CN101251710B - 投射型影像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投射型影像显示装置，其包括，显示图像的影像显示元件；具有光源单元并对上述影像显示元件进行照射的照明光学单元；和放大投射上述影像显示元件的图像的投射透镜，其中在上述影像显示元件与上述投射透镜之间，或在上述投射透镜中，设置有聚焦单元，其通过使光学元件在与上述投射透镜的光轴大致垂直的方向上移动而进行聚焦作用。

Description

投射型影像显示装置

技术领域

本发明涉及使用影像显示元件，将影像投影到屏幕上的投射装置，例如在液晶投影装置、反射式影像显示投影装置、投射型背面投影电视机等上使用的投射透镜的聚焦技术。

背景技术

例如在专利文献1(日本特开2005-242163号公报)中公开可现有的投射型显示装置。即，在专利文献1中公开了一种光学显示装置，其具备：光源；将从该光源发出的光分离成不同的多个特定波长区域的光的光分离单元；分别入射由该光分离单元分离的光的多个第1光调制元件；合成来自该各第1光调制元件的光的光合成单元；第2光调制元件；和将上述光合成单元的合成光学像成像在上述第2光调制元件的受光面上的中继透镜，通过上述各第1光调制元件和上述第2光调制元件对来自上述光源的光进行调制并显示图像的装置，其中，以反射型光调制元件构成上述第2光调制元件，根据沙姆普弗鲁克原理(Scheimpflug principle)配置上述各第1光调制元件、上述中继透镜和上述第2光调制元件。

发明内容

在上述专利文献1中，在光学显示装置中，没有充分考虑对即使在短的距离上也能得到足够大的图像的广角投射透镜确保充分的聚焦精度的问题。

本发明是鉴于上述课题而提出的，其目的在于提供一种投射型影像显示装置，具备聚焦单元，使即使在短的距离上也能得到足够大的图像的广角的投射透镜的聚焦精度优良。

为了达到上述目的，本发明的投射型影像显示装置，其特征在于，包括：显示图像的影像显示元件；具有光源单元并对该影像显示元件进行照射的照明光学单元；和放大投射上述影像显示元件的图像的投射透镜，其中，在上述影像显示元件和上述投射透镜之间，或上述投射透镜中设置有聚焦单元，其通过使光学元件在与上述投射透镜的光轴大致垂直的方向上移动而进行聚焦作用。

另外，本发明的投射型影像显示装置，其特征在于，包括：显示图像的影像显示元件；具有光源单元并对该影像显示元件进行照射的照明光学单元；和放大投射上述影像显示元件的图像的投射透镜，其中，在上述影像显示元件与上述投射透镜之间，或上述投射透镜中设置有聚焦单元，其配置为，使一对棱镜体相互面对并整体成为平板状，通过使该一对棱镜体的相对的位置关系移动来改变上述平板状整体的厚度，从而进行聚焦作用。

另外，本发明的特征在于，在上述聚焦单元中，在上述一对棱镜体之间设置有空气层，上述一对棱镜体的相对的位置关系的移动方向为，沿着上述一对棱镜体的接合面的方向。

另外，本发明的特征在于，在上述聚焦单元中，沿着上述棱镜体的移动方向的截面为直角三角形。

另外，本发明的投射型影像显示装置，其特征在于，包括：显示图像的影像显示元件；具有光源单元并对该影像显示元件进行照射的照明光学单元；和放大投射上述影像显示元件的图像的投射透镜，其中，在上述影像显示元件与上述投射透镜之间，或上述投射透镜中设置有聚焦单元，其通过使一个棱镜体在与上述投射透镜的光轴大致垂直的方向上移动来改变在上述投射透镜的光轴上的棱镜体的厚度而进行聚焦作用。

