专利名称：偏振变换系统、照明系统以及投影仪的制作方法
技术领域：
本发明是有关把非偏振光变换为特定偏振光的偏振变换系统以及采用偏振变换系统的光学系统。
液晶板被广泛应用于直视显示装置和投影仪中。例如，在一个投影仪中，液晶板(液晶光阀)用于依据图象信息调制照明光，并将调制光投射到屏幕上，从而显示图象。一般地，位于通过调制特定线偏振光显示图象，所以必须在液晶板的光入射面提供一个偏振片，以便将发自光源的非偏振光变换为所需的线偏振光，然而，由于偏振片的吸收导致一半或更多的光损失。为了提高照明系统相对于液晶板的光利用率，通常利用光学偏振变换系统将来自光源的光变换为一种类型的线偏振光。
日本专利公报8-304739号公开了一种采用偏振变换系统的照明系统，这种偏振变换系统包括一个由多个偏振分光镜和多个反射镜构成的偏振分光棱镜阵列，和设置在偏振分光棱镜阵列出射面的λ/2延迟膜。在这个偏振变换系统中，偏振分光棱镜阵列用于把非偏振光分成两种类型的线偏振光，其中一个线偏振光的偏振面与另一个线偏振光的偏振面垂直，然后利用λ/2延迟膜调整这些线偏振光束之一的偏振方向与另一线偏振光束的偏振方向一致，从而光被变换为基本上一种类型的线偏振光。
现有偏振变换系统存在的问题是为了将非偏振光变为两种类型的线偏振光，需要使用包括多个偏振分光镜和反射镜的复杂的偏振分光棱镜阵列。
因此本发明的目的是提供一种结构比传统的偏振变换系统的结构简单的偏振变换系统，和使用此偏振变换系统的光学系统。
通过将非偏振光变换为特定偏振光的偏振变换系统实现至少部分上述和其它相关的目的。偏振变换系统包括偏振光选择性反射镜，中继光学系统和偏振光反射镜。偏振光选择反射镜把入射的非偏振光分为第一和第二类型的偏振光，并透射第一类型的偏振光，反射第二类型的偏振光；中继光学系统用于将入射光束中继到偏振光选择反射镜；偏振光反射镜位于被偏振光选择反射镜反射的反射光光路上，它把该反射光束反射回偏振光选择反射镜，同时把第二类型的偏振光变换为第一类型的偏振光。
根据上述结构，可以获得结构比前面所述的结构更简单的偏振变换系统。
根据该偏振变换系统，最好中继光学系统包括具有多个第一小透镜的第一透镜阵列，把入射光束分成多个部分光束；和中继透镜阵列，位于第一透镜阵列的光出射面，具有对应于多个第一小透镜的多个中继透镜。第二透镜阵列设置在偏振光选择反射镜的入射面附近，以便从第二小透镜出射并被偏振光选择反射镜反射的每个反射的部分光束被反射回同一第二小透镜，每个部分光束在被偏振光选择反射镜反射之前从这里出射。多个中继透镜中的每一个位于每个特定的位置上，此位置在相应的第一小透镜的出射方焦点和相应的第二小透镜的入射方焦点附近，并且相应的第一小透镜和相应的第二小透镜位于中继透镜的共轭点上。偏振光反射镜包括多个偏振光反射部分和多个第三小透镜；多个偏振光反射部分位于从多个第二小透镜出射的多个反射部分光束的光路上，每个反射相应的反射部分光束，并把相应的反射部分光束内的第二类型的偏振光变换为第一类型的偏振光；多个第三小透镜把被偏振光反射部分反射的反射部分光束传播回到同一第二小透镜，反射部分光束在被偏振光反射部分反射之前从这里出射。
这样采用第一透镜阵列把入射光分成多个部分光束并汇聚光束，使得能够保持部分光束很小，因此也能够把中继透镜的尺寸相应地做得很小。而且可以利用中继透镜之间的空间设置偏振变换系统。另外，通过放置偏振光反射部分使得它们将来自第二透镜阵列的入射光反射回到第二透镜阵列，这样保证入射到偏振变换系统的光束能够变换为一种类型的偏振光并发射出去而对入射光束的尺寸几乎没有任何变化。
而且，中继光学系统包括中继透镜阵列，这样使得能够把来自第一透镜阵列的部分光束也投射到第二透镜阵列，从而提高了光利用率。
这里，最好多个偏振光反射部分中的每一个放置在相应的第二小透镜的焦点附近，而且多个第三小透镜中的每一个的焦距基本上与相应的第二小棱镜的焦距相等，并将每一个第三小透镜放置在相应的偏振光反射部分附近。
这样就进一步提高了光利用率。
根据上述结构，最好第一和第二类型的偏振光是偏振面相互正交的第一和第二类型的线偏振光，而且多个偏振光反射部分中的每一个包括反射镜和位于第三小透镜和反射镜之间的λ/4延迟膜。
几乎最好是第一和第二类型的偏振光是圆偏振旋转方向相反的第一和第二类型的圆偏振光，而且多个偏振光反射部分是反射镜。
在这种结构中，偏振变换系统可能还包括一个λ/4延迟膜，此膜将把偏振光选择反射镜透射来的第一类型圆偏振光转变为预定类型的线偏振光。
在每种情况下，入射的非偏振光能够被变换为一种类型的偏振光。
本发明还涉及用于照明指定照明区的照明系统。照明系统包括偏振变换系统，它依据本发明的上述任何一种偏振变换系统，和一个向偏振变换系统发射光束的光源。
因为照明系统采用上述本发明的偏振变换系统，当采用使用特定偏振光的电光装置诸如液晶板时，能够提高光利用率。
根据照明系统，最好照明系统进一步包括一个重叠透镜，它将来自偏振变换系统的光束分割成多个部分光束并把多个部分光束叠加到照明区。
这种结构提供亮度和色彩均匀的照明光。
本发明进一步涉及用于显示投影图象的第一投影仪。第一投影仪包括依据上述任何一种照明系统的照明系统，将发自照明系统的光进行调制的电光装置，和将这样被电光装置调制的光投射到投影面的投影光学系统。
因为依据本发明的第一实施例的照明系统采用本发明的偏振变换系统，所以能够获得亮度均匀的投影图象。
依据第一投影仪，最好被偏振光选择反射镜透射的透射光束以及被偏振光选择反射镜反射并且被偏振光反射镜反射以便再一次入射到偏振光选择反射镜上的反射光束在偏振光选择反射镜上以基本上与投影光学系统的倾斜投影方向一致的方向上混合。
依据这种结构，使得从偏振变换系统出射的光有效地落到投影系统上，提高投影图象的亮度。
在这种结构里，最好透射光束在和投影光学系统的倾斜投影方向基本上一致的方向上倾斜。
透射光束通常比反射光束具有更高的强度。依据上述结构，能够使得透射光束有效地落到投影系统上，进一步提高了投影图象的亮度。
本发明还涉及用于显示投影图象的第二投影仪，第二投影仪包括依据上述照明系统中任何一种的照明系统；彩色分光镜，把照明系统发射的光分成多个色光分量；多个电光装置，每一个调制由彩色分光镜分离出的每种色光分量；色光混合器，用来混合被电光装置如此调制的每个色光分量；和投影光学系统，将色光混合器如此混合的光投射到投影面。
由于依据本发明的第二实施例的照明系统采用本发明的偏振变换系统，因此能够获得具有均匀亮度的投影图象。
依据第二投影仪，最好是假定x、y、z是三个相互正交的方向轴，这里z是平行于从照明系统出射的光的光轴的方向，彩色分光镜有一个基本上与平面xz垂直，并与平面yz形成指定的角度的色光分离面，而由偏振光选择反射镜透射的透射光束和由偏振光选择反射镜反射并且还被偏振光反射镜反射以便再次入射到偏振光选择反射镜上的反射光束在偏振光选择反射镜上沿基本上和y方向一致的方向混合。
彩色分光镜的色光分离特性与光入射角高度相关，而且色光分离方向上的相关性比垂直方向高。依据上述系统结构，透射和反射光束排列(混合)的方向基本上与彩色分光镜的色光分离面上发生色光分离的方向垂直。这样，能够使得色光分离面上的入射光束的发散角(即角度扩散程度)在入射角相关性高的色光分离方向上相对小。这样降低了来自彩色分光镜系统的每种色光分量的色彩偏差，产生亮度均匀的投影图象。
