[发明专利]偏光转换元件、偏光转换光学系统和图像投影设备

说明书

技术领域

本发明大体上涉及用在透射式或反射式图像投影设备中的偏光转换元件、使用了该偏光转换元件的偏光转换光学系统以及使用了该偏光转换光学系统的图像投影设备。

背景技术

在用在图像投影设备中的液晶成像元件中，仅仅一个方向的偏光分量得到有效利用，并且与上述方向垂直的另一个方向的偏光分量造成对比度变差。因此，通过在液晶成像元件的前面段和后面段处设置偏光器来控制偏振方向。但是，从光源发出的光束为其偏振方向不是所述一个方向的非偏振光束。因此，在偏光器选择所述一个方向的偏光分量时，光通量也变为一半。

为了解决这个问题，通常在偏光器的前面阶段中设置偏光转换元件，它有效地使得从光源发射出的非偏振光束成为沿着一个方向的光束。在该偏光转换元件中，非偏振光束通过偏振光束分光器基本上分成P偏振和S偏振，并且通过一个方法使这两个偏振的其中一个方向转动90°，从而使两个偏振为相同的方向。因此，两条光束的方向变得相同(例如，参照专利文献1)。

使分开偏振中的一个的偏振方向转动通常存在两种方法。在第一种方法中，采用1/2波长板，即采用在两个方向之间的折射率差异。在第二种方法中，使用两个反射镜，即在通过这两个反射镜反射分开的光束的同时适当地确定两个反射镜的反射方向，从而使得总光束的方向为相同的方向。在第二种方法中，由于采用了通过反射镜进行反射，所以能够与波长无关地有效进行转换；但是，由于来自图像投影设备的照明光束具有一定的厚度，所以使用了反射镜的偏光转换元件的尺寸变得较大并且还有不容易形成用来将分开光束合并的光学系统。在偏光转换元件分成多个部件并且将许多部件排列布置时，偏光转换元件可以较薄；但是布置这些反射镜在逻辑上是可能的，但是实际上很困难。另一方面，在第一种方法中，由于使用了1/2波长板，所以容易布置这些1/2波长板。另外，由于设置在图像投影设备的照明光学路径上的蝇眼透镜可以与1/2波长板一起使用，所以通常采用第二种方法。

图27为一示意图，显示出透射式液晶图像投影设备。图28为一示意图，显示出反射式液晶图像投影设备。这两种类型都使用了液晶成像元件，并且具有偏振选择性。另外，在这两种类型中，使用了几乎相同的照明光学系统。

首先将对在图27中所示的透射式液晶图像投影设备的操作进行说明。从光源1001例如白炽灯发出的非偏振光束在反射镜1002处大致变为平行光束，并且这些大致平行光束在光学积分器中输入。光学积分器1003使得罩在成像元件上的光的照度一致，并且由一对蝇眼透镜1003-1和1003-2构成。蝇眼透镜为这样一种透镜阵列，其中多个透镜沿着长度和宽度方向布置。在蝇眼透镜中的每个透镜具有与成像元件类似的形状。

透射穿过在第一蝇眼透镜1003-1中的每个透镜的光束通过第二蝇眼透镜1003-2和设置在第二蝇眼透镜1003-2后面的聚光透镜投射在成像元件上。这样，使得在成像元件上的照度分布均匀。

从光学积分器1003输出的光束输入在偏光转换元件1004中。在偏光转换元件1004中，对应于蝇眼镜头的节距，布置有偏振光束分光器、反射膜表面、1/2波长板等。偏光转换元件1004有效地将非偏振光束转换成沿着一个偏振方向的光束。从偏光转换元件1004输出的光束透射穿过聚光透镜1005，并且通过反射镜1006反射，从而通过分色镜将反射的光束分成红色光束、绿色光束和蓝色光束。这些分开的光束照射在成像元件上。

例如，透射穿过第一分色镜1007的光束通过反射镜1009反射，并且反射的光束通过透射穿过红色聚光透镜1014-1而照射在红色液晶元件1015-1上。由第一分色镜1007反射的光束通过第二分色镜1008反射，并且反射的光束通过透射穿过绿色聚光透镜1014-2而照射在绿色液晶元件1015-2上。透射穿过第二分色镜1008的的光束经由透镜1010、反射镜1011、透镜1012和反射镜1013通过透射穿过蓝色聚光透镜1014-3照射在蓝色液晶元件1015-3上。

液晶元件1015-1、1015-2和1015-3为成像元件，并且根据红色、绿色和蓝色分量的图像信号调制相应的光束。通过彩色合成棱镜1016使得透射穿过液晶元件1015-1、1015-2和1015-3的光束成为合成光束，并且通过投影透镜10170将这些合成光束透射在屏幕1018上。