CN1398361A - 光学照明装置和投影显示装置 - Google Patents

Abstract

传统的光学照明装置在照射相对于光轴倾斜的被照区时，存在在倾斜方向出现亮度不均匀的问题。本发明的光学照明装置包括前级光学照明系统(7)，偏心透镜(9)和中继透镜(11)。前级光学照明系统7包括灯(1)，椭圆面反射镜(2)，紫外线－红外线截断滤光器(3)，聚光镜(4)，第一透镜(5)和第二透镜(6)。中继透镜(11)的第二和第三基本共轭光发射表面(10，12)安排成相对光轴(15)倾斜。使偏心透镜(9)对光轴(14)适当偏心，从而使来自第二透镜(6)的出射光有效地落在中继透镜(11)，并使第二光发射表面(10)按某一方向倾斜，消除由中继透镜(11)产生的亮度梯度。

Description

光学照明装置和投影显示装置

技术领域

本发明涉及一种用于例如照射光学空间调制元件的光学照明装置和一种能把光学空间调制元件上形成的光学图像通过投影透镜投影到屏幕上的投影显示装置。

背景技术

习惯上，用作宽屏幕的视频设备，已经知道投影显示装置采用多种光学空间调制元件。例如，这些显示器有作为光学空间调制元件的半透明型和反射型液晶板，让光源照在液晶板上，在液晶板上形成与外部提供的视频信号相对应的光学图像，并通过投影透镜放大、在银屏上投影出光学图像。

当配置投影显示装置时，重要的是获得大的光学输出并能提供具有高图像质量的明亮的投影图像。要获得这样的显示器，重要的是获得一个能有效地把从灯发射出来的光聚拢并能均匀地照射到光学空间调制元件的光学照明系统。日本专利拟定公布号3-111806和5-346557披露了采用光学积分器和玻璃棒的光学照明装置。这种装置形成一个在形状上与光学空间调制元件相似的光发射表面。该装置还通过一个中继镜等在光学空间调制元件上形成光发射表面的图像，以此达到高效、非常均匀的照射。

同时，关于用于投影显示装置的光学照明系统，例如在包括照射到反射光学空间调制元件并以一偏移轴投影的某些应用和结构中，按与光学空间照明元件有一预定倾斜度的方向发射照明光束。然而在采用上述传统的光学照明系统的倾斜照射情况中，关于形成于发散表面的照明光束，成像条件维持在光轴附近，而不是维持在远离光轴的位置。因此，很难有效地将光聚集在发射(散)表面的有效区域上。而且，问题是使相对于发射(散)表面倾斜方向的图像畸变，这造成了亮度不均匀。

为了有效地照射相对于光轴倾斜的表面，必须实现一个满足倾斜物体成像条件的光学照明系统，该成像条件称为所谓的防阳光(shine-proof)条件。尽管这一条件法则提供了两个相互倾斜表面的成像条件，但是它没有解决与发射表面倾斜方向上的图像畸变和发生亮度不均匀的问题。这一问题在倾斜照射中基本上都会发生。

相应地，作为重复两次防阳光条件的结构，公布了解决倾斜成像问题的方法(例如，日本专利拟定公布号4-27912)。

图9(a)示出一种传统投影显示装置的基本结构的例子。

这种传统的投影显示装置包括下列部分：灯121，凹面反射镜122，聚光镜123，灯泡124，第一透镜125，中间成像表面126，反射镜127，第二透镜128，和屏幕129。

从灯121发射的光由凹面反射镜122聚拢后形成单束光，以使这些光几乎是与光轴旋转对称。

聚光镜123用单束光照射灯泡124的整个区域，并将光聚拢，在第一透镜125近物焦点125a处通过灯泡124。

例如，将半透明型液晶板用作灯泡124，形成与视频信号相对应的光学图像。

第一透镜125用通过灯泡124的光形成中间成像表面126。同时，穿过聚光镜123的聚拢光经过靠近第一透镜125的焦点125a的地方，这样，从第一透镜125射出的光基本上都是平行光，这些平行光围绕在中间成像表面126。

灯泡124和中间成像表面126互相与第一透镜125的光轴125b倾斜，以满足防阳光条件。

例如，安置在中间成像表面126附近的反射镜127使用图9(b)中放大所示的按两维放置的微型反射表面127a，以便反射镜127允许从第一透镜125发射出来的光高效地射入第二透镜128。

第二透镜128再次在屏幕129上形成中间成像表面126的图像。中间成像表面126和屏幕129互相与第二透镜128的光轴128b倾斜，以满足防阳光条件。

按照所述结构，第一透镜125上出现的图像畸变能消除第二透镜126出现的图像畸变。因此，屏幕129上可能会形成与灯泡123上的光学图像共轭的，无畸变的图像。而且，因为从第一透镜125射出的光束基本上都是平行光，其好处在于有可能减少从第一透镜125到第二透镜128的光学途径上的光损失。

图9的投影显示装置解决了由图像倾斜引起的图像畸变和由畸变引起的亮度梯度的问题，并高效地把发自灯的光发射到屏幕上，所以获得了无畸变的、明亮的投影图像。因此，把所述结构应用到光学照明系统时，能够高效地照射到相对于光轴倾斜的光学空间调制元件。然而，会出现下面的问题。

