CN1048106A

CN1048106A - 光照明系统及含该系统的投影装置

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Publication number: CN1048106A
Application number: CN90104121A
Authority: CN
Inventors: 阿德里安纳斯·亨利卡斯·约翰内斯·范登布兰特; 威廉马斯·阿德里安纳斯·杰拉达斯·蒂马斯
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1990-04-25
Publication date: 1990-12-26
Anticipated expiration: 2005-04-25
Also published as: NL8901077A; JP3377095B2; CN1023260C; KR900017399A; KR100232777B1; UA39847C2; US5098184A; JPH03111806A; EP0395156A1

Abstract

本发明涉及一种用于图象投影装置的高效照明系统，它包括一个辐射光源(20)，一块凹面反射镜(21)及第一和第二显示板(25，28)，每块显示板上带有透镜矩阵(26，29)，用于在被照明的物体(1)上形成辐射源的叠加的图象。透镜(26，29)的宽高比和物体(1)的宽高比相一致。

Description

本发明涉及一种照明系统，该系统提供一种沿主轴的辐射光束，供照明在垂直于该主轴的平面内的、具有非圆形横截面的物体。所说的系统包括一个辐射源、一个用于聚集该辐射源所发射线的凹反射镜和一个设置在被聚集射线光程中的透镜系统。本发明还涉及一种包括用于照明至少一块图象显示板的照明系统的图象投影装置，通过照明产生了图象，该图象经过一个投影透镜系统被投影到影屏上。

本文中所说的图象投影装置是广义的，它包括显示如电视图象、图解图象、数字图象或其组合图象的投备。该图象可以是黑白图象和彩色图象。在彩色图象时，显示系统可以包括用于红、绿、兰三原色的三种彩色信号通道，每一通道包括一块显示板。黑白图象是指仅具有一种颜色的图象，原则上该颜色对应于一种特殊波长，而实际上对应于在该特殊的中心波长附近的波长范围。这种图象可以由一种单色光束形成，该单色光束具有中心波长并尽可能在中心波长的周围具有一波长范围。所说影屏可以是一种透射屏幕，该屏幕将构成该投影装置的一部分并在一端结束该装置。也可以设置得离投影装置有一定距离，该屏幕可以是一个反射屏，例如是一个有适当反射性能的墙。

欧洲专利申请0293007号揭示了一种使用了照明系统的投影电视装置。其中的照明系统用于照射一块液晶显示板。在该公知的照明系统中的反射镜是以大于180°角包围辐射源的抛物柱面反射镜，因而能更多地收集不朝向显示板的射线，并使之反射到显示板上。当用于透射时，液晶显示板具有低的效率：例如仅有10%的投射到该显示板上的射线、穿过投影透镜系统。此外，该系统以放大形式投影该显示板。因此，如果投影屏的单位面积上仍需足够的辐射强度，则照明光束必须具有大的强度。由于投影电视装置是消费装置，因此它应该小巧而不昂贵，并且其结构亦应尽可能简单。首先需要满足辐射源的简单冷却，以便限制辐射源的辐射能量，并尽可能有效地使用该能量。

一个重要的情形是，辐射源与抛物柱面反射镜的组合提供具有圆形横截面的平行光束，而显示板是具有宽高比b/h例如为4∶3的矩形。为了照射整个显示板，位于该显示板外的圆形光束的横截面直径d应为

\sqrt{b^{2} +h^{2}}

，而且光束的中心应与该显示板中心重合。照明光束的超出显示板的矩形以外的部分被阻挡，不能用来将显示板投影到影屏上。在欧洲专利申请0239007号所示设备的第一实施中，为了有效利用得到的射线，在辐射源与显示板之间设置了一块透明板，该透明板的朝向辐射源的一面，具有线性菲涅尔透镜结构。该结构包括许多圆柱体透镜，它们的纵方向平行于显示板的宽度方向。这些圆柱体透镜在显示板的高度方向上会聚光束，因此，在这个方向上可有更多的射线穿过显示板。可以在该第一菲涅尔板后面的射线通路上再设置第二块类似的板，以便使得光束以平行光束投射到显示板上。在该实施例中，光束横截面在显示板宽度方向是不合适的，它将引起在这方向上损失一定量的射线。此外，辐射源提供的光束，其中心的光强度比边缘的大，因而在显示板上的照明强度分布将是不均匀的。

在欧洲专利申请0239007号所示照明系统的第二实施例中，由于采用了两个圆形菲涅尔透镜结构来代替两个复盖整个板面的线性菲涅尔透镜结构，因而得到更均匀的射线分布。这些圆形菲涅尔透镜结构仅仅复盖板的环形区域。其中第一菲涅尔透镜结构会聚光束的周边部分，而第二菲涅尔透镜结构确保该周边部分平行于不受板影响的光束的中间部分。

本发明涉及一种不同构思的照明系统，特别适用矩形或其它非圆形对称的显示板方面。在该照明系统中，由辐射源提供的最大量射线被投射到显示板上，而且在被照射物体处的照明光束具有适合于该物体的横截面，并射线分布可均匀到最大的限度。

本发明提供了照明系统的不同实施例，它通常具有这些特征：其中透镜系统依次包含带有许多第一透镜的第一透镜板，还带有许多第二透镜的第二透镜板和第三透镜，所说第一透镜在垂直于主轴的平面内并在其第一方向上有均匀的宽度和在其第二方向上有均匀的高度，所说第二方向垂直于所说第一方向，第二透镜的数目与第一透镜的数目成正比。第一透镜板将辐射光束分散投射成许多与第一透镜数目相称的分光束，这些分光束在第二透镜平面上有最小的集聚，其主光线向相应的第二透镜的中心;其中第三透镜与第二透镜板共同将形成在第一透镜板上的射线点，以叠合的形式映射到该物体上;及其中第一透镜的宽/高比与物体横截面的宽/高比相应。

由于第一透镜板的透镜宽/高比等于物体的宽/高比，并且因这些透镜被映射到物体上，在物体上的照明光束的横截面形状适合于该物体的形状，这样，基本上所有的投射在第一透镜板上的射线都能到达该物体。由于形成在第一透镜板的透镜上的射线点通过第二透镜板及其后面的第三透镜以叠合的形式被投射在该物体上，因此，在物体位置处的光束射线分布具有所需程度的均匀性。

必须指出在西德专利说明书1144498号中，揭示了一种在照明光束通路中设置了两个透镜板的图象投影装置。这些透镜板的唯一目的是以幻灯片形式实现物体的均匀照射。该说明书中没有阐述增加的物体上射线数量的问题，也没有陈述该透镜板的透镜的形状必须适合于物体的形状。在该实施例中，每一块透镜板的前侧和后侧都有一排圆柱体透镜，前侧透镜的圆柱体轴线垂直于后侧圆柱体透镜的轴线。

本发明照明系统另外的特征在于：所说第三透镜与第二透镜板相集成。

因此，减少了该照明系统的部件数量，并缩短了该系统的长度。

此外，本发明系统的特征还在于：至少一个所说透镜板的透镜是非球面的。

非球面透镜是指其基本形状是非球面的，而其实际形状与它稍有不同，以便校正该基本形状的球面象差。通过在透镜板中使用非球面透镜，可以改善映射质量。

本发明照明系统的其它特征在于：第二透镜的数目等于第一透镜的数目。

最好每一块第一透镜在第二透镜板上形成一种具有特性的最小的光束会聚。

该照明系统的另外特征在于：第二透镜的数目二倍于第一透镜的数目。

也可以是这样的情形：即每一块第一透镜在第二透镜板上形成一种具有特性的最小的光束会聚，例如，当辐射源图象远离辐射源时。

该照明系统还有可选择的特征在于：第一透镜具有这样的尺寸和以这样的方式设置：即使第一透镜板的表面近似地等于投射在该表面上的辐射光束的横截面。那么，来自辐射源的最大量射线得以被收集。

为了赋于照明光束这样的形状，即在射线通路中，后续的光学部件、例如投影镜头、可以是简单而不昂贵的。该照明系统的另外可选择的特征在于：第二透镜有这样的形状和以这样的方式设置，即第二透镜板近似于圆形。这圆形形状对于投影透镜系统的入射光瞳是合适的。

