CN101266339A - 投影型显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种即便在为了缩短投影距离而相对于投影光学系统的光轴使显示元件移动的情况下,也能顺利抑制特定颜色的光的光量和颜色不均匀的发生的投影型显示装置。使显示元件(16、19、26)相对于折射光学系统部(30)的光轴沿Z轴方向移动。据此,能缩短投影仪的投影距离。此外,在二向棱镜(27)和折射光学系统部(30)之间配置使绿色光的偏振方向旋转90度的波长选择性的1/2波长板(29)。据此,绿色光相对于折射光学系统部(30)以P偏振光入射,能改善折射光学系统部(30)的绿色光的透过率,能抑制绿色光的光量下降所引起的光量下降和颜色不均匀的发生。
Description
技术领域
本发明涉及把显示元件上的图像投影到被投影面上的投影型显示装置,特别是涉及把投影光从斜向进行放大投影之类型的投影型显示装置。
背景技术
把显示元件(液晶面板等)上的图像放大投影到被投影面(屏幕等)上的投影型显示装置(以下称作投影仪)被商品化而广泛普及。在这种投影仪中,采用的构成为:例如作为显示元件使用3个透过型液晶面板,并通过各面板对红、绿、蓝的光进行调制,且将调制后的光由二向棱镜进行合成而利用投影光学系统投影到屏幕面上。
在以下的专利文献1、2、3中,提出考虑二向棱镜相对于偏振方向的透过率(反射率)特性来提高光的利用效率的方法。具体而言,在液晶面板和二向棱镜之间配置变换偏振方向的光学构件,透过二向棱镜的绿色光以P偏振光向二向棱镜入射,由二向色镜反射的红色光和蓝色光以S偏振光向二向棱镜入射,据此,提高透过二向棱镜之后的光的光量。
此外,在这种投影仪中,为了缩短屏幕和投影仪主体的距离,提出采取斜投影的构成的投影仪,该斜投影不仅使投影光学系统广角化并且将投影光的行进方向相对于投影光学系统的光轴而倾斜。
例如,在以下的专利文献4中记载的发明中,作为投影光学系统,使用大视场角的广角透镜,并且使显示元件和屏幕相对于投影光学系统的光轴沿彼此相反的方向移动,从而实现缩短投影距离且没有畸变的斜投影。
此外,在以下的专利文献5中记载的发明中,作为投影光学系统,使用折射光学系统和反射面,并把显示元件上的图像成像在折射光学系统和反射面之间作为中间像,且由反射面将该中间像放大投影,从而实现投影距离的缩短。
在这些专利文献4、5中记载的结构中,起因于斜投影而在投影图像中产生梯形变形(台形歪み)。可是,通过相对于投影光学系统的光轴使显示元件移动,能抑制该梯形变形。
通过将所述专利文献1、2、3的构成与专利文献4、5进行组合,能同时谋求投影距离的缩短、光的利用效率的提高。这时,为了抑制梯形变形,有必要相对于投影光学系统的光轴使显示元件移动。
可是,如果这样使显示元件移动,特定颜色的光的光量随着从投影区域的一端朝向另一端而显著下降,据此,发生在显示图像中产生颜色不均匀的现象。相对于投影光学系统的光轴的显示元件的移动量越大,有关的光量下降和颜色不均匀的发生越显著。
须指出的是,在以下的专利文献6中表示在投影透镜的出射一侧配置1/4波长板的结构。该在前发明解决了使用所述的专利文献1、2、3的结构时的问题。即如上所述,如果将绿色的光以P偏振光、红色和蓝色的光以S偏振光投影到屏幕,在屏幕是用于防止对比度下降的偏振光屏幕时,就产生只反射特定颜色而无法显示正确的颜色的问题。因此,在投影透镜的出射一侧配置1/4波长板,将从投影透镜出射的绿色的光和红色和蓝色的光通过1/4波长板而变换为旋转方向不同的圆偏振光,从而通过偏振光屏幕把各色的光相等地反射。
根据该在前发明,在偏振光屏幕上可使各色光相等地反射,所以在屏幕上能显示正确的颜色。可是,即便使用该在前发明,也无法抑制由所述显示元件的移动所引起的特定颜色的光量下降、及起因于此的颜色不均匀的发生。