另外，本发明的投射型影像显示装置，其特征在于，包括：显示图像的影像显示元件；具有光源单元并对上述影像显示元件进行照射的照明光学单元；和将上述影像显示元件的图像放大投射到像面的投射透镜，上述影像显示元件、上述投射透镜和上述像面按照沙姆普弗鲁克原理配置。其中，在上述影像显示元件和上述投射透镜之间，或在上述投射透镜中，设置有聚焦单元，其通过使一个棱镜体在与上述投射透镜的光轴大致垂直的方向上移动来改变在上述投射透镜的光轴上的棱镜体的厚度而进行聚焦作用。

另外，本发明的特征在于，在上述投射透镜和上述像面之间配置有光路折射镜。

根据本发明，提供一种投射型影像显示装置，其实现在大幅度的广角化的投射透镜中具有充分的聚焦精度的聚焦单元。

附图说明

图1为表示作为本发明的实施例1中的主要部分的聚焦单元的一个实施例的结构图。

图2为表示使用本发明的实施例1中的聚焦单元的投射型影像显示装置的一个实施例的结构图。

图3为标准像角的投射透镜和本发明的广角的投射透镜的比较说明图。

图4为投射透镜的现有的聚焦作用的说明图。

图5为表示由用于说明具备本发明的投射型影像显示装置的聚焦单元(聚焦光学系统)的原理的滤光器插入而引起的光学长的变化的图。

图6为表示用于说明具备本发明的投射型影像显示装置的聚焦单元(聚焦光学系统)的原理的棱镜体的聚焦作用的说明图。

图7为表示作为本发明的实施例2中的主要部分的聚焦单元的一个实施例的结构图。

图8为本发明的实施例2中的沙姆普弗鲁克原理的说明图。

图9为使用本发明的实施例2中的聚焦单元的基本构成图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的最佳的方式进行说明。另外，在各图中，对具有共通的功能的要素附上相同的符号加以表示，对已经说明的省略其说明。

在通过投射透镜将本发明的影像显示元件的图像放大投影到屏幕上的投射型彩色影像显示装置中，最近要求在屏幕上得到足够大的放大影像的同时缩短投射距离，即根据物体和像的关系，缩短投射透镜的焦距，而使投射透镜广角化。

另外，利用图3和图4对本发明的投射透镜的广角化和聚焦透镜(focus lens)的移动量(繰出し量)的关系进行说明。另外，在进行聚焦(焦点汇聚)时，并不是调整透镜整体，而是多调整例如构成投射透镜的前球透镜的位置。但是，在说明的方便上，在此，对以投射透镜整体的聚焦进行说明。

图3(A)(B)为用于说明投射透镜的广角化与焦距的关系的图。其中，图3(A)为表示使用标准像角的投射透镜(a

f1(焦距))3的情况，图3(B)为表示使用本发明的广角的投射透镜(a

f2(小的焦距))3的情况。

如下所示的(1)式是关于聚焦透镜(在此为投射透镜3)的焦距f，从投射透镜3到物体(影像显示元件2)的距离a，和从投射透镜3到像(屏幕4)的距离b的关系的成像的公式。(1)式两边乘以b，使用放大率M＝b/a整理公式，得到下面的(2)式。

1/a+1/b＝1/f    (1)

f＝b/(M+1)      (2)

例如，将影像显示元件2的尺寸设为0.63英寸，将投射尺寸设为60英尺，则放大率设为95.24，此时根据(2)式，例如在投射距离b＝1000mm时确定焦距f＝10.4mm，例如在投射距离b＝500mm时确定焦距f＝5.2mm，如下面的表1所示。

表1

b	f
		1000mm	10.4mm
500mm	5.2mm

接着，使用图4(A)(B)对焦距和聚焦透镜的移动量δ的关系进行说明。图4(A)表示像面位置∞(a＝f)，图4(B)表示像面位置在有限位置的移动量δ(a＝f+δ)。

在图4(A)中，将影像显示元件2配置在显示投射透镜3(聚焦透镜)的焦点位置上，因此像面位置为无限大(∞)。因此，如图4(B)所示，为了使影像显示元件2的图像在屏幕4上成像，使投射透镜3向屏幕4侧仅移动移动量δ。这时的成像公式为(3)式，因此对于解出移动量δ得到(4)式。

