CN101782715A - 投影图像显示设备以及投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影图像显示设备以及投影光学系统。该投影图像显示设备包括：光源；照射光学系统，使用从光源发射的光束均匀照射图像调制元件中用作初级图像表面的表面；以及投影光学系统，将由图像调制元件所调制的初级图像表面上的图像信息放大并投影到用作次级图像表面的屏幕上，其中，投影光学系统包括：第一光学系统，基于所述图像信息形成中间图像；单图像第二光学系统，放大并投影中间图像，以在屏幕上显示单个图像；多图像第二光学系统，放大并投影中间图像，以在屏幕上显示多个图像；以及光路切换机构，将来自第一光学系统的光束选择性导引到单图像第二光学系统或多图像第二光学系统。

Description

投影图像显示设备以及投影光学系统

技术领域

本发明涉及一种在屏幕上显示投影图像的投影图像显示设备以及投影图像显示设备中使用的投影光学系统。

背景技术

近些年来，投影仪设备已经广泛用作在屏幕上显示投影图像的投影图像显示设备。与平板显示设备(诸如LCD(液晶显示)和PDP(等离子体显示板))相比，使用投影仪设备便于在增大显示屏幕尺寸的同时保持高清晰度。

一些投影仪设备被构造成输出待显示的多个图像。

在一个这样的示例中，一个投影仪设备以时间共享模式在两个屏幕的每个上投影右眼图像和左眼图像，在屏幕上的图像之间提供视差(例如，见日本专利NO.4052315)。当使用由此构造的投影仪设备，右眼图像和左眼图像交替入射在观察者的眼睛中，允许观察者识别立体图像。

在另一个示例中，显示装置(诸如液晶显示元件)的显示区域被分割成两个，并且右眼图像和左眼图像在同一时间显示于每个显示区域中，以形成立体图像(例如，见日本未审查专利申请公开NO.2007-271828)。在投影仪设备中，用于对图像进行分割(section)的延迟光学系统设置在投影光学系统和显示装置之间，一旦由延迟光学系统形成图像，图像的两部分被反射表面彼此分离。

在又一个示例中，以时间共享模式切换光路的光路切换部分设置在投影光学系统和屏幕之间，使用已经通过每个光路的投影光在屏幕的左右侧并排形成的多个图像(例如，见日本未审查专利申请公开No.2004-279847)。当使用由此构造的投影仪设备时，单投影仪设备输出显示的宽屏图像，其中，在左右侧并排形成的多个图像。

发明内容

根据上述现有技术讨论的投影仪设备被构造成输出待显示的多个图像，并且由此支持立体图像或宽屏图像。但是，在投影仪设备构造成输出待显示的多个图像的情况下，难以使用显示装置的全分辨能力同时保持高清晰度在屏幕上显示单图像。

例如，大部分的电影院和家庭影院系统在单个屏幕上输出待显示的普通二维视频内容。因此，为了支持需要显示输出多个图像的视频内容，需要准备两个投影仪设备或更换投影仪设备的投影光学系统。

也就是说，为了使用根据现有技术的投影仪设备支持在单个屏幕上显示单个图像的视频内容和需要显示输出多个图像的视频内容，设备的成本和/或尺寸不可避免地增大，或者不可避免地产生麻烦的替换工作。

因此，需要提供一种根据使用状况并且在不需要替换投影光学系统的情况下使用单个设备输出待显示的多个图像和待显示的单个图像的投影图像显示设备以及投影图像显示设备中使用的投影光学系统。

根据本发明的实施例，提供一种投影图像显示设备，包括：光源；照射光学系统，使用从所述光源发射的光束均匀照射图像调制元件中用作初级图像表面的表面；以及投影光学系统，将由所述图像调制元件所调制的所述初级图像表面上的图像信息放大并投影到用作次级图像表面的屏幕上，其中，所述投影光学系统包括：第一光学系统，基于所述初级图像表面上的所述图像信息形成中间图像；单图像第二光学系统，放大并投影所述中间图像，以在所述屏幕上输出待显示的单个图像；多图像第二光学系统，放大并投影所述中间图像，以在所述屏幕上输出待显示的多个图像；以及光路切换机构，将来自所述第一光学系统的光束选择性导引到所述单图像第二光学系统或所述多图像第二光学系统。