本发明的照明系统有各种基本的实施例，就透镜板的构造而言，最简单的实施例的特征在于：第一透镜按照第一矩阵设置，还在于位于垂直于主轴平面内的第二透镜的横截面形状与第一透镜的相同;也在于第二透镜按照第二矩阵设置，第二矩阵与第一矩阵共形;及在于第二透镜的宽/高比与物体横截面的宽/高比相对应。

可以把基本实施例中各种不同的可能型式分成几大类，每一类涉及系统中的不同部件。本照射系统可以具有结合不同类中的特征。

第一类实施例涉及照射透镜板的方法和这些透镜板的尺寸比例。该类第一实施例的特征在于：投射到第一透镜板上的辐射光束是平行光束及第一透镜的宽和高等于第二透镜的宽和高。对于这个实施例来说，只要制造一种型式的透镜板就足够了，这从制造技术方面着眼，是有利的。如果该透镜板是用模子复制，仅用一个模子就够了。

第一类的第二实施例的特征在于：投射到第一透镜板上的辐射光束是发散光束及第一透镜的宽和高小于第二透镜的宽和高。

由于由辐射源和反射镜联合提供的辐射光束不需要完全平行，因此，设置在透镜板前面的该照明系统部分可以有较简单的构造。

第一类的第三实施例的特征在于：投射到第一透镜板上的辐射光束是会聚光束及第一透镜的宽和高大于第二透镜的宽和高。

第二类实施例涉及在照明系统内的辐射源的图象的位置。第二类的第一实施例的特征在于：第一透镜板设置在一个平面内，辐射源的图象最先形成在该平面上及通过该透镜板和其后的透镜，所说图象在物体上再次成象。

第二类的第二实施例的特征在于：缩小的辐射源图象形成在每一块第二透镜上。

这里所说的辐射源是指辐射源本身和它的图象，这图象是由设置在透镜板前面的反射镜或其他部件形成的，该图象可以与辐射源本身重合，也可以不重合。

有时，透镜板和其附近的透镜可以结合成集成部件，第三类实施例就涉及这些结合的可能型式。

第三类的第一实施例的特征在于：两个透镜板结合成具有两个外表面的一块板，一个外表面上装设第一透镜矩阵，另一外表面上装着第二透镜矩阵。

如果照明系统与被照射物体之间的距离可以很小，如在该系统与物体之间没有必要设置另外的光学部件，则该实施例尤其有意义。于是第一透镜矩阵与第二透镜矩阵之间的距离也可以很小，并且具有两个透镜矩阵的单块板就不需要厚的。

显示板边缘的照明强度不一定完全等于该板中心的照明强度，如相等时，显示的图象看起来就显得反常，特别当显示电视图象时。这样的话最好使照明强度从显示板中心向边缘稍渐减弱。最后描述的实施例可以实现该减弱，该实施例的特征在于：一块透镜板有一个曲面，这样不同的交联着的第一和第二透镜对在第一和第二透镜之间的距离是不同的。

产生于板中心的透镜的分光束，在被照射物体的区域上形成射线点，这些射线点的尺寸，不同于由产生于板边缘透镜的分光束所形成的射线点的尺寸。这些射线点是重叠的，因此总的照明强度是不均匀的。

第三类的第二实施例的特征在于：至少有一块透镜板与交联的透镜一起结合为一个具有至少一个曲面的光学部件。

所说“交联的”透镜，在该照明系统的原设计中，设置在透镜板的前面或后面，现在组成一个透镜矩阵的支承，因此不再需要分开的支承了。这样，使照明系统结构更为简单，组装更为容易。

如果所说透镜是一个平凸透镜，该实施例有这样的特征：透镜矩阵设置在该透镜的平折射面上。

该实施例还可有这样的特征：透镜矩阵设置在该透镜的弯曲折射面上。

该实施例还可有这样的特征：该透镜的弯曲折射面可由基本上为平面的所代替，而在该平面上设置有透镜矩阵，矩阵中的每块透镜具有曲率的，在相应矩阵透镜位置处的曲率与原弯曲折射面的曲率相关。

在具有两个透镜矩阵的单块透镜板情况下，该矩阵可以在前侧和/或后侧与一个透镜相结合。这种至少一块透镜板和一个透镜相交联成一体，在本照明系统的另一实施例中的应用将在以后叙述。

本照明系统的第四类的实施例涉及该系统的在第一透镜板前面部分的设计。在第四类的第一实施例中，辐射源可以是一个具有较大光弧的灯，该实施例的特征在于：反射镜是球面反射镜，该反射镜在一个平面的一边仅收集由辐射源发射的射线，该平面穿过辐射源中心并垂直于系统的光轴;还在于一个聚光透镜系统设在该平面的另一边，并在第一透镜板的前面。

另一实施例的征在于：反射镜是球面反射镜，该反射镜仅在一个平面的一侧吸收辐射源发出的射线，该平面穿过辐射源中心并垂直于该系统的光轴;还在于两个聚光镜系统设置在所说平面的另一侧，每个系统收集来自辐射源和来自反光镜的射线的不同部分。

该双聚光镜系统的优点是它提供具有低通过量的光束，因此，使用该照明系统的装置的光学部件既简单而不昂贵。

术语“通过量”“集光度”或“接受量”是表示一个光学系统传送辐射能的功率。该功率取决于一个孔径或“光栏”和在光学系统内同一位置处的孔径的结合，并且该功率可以由孔径的面积与立体角的乘积表示，所说立体角在孔径中心被光瞳固定。一个光学系统，在其开始时有给定的通过量，在该系统的后面部分的通过量由于阻挡射线而减少。

由于它的低通过量，该双聚光透镜系统的优点是：使用该照明系统的装置不需要具有如大数值孔径或大横截面这样的昂贵光学部件，这对于为用户使用的装置来说是很重要的。

穿过聚光透镜系统的辐射光束既可以是平行光束也可以是发散光束。

如果辐射源是细长的，第四类的第一实施例有下述特征：辐射源的纵向垂直于主轴。

由此可以得到由第一透镜板的透镜在第二透镜板上形成的所有细长图象具有相同的排列方向。其结果是第二透镜板上的透镜不一定要大于这些图象。通过使辐射源及其由反射镜形成的图象的尺寸与透镜的尺寸互相适应，可使透镜板的基本上全部表面都可用于映射。因此，使用该照明系统的装置的光学部件的用数值表示的孔径可得到限制，如果该装置是个图象投影装置，则可限制投影透镜系统的用数值表示的孔径。

可以指出的是已经公知的美国专利4722593号揭示了一种带液晶显示板的投影装置，其中，在辐射源的一侧有一个反射镜，在另一侧有一聚光透镜系统。但是，这种公知的装置没有设置透镜板。此外，美国专利4722593号装置中的反射镜没有进一步的描述，该反射镜围绕辐射源设置，以便接受来自大于180°角内的全部光源辐射。

聚光透镜系统必须具有大的数值孔径，以便收集最大可能量的射线。原则上，这透镜系统可以包括一个透镜部件。第四类的第一实施例包括一个单独的聚光透镜，该实施例的特征在于：该聚光透镜的至少有一个折射面是非球面的。

一个透镜表面的基本形状是球面的，但它的轮廓呈现出与球形有偏差，以便修正该透镜基本形状的象差。该非球面性提供了使用一个透镜部件的充分的可能性，否则，鉴于需要大的数值孔径，就需要一个或更多的校正透镜部件。

第四类的实施例的另一特征在于;聚光透镜系统包括一个单独的主聚光镜，在该主聚光镜之外至少有一个附加透镜部件。

该附加透镜部件可以取代一部分所需的校正或主聚光镜的透镜功率，因此该透镜制造容易而且不贵。该附加透镜部件也可用于改进投影质量。如果聚光透镜系统的一部分亮度结合到该附加透镜部件中，这些部件可以是非球面的，该附加透镜元件也可以是菲涅尔透镜，其优点是又轻又薄。

该双聚光透镜照明系统的特征在于：第一透镜板被分成两个第一透镜板，它们分别设置在第一和第二聚光透镜系统中，由于在聚光透镜系统中提供了第一透镜板，该照明设备的长度得以缩短。

