CN101669068A - 投射式显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明的投射式显示装置，具有：光源(1)；根据输入信号控制出射光的行进方向的反射式光阀(9)；将来自光源的光作为照明光聚焦到反射式光阀上的照明光学系统(2、3、4、6a)；投射来自反射式光阀的出射光的投射透镜(10)；配置在照明光学系统的光瞳位置上并遮挡来自光源的光的一部分的第一光阑(7)；配置在投射透镜的光瞳位置上并遮挡来自反射式光阀的出射光的一部分的第二光阑(8)。利用第一光阑和第二光阑的组合，遮挡照明光中的、被反射式光阀的表面反射的光入射到投射透镜的光瞳中的不必要光。第一光阑的遮光区域与用弦方向的线对照明光学系统的光瞳的与不必要光的范围相对应的区域进行分割所得到的外周侧的分割区域相对应，第二光阑的遮光区域设定为与中心侧的分割区域相对应的形状和配置。高效率地遮挡入射到投射透镜中的不必要光，得到高的亮度性能。

Description

投射式显示装置

技术领域

本发明涉及将形成在光阀上的光学像放大并投射到屏幕上的投射式显示装置。

背景技术

作为用于得到大画面影像的方法，已知有在光阀上形成与影像信号相应的光学像，对该光学像照射光，并使用投射透镜将其放大并投射到屏幕上的投影机等投射式显示装置。

在这种投射式显示装置中，通过使用反射式光阀作为光阀，就能够兼顾高清晰度和高像素数值孔径，能显示光利用效率高的高亮度的投射图像。

图4中示出使用了如上所述的反射式光阀的现有投射式显示装置中的光学系统的结构图。这种结构例如已在专利文献1中公开。

在图4中，从作为光源的灯1所放射的光，利用由凹面镜2、棒状棱镜3和聚光透镜4构成的照明光学系统，经全反射棱镜6a聚焦在反射式光阀9上。棒状棱镜3的截面是方形柱状，具有与反射式光阀9的有效显示面大致相同的宽高比。在凹面镜2与棒状棱镜3之间配置有色盘5。由反射式光阀9反射的光，经过色分离合成光学系统即分色棱镜6b，由投射透镜10投射到屏幕(未图示)上。

凹面镜2的反射面的横截面形状形成椭圆形，具有第一焦点和第二焦点。并且配置成灯1的发光体的中心位于凹面镜2的第一焦点附近，棒状棱镜3的光入射面位于第二焦点附近。凹面镜2由在玻璃制机械材料的内面形成光学多层膜的部件构成，该光学多层膜具有使红外光透射并使可见光反射的性质。

从灯1放射的光被凹面镜2反射并聚焦，在凹面镜2的第二焦点形成灯1的发光体像。由于灯1的发光体像具有在靠近光轴的中心附近最亮，越往周边越急剧变暗的趋势，因此其亮度不均匀。

对于该问题，在第二焦点附近配置棒状棱镜3的入射面，使入射光在棒状棱镜3的侧面进行多重反射来实现亮度的均匀化。通过这样做，就将棒状棱镜3的出射面作为二次面光源，通过利用以后配置的聚光透镜4使其成像在反射式光阀9上，由此来确保照明光的均匀性。

色盘5组合有仅透射三原色中的1种颜色的3种滤色器来构成。利用配置在凹面镜2的第二焦点附近的色盘5，将从灯1输出的白色光按时间分割成红、绿、蓝的三原色。即，通过使色盘5旋转，以按时间分割的方式依次向反射式光阀9上照射红、绿、蓝三原色的光。这样，就能够使用1个显示元件(反射式光阀9)来显示全彩色的投射图像。

为了去掉后面说明的不必要光，在照明光学系统的光瞳位置设置光阑11。将光阑11配置成其开口重心相对于照明光学系统的光轴偏心。其理由是因为在抑制必要光的遮光来将亮度的降低抑制到最小限度的同时，提高了对比度性能。

下面，参照图5A～图5C，关于反射式光阀9的结构和动作进行说明。一般的反射式光阀9是根据影像信号控制光的行进方向，以反射角的变化的方式来形成光学像。图5A～图5C是用于说明现有的投射式显示装置中的反射式光阀的结构和动作的剖面图。

该反射式光阀9被称作DMD(数字微镜器件)，每个像素矩阵状地形成有反射镜元件12。分别按照用于白显示的ON信号和用于黑显示的OFF信号来控制各反射镜元件12相对于与投射透镜10(参照图4)的光轴相垂直的基准平面13的倾斜角。此外，照明主光线15在透射了外罩玻璃14之后，入射到反射镜元件12并反射，再透射外罩玻璃14后射出。