[专利文献1]特开昭64-11289号公报
[专利文献2]实开平2-90824号公报
[专利文献3]特开平9-318922号公报
[专利文献4]特开平05-100312号公报
[专利文献5]特开2004-258620号公报
[专利文献6]特开2000-98322号公报
发明内容
本发明的课题在于,提供一种即便在相对于投影光学系统的光轴使显示元件移动时也能顺利地抑制特定颜色的光的光量下降和颜色不均匀的发生的投影型显示装置。
本发明者在采用所述专利文献4、5中记载的斜投影的结构的投影型显示装置的开发中,对投影距离的缩短、显示元件的移动引起的梯形变形的抑制进行了研究。然后,在该研究中,确认了与使显示元件移动对应,特定颜色的光的光量随着从投影区域的一端朝向另一端而显著下降,由此在显示图像中产生颜色不均匀的现象。此外,确认了显示元件相对于投影光学系统的光轴的移动量越大,有关的光量下降和颜色不均匀变得越显著。
本发明者不仅解决该问题并且锐意研究谋求投影距离的缩短。然后,在该问题的分析和研究中,注视于特定颜色的光的光量下降和颜色不均匀与该颜色的光偏振状态有关的可能性。在该注视的基础上,本发明者分析、研究偏振方向和光量下降的关系,得出光的偏振方向越接近显示元件相对于投影光学系统的光轴的移动方向,就越能改善光量下降和颜色不均匀的结论。
本发明是根据这样的研究、分析乃至结论而提出的。
技术方案1的投影型显示装置包括:光源;与应该调制的波长段的光对应配置的多个光调制元件;对由所述光调制元件调制的所述各波长段的光进行合成的光合成元件;将所述各波长段的光之一以与其他波长段的光的偏振方向正交的直线偏振光入射到所述光合成元件的第一偏振调整元件;将所述光合成元件所合成的光进行放大投影的投影光学系统;和配置在所述光合成元件和所述投影光学系统之间的第二偏振调整元件。这里,在所述各光调制元件的中心相对于所述投影光学系统的光轴为光学性偏心的状态下,配置所述各光调制元件,此外,所述第二偏振调整元件对给定波长段的光的偏振状态进行调整,以使偏振方向接近所述偏心的方向、或者变为圆偏振光。
根据本发明,按照入射到投影光学系统时的给定波长段的光的偏振方向接近显示元件相对于投影光学系统的光轴的移动方向的方式调整,或者按照变为圆偏振光的方式进行调整,所以能改善该波长段的光中产生的光量下降和颜色不均匀。须指出的是,后面将在实施例的项目中参照图7、图8和图10来说明本发明的效果。
技术方案2的发明的特征在于,在技术方案1所述的投影型显示装置中,所述第二偏振调整元件是波长选择性的1/2波长板或者波长选择性的1/4波长板。根据本发明,只有适合于波长选择性的1/2波长板或者波长选择性的1/4波长板的波长段的光的偏振方向被旋转90°或者被变为圆偏振光。
技术方案3的发明的特征在于,在技术方案1所述的投影型显示装置中,所述第二偏振调整元件是1/4波长板。根据本发明,可将入射到投影光学系统时的全部波长段的光变为圆偏振光。
根据本发明,能提供一种即便在相对于投影光学系统的光轴使显示元件移动时也能顺利抑制特定颜色的光的光量下降和颜色不均匀的发生的投影型显示装置。
根据以下所示的实施例的说明,本发明的效果和意义变得更清楚。可是,以下的实施例终究是实施本发明时的一个例示,本发明并不由以下的实施例所记载的内容限制。
附图说明
图1是表示实施例的投影仪的光学系统的图。
图2是说明实施例的折射光学系统部和显示元件的位置关系的图。
图3是表示不配置波长选择性的1/2波长板时(比较例)的各色光的偏振方向的图。
图4是表示不配置波长选择性的1/2波长板时(比较例)的光线对透镜的入射状态的图。
图5是表示不配置波长选择性的1/2波长板时(比较例)的光线对透镜的入射状态的图。