除了包括球面反射镜和聚光透镜系统的照明系统以外，在本发明还具有很大优点的其它一些实施例中，在这些实施例中，使用另外的部件来聚集源辐射。第三类的第二实施例的特征在于：围绕住辐射源的大部分的反射镜是抛物柱面反射镜。

抛物柱面反射镜本身的优点是能收集很大部分的源辐射。但是，由这些反射镜形成的辐射光束具有不均匀的照射强度分布。实际上将辐射源设置在抛物线焦点之外，就可以得到更均匀的照射强度分布。但这样一来，光束就有大的孔径角，因而投影透镜系统就必须有大的数值孔径。通过在带有抛物柱面反射镜的照明系统中使用所说的透镜板，可以使照明强度分布更均匀。

因为对于形成在第二透镜板的透镜上的每一图象，其射线产生于该抛物柱面反射镜的不同部分，所有这些部分相对于辐射源具有不同的排列方向，所有这些图象相对于透镜板有不同的排列方向。为了最大程度上有效地利用射线，第四类的第二实施例及其它实施例的特征在于：第二透镜板的透镜的宽和高大于形成在所述透镜上图象的宽和高。

每块第二透镜的表面不是全部用于成象。特别当使用普通的辐射源时，例如使用一个具有较大尺寸的金属卤化灯时，该投影透镜系统必须有较大的数值孔径。这将减少使用透镜板的兴趣。但是，申请人由于在具有大亮度小尺寸的光原的领域中的研究获得新发展，一种带有抛物柱面反射镜和透镜板的照明系统至少与带有球面反射镜、聚光透镜系统和透镜板的照明系统具有同样的吸引力。

有关第四类的第二实施例的上述内容也可应用于该类第三实施例，该实施例的特征在于：围绕住辐射源的大部分的反射镜是一只椭园柱面反射镜。

产生于该椭圆柱面反射镜的辐射光束可以是会聚光束，因此，第一透镜板上的透镜的宽和高大于第二透镜板上的透镜的宽和高。

然而按照其它特征是在本实施例中的反射镜和第一透镜板之间放置一个准直透镜。这时，第一透镜板的透镜的宽和高等于第二透镜板的宽和高。

第四类的第三实施例的特征在于：围绕住辐射源的大部分的反射镜是双曲柱面反射镜。

产生于该双曲柱面反射镜的光束是发散光束，因此，第一透镜板上的透镜的宽和高小于第二透镜板上的透镜的宽和高。

然而，第三实施例的其它特征是：在反射镜和第一透镜板之间设置一个准直透镜，第一透镜板的透镜的宽和高等于第二透镜板的透镜的宽和高。

如果第四类的这些实施例中有一细长的辐射源，这些实施例的其它可取的特征在于：辐射源的纵向平行于主轴。

本发明的照明系统的第二基本实施例涉及这样一种系统：即辐射源是细长的，辐射源的纵向平行于主轴，并具有抛物柱面、椭圆柱面或双曲柱面反射镜、该实施例特征在于：在垂直于主轴平面内的第二透镜的横截面是边数为3n的多边形，其中n＝1.2等等。外侧透镜的外边近似其外接圆的局部曲率，而每一个外侧透镜的至少两边和所有其它透镜的所有边与邻接透镜的边相啮接。

第二透镜的形状要做成能充分收集由第一透镜形成的不同排列方向的射线点，并且充满板表面。此外，在使用该照明系统的装置中，该透镜板的形状要很好地适合于后面的光学部件。

该第二基本实施例的其它可取的特征：为第二透镜的横截面是六边形的。

具有与第二基本实施例相同结构和优点的本发明系统的第三基本实施例的特征在于：第二透镜的横截面是一个圆的一部分，所说的透镜互相啮接，第二透镜板是园的。

本照明系统的第四基本实施例的特征在于：第二透镜的横截面是一个环的一部分、所说透镜互相啮接、第二透镜板是圆的。

这个基本实施例的其它特征是：第二透镜设置在至少二个环内。

本发明的照明系统的第五基本实施例的特征在于：第二透镜板包括一个横截面为圆的一部分的第一透镜组和横截面为环的一部分的第二透镜组，第二透镜设置在至少一个环内。

本发明还涉及一种图象投影装置，该装置依次包括：一个照明系统、一个至少具有一块用于产生要被投影的图象的显示板的显示系统，和一个用于将这些图象映射到影屏上去的投影透镜系统。该装置的特征在于：照明系统是上述系统之一，还在于一个用于将照明系统的发射光瞳映射到投影透镜系统的入射光瞳上的透镜，它被设置在射线通路上，并位于显示板的前面和靠近显示板。

本图象投影装置的一个包括所说照明系统的重要的实施例是一种彩色图象投影装置，它具有用于红、绿、兰三原色的三种彩色通道，每个彩色通道包括一个独立的显示板。该装置的特征是含有一个通过彩色分离设施为这三个彩色通道提供分离的光束的照明系统。

该装置还有可取的特征是每个彩色通道含有一个单独的上述型式之一的照明系统。

以下参照附图详细描述本发明的实施例：

图1表示一个图象投影装置的示意图;

图2表示该装置用于本发明的照明系统的第一实施例;

图3表示用于该照明系统的透镜板;

图4是第二透镜板的后视图，辐射原的图象已形成在该板上;

图5是该第一实施例的第一改进例，其中包括一个组合聚光透镜系统;

图6是该实施例的第二改进例，其中包括一种双聚光透镜系统;

图7是图2、5所示照明系统的第一和第二透镜板的实施例;

图8是图6所示照明系统的第一和第二透镜板的实施例;

图9表示图6所示照明系统的另一实施例;

图10是第一实施例的改进例，其中包括两块不相等的透镜板;

图11至图17表示将透镜板与透镜集成的各种不同可能型式;

图18表示该照明系统的一个实施例，其中包括一集成透镜板;

图19表示这样一个实施例，其中的透镜板适合于得到特殊的照明强度的分布;

图20表示本照明系统的一个实施例，其中包括围绕着辐射源的抛物柱面反射镜;

图21表示形成在该系统第二透镜板上的辐射源图象;

图22表示本照明系统的一个实施例，其中包括一个抛物柱面反射镜和一块适合于得到特殊的照明强度分布的透镜板;

图23、24和25表示本照明系统的实施例，其中包括围绕着辐射源的椭园柱面反射镜;

图26表示本照明系统的一个实施例，其中包括一只双曲柱面反射镜;

图27表示一只具有抛物柱面反射镜的照明系统和第二透镜板的第二实施例;

图28表示第二透镜板的第三实施例;

图29表示一只具有抛物柱面反射镜的照明系统和第二透镜板的第四实施例;

图30和31表示第二透镜板的其它实施例;

图32、33和34表示彩色图象投影装置的第一、第二和第三实施例，在该装置中可使用本照明系统。

图1中方框A代表发射辐射光束b的照明系统、光束b的主轴与该图象投影装置的光轴00′重合。当需要投影一单色图象时，该光束就被投射到具有一块显示板1的显示系统B上。该显示板例如可以为一块液晶显示板（LCD）。该显示板包含一层如丝状的液晶材料4，该液晶材料4封闭在两块透明板2和3之间，如玻璃板。激励电极5和6设置在每块透明板上。这些电极可以分成许多行和列，因此，显示板内的许多象素被限定。通过激励该矩阵电极，如通过激励图中所示的端子7和8，就能激励这些不同的象素。这样，就提供了一个在所需位置穿过液晶材料4的电场。该电场使材料4的有效折射率改变。因此，光束穿过给定的象素受到或不受到偏振方向的旋光，取决于有关象素位置处局部电场的不存在或存在。

也可以用一个有源激励板来代替这种无源激励板。在有源激励显示板中，其中的一块支承板上有一个电极，且在另一块板上设有半导体激励电路。这样，每个图象被它自己的有源激励元件所激励，如被一只薄膜晶体管。欧洲专利申请0266184号中揭示了直接激励显示板的两种型式。

