来自第一光源11的光束的中心轴10(此后称为光轴10)和来自第二光源21的光束的中心轴20(此后称为光轴20)相互大致正交；并且PS分离/合成部件16设置在光轴10和20彼此相交的位置。
第一光学系统1还包括蝇眼透镜部件13、偏振变换部件14和聚光透镜15，它们沿光轴10从第一光源11侧依次设置在第一光源11和PS分离/合成部件16之间。第一光学系统1还包括准直透镜22、蝇眼透镜部分23、偏振变换部件24和聚光透镜25，它们沿光轴20从第二光源21侧依次设置在第二光源21和PS分离/合成部件16之间。第一光学系统1还包括偏振旋转部件17和偏光板18，它们沿光轴10依次设置在PS分离/合成部件16的后面。
其中，第一光学系统1对应于本发明中的特定例子“照明光学系统”。而且，包括偏振转换部件14和24、PS分离/合成部件16、偏振旋转部件17和偏光板18的光学系统对应于本发明中的特定例子“替代光学系统”。而且，偏振变换部件14对应于本发明中的特定例子“第一偏振变换装置”，而偏振变换部件24对应于本发明中的特定例子“第二偏振变换装置”。PS分离/合成部件16对应于本发明中的特殊例子“光合成部件”，偏振旋转部件17对应于本发明中的特殊例“偏振旋转部件”，以及偏光板18对应于本发明中的特殊例“起偏振部件”。
第一光源11包括发光体11A和具有旋转对称性的凹面镜11B。作为发光件11A，例如，采用具有可见光的波长范围内的连续发射光谱的超高压汞灯。替代地，例如，可采用金属卤化物灯。凹面镜11B的形状优选为具有尽可能高的聚光效率，因此，例如球面镜是优选的。作为光源21，采用发光二极管(LED)或红色激光器(下文中将参考图8B加以说明)，它们的发射光谱不同于第一光源11的发射光谱，并且具有在特定波段即红光波段W(例如，从620nm至700nm的范围，更优选地，从625nm至645nm的范围)内的峰。
准直透镜22具有将由第二光源21发射的光束变成大致平行于光轴20的光束的作用。
蝇眼透镜部分13包括从第一光源11侧依次设置在偏振变换部件14和第一光源11之间的第一透镜阵列131和第二透镜阵列132，并且对应于本发明中的特殊例“第一均匀化光学系统”，偏振变换部件14是替代光学系统的一部分。蝇眼透镜部分23包括从第二光源21侧依次设置在偏振变换部件24与第二光源21之间的第三透镜阵列231和第四透镜阵列232，并且对应于本发明中的特定例“第二均匀化光学系统”，偏振变换部件24是替代光学系统的另一部分。蝇眼透镜部分13和23作为积分装置，将从第一光源11和第二光源21发射的漫射光束积分，使得下文中描述的液晶面板40R、40G和40B(此后总称为“液晶面板40”)中的面内亮度分布均匀。下文中将更详细地说明蝇眼透镜部分13。
偏振变换部件14的作用是将来自第一光源11的光束转变为沿第一偏振方向起偏振的第一线偏振光束(P偏振光束)，偏振变换部件24的作用是将来自第二光源21的光束转变为沿第二偏振方向起偏振的第二线偏振光束(S偏振光束)，该第二偏振方向与第一偏振方向垂直。这里，P偏振光束代表一种线偏振光束，其中进入目标样品平面内的光的电学矢量的振动方向被包括在入射平面(包括光束入射点处的法线和入射光束的平面)内，S偏振光束代表一种线偏振光束，其中电学矢量的振动方向位于与入射平面正交的平面内。下文中将更详细地说明偏振变换部件14和24。
聚光透镜15和25分别会聚从偏振变换部件14和24射出的多条小光束。聚光透镜15和25可以设置在PS分离/合成部件16的发射一侧。
PS分离/合成部件16在很小损耗的条件下合成第一线偏振光束和第二线偏振光束，它包括粘接在一起的两个棱镜，粘接的表面是分离/合成面16A，在两棱镜之间形成一偏振分离/合成膜。PS分离/合成部件16的作用是使P偏振光束的第一线偏振光束几乎没有损耗地通过其中，并且在PS分离/合成面16A上几乎无损耗地反射S偏振光束的第二线偏振光束。
偏振旋转部件17是具有波长选择性的偏振旋转部件，它仅仅将入射光束中的上述特定波段(红光波段W)内的光的偏振方向旋转90度，并且使其它波段的光通过时偏振方向不发生旋转。因此，在从第一光源11进入偏振旋转部件17中的第一线偏振光束中，仅仅在上述波段内的光的偏振方向选择性地从第一偏振方向(P偏振方向)旋转至第二偏振方向(S偏振方向)。