具体地说，当有关倾斜图像形成的防阳光条件重复两次时，第一透镜和第二透镜的光轴很大程度上折转了。因此，必须采用使光路径弯曲的装置。在图9中，具有按两维排列的微型反射镜的一个微型反射镜阵放置在中间成像表面附近，由此构成所述装置。然而，由于中间成像表面与屏幕具有共轭关系，屏幕上会形成边缘图像和微型反射镜类似的图像。

也就是说，在传统的光学照明装置或者投影显示装置中，会发生在屏幕上形成边缘图像及光路径弯曲装置的微型反射镜类似的图像的问题(第一个问题)。

第二，因为聚光镜聚拢的光照在图9中结构的灯泡上，而灯泡与光源的光轴倾斜，这使灯泡的亮度对光轴呈不对称分布。经过上述两次成像影响，灯泡上亮度的分布基本上再现在屏幕上，这使屏幕上形成的图像亮度分布对光轴呈不对称分布。

也就是说，在传统的光学照明装置或者投影显示装置中，会发生屏幕上形成的图像亮度分布对光轴呈不对称分布的问题(第二问题)。

发明概述

鉴于上述第一问题，本发明的目的是提供在屏幕上不形成边缘图像及光路径弯曲装置的微型反射镜的类似图像的光学照明装置和投影装置。

此外，鉴于上述第二问题，本发明的目的是提供在屏幕上不形成对光轴呈不对称亮度分布的图像的光学照明装置和投影显示装置。

为了解决上述问题，本发明的第1个发明(对应于权利要求1)是照射相对于光轴倾斜的被照区的光学照明装置，包括：

一个光源，

一个前级光学照明系统，聚拢从所述光源发射的光，

一个光透射元件，射入所述聚光光束，以形成第一光发射表面；以及

一个中继光学系统，用穿过所述第一光发射表面的光，在所述被照区形成第二光发射表面，其中

所述中继光学系统使所述第一光发射表面和所述第二光发射表面基本上互相共轭，所述光发射表面与所述中继光学系统的光轴倾斜，以及

所述光透射元件校正了所述入射光束的传播方向，以形成所述第一光发射表面，这使输出的光束有效地射入到所述中继光学系统，而且所述光透射元件形成所述第一光发射表面，这使所述第一光发射表面在某一个方向有亮度梯度，消除了在所述中继光学系统的该方向上出现的亮度梯度。

本发明的第2个发明(对应于权力要求2)是根据第1个发明的光学照明装置，其中，所述前级光学照明系统包括用于使所述聚光光束基本上具有亮度均匀分布的光学积分器元件。

本发明的第3个发明(对应于权利要求3)是根据第2个发明的光学照明装置，其中，所述光学积分器元件包括第一透镜阵列和第二透镜阵列。

本发明的第4个发明(对应于权利要求4)是根据第1个发明的光学照明装置，其中，所述照明透射元件可以是偏心透镜、双凸透镜、渐变折射率透镜、塑料非球面透镜、菲涅耳透镜、和菱镜元件的任何一种，使该透镜元件相对于所述前级光学照明系统的光轴偏心。

本发明的第5个发明(对应于权利要求5)是根据第4个发明的光学照明装置，其中所述偏心透镜是非球面表面。

本发明的第6个发明(对应于权利要求6)是根据第1个发明的光学照明装置，包括一个在靠近所述被照区的入射边的照射角度校正元件。

本发明的第7个发明(对应于权利要求7)是照射相对于光轴倾斜的被照区的光学照明装置，包括：

光源，

聚光光学系统，它能把发自所述光源的光聚拢成单束光，以形成一个基本上与所述光轴相交的第一光发射表面，

第一中继光学系统，它用穿过所述第一光发射表面的光形成第二光发射表面，以及

第二中继光学系统，它用穿过所述第二光发射表面的光在所述被照区形成第三光发射表面，其中

所述第一中继光学系统使所述第一光发射表面和第二光发射表面基本上互相共轭，所述光发射表面与所述第一中继光学系统的光轴倾斜，

所述第二中继光学系统使所述第二光发射表面和所述第三光发射表面基本上互相共轭，所述光发射表面与所述第二中继光学系统的光轴倾斜，以及

所述第一中继光学系统在某一方向上给所述第一光发射表面提供亮度梯度，并形成所述第二光发射表面。消除了在所述第二中继光学系统的该方向上出现的亮度梯度。

本发明的第8个发明(对应于权利要求8)是根据第7个发明的光学照明装置，包括在所述第一光发射表面或者第二光发射表面附近弯曲光路径的光弯曲装置。

本发明的第9个发明(对应于权利要求9)是根据第8个发明的光学照明装置，其中所述光路径弯曲装置是偏心透镜、双凸透镜、渐变折射率透镜、塑料非球面透镜、菲涅耳透镜、和棱镜元件的任意一种，使这些透镜元件与形成所述第一光发射表面的聚光光学系统的光轴，或所述第二中继光学系统的光轴偏心。