投射到显示板1的光束必须是偏振的，最好是线性偏振。但是，照明系统A产生非偏振辐射。该射线的具有所需偏振方向的线性偏振成分通过一只偏光镜10选择出来。一只检偏镜11设置在穿过显示板的射线通路上，该检偏镜11的偏振方向平行于偏振镜10的偏振方向。因此，从这些象素产生的已被激发并不改变光束偏振方向的射线，将穿过检偏镜11射向投影透镜系统C，而从那些非激发所产生的已改变光束偏振方向90°的射线被该检偏镜阻挡。于是，该检偏镜将光束的偏振调制转变为强度调制。投影透镜系统C将形成在显示板1上的图象投影到屏幕D上。该投影的图象可以被位于屏幕后的房间里的观赏者W观察到。

在上述实施例中，没有电场穿过的象素以黑点成象在屏幕D上。可用这样的方式激励象素：即提供这样一个场强穿过象素，该λ射线偏振光的偏振方向不旋转90°，但这些线偏振光转变成为椭园偏振光。这种光的一部分穿过射向屏幕，其余部分被阻挡。于是，相应的光束成分不是以黑的或白的成分，而是以灰色成分在屏幕上成象，其灰色是可以调节的。

原则上，一种带有液晶显示板的图象投影装置也可以采用园偏振光或椭园偏振光来代替线偏振光。这时，显示板可以改变该园偏振光的旋光方向或改变椭园偏振光的椭园轴比例。该光最终将通过附加的偏振装置而转变成线偏振光，所说的改变将引起该线偏振光的偏振方向发生变化。

如果使用的显示系统的象素处于激励状态时，改变偏振方向，而处于非激励状态时，则不改变方向，这时可设置一只与显示板11串联的附加偏振转动器，它呈液晶材料附加层的形式并使整个光束偏振方向转动90°。因此，在屏幕上的图象与形成在带显示板的装置上的图象有同样的极性，在该显示板上的象素处于激励状态时不改变偏振方向。

如果在一装置中，象素处于激励状态时不改变偏振方向，这些象素仍以黑色象素显示在屏幕上，为了得到增强的对比度或者为了减少装置的彩色相关性或为了提高显示板的切换速度也可以使用图1中用数字12表示的附加偏振转动器。

可以用一块λ/2板作为附加偏振转动器12来代替液晶材料层，其中λ是是投射光的波长。另一办法是可把检偏镜相对于原来的方向旋转90°。

当用于透射时，液晶显示板具有低效率，如只有10%的投射到显示板上的射线穿过投影透镜系统。此外，该系统以放大形式使板成象，因此，如屏幕上仍要有足够的单位面积射线强度，则照明光束应有较大的强度。使用具有高亮度的灯作为辐射源仅提供有限的改进。实际上，具有如弧光灯形式的高亮度的灯通常也只有较大的辐射表面积。因此，该照明系统的输出孔径也将较大。当为了限制投影装置中后续的光学部件的尺寸而减少该光束横截面时，还将损失一部分光能。因此，最好是尽可能地从灯接收光，并将它们聚集成窄的光束。进一步的要求是在显示板处的该光束的横截面要最大限度地适合显示板的矩形形状，以便使落在该板外的光的数量尽可能少。

图2表示了本发明的照明系统的第一实施例。它满足上述的要求。该系统包括光源20，它向着显示板1的方向及向后面（在图2中为左边）发射光。在光源20后设置了一面接收向后发射的光并形成该光源图象的球面反射镜21。在图2中，由反射镜21形成的光源图象与光源重合。假设该光源可由它本身的光穿透，实际上往往不是这种情况，此时，为确保光源图象位于该光源的旁边，由光源发射的光及图象被聚光镜系统23接受并将该光聚集成平行光束。换言之，它将光源映射到无限远。该平行光束照射到第一透镜板25上。透镜板25的朝向光源的一面装有透镜矩阵26，另一面27最好是平的。图3表示了该板的立体图。

为简明起见，图2仅表示4只透镜。实际上，透镜板25包含8×6只透镜，如图3所示。每一透镜26将辐射源20映射到与第二透镜板28相交联的透镜29上。图3中的板28朝向光源的面30是平的，远离光源的一面装有透镜矩阵29。板28上透镜的列和行数与板25上透镜的列和行数相应。为了由相应的透镜26将辐射源映射到不同的透镜29上，每次要用照射到板25上的光束b的不同部分。为了表示清楚，图2仅表示分光束b₁和b₂。每一透镜29确保形成在相应透镜26上的射线点映射到显示板1上。透镜31设置在第二透镜板28的后面并确保在显示板平面上所有的再次成象是互相叠合的。这使在该平面内的照明强度分布具有所需的均匀性，其均匀度取决于板25和28的透镜数目。

当液晶显示板用于显示普通的电视图象时，具有b∶h＝4∶3的宽高比，宽度b是x方向即垂直于图2平面方向的尺寸，高度h是在图2平面内的并垂直于光轴00′的Y方向的尺寸。在图1的实施例中，板25和28的透镜26和29具有相同的宽高比。因此，来自聚光透镜系统并穿过第一透镜板的全部射线通过显示板，该照明系统具有高的会聚效率。

图4是第二透镜板28的后视图，其中透镜29的宽高比清楚可见。该图还表示了形成在透镜29上的辐射源的图象。假如反射镜21在辐射源旁边映射大部分的辐射源，则在每只透镜29上形成两个辐射源图象32和33。所有这些辐射源图象具有相同的排列方向。作为上述的结果并由于正确选择辐射源的尺寸以及由反射镜21形成的辐射源图象，就可以使每只透镜29的表面面积基本上得到充分利用，其中辐射源的尺寸取决于反射镜21，这样就可以限制这些透镜和透镜板的尺寸，因而投影透镜系统C的数值孔径也可以保持最小，并用该透镜系统C将显示板映射在屏幕上，这在图2中未表示。

在图2中的图象投影装置，在显示板1的前面还设置着另一只透镜34，它将照明系统的发射光瞳映射到投影系统C的入射光瞳里。

透镜26的尺寸取决于在显示板1的面积上所希望得到的光束横截面的对角线的尺寸，还取决于由透镜31、34及透镜29所组成的透镜系统的放大率。液晶显示板的尺寸通常用该板的对角线D₁表示。透镜26的对角线D₂₆由下式给出：

D_{26} = \frac{D_{1}}{M_{34}} \times \frac{f_{29}}{f_{31}}

式中：f₂₉和f₃₁分别代表透镜29和31的焦距，M₃₄代表透镜34映射透镜31所形成射线点的放大率。在本图象投影装置的一个实施例中，显示板的对角线是48mm，放大率f₂₉/f₃₁约为0.3，M₃₄约为0.9，因此透镜26的对角线约为16mm，这些透镜的宽度约为12.8mm，高度约为9.6mm。

聚光透镜系统必必具有大的数值孔径，如约为0.85，以便能从光源收集足够的射线。如图2所示，该聚光透镜系统可以是一只单独的厚透镜部件22，为了限制成象误差，该透镜部件应至少有一个非球面形表面。如在该透镜部件上加上一只或更多的附加透镜部件，如图5所示的透镜22′和23，则对该透镜部件22的要求可以降低。该附加透镜例如可为非球面的，它能提供主透镜22′的所需的部分校正。还可能增加内装在附加透镜部件中的聚光透镜系统所需的一部分光率。该附加部件不仅可以是具有弯曲折射表面的部件，而且可以是轻而薄的菲涅尔透镜部件或具有径向变化折射率的透镜部件。

本照明系统也可以采用如图6所示的一双聚光透镜系统来代替单个的聚光透镜系统。在该照对系统中，双聚光透镜系统22′₁、23₁和22′₂、23₂分别设置在辐射源20的前面。该辐射源可以是一只具有长宽比为2∶1的细长金属卤化灯。如图2和6所示，该灯的纵向垂直于光轴00′。聚光透镜系统收集的射线聚集成两股分光束b′和b″，并由反射镜36、37反射到光轴00′上。组成屋脊状的反射镜38和39设置在光轴的两边并在光束b′、b″的主轴互相交叉处，在该处的光束的横截面是小的。这些反射镜折射的光束b′、b″使之射向光轴。这些光束的最小集聚是在平面40内，因此在该平面内设置了两个具有小辐射表面的辅助辐射源。