1/(f+δ)+1/b＝1/f    (3)

δ＝f²/(b-fδ)       (4)

在图3中求得的例如焦距f＝10.4mm和5.2mm的2个种类的投射透镜中，利用公式(公式4)计算投射距离从b＝700mm变到500mm时的移动量δ和该差分。该计算结果如下面的表2所示。

表2

f	δ(b＝500mm)	δ(b＝700mm)	差分
				10.4mm	0.221mm	0.157mm	0.064mm

f	δ(b＝500mm)	δ(b＝700mm)	差分
				5.2mm	0.055mm	0.039mm	0.016mm

如表2表示的那样，在焦距f＝10.4mm的标准像角的投射透镜中，在将投射距离从b＝700mm变更到500mm的情况下，投射透镜3的移动量为0.064mm。与此相对，在焦距f＝5.2mm的本发明的广角的投射透镜中，在将投射距离从b＝700mm变更到500mm的情况下，投射透镜3的移动量仅为0.016mm。在该移动量中，对于使聚焦透镜移动进行聚焦作用的机构/结构来说，极难确保充分的位置精度。

因此，首先，利用图5和图6，在最初对聚焦单元(聚焦光学系统)的原理进行说明，该聚焦单元是本发明的投射型影像显示装置所具有的，可在对于实现大幅度的广角化的投射透镜变更投射距离的情况下充分地确保位置精度。

图5是通过撤掉滤光器进行聚焦作用的说明图。在图5中的辅助图(图5纸面右上图)中，在没有滤光器14时的光线L1通过滤光器(折射率N，厚度d)插入受到折射作用成为光线L2。然后，考虑插入滤光器的空间，在插入滤光器前的光路长d成为在插入滤光器后的光路长d/N，因此，与减少量d(1-1/N)对应地，成为与光轴的交点的位置向后偏移。因此，如图5(A)所示，在滤光器14的插入状态下将影像显示元件2配置在投射透镜3的焦点位置上，接着，如图5(B)所示，撤掉滤光器14时，投射透镜3和影像显示元件2的间隔增长d(1-1/N)，如前面所示的成像的公式，上述(1)式的a变大，相反b为小的值，即，成为在某个有限距离的聚焦状态。而且，这里所说的投射透镜3为广角。

在以上的说明中，利用撤掉滤光器14，能在某特定的有限距离聚焦，但是在其它的有限距离的聚焦作用不充分。

接着，利用图6对本发明的一个在任意的有限距离上的聚焦作用原理进行说明。在图6(A)中，通过使一个棱镜体11C沿箭头61方向移动而进行聚焦作用。

例如，关于棱镜体11C，将其截面设为顶角为θ的直角三角形，从顶点到光轴的距离设为e，光轴上的棱镜体11C的厚度(距离)设为d，可以得到如下面所示的(5)式，对该(5)式进行微分得到如下面所示的(6)式。

d＝e·tanθ    (5)

Δd＝Δe·tanθ(6)

另外，Δd为棱镜体11C的厚度d的变化量，Δe为棱镜体11C的距离e的图6(A)纸面纵方向的变化量。

在此，由棱镜体11C的厚度变化Δd实现与前面说明的0.016mm相当的聚焦作用，为此，物距a的变化量Δa＝0.016mm满足如下面所示的(7)式的关系即可。

Δa＝Δ{d(1-1/N)}＝(1-1/N)Δd(7)

将Δa＝0.016mm代入(7)式，得到的Δd＝0.047mm成为应该变化的棱镜体11C的厚度。另外，在棱镜体11C的折射率上，使用N＝1.5168(Schott社的BK7)。作为能够充分确保位置精度的值而由Δe＝1mm得到该Δd＝0.047mm，所以解得上述(6)式，得到顶角θ＝2.6度。

根据以上所述，通过使顶角约2.6度的棱镜体11C相对光轴沿垂直方向(图6(A)纸面的箭头61方向)移动Δe＝1mm，能够使成像公式的(1)式的a变化Δa＝0.016mm。