几乎最优地，假定x、y、z为三个相互正交的方向轴，这里z是与从照明系统出射的光的光轴平行的方向，色光混合器具有基本上与平面xz垂直的色光混合面，并与平面yz形成指定角度，而且由偏振光选择反射镜透射的透射光束和由偏振光选择反射镜反射而且还被偏振光反射镜反射以便再次入射到偏振光选择反射镜上的反射光束沿基本上与y相同方向的方向在偏振光选择反射镜上混合。
如同在彩色分光镜中一样，色光混合器的色光混合特性与入射角具有高的相关性，在色光混合方向上的相关性比垂直方向上更高。依据上述系统结构，透射和反射光束排列(混合)的方向基本上与色光分量在色光混合器的色光混合面上被混合的方向垂直。因此，也可以所得色光混合面上的入射光束的发散角(角度扩散程度)在色光混合方向(在该方向上入射角相关性高)上相对小以便降低来自彩色分光镜的每个色光分量的色彩偏差，从而产生均匀亮度的投影图象。
本发明进一步涉及用于显示投影图象的第三投影仪。第三投影仪包括根据上述照明系统中的任何一个的照明系统；反射型电光装置，依据接收到的图象信息调制入射光同时反射调制光；投影光学系统，将接收到来自反射型电光装置的光投射到投影面上；偏振分光镜，将从照明系统入射到反射型电光装置的第一偏振光和从反射型电光装置入射到投影光学系统的第二偏振光根据它们之间的偏振特性差异空间上分成不同的方向。
根据第三实施例的照明系统采用本发明的偏振变换系统，产生均匀亮度的投影图象。
依据第三投影仪，最优地假定x、y、z为三个相互正交的方向轴，这里z是与从照明系统出射的光的光轴平行的方向，偏振分光镜的偏振光分离面基本上与平面xz垂直，并与平面yz成指定角度，而被偏振光选择反射镜透射的透射光束和被偏振光选择反射镜反射并且还被偏振光反射镜反射以便再次入射到偏振光选择反射镜的反射光束在基本上与x方向相同的方向上在偏振光选择反射镜上混合。
偏振分光镜的偏振分光特性与光入射角具有高的相关性。偏振分光面的光学特性可用来减小偏振分光方向上的所述相关度。然而，因为与偏振分光方向成直角的方向上的相关程度是由偏振分光面与入射到其上的光束之间的几何关系确定的，所以实现这种减小是很困难的。当入射到偏振分光面的光在z轴方向上相对于yz平面有一倾角时，产生明显的偏振轴旋转，降低关于电光装置的光利用率。通过采用本发明的上述结构，透射和反射光束排列(混合)的方向基本上与偏振光在偏振分光镜中被分离的方向相同。这意味着通过提高偏振分光面的光学特性，可以容易地降低对入射角的相关性，从而能够防止光利用率的降低。这样使得能够获得对比度更高、更明亮的投影图象。
本发明还涉及用于显示投影图象的第四投影仪。第四投影仪包括依据上述照明系统中任何一种的照明系统；包括多个象素的电光装置，每个象素包括对应于多个色光分量中的每一个的多个子象素，和会聚光学系统，包括多个对应于每个象素的小会聚元件。电光装置响应给定的图象信息调制每个象素处的光。第四投影仪还包括一个彩色分光镜，把从照明系统出射的光分成多个色光分量，还将以各不相同的方向传播多个色光分量照射相应的多个子象素上；和投影光学系统，将经电光装置如此调制的各个色光分量投射到投影面上。
依据第四实施例的照明系统采用本发明的偏振变换系统，提供均匀亮度的投影图象。
根据第四投影仪，最优地，假定x、y、z为三个相互正交的方向轴，这里z是与从照明系统出射的光的光轴平行的方向，彩色分光镜具有多个色光分离面，用于有选择性地把光分成多个基本上与平面xz垂直并与平面yz成不同指定角度的色光，而且被偏振光选择反射镜透射的透射光束与被偏振光选择反射镜反射并且还被偏振光反射镜反射以便再次并入射到偏振光选择反射镜的反射光以基本上与y方向相同的方向上在偏振光选择反射镜上混合。
彩色分光镜的色光分离特性与光入射角具有高度相关性，而且这一相关性在色光分离方向上比在垂直方向上更高。依据上述系统结构，透射和反射光束排列(混合)的方向基本上与在彩色分光镜的色光分离面上发生色光分离的方向垂直。这样，可以使得色光分离面的入射光束的发散角(角度扩散程度)在色光色分离方向上相对小，在该方向上入射角相关性更高。通过降低来自彩色分光镜的每个色光分量的色彩偏差，产生均匀亮度的投影图象。
最好，被偏振光选择反射镜透射的透射光束和被偏振光选择反射镜反射并被偏振光反射镜反射以便再次入射到偏振光选择反射镜上的反射光在偏振光选择反射镜上、在与每个象素内包括的多个子象素的排列方向垂直的方向上混合。
在这样的电光装置中，子象素是细长形状。因此，除非每个色光分量的光束被小会聚元件紧密聚焦并精确地入射到每个相应的象素，否则，这些色光分量也将入射到邻近的非相应的子象素上，降低投影图象的质量。光束发散角与光束的会聚特性呈反比关系，这意味着大发散角(也就是说平行性差)的光束不能够会聚成一个小且紧密聚焦的光束。利用根据本发明的上述结构，透射和反射光束排列(混合)的方向基本上与象素的子象素的排列方向(沿着子象素的长边方向)垂直。通过利用特定形状的子象素，能够使得每个色光分量的光束只入射到相应的子象素上，而不必把光束会聚成比需要的更小的光束。结果获得具有高亮度和对比度的高质量投影图象。
通过下面参考附图对最佳实施例的详细描述，本发明的这些和其他目的、特征、方面和优点将变得更清楚。
图1是示出本发明的偏振变换系统的一般结构的主要部件的侧视图；图2是第一透镜阵列50的透射图；图3(A)和3(B)是示出第二透镜阵列80、中继透镜阵列60和偏振光反射镜阵列70是怎样关联的前视图；图4(A)至4(C)示出偏振变换系统30的变型；图5(A)至5(C)示出偏振变换系统30的变型；图6示出一种结构，其中第一小透镜52与中继透镜62之间的光学距离L1设置成是中继透镜62与第二小透镜82之间光学距离L2的二倍；图7是根据本发明的另一种偏振变换系统的一般结构的主要部件的侧视图；图8是利用本发明偏振变换系统的一种照明系统的一般结构的主要部件的侧视图；图9是利用本发明照明系统的一种投影仪的一般结构的主要部件的侧视图；图10是利用本发明照明系统的一种投影仪的一般结构的主要部件的平面图；图11(A)和11(B)是关于从照明系统100传输至第一分光镜202并入射到分光棱镜320的光的说明图12示出第一分光镜202的色光分离特性；图13是利用本发明照明系统的另一种投影仪的一般结构的主要部件的平面图；图14是关于入射在偏振分光棱镜420上的光的说明图；图15是利用本发明照明系统的另一种投影仪的一般结构的主要部件的平面图；图16(A)和16(B)是单板型彩色液晶光阀520的一个象素结构的放大图；现在将参考附图描述本发明的实施例。在下面的每个实施例中，除非特别说明，否则光传播方向设定为沿着z轴(平行于光轴的方向)，而且当观察者对着光传播方向时，他的十二点钟方向取作y轴(垂直方向)，而他的三点钟方向取作x轴(水平方向)。A.第一实施例图1是示出本发明的偏振变换系统的主要部件的一般结构的侧视图。偏振变换系统30包括第一透镜阵列50、中继透镜阵列60、偏振光反射镜阵列70、第二透镜阵列80和偏振光选择反射板90。中继透镜阵列60和偏振光反射镜阵列70形成为一个单元。系统(偏振变换系统)光轴30LC设置成平行于z轴。
图2是第一透镜阵列50的透射图。第一透镜阵列50设置成平凸第一小透镜52的M行、N列的阵列，具有基本上呈长方形的外形。第一透镜阵列设置成平行于xy平面。在图2所示的例子中，M＝4而且N＝4。图1中示出的第二透镜阵列80也设置成平凸第二小透镜82的M行、N列的阵列，第二小透镜82对应于第一透镜阵列50的第一小透镜52。第二透镜阵列80设置成基本上平行于xy平面，使得其中的系统光轴80LC基本上与系统光轴相重合。第一透镜阵列50设置成其中的系统光轴50LC设置成在+y方向偏离系统光轴30LC的量等于第一小透镜52在y方向上的宽度DL的一半。第一透镜阵列50和第二透镜阵列80的小透镜的长方形外形不是限制性的，而是可以是例如六角形。希望小透镜的形状能够使得透镜彼此紧密排列。同时，第一小透镜52不必紧密设置在一起。然而，从光利用率角度看，最好透镜紧密设置在一起。这些观点也适用于第二透镜阵列80。
