CN100578350C

CN100578350C - 投影显示设备

Info

Publication number: CN100578350C
Application number: CN200710084717A
Authority: CN
Inventors: 古市邦高; 松原正晃
Original assignee: NEC Display Solutions Ltd
Current assignee: Sharp NEC Display Solutions Ltd
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: CN101030025A; CN201007778Y; US7341357B2; JP4584160B2; JP2007233056A; US20070206302A1

Abstract

一种投影显示设备包括图像形成元件，以及由多个反射器组成的成像光学系统，用于投射由图像形成元件形成的图像以提供放大形式的图像，其中，组成成像光学系统的反射器中的至少一个为了调节焦点是可移动的，该可移动的反射器可沿着不平行于图像形成元件的法线的直线移动。

Description

投影显示设备

技术领域

本发明涉及一种投影显示设备，其将液晶面板形成的图像投影至屏幕上以提供放大形式的图像。更特别地，本发明涉及一种包括由多个反射器组成的成像光学系统的投影显示设备。

背景技术

作为一种用于投影由图像形成元件形成的图像以提供放大形式的图像的投影显示设备，已知投影显示设备包括由多个反射器组成的成像光学系统(反射成像光学系统)。图1示出了反射成像光学系统的实例。该图示的反射成像光学系统由第一反射器51到第四反射器54组成。从未示出的光源发出的光通过也未示出的照明光学系统被引导至图像形成元件55。图像形成元件55基于图像信号来调制入射在其上的光以形成图像(图像光)。由图像形成元件55形成的该图像光照在第一反射器51的反射表面上并被反射，然后照在第二反射器52的反射表面上。随后，由第二反射器52反射的该图像光依次被第三反射器53和第四反射器54反射，并最终朝向未示出的屏幕投射。

如图1所示，每个反射器51-54设置在比前面的反射器更高的位置处。同样，每个反射器51-54被布局成对角并向上地朝下一个反射器引导图像光。这是为了避免图像光与各个反射器51-54干扰。在具有前述结构的该反射成像光学系统中，预定的反射器往复(reciprocally)地移动以调节该反射器与其之前和之后的反射器之间的间隔，从而调节焦点(参见JP-A-2004-144914)。在该图示的反射成像光学系统中，第三反射器53具有焦点调节功能。为了调节焦点，第三反射器53沿着平行于图像形成元件55的法线A的基准轴B移动，以调节第三反射器53和第四反射器54之间的间隔。由于焦距随着第三反射器53更靠近第四反射器54地移动而延长，所以能够通过移动该投影显示设备更加远离屏幕来投射较大的图像。

如上所述，为了投射较大的聚焦图像，必须通过使具有焦点调节功能的反射器更靠近下一个反射器来延长焦距。然而，使具有焦点调节功能的反射器越靠近下一个反射器，被下一个反射器折回的光束的向下移动越大。接下来，将再次参照图1所示的示范性反射成像光学系统给出更加明确的说明。随着使第三反射器53更靠近第四反射器54以延长焦距，由第四反射器54折回的光束向下流动。这导致由第四反射器54折回的光束和第三反射器53之间具有更小的间隙。最终，由第四反射器54折回的光束与第三反射器53产生干扰。因此，第三反射器53移动的量必须被限制，使得两个反射器53，54之间的间隔足够宽，以避免第三反射器53最接近第四反射器54时发生干扰。

发明内容

本发明的一个目的是要使得具有焦点调节功能的反射器尽可能最靠近下一个反射器，从而投射较大的图像到屏幕上。

本发明的投影显示设备包括图像形成元件，和由多个反射器组成的用于投射由图像形成元件形成的图像以提供放大形式的图像的成像光学系统。组成该成像光学系统的反射器中的至少一个是可移动的，以便能调节焦点。该可移动的反射器可沿着不平行于图像形成元件的法线的直线移动。

优选地，可移动的反射器具有反射表面，其曲率半径是组成该成像光学系统的各反射器的反射表面的曲率半径中最大的。

该成像光学系统优选由从图像形成元件发出的光首先照射在其上的第一反射器、由第一反射器反射的光照射在其上的第二反射器、由第二反射器反射的光照射在其上的第三反射器和由第三反射器反射的光照射在其上的第四反射器组成。在该结构中，第三反射器优选是被移动以便能够调节焦点的反射器。