图6是表示以P偏振光和S偏振光入射到入射面时的入射角度和反射率以及透过率的关系的图。
图7是相对于折射光学系统部而B光、G光、R光以P偏振光入射时和以S偏振光入射时的离折射光学系统部的光轴的距离和各色光的透过率的关系的仿真图(不配置波长选择性的1/2波长板时)。
图8是相对于折射光学系统部而B光、G光、R光以P偏振光入射时和以S偏振光入射时的离折射光学系统部的光轴的距离和各色光的透过率的关系的仿真图(配置波长选择性的1/2波长板时)。
图9是表示实施例的投影仪的光学系统的变更例的图。
图10是说明实施例的投影仪的效果的图。
图11是表示实施例的投影仪的光学系统的变更例的图。
符号的说明。
11-光源;16、19、26-显示元件(光调制元件);20-1/2波长板(第一偏振调整元件);27-二向棱镜(光合成元件);29-波长选择性的1/2波长板(第二偏振调整元件);30-折射光学系统部;51-1/4波长板(第二偏振调整元件);52-波长选择性的1/4波长板(第二偏振调整元件)。
具体实施方式
图1表示实施例的投影仪的光学系统。
参照图1,光源11由灯和反射镜构成并将大致平行的光射出到照明光学系统12。照明光学系统12具有蝇眼积分器、PBS(偏振分光镜)和聚光透镜,并使入射到显示元件(液晶面板)16、19、26时的各色的光的光量分布均一化,且将朝向分色镜13的光的偏振方向与该图的Z轴方向一致。
分色镜13仅使从照明光学系统12入射的光中的蓝色波长段的光(以下称作“B光”反射,而让红色波长段(以下称作“R光”)和绿色波长段(以下称作“G光”)透过。反射镜14把由分色镜13反射的B光沿朝向聚光透镜15的方向反射。
聚光透镜15对B光付与透镜作用,以使B光以平行光入射显示元件16。显示元件16按照蓝色用的图像信号被驱动,并按照其驱动状态来调制B光。须指出的是,在显示元件16的入射一侧和出射一侧配置偏振片(不图示)。
分色镜17仅使透过分色镜13的R光和G光中的G光反射。聚光透镜18对G光付与透镜作用,以使G光以平行光入射显示元件19。显示元件19按照绿色用的图像信号被驱动,并按照其驱动状态来调制G光。须指出的是,显示元件19的入射一侧和出射一侧配置偏振片(不图示)。
1/2波长板使G光的偏振方向旋转90度。据此,G光的偏振方向变为该图的X轴方向。
中继镜21、23对R光付与透镜作用,以使R光对显示元件26的入射状态与B光和G光对显示元件16和19的入射状态相等。反射镜22、24变更R光的光路,以使透过分色镜17的R光引导到显示元件26。
聚光透镜25对R光付与透镜作用,以使R光以平行光的状态入射显示元件26。显示元件26按照红色用的图像信号被驱动,并按照其驱动状态来调制R光。须指出的是,在显示元件26的入射一侧和出射一侧配置偏振片(不图示)。
二向棱镜27使由显示元件16、19、26调制的B光、G光和R光中的B光和R光反射并且G光透过,据此,对B光、G光和R光进行颜色合成。须指出的是,将B光和R光相对于二向棱镜27的反射面以S偏振光入射,将G光相对于二向棱镜27的反射面以P偏振光入射。
波长选择性的1/2波长板29仅使从二向棱镜27一侧入射的光中的G光的偏振方向旋转90度。据此,B光、G光和R光都以偏振方向为图中的Z轴方向的直线偏振光入射到折射光学系统部30。
折射光学系统部30具有:用于把投影光成像在中间成像面上的透镜组、和用于把这些透镜组的一部分在光轴方向变位来调整投影图像的聚焦状态的传动机构。反射镜部40由非球面镜或者自由曲面镜构成,把从折射光学系统部30入射的投影光广角化而向被投影面(屏幕)进行投影。须指出的是,由折射光学系统部30和反射镜部40构成投影光学系统。
图2表示折射光学系统部30和显示元件16、19、26的位置关系。须指出的是,显示元件16在图中配置在二向棱镜27的X轴方向背面一侧。