偏振光选择反射板90粘合在第二透镜阵列80的出射面上。关于偏振光选择反射板90，可以使用反射型偏振板，该偏振板透射两个偏振面彼此垂直的线偏振光分量之一，并反射另一个线偏振光分量。例如，由3M公司制造的RDF-C可以用作反射型偏振板。在该第一实施例中，使用透射s偏振光分量并反射p偏振光分量的反射型偏振板。偏振光选择反射板90可以与第二透镜阵列80分开，但是为了光利用率起见，最好偏振光选择反射板90粘合在第二透镜阵列80的出射面上。
中继透镜阵列60包括设置成M行、N列阵列的双凸中继透镜62。每个中继透镜62位于连接第一小透镜52的中心和相应的第二小透镜82的中心的中心轴线32LC的光学中点上。
偏振光反射镜阵列70包括设置成M行、N列阵列的多个偏振光反射部分72。每个偏振光反射部分72包括平凸第三小透镜74、粘合在第三小透镜76的出射平面上的λ/4延迟膜76、以及粘合在λ/4延迟膜76上的反射镜78。每个偏振光反射部分72设置在一定角度上使得从反射镜78的中心通过第三小透镜74的中心的垂线(轴线)72LC也通过第二小透镜82的中心。而且，每个中继透镜62的中心62C和每个反射镜78的中心72C沿着y轴相对于第二小透镜82的轴82LC对称设置。如果改进第三小透镜74的透镜特性，偏振光反射部分72可以设置成平行于xy平面，而不是成一定角度。这将在后面解释。
图3(A)和3(B)是示出第二透镜阵列80、中继透镜阵列60和偏振光反射镜阵列70是怎样关联的前视图；如图3(B)所示，中继透镜阵列60和偏振光反射镜阵列70设置成使得偏振光反射部分72和中继透镜62在y方向上交替出现。对于每对中继透镜62和在y方向上邻近的偏振光反射部分72，具有一个第二小透镜82，如图3(A)所示。因此，中继透镜62和偏振光反射部分72每个在x方向上与第二小透镜82尺寸大致相同，而在y方向上大约是第二小透镜82尺寸的一半。
如图1所示，第一小透镜52与中继透镜62之间的距离表示为L1，而中继透镜62与第二小透镜82之间的距离表示为L2。第一小透镜52的焦距f1设置成等于距离L1，而第二小透镜的焦距f2设置成等于距离L2。虽然不是必须要求L1等于L2，但是在该实施例中它们相等。中继透镜62的焦距fr设置成使得第一小透镜52和第二小透镜82的位置是中继透镜62的共轭点。即，fr＝(L1×L2)/(L1+L2)。在该实施例中，因为L1＝L2，fr＝L1×1/2。第三小透镜74的焦距设置成等于第三小透镜74与第二小透镜82之间的距离L2。然而，可以根据如下因素确定第三小透镜74的焦距，即入射在偏振变换系统30上的光束的平行度、偏振变换系统30后方的其他光学元件的性能，等等。而且，如果入射光束的平行度高，也可以省略第三小透镜74。
中继透镜阵列60和偏振光反射镜阵列70可以如下方式制造。首先，通过一体模铸形成中继透镜62和第三小透镜74的阵列。然后，把λ/4延迟膜76上和反射镜78粘合在第三小透镜74的出射平面上。
基本上平行于通过小透镜52、62和82的中心轴32LC，入射在第一透镜阵列50上的非偏振光束，被分割成多个形状基本上与第一小透镜52相同的部分光束。小透镜52会聚每个部分光束在相应的中继透镜62上形成图象，而且光束从这里发散入射在第二小透镜82上。入射在第二小透镜82上的部分光束的形状基本上与入射在第一小透镜52上的形状相同(虽然围绕轴32LC旋转180度)。多个部分光束从第二透镜阵列80基本上平行于轴32LC出射。
从第二透镜阵列80，部分光束入射在偏振光选择反射板90上，而且每个分成s和p偏振光分量。s偏振光继续通过并出射，而每个p偏振的部分光束被反射回来入射在相应的偏振光反射部分72上，在这里被反射镜78反射并再次通过第二透镜阵列80到达偏振光选择反射板90。
在这一过程中，当被反射镜78反射时部分光束两次通过λ/4延迟膜76。λ/4延迟膜76的偏振轴设置成与p偏振光成45度角。这样，在它们通过λ/4延迟膜76时，p偏振光变换为s偏振光，然后被偏振光选择反射板90透射。
如果入射到第一透镜阵列50的光束是平行于中心轴32LC的理想平行光束，那么可能不需要中继透镜62和第三小透镜74。然而，实现理想平行光束入射非常困难。当没有中继透镜62时，可能有一些来自第一小透镜52的光不能进入第二小透镜82，或者来自第二小透镜82的光不能进入第三小透镜74。这种情况是不希望的，因为这样降低了偏振变换系统30的光利用率。中继透镜62的焦距设置成使得第一小透镜52和第二小透镜82位于中继透镜62的共轭点上。而且，第三小透镜74的焦距设置成与第三小透镜74和第二小透镜82之间的距离L2相等。因此，即使入射到第一透镜阵列50的光束不平行于轴32LC，中继透镜62的光焦度使得能够增加通过第二小透镜82的光强度。而且，第三小透镜74的光焦度实际上使得所有被偏振光选择反射板90反射的光通过第二小透镜82，以便经过第二小透镜82返回到选择反射板90，从而提高了偏振变换系统30的光利用率。
基本上平行于小透镜52、62和82的中心轴32LC入射在第一透镜阵列50上的光束中，被偏振光选择反射板90透射的透射光TL沿着基本上平行于中心线32LC(在-y方向上倾斜)的方向出射。另一方面，被偏振光选择反射板90和偏振光反射镜阵列70反射之后被选择反射板90透射的RTL光(反射透射光)，在相对于中心线32LC(即在y方向上倾斜)与透射光TL对称相对的+y方向上出射。因而，包括在从偏振变换系统30出射光束中的光的角度扩散大于进入偏振变换系统30的光的角度扩散。因此当在光学装置中使用该偏振变换系统30时，希望设置其他光学系统时考虑这一角度扩散。
根据前面所述，偏振变换系统30能够有效地把入射的非偏振光变换为一种类型的线偏振光。而且，不需要用于传统结构中的复杂类型的偏振分光棱镜阵列。而是，偏振变换系统是一个简单系统，仅包括选择反射板90、λ/4延迟膜76和反射镜78。而且因为在该偏振变换系统30中，入射在第一透镜阵列50上的光束被分成多个部分光束，而且每个部分光束被会聚，因此中继透镜阵列60上的每个部分光束能够保持小尺寸，所以中继透镜62也可以设置成相应的小尺寸。而且，偏振光反射部分72可以设置在中继透镜62之间的空间。具体地说，中继透镜62和相关的偏振光反射部分72的尺寸可以设置成与第二小透镜82的尺寸相同。因此可以通过增加中继透镜阵列60和第二透镜阵列80的分割数目把偏振变换系统30制成非常薄。而且，定位偏振光反射部分72以便能够把光反射回第二小透镜82，允许实现变换为线偏振光，而且与入射到偏振变换系统30的光束尺寸比较实际上不增加光束尺寸。
第一透镜阵列50、中继透镜阵列60和第二透镜阵列80构成要求保护的本发明的中继光学系统，而偏振光反射镜阵列70构成要求保护的本发明的偏振变换系统。
虽然参考这样的结构描述该实施例，该结构中从第二透镜阵列80出射的每个部分光束形成为平行光束，但这不是限制性的。即使系统不设计成确保从第二透镜阵列80出射的光束平行，偏振变换系统30仍然能够把入射的非偏振光变换为一种类型的线偏振光。然而在这种情况下，最好每个偏振光反射部分72位于这样的位置上，即在该位置上被偏振光选择反射板90反射并从第二透镜阵列80出射的每个部分光束被会聚。