在图6中表示了这些辐射源或灯图象41、42的前视图。这些图象返回到灯位置处的尺寸等于灯的尺寸。包含图象41和42的园43的半径比所述辐射源的园半径小一倍。因此，辐射源20的射线通过该双聚光透镜系统被聚集成为具有小横截面的光束。此外，形成图象41和42的光束b′、b″的口径也较小。这说明该双聚光透镜系统有低的通过量。术语“通过量”或“集光度”或“接收量”是表示一个光学系统传送辐射能的功率。该功率取决于孔径或“光栏”和在光学系统内同一位置处的组合，该功率并可表示为孔径面积与立体角的乘积，该立体角在孔径中心处被光瞳固定。在一个光学系统中，在开始时有一给定的通过量，该系统的后面部分的通过量仅由于阻塞辐射而减少。

由于该双聚光透镜系统有低的通过量，使用该照明系统的图象投影装置不需要具有大的数值孔径或大横截面的贵重光学部件，这对于作为用户使用的装置来说是尤为重要的。

在双聚光透镜系统中，反射镜21也放置在辐射源20的后面，把发自光源后面的辐射光反射到聚光透镜22′₁、22′₂上，以便增强光束b′、b″的强度，提高照明装置的效率。

为了使布置在照明系统之后的光学部件具有尽可能最小的数值孔径，同时为光学装置提供尽可能简单而廉价的光学部件，第一透镜板的形状尽可能满意地与照射在它上面的光束的截面相适应。而且，第二透镜板的形状尽可能满意地与光学系统的数值孔径相适应，如与放置在该显示板后的投影透镜系统的数值孔径相适应。

对于图2和图5中所示的照明系统，这个装置的第一透镜板25的透镜和第二透镜板28的透镜具有这样的尺寸和布置方式，即它们相互连接要尽可能地充满一个园形表面，如图7所示。这个图是带有透镜26的透镜板25的后视图和带有透镜29的透镜板28的前视图。

在图6所示的照明系统中，其中光源图象41、42是矩形的，第一透镜板25最好大致为方形，而第二透镜板28最好大致为园形，加图8所示。类似于图2、5及6的照明系统，透镜板25上的每块透镜26必须按如下方式折射照在其上的分光束，即该分光束的主轴指向第二透镜板上相交联的透镜29的中心。

图9表示了照明系统的一个实施例，它由一双聚光镜系统组成，其中使用两块第一透镜板25、25′，透镜板25、25′可分别放置在两块主聚焦透镜22′₁、22′₂和反光镜36、37之间。位于透镜板25、25′的面积内的光束b′、b″具有矩形横截面，所以，这些透镜板也最好为矩形，如图9所示。透镜板28具有园形，以便更好地和放置在显示板之后的光学部件相适应。该透镜板上的透镜数举例该可以是透镜板25和25′上的透镜数的两倍。

透镜板25或25′不仅可以放置在主聚光镜22′₁或22′₂和反光镜36、37之间，但也可以放置在反光镜36、37和后面的反光镜38、39之间。

图9所示的实施例也可以包括类似于图6中所示透镜部件23₁和23₂的附加聚光透镜部件。然而，也可以把这种透镜部件与透镜板25、25′相集成，与下面参照图11-18的描述相类似。

按照图2和图5所示，由于在照明系统中照射在第一透镜板25上的光束是平行光束，透镜板25上的透镜可以和透镜板28上的透镜有相同的宽度和高度。这样，就可以使用一种模具，只要生产一种类型的透镜板。

在下列情况下最好降低对图5中单个聚焦部件23的要求，这种情况如图10所示，如果从部件22″发射的辐射光束，不是平行的而是发散光束，则第二透镜板28上的透镜的宽度和高度必须大于第一透镜板25上的透镜的宽度和高度。

如果把图5所示实施例中的聚光部件23布置在第二透镜板28的后面，那么可得到如图10所示的类似的布置。

在图2、5、6和7中所示的实施例中，透镜板28和平凸透镜31能分别集成为如图11、12、13所示的一个部件45、46、47。于是，该透镜即可作为透镜29的矩阵的支承，使该照明系统包含一单元透镜，这样可以简化此系统，并使它易于装配。根据图11的实施例，透镜29的矩阵布置在透镜体48的平面上，而曲面49保持其原来的形状。

图12所示的集成透镜中，透镜29的矩阵布置在透镜体47的曲面上，另一面50则是平面。

图13是集成透镜部件47的实施例，其曲面被不同曲率的透镜29所代替。原则上矩阵透镜29′的曲率和该透镜在图11和12中的表面49上相应的位置上的曲率相对应。但由于下列原因要做调整，即照射该矩阵透镜的分光束通过一块较薄的透镜并得到不同的方向。

在图5所示的实施例中，透镜23和透镜板25也可以用集成透镜部件代替，该部件由图14、15所示的两种方式形式。在图14的实施例中，透镜26的矩阵布置在集成部件51的第一个曲面52上，在图15的实施例中，透镜26′的矩阵布置在集成部件52的一个大体上为平面的表面上。透镜26′有不同的曲率，它大致与图5中的透镜23的第一表面上的各块矩阵透镜26的位置处的曲率相对应。

图16和17分别表示两个集成透镜55、56的实施例，其中图10中的透镜板28和透镜31′的功能是集成在一起。根据上面的描述，图16和17不必更多地阐述。

原则上，凸透镜表面可以由位于大致平坦的表面上的透镜矩阵代替，这些透镜有不同的曲率。图5中的透镜23和透镜25及图10中的透镜31′和透镜板28都可以用图13所示的集成透镜代替。

图11～17所示的集成透镜部件的不同实施例，也可以用在下文将要描述的照明系统中。按照图2、5、6和10所示的系统除上述外还使用反射镜。

由于f₂₉与透镜板25和28之间的距离d₁相等，而f₃₁同透镜31和由透镜34在物体上形成的图象之间的距离d₂相等，所述物体是由通过透镜31形成的辐射点照明的，由上面给定的关系，比率d₁/d₂具有如下的等式：

D_{26} = \frac{D_{1}}{M_{34}} \times \frac{f_{29}}{f_{31}} = \frac{D_{1}}{M_{34}} \times \frac{d_{1}}{d_{2}}

距离d₂是由使用该照明系统的装置的设计决定的，在彩色图象投影装置的情况时，一组要求给定内装长度的色彩选择镜布置在透镜31和显示板1中间，因此，距离d₂和距离d₁要相当大。

在彩色图象投影装置的其它实施例中，或在该照明系统的其它应用中，距离d₂和其后的距离d₁可相当小，在这种情况时，把两块透镜矩阵布置在一个支承板上是值得注意的，如图18中所示的。

在这一实施例中，部件60由透明的大体上平面平行的平板61组成，平板61的前面是透镜26的矩阵，后面则是透镜29的矩阵。部件60布置在聚光透镜22′、23之后。如图18所示，透镜26可和透镜29同样大小。不过透镜26比透镜29大些或小些也是可能的，这取决于照射到部件60上的光束是会聚光束还是发散光束，这样其中一块透镜的矩阵将比另外一块透镜矩阵覆盖住更大部分的板表面。

集成透镜板60，例如可以通过已知的压制或复制技术制得，使用两个模具，两块透镜矩阵可以同时得到。一块矩阵的轮廓可以和另一块矩阵的轮廓相同，或是它的线性放大。

如前面已经参照图12、13所描述的，把透镜板60的透镜矩阵与其它放置在该透镜板前面或后面的透镜集成也是可以的。

集成透镜板60也可以用到下面将要描述的照明系统的实施例中，其中使用了除球面反射镜之外的反射镜。

正如上面所指出的一样，本发明的照明系统可以提供一种光照强度充分均匀分布的光束，然而，照射在物体边缘的光照强度在任何情况下不需要和照射在物体中心的光照强度正好相等。显然，当通过液晶显示板显示电视图象时，如果光强相等，显示出的图象看起来会不自然。如果从显示板中心到边缘，光照强度量轻微减弱趋势将是比较理想的。