本发明的第10个发明(对应于权利要求10)是根据第9个发明的光学照明装置，其中所述偏心透镜具有非球面表面。

本发明的第11个发明(对应于权利要求11)是根据第7个发明的光学照明装置，包括一个放在所述被照区的入射边附近的照射角度校正元件。

本发明的第12个发明(对应于权利要求12)是一个投影显示装置，包括：

根据第1至第6个发明当中的任意一个所述的光学照明装置，

一个形成相应于视频信号的光学图像的空间调制器，安置在基本上与所述第二光发射表面相同的位置，以及

一个投影所述空间调制器的光学图像的投影透镜。

本发明的第13个发明(对应于权利要求13)是一个投影显示装置，包括：

根据第7到第11个发明当中任一个所述的光学照明装置，

一个形成相应于视频信号的光学图像的空间调制器，安置在基本上与所述第三光发射表面相同的位置，以及

一个投影所述空间调制器的光学图像的投影透镜。

本发明的第14个发明(对应于权利要求14)是一个投影显示装置，包括：

根据第7到第11个发明当中任意一个所述的光学照明装置，以及

形成相应于视频信号的光学图像的空间调制器，安置在基本上与所述第一光发射表面相同的位置，其中

所述第一中继透镜系统和所述第二中继透镜系统在所述被照区的屏幕上，投影所述空间调制器的光学图像。

本发明的第15个发明(对应于权利要求15)是根据第12个发明的投影显示装置，包括一个旋转彩色轮，以有选择地传送红光，绿光和蓝光。该旋转彩色轮具有一个在所述第一光发射表面附近的圆盘样的彩色轮，以及

所述光学空间调制元件受颜色的连续驱动。

本发明的第16个发明(对应于权利要求16)是根据第13个发明的投影显示装置，包括一个旋转彩色轮，以有选择地传送红光，绿光和蓝光。该旋转彩色轮具有一个在所述第二光发射表面附近的圆盘样的彩色轮，以及

所述光学空间调制元件受颜色的连续驱动。

附图简述

图1是描述根据本发明实施例1的光学照明装置的示意图；

图2是光路径图，显示了图1所示偏心透镜的作用；

图3是光路径图，显示了图1所示中继透镜的作用；

图4(a)是描述根据本发明实施例2的光学照明装置的示意图；

图4(b)是描述根据本发明实施例2的用于光学照明装置中的菲涅耳透镜的放大剖面图；

图5是描述根据本发明实施例3的光学照明装置的示意图；

图6是描述根据本发明实施例4的光学照明装置的示意图；

图7是描述根据本发明实施例5的投影显示装置的示意图；

图8是描述根据本发明实施例6的投影显示装置的示意图；

图9(a)是描述传统的投影显示装置结构例子的示意图；以及

图9(b)是描述微型反射镜结构的放大的示意图。

符号解释

光源1，41，61

前级光学照明系统7，67

光透射元件9，69

第一光发射表面8，45，68

第二光发射表面10，48，70

第三光发射表面12，50，72

中继光学系统11，71

被照区13，51，73

聚光光学系统42

第一中继光学系统46

第二中继光学系统49

光学空间调制元件92，102

投影透镜93，103

屏幕94，104

实现本发明的最佳方式

下文将根据附图描述本发明的实施例。

(实施例1)

首先，下面将讨论实施例1。

图1是一张示意图，示出根据本发明的一个实施例的光学照明装置的结构。

本实施例的光学照明装置包括用作光源的灯1，椭圆表面反射镜2，紫外-红外截断滤光器3，聚光镜4，第一透镜5，第二透镜6，第一光发射表面8，用作光透射元件的偏心透镜9，第二光发射表面10，用作中继光学系统的中继透镜11，第三光发射表面12和被照区13。从灯1到第二透镜6的光学系统构成前级光学照明系统7。

接着，将讨论上述实施例的操作。

前级光学照明系统7有效地把从灯1发射出来的光聚拢，并形成任意形状的第一光发射表面8。具体地说，从放在靠近椭圆面反射镜2的焦点F1的灯1发出的光，在椭圆面反射镜2上反射。在经过紫外-红外截断滤光器3过滤掉紫外线和红外线成分之后，光在椭圆面反射镜2的第二焦点F2附近聚拢。

将聚光镜4放在使它的焦点与椭圆面反射镜2的第二焦点F2基本重合的位置，并且，通过凹面反射镜2的第二个焦点F2的光经过聚光镜4出射之后，光基本上都与光轴14平行传播。

第一透镜5把射入的平行光聚拢到第二透镜6，然后，第二透镜6形成第一光发射表面8，该第一光反射表面基本上与第一透镜5的主表面5a共轭。如图1所示，形成第一光发射表面8以致与光轴14相交。因此，恰当地设置第一透镜5的孔径，就会形成所期望形状的第一光发射表面8。第一光发射表面8的亮度分布基本上与第一透镜5的主表面5a相同，而且基本上相对于光轴14对称。