在ON信号时，如图5A所示，将反射镜元件12控制成相对于基准平面13具有+θ°的角度。将照明主光线15的入射角设定为，这时ON光主光线16向沿着与基准平面13垂直的方向、即投射透镜10光轴的方向进行反射。从而，照明主光线15与ON光主光线16所构成的角度成为2θ。

在OFF信号时，如图5B所示，将反射镜元件12控制成相对于基准平面13具有-θ°的角度。这时，照明主光线15与OFF光主光线17所构成的角度成为6θ。这样，OFF光主光线17就向不入射到投射透镜10中的方向反射并行进。

此外，如图5C所示，还产生照明光被外罩玻璃14表面反射的平面(flat)光18。与ON、OFF信号时无关，照明主光线15与平面光18的主光线所构成的角度成为4θ。平面光18在ON、OFF的哪个信号时，其一部分都入射到投射透镜10中。因此，特别是在黑显示的OFF信号时，具有平面光18使对比度性能降低很多的问题。

下面，参照图6的照明光学系统的入反射说明图，关于平面光18成为降低对比度的原因的理由进行说明。在图6中，在入射到反射式光阀9中的光线中，将与照明光光轴的倾斜最大的光线的角度设为照射角θa。即，照明光从以照明主光线15为中心的照射角θa的范围向反射式光阀9射入。19示出照明光学系统的光瞳，20示出投射透镜10的光瞳。21示出与投射透镜10的光瞳20相对应的位置的平面光18的光点。

被反射式光阀9向与照明主光线15之间构成角度2θ的方向反射的ON光主光线16，经光瞳20入射到投射透镜10中，并在屏幕上映出。另一方面，平面光18从反射式光阀9向与照明主光线15之间构成角度4θ的方向反射。

在此，在照射角θa为θ以上的情况下，平面光18的一部分作为不必要光22而入射到投射透镜10中。平面光18的光点21与投射透镜10的光瞳20相重叠的范围对应于不必要光22。不必要光22特别是在OFF信号时使对比度性降低很多。

一般在具有反射式光阀的投射式影像装置中，为了得到高的光利用效率而减小照明光学系统的照明F值，因此，照明角θa成为大于θ的值。

因此，为了遮断不必要光22，如图4所示，将光阑11配置在照明光学系统的光瞳的位置上。如图6所示，将照明光学系统的光瞳19中的光阑11的遮光区域23的配置设定为，在被反射式光阀9反射为平面光18的光点21中，与不必要光22的区域相对应。

光阑11的遮光区域23的形状与不必要光22的区域的形状相对应。不必要光22的区域是平面光18的光点21与投射透镜10的光瞳20重叠的范围，即2个圆相交的区域。从而，遮光区域23如图7所示，具有被与照明光学系统的光瞳19的外周相同曲率的2个圆弧包围的双凸透镜的形状。在以下记载中，将该形状只称作“透镜形状”。

光瞳19中的遮光区域23的配置结构如下。即，沿着光瞳19区域的外周配置遮光区域23的透镜形状的一个圆弧。透镜形状的对称轴向着包含照明主光线15和ON光主光线16的面与光瞳19的交线方向。并且，在光瞳19的直径两端中，在入射到反射式光阀9中之前的位置，在靠近ON光主光线16的一侧配置上述透镜形状的对称轴。

利用该遮光区域23，能够排除不必要光22入射到投射透镜10的光瞳20。即，这是因为利用光阑11的遮光区域23来阻止以照明主光线15为中心的照射角θa的照明光中的、成为不必要光22的范围的照明光入射到反射式光阀9。

专利文献1：日本特开2004-94262号公报

光瞳中的亮度分布具有靠近光轴的中心附近最亮，越往周边越急剧变暗的特性。从而，具有上述透镜形状的光阑11的遮光区域23，如图7的遮光状态说明图所示地遮挡了光轴附近的高亮度分布的光束。因此，产生了很大的亮度损耗。

发明内容

本发明为了解决上述问题，其目的在于提供一种投射式显示装置，它的光阑形状最优化，既高效率地截止了入射到投射透镜中的平面光的不必要光，又具有高的亮度性能。

本发明的投射式显示装置具有：光源；反射式光阀，根据输入信号来控制出射光的行进方向相对于入射光的关系；照明光学系统，将来自上述光源的光作为照明光聚焦到上述反射式光阀上；投射透镜，投射来自上述反射式光阀的出射光；以及第一光阑，配置在上述照明光学系统的光瞳的位置上，遮挡来自上述光源的光的一部分，上述第一光阑具有针对上述照明光学系统的光瞳区域的一部分的遮光区域，所述遮光区域与上述照明光中的被上述反射式光阀的表面所反射的光作为不必要光而入射到上述投射透镜的光瞳中的范围相对应。