图19所示的照明系统的一个实施例可以实现这一点。该实施例包括一块具有透明基片71的集成透镜板70，该透镜板的第一表面72装有透镜26的矩阵，而在第二表面73上则装有透镜29的矩阵。原则上，表面73是平面，而表面72为曲面，以便使基片71的厚度中间比边缘小些。从透镜对26、29每次发出的每束光在物体上聚焦是可以保证的。通过放大，形成在透镜26上的辐射点在物体上成象，其放大率D₁/D₂₆由下式给出：

D₁/D₂₆＝f₃₁/f₂₉。对于不同的透镜对，由于每对透镜26和29之间的相互距离不同，其放大率是不同的。对于中心的透镜29，其焦距f₂₉为最小，以便使通过这些透镜在物体上形成的图象比通过透镜29在透镜板的边缘形成的图象要大些。

该照明系统可以用以下办法调整，即来自不同透镜对的光束成分在不同的轴向位置上聚焦，从对着光轴00′布置的透镜对26、29发出的分光束可以在显示板1上聚焦，从越来越远离轴00′的透镜对上发出的光束部分在显示板1上越来越散焦。具有增大尺寸和减少表面上单位面积的光照强度的大量辐射点，就在该显示板的位置上重叠，导致全部辐射点的光照强度从中心向边缘减弱。

由于透镜板70上的透镜数目是有限的，在显示板1的平面上的强度减弱变化是阶梯式的，从一定数目的透镜26和29起，这种阶梯变化对于观看者来说将很快变成不易察觉到，把显示板放置在离聚焦平面某一距离的位置上，使这种阶梯变化不被察觉到是可能的。

使用一定数量的变长度的杆状元件代替所使用的整块透镜板70可以获得同样的效果，这些杆状元件一个挨一个地放置，在其前面和后面分别装有透镜26和29。

光照强度的特殊分布，不仅可以通过图19中相当厚的透镜板70来实现，而且也可以通过两块透镜板来实现，其中第一块透镜板的形状与透镜板70的前面部分相同，而第二块透镜板的形状与透镜板70的后面部分相同，在图19中用虚线74和75来表示。

透镜29的矩阵也可以按照图13的描述的方式或与透镜31集成。如透镜放置在透镜板70的前面，如图5中的透镜23那样，则这一透镜可与透镜26的矩阵相集成。

集成透镜板70或其改进型式也可以用于下面将要描述的照明系统的实施例中，其中使用的反射镜不是球面反射镜。

迄今所描述的带有聚光透镜的照明系统的实施例是有吸引力的，因而第二透镜板28的透镜不必要比形成在这些透镜上的图象大。然而，如果可使用较小尺寸的辐射源，照明系统的另外实施例也具有相同的吸引力。在这些实施例中不需要使用任何聚光透镜系统，这类照明系统的第一实施例示于图20中。

在该图中，数字20两次表示辐射源，它是一只带有细长光弧的光源，它的纵向与光轴00′重合。光源的大部分被抛物柱面反射镜80围绕着，该反射镜反射由光源射向透镜25的大部分射线。反射镜80把辐射源20成象到无限远，透镜板25在第二透镜28上形成大量光源象，其数量和透镜板25上的透镜26的数量相对应。由于不同光束部分b₁、b₂等由反射镜80的不同部分发出，所有这些部分相对于辐射源20有不同的方向，通过这些光束形成不同的图象，所有这些图象相对于透镜板28具有不同的方向，如图21所示。

该图是透镜板28的后视图，其中所述的图象由数字81表示。矩阵透镜仍由数字29表示。如果辐射光需要最大量地收集在显示板11上，透镜29的高度和宽度最好大于图象81的高度和宽度。

不考虑其它措施提出这种带有增大透镜29的照明系统的实施例在实践中是不太适合的。因为，取决表透镜板28表面的投影透镜系统C的数值孔径将变得太大。为了避免这种情况，可使用较小的辐射源，它的尺寸比现用图象投影装置所使用的辐射源的尺寸要小。透镜的尺寸和投影透镜系统的数值孔径能够受到限制，尽管透镜29的表面比图象81大。

图20中的透镜31、34与图2、5、6、10、18和19所示实施例中的透镜有相同的功能。

图22表示带有抛物柱面反射镜80和集成透镜板70的照明系统的一个实施例。透镜板70使显示板1上的强度分布合适。该显示板由许多带有前端和后端透镜面的透明杆组成，它的功能与参照图19所描述的一样。抛物柱面反射镜和透镜板70的组合带来了另外的优点，即抛物柱面反射镜的数值孔径与透镜板的数值孔径相对应，抛物柱面反射镜的数值孔径在边缘较小，以便获得更大的效率，而光通量保持相同。并且照明系统可以具有紧凑的结构，因为光源的一部分伸到透镜板的凹处。

图23表示的是与图20相同的照明系统，但在这个系统中，椭园柱面反射镜85和一附加透镜86代替了原来的抛物柱面反射镜。举例说辐射源仍是一只细长的灯，它的纵向与光轴00′重合。该辐射源放置在椭园柱面反射镜的第一个焦点F₁处，通过反射镜在第二个焦点F₂上形成图象20′，透镜86把来自光源20和图象20′的光束校准成平行光束，以便使透镜板25上的透镜能与透镜板28上的透镜具有相同的宽度和高度。

如图24所示，把第一透镜板放置在来自反射镜85聚集光束的通路上也是可以的。透镜板25上的透镜的宽度和高度要比透镜板28上的透镜的宽度和高度要大些。透镜87放置在第二透镜板的后面，用于校正照射到板上的聚集光束。

当使用椭园形柱面反射镜时，也可以保证辐射源的图象形成在第一块透镜板上。图25即是这一情况的实施例，在这种情况下，透镜板25、28可以有较小的尺寸。透镜88可以放置在第一透镜板的前面，用于把光束6转变成远心的，以便使光束的所有光线都能垂直地投射到该透镜板上。

与图20和23相同类型的照明系统的另一实施例由图26表示。在该实施例中，反射镜90是双曲柱面反射镜，该反射镜把来自辐射源20的辐射光聚集成发散光束。该光束看起来就象来自位于反射镜左面的虚源象20″。如图26所示，第一透镜板25可以放置在该发散光束的通路上。第一透镜板25上的透镜与第二透镜板28上的透镜相比具有较小的宽度和高度，用于补偿发散光束的透镜91放置在第二透镜板的后面，也可以在双曲柱面反射镜和第一透镜板之间设置一块透镜92，以便把来自反射镜的光束改变成平行光束，这样第一和第二透镜板上的透镜便可具有相同的宽度和高度。

图27表示的是图20和21所示照明系统的一个改进的实施例。其中可以使用一只大的辐射源20。而投影透镜的数值孔径仍能够保持在一定范围内。这一点可通过如下办法达到，即给定第二透镜板28上的透镜29这样一种形状，使在这些透镜上形成的不同方位的辐射点81尽可能地充满这些透镜。另外还可以保证这些透镜相互啮合，且它们结合后的表面大致为园形。如图27所示，透镜29呈六边形，并布置成蜂窝状。不同于前述的实施例，图27所示的照明系统在透镜板28上的透镜29布置成和透镜板25上的透镜26不相同的形状。

图28表示透镜板28的另一实施例的前正视图，透镜29现在具有等边三角形的形状，以便使不同方位的辐射点在那里处于一个相等的范围。图28中的透镜板28比图27中的透镜板28包含更多的透镜，即用38块代替18块。一方面透镜数目越多，可使物体即显示板1的光照均匀性越好，但是另一方面透镜边增多，因此会将更多的辐射光被折射。实践中，每块透镜板上的透镜数目是在可允许的折射量和理想光照均匀性之间选取折衷值。

图29表示带有细长辐射源20和抛物柱面反射镜80的照明系统的另一实施例。辐射源的纵向与光轴00′平行。第二透镜板28上的透镜29的表面现在是一个园中分割成的扇形，其结果是形成最适合于投影透镜系统C的入射光瞳。板28上的透镜29的形状完全不同于透镜板25上的透镜26的形状。透镜29₁与透镜26₁相共轭，透镜29₂与透镜26₂相共轭，以此类推。透镜26一定要按下列方式设计，即穿过该透镜的分光束的主轴要指向透镜29₁-29₁₀的中心。