另一方面，在从第二光源21进入偏振旋转部件17的第二线偏振光束中，仅仅在上述特定波段内的光的偏振方向选择性地从第二偏振方向(S偏振方向)旋转至第一偏振方向(P偏振方向)。这里，当上述特定波段是红光波段(例如，从620nm至700nm的范围)时，这与第二光源21的发射光谱段基本相同，在来自第二光源21的第二线偏振光束中，来自第二光源21的第二线偏振光束中的所有波长分量的偏振方向旋转至P偏振方向。
作为具有这种波长选择性的偏振旋转部件17，例如，可采用ColorLink公司的”ColorSelect”。
偏光板18仅仅允许从偏振旋转部件17射出的线偏振光束中的沿第一偏振方向(P偏振方向)起偏的线偏振光束通过。下文中将就此加以说明。
第二光学系统2包括二向色镜36R和36G，它们以一定间距沿光轴10依次设置在偏光板18的后面；反射镜37A，设置在光轴上并位于二向色镜36G的后面；反射镜37B，设置在通过反射镜37A的中心并与光轴10正交的轴上；以及反射镜37C，设置在通过二向色镜36R的中心并与光轴10正交的轴上。
二向色镜36R和36G的作用是将从偏光板射出的白色光束分成基本显示色彩的R(红色)和G(绿色)的彩色分量光；和沿与入射方向垂直的方向反射该些彩色分量光。反射镜37A沿与入射方向垂直的方向反射蓝色分量光，它是在通过二向色镜36R和36G分离出红色和绿色分量之后的剩余彩色分量，而反射镜37B沿与入射方向垂直的方向进一步反射被反射镜37A反射的蓝色分量光。反射镜37C沿与入射方向垂直的方向反射被二向色镜36R分离出并被反射的红色分量光。
第二光学系统2还包括聚光透镜38R、38G和38B，它们分别设置在被反射镜37G、37B和37C反射的各条光的传播方向上；和液晶面板40R、40G和40B，分别设置在聚光透镜38R、38G和38B的射出一侧。聚光透镜38R、38G和38B会聚由二向色镜36R和36G分离出的红、绿和蓝色分量光，并且在聚光透镜38R、38G和38B的各射出侧设置偏振滤光片(未显示)，用来将入射光转变成更完美的线偏振光。液晶面板40R、40G和40B的功能是根据待显示的各图像，以像素点为基础调制通过聚光透镜38R、38G和38B的各彩色分量光的偏振方向。这里，液晶面板40对应于本发明中的特定例“空间调制器(spatial modulation device)。
第二光学系统2还包括用于色彩合成的二向色棱镜42，设置在通过二向色镜36G和液晶面板40G的中心的轴和通过液晶面板40R和40B的中心的轴互相交叉的位置；和投影透镜43，设置在用于色彩合成的二向色棱镜42的射出一侧(即，位于通过二向色镜36G和液晶面板40G的中心的轴上并位于液晶面板40G的相对一侧)。用于色彩合成的二向色棱镜42将通过液晶面板40R、40G和40B的彩色分量光合成并且射出合成后的光，投影透镜43将从用于色彩合成的二向色棱镜42射出的合成光会聚和投影在屏幕31上。
而且，聚光透镜32设置在二向色镜36G和反射镜37A之间，和聚光透镜33设置在反射镜37A和反射镜37B之间。在设置聚光透镜32和33时考虑到下列情况，即对应于蓝色分量光的、通向液晶面板40B的光程长度大于对应于红色分量光和绿色分量光的光程长度，因此蓝色分量光更易于色散。所以，蓝色分量光被进一步会聚，从而可以防止蓝色分量光的强度降低。
接下来，参考图2～4，下面详细说明蝇眼透镜部分13和偏振变换部件14的结构。图2示出了图1中的蝇眼透镜部分13和偏振变换部件14沿着穿过光轴10和垂直于纸平面的平面所作的剖面图，图3示出了图2所示偏振变换部件14的一部分的放大图，和图4示出了蝇眼透镜部分1 3和偏振变换部件14的透视示意图。在图2和3中，为了避免混淆代表光路的线条，没有示出交叉路线。而且，在图4中，没有示出从聚光透镜15至聚光透镜38R、38G和38B的部件。
如图2和4所示，第一透镜阵列131(它是蝇眼透镜部分13的一部分)包括沿垂直于光轴10的平面二维排列的多个微小透镜元件(微透镜)，并且通过各个透镜元件将来自第一光源11的大致相互平行的光束分成多条小的光束，以便会聚各条光束。第一透镜阵列131的各透镜元件的形状类似于液晶面板40的形状，并且透镜元件和液晶面板40具有图像共轭关系。
第二透镜阵列132(它是蝇眼透镜部分13的另一部分)包括相应于第一透镜阵列131的各个透镜元件两维排列的多个透镜元件。第二透镜阵列132的各透镜元件将从第一透镜阵列131中的相应透镜元件入射的小光束射出，以便相互叠加小光束。从第二透镜阵列132的透镜元件射出的小光束通过聚光透镜15会聚在液晶面板40R、40G和40B的表面上，并且在其上相互叠加。