在如上构造的投影图像显示设备中，当来自第一光学系统的光束被导引到单图像第二光学系统时，在单个屏幕上输出单个待显示的图像。同时，当来自第一光学系统的光束被导引到多图像第二光学系统时，在屏幕上输出多个用于显示的图像。即，基于通过所述光路切换机构所进行的光路切换操作的结果选择性判定是否在屏幕上输出待显示的单个图像或在屏幕上输出待显示的多个图像。

根据本发明，在仅使用一个投影图像显示设备而在不需要更换投影光学系统的情况下，通过光路切换机构所进行的光路切换操作，可以在屏幕上输出待显示的单个图像和多个图像。因此，在不增加设备成本或尺寸或产生麻烦的更换工作的情况下，可以支持不同视频内容。

附图说明

图1图示液晶投影仪设备的光源和照射光学系统的示例性构造；

图2A图示根据第一实施例的投影光学系统的示例性构造，其示出其中在第一光学系统和偏振分光器之间的光路没有设置λ/2位相差膜的状态；

图2B图示根据第一实施例的投影光学系统的示例性构造，其示出其中在第一光学系统和偏振分光器之间的光路设置λ/2位相差膜的状态；

图3A图示根据第二实施例的投影光学系统的示例性构造，其示出其中在第一光学系统和偏振分光器之间的光路设置λ/2位相差膜的状态；

图3B图示根据第二实施例的投影光学系统的示例性构造，其示出其中在第一光学系统和偏振分光器之间的光路设置λ/2位相差膜的状态；

图4A图示根据第三实施例的投影光学系统的示例性构造，其示出在来自第一光学系统的光束的光路上设置镜子的状态；

图4B图示根据第三实施例的投影光学系统的示例性构造，其示出在来自第一光学系统的光束的光路上没有设置镜子的状态；

图5A图示根据第四实施例的投影光学系统的示例性构造，其示出其中包含s偏振光的光束入射在第二偏振分光器上的状态；

图5B图示根据第四实施例的投影光学系统的示例性构造，其示出其中通过叠映(superimpose)s偏振光和p偏振光所获得的光束入射在第二偏振分光器上的状态；

图6A图示根据第四实施例包括从光源到液晶面板的部件作为图像调制元件的示例的照射光学系统的示例性构造，其示出其中在来自光源的光束的光路上设置半镜的状态；

图6B图示根据第四实施例包括从光源到液晶面板的部件作为图像调制元件的示例的照射光学系统的示例性构造，其示出其中在来自光源的光束的光路上没有设置半镜的状态；

图7A图示根据第五实施例的投影光学系统的示例性构造，其示出在偏振分光器和多图像第二光学系统之间布置遮光板的状态；

图7B图示根据第五实施例的投影光学系统的示例性构造，其示出在偏振分光器和单图像第二光学系统之间布置遮光板的状态；

图8A图示初级图像表面的第一具体示例；

图8B图示次级图像表面的第一具体示例；

图9A图示初级图像表面的第二具体示例；

图9B图示次级图像表面的第二具体示例；

图10A图示初级图像表面的第三具体示例；

图10B图示次级图像表面的第三具体示例；

图11A图示初级图像表面的第四具体示例；以及

图11B图示次级图像表面的第四具体示例。

具体实施方式

下面参考附图描述根据本发明实施例的投影图像显示设备和投影光学系统。

【投影图像显示设备的示例性构造】

首先，使用液晶投影仪设备作为示例简要描述投影图像显示设备的示意性构造。

液晶投影仪设备包括设置在其壳体中的光源、照射光学系统和投影光学系统。从光源发射的光由用在图像调制元件的液晶显示元件调制，以根据视频信号形成光学图像。待显示的光学图像被投影光学系统放大并投影到屏幕上。作为这样的液晶投影仪设备，广泛使用包括分别对应于R(红)、G(绿)和B(蓝)的面板状液晶显示元件的所谓3-LCD投影仪设备。在下面的说明书中，面板状液晶显示元件有时简称为“液晶面板”。