可以下面描述的不同方法改进偏振变换系统30。图4(A)示出偏振光反射镜阵列70的一种变型。在该偏振光反射镜阵列70a中，偏振光反射部分72a包括第三小透镜74a，它们是离心透镜。在图1所示的偏振光反射部分72中，λ/4延迟膜76和反射镜78相对于系统光轴30LC倾斜。在图4(A)所示结构中，第三小透镜74a是离心透镜，所以□/4延迟膜76和反射镜78可以设置成基本上垂直于系统光轴30LC。该结构使得偏振光反射镜阵列70a比较容易制造。
图4(B)示出第一透镜阵列50的一种变型。第一透镜阵列50a包括多个第一离心小透镜52a，它们把基本上平行于系统光轴30LC的平行光通量分成多个部分光束，并把光束传播到第二透镜阵列80。代替第一透镜阵列50a，图4(A)中的第一透镜阵列50可以与设置在第一透镜阵列50的入射或出射端的反射棱镜一起使用。在这种情况下，入射在第一透镜阵列50上的基本上平行于系统光轴30LC的平行光通量也可以被分割以便入射在偏振变换系统的适当位置上。该结构简化了光源灯及用于偏振变换系统的其他光学元件的结构。
图4(C)中的结构使用图4(A)中的偏振光反射镜阵列70a和图4(B)中的第一透镜阵列50a。
图5(A)示出中继透镜阵列60的一种变型。中继透镜阵列60a包括多个中继透镜62a，它们是离心透镜。通过与图1比较，可以看到在图5(A)的情况下，第一透镜阵列50在y轴上的位置与第二透镜阵列80相同。来自第一小透镜52的部分光束到达相应的中继透镜62a，以便被传播至相应的第二小透镜82。为了利用平行于系统光轴30LC的光通量，如图4(B)所示，离心第一小透镜的第一透镜阵列50a可以用于图5(A)的结构中。或者，反射棱镜可以设置在第一透镜阵列50的入射或出射端。而且，可以使用图4(A)中的偏振光反射镜阵列70a代替偏振光反射镜阵列70，使得λ/4延迟膜76和反射镜78设置成垂直于系统光轴30LC。该结构简化了光源灯及用于偏振变换系统的其他光学元件的结构。
图5(B)示出第二透镜阵列80的一种变型。该第二透镜阵列80包括第二小透镜82a，它们是离心透镜。第一小透镜52、中继透镜62和第二小透镜82a设置成使得其中的中心轴32LC平行于系统光轴30LC。被偏振光选择反射板90反射的光被第二小透镜82a传播至偏振光反射部分72。在该结构中，可以使用图4(A)中的偏振光反射镜阵列70a代替偏振光反射镜阵列70，使得λ/4延迟膜76和反射镜78设置成垂直于系统光轴30LC。该结构简化了光源灯及用于偏振变换系统的其他光学元件的结构。
图5(C)示出第二透镜阵列80和中继透镜阵列60的一种变型。中继透镜阵列60b包括多个离心中继透镜62b，而第二透镜阵列80b包括多个离心第二小透镜82b。构成偏振光反射镜阵列70c的偏振光反射部分72每个都设置成其中的中心轴平行于系统光轴30LC。第一小透镜52、偏振光反射部分72和第二小透镜82b设置成其中的的中心轴34LC平行于系统光轴30LC。从第一小透镜52出射的部分光束被中继透镜阵列60b传播至相应的第二小透镜82b。被偏振光选择反射板90反射的光被第二小透镜82b传播回到偏振光反射部分72。作为用于把平行于系统光轴30LC的光束传播至偏振变换系统30的结构，可以在图5(C)的结构中使用图4(B)中的离心第一小透镜的第一透镜50a。或者，反射棱镜可以设置在第一透镜阵列50的入射端。
在上述变型30A至30F的每一个中，如同在偏振变换系统30中一样，利用比传统结构简单的结构，可以有效地把非偏振光变换为一种类型的线偏振光。
在图1的偏振变换系统30中，第一小透镜52与中继透镜62之间的光学距离L1设置成与中继透镜62与第二小透镜82之间的光学距离L2相等。然而，L1和L2可以设置成彼此不同。图6示出一种结构，其中距离L1的长度是距离L2的两倍。该结构也能够利用简单结构把非偏振光变换为一种类型的线偏振光。
第二小透镜82c的入射面上的部分光束宽度D2基本上等于第一小透镜52的入射面上的部分光束宽度D1的一半(L2/L1)。因此，只需每个第二小透镜82c足够大以便接收入射光束。通过小透镜52、62和82c与中心轴32LC成角度θL1入射的部分光束(用虚线表示)，沿与中心轴32LC成角度θL2方向从第二小透镜82c出射，角度θL2(≌θL1×L1/L2＝2θL1)大于角度θL1。因此，从第二小透镜82c出射的光束的角度扩散比入射在第一透镜阵列50上的光束的宽。因而，当在光学装置中使用这一偏振变换系统30时，希望在考虑这一角度扩散的基础上设置其他光学系统。这将在下面详细描述。
上面描述的每种变型也可以用于下面描述的其他实施例。B.第二实施例图7是根据本发明的另一种偏振变换系统的主要部件的一般结构的侧视图。该偏振变换系统30H具有结构不同的相应元件90h和70h，代替图1中偏振变换系统30的偏振光选择反射板90和偏振光反射镜阵列70。在该例子中，λ/4延迟膜92设置在偏振光选择反射板90h的出射面上。每个元件的位置排列与偏振变换系统30中的相同。
偏振光选择反射板90h透射一种类型的圆偏振光并反射另一种类型的圆偏振光。选择反射板90h可以由胆甾醇型液晶或手性近晶状液晶形成。通过控制晶体排列，可以给予这些晶体给定类型的折射率分布，以便实现上述功能。
偏振光反射镜阵列70h没有用于图1中结构的偏振光反射镜阵列70上的λ/4延迟膜76。而它是由包括第三小透镜74和反射镜78的多个偏振光反射部分72h形成。
基本上平行于通过小透镜52、62和82的中心轴32LC的非偏振光束，入射在第一透镜阵列50上，被第一透镜阵列50分割成多个部分光束。小透镜52会聚每个部分光束在相应的中继透镜62上形成图象，而且光束从这里发散出射并入射在第二小透镜82上。入射在每个第二小透镜上的部分光束的形状基本上与入射在第一小透镜52上的形状相同(虽然围绕轴32LC旋转180度)。多个部分光束从第二透镜阵列80基本上平行于轴32LC出射。
从第二透镜阵列80，部分光束入射在偏振光选择反射板90h上，部分光束分成瞬时针和逆时针圆偏振光分量。这些分量之一例如逆时针分量从板90h透射出去，而另一分量或瞬时针圆偏振光分量被反射回来入射在偏振光反射部分72h上，在这里被反射镜78反射并再次通过第二透镜阵列80到达偏振光选择反射板90h。
通过反射镜78反射把瞬时针偏振光变换为逆时针偏振光。以这种方式，被偏振光选择反射板90h和反射镜78反射的部分光束变换为逆时针圆偏振光束，从而允许它们透过板90h。
从偏振光选择反射板90h出射的逆时针圆偏振的部分光束入射在λ/4延迟膜92上，λ/4延迟膜92的偏振轴设置成与s偏振光成45度角。因此，入射在λ/4延迟膜92上的部分光束变换为s偏振光。
偏振光选择反射板90h也可以设计成透射瞬时针偏振光分量而反射逆时针偏振光分量。类似地，可以通过设置λ/4延迟膜92的偏振轴决定部分光束作为p或s线偏振光出射。
这样，偏振变换系统30H也能够利用比传统结构简单的结构，有效地把非偏振光变换为一种类型的线偏振光。
可以从偏振变换系统30H中省去λ/4延迟膜92。这样将能够把非偏振光变换为基本上一种类型的圆偏振光。也可以使用这样的结构，其中λ/4延迟膜设置在第一透镜阵列50的入射或出射面上。依靠偏振光选择反射板90h的光学特性，这样的结构将提高圆偏振光的分光效率。