设置在蝇眼透镜部分13后面的偏振变换部件14包括PS分离棱镜阵列141和相位板142。PS分离棱镜阵列141包括PS分离棱镜141A，具有条形和正方形横截面；和反射棱镜141B(参考图3)，它们是交替排列的。
PS分离棱镜141A和反射棱镜141B以如下方式形成它们的宽度等于第一和第二透镜阵列131和132的各透镜元件宽度的一半。
PS分离棱镜141A包括具有45度底角的两个三角棱镜，它们的倾斜面粘接在一起，并且该粘接面是PS分离面141C，在该面上形成了PS分离膜。PS分离棱镜141A被设置为使得PS分离棱镜141A的中心位于第一和第二透镜阵列131和132的各透镜元件的光轴145上。从第二透镜阵列132射出的PS偏振态混合光束(P+S)聚焦在PS分离面141C上的大致中心位置，并且分离为在与入射方向相同的方向上传播的P偏振光束P1和在与入射方向垂直的方向上传播的S偏振光束S。
反射棱镜141B包括两个三角棱镜，它们的形状与PS分离棱镜141A的三角棱镜的形状相同，该些三角棱镜的倾斜面粘接在一起。粘接面是反射面141D并在面上形成了反射膜。反射棱镜141B被设置为使得反射棱镜141B的中心处于与第一和第二透镜阵列131和132中彼此相邻的透镜元件之间的部分对应的位置。反射棱镜141B的反射面141D将被PS分离棱镜141A的PS分离面141C反射的S偏振光束S反射到垂直于入射方向的方向上，同时保持偏振方向。因此，从反射棱镜141B射出的主光束146(它是入射光束的主光束)变成平行于光轴145的方向(即，图1中光轴10的方向)。PS分离棱镜阵列141不一定包括具有条形和正方形横截面的粘接棱镜，可以包括具有相同形状和相同尺寸的菱形棱镜。
相位板142具有与各反射棱镜141B的发光面的尺寸相同的板形；并且设置为与各反射棱镜141B的发光面靠近或接触。相位板142也称为半波板，由表现出双折射现象的诸如白云母、合成树脂等制成。相位板142引起入射光束中相互正交的电学矢量分量之间产生入射光束的半波长的相位差。因此，进入相位板142的S偏振光束S的偏振方向旋转90度，使得S偏振光束S射出时成为P偏振光束P2。
结果是，几乎所有进入偏振变换部件14的PS偏振态混合光束(P+S)转变成P偏振光束P1和P2射出，因此与去除S偏振分量和仅允许P偏振通过的常规偏振滤光片相比较，在变换过程中的能量损失非常小。
接着，参考图5和6，下面说明蝇眼透镜部分23和偏振变换部件24的结构。图5示出了图1所示的蝇眼透镜部分13和偏振变换部件14沿着穿过光轴20和垂直于纸平面的平面所作的剖面图，图6示出了图5所示偏振变换部件24的一部分的放大剖面图。在图5和6中，为了避免混淆代表光路的线条，没有示出交叉路线。
如图5和6所示，蝇眼透镜部分23和偏振变换部件24的结构与图2和3所示蝇眼透镜部分13和偏振变换部件14的结构大致相同。然而，从偏振变换部件14射出的光束是P偏振光束，从偏振变换部件24射出的光束是S偏振光束S。
第三透镜阵列231(它是蝇眼透镜部分23的一部分)包括二维排列的多个微小透镜元件，并且通过各个透镜元件将来自准直透镜22的大致相互平行的光束分成多条小的光束，以便会聚各条光束。第三透镜阵列231的各透镜元件的形状类似于液晶面板40的形状，并且透镜元件和液晶面板40具有图像共轭关系。
第四透镜阵列232(它是蝇眼透镜部分23的另一部分)包括相应于第三透镜阵列231的各个透镜元件而两维排列的多个透镜元件。第四透镜阵列232的各透镜元件将从第三透镜阵列231中的相应透镜元件入射的小光束射出，以便相互叠加小光束。从第四透镜阵列232的透镜元件射出的小光束通过聚光透镜15会聚在液晶面板40R、40G和40B的表面上，并且在其上相互叠加。
设置在蝇眼透镜部分23后面的偏振变换部件24包括PS分离棱镜阵列241和相位板242。PS分离棱镜阵列241包括PS分离棱镜241A，具有条形和正方形横截面；和反射棱镜241B(参考图6)，它们是交替排列的。PS分离棱镜241A和反射棱镜241B以如下方式形成它们的宽度等于第三和第四透镜阵列231和232的各透镜元件宽度的一半。