图1图示液晶投影仪设备的光源1和照射光学系统2的示例性构造。

光源1朝向照射光学系统2发射光束，并且例如可以是高压汞灯。

照射光学系统2使用从光源1发射的光束均匀照射图像调制元件(液晶面板)中用作初级图像表面的表面。更具体而言，在照射光学系统2中，来自光源1的光束通过第一和第二飞眼透镜FL、偏振转换元件PS和聚光透镜L。在通过这些部件后，光束被仅反射具体波带的光的分色镜DM分离成各种颜色(R、G和B)光分量。各种颜色(R、G和B)光分量利用全反射镜M和透镜L入射在与R、G和B颜色对应的液晶面板P上。在由液晶面板P根据视频信号进行的光调制后，各种光调制颜色光分量由分色棱镜PP合成，并且朝向投影光学系统(未示出)发射。

虽然照射光学系统2使用上面说明书中的投射液晶面板形成，但是照射光学系统2也可以使用反射液晶面板形成。例如，图像调制元件可以是微镜装置(DMD)。还可以使用偏振分光器(PBS)、合成各种(R、G和B)颜色的视频信号的颜色合成棱镜以及取代分色棱镜PP的TIR(全内反射)棱镜。

【投影光学系统的示例性构造】

除了上述的光源1和照射光学系统2之外，液晶投影仪设备还包括投影光学系统。

当投影光学系统接收从照射光学系统2发射的光时，投影光学系统将照射光学系统2的液晶面板P所调制的初级图像表面上的图像信息放大并投影到用作次级图像表面的屏幕上。

这里所述的液晶投影仪设备在其投影光学系统中具有优点。

接着使用第一到第七实施例作为示例描述投影光学系统的构造。

<第一实施例>

图2A和2B描述根据第一实施例的投影光学系统的示例性构造。

作为图示的示例，投影光学系统被构造成进行从小比例尺寸侧的初级图像表面到大比例尺寸侧的次级图像表面的放大投影。即，由照射光学系统2中的液晶面板进行的调制和由分色棱镜PP进行的合成所获得的初级表面图像上的图像信息被放大并且投影到用作次级图像表面的屏幕上。

为此，投影光学系统包括基于初级图像表面上的图像信息形成中间图像的第一光学系统L1和放大并投影中间图像以在屏幕上输出待显示的图像的第二光学系统。

第二光学系统包括并排设置的在屏幕上输出待显示的单个图像的单图像第二光学系统L2R以及在屏幕上输出待显示的多个图像的多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb。

除单图像第二光学系统L2R和多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb并排设置之外，λ/2位相差膜WR和偏振分光器PBS布置在单图像第二光学系统L2R与多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb之间。

λ/2位相差膜WR将来自第一光学系统L1的光束的偏振方向改变到特定偏振方向。例如，λ/2位相差膜WR将s偏振光转换成p偏振光，反之亦然。λ/2位相差膜WR在位于光路上的第一光学系统L1和偏振分光器PBS之间的位置以及不位于光路上的第一光学系统L1和偏振分光器PBS之间的位置之间可移动。λ/2位相差膜WR由位相差膜移动机构(未示出)移动。无论是手动还是自动操作，位相差膜移动机构可以利用现有技术实现，隐藏在此不再描述。

偏振分光器PBS被构造成例如反射s偏振光束并且投射p偏振光束。

λ/2位相差膜WR、位相差膜移动机构和偏振分光器PBS充当光路切换机构，其选择性将来自第一光学系统L1的光束导引到单图像第二光学系统L2R或多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb。

可以包括镜子的平反射表面M2R布置在偏振分光器PBS和单图像第二光学系统L2R，以改变光束的行进方向。每个可以包括镜子的多个平反射表面MTa1、Mta2、MTb1和MTb2布置在偏振分光器PBS与多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb之间，以改变光束的行进方向。

已经考虑到其中s偏振光束例如从由此构造的投影光学系统中的液晶面板发射的情况。在图中，双圈标记表示s偏振光(沿着图中的深度方向振动)，而竖直箭头表示p偏振光(沿着图中的竖直方向振动)。