可以用与第一实施例中描述的方式相同的方式改进第二实施例中元件的位置和结构。C.第三实施例图8是利用本发明偏振变换系统的一种照明系统的一般结构的主要部件的侧视图。照明系统100包括光源20、偏振变换系统30(如图1)和重叠光学系统40。
偏振变换系统30和重叠光学系统40设置成使得它们各自的光轴与系统光轴100LC相重合。这样，偏振变换系统30的光轴30LC与照明系统100的系统光轴100LC相重合。
光源20具有光源灯22和凹面镜24，凹面镜24把来自光源灯22的光反射成为基本上平行的光束。光源灯22可以是金属卤化物灯、水银灯或其他类似的灯。最好使用抛物面镜作为凹面镜24。可以使用椭球面或球面镜或类似的镜面代替抛物面镜。
光源20设置成使得它的光轴20LC平行于通过小透镜52、62和82的中心轴，并通过第一透镜阵列50的中心。这样使得光源20发射的平行光通量有效地入射在偏振变换系统30上。
重叠光学系统40包括第四透镜阵列110、第五透镜阵列120和重叠透镜130。象第一透镜阵列50一样(图2)，第四透镜阵列110设置成O行、P列平凸第一小透镜112的长方形阵列。在该实施例中，O＝5而且P＝4。当从z方向看时，第四小透镜112的外形基本上与照明区150的实际照明面积的形状一致。例如，假设照明区是液晶板，而且图象形成区的纵横比为4∶3，那么将使第四小透镜112的纵横比也为4∶3。
第五透镜阵列120排列成O行、P列平凸第五小透镜122的阵列，第五小透镜122设置成对应于第四小透镜112。
由偏振变换系统30发射的光束被第四透镜阵列110变换为多个部分光束。第四小透镜112把每个部分光束会聚在第五透镜阵列120附近。第五小透镜122传播部分光束以便调整每个光束的中心轴平行于系统光轴100LC。从第五透镜阵列120出射的部分光束被重叠透镜130传播到照明区150的基本上同一区域内。这样，照明区150被用基本上同一种类型的线偏振光均匀照明。为了简化说明，第五透镜阵列120和重叠透镜130表示为分离的元件。然而，利用两个元件形成一个单元是降低界面光损失的有效方法。通过使用离心透镜作为第五透镜阵列120，第五透镜阵列120也可以制成包括重叠透镜130的功能，在这种情况下可以省去重叠透镜130。
如上所述，本发明的照明系统100利用本发明的偏振变换系统30，利用比传统结构简单的结构，提供包括基本上同一种类型的线偏振光的照明光。
虽然上面的描述是关于利用偏振变换系统30的照明系统100，但是也可以使用第二实施例的偏振变换系统30H以及任何其他变型。
类似地，虽然上面的描述是参考照明系统100进行的，照明系统100利用重叠光学系统40以便均匀地照明照明区，但是也可以使用各种其他类型的重叠光学系统，例如玻璃棒透镜和空反射管。重叠光学系统可以省略。D.第四实施例图9是利用本发明照明系统的一种投影仪的一般结构的主要部件的侧视图。投影仪1000包括照明系统100A、液晶光阀300和投影光学系统340。为了实现向上倾斜投影(其中屏幕上的投影平面中心比液晶光阀300的系统光轴1000LC高)，投影光学系统340设置成使得它的光轴340LC位于系统光轴1000LC上方(+y方向)。
照明系统100A包括光源20和图5(B)中的偏振变换系统30E。光源20和偏振变换系统30E设置成它们各自的光轴20LC和30LC与系统光轴1000LC对准。与图5(B)所示的结构比较，偏振变换系统30E在垂直方向上的排列被翻转，使得已经直接通过选择反射板90的透射光TL沿着倾斜投影方向传播。
来自光源20的基本上平行于光源光轴20LC入射到偏振变换系统30E上的光束中，没有被选择反射板90反射的透射光TL沿着+y方向向上发射。另一方面，被选择反射板90和偏振光反射镜阵列70反射后的反射透射光RTL被选择反射板90透射，在基本上平行于偏振变换系统的光轴30LC的方向上出射。
被选择反射板90透射的光通常比反射光的强度大。因此，就提高光利用率而言，使得透射光而不是反射光照射在投影光学系统340上效率更高。
投影仪1000设置成使得透射光的方向靠近倾斜投影方向，以便提高投影光学系统340的光利用率。
总之，利用具有照明系统100A的投影仪1000，照明系统100A发射基本上具有一种偏振类型的线偏振光，提高了光利用率，特别是在液晶光阀诸如液晶光阀300情况下的光利用率。结果能够显示更明亮的图象。而且，偏振光选择反射板90设置成使得透射光的方向靠近倾斜投影方向，所述透射光的强度大于被偏振光选择反射板90反射的光的强度，这样有助于提高投影光学系统340的光利用率，产生更明亮的投影图象。
上面描述的各种照明系统也可以用作投影仪1000的照明系统。E.第五实施例图10是表示利用本发明照明系统的另一种投影仪的一般结构的主要部件的平面图。投影仪2000利用图8中所示的照明系统100。
投影仪2000包括照明系统100、彩色分光镜200、光导系统220、三个液晶光阀(液晶板)300R、300G、300B、正交分光棱镜320和投影光学系统340。在投影仪2000中，照明系统100发射的光被彩色分光镜200分成红色(R)、蓝色(B)和绿色(G)光。每种颜色的光通过相应的液晶光阀300R、300G和300B并根据图象信息被调制。然后经调制的彩色光被正交分光棱镜320混合，而且投影光学系统340把彩色图象显示在屏幕SC上。
照明系统100发射线偏振的(在本例中是s偏振光)照射液晶光阀300R、300G和300B，液晶光阀300R、300G和300B每个构成照明区150，照明光束中的偏振分量具有相同的偏振方向。通常液晶光阀300R、300G和300B的入射面设置有偏振片，使得来自照明系统100的线偏振光的偏振方向与偏振片的透光轴一致。这样使得来自照明系统100的光有效地用于照明。
彩色分光镜200包括分光镜202和204及反射镜208，反射镜208的作用是把来自照明系统100的光束分成红色、蓝色和绿色光。第一分光镜202透射包括在照明系统100发射的光中的红光分量，并反射蓝光和绿光分量。被第一分光镜202透射的红光被反射镜208反射，通过场镜232到达液晶光阀300R。场镜232把来自照明系统100的部分光束变换为平行于其中心轴的光束。场镜234和230设置在其他液晶光阀的前面，实现同样的功能。
被第一分光镜202反射的蓝色和绿色光分量中，绿光被第二分光镜204偏转，经过场镜234到达绿色液晶光阀300G。被第二分光镜204透射的蓝光分量从彩色分光镜200出射并入射在光导系统220上，在这里它通过入射透镜222、中继透镜226、反射镜224和228和出射透镜(场镜)230，并入射在蓝色液晶光阀300B上。蓝光使用光导系统220的原因是防止由于事实上蓝光的光路比其他色光的光路长而导致的光利用率降低。换句话说，目的是使得蓝光能够不变化地被透射到达出射透镜230。结果，液晶光阀300R、300G和300B每个接收强度分布大致相等的照明光束(严格地说，蓝光的强度分布相对于其他色光的强度分布翻转180度)。
液晶光阀300R、300G和300B作为光调制装置，用于根据接收到的图象信息(图象信号)调制每种色光。正交分光棱镜320作为色光混合镜，用于把三种颜色如此调制的光混合形成彩色图象。正交分光棱镜320包括由多层电介质膜堆形成的红光反射面321、和由多层电介质膜堆形成的蓝光反射面322、它们设置成正交形式。红光反射面321和蓝光反射面322实现将要投影的彩色图象的颜色混合。被正交分光棱镜320混合的光出射到投影光学系统340，投影光学系统340投影混合光在屏幕SC上显示彩色图象。投影光学系统340最好使用远心透镜。