PS分离棱镜241A包括具有45度底角的两个三角棱镜，它们的倾斜面粘接在一起，并且该粘接面是PS分离面241C，在该面上形成了PS分离膜。PS分离棱镜241A被定位在第三和第四透镜阵列231和232的各透镜元件的光轴245上。从第四透镜阵列232射出的PS偏振态混合光束(P+S)聚焦在PS分离面241C上的大致中心位置，并且分离为在与入射方向相同的方向上传播的P偏振光束P和在与入射方向垂直的方向上传播的S偏振光束S。
相位板242具有与各PS分离棱镜241A的发光面的尺寸相同的板形；并且设置为与各PS分离棱镜241A的发光面靠近或接触。进入相位板242的P偏振光束的偏振方向旋转90度，使得P偏振光束射出时成为S偏振光束S1。
反射棱镜241B通过反射面241D将被PS分离面241C反射的S偏振光束S反射到垂直于入射方向的方向上，同时保持偏振方向。因此，从反射棱镜241B射出的S偏振光束S2的主光束246(它是入射光束的主光束)变成平行于光轴245的方向(即，图1中光轴20的方向)。
接下来，将说明根据实施例的液晶显示装置的操作和功能。
首先，参考图1，下面将说明根据实施例的整个显示装置的操作。
在第一光学系统1中，从第一光源11发射的光束L1依次通过蝇眼透镜部分13、偏振变换部件14、聚光透镜15、PS分离/合成部件16、偏振旋转部件17和偏光板18，并且朝靠近第一光学系统1设置的第二光学系统2传播。另一方面，从第二光源21发射的光束L2依次通过准直透镜22、蝇眼透镜部分23、偏振变换部件24、聚光透镜25、PS分离/合成部件16、偏振旋转部件17和偏光板18，并且朝第二光学系统2传播。在这种情况下，通过偏光板18的光束L1和L2变成混合光束(L1+L2)。下文将说明第一光学系统1的作用。
通过第一光学系统1的偏光板18的混合光束(L1+L2)依次进入第二光学系统2的二向色镜36R和36G(参见图1)。二向色镜36R从混合光束(L1+L2)中分离出红色分量光，并且沿与入射方向垂直的方向反射红色分量光。二向色镜36G从通过二向色镜36R的混合光束(L1+L2)中分离出绿色分量光，并且沿与入射方向垂直的方向反射绿色分量光。已通过二向色镜36G的蓝色分量光通过聚光透镜32，并且被反射镜37A沿与入射方向垂直的方向反射。
当被二向色镜36R反射的红色分量光被反射镜37C沿垂直于入射方向的方向反射之后，红色分量光通过聚光透镜38R，并且进入液晶面板40R。被二向色镜36G反射的绿色分量光通过聚光透镜38G，并且进入液晶面板40G。被反射镜37A反射的蓝色分量光进一步通过聚光透镜33，并且被反射镜37B沿垂直于入射方向的方向反射，并且通过聚光透镜38B，然后进入液晶面板40B。
根据彩色图像信号，液晶面板40R、40G和40B分别旋转R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)的彩色分量光的偏振方向，并且射出彩色分量光。当从各液晶面板40R、40G和40B射出的各彩色分量光的强度被偏光板(未显示)调制以后，各彩色分量光从对应于各色彩的不同侧面入射到用于色彩合成的二向色棱镜42，红色分量光、绿色分量光和蓝色分量光被合成，并且合成光通过投影透镜43被投影到屏幕31上。
第一和第三透镜阵列131和231的各透镜元件的形状与液晶面板40的形状相似，并且它们具有图像共轭关系。因此，如图2和5所示，通过第一和第三透镜阵列131和231的各透镜元件的各小光束被放大和投影在液晶面板40上，并且在其上叠加。所以，即使在光束进入第一和第三透镜阵列131和231之前光束断面中的强度分布不均匀，在液晶面板40上的亮度分布变得足够均匀。
接下来，参考图1～8C，下面将详细地说明根据实施例的作为照明光学系统的第一光学系统1的功能。图7A和7B是显示当光束L1和L2通过PS分离/合成部件16、偏振旋转部件17和偏光板18时，光束L1和光束L2的偏振方向的示意图。图8A～8B是根据实施例的照明光学系统中预定位置的发射光谱图。在图1、3、5、7A和7B中，P偏振的偏振方向(在纸平面内)用“双箭头”表示，S偏振的偏振方向(垂直于纸平面)用“·”表示。
首先，参考图1～6，将说明从第一光源11至PS分离/合成部件16的作用，以及从第二光源21至PS分离/合成部件16的作用。