在其中λ/2位相差膜WR如图2A所示没有插入第一光学系统L1和偏振分光器PBS之间的状态下，从液晶面板P发射的光束通过分色棱镜PP和第一光学系统L1。然后，第一光学系统L1基于液晶面板P的表面上的初级图像表面上的图像信息形成中间图像II。

光束在偏振分光器PBS之前包含s偏振光。即，保持为s偏振光束的光束在λ/2位相差膜WR没有插入光路的状态下入射在偏振分光器PBS上。因此，已经通过第一光学系统L1的光束由偏振分光器PBS反射。

由偏振分光器PBS反射的光束的行进方向由平反射表面M2R改变，并且入射在单图像第二光学系统L2R上。通过单图像第二光学系统L2R的光束被放大并且投影，以在次级图像表面上形成图像。

同时，在其中λ/2位相差膜WR如图2B所示没有插入第一光学系统L1和偏振分光器PBS之间的状态下，从液晶面板Pa和Pb发射的光束也通过分色棱镜PP和第一光学系统L1。应当注意，初级图像表面上的图像信息已经被分割成液晶面板Pa和Pb的表面上的多条图像信息，以对应于待输出显示的多个图像(例如，右眼图像和左眼图像)。第一光学系统L1基于液晶面板Pa和Pb的表面上的各条图像信息形成中间图像IIa和IIb。即，中间图像IIa基于从液晶面板Pa发射的光束形成，而中间图像IIb基于从液晶面板Pb发射的光束形成。

在将偏振方向旋转90°的λ/2位相差膜WR存在的情况下，在偏振分光器PBS之前的光束包含p偏振光。即，从s偏振光转换成p偏振光的光束在λ/2位相差膜WR插入光路的状态下入射在偏振分光器PBS上。因此，已经通过第一光学系统L1的光束通过偏振分光器PBS。

已经通过偏振分光器PBS的光束的行进方向由平反射表面MTa1、MTa2、MTb1和MTb2改变，并入射在多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb。即，从液晶面板Pa发射的光束形成中间图像IIa，然后其行进方向由平反射表面MTa1和MTa2改变，并入射到多图像第二光学系统L2Ta。从液晶面板Pb发射的光束形成中间图像IIb，然后其行进方向由平反射表面MTb1和MTb2改变，并入射到多图像第二光学系统L2Tb。已经通过多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb的各个光束被放大并投影，以在次级图像表面上形成图像。

在如上构造的投影光学系统，当来自第一光学系统L1的光束被导引到单图像第二光学系统L2R时，在单个屏幕上输出待显示的单个图像。同时，当来自第一光学系统L1的光束被导引到多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb时，在屏幕上输出待显示的多个图像。即，光路通过将λ/2位相差膜WR放入或将其移出光路来切换，以改变或不改变光束的偏振方向。基于切换光路的结果选择性判定是否在屏幕上输出待显示的单个图像或在屏幕上输出待显示的多个图像。

因此，包括如上构造的投影光学系统的液晶投影仪设备使得在不需要更换投影光学系统的情况下仅使用一个液晶投影仪设备既可以输出待显示的多个图像也可以输出待显示的单个图像。即在不增加设备的成本和尺寸或产生麻烦的更换工作的情况下，通过将λ/2位相差膜WR放入或将其移出光路来切换光路以改变或不改变光束的偏振方向，可以支持不同视频内容。

<第二实施例>

图3A和3B图示根据第二实施例的投影光学系统的示例性构造。这里，仅描述与上述第一实施例不同的部分。

在图示的投影光学系统中，多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb分布布置在单图像第二光学系统L2R的两侧。对应地，偏振分光镜PBS适于将来自第一光学系统L1的光束分离并反射到多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb两者。

偏振分光镜PBS被构造成例如分离并反射s偏振光束和透射p偏振光束保持其不变。

已经考虑了例如在由此构造的投影光学系统中从液晶面板发射p偏振光束的情况下。在图中，双圈标记表示s偏振光(沿着图中的深度方向振动)，而竖直箭头表示p偏振光(沿着图中的竖直方向振动)。