为了解决上述问题，本发明的投射式显示装置进一步具有第二光阑，所述第二光阑配置在上述投射透镜的光瞳位置上，遮挡来自上述反射式光阀的出射光的一部分，上述第一光阑的遮光区域与用弦方向的线对上述照明光学系统的光瞳的与上述不必要光的范围相对应的区域进行分割所得到的2个分割区域中的、外周侧的上述分割区域相对应，上述第二光阑的遮光区域具有与中心侧的上述分割区域相对应的形状，并且配置在与该中心侧的分割区域相对应的位置上。

发明效果

根据该结构，既能够确保不必要光的遮光特性，又减少了由照明光的第一光阑所产生的光损耗，能抑制对比度的降低，实现投影机等投射式显示装置中的高亮度化。

附图说明

图1是本发明的实施方式中的投射式显示装置的光学系统的结构图。

图2是示出该投射式显示装置的照明光学系统中的光的入射反射状态的图。

图3A是示出现有例的投射式显示装置的光阑在照明光学系统和投射透镜的光瞳中的遮光状态的图。

图3B是示出本发明的实施方式的投射式显示装置的光阑在照明光学系统和投射透镜的光瞳中的遮光状态的一例的图。

图3C是示出该投射式显示装置的光阑在照明光学系统和投射透镜的光瞳中的遮光状态的其他例子的图。

图4是现有例的投射式投影装置中的光学系统的结构图。

图5A是示出该投射式显示装置中的反射式光阀的结构和动作的图。

图5B是示出该投射式显示装置中的反射式光阀的其他动作的图。

图5C是示出该投射式显示装置中的反射式光阀的再一其它动作的图。

图6是示出该投射式投影装置的照明光学系统中的光的入射反射状态的图。

图7是示出该投射式投影装置中的光阑的遮光状态的图。

附图标记说明

1  灯

2  凹面镜

3  棒状棱镜

4  聚光透镜

5  色盘

6a  全反射棱镜

6b  分色棱镜

7   第一光阑

8   第二光阑

9   反射式光阀

10  投射透镜

11  光阑

12  反射镜元件

13  基准平面

14  外罩玻璃

15  照明主光线

16  ON光主光线

17  OFF光主光线

18  平面光

19  照明光学系统的光瞳

20  投射透镜的光瞳

21  平面光的点

22  不必要光

23  遮光区域

24、24a、24b  遮光区域

25、25a、25b  遮光区域

具体实施方式

本发明的投射式显示装置以上述结构为基础，可以采取如下方式。

即，上述反射式光阀矩阵状排列有多个反射镜元件，该多个反射镜元件根据影像信号控制光的反射方向。

此外，最好上述第一光阑的遮光区域具有将由2个圆弧包围的凸透镜形状用与连结该凸透镜形状的两个顶点的线平行的直线分割后的分割区域的一方的形状，上述第二光阑的遮光区域具有另一方上述分割区域的形状。

此外，最好在上述第一光阑和上述第二光阑的入射侧表面形成有由金属或介质多层膜构成的反射镜，所述反射镜反射所入射的光的至少80％以上。

此外，最好上述照明光学系统具有棒状棱镜，该棒状棱镜的长度设定为使得周边照度成为中心照度的90％以上。

以下，参照附图，关于本发明的实施方式进行说明。

(实施方式)

图1是本发明的一个实施方式的投射式显示装置的光学系统的结构图。在图1中，作为光源的灯1、凹面镜2、棒状棱镜3、聚光透镜4、色盘5、分色棱镜6、反射式光阀9和投射透镜10的结构与图4中示出的现有例相同。

在本实施方式中，取代图4中示出的现有例的光阑11，利用设置在照明光学系统的光瞳位置上的第一光阑7和设置在投射透镜10的光瞳位置上的第二光阑8的组合，使其具有遮挡平面光的功能。关于第一光阑7和第二光阑8的结构以后进行叙述。

反射式光阀9如图5的现有例所示，每个像素具有一个矩阵状地形成的反射镜元件12，通过根据影像信号控制光的行进方向，由此根据反射角的变化形成光学像。

此外，凹面镜2由反射面的截面形状形成椭圆形的椭圆面镜构成，具有第一焦点和第二焦点。作为灯1，使用高压水银灯，配置成发光体的中心位于凹面镜2中的第一焦点附近。将棒状棱镜3配置成其光入射面位于凹面镜2中的第二焦点附近。