利用具有照明系统100的投影仪2000(照明系统100发射基本上具有一种偏振类型的线偏振光)提高了光利用率，特别是在液晶光阀情况下的光利用率。
上面描述的各种照明系统也可以用作投影仪2000的照明系统。
图11(A)和11(B)是关于光从照明系统100到第一分光镜202、第二分光镜204和正交分光棱镜320的光的说明图。图11(A)和11(B)只集中描述第一分光镜202、红色液晶光阀300R和和正交分光棱镜320，为了方便表示为排列在一条直线上。如图11(A)和11(B)所示，第一分光镜202设置成基本上垂直于xz平面，并相对于yz平面成指定角度θM1。
图12示出第一分光镜202的色光分离特性。当光束以指定角度θM1入射在第一分光镜202上时，分光镜202只透射红光分量(大约600nm以上)而反射其他色光(蓝光和绿光)分量，如图12中的实线所示。入射在第一分光镜202上的光的入射角的偏移导致色光分离特性的相应变化。因此，除非使得光以指定角度θM1入射在第一分光镜202上，否则在传播到红色液晶光阀300R的红光中将出现偏移。
如图11(A)所示，即使从x方向上的不同点以与系统光轴2000LC成同一绝对角度θLA1、θLA2发射两个光束LA1、LA2，入射在第一分光镜202上的光的入射角θA1、θB1也不相同，并偏离指定角度θM1。例如，对于光束LA1，结果将是图12中的单点虚线所示的特性类型，而对于LA2将是图12中的短划线所示的特性类型，而不是由实线所示的要求的色光分离特性。具体地说，第一分光镜202上的光相对于系统光轴2000LC的入射角对第一分光镜202的色光分离特性起主要作用，而且能够容易地使传播到红色液晶光阀300R的红光沿x轴引起色彩偏离(色彩变化)。
另一方面，如图11(B)所示，如果从y方向上的不同点以与系统光轴2000LC成同一绝对角度θLB1、θLB2发射两个光束LB1、LB2，相对于第一分光镜202的绝对入射角θa1、θb1仍然相同，使得对于光束LB1和LB2的色光分离特性也相同。虽然第一分光镜202的色光分离特性受第一分光镜202上光束相对于系统光轴2000LC的入射角影响，但是沿着传播到红色液晶光阀300R的红光的y轴的色彩偏离比沿着x轴的偏离小。这样，在红光经过第一分光镜202透射到达红色液晶光阀300R的情况下，y方向上的色彩偏离程度比x方向上的这种偏离程度小。
这表明对于光束从照明系统出射时相对于系统光轴2000LC的角度，最好该角度在x方向上比在y方向上小。
如上所述，从照明系统100出射的光包括被选择反射板90透射的光和反射透射光，该反射透射光被选择反射板90和偏振光反射镜阵列70反射，然后被选择反射板90透射，而且该光在第二透镜阵列80处被混合，沿着中继透镜62和偏振光反射部分72的排列方向。因此从照明系统100出射的光的发散角(角度扩散)趋向于在色光被混合的方向上较大(图8中的y方向)，而在与色光分量被混合的方向成直角的方向上(图8中的x方向)相当小。
上面关于第一分光镜202的解释也适用于第二分光镜204。
在投影仪2000中，照明系统100设置成使得透射光和反射透射光被混合的方向，即中继透镜62和偏振光反射部分72的排列方向，是y方向。这样做的优点是能够降低投影图象中的色彩变化。
上面参考分光镜进行的解释也适用于正交分光棱镜320的红光反射分光面321和蓝光反射分光面322。具体地说，如图11(A)所示，即使从沿着x轴的不同点以与系统光轴2000LC成同一绝对角度θLA1、θLA2发射两个光束LA1、LA2，入射在红光反射分光面321上的光的入射角θA2、θB2也将彼此不同，并偏离指定角度θM2。另一方面，如图11(B)所示，如果两个光束LB1、LB2从沿着y轴的不同点以与系统光轴2000LC成同一绝对角度θLB1、θLB2入射在红光反射分光面321上，相对于第一分光镜202的绝对入射角θa2、θb2将相同。
因为，在投影仪2000中，照明系统100设置成使得透射光和反射透射光被混合的方向，即中继透镜62和偏振光反射部分72的排列方向，是y方向，将降低投影图象中的色彩变化。
如前所述，当本发明的照明系统用于包括正交分光棱镜或带有分光镜的彩色分光镜的装置中时，最好偏振光被分光镜或正交分光棱镜分离或混合的方向，因为这样降低投影图象中的彩色变化。
分光镜202和204的反射/透射面对应于本发明要求保护的色光分离面，正交分光棱镜320的分光面321和322对应于本发明要求保护的色光混合面。F.第六实施例；图13是利用本发明照明系统的另一种投影仪的一般结构的主要部件的平面图。投影仪3000利用照明系统100B，其中照明系统100的中继透镜62和偏振光反射部分72设置在x方向上。
投影仪3000包括照明系统100B、偏振分光棱镜420、反射型液晶光阀(液晶板)440和投影光学系统340。反射型液晶光阀440、偏振分光棱镜420和投影光学系统340按照该顺序设置在系统光轴3000LC上。
从照明系统100B发射的具有s偏振方向的线偏振光经过平行于系统光轴3000LC的侧面422进入偏振分光棱镜420，并入射在偏振分光膜428上。入射在偏振分光膜428上的s偏振光经过光阀440的侧面424反射出来。
入射在光阀440上的光被沿着与入射方向相反的方向反射出来。当液晶完全断开时，从光阀440出射的光是s偏振光，它进入偏振分光棱镜420并被偏振分光膜428反射回照明系统100B。因此，因为没有光经过偏振分光棱镜420的侧面426投射到投影光学系统340，产生黑色显示屏幕SC。当液晶完全接通时，从光阀440出射的光变换为p偏振光，所以它被偏振分光膜428透射并从偏振分光棱镜420的侧面426出射，照射在投射到投影光学系统340，产生明亮的显示屏幕。当液晶处于接通和断开之间的中间状态时，该中间状态同时包括s和p偏振光，产生中间色调显示。
因此，投影仪3000利用照明系统100发射的光，根据接收到的图象信息，切换光阀440的每个液晶象素接通和断开，以便在屏幕上显示图象。
利用具有照明系统100B的投影仪3000(照明系统100B发射基本上具有一种偏振类型的线偏振光)也提高了光利用率，特别是关于偏振分光棱镜420的光利用率，产生更明亮的投影图象。
上面描述的各种照明系统也可以用作投影仪2000的照明系统。
图14是关于入射在偏振分光棱镜420上的光的说明图。从照明系统100B入射在偏振分光棱镜420的侧面422上的光的偏振轴取作与偏振光被偏振分光膜428分离的方向(z方向和x方向)垂直的方向(y方向)。在入射到侧面422的光中，沿着z轴入射并被偏振分光膜428从侧面424反射出来的B光的偏振轴取在y方向上。然而，因为A光和B光以与z轴所成的角偏离45度的入射角入射在入射面422上，到达偏振分光膜428，当从z方向看时，从侧面424出射的光的偏振轴从y轴旋转+θR(光)、-θR(C光)，取逆时针方向为正方向旋转。如果光与z轴成倾斜角在平面(平面yz)内入射到偏振分光膜428上，所述平面垂直于偏振光被偏振分光膜428分光的方向(x和y轴方向)，被偏振分光膜428反射的光的偏振轴将与偏振分光膜428的偏振光分离特性无关地旋转。这意味着即使线偏振光在预先设置偏振轴以后入射到偏振分光棱镜420上，从侧面424出射并入射到液晶光阀440上的光总是包括不希望的线偏振光分量，降低投影图象的亮度和对比度。在包括进行偏振分光的方向的平面上，关于相对于z轴倾斜入射的光的偏振轴不发生旋转。