如图所示,在本实施例中,在斜投影的结构中,为了谋求投影距离的缩短化和梯形变形的抑制,在相对于折射光学系统部30的光轴沿Z轴方向移动显示元件16、19、26的垂直尺寸的1/2以上的状态下,配置各色的显示元件16、19、26。这里,入射到折射光学系统部30时的G光的偏振方向,如上所述那样通过波长选择性的1/2波长板29的作用,变为Z轴方向。因此,B光、G光和R光的偏振方向都与显示元件16、19、26相对于折射光学系统部30的光轴的移动方向(Z轴方向)一致,并且各色光在相对于折射光学系统部30内的透镜组的各透镜的切平面以P偏振光的状态下入射到折射光学系统部30内的透镜组。。
在本实施例中,通过这样调整G光的偏振方向,能抑制G光的光量下降。以下,与不配置波长选择性的1/2波长板时(比较例)进行对比来说明这点。
图3表示不配置波长选择性的1/2波长板29时的各色光的偏振方向的状态(比较例)。这时,G光以在相对于显示元件19的移动方向而正交的方向(X轴方向)上振动的偏振方向对折射光学系统部30入射,B光和R光以在显示元件16、26的移动方向相同的方向(Z轴方向)上振动的偏振方向对折射光学系统部30入射。
图4是表示图3的C-C’截面的一部分的图。这里,如上所述,显示元件16、19、26相对于折射光学系统部30的光轴沿Z轴方向移动,所以相对于显示元件16、19、26的显示面垂直入射的光线主要就通过透镜31、32的周边部。
就显示元件16、19、26的各要点而言,例如在图3的A点、B点从显示元件16、19、26的显示面垂直出射的光线,以相对于透镜31、32的各切平面而不同的角度入射。图5是表示这些结构的光线入射到透镜31时的切平面Sa、Sb和入射角的关系的图。此外,由于相对于各切平面S而G光变为S偏振光(X轴方向的直线偏振光)且B光和R光变为P偏振光(Z轴方向的直线偏振光),所以各色光的透过率依存于对各切平面S的入射角度和其偏振方向,就变得彼此不同。
光从折射率n1的媒质1向折射率n2的媒质2入射时的反射率和透过率由以下表达式提供。
1.反射率 2.透过率
E||入射面(P偏振光) E||入射面(P偏振光)
可是 可是
n=n2/n1 n=n2/n1
这里,□1、□2分别是从媒质1向媒质2的入射角和折射角,Rp、Rs分别是光相对于入射面(媒质1和媒质2的边界面)以P偏振光和S偏振光入射时的反射率,Tp、Ts分别是光相对于入射面(媒质1和媒质2的边界面)以P偏振光和S偏振光入射时的透过率。
图6(a)、(b)分别是表示从空中入射到光学玻璃BK7(折射率=1.5168)时的反射率和透过率的变化的图。如图所示,光的透过率依存于光对于入射面的入射角度和光偏振方向而变化。因此,B光、G光、R光相对于折射光学系统部30的透过率依存于相对于配置在折射光学系统部30内的各透镜的切平面S的入射角、各色光的偏振方向而变化。
须指出的是,B光、G光、R光的波长不同,所以相对于折射光学系统部30内的各透镜的折射率就不同,因此,相对于B光、G光、R光的各透镜的折射作用不同。由此,各色光的光线在折射光学系统部内在不同的光路行进。因此,各色光的光线对各透镜的入射角□1彼此不同,因此,光线对各透镜的透过率按各颜色就不同。有关的折射率的不同影响所述表达式1的参数n,所以,由此也使各色光的光线对各透镜的透过率不同。
图7是不配置波长选择性的1/2波长板29时的显示元件16、19、26的显示元件面上的离折射光学系统部30的光轴的距离和各色光的透过率的关系的仿真图。须指出的是,该仿真是在各透镜的光学设计值的基础上计算出各色光透过折射光学系统部30内所配置的所有的透镜时的全部的透过率。