即，在直接以本发明的广角的投射透镜3进行聚焦作用的情况下，必须确保0.016mm的移动精度，但通过适用本发明的聚焦单元(聚焦光学系统)，能够使棱镜体11C的移动精度成为容易实现的1mm的移动精度。

在以上的说明中对使用一个棱镜体11C的情况进行说明。但是，如图1和图2所示，通常的光学系统为旋转对称的光学系统。在此，对适用旋转对称的光学系统而使用的本发明的聚焦单元的实施例进行说明。

图6(B)为使2个棱镜体11a、11b相对配置而作为本发明的聚焦单元的结构图。通过相对配置截面为直角三角形的棱镜体11a和11b，能够将一对棱镜体11的整体作为光学上的平板(滤光器)来使用。然后，通过使该一对棱镜体11(11a、11b)的相对的位置关系变化，能够同样得到图6(A)说明的棱镜体11C的聚焦作用。

但是，作为该相对的移动的方向，在使棱镜沿与图6(A)相同的Δe的方向(箭头61方向)上移动的情况下，棱镜体11a和11b之间的空气间隔变化，因此严密来说像散量变动。因而，优选的为沿着相对的一对棱镜体11(11a·11b)的接合面的箭头62方向移动(移动量Δg)。

但是，一旦将一对棱镜体11完全地贴紧配置，由于贴紧面的摩擦力而使该移动变难，但是在之间设置，如在使用数字微镜(digital micromirror)的光学系统中所使用的TIR(全内反射镜：Total InternalReflection)棱镜那样的微小的空间间隔，由此能实质地避免像散的问题，同时能使棱镜体11相对地移动。

另外，在图6(B)中，为了易于理解说明，使棱镜体11a和11b的顶角以模型方式增大。但实际上，如上所述，顶角θ为几度，相对与棱镜体11a的移动方向(箭头62方向)的光轴垂直的垂线(纵线)的倾斜小。这意味着，将线棱镜体11a在箭头62方向的移动定义为与投射透镜3的光轴大致垂直的方向的移动。

(实施例1)

下面，利用图1和图2对本发明的投射型影像显示装置的实施例1进行说明。

首先，利用图1对作为本发明的投射型影像显示装置的实施例1的主要部分的聚焦单元1进行说明。在图1中，将聚焦单元(聚焦光学系统)1配置在影像显示元件2和投射透镜3之间。而且，聚焦单元1构成为包括棱镜体11和位置移动单元12。

棱镜体11为相对配置一对棱镜体11a和棱镜体11b，并固定一方的棱镜体11b。另一方的棱镜体11a构成为，利用位置移动单元12可沿图的箭头62方向移动。

位置移动单元12例如由步进电动机等构成，使棱镜体11的一方(在此为棱镜体11a)沿箭头62方向移动。

在以上那样构成的聚焦单元1中，通过利用位置移动单元12使棱镜体11a移动，而使作为棱镜体11(11a、11b)的平板的总厚度变化，从而实现聚焦作用。此时，将现有难以实现的精度的移动(沿光轴的厚度d方向)变换成棱镜体11a的可实现的精度的移动(箭头62方向)，因此即使使用广角的投射透镜，也能够实现具有精度优良的聚焦作用的聚焦单元。其结果，在利用投射透镜3将影像显示元件2的图像放大投影到屏幕上的投射型彩色影像显示装置中，能够在屏幕上得到充分的大小的放大影像的同时缩短投射距离。

接着，利用图2对使用本发明的聚焦单元的投射型影像显示装置的实施例1进行说明。图2为使用本发明的聚焦单元的投射型影像显示装置的实施例1的结构图。

在图2中，从光源单元101射出的光束，利用UV截止滤光器102将紫外线截止，入射到作为积分器(integrator)的一对多透镜阵列103a、103b。另外，通常即使利用其它的光学元件也能进行紫外线截止，但也包括红外线截止，因为不是本发明的重点，所以省略详细的记载。