在其中λ/2位相差膜WR如图3A所示没有插入第一光学系统L1和偏振分光器PBS之间的状态下，从液晶面板P发射的光束通过分色棱镜PP和第一光学系统L1。然后，第一光学系统L1基于液晶面板P的表面上的初级图像表面上的图像信息形成中间图像II。

在偏振分光器PBS之前的光束包含p偏振光。即，保持为p偏振光的光束在λ/2位相差膜WR没有插入光路的状态下入射在偏振分光器PBS上。因此，已经通过第一光学系统L1的光束保持不变地通过偏振分光器PBS。

已经通过偏振分光器PBS的光束保持不变地入射在单图像第二光学系统L2R上。已经通过单图像第二光学系统L2R的光束被放大并投影，以在次级图像表面上形成图像。

同时，在其中λ/2位相差膜WR如图3B所示插入第一光学系统L1和偏振分光器PBS之间的状态下，从液晶面板Pa和Pb发射的光束也通过分色棱镜PP和第一光学系统L1。应当注意，初级图像表面上的图像信息已经被分割成液晶面板Pa和Pb的表面上的多条图像信息，以对应于待输出显示的多个图像(例如，右眼图像和左眼图像)。第一光学系统L1基于液晶面板Pa和Pb的表面上的各条图像信息形成中间图像IIa和IIb。即，中间图像IIa基于从液晶面板Pa发射的光束形成，而中间图像IIb基于从液晶面板Pb发射的光束形成。

在将偏振方向旋转90°的λ/2位相差膜WR存在的情况下，在偏振分光器PBS之前的光束包含s偏振光。即，从p偏振光转换成s偏振光的光束在λ/2位相差膜WR插入光路的状态下入射在偏振分光器PBS上。因此，已经通过第一光学系统L1的光束被偏振分光器PBS分离和反射。

由偏振分光器PBS分离并反射的光束的行进方向由平反射表面MTa2和MTb2改变，并入射在多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb上。即，从液晶面板Pa发射的光束形成中间图像IIa，然后其行进方向由平反射表面MTa2改变，并入射到多图像第二光学系统L2Ta上。从液晶面板Pb发射的光束形成中间图像IIb，然后其行进方向由平反射表面MTb2改变，并入射到多图像第二光学系统L2Tb上。已经通过多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb的各个光束被放大并投影，以在次级图像表面上形成图像。

在如上构造的投影光学系统中，如同上述的第一实施例中的情况下一样，光路通过将λ/2位相差膜WR放入或将其移出光路来切换，以改变或不改变光束的偏振方向。基于切换光路的结果选择性判定是否在屏幕上输出待显示的单个图像或在屏幕上输出待显示的多个图像。

因此，包括如上构造的投影光学系统的液晶投影仪设备使得在不需要更换投影光学系统的情况下仅使用一个液晶投影仪设备既可以输出待显示的多个图像也可以输出待显示的单个图像。即在不增加设备的成本和尺寸或产生麻烦的更换工作的情况下，通过将λ/2位相差膜WR放入或将其移出光路来切换光路以改变或不改变光束的偏振方向，可以支持不同视频内容。

<第三实施例>

图4A和4B图示根据第三实施例的投影光学系统的示例性构造。这里，也仅描述与上述第一实施例的不同部分。

在所示的投影光学系统中，镜子M布置在第一光学系统L1和第二光学系统L2R、L2Ta和L2Tb之间。镜子M充当反射构件，其具有改变光束的行进方向的平反射表面。

镜子M可以在从第一光学系统L1发射的光束的光路上的位置与不位于该光路的位置之间移动。镜子M由反射构件移动机构(未示出)移动。无论是手动还是自动操作，反射构件移动机构可以利用现有技术实现，在这里不再描述。

镜子M和反射构件移动机构充当光路切换电路，其可选择地将来自第一光学系统L1的光束导引到单图像第二光学系统L2R和多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb中的任一者。