如该图所示,越离开光轴中心,而G光的透过率与B光、R光相比就降低得越大。这是起因于G光相对于透镜的各切平面为S偏振光而B光和R光相对于透镜的各切平面为P偏振光的缘故。此外,R光相对于透镜的各切平面是P偏振光,但是因为与波长的关系,所以与B光相比而其透过率就下降。可是,通过对折射光学系统部30内的透镜组的光学设计进行调整,能在某种程度改善R光的透过率下降。
这样,根据图7的仿真条件,在图3的B点从显示元件垂直出射的G光的光线与在A点出射的光线相比,透过率显著下降,并且,R光的透过率也是B点的光线比A点更大幅度下降,所以在屏幕上的投影图像中出现颜色不均匀。
图8是配置波长选择性的1/2波长板29时(实施例)的离折射光学系统部30的光轴的距离和各色光的透过率的关系在图7相同的条件下的仿真图。
参照该图可知,在本实施例中,通过波长选择性的1/2波长板29的作用,G光以P偏振光的状态入射到折射光学系统部30,所以G光的透过率与图7时相比就被显著改善。根据该仿真条件,在B点从显示元件垂直出射的G光的光线与在A点出射的光线相比,几乎不产生透过率差。因此,根据本实施例,能有效抑制由于G光的光量下降所产生的颜色不均匀。
须指出的是,现状中B光、G光、R光中的G光的投影光量与其它光相比而大几级,所以投影图像上的颜色不均匀由于G光的透过率差和光量下降,受到最大的影响。因此,如果如本实施例那样抑制G光的透过率差,就能显著改善投影图像上的颜色不均匀。
须指出的是,在所述中为了简化说明,对从显示元件垂直出射的光线进行了说明,但是实际上,照明光以某种程度的角色散(angular dispersion)从显示元件面出射。因此,严密而言需要不仅对相对于显示面为垂直的光线并且对具有某种程度的扩散角的光线的集合进行探讨,作为透过率的倾向,该光线也与从显示面垂直出射的光线同样,所以根据所述的说明就能把握这些光线的集合的透过率特性。
此外,在所述的实施例中,将按照相对于折射光学系统部30的光轴沿光学性垂直方向(Z轴方向)移动的方式配置显示元件的结构作为示例进行了说明,但是显示元件沿水平方向(X轴方向)移动时、沿斜向移动时也同样,通过按照使对应的颜色的光的偏振方向接近移动方向的方式配置相位板,能防止折射光学系统部30的透过率下降。
例如,在按照合成光相对于折射光学系统部30的光轴沿水平方向(X轴方向)移动的方式配置显示元件时,由于合成光中B光和R光的偏振方向相对于移动方向而正交,所以在二向棱镜27和折射光学系统部30之间配置使B光和R光的偏振方向旋转90°的波长选择性的1/2波长板。据此,B光和R光的偏振方向与移动方向匹配,能抑制B光和R光的光量下降。
须指出的是,在上述描述中,使各色光相对于折射光学系统部30以直线偏振光(P偏振光)入射,但即便使各色光以圆偏振光入射到折射光学系统部30,也能发挥颜色不均匀的改善效果。
图9表示这时的结构例。在该结构例中,将所述实施例的波长选择性的1/2波长板29变更为1/4波长板51。透过1/4波长板51,使B光和R光变换为圆偏振光,此外,将G光变换为与B光和R光反向的圆偏振光。结果,各色光以圆偏振光入射到折射光学系统部30。这时,可认为通过从图3的A点到B点为止的部分的各色光的透过率变为以P偏振光入射到折射光学系统部30时的透过率和以S偏振光入射到折射光学系统部30时的透过率的平均值左右。
图10是相对于折射光学系统部30在B光、G光、R光以P偏振光入射时和以S偏振光入射时的离折射光学系统部30的光轴的距离和各色光的透过率的关系在与图7相同的条件下的仿真图。
通过从图3的A点到B点为止的部分的各色光的透过率,在图10的仿真中,变为以P偏振光入射时的透过率和以S偏振光入射时的透过率的平均值程度。因此,如果如图9的结构例那样,在二向棱镜27和折射光学系统部30之间配置1/4波长板51,则与不配置1/4波长板时相比,使B光和R光的透过率下降,但是G光的透过率增加。如上所述,在现状下B光、G光、R光中的G光的投影光量比B光和R光大几级,所以通过提高G光的投影光量,即使B光和R光的透过率多少有些下降,也能谋求投影图像上的总光量增加和颜色不均匀的改善。