透镜29的截面也可以是另外一种方式，即一个园环中的环段。如图30所示这些透镜可以布置在一个园环中，两个园环中或许多园环中。

如图31所示，透镜板可以包括一组横截面为一个园所分割成的扇形的透镜，也可以包括一组横截面为一个园环所分割成的环段形状的透镜。

在所有的实施例中，第一透镜板25和第二透镜板28的透镜可具有非球面透镜表面。

在图27、28和29中所示的照明系统、抛物柱面反射镜80，可以由图25、26所示的椭园柱面反射镜85或双曲柱面反射镜90代替。

图32用图示的方法表示彩色投影电视装置的一个实施例。该装置包括三个主要部分：照明系统A、显示系统B和投影透镜系统C，投影透镜系统C可举例来说为一变焦距透镜。照明系统的主轴00′和装置的光轴DD′成一线。在图示的实施例中，该光轴DD′被首先分为三根分光轴，这些分光轴在后一阶段又组合成一根光轴，该光轴与投影透镜系统的光轴EE′重合。

来自照明系统A的光束，投射到色彩选择反射镜100上，例如一只分光镜，该分光镜反射兰色光成分b_B，其余成分则通过，通过的这部分光束达到第二色彩选择反射镜101上，该反射镜反射绿色成分b_G，通过剩余的红色光成分b_R以后到达反射镜102上，由反射镜102把红色光束反射到投影透镜系统。反射镜102可以是一个非彩色反射镜或一个能理想地反射红色光的反射镜。兰光可以由非彩色的或有兰色选择性的反射镜103反射到液晶板形式的显示板106上。显示板由已知的方法用电子激励，以便把投射图象的兰色光成分在该板上显示出来。由兰色信号调制的光束通过有彩色选择性的反射镜104和另外一只有色彩选择性的反射镜105到达投影透镜系统C，反射镜104使兰色光通过，把绿色光反射，反射镜105则反射兰色光。绿色光b_G穿过第二显示板107，在这里由绿色成分调制之后通过有色彩选择性的反射镜104和105成功地反射到投影透镜系统C上。红色光束b_R穿过第三显示板108，在这里由红色成分调制之后通过有色彩选择性的反射镜105到达投影透镜系统上。

兰色、绿色和红色光束在投射透镜的输入处叠加，以便在该输入处形成彩色图象，该图象再由这个系统以放大的方式在投影屏幕上成象，该屏幕在图32上没有表示出来。

照明系统A的输出口到每个显示板106、107和108之间的光程距离最好相等。以便使光束b_B、b_G和b_R的横截面在显示板处相等。显示板106、107和108到投影透镜系统的输入孔径处的光程距离最好也相等，以便使不同色彩的景象能在投影屏幕上满意地叠加。

布置在每块显示板106、107和108前面的透镜109、110和111和图2、20、23、27和29中的透镜34相对应，确保来自照明系统的发射平面的辐射光束集中在投影透镜系统C的入射光瞳上。

图33表示带有反射显示板120、121和122的彩色图象投影装置的一个实施例。由本发明的照明系统提供的光束b被所谓的十字形分光镜125分成三种不同颜色的光束b_R、b_G和b_R，十字形分光镜125由分色镜126和127组成。

投影透镜系统C在本图中仅用一只透镜C表示，它应该仅收集由显示板反射的光束bRE的辐射光。而没有由照明系统提供的光束b_ON的辐射光。

为了确保光束b_ON和b_RE在投影透镜系统的位置处充分地分离，该投影透镜系统和显示板之间的距离又不至于太大，可使用一个与角相关的光束分离器，该分离器是棱镜115的组合装置，它包括两只透明的玻璃或合成材料制成的棱镜116和117，在它们之间有空气层118。由于棱镜材料的折射率n_m（例如n_m＝1.5）比空气的折射率n₁（n₁＝1.0）大，辐射光束以角度θi照射到棱镜和空气的界面上，角度θ_i大于或等于所谓的临界角度θ_g，θ_g保持为sinθ_g＝n₁/n_m，所以辐射光将全部被反射。以小于临界角的角度投射到界面上的光束则完全通过。在图33所示的实施例中，棱镜116和117的折射率及空气层118的方位应这样选择，以便使来自照明系统A的光束bON由界面116、118全部反射到显示系统，而来自该显示系统的光束b_RE在该界面上全部通过。为此目的，光束b_ON和b_RE在界面上的入射角要分别大于和小于临界角。

棱镜系统保证光束b_RE的主要光线相对于光束b_ON的主要光线以较大的角度、即大致为90°的角度延伸。因此，投影透镜系统C能够接近于显示系统放置，以便使图象投影装置的长度比在没有棱镜系统的情况下大大缩短。

界面116、118相对于光束b_ON和b_RE方向的方位选择按下列方式也是可以的，即光束b_ON可以通过并达到显示系统中，显示系统被放置在棱镜系统下面，光束b_RE被反射到投影透镜系统C上。在彩色光束投射的情况下，后一布置方法具有在调制光束b_RE中存在较少彩色象差的优点。

图33中由界面116、118反射的光束b_ON照射到第一只分光镜126上，该分光镜比如为反射兰色光，该兰色成分b_ON·B照射到显示板122上，在这里形成兰色分象，由兰色象信号调制的光束b_RE·B由板122反射到十字形分光镜125上。由分光镜126通过的带有绿色和红色成分的光束照射到第二分光镜127上，该分光镜把红色成分b_ON·R反射到显示板120上，红色分象在个板上产生。由红色象信号调制的光束b_RE·R被反射到十字形分光镜125上。由分光镜127通过的绿色成分的光束b_ON·G被绿色显示板121调制，以光束成分b_ER·G反射到十字形分光镜125上。由于分光镜126和127反射返回的光束成分b_RE·B和b_RE·R并让光束成分b_RE·R通过，这些光束成分即组成一条由彩色图象信号调制的光束b_RE。

偏光镜10和虑光镜11最好分别放置在照明系统A和显示系统之间，及显示系统和投影透镜系统之间，以便使这些部件对三种色彩成分同时作用，而这种部件的分离系统对于每个色彩成分是不必要的。

直接受激的具有反射性的液晶显示板，特别是在美国专利US4239346号中已有描述。

彩色图象投影装置也可以包括仅具有一块显示板的显示系统，即一块复合的板或彩色板，用它代替具有三块单色板的显示系统。这种彩色显示板具有多个象素，例如它的数量可以为一块单色板所有的象素的三倍。彩色板的象素布置成三组，通过它产生红色、绿色和兰色分象。每个组的一个象素和投影屏上的一个象素相共轭。每只独立的彩色滤光器放置在每个象素的前面。该滤光器只让相关象素所要求的颜色光通过。

色彩板可以是一块透射板，在这种情况下，彩色图象投影装置可以有图1、2、20、23、27或29所示的一种结构。如果色彩板是反射板，则彩色图象投影装置有如图33所示的那种结构，其中色彩板放置在单色板121的位置上，板120和122以及十字形分光镜125均被省略。

图34是使用三个彩色通道130、131和132的彩色图象投影装置的平面图，三个通道分别用于三原色即绿色、兰色和红色。每个通道包括一个本发明的照明系统A，透镜34和透射显示板121。这些部件表示在绿色通道130中，相应的部件以同样的方式布置在另外的通道中。由图象信号调制的不同色彩的光束b_G、b_B和b_R，如通过十字形分光镜125组成一种光束B_RE，它通过投影透镜系统C投影到显示屏幕上（未表示）。

本发明的照明系统不仅可以用于照射液晶显示板，也可以用于照射阴极射线管与光电导层和液晶材料层结合使用的显示系统，这种显示系统在美国专利US4127322号中已有记载。本发明也可广泛用于下列情况，如需照射一非园形物件，由辐射源提供的辐射光应充分利用。