在这里，虽然本实施例描述了第一光发射表面8与光轴14相交，本实施例不限于所述结构。第一光发射表面8并不总是需要和光轴14相交。

除此之外，虽然本实施例描述了第一光发射表面8的亮度分布基本上相对于光轴14对称，本实施例并不限于所述结构。第一光发射表面8的亮度分布也可以与光轴14不对称。

与第二透镜6的光轴14偏心的偏心透镜9安置在靠近第一光发射表面8的输入一侧。偏心透镜9恰当地折射来自第二透镜6的光，并有效地把光引入中继透镜11。同时，在第一光发射表面8上提供用于消除出现在中继透镜11上亮度梯度的亮度梯度，而且形成与中继透镜11的光轴15倾斜的第二光发射表面10。中继透镜11用穿过第二光发射表面10的光形成第三光发射表面12，第三光发射表面12以第二光发射表面10相反的方向与光轴15倾斜，而且中继透镜11有效地照射被照区13。被照区13的亮度分布基本上与第一光发射表面8相同，也就是说，与第一透镜5的主表面5a也基本相同，而且亮度分布基本上与光轴对称。

参考图2和图3，下面将讨论上述结构的具体作用和效果。

图2是一个光路径图，解释了偏心透镜9的作用。偏心透镜9是一个非球面玻璃透镜，它的光线入射一面是非球面表面，光线射出一面是平面。偏心透镜9有效地把从第二透镜6出射的光出射到中继透镜11，并形成在亮度分布上与第一光发射表面7不同的第二光发射表面10。

具体地说，偏心透镜9的光轴21基本上与中继透镜11的光轴15平行，并适当地偏离光轴14，以通过第二透镜6的主焦点6a。因此穿过第二透镜6的主焦点6a并射向偏心透镜9的光，从偏心透镜9射出之后，基本上与中继透镜11的光轴15平行。因此，穿过第二透镜的光能有效地出射到中继透镜。

偏心透镜9给形成在第二透镜6光轴14上的第一光发射表面8提供了亮度梯度，并在不同的位置形成第二光发射表面10。这样放置第二光发射表面10，使它与中继透镜11的光轴15具有预定的倾斜度，而且其亮度分布与第一光发射表面8的亮度分布不同，也就是与第一透镜5的主表面5a的亮度分布不同。

为了简单地解释亮度分布的差别，等间隔地划分射到第一透镜5的平行光束20，被划分的光线称为L1，L2，L3，L4和L5。光线L3与第二透镜6的光轴14重合。而且，被划分的光线的间隔分别称为S1，S2，S3和S4。在主表面5a上光线的间隔相等：S1＝S2＝S3＝S4。

经过第一透镜5主表面5a的光线L1穿过第二透镜6的主焦点6a，并经偏心透镜9折射。然后，光线L1以与中继透镜11的光轴15基本平行的方向传播，并到达第二光发射表面10上的点P1。类似地，光线L2，L3，L4和L5也以与中继透镜11的光轴15基本平行的方向传播，并到达第二光发射表面10上的点P2，P3，P4和P5。

在这里，当第二光发射表面10上的光线L1，L2，L3，L4和L5具有间隔S1′，S2′，S3′和S4′时，获得S4′＞S3′＞S2′＞S1′。  包含在主表面5a上S1的光线也包含在第二光发射表面10上的S1′中。类似地，包含在主表面5a上S2，S3，和S4的光线也包含在第二光发射表面10上的S2′，S3′和S4′中。因此，应当明白，偏心透镜9使主表面5a上的光束强度形成倾斜分布，并形成了亮度分布与光轴15不对称的第二光发射表面10。

图3是一个光路径图，解释了中继透镜11的作用。

中继透镜11在被照区13的附近，形成了基本上与第二光发射表面10共轭的第三光发射表面12。这时，第二光发射表面10和第三光发射表面12都与中继透镜11的光轴15倾斜。

上述关系将以几何光学加以讨论。第二光发射表面10和第三光发射表面12设置在中继透镜11的成像位置A1和A2，而第二光发射表面10的延长线31和第三光发射表面12的延长线32通过中继透镜11的主焦点11a并与光轴15垂直的直线33相交于点O。这样满足了所述位置关系，所以与光轴15倾斜的第二光发射表面10上的图像就会在第三光发射表面12上形成。这样的关系称为“防阳光关系法则”，该关系提供了倾斜物体所需的成像条件。

接着，下面将描述第二光发射表面10上的亮度分布是如何在第三光发射表面12上改变的。

从点P1穿过中继透镜11的主焦点11a并到达第三光发射表面12的光称为L1′，类似地，从点P2，P3，P4和P5穿过中继透镜11的主焦点11a并到达第三光发射表面12的光分别称为L2′，L3′，L4′和L5′。如图2所示，这些点之间的间隔为S4′＞S3′＞S2′＞S1′。同时，当第三光发射表面12上的光线间隔称为S1″，S2″，S3″和S4″时，获得S1″＝S2″＝S3″＝S4″。这意味着第三光发射表面12的亮度分布与第二光发射表面10的不同。同时，通过向第二光发射表面10提供亮度分布以消除在中继透镜11上的亮度梯度，即使对被照区13进行对角地照射，也可能获得与光轴15基本上对称的亮度分布。