棒状棱镜3具有光的入射面和出射面具有与反射式光阀9的有效显示面相同的宽高比的方形柱形状。棒状棱镜3由于配置在对来自灯1的放射光进行聚焦的地方，因此最好材质是耐热性优良的石英玻璃。

在棒状棱镜3的入射面附近形成被凹面镜2聚焦的灯1的发光体像。被凹面镜2聚焦的灯1的发光体像具有靠近光轴的中心附近最亮、随着靠近周边急剧变暗的趋势。因此，该情况下面内的亮度不均匀。对此，由于入射到棒状棱镜3中的光线束在棒状棱镜3的侧面进行多重反射，将发光体像细分割和重叠了反射次数来进行照明，因此，在棒状棱镜3的出射面中亮度变均匀。

如上利用灯发光体像的细分割和重叠效果，在棒状棱镜3内反射的次数越多，均匀性越提高，因此，均匀性的程度取决于棒状棱镜3的长度。在本实施方式中，将棒状棱镜3的长度设定成使得屏幕上的周边照度成为中心照度的90％以上。

如上将已使亮度变均匀的棒状棱镜3的出射面作为二次面光源，利用以后配置的聚光透镜4，使其以与反射式光阀9的有效显示面积相匹配的倍率进行成像。从而能兼顾确保聚光效率和提高均匀性。

此外，通过使配置在凹面镜2的第二焦点附近的色盘5旋转，从灯1输出的白色光就依次透射成为红、绿、蓝三原色，以时间分割的方式照射到反射式光阀9上。从而能够在1个反射式光阀9上显示全彩色的投射图像。

此外，与图5A～图5C的现有例同样地，从灯1放射的光被照明光学系统聚焦并入射到反射式光阀9中。如图5A所示，入射到反射式光阀9中的照明主光线15中，为了白显示而反射的ON光主光线16，入射到透镜透镜10中而被放大投射到屏幕上(未图示)。另一方面，如图5B所示，相当于黑显示的OFF光主光线17，向投射透镜10的有效直径的外侧行进，不到达屏幕。

下面，参照图2的照明光学系统的入反射说明图，关于配置在照明光学系统的光瞳19位置上的第一光阑7和配置在投射透镜10的光瞳20位置上的第二光阑8的形状与不必要光22的遮光的关系进行说明。在图2中，由于照明主光线15对于反射式光阀9的入射反射的关系与现有例的图6相同，故在相同要素上标记相同的参照附图标记，省略说明。

第一光阑7的遮光区域24的配置与现有例的图6中示出的光阑11相同，但形状不同。即，遮光区域24具有如下形状：用光瞳19的外形的弦方向的线、即与连结透镜形状的两个顶点的线平行的线，对现有的透镜形的遮光区域的形状进行分割后的外周侧的分割区域的形状。从而，是从现有例的光阑11中除去了中心侧的分割区域后的形状。

另一方面，第二光阑8的遮光区域25具有与从现有的透镜形的遮光区域中切去了第一光阑7的遮光区域24之后的剩余部分相对应的形状。其配置设定在投射透镜10的光瞳20中的与不必要光22相对应的区域的外周侧。由于第一光阑7的遮光区域24与平面光18中的不必要光22的区域的外周侧相对应，因此，在光瞳20中成为中心侧。从而，组合了第一光阑7的遮光区域24和第二光阑8的遮光区域25的遮光区域，与现有的光阑11同样与不必要光22的整个区域相对应。

但是，第一光阑7的遮光区域24和第二光阑8的遮光区域25未必需要完全覆盖不必要光22的区域。即使相对于不必要光22的区域缺少若干遮光区域，实质上也能得到充分的效果。

如上，第一光阑7和第二光阑8所组合的遮光区域相对于不必要光22的遮光量，与现有的照明光学系统中所配置的光阑21的遮光区域的遮光量相等。但是，在照明光学系统的光瞳19和投射透镜10的光瞳20中，通过分别从光束的周边开始进行分割并收缩，不遮挡亮度高的光束中心的光，而能够包含在ON光中，并且遮挡平面光18的不必要光22。其结果，由于对比度性能相同但亮度损耗变少，因此，能够比现有技术提高亮度。

如上所述，将第一光阑7的遮光区域24和第二光阑8的遮光区域25配置成各自的对称轴与包含照明主光线15和ON光主光线16的面一致。第二光阑8的遮光区域25成为光瞳20的直径两端中的靠近平面光18一侧的配置。