因此最好使用这样的结构，即使得照明系统发射的出射光的发散角(角度扩散)较小方向与偏振分光棱镜420进行偏振分光的方向垂直。
如上所述，照明系统100B发射的光包括被选择反射板90透射的光和反射透射光，该反射透射光被选择反射板90和偏振光反射镜阵列70反射，然后被选择反射板90透射，而且二种类型的光在第二透镜阵列80处被混合，沿着中继透镜62和偏振光反射部分72的排列方向。因此从照明系统100B出射的光的发散角(角度扩散)趋向于在色光被混合的方向上较大(图8中的y方向)，而在与色光被混合的方向成直角的方向上(图8中的x方向)相当小。
因此，在用于投影仪的照明系统中，该投影仪利用偏振分光棱镜，最好透射光和反射光被混合的方向，即中继透镜62和偏振光反射部分72的排列方向，与偏振分光棱镜进行偏振分光的方向相同。
在投影仪3000中，中继透镜62和偏振光反射部分72排列在与偏振分光方向相同的方向上，使得能够获得明亮而且高对比度的投影图象。
上面描述的偏振分光棱镜420对应于本发明要求保护的偏振分光镜。G.第七实施例图15是利用本发明照明系统的另一种投影仪的一般结构的主要部件的平面图。投影仪4000使用照明系统100。
投影仪4000包括照明系统100、三个分光镜500R、500G和500B、透射型彩色液晶光阀(液晶板)520和投影光学系统340。分光镜500R、500G和500B分别反射红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)光，并透射其他色光。分光镜500R、500G和500B按照该顺序设置在靠近照明系统100的一边，彼此之间不平行。分光镜不必按照这样的顺序排列，但是根据后面将描述的单板型彩色液晶光阀520的象素结构确定它们的排列顺序。而且可以使用反射镜代替离照明系统100最远的分光镜(该实施例中的分光镜500B)。
分光镜500R、500G和500B设置成靠近照明系统100的系统光轴100LC与投影系统光轴4000LC的交点，投影系统光轴4000LC通过单板型彩色液晶光阀520的中心，使得反射绿光的分光镜500G的镜面法线与照明系统100的光轴100LC成45度角。反射红光的分光镜500R围绕y轴瞬时针旋转，设置成与分光镜500G成微小角度。反射蓝光的分光镜500B也围绕y轴稍微旋转，使它设置成与分光镜500G成微小角度。下面将描述这一位置关系。
照明系统100发射的光中，红光被分光镜500R反射到光阀520上。在被分光镜500R透射之后，绿光被分光镜500G反射，通过分光镜500R到光阀520上。蓝光通过分光镜500R和500G，然后也被分光镜500B反射到达光阀520。因为三个分光镜设置在围绕位于y方向上旋转轴的不同角度上，每个分光镜反射的光以不同角度入射到光阀520上。
图16(A)和16(B)是单板型彩色液晶光阀520的一个象素结构的放大图。如图16(A)所示，光阀520包括由多个象素构成的光阀部分530，和设置在光阀部分530的入射面上的微透镜阵列540。光阀部分530的每个象素531包括三个对应于红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的彩色子象素531R、531G、531B。每个象素531的入射面设置有一个微透镜541。以不同入射角入射在单板型彩色液晶光阀520上的三种彩色光束中的每一个被微透镜阵列540上的各个微透镜541会聚在相应的子象素531R、531G、531B上，而且每个子象素根据施加给系统的图象信息信号调制彩色光。
每个彩色光在光阀520上的入射角对应于三个分光镜500R、500G和500B的角度，它们设置成使得每个彩色光入射到相应的象素531上。这些角度由子象素531R、531G、531B之间的间距PD和微透镜541的焦距fμ确定。
从光阀520的每个象素531出射的光被投影光学系统340投影以便在屏幕SC上显示彩色图象。
利用偏振光变换效率高的照明系统100，也提高了该实施例的投影仪4000的光利用率，使得它能够显示更亮的图象。
如上所述，照明系统100发射的光包括被选择反射板90透射的光和反射透射光，该反射透射光包经被选择反射板90和偏振光反射镜阵列70反射，然后被选择反射板90透射，而且二种类型的光在第二透镜阵列80处被混合，沿着中继透镜62和偏振光反射部分72的排列方向。因此从照明系统100出射的光的发散角(角度扩散)趋向于在色光被混合的方向上较大(图8中的y方向)，而在与色光被混合的方向成直角的方向上(图8中的x方向)相当小。光束发散角和光束会聚特性之间是反比关系。不能用发散角大的光束形成小的会聚图象，这意味着用于照明液晶光阀的光束的发散角越大，光阀或者投影光学系统的光利用率就越低。
如图16(B)所示，构成光阀520的一个象素531的子象素531R、531G、531B每个都是在y方向较长的长方形，形成大致呈正方形的象素531(当从z方向看时)。因此，利用使得子象素的形状与光学特性诸如入射在上面的光束发散角或会聚度匹配的结构，即使当照明系统发射的光束在特定方向上具有相当大发散角时，如同照明系统100的情况一样，也能够防止这种光利用率的降低。具体地说，照明系统100发射的光束具有大发散角的方向最好设置成与长方形子象素的长边一致。通过这样的结构，会聚图象在x方向上小而在y方向上相对大，使得每个彩色光能够入射到相应的子象素上。
所以，在使用光阀的投影仪情况下，其中光阀中的彩色子象素空间上相分离，例如单板型彩色液晶光阀，最好透射光和反射透射光被混合的方向，即中继透镜62和偏振光反射部分72的排列方向，与子象素的长边所在方向一致。在投影仪4000使用的照明系统100中，中继透镜62和偏振光反射部分72排列在y方向上，因此照明系统100发射的光束具有最大发散角的方向与子象素的长边方向一致，所以每种色光只入射在相应的子象素上，产生明亮而且没有色彩混合的图象。
上面的描述是参考用于投影仪的本发明的照明系统进行的，但这不是限制性的。而是，本发明的照明系统可以用于不同类型的装置，包括直视显示系统。
虽然液晶板用作电光装置，但是可以使用利用特定偏振光显示图象的任何类型的电光装置。
类似地，虽然上面的实施例是参考使用多个透镜阵列形成中继透镜光学系统进行描述的，所述中继透镜光学系统构成偏振变换系统，但是本发明并不限于此。例如，不使用第一透镜、中继透镜和第二透镜的阵列，偏振变换系统可以包括一个第一小透镜52、一个中继透镜62、一个偏振光反射部分72、一个第二小透镜82和偏振光选择反射板90。这样的结构仍将具有类似的效果。同时，因为阵列结构使得能够设计较薄的偏振变换系统，因此就减小光学系统尺寸而言，使用包括第一透镜阵列、中继透镜阵列和第二透镜阵列的结构更有利。
应该清楚地理解上面的实施例这是说明性的，而不具有任何限制意义。本发明的范围和精神只由所附权利要求书的各项限定。
权利要求
1.一种把非偏振光变换为特定的偏振光的偏振变换系统，包括偏振光选择反射镜，把入射的非偏振光分为第一和第二类型的偏振光，并透射第一类型的偏振光，反射第二类型的偏振光；中继光学系统，用于将给定的入射光束中继到偏振光选择反射镜；和偏振光反射镜，位于被偏振光选择反射镜反射的反射光光路的选择位置上，它把该反射光束反射回偏振光选择反射镜，同时把第二类型的偏振光变换为第一类型的偏振光。