为了达到上述亮度分布，理想地设置偏心透镜9的焦距，以使偏心透镜9的焦点基本上与第二透镜6的主焦点6a重合。而且，这样设置偏心透镜9的偏离量，使光轴21基本上与中继透镜11的光轴15平行。

按照上述结构，偏心透镜9倾斜了由前级光学照明系统7形成的第一光发射表面8的亮度分布，并这样设置倾斜度，以致基本上消除出现在中继透镜11上的亮度梯度。因此，相对中继透镜11光轴15倾斜的被照区13，亮度分布基本上与由前级光学照明系统7形成的第一光发射表面8的亮度分布相同。例如，因为前级光学照明系统7形成亮度均匀的第一光发射表面8，被照区13的亮度分布基本上也是均匀的。

而且，即使当偏心透镜9安置在靠近第二光发射表面10的地方，不需要的阴影和莫尔条纹也不会出现在被照区13。

在这里，本实施例的第二光发射表面是本发明的第一光发射表面的例子，而本实施例的第三光发射表面是本发明的第二光发射表面的例子。

除此之外，本发明的前级光学照明系统7不限于按本实施例图1所示结构的前级光学照明系统7。简而言之，本发明的前光学照明系统只需要聚拢从灯射出的光并形成预定的光发射表面。

另外，本发明的第一光发射表面不限于类似本实施例第一光发射表面10的与光轴14相交的表面。因此，第一光发射表面并不总是需要与光轴14相交。而且，亮度分布并不需要相对于光轴14对称，这样，亮度分布可以相对于光轴14呈不对称分布。简而言之，只要偏心透镜设置得当，满足了上述作用，就能获得同样的效果。

此外，本发明的光透射元件不限于其形状和偏离量满足上述条件的类似于本实施例的偏心透镜9的透镜。简而言之，本发明的光透射元件只需要具有折射入射光功能，以形成能消除在中继透镜上出现的亮度梯度的第二光发射表面。而且，本发明的光透射元件不限于类似本实施例偏心透镜的能把发射的光变成平行光的元件，所以，该元件也可能不把出射的光变成平行光。简而言之，本发明的光透射元件只需要向第二光发射表面提所供希望的亮度梯度，减少从第二透镜出射的光的扩散，并有效地把光发射到中继透镜。

本发明的光透射元件也不限于本实施例的偏心透镜9，所以双凸透镜、渐变折射率透镜、塑料非球面透镜、菲涅耳透镜等等都能采用。另外，棱镜元件和类似的元件在某些情况下也可以采用。

除此之外，第一透镜5的主表面5a和第二光发射表面10并不总是需要互相共轭。例如，视场光阑可以安置在偏心透镜的出射一侧以形成第二光发射表面。

另外，本发明的中继光学系统不限于本实施例的中继透镜11。也可以用多个透镜。简而言之，本发明的中继光学系统只需要使第二光发射表面和第三光发射表面基本上共轭。

而且，本实施例的第二光发射表面10相对于中继透镜11的光轴倾斜。第二光发射表面10是充分校正像差的中继透镜的一个例子。例如，当用大面积弯曲的中继透镜时，可以根据像差把中继透镜最适合的成像表面设置为第二光发射表面。在某些情况下，第二光发射表面可以与光轴垂直。

如上所述，根据图1的结构，用偏心透镜，有可能提供一种减小图像畸变和亮度不均匀的光学照明装置，图象畸变和亮度不均匀是倾斜照射一直存在的问题，该光学照明装置具有相对于被照区的倾斜方向的较小亮度梯度。

(实施例2)

接着，下面将讨论实施例2。

图4(a)是一张示意图，示出了根据本发明一个实施例的光学照明装置的结构。

本实施例的光学照明装置包括用作光源的灯41，用作聚光光学系统的抛物面反射镜42，紫外-红外截断滤光器43，用作第一光路径弯曲元件的第一菲涅耳透镜44，第一光发射表面45，用作第一中继透镜系统的第一中继透镜46，用作第二光路径弯曲装置的第二菲涅耳透镜47，第二光发射表面48，用作第二中继透镜系统的第二中继透镜49，第三光发射表面50和被照区51。

从灯41发射的光由抛物面反射镜42聚拢，紫外和红外成份被紫外-红外截断滤光器43过滤掉。射入第一菲涅耳透镜的平行光在会聚后形成第一光发射表面45。

第一中继透镜46使相对于光轴53倾斜的第一光发射表面45和第二光发射表面47互相共轭。具体地说，第一光发射表面45和第二光发射表面47分别放在第一中继透镜46的成像点B1和B2的位置上，而第一光发射表面45的延长线55和第二光发射表面48的延长线57相交于直线56上的点Q，直线56穿过第一中继透镜46的主焦点46a并和光轴53垂直。

第二中继透镜49使相对于光轴54倾斜的第二光发射表面48和第三光发射表面50互相共轭。具体地说，第二光发射表面48和第三光发射表面50分别放在第二中继透镜49的成像点C1和C2的位置上，而第二光发射表面48的延长线57和第三光发射表面50的延长线59相交于直线58上的点Q，直线58穿过第二中继透镜49的主焦点49a并和光轴54垂直。