第一光源11发射出大致平行于光轴10的光束L1。光束L1是包括P偏振分量和S偏振分量的PS偏振态混合光束。光束L1进入第一蝇眼透镜部分13的第一透镜阵列131，并且被各透镜元件分成多条小光束(参见图2)。各小光束通过第二透镜阵列132中的各相应透镜元件的中心的附近，并且小光束进入偏振变换部件14同时被会聚。在偏振变换部件14中，从光束L1分离出的几乎所有小光束(它是PS偏振态混合光束)转变成P偏振光束，并且该P偏振光束进入聚光透镜15中并被发散(参见图3)。已经通过偏振变换部件14的P偏振光束经过聚光透镜15后变成大致远心光束(telecentric luminousflux)，以进入PS分离/合成部件16。
从第二光源21发射出的光束L2进入准直透镜22并被发散。准直透镜22将光束L2变成大致平行于光轴20的光束，并且射出光束L2。光束L2是PS偏振态混合光束，包括P偏振分量和S偏振分量。光束L2进入蝇眼透镜部分23的第三透镜阵列231，并被各透镜元件分成多条小光束(参见图5)。各小光束通过第四透镜阵列232中各相应透镜元件的中心附近，然后进入偏振变换部件24并被会聚。在偏振变换部件24中，从光束L2分出的几乎所有小光束(它是PS偏振态混合光束)转变成S偏振光束，然后S偏振光束进入聚光透镜25中并被发散(参见图6)。已经通过偏振变换部件24的P偏振光束被聚光透镜25变成大致远心光束，以进入PS分离/合成部件16。
接下来，参考图7A～8C，下面详细地说明PS分离/合成部件16、偏振旋转部件17和偏光板18的作用，它们是本发明的特征部分。
图7A示出了光束L1的偏振方向，和图7B示出了光束L2的偏振方向。
如图7A所示，进入PS分离/合成部件16的光束L1的几乎全部小光束是P偏振光束。光束L1中的P偏振光束几乎没有任何损失地穿过分离/合成面16A，并且从PS分离/合成部件16射出P偏振光束以进入偏振旋转部件17。进入PS分离/合成部件16的光束L1中的少许S偏振光束被分离/合成面16A反射到与入射方向垂直的方向(即，垂直于光轴10的方向)上，从而被除去。在偏振旋转部件17中，仅仅对应于从620nm至700nm波段范围的红色分量光的偏振方向选择性地旋转90度。因此，从偏振旋转部件17射出的光束L1是PS偏振态混合光束，它包括红色分量光的S偏振光束和除红色之外的彩色分量光的P偏振光束。然而，S偏振光束被偏光板18阻挡，因此通过偏光板18后的光束L1是P偏振光束。换句话说，从第一光源11发射出的光束L1变成除去了红色分量光的P偏振光束。
另一方面，如图7B所示，进入PS分离/合成部件16的光束L2的几乎全部小光束是S偏振光束。光束L2中的S偏振光束几乎没有任何损失地被分离/合成面16A反射到与入射方向垂直的方向(即，平行于光轴10的方向)上，并且从PS分离/合成部件16射出，以进入偏振旋转部件17。进入PS分离/合成部件16的光束L2中的少许P偏振光束穿过分离/合成面16A，从而被除去。在偏振旋转部件17中，对应于从620nm至700nm波段范围的红色分量光的偏振方向旋转90度。因此，从偏振旋转部件17射出的光束L2中的几乎全部小光束变成P偏振光束，并且该P偏振光束穿过设置在偏振旋转部件17后面的偏光板18。换句话说，从第二光源21发射出的光束L2变成红色分量光性质的P偏振光束。
在图8A～8C显示的发射光谱中，水平轴代表波长，垂直轴代表发光强度。图8A示出了来自第一光源11的光束L1的波长谱，图8B示出了来自第二光源21的光束L2的波长谱，和图8C示出了穿过偏光板18之后的、包括光束L1和光束L2的混合光束(L1+L2)的波长谱。在图8A～8C中，波段W的范围对应于620nm至700nm的范围。
如图8A所示，在来自第一光源11的光束L1的波长谱中，红光波段W的发光强度较低，因此红色分量光不足。另一方面，来自第二光源21的光束L2的波长谱是红色分量光，其具有在红光波段W内的发光峰，如图8B所示。另外，如图8C所示，穿过偏光板18之后的、包括光束L1和光束L2的混合光束(L1+L2)的波长谱具有下列形状的波长谱，即图8A中的红光波段W内的波长谱被图8B中的红光波段W内的波长谱所取代。换句话说，来自第一光源11的光束L1中的强度不足的红色分量光被来自第二光源21的具有足够强度的光束L2所取代，以便保持R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)的彩色分量光间的良好强度平衡。