在多透镜阵列103a、103b上，将凸透镜(单元)配置成二维状，入射到多透镜阵列103a的光束在多透镜阵列103b的各单元上形成二维状的光源像。分别聚光的光源像，通过偏光变换元件104使自然光变换为振动方向为一定方向的直线偏光。这是由于后面阐述的影像显示元件2a、2b、2c只能使振动方向为一定方向的直线偏光通过。将利用多透镜阵列103a、103b分割成二维状的光源像，通过具有重叠作用的重叠透镜105，重叠在影像显示元件2a、2b、2c的影像显示面上。

另外，利用重叠透镜105和影像显示元件2a、2b、2c之间的色分解光学系统，分解成红色、绿色、蓝色的3种颜色。

通过重叠透镜105利用全反射镜106a使光路偏向的光束，首先，利用第1分色镜107a，使蓝色的光束透过，使红色和绿色的光束反射。将蓝色的光束利用全反射镜106b偏向经由聚光透镜108b照射到蓝色用的影像显示元件2b上。红色和绿色的光束，利用第2分色镜107b，使绿色的光束反射，使红色的光束透过。将绿色的光束经由聚光透镜108a照射到绿色用的影像显示元件2a上。将红色的光束利用全反射镜106c、106d偏向经由聚光透镜108c照射到红色用的影像显示元件2c上。另外，红色的光路其光路长比蓝色和绿色长，因此使用中继透镜109、110进一步地映射。

将照射到蓝色用的影像显示元件2b、绿色用的影像显示元件2a、和红色用的影像显示元件2c上的各光束通过交叉棱镜(光合成单元)111色合成，入射到上述那样的广角的投射透镜3。广角的投射透镜3将色合成后的各影像显示元件的图像放大投影到像面4。而且，在交叉棱镜111和广角的投射透镜3之间配置图1的聚焦单元(聚焦光学系统)1。

在以上的结构中，在变更投射距离的情况下，通过使聚焦单元1的一对棱镜体11(11a、11b)沿与投射棱镜3的大致光轴垂直的方向相对地移动，实现具有充分精度地聚焦作用。

另外，虽然在以上的说明中省略，配置截止规定的偏光光线以外的光线的偏光板、控制各色的偏光光线的振动方向的位相差板，但因为不是本发明的重点所以省略说明。

(实施例2)

接着，使用图7和图9对本发明的投射型影像显示装置的实施例2进行说明。

即，在本实施例2中，与上述实施例1的不同点是能够适用于斜投射透镜的聚焦单元1A。

图7为表示实施例2中的棱镜体11A仅配置1个的聚焦单元1A的主要部分放大图。聚焦单元1A构成为包括，进行聚焦作用的其截面形状为等腰三角形的棱镜体11A，和使棱镜体11A沿箭头61方向移动的位置移动单元12A。利用聚焦单元1A，以棱镜体11a的可实现精度的移动(箭头61方向)实现现有难以实现的精度的聚焦作用，因与图6(A)的说明相同而省略。

图8为说明沙姆普弗鲁克原理光学系统的配置图。所谓的沙姆普弗鲁克原理就是，表示在倾斜投射的情况下，用于像面全体聚焦的物体(影像显示元件2)与投射透镜3以及像面4的位置关系。具体地说，其条件为，投射透镜3的主平面的延长线和作为物体的影像显示元素2的延长线和屏幕或像面4的延长线大致交叉于一点(详细的情况参照例如日本特开平4-27912号公报)。

在此，着眼于图8的投射透镜3和影像显示元件2，它们的光学的位置关系不是平行而是倾斜。另一方面，在仅一个棱镜体11A中，在棱镜体11A中光线受到折射作用，因此光轴自身弯曲。所以，虽然将影像显示元件2和投射透镜3配置成物理上的平行，但是通过在影像显示元件2和投射透镜3之间配置仅使用一个棱镜体11A的聚焦单元1A，在光学方面上，实现影像显示元件2和投射透镜3的倾斜的配置关系。由此，能够将省略图示的照明光学系统和投射透镜系统在物理方面上笔直地(不倾斜)配置，因此使结构设计和在产品上的应用变容易。