在这里，虽然图4(a)示出延长线56和延长线58相交于同一点Q1的例子，这两条线并不总是需要相交于点Q。

第一菲涅耳透镜44把从抛物面反射镜42发出的平行光聚焦到第一中继透镜46的主焦点46a，如图4(b)的放大剖面图所示。因此，第一菲涅耳透镜44相对于抛物面反射镜42的光轴52是偏心的。具体地说，使第一菲涅耳透镜44偏心，这样第一菲涅耳透镜44的光轴44a与抛物面反射镜42的光轴52基本上平行，并穿过第一中继透镜46的主焦点46a。

第二菲涅耳透镜47用于把从第一中继透镜46射出的光有效地射入第二中继透镜49。具体地说，使第二菲涅耳透镜47偏心，这样入射一侧上的焦点位置设置在第一中继透镜46的主焦点46a的附近，而射出一侧上的焦点位置设置在第二中继透镜49的主焦点49a的附近。

根据上述的结构，由第一中继透镜46上出现的亮度梯度能消除第二中继透镜49出现的亮度梯度。因此，第三光发射表面50和第一光发射表面45的亮度分布基本上相同。

而且，即使当偏心透镜设置在靠近第二光发射表面48的地方，被照区51上也不会出现不必要的阴影和莫尔条纹。

除此之外，本发明的光路径弯曲装置不限于其形状和偏离量满足上述条件的，类似于本实施例中的第一菲涅耳透镜44和第二菲涅耳透镜47的装置。简而言之，本发明的光路径弯曲装置只需要具有折射入射光的功能，以形成基本上能消除出现在第二中继透镜上的亮度梯度的第二光发射表面。而且，本发明的光路径弯曲装置不限于把入射光变为平行光的，类似于本实施例中的第一菲涅耳透镜44和第二菲涅耳透镜47的装置，因此，并不总是需要把入射光变为平行光。简而言之，本发明的光路径弯曲装置只需要向第二光发射表面提供所需的亮度梯度，减少从第二透镜射出的光的发散程度，并有效地把光射入到中继透镜。

而且，本发明的光路径弯曲装置不限于本实施例的第一菲涅耳透镜44和第二菲涅耳透镜47。偏心透镜也可以用双凸透镜、渐变折射率透镜，或者塑料非球面透镜。在某些情况下还可以用棱镜元件或者类似的元件。

另外，本发明的第一中继光学系统不限于本实施例的第一中继透镜46，因此，该系统可能包括多个透镜。简而言之，本发明的第一中继光学系统只需要让第一光发射表面和第二光发射表面基本上形成共轭关系。

此外，本发明的第二中继光学系统不限于本实施例的第二中继透镜49，因此，该系统可能包括多个透镜。简而言之，本发明的第二中继光学系统只需要让第二光发射表面和第三光发射表面基本上形成共轭关系。

如上所述，当采用图4所示的结构时，通过有效地把满足防阳光条件的两个中继光学系统组合起来，就有可能获得一种能够减小图象畸变和不均匀亮度的光学照明装置，相对于被照区的倾斜方向具有小的亮度梯度，并且该光学照明装置能有效地利用从灯发出的光。图像畸变和亮度不均匀是倾斜照射一直存在的问题。

(实施例3)

接着，下面将讨论实施例3。

图5是一张示意图，示出根据本发明的一个实施例的光学照明装置的结构。

本实施例的光学照明装置包括用作光源的灯61，抛物面反射镜62，紫外-红外截断滤光器63，第一透镜阵列64，第二透镜阵列65，辅助透镜66，第一光发射表面68，用作光透射元件的偏心透镜69，第二光发射表面70，用作中继光学系统的中继透镜71，第三光发射表面72和被照区73。从灯61到辅助透镜66的光学系统组成了前级光学照明系统67。

接着，下面将讨论上述实施例的操作。

从灯61发出的光在抛物面反射镜62反射后，变成基本上与光轴75平行的光。紫外-红外截断滤光器63把从抛物面反射镜62射出的光中的紫外和红外成份过滤掉，然后，光射入第一透镜阵列64。

第一透镜阵列64具有以两维排列的第一透镜64a。入射光束分成多个微小的光束，每个微小的光束被聚拢在第二透镜阵列65。第二透镜阵列65具有以两维排列的第二透镜65a，与第一透镜64相配对。射入到相应的第一透镜64a的微小光束在经扩大或缩小后以叠加形式形成第一光发射表面68。将多个具有相对较小亮度和色彩不均匀度的微小光束进行叠加，从而第一光发射表面68的亮度分布相当均匀。

辅助透镜66用于将穿过第二透镜65a的光叠加在第一光发射表面68。

偏心透镜69具有与实施例1的偏心透镜相同的功能，该偏心透镜形成第二光发射表面70，第二光发射表面70给第一光发射表面68的亮度分布在消除了出现在中继透镜71上亮度体现的方向上提供亮度。第二光发射表面70通过中继透镜71在被照区73附近形成第三光发射表面72。