如上所述，在根据本实施例的照明光学系统和液晶显示装置中，第一光源11(它是超高压汞灯)中对应于红色分量光的红光波段W内的波长谱被第二光源21(它是红光LED)的红光波段W内的波长谱取代，因此在不减少G(绿色)和B(蓝色)分量光的条件下可以获得R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)的彩色分量光间的优越强度平衡，并且可以表现出优越的色彩表现性能。
更具体地说，当在PS分离/合成部件16中混合光束L1和光束L2之后，光束L1中的特定波段的偏振方向和光束L2中的特定波段的偏振方向被同一偏振旋转部件17旋转，因此，从光束L1中去除的波段和用来取代所去除波段的光束L2的波段彼此完全重合。因此，可以准确和方便地进行对所需波段的替换。
而且，由于红光波段W可以具有足够强度的峰，因此可以将580nm左右波段范围内的黄光分量或橙光分量的峰对色彩表现性能的不利影响降低到实际很小的程度。
本发明参考实施例进行了说明，但是本发明不局限于上述实施例，而是可以进行各种地修改。例如，在本实施例中，蝇眼透镜部分13和23以及偏振变换部件14和24分别依次设置在距第一和第二光源11和21的地方，但是该顺序不是具体限定的。它们可以按照相反的顺序设置，或者可以移除蝇眼透镜部分13和23。
而且，在实施例中，液晶面板40R、40G和40B用作空间调制器，但是本发明不局限于此。可以采用一种器件，其中像素由微透镜例如DMD(digitalmicromirror device，数字微镜部件)制成。
而且，在本实施例中，偏振旋转部件17是具有波长选择性的偏振旋转部件，其中入射光束中仅仅上述特定波段(红光波段W)内的光的偏振方向旋转90度，而其它波段内的光穿过时偏振方向不会旋转，并且从偏振旋转部件17射出的线性偏振光束中仅仅在第一偏振方向(P偏振方向)上的线偏振光束穿过偏光板18。然而，相反地，如图9A和9B所示，偏振旋转部件170可以是具有下列波长选择性的偏振旋转部件，使得入射光束中的上述波段(红光波段W)内的光穿过时偏振方向不发生旋转，而仅仅入射光束中的其它波段内的光的偏振方向旋转90度，以及从偏振旋转部件170射出的线性偏振光束中仅仅在第二偏振方向(S偏振方向)上的线偏振光束可以穿过偏光板180。因此，偏光板180的输出不仅可以是在第一偏振方向(P偏振方向)上的线偏振光束，而且可以是在第二偏振方向(S偏振方向)上的线偏振光束，它们均可以用作照明光线。
而且，在本实施例中，特定波段是红光波段W，和将具有不足红色分量光的超高压汞灯用作第一光源11，以及包括许多红色分量光的红光LED用作第二光源21，因此执行对红色分量光的替换，但是本发明不限于此，可以进行任何其它彩色分量光的替换。例如，当具有不足蓝色分量光的灯用作第一光源时，蓝光LED等可以用作第二光源21。在这种情况下，偏振旋转部件17的选择波长范围可以设定为所需范围(在该情况下，是对应于蓝光波段的范围)。第一光源11和第二光源21的每一个可以是任何其它类型的光源。而且，偏振变换部件14和24可以是简单的偏振滤光片。
而且，上述特定波段除了是红光波段之外，可以包括580nm左右波段内的黄光分量或橙光分量的峰值波段的一部分或全部，和光束L1中的上述红光波段可以被光束L2所取代，并且可以去除黄色分量光或橙色分量光的波段的一部分或全部内的光线。
如上所述，根据本发明的照明光学系统或图像显示装置包括第一光源；第二光源，其发射光谱不同于第一光源的发射光谱；和替代光学系统，用来自第二光源的光束取代来自第一光源的光束中的特定波段内的光，因此来自第一光源的光束中的光强度弱的特定波段内的光可以被来自第二光源的具有足够强度的光束所取代。因此，在不会使照明度低于需要照明度的条件下可以保持白色平衡，并且可以表现出优越的色彩表现性能。
而且，在根据本发明的照明光学系统中，来自第二光源的光束具有在特定波段内的强度峰，因此在维持更高照明度的同时可以表现出优越的色彩表现性能。
在根据本发明的照明光学系统中，替代光学系统包括第一偏振变换部件，将来自第一光源的光束转变为在第一偏振方向上起偏的第一线偏振光束；第二偏振变换部件，将来自第二光源的光束转变为在与第一偏振方向垂直的第二偏振方向上起偏的第二线偏振光束；光合成部件，将第一线偏振光束和第二线偏振光束合成；偏振旋转部件，将从第一偏振变换部件射出的光束中仅仅特定波段内的光的偏振方向从第一偏振方向选择性地旋转至第二偏振方向，并且将从第二偏振变换部件射出的光束的偏振方向从第二偏振方向旋转至第一偏振方向；以及起偏振部件，仅允许从偏振旋转部件射出的光束中的在第一偏振方向上的线偏振光束通过，因此从光束中去除的波段和用来取代所去除波段的光束的波段彼此完全重合。因此，可以方便和准确地进行所需波段的替换，并且在不损失来自第一光源的光强度的条件下可以获得优越的色彩表现性能。