须指出的是,与波长选择性的1/2波长板相比而1/4波长板廉价,所以如图9的结构例那样把波长选择性的1/2波长板29置换为1/4波长板51,能谋求投影仪的成本下降。
此外,在图9的结构例中,把B光、G光、R光的全部变换为圆偏振光后入射到折射光学系统部30,但是也可以只把G光变换为圆偏振光。
图11表示这时的结构例。在该结构例中,只对G光起作用的波长选择性的1/4波长板52配置在二向棱镜27和折射光学系统部30之间。
这时,通过图3的A点到B点的部分的G光的透过率成为以P偏振光入射到折射光学系统部30时的透过率和以S偏振光入射到折射光学系统部30时的透过率的平均值左右,与不配置波长选择性的1/4波长板52时相比,使透过率改善。此外,B光和R光以P偏振光入射到折射光学系统部30,所以不会如图9的结构例那样透过率下降。因此,根据本结构例,能一边维持B光和R光的透过率,一边提高G光的透过率,其结果,与图9的结构例相比,能更有效地实现投影图像上的光量增加和颜色不均匀改善。
以上说明本发明的实施例,但是,本发明不是由所述的实施例限制。此外,本发明的实施例在所述以外,能进行各种变更。
例如,在所述的实施例中,通过显示元件对B光、G光、R光进行调制,通过二向棱镜把调制后的光进行合成,但是也可以把这些波长段以外的光用对应的显示元件进行调制,把调制后的光与B光、G光、R光一起进行合成后入射到折射光学系统部30。例如,在由光源11内的灯所发出的光中除B光、G光、R光外还有黄色波长段(以下称作“Y光”)的频谱成分时,把Y光向对应的显示元件引导,并将由该显示元件所调制的Y光与B光、G光、R光一起通过二向棱镜进行合成。
此外,在所述的实施例中,作为把各色光进行调制的元件,使用透过型的显示元件,但是本发明也能应用在使用反射型的显示元件的投影仪中。此外,关于各色光的显示元件与二向棱镜27的哪个面对向,也能适宜采用所述实施例以外的方法,例如替换图1的B光用的显示元件16和R光用的显示元件26,使B光一方介由中继镜21、23而入射到显示元件。
此外,在所述的实施例中,在使用非球面镜把投影光放大投影的投影仪中应用本发明,但是,在不使用非球面镜而作为投影光学系统使用大视场角的广角透镜把投影光放大投影的投影仪中也能适宜应用本发明。
此外,在图1的结构例中,作为使光均一化的部件使用了蝇眼积分器,但是代替它,也能使用棒积分器。本发明的实施例在权利要求书中表示的技术思想的范围内能适当进行各种变更。
Claims (3)
1.一种投影型显示装置,包括:
光源;
多个光调制元件,按照与应该调制的波长段的光对应的方式配置;
光合成元件,对由所述光调制元件调制的所述各波长段的光进行合成;
第一偏振调整元件,将所述各波长段的光之一以与其他波长段的光的偏振方向正交的直线偏振光入射到所述光合成元件;
投影光学系统,将所述光合成元件所合成的光进行放大投影;和
第二偏振调整元件,配置在所述光合成元件和所述投影光学系统之间,
在所述各光调制元件的中心相对于所述投影光学系统的光轴为光学性偏心的状态下,配置所述各光调制元件,
所述第二偏振调整元件对给定波长段的光的偏振状态进行调整,以使偏振方向接近所述偏心的方向、或者变为圆偏振光。
2.根据权利要求1所述的投影型显示装置,其特征在于:
所述第二偏振调整元件是波长选择性的1/2波长板或者波长选择性的1/4波长板。
3.根据权利要求1所述的投影型显示装置,其特征在于:
所述第二偏振调整元件是1/4波长板。
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