通过叠加多个第一透镜64a和第二透镜65a的亮度分布，获得第三光发射表面73的亮度分布。因此，亮度分布很均匀。

除此之外，可以用适当偏心的第二透镜，按两维排列以组成第二透镜阵列65，而不是用辅助透镜来组成。

如上所述，当采用图5所示的结构，有可能获得能均匀照射相对于光轴倾斜的被照区的光学照明装置。

(实施例4)

接着，下面将讨论实施例4。

图6是一张示意图，示出根据本发明的一个实施例的光学照明装置的结构。

除了照射角度校正透镜81外，该结构与图5的结构相同。

照射角度校正透镜81对光线的作用是形成第三光发射表面72，并把入射光变成与光轴74基本上平行的光。因此，平行光束以预定的角度射到被照区。

例如，上述结构对根据入射角照射具有不同透射和反射系数的光学空间调制元件是有效的。

另外，由照射角度校正透镜81引起的象差较适宜由中继透镜71校正。

如上所述，当采用图6所示的结构时，有可能获得用具有预定角度的平行光束来均匀照射相对于光轴倾斜的被照区的光学照明装置。

(实施例5)

接着，下面将讨论实施例5。

图7是一张示意图，示出根据本发明的一个实施例的投影显示装置的结构。

本实施例的投影显示装置包括光学照明装置91，反射液晶板92，投影透镜93和屏幕94。

光学照明装置91与图6中的光学照明装置相同。光学照明装置91通过使用实施例4的效果形成高均匀性的平行光束，并照射在反射液晶板92上。反射液晶板92通过调制和反射入射光，形成相应于视频信号的光学图像。通过投影透镜93将反射液晶板92上的光学图像投影在屏幕94上。

投影透镜93基本上校正了在照射角度校正透镜81上出现的象差，所以，反射液晶板92上的光学图像能高清晰地投影在屏幕94上。

因为设置了照射角度校正透镜81，有可能减少反射液晶板92上折射的光扩展，并能把光射入投影透镜。因此，投影透镜的尺寸可以再小一些。

此外，当第一透镜阵列64上的第一透镜64a的孔径在形状上基本上与反射液晶板92的有效显示区域相同时，有可能减少照在有效显示区域以外地方的不必要的光线。因此，能够改善投影图像的对比度。

而且，当照射反射光学空间调制元件时，可以将平凸透镜用作照射角度校正元件81，该平凸透镜的凸表面在光学空间调制元件92一边。经过这么做，能防止再次进入光学空间调制元件92的不必要的反射光，由此进一步改善了对比度。

另外，在用彩色轮或类似物作彩色连续显示的情况，彩色轮设置在靠近第二光发射表面70的附近。该彩色轮上有像圆盘一样排列的红、绿和蓝色滤光器。由于能在靠近第二光发射表面70的附近形成较小平行宽度的平行光束，有可能减少由彩色滤光器与入射角度的依赖性引起的波长漂移。

此外，本发明的光学空间调制元件不限于本实施例的反射液晶板92。也可以采用半透明的液晶板和用多个小反射镜调节光线的反射镜装置。

而且，投影显示装置能用前双体型和后整体型中的任一种，获得本发明的效果。

此外，当把图1和图5的光学照明装置用作光学照明装置，也能得到同样的效果。

如上所述，当采用图7的结构时，有可能有效且均匀地照射相对于光轴倾斜的光学空间调制元件。因此，有可能获得高图像质量明亮图像的投影显示装置。

(实施例6)

接着，下面将讨论实施例6。

图8是一张示意图，示出根据本发明的一个实施例的投影显示装置的结构。

本实施例的投影显示装置包括光学照明装置101，反射液晶板102，投影透镜103和屏幕104。

光学照明装置101与图4中的光学照明装置相同。反射液晶板102由光学照明装置101形成的没有亮度梯度的平行光束照射。通过投影透镜103将反射液晶板102上的光学图像投影在屏幕104上。

投影透镜103的图像圈很大，并能以偏轴进行投影。因此，在屏幕104上的倾斜投影可能没有畸变。

如上所述，当采用图8的结构，有可能有效且均匀地照射相对于光轴倾斜的光学空间调制元件102。因此，有可能获得有高图像质量的明亮图像的投影显示装置。

另外，在与图4所示的实施例2光学照明装置的第一光发射表面45几乎相同的位置上放一个半透明液晶板，就能获得投影显示装置。在这里，所述半透明的液晶板经过调制和传送入射光形成相应于视频信号的光学图像。第一中继透镜46和第二中继透镜49也起了投影透镜的作用，用于把由液晶板形成的光学图像投影到位于第三光发射表面50处的屏幕上。

如上所述，根据本实施例，即使照射在相对于光轴倾斜的被照区时，有可能获得一种光学照明装置，该光学装置能有效地聚拢发自灯的光并在某一倾斜方向无亮度梯度地照射被照区。

而且，可能获得能显示高质量和高亮度，亮度均匀图像的投影显示装置。

工业适用性

如上所述，本发明能提供光学照明装置和投影显示装置，这些装置不会在屏幕上形成光路径弯曲装置的微型反射镜的边缘等。

而且，本发明能提供在银屏上不会形成相对于光轴亮度分布不对称的图像的光学照明装置和投影显示装置。

Claims (16)