而且，在根据本发明的照明光学系统中，用来使光强度分布均匀的第一均匀化光学系统被包括在第一光源和替代光学系统之间，因此可以使最终得到的投影图像中的亮度分布更加均匀。
另外，在根据本发明的照明光学系统中，用来使光强度分布均匀的第二均匀化光学系统被包括在第二光源和替代光学系统之间，因此可以使最终得到的投影图像中的亮度分布更加均匀。
此外，在根据本发明的照明光学系统中，特定波段是红光波段，第二光源是展示红光波段内的光强度分布的发光二极管或红色激光器，因此当具有不足红色分量光的光源例如超高压汞灯等用作第一光源时，可以用第二光源中的红色分量光进行替换。具体地说，第二光源中的红光波段具有峰，因此即使包括了除R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)的彩色分量光例如黄色分量光、橙色分量光等，也可以表现出优越的色彩表现性能，不会受到多余分量光的不利影响。
根据本发明的对空间调制器照明的方法包括下列步骤从第一光源发射出光束；从第二光源发射出光束，该第二光源的发射光谱不同于第一光源的发射光谱；用来自第二光源的光束取代来自第一光源的光束中的特定波段内的光；以及在特定波段内的光被来自第二光源的光束取代的状态下，将来自第一光源的光束引导至空间调制器。从而，来自第一光源的光束中光强度弱的特定波段内的光可以被来自第二光源的具有足够强度的光束取代。因此，在不会将照明度降低到需要照明度之下的条件下可以保持白色平衡，并且可以表现出优越的色彩表现性能。
权利要求
1.一种照明光学系统，包括第一光源；第二光源，其具有不同于该第一光源发射光谱的发射光谱；和替代光学系统，用来自该第二光源的光束取代来自该第一光源的光束中的特定波段内的光。
2.根据权利要求1的照明光学系统，其中来自第二光源的光束中的该特定波段内的光的强度大于来自第一光源的光束中的该特定波段内的光的强度。
3.根据权利要求1的照明光学系统，其中来自第二光源的光束具有在特定波段内的强度峰。
4.根据权利要求1的照明光学系统，其中该替代光学系统包括光合成部件，合成和射出来自第一光源的、作为在第一偏振方向上起偏的第一线偏振光束而入射的光束和来自第二光源的、作为在第二偏振方向上起偏的第二线偏振光束而入射的光束，偏振旋转部件，仅仅将从光合成部件射出的光束中的该特定波段内的沿第一偏振方向起偏的光选择性地旋转至第二偏振方向，以及仅仅将从光合成部件射出的光束中的该特定波段内的沿第二偏振方向起偏的光选择性地旋转至第一偏振方向，以及起偏振部件，仅仅允许从偏振旋转部件射出的光束中的第一偏振方向上的线偏振光束通过。
5.根据权利要求4的照明光学系统，其中该替代光学系统还包括第一偏振装置，将从第一光源发射的随机偏振光束射出，成为在第一偏振方向上起偏的第一线偏振光束，和光合成部件，合成和射出从第一光源经由第一偏振装置后以第一线偏振光束入射的光束和来自第二光源作为在第二偏振方向上起偏的第二线偏振光束入射的光束。
6.根据权利要求1的照明光学系统，其中该替代光学系统包括光合成部件，合成和射出来自第一光源的、作为在第一偏振方向上起偏的第一线偏振光束入射的光束和来自第二光源的、作为在第二偏振方向上起偏的第二线偏振光束入射的光束，偏振旋转部件，仅仅将从光合成部件射出的光束中除该特定波段外的波段内的沿第一偏振方向起偏的光选择性地旋转至第二偏振方向，以及仅仅将从光合成部件射出的光束中除特定波段外的波段内的沿第二偏振方向起偏的光选择性地旋转至第一偏振方向，以及起偏振部件，仅仅允许从偏振旋转部件射出的光束中的第二偏振方向上的线偏振光束穿过。
7.根据权利要求6的照明光学系统，其中该替代光学系统还包括第一偏振装置，将从第一光源射出的随机偏振光束射出，成为在第一偏振方向上起偏的第一线偏振光束，和该光合成部件合成和射出从第一光源经由第一偏振装置后以第一线偏振光束入射的光束和来自第二光源的、作为在第二偏振方向上起偏的第二线偏振光束而入射的光束。