优选地，第一反射器具有球形反射表面，并且第二反射器、第三反射器和第四反射器的每个都具有非球面的或自由形式的反射表面。

本发明的投影显示设备能够通过以比先前更大的距离移动具有焦点调节功能的反射器来进一步延长焦距。从而，该投影显示设备能够被进一步远离屏幕地移动以投射较大的图像。

本发明的上述和其它目的、特征和优点将通过接下来参照说明本发明的实例的附图的说明变得明显。

附图说明

图1为说明示范性成像光学系统的示意性侧视图；

图2为说明在本发明的投影显示设备中包含的示范性成像光学系统的示意性透视图；

图3为说明图2中示出的成像光学系统的示意性侧视图；

图4为说明比较实例的成像光学系统的示意性透视图；

图5为示出投影显示设备和屏幕之间的位置关系的侧视图；

图6为示出图4中所示的第三反射器和图像光之间的间隙的部分省略示范性侧视图；

图7为示出图3中所示的第三反射器和图像光之间的间隙的部分省略示意性侧视图；

图8为说明包含在本发明的投影显示设备中的成像光学系统的另一实施例的部分省略示意性侧视图；以及

图9为说明在图4中所示的第三反射器和图像光之间的间隙的部分省略示意性侧视图。

具体实施方式

本申请基于2006年3月1日提交的日本专利申请No.2006-54839，并要求其优先权，并在此引用其内容作参考。

(示范性实施例1)

本实施例的投影显示设备包括光源、图像形成元件、和用于将从光源发射的光导向图像形成元件的照明光学系统。该设备还包括用于聚焦由图像形成元件在屏幕上形成的图像(图像光)的成像光学系统。该设备进一步包括用于向每个组件提供能量的电源单元、用于冷却每个组件的冷却风扇等等。前述组成部件被容纳在壳体内。然而，本发明的该投影显示设备以成像光学系统的结构为特征。用另一种方式陈述，除了成像光学系统之外，本发明的构造与相同类型的显示设备相同。因此，本申请将仅仅详细描述成像光学系统的构造，而省略剩余组件的说明。

图2为说明形成本实施例的投影显示设备的一部分的成像光学系统1A的基本结构的示意性透视图。成像光学系统1A是反射成像光学系统，其由四个反射器，即，第一反射器11至第四反射器14组成。第一反射器11至第四反射器14的每个都具有自由形式表面的反射表面。画在每个图示的反射器11-14上的点划线20表示反射器11-14的对称轴。每个反射器具有关于其对称轴20对称的形状。由图像形成元件15形成的图像光首先照射在第一反射器11的反射表面11a上。由第一反射器11的反射表面11a反射的图像光照射在第二反射器12的反射表面12a上。入射在第二反射器12的反射表面12a上的图像光被反射表面12a反射，并照射在反射器的反射表面13a上。由第三反射器13的反射表面13a反射的图像光照射在第四反射器14的反射表面14a上。入射在第四反射器14的反射表面14a上的图像光被反射表面14a反射(投射)向未示出的屏幕。

这里，在第一反射器11至第四反射器14的反射表面11a-14a当中，第三反射器13的反射表面13a具有最大的曲率半径。第三反射器13起到用于调节焦点的反射器的作用。具体地，如图3所示，第三反射器13沿着不平行于图像形成元件15的法线X的线(下文称作“基准轴Y”)可往复移动。用另一种方式陈述，第三反射器13从图3纸面上的右上方向左下方倾斜地移动，或从左下方向右上方倾斜地移动。在本实施例中，基准轴Y与图像形成元件15的法线X以倾斜角20°倾斜。通过这样沿着不平行于图像形成元件15的法线X的基准轴Y移动第三反射器13，在确保由第四反射器14折回的光束和第三反射器13之间的间隙的同时，能够使第三反射器13比以前更靠近第四反射器14。将与比较实例进行比较地来具体说明本发明的优点。当基准轴Y存在于包括每个反射器11-14的对称轴20的平面中时，即便第三反射器13移动，也总是关于反射器13的对称轴20保持对称。同样，由于不需要提供更多的关注来纠正第三反射器13的移动导致的像差，这是优选的。