Claims

1、一种用来沿着主轴提供辐射光束并用于照射物体的照明系统，所述的物体在垂直于所述主轴的平面内有一个非园形的横截面，所述的系统包括辐射源、用于聚集发自辐射源的射线的凹面反射镜，以及一个布置在聚集光束的通路上的透镜系统，其特征在于所述透镜系统依次包括带有许多第一透镜的第一透镜板，它们垂直于主轴的平面内，并在第一方向上有相同的宽度，在垂直于第一方向的第二方向上有相同的高度；还包括一块带有许多第二透镜的第二透镜板和第三透镜，第二透镜的数量与第一透镜的数量成比例，第一透镜板把照在其上的辐射光束分成与第一透镜数量相称的分光束，这些分光束在第二透镜的平面里有其最小的会聚，它的主要光线指向相应的第二透镜的中心，第三透镜与第二透镜一起，把在第一透镜上的辐射点在上述物体上以叠加的形式形成图象，并且，第一透镜的宽/高比例与所述物体的横截面的宽/高比例相一致。

2、如权利要求1所述的照明系统，其特征在于第三透镜与第二透镜板集成在一起。

3、如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于至少一块透镜板上的透镜是非球面形的。

4、如权利要求1、2、或3所述的照明系统，其特征在于第二透镜的数量与第一透镜的数量相等。

5、如权利要求1、2、3或4所述的照明系统，其特征在于第二透镜的数量是第一透镜数量的两倍。

6、如权利要求1、2、3、4或5所述的照明系统，其特征在于第一透镜具有如下尺寸和布置方式，即第一透镜板的表面大致等于投射到它上面的辐射光的横截面。

7、如权利要求1、2、3、4、5或6所述的照明系统，其特征在于第二透镜有如下形状和布置方式，即第二透镜板大致为园形。

8、如权利要求1、2、3或4所述的照明系统，其特征在于第一透镜布置成第一矩阵，位于垂直于主轴的平面内的第二透镜的横截面与第一透镜的横截面有相同的形状，第二透镜按照与第一矩阵相一致地布置成第二矩阵，第二透镜的宽/高比例与物体的横截面的宽/高比例相一致。

9、如权利要求8所述的照明系统，其特征在于照射到第一透镜板上的辐射光束是平行光束，及第一透镜的宽度和高度与第二透镜的宽度和高度相等。

10、如权利要求8所述的照明系统，其特征在于照射到第一透镜板上的辐射光束是发散光束，及第一透镜的宽度和高度小于第二透镜的宽度和高度。

11、如权利要求8所述的照明系统，其特征在于照射到第一透镜板上的辐射光束是聚集光束，及第一透镜的宽度和高度大于第二透镜的宽度和高度。

12、如权利要求8所述的照明系统，其特征在于第一透镜板放置在辐射源第一次成象的平面内，及所述图象通过透镜板和后面的透镜二次成象的物体上。

13、如权利要求8所述的照明系统，其特征在于辐射源的缩小了的图象形成在每块第二透镜上。

14、如权利要求8所述的照明系统，其特征在于两块透镜集成在一块具有两个外表面的板上，其中之一面布置第一透镜的矩阵，而另一面布置第二透镜的矩阵。

15、如权利要求1或14所述的照明系统，其特征在于透镜板有一曲面，以便使每一对交联着的第一和第二透镜在第一和第二透镜之间具有不同的距离。

16、如权利要求14所述的照明系统，其特征在于每一对交联着的第一透镜和第二透镜构成带有弯曲的入射面和发射面的透明杆的一部分。

17、权利要求1、14或15所述的照明系统，其特征在于至少有一块透镜板与一交联的透镜一起集合成一块至少具有一曲面的光学部件。

18、如权利要求17所述的照明系统，其中交联的透镜是平凸的，其特征在于透镜的矩阵布置在透镜的平折射表面上。

19、如权利要求17或18所述的照明系统，透镜矩阵布置在透镜的弯曲折射表面上。

20、如权利要求17或18所述的照明系统，其特征在于透镜的弯曲折射表面由大致平坦的表面所代替，在这个面上布置有透镜矩阵，每块透镜具有曲率，它与对应于相关的矩阵透镜的位置处的弯曲折射表面的曲率相一致。

21、如权利要求1、2、3、4、5、6、8、9、10或15所述的照明系统，其特征在于反射镜是抛物柱面反射镜，它仅在穿过辐射源中心上垂直于系统的光轴的平面的一侧聚集由辐射源辐射出来的光束，及聚光透镜系统放置在所述平面的另一侧，并在第一透镜板的前面。

22、如权利要求1～8、10或13所述的照明系统，其特征在于反射镜是抛物柱面反射镜，它仅在穿过辐射源中心且垂直于系统的光轴的平面的一侧聚集由辐射源射出的光束，及两个聚光镜系统布置在所述平面的另一侧，每个系统收集来自辐射源和反射镜的光束的不同部分。

23、如权利要求21或22所述的照明系统，其中辐射源是细长形的，其特征在于辐射源的纵方向垂直于主轴。

24、如权利要求21或22所述的照明系统，其特征在于每个聚光镜系统包括一块透镜，该透镜至少有一个折射面是非球面的。

25、如权利要求21或22所述的照明系统，其特征在于每个聚光透镜系统包括单一的主聚光镜，其后面至少放有一个附加透镜。

26、如权利要求22、23、24或25所述的照明系统，其特征在于第一透镜板分为两块第一透镜板，它们分别布置在第一和第二聚光透镜系统中。

27、如权利要求1、2、13或14所述的照明系统，其特征在于反射镜是抛物柱面反射镜，它环绕着辐射源的大部分。

28、如权利要求1、2、13或14所述的照明系统，其特征在于反射镜是椭园柱面反射镜，它环绕着辐射源的大部分。

29、如权利要求28所述的照明系统，其特征在于准值透镜布置在反射镜与第一透镜板之间。

30、如权利要求1、2、13或14所述的照明系统，其特征在于反射镜是双曲柱面反射镜，它环绕着辐射源的大部分。

31、如权利要求30所述的照明系统，其特征在于准值透镜布置在反射镜和第一透镜板之间。

32、如权利要求27～30或31所述的照明系统，其特征在于第二透镜板上的透镜的宽度和高度大于在所述透镜上形成的图象的宽度和高度。

33、如权利要求27～31或32所述的照明系统，其中辐射源是细长形的，其特征在于辐射源的纵向平行于主轴。

34、如权利要求33所述的照明系统，其特征在于在垂直于主光轴的平面内的第二透镜的横截面是3n多边形，其中n＝1.2、等，外侧透镜的外边大致随从外接园的局部曲率，每块外侧透镜至少有二边和其它透镜的所有边与邻接的透镜边对边地互相啮合。

35、如权利要求34所述的照明系统，其特征在于第二透镜的横截面是六边形的。

36、如权利要求33所述的照明系统，其特征在于第二透镜的横截面为一个园分割成的扇形，所述透镜相互啮接，及第二透镜板是园形的。

37、如权利要求33所述的照明系统，其特征在于第二透镜的横截面是一个园环分割成的环段，所述的透镜相互啮接，及第二透镜板是园形的。

38、如权利要求37所述的照明系统，其特征在于第二透镜布置在至少为两个环内。

39、如权利要求33所述的照明系统，其特征在于第二透镜板包括第一组透镜，它们的横截面是一个园分割成的扇形，还包括第二组透镜，它们的横截面是一个园环分割成的环段，并布置在只少有一个环内。

40、一种图象投影装置，依次包括一个照明系统、信号显示系统、该系统至少有一块显示板，用于形成投射过来的图象，还包括用于把所述图象投影到屏幕上的投影透镜系统，其特征在于所述照明系统是权利要求1～39中任意一项所限定的系统，还在于用来把照明系统的发射光瞳成象在投影透镜系统的入射光瞳上的透镜，它布置在射线的通路上，在显示板的前面并接近显示板。

41、一种彩色图象投影装置，它具有三个用于三原色红、绿、兰的色彩通道，每个色彩通道包括一块分离显示板，其特征在于它包括一个由权利要求1～39中任意一项所限定的照明系统，用于通过色彩分离装置为三个色彩通道提供分离光束。

42、一种彩色图象投影装置，它具有三个用于三原色红、绿、兰的色彩通道，每个色彩通道包括一块分离显示板，其特征在于每个色彩通道包括一个由权利要求1～39中任意一项所限定的分离投影系统。