1.一种照射相对于光轴倾斜的被照区的光学照明装置，包括：

光源，

聚拢从所述光源发射的光的前级光学照明系统，

用所述聚光光束射入的光透射元件，用于形成第一光发射表面；以及

中继光学系统，用于利用经过所述第一光发射表面的光在所述被照区上形成第二光发射表面，其中

所述中继光学系统使所述第一光发射表面和所述第二光发射表面彼此基本上互相共轭，所述光发射表面相对于所述中继光学系统的光轴倾斜，以及

所述光透射元件校正所述入射光束的传播方向，以形成所述第一光发射表面，使出射光束有效地入射在所述中继光学系统上，而且所述光透射元件形成所述第一光发射表面，使所述第一光发射表面在某个方向上具有亮度梯度，在该方向上出现在所述中继光学系统上亮度梯度被消除。

2.按照权利要求1的光学照明装置，其特征在于，所述前级光学照明系统包括使所述聚光光束具有基本上均匀亮度分布的光学积分器元件。

3.按照权利要求2的光学照明装置，其特征在于，所述光学积分器元件包括第一透镜阵列和第二透镜阵列。

4.按照权利要求1的光学照明装置，其特征在于，所述照明透射元件是偏心透镜、双凸透镜、渐变折射率透镜、塑料非球面透镜、菲涅耳透镜、和棱镜元件的任何一种，使这些透镜元件相对于所述前级光学照明系统的光轴偏心。

5.按照权利要求4的光学照明装置，其特征在于，所述偏心透镜具有非球面表面。

6.按照权利要求1的光学照明装置，其特征在于，包括一个靠近所述被照区的进入一侧的照射角度校正元件。

7.一种照射相对于光轴倾斜的被照区的光学照明装置，其特征在于，包括：

光源，

聚光光学系统，它通过把从所述光源发射的光聚拢而形成单光束，以形成基本上与所述光轴相交的第一光发射表面，

第一中继光学系统，用于利用穿过所述第一光发射表面的光形成第二光发射表面，以及

第二中继光学系统，用于利用穿过所述第二光发射表面的光在所述被照区形成第三光发射表面，其中

所述第一中继光学系统使所述第一光发射表面和第二光发射表面彼此基本上互相共轭，所述光发射表面相对于所述第一中继光学系统的光轴倾斜，

所述第二中继光学系统使所述第二光发射表面和所述第三光发射表面彼此基本上互相共轭，所述光发射表面相对于所述第二中继光学系统的光轴倾斜，以及

所述第一中继光学系统给所述第一光发射表面在消除出现在所述第二中继光学系统的亮度梯度的某一方向提供亮度梯度，并形成所述光发射表面。

8.按照权利要求7的光学照明装置，其特征在于，包括在所述第一光发射表面或者第二光发射表面附近弯曲光路径的光学弯曲装置。

9.按照权利要求8的光学照明装置，其特征在于，所述光路径弯曲装置是偏心透镜、双凸透镜、渐变折射率透镜、塑料非球面透镜、菲涅耳透镜、和棱镜元件的任何一种，使这些透镜元件相对于形成所述第一光发射表面的聚光光学系统的光轴或所述第二中继光学系统的光轴偏心。

10.按照权利要求9的光学照明装置，其特征在于，所述偏心透镜具有非球面表面。

11.按照权利要求7的光学照明装置，其特征在于，包括一个在所述被照区的输入边附近的照射角度校正元件。

12.一种投影显示装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1到6中任一项所述的光学照明装置，

安置在与所述第二光发射表面几乎相同的位置上的、用于形成相应于视频信号的光学图像的空间调制器，以及

投影所述空间调制器的光学图像的投影透镜。

13.一种投影显示装置，其特征在于，包括：

按照权利要求7到11中任一项所述的光学照明装置，

安置在与所述第三光发射表面几乎相同的位置上的、用于形成相应于视频信号的光学图像的空间调制器，以及

投影所述空间调制器的光学图像的投影透镜。

14.一种投影显示装置，其特征在于，包括：

按照权利要求7到11中任一项所述的光学照明装置，

安置在与所述第一光发射表面几乎相同的位置上的、用于形成相应于视频信号的光学图像的空间调制器，其中

所述第一中继透镜系统和所述第二中继透镜系统将所述空间调制器的光学图像投影到位于所述被照区上的屏幕上。

15.按照权利要求12的投影显示装置，其特征在于，包括在所述第一光发射表面附近的旋转彩色轮，所述旋转彩色轮有一个像圆盘似的彩色轮，以有选择地透射红色，绿色，和兰色光，以及

所述光学空间调制元件受颜色的连续驱动。

16.按照权利要求13的投影显示装置，其特征在于，包括在所述第二光发射表面附近的旋转彩色轮，所述旋转彩色轮有一个像圆盘似的彩色轮，以有选择地透射红色，绿色，和兰色光，以及

所述光学空间调制元件受颜色的连续驱动。

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