8.根据权利要求1的照明光学系统，其中该替代光学系统包括第一偏振变换部件，将来自第一光源的光束转变为在第一偏振方向上起偏的第一线偏振光束，第二偏振变换部件，将来自第二光源的光束转变为在垂直于第一偏振方向的第二偏振方向上起偏的第二线偏振光束，光合成部件，合成第一线偏振光束和第二线偏振光束，偏振旋转部件，仅仅将从第一偏振变换部件射出的光束中的特定波段内的光从第一偏振方向选择性地旋转至第二偏振方向，以及将从第二偏振变换部件射出的光束的偏振方向从第二偏振方向旋转至第一偏振方向，以及起偏振部件，仅仅允许从偏振旋转部件射出的光束中的在第一偏振方向上的线偏振光束通过。
9.根据权利要求1的照明光学系统，其中该替代光学系统包括第一偏振变换部件，将来自第一光源的光束转变为在第一偏振方向上起偏的第一线偏振光束，第二偏振变换部件，将来自第二光源的光束转变为在垂直于第一偏振方向的第二偏振方向上起偏的第二线偏振光束，光合成部件，合成第一线偏振光束和第二线偏振光束，偏振旋转部件，仅仅将从第一偏振变换部件射出的光束中除特定波段之外的波段内的光从第一偏振方向选择性地旋转至第二偏振方向，以及将从第二偏振变换部件射出的光束的偏振方向从第二偏振方向旋转至第一偏振方向，以及起偏振部件，仅仅允许从偏振旋转部件射出的光束中的在第二偏振方向上的线偏振光束通过。
10.根据权利要求1的照明光学系统，还包括第一均匀化光学系统，使得第一光源和替代光学系统之间的光强度分布均匀。
11.根据权利要求10的照明光学系统，其中该第一均匀化光学系统包括第一透镜阵列，包括二维排列的多个透镜元件，通过多个透镜元件将入射光束分成多条小光束，以射出多个小的光束，接着会聚多条小光束，和第二透镜阵列，包括二维排列的、与来自第一透镜阵列的多条小光束相对应的多个透镜元件，和将从第一透镜阵列的透镜元件入射的小光束朝着小光束相互叠加的方向射出。
12.根据权利要求1的照明光学系统，其特征在于，还包括第二均匀化光学系统，使得第二光源和替代光学系统之间的光强度分布均匀。
13.根据权利要求12的照明光学系统，其中该第二均匀化光学系统包括第三透镜阵列，包括二维排列的多个透镜元件，通过多个透镜元件将入射光束分成多条小光束，以射出多条小光束，接着会聚多条小光束，和第四透镜阵列，包括二维排列的、与来自第三透镜阵列的多条小光束相对应的多个透镜元件，和将从第三透镜阵列的透镜元件入射的小光束朝着小光束相互叠加的方向射出。
14.根据权利要求1的照明光学系统，其中来自第二光源的光束的中心轴与来自第一光源的光束的中心轴垂直。
15.根据权利要求1的照明光学系统，其中该特定波段是红光波段，和第二光源是具有红光波段内的峰的发光二极管或红色激光器。
16.一种图像显示装置，包括照明光学系统，空间调制器件，使用从照明光学系统射出的光束作为照明光，和以像素点为基础进行选择性的空间调制，以形成光学图像，其中该照明光学系统包括第一光源，第二光源，具有不同于第一光源的波长谱的发射光谱，和替代光学系统，用来自第二光源的光束取代来自第一光源的光束中特定波段内的光。
17.根据权利要求16的图像显示装置，其特征在于，还包括投影透镜，将从空间调制器射出的光投影在屏幕上。
18.根据权利要求16的图像显示装置，其中该空间调制器是液晶显示器。
19.一种对空间调制器照明的方法，该空间调制器进行以像素为基础的选择性空间调制以形成光学图像，该方法包括下列步骤从第一光源发射出光束；从第二光源发射出光束，该第二光源具有不同于第一光源发射光谱的发射光谱；用从第二光源射出的光束替换来自第一光源的光束中的特定波段内的光；和在该特定波段内的光被来自第二光源的光束替换的状态下，将来自第一光源的光束导引至空间调制器。
全文摘要
一种照明光学系统，其具有优良的色彩表现性能同时确保足够的照明度，还提供包括该照明光学系统的图像显示装置，和由照明光学系统照明的空间调制器，以及对空间调制器照明的方法。包括第一光源(11)；第二光源(21)，具有不同于第一光源(11)发射光谱的发射光谱；和替代光学系统，用来自第二光源的光束(L2)替换来自第一光源(11)的光束(L1)的特定波段内的光，和来自第一光源(11)的光束(L1)中光强度弱的特定波段内的光被来自第二光源(21)的具有足够强度的光束(L2)替换。因此，在不会将照明度降低到需要照明度以下时可以保持白色平衡，可以表现出优良的色彩表现性能。
文档编号G02B27/28GK1522384SQ0380059
公开日2004年8月18日 申请日期2003年5月14日 优先权日2002年5月14日
发明者富田英夫, 匡男, 胜间田匡男, 山本英树, 树 申请人:索尼公司