图9为在投射透镜3和像面4之间配置光路折射镜5，并且在影像显示元件2和投射透镜3之间配置仅使用一个棱镜体11A的聚焦单元1A的结构图。另外，作为光路折射镜5，为了进行因斜投射而引起的梯形形变的校正，使用自由曲面镜。

在以上的说明中，作为等腰三角形而进行了说明，但只要是具有使光线弯曲作用的棱镜体即可，能够得到同样的效果。

另外，作为实施例1和实施例2共通的事项，作为棱镜体的截面形状，在通过光线的范围内实质上设置为直角三角形或等腰三角形则没有问题，对不通过光线的范围上的形状通过例如倒角等，则成为四边形或五边形的形状，但可知这并不违背本发明的观点。

根据本发明，能够提供一种可实现适于广角的投射透镜的位置精度的聚焦单元，和使用该聚焦单元的投射型影像显示装置。

Claims (8)

1.一种投射型影像显示装置，其特征在于，

包括：显示图像的影像显示元件；具有光源单元并对所述影像显示元件进行照射的照明光学单元；和放大投射所述影像显示元件的图像的投射透镜，

在所述影像显示元件与所述投射透镜之间，或在所述投射透镜中，设置有聚焦单元，其通过使光学元件在与所述投射透镜的光轴大致垂直的方向上移动来使所述影像显示元件与所述投射透镜之间的光路长度变化而进行聚焦作用。

2.一种投射型影像显示装置，其特征在于，

包括：显示图像的影像显示元件；具有光源单元并对所述影像显示元件进行照射的照明光学单元；和放大投射所述影像显示元件的图像的投射透镜，

在所述影像显示元件与所述投射透镜之间，或在所述投射透镜中，设置有聚焦单元，其配置为，使一对棱镜体相互面对并整体成为平板状，通过使该一对棱镜体的相对的位置关系移动来改变所述平板状整体的厚度来使所述影像显示元件与所述投射透镜之间的光路长度变化，从而进行聚焦作用。

3.如权利要求2所述的投射型影像显示装置，其特征在于：

在所述聚焦单元中，在所述一对棱镜体之间设置有空气层，所述一对棱镜体的相对的位置关系的移动方向为，沿着所述一对棱镜体的接合面的方向。

4.如权利要求2所述的投射型影像显示装置，其特征在于：

在所述聚焦单元中，沿着所述棱镜体的移动方向的截面为直角三角形。

5.如权利要求3所述的投射型影像显示装置，其特征在于：

在所述聚焦单元中，沿着所述棱镜体的移动方向的截面为直角三角形。

6.一种投射型影像显示装置，其特征在于，

包括：显示图像的影像显示元件；具有光源单元并对所述影像显示元件进行照射的照明光学单元；和放大投射所述影像显示元件的图像的投射透镜，

在所述影像显示元件与所述投射透镜之间，或在上述投射透镜中，设置有聚焦单元，其通过使一个棱镜体在与所述投射透镜的光轴大致垂直的方向上移动来改变在所述投射透镜的光轴上的棱镜体的厚度而进行聚焦作用。

7.一种投射型影像显示装置，其特征在于，

包括：显示图像的影像显示元件；具有光源单元并对所述影像显示元件进行照射的照明光学单元；和将所述影像显示元件的图像放大投射到像面的投射透镜，所述影像显示元件、所述投射透镜和所述像面按照沙姆普弗鲁克原理配置，

在所述影像显示元件和所述投射透镜之间，或在上述投射透镜中，设置有聚焦单元，其通过使一个棱镜体在与所述投射透镜的光轴大致垂直的方向上移动来改变在所述投射透镜的光轴上的棱镜体的厚度而进行聚焦作用。

8.如权利要求7所述的投射型影像显示装置，其特征在于：

在所述投射透镜和所述像面之间配置有光路折射镜。

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