下面，关于第一光阑7和第二光阑8的结构，参照图3A～图3C的遮光状态说明图进行说明。图3A示出仅在照明光学系统的光瞳位置上配置了光阑时的遮光状态，与现有例的图7中说明过的相同。当然，投射透镜的光瞳位置上未配置光阑。图3B和图3C示出了本实施方式的遮光状态。

图3A(a)示出现有例的光阑11对于照明光学系统的光瞳19的遮光区域23。图3B和图3C的(a)示出本实施方式的第一光阑7对于照明光学系统的光瞳19的遮光区域24a、24b。图3A(b)示出投射透镜10的光瞳20，但该情况下没有对于光瞳20的遮光区域。图3B和图3C的(b)示出第二光阑8对于投射透镜10的光瞳20的遮光区域25a、25b。

第一光阑7的遮光区域具有用与连结透镜形两顶点的直线平行的直线分割透镜形状所得到的分割区域中的一方的形状。即，使用由如图3B(a)所示的圆的弦和弧所包围的弓形的遮光区域24a或者如图3C(a)所示的弓形的切去了透镜形状的一部分的形状的遮光区域24b。所删除的是光瞳19的中心侧，使用外周侧的分割区域。

第二光阑8具有与从透镜形状上切去第一光阑7后的剩余部分相对应的形状的遮光区域25a、25b。即，如图3B、3C所示，用第一光阑7和第二光阑8分割图3A所示的现有的遮光区域23，组合遮光区域24a、25a或者遮光区域24b、25b来使用。

图3C的遮光区域24b、25b与图3B的遮光区域24a、25a相比，是关于光束的遮光率减小了第二光阑8的权重的情形。不管是哪一种情况下，第一光阑7的遮光面积和第二光阑8的遮光面积之和，最好与现有的照明光学系统中所配置的光阑11的遮光面积相同。

若如上分割遮光区域，则由于不遮挡亮度高的光束中心附近的光而是遮挡周边，因此，亮度损耗减少，与现有技术相比亮度提高了。

再有，一般在投射透镜中配置有光阑的情况下，光阑吸收光，产生透镜等的热伸缩，有可能影响聚焦性能。该情况下，最好将投射透镜的光阑量决定为使得投射透镜性能不会产生问题的程度。

此外，最好在照明光学系统的光阑和投射透镜的光阑的表面上形成反射80％以上的入射光的、由金属或介质多层膜形成的反射膜。

工业实用性

本发明的投射式显示装置由于降低了遮挡不必要光的光阑所产生的光损耗，能够抑制对比度的降低，因此，在投影机等投射式显示装置中十分有用。

Claims (5)

1、一种投射式显示装置，具有：

光源；

反射式光阀，根据输入信号来控制出射光的行进方向相对于入射光的关系；

照明光学系统，将来自上述光源的光作为照明光聚焦到上述反射式光阀上；

投射透镜，投射来自上述反射式光阀的出射光；以及

第一光阑，配置在上述照明光学系统的光瞳的位置上，遮挡来自上述光源的光的一部分，

上述第一光阑具有针对上述照明光学系统的光瞳区域的一部分的遮光区域，所述遮光区域与上述照明光中的被上述反射式光阀的表面所反射的光作为不必要光而入射到上述投射透镜的光瞳中的范围相对应，

上述投射式显示装置的特征在于，

进一步具有第二光阑，所述第二光阑配置在上述投射透镜的光瞳位置上，遮挡来自上述反射式光阀的出射光的一部分，

上述第一光阑的遮光区域与用弦方向的线对上述照明光学系统的光瞳的与上述不必要光的范围相对应的区域进行分割所得到的2个分割区域中的、外周侧的上述分割区域相对应，

上述第二光阑的遮光区域具有与中心侧的上述分割区域相对应的形状，并且配置在与该中心侧的分割区域相对应的位置上。

2、如权利要求1所述的投射式显示装置，其特征在于，上述反射式光阀矩阵状排列有多个反射镜元件，该多个反射镜元件根据影像信号控制光的反射方向。

3、如权利要求1所述的投射式显示装置，其特征在于，上述第一光阑的遮光区域具有将由2个圆弧包围的凸透镜形状用与连结该凸透镜形状的两个顶点的线平行的直线分割后的分割区域的一方的形状，上述第二光阑的遮光区域具有另一方上述分割区域的形状。

4、如权利要求1所述的投射式显示装置，其特征在于，在上述第一光阑和上述第二光阑的入射侧表面形成有由金属或介质多层膜构成的反射镜，所述反射镜反射所入射的光的至少80％以上。

5、如权利要求1所述的投射式显示装置，其特征在于，上述照明光学系统具有棒状棱镜，该棒状棱镜的长度设定为使得周边照度成为中心照度的90％以上。

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