图4为说明比较实例的成像光学系统1B的示意性侧视图。聚焦光学系统1B是反射成像光学系统，其由四个反射器组成，即，第一反射器31至第四反射器34。聚焦光学系统1B聚焦由图像形成元件35在未示出的屏幕上形成的图像(图像光)。反射器31-34在形状、尺寸等方面分别与反射器11-14相同，并且具有与反射器11-14相同的形状的各自的反射表面。聚焦光学系统1B的不同之处仅在于具有焦点调节功能的第三反射器33沿着平行于图像形成元件35的法线X的线(下文称作“基准轴Y’”)移动。

如图5所示，屏幕安装在包括成像光学系统1B的投影显示设备2B的前面263mm的位置处。接下来，将图4中所示的反射器33调节到适当的位置以聚焦投射的图像。从而，将60英寸宽的图像投射到屏幕上。当显示该聚焦的60英寸图像时，在由第四反射器34(图4)反射的图像光(朝向屏幕投射的光)和第三反射器33之间确保了8.7mm的间隙L11。再次参见图5，在显示60英寸图像的同时，当屏幕被从投影显示设备2B的前面移动至659mm时，该投射的图像被放大至100英寸宽，但该投射的图像是散焦的。因此，使得第三反射器33沿着平行于图像形成元件35的法线的基准轴Y’更靠近第四反射器34(图4)，如图6中所示。在该投射的图像被聚焦时，第三反射器33的移动距离d1为3.8mm。此外，由第四反射器34反射的图像光和第三反射器33之间的间隙L12为3.1mm。

另一方面，屏幕安装在离本实施例的包括成像光学系统1A的投影显示设备2A的前面263mm位置处，如图5中所示。接下来，将第三反射器13(图3)调节到使投射的图像被聚焦的适当的位置。从而，将聚焦的60英寸图像投射到屏幕上。如图7中所示，当显示该聚焦的60英寸图像时，在由第四反射器14(图3)反射的图像光(朝向屏幕投射的光)与第三反射器13之间确保了8.7mm的间隙L21。接着，该屏幕从投影显示设备2A的前面移动至659mm距离处。从而，该投射的图像被扩大至100英寸宽。接着，通过使第三反射器13沿着不平行于图像形成元件15的法线X的基准轴Y更加靠近第四反射器来聚焦该投射的图像。在该投射的图像被聚焦时，第三反射器13的移动距离d2为3.8mm。此外，由第四反射器14反射的图像光和第三反射器13之间的间隙L22为4.3mm。

如上所述，即便第三反射器13、33相对于投射60英寸图像的位置移动相同的距离(d1＝d2)，在移动之后成像光学系统1A在第三反射器13、33和图像光之间的间隙量上也大大不同于成像光学系统1B。具体地，成像光学系统1A确保了该间隙比成像光学系统1B提供的间隙大39％。实际上，在本实施例的包括成像光学系统1A的投影显示设备2A中，即便通过使第三反射器13更靠近第四反射器14来延长焦距，也确保了足够的间隙，从而使得可能投射较大的图像。前述的比较结果总结在表1中。

表1

(示范性实施例2)

本实施例的投影显示设备具有与示范性实施例1的投影显示设备基本相同的结构。因此，相同组件的说明将被省略。本实施例的投影显示设备与示范性实施例1的投影显示设备的区别在以下两个方面。一个区别在于第一反射器具有球形反射表面，另一个区别在于限定第三反射器移动方向的基准轴与图像形成元件的法线以14.66°倾斜。

图8示出了包含在本实施例的投影显示设备中的成像光学系统中的第三反射器23。在包含在本实施例的投影显示设备中的成像光学系统中，当向屏幕投射聚焦的60英寸图像时，在第三反射器23和由第四反射器(未示出)反射的图像光之间确保了9.6mm的间隙L31。此外，当向屏幕投射聚焦的100英寸图像时，在第三反射器23和由第四反射器反射的图像光之间确保了6.2mm的间隙L32。此外，当基于投射60英寸图像的第三反射器23的位置时，第三反射器23必须移动等于3.33mm的距离d3，以聚焦该100英寸的图像。