2.根据权利要求1所述的偏振变换系统，其中中继光学系统包括具有多个第一小透镜的第一透镜阵列，把入射光束分成多个部分光束；中继透镜阵列，位于第一透镜阵列的光出射面上，具有对应于多个第一小透镜的多个中继透镜，和第二透镜阵列，位于中继透镜阵列的光出射面上，具有对应于多个中继透镜的多个第二小透镜，其中第二透镜阵列设置在偏振光选择反射镜的入射方附近，以便从第二小透镜出射并被偏振光选择反射镜反射的每个反射的部分光束被反射回同一第二小透镜，部分光束在被偏振光选择反射镜反射之前从这里出射，其中多个中继透镜中的每一个位于选择位置上，此位置在相应的第一小透镜的出射方焦点和相应的第二小透镜的入射方焦点附近，并且相应的第一小透镜和相应的第二小透镜位于中继透镜的共轭点上，其中偏振光反射镜包括多个偏振光反射部分，位于从多个第二小透镜出射的多个反射部分光束的光路上，每个偏振光反射部分反射相应的反射部分光束，并把第二类型的偏振光变换为第一类型的偏振光；和多个第三小透镜，把被偏振光反射部分反射的反射部分光束传播回到同一第二小透镜，反射部分光束在被偏振光反射部分反射之前从这里出射。
3.根据权利要求2所述的偏振变换系统，其中多个偏振光反射部分中的每一个放置在相应的第二小透镜的焦点附近，而且多个第三小透镜中的每一个的焦距基本上与相应的第二小棱镜的焦距相等，并放置在相应的偏振光反射部分附近。
4.根据权利要求2所述的偏振变换系统，其中第一和第二类型的偏振光是偏振面相互正交的第一和第二类型的线偏振光，而且多个偏振光反射部分中的每一个包括反射镜和位于第三小透镜和反射镜之间的λ/4延迟膜。
5.根据权利要求3所述的偏振变换系统，其中第一和第二类型的偏振光是偏振面相互正交的第一和第二类型的线偏振光，而且多个偏振光反射部分中的每一个包括反射镜和位于第三小透镜和反射镜之间的λ/4延迟膜。
6.根据权利要求2所述的偏振变换系统，其中第一和第二类型的偏振光是圆偏振旋转方向相反的第一和第二类型的圆偏振光，而且多个偏振光反射部分是反射镜。
7.根据权利要求3所述的偏振变换系统，其中第一和第二类型的偏振光是圆偏振旋转方向相反的第一和第二类型的圆偏振光，而且多个偏振光反射部分是反射镜。
8.根据权利要求6所述的偏振变换系统，还包括一个λ/4延迟膜，此膜将把偏振光选择反射镜透射来的第一类型圆偏振光转变为预定类型的线偏振光。
9.根据权利要求7所述的偏振变换系统，还包括一个λ/4延迟膜，此膜将把偏振光选择反射镜透射来的第一类型圆偏振光转变为预定类型的线偏振光。
10.一种用于照明指定照明区的照明系统，包括根据权利要求1-9任何一项所述的偏振变换系统；和向偏振变换系统发射光束的光源。
11.根据权利要求10所述的照明系统，进一步包括一个重叠透镜，将来自偏振变换系统的光束分割成多个部分光束并把多个部分光束叠加到照明区。
12.一种用于显示投影图象的投影仪，包括根据权利要求7所述的照明系统；电光装置，将发自照明系统的光进行调制；和投影光学系统，将这样被电光装置调制的光投射到投影面。
13.根据权利要求12所述的投影仪，其中被偏振光选择反射镜透射的透射光束以及被偏振光选择反射镜反射并且被偏振光反射镜反射以便再一次入射到偏振光选择反射镜上的反射光束在偏振光选择反射镜上以基本上与投影光学系统的倾斜投影方向一致的方向上混合。
14.根据权利要求13所述的投影仪，其中透射光束在和投影光学系统的倾斜投影方向基本上一致的方向上倾斜。
15.一种用于显示投影图象的投影仪，包括根据权利要求7所述的照明系统；彩色分光镜，把照明系统发射的光分成多个色光分量；多个电光装置，每一个调制由彩色分光镜分离出的每种色光分量；色光混合器，用来混合被电光装置如此调制的每个色光分量；和投影光学系统，将色光混合器如此混合的光投射到投影面上。
16.根据权利要求15所述的投影仪，其中假定x、y、z是三个相互正交的方向轴，这里z是平行于从照明系统出射的光的光轴的方向，彩色分光镜有一个基本上与平面xz垂直的色光分离面，并与平面yz形成指定的角度，以及由偏振光选择反射镜透射的透射光束和由偏振光选择反射镜反射并且还被偏振光反射镜反射以便再次入射到偏振光选择反射镜上的反射光束在偏振光选择反射镜上沿基本上和y方向一致的方向混合。
17.根据权利要求15所述的投影仪，其中，假定x、y、z为三个相互正交的方向轴，这里z是与从照明系统出射的光的光轴平行的方向，色光混合器具有基本上与平面xz垂直的色光混合面，并与平面yz形成指定角度，以及由偏振光选择反射镜透射的透射光束和由偏振光选择反射镜反射而且还被偏振光反射镜反射以便再次入射到偏振光选择反射镜上的反射光束沿基本上与y相同方向的方向在偏振光选择反射镜上混合。
18.一种用于显示投影图象的投影仪，包括根据权利要求7所述的照明系统；反射型电光装置，依据接收到的图象信息调制入射光同时反射调制光；投影光学系统，将接收到的来自反射型电光装置的光投射到投影面上；和偏振分光镜，将从照明系统入射到反射型电光装置的第一偏振光和从反射型电光装置入射到投影光学系统的第二偏振光根据它们之间的偏振特性差异空间上分成不同的方向。
19.根据权利要求18所述的投影仪，其中，假定x、y、z为三个相互正交的方向轴，这里z是与从照明系统出射的光的光轴平行的方向，偏振分光镜的偏振光分离面基本上与平面xz垂直，并与平面yz成指定角度，而且被偏振光选择反射镜透射的透射光束和被偏振光选择反射镜反射并且还被偏振光反射镜反射以便再次入射到偏振光选择反射镜的反射光束在基本上与x方向相同的方向上在偏振光选择反射镜上混合。
20.一种用于显示投影图象的投影仪，包括根据权利要求7所述的照明系统；包括多个象素的电光装置，每个象素包括对应于多个色光分量中的每一个的多个子象素，和会聚光学系统，它包括多个对应于每个象素的小会聚元件，电光装置响应给定的图象信息调制每个象素处的光，彩色分光镜，把从照明系统出射的光分成多个色光分量，还将以各不相同的方向传播多个色光分量照射相应的多个子象素；和投影光学系统，将经电光装置如此调制的每个色光分量投射到投影面上。
21.根据权利要求20所述的投影仪，其中假定x、y、z为三个相互正交的方向轴，这里z是与从照明系统出射的光的光轴平行的方向，彩色分光镜具有多个色光分离面，用于有选择性地把光分成多个基本上与平面xz垂直并与平面yz成不同指定角度的色光，而且被偏振光选择反射镜透射的透射光束与被偏振光选择反射镜反射并且还被偏振光反射镜反射以便再次并入射到偏振光选择反射镜的反射光在基本上与y方向相同的方向上在偏振光选择反射镜上混合。
22.根据权利要求20所述的投影仪，其中被偏振光选择反射镜透射的透射光束和被偏振光选择反射镜反射并被偏振光反射镜反射以便再次入射到偏振光选择反射镜上的反射光在偏振光选择反射镜上、在与每个象素内包括的多个子象素的排列方向垂直的方向上混合。
全文摘要
偏振变换系统包括:偏振光选择反射镜,把入射的非偏振光分为第一和第二类型的偏振光,并透射第一类型的偏振光,反射第二类型的偏振光;中继光学系统,用于将入射光束中继到偏振光选择反射镜;偏振光反射镜,位于被偏振光选择反射镜反射的反射光光路上,它把该反射光束反射回偏振光选择反射镜,同时把第二类型的偏振光变换为第一类型的偏振光。
文档编号H04N5/74GK1264841SQ00102628
公开日2000年8月30日 申请日期2000年2月23日 优先权日1999年2月23日
发明者伊藤嘉高 申请人:精工爱普生株式会社