图9示出了具有与本实施例的成像光学系统相同结构的成像光学系统的比较实例，除了具有焦点调节功能的第三反射器在平行于图像形成元件的法线的方向上移动之外。在该成像光学系统中，当向屏幕投射聚焦的60英寸图像时，在第三反射器43和由第四反射器(未示出)反射的图像光之间确保了9.6mm的间隙L41。此外，在向屏幕投射聚焦的100英寸图像时，在第三反射器43和由第四反射器反射的图像光之间确保了5.5mm的间隙L42。此外，当基于投射60英寸图像的第三反射器43的位置时，第三反射器43必须移动等于3.33mm的距离d4，以聚焦该100英寸的图像。

如上所述，在包含在本实施例的投影显示设备中的成像光学系统中，第三反射器和由第四反射器反射的图像光之间的间隙与图9中说明的比较实例相比增加了13％。该比较结果总结在表2中。

表2

从前述说明中明显看出，本发明的特征在于包括沿着不平行于图像形成元件的法线的基准轴可移动的反射器的成像光学系统。同样，本发明不特别限制组成该成像光学系统的反射器数量、每个反射器的材料、反射表面形状等等。然而，在放大/成像光学系统中，如果在首先接收由图像形成元件形成的图像光的反射器(第一反射器)上存在失真、变形等，它们的影响将不断增加。因此，要求第一反射器的反射表面比剩余的反射器的反射表面更高的精确度。此外，第一反射器由于最靠近图像形成元件而受热的影响很大。由于该原因，第一反射器优选由具有低的线性膨胀系数的材料形成。另外，前述观点，第一反射器优选设计成具有球形反射表面。球形反射表面将允许使用具有低的线性膨胀系数的玻璃材料，并能通过需要低制造成本的抛光方法高精确度地形成。

另一方面，成像光学系统要求不仅仅简单地投射大尺寸的图像，还要求投射无失真的图像。然而，如果第一反射器设计成具有球形反射表面，不能够期望其提供大的失真校正效果。另外，为了最小化与聚焦调整有关的光路改变，具有焦点调节功能的反射器优选设计成具有尽可能平的形状的反射表面。因此，用于失真校正的主要任务优选分配给除了第一反射器和具有焦点调节功能的反射器之外的反射器。

全面考虑前述情况，优选这样设计第一反射器，使其具有球形反射表面，并这样设计剩余的每个都具有非球面的或自由形状的反射表面的反射器，使它们提供高的失真校正效果。此外，具有焦点调节功能的反射器优选设计成具有全部反射器中最大的曲率半径。

图像形成元件可以是液晶面板或DMD(数字微镜装置)。当用DMD实现图像形成元件时，所述法线是指接近每个微镜表面的平面的法线。此外，当防护玻璃设置在每个微镜的前面时，至少在本发明中，该防护玻璃表面的法线可认为与接近每个微镜的表面的平面的法线相同。

虽然已经利用特定术语说明了本发明的优选实施例，但是，这种描述仅仅是用于说明目的，并且应当理解，可作出改变和变化而不脱离权利要求的精神或范围。

Claims

1.一种投影显示设备，包括：

图像形成元件；以及

成像光学系统，由多个反射器组成，用于投射由所述图像形成元件形成的图像，以提供放大形式的图像，

其中所述成像光学系统由第一反射器、第二反射器、第三反射器以及第四反射器组成，其中从所述图像形成元件发出的光首先照射到所述第一反射器上，由所述第一反射器反射的光照射到所述第二反射器上，由所述第二反射器反射的光照射到所述第三反射器上，由所述第三反射器反射的光照射到所述第四反射器上，

为了调节焦点，所述第三反射是可移动的，以便移动接近所述第四反射器和移动离开所述第四反射器，并且

所述第三反射器沿着不平行于所述图像形成元件的法线并且位于包括所述第一至第四反射器的每个的对称线的平面内的直线移动。

2.根据权利要求1的投影显示设备，其中所述第三反射器具有反射表面，其曲率半径是组成所述成像光学系统的反射器的反射表面的曲率半径中最大的。

3.根据权利要求1或2的投影显示设备，其中所述第一反射器具有球形反射表面，并且所述第二反射器、所述第三反射器和所述第四反射器的每个具有非球面的反射表面。

4.根据权利要求1或2的投影显示设备，其中所述第一反射器具有球形反射表面，并且所述第二反射器、所述第三反射器和所述第四反射器的每个具有自由形式的反射表面。