已经考虑了例如在由此构造的投影光学系统中从液晶面板发射光束的情况下。在此情况下，光束的偏振状态没有具体限制，光束可以是s偏振光或p偏振光中的任一者。

在其中镜子M如图4A所示设置在来自第一光学系统L1的光束的光路上的状态下，从液晶面板P发射的光束通过分色棱镜PP和第一光学系统L1。然后，第一光学系统L1基于液晶面板P的表面上的初级图像表面上的图像信息形成中间图像II。

此时，在镜子M位于光路上的情况下，光束由镜子M反射，以改变其行进方向。光束的行径方向再次由平反射表面MR改变。

这允许从第一光学系统L1发射的光束被导引到单图像第二光学系统L2R，以入射到单图像第二光学系统L2R。已经通过单图像第二光学系统L2R的光束被放大并投影，以在次级图像表面上形成图像。

同时，在其中镜子M如图4B所示没有设置在来自第一光学系统L1的光束的光路上的状态下，从液晶面板Pa和Pb发射的光束也通过分色棱镜PP和第一光学系统L1。应当注意，初级图像表面上的图像信息已经被分割成液晶面板Pa和Pb的表面上的多条图像信息，以对应于输出待显示的多个图像(例如，右眼图像和左眼图像)。第一光学系统L1基于液晶面板Pa和Pb的表面上的各条图像信息形成中间图像IIa和IIb。即，中间图像IIa基于从液晶面板Pa发射的光束形成，而中间图像IIb基于从液晶面板Pb发射的光束形成。

应该注意，镜子M此时没有设置在第一光学系统L1之后的光路上。即，镜子M已经由反射构件移动机构从光路缩回。

因此，已经通过第一光学系统L1的光束的行进方向由平反射表面MTa1、MTa2、MTb1和MTb2改变，并入射到多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb。即，从液晶面板Pa发射的光束形成中间图像IIa，然后其行进方向由平反射表面MTa1和MTa2改变，并入射到多图像第二光学系统L2Ta。从液晶面板Pb发射的光束形成中间图像IIb，然后其行进方向由平反射表面MTb1和MTb2改变，并入射到多图像第二光学系统L2Tb。已经通过多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb的各个光束被放大并投影，以在次级图像表面上形成图像。

在如上构造的投影光学系统中，通过将镜子M放入或将其移出光路以反射或不反射光束来切换光路。基于切换光路的结果选择性判定是否在屏幕上输出待显示的单个图像或在屏幕上输出待显示的多个图像。

因此，包括如上构造的投影光学系统的液晶投影仪设备使得在不需要更换投影光学系统的情况下仅使用一个液晶投影仪设备既可以输出待显示的多个图像也可以输出待显示的单个图像。即，在不增加设备的成本和尺寸或产生麻烦的更换工作的情况下，通过将镜子M放入或将其移出所述光束的光路来切换光路，可以支持不同视频内容。

<第四实施例>

图5A和5B图示根据第四实施例的投影光学系统的示例性构造。这里，也仅描述与上述第一实施例不同的部分。

在所示的投影光学系统中，两个第二光学系统L2R和L2T并排设置。并排设置的第二光学系统L2R和L2T充当多图像第二光学系统。第二光学系统中的一个L2T也充当单图像第二光学系统。即，第二光学系统L2T既用作单图像光学系统，也用作多图像第二光学系统。

第三偏振分光器PBS(3)布置在第二光学系统L2R和L2T与第一光学系统11之间。偏振分光镜PBS(3)被构造成例如反射s偏振光束和透射p偏振光束。

对于由此构造的投影光学系统，用作图像调制元件的两个液晶面板P1和P2布置在第一光学系统L1之前。液晶面板P1和P2基于视频信号调制从光源和照射光学系统发射的光，以形成初级图像表面。虽然在图示示例中使用反射液晶面板P1和P2，但是也可以使用透射点阵液晶面板或数字微镜器件(DMD)。

图6A和6B图示根据第四实施例的照射光学系统的示例性构造，其包括从光源到液晶面板的部件作为图像调制元件的示例。

如在所述示例中，除了飞眼透镜FL和偏振分光器PB外，第一偏振分光器PBS(1)和第二偏振分光器PBS(2)布置在液晶面板P1和P2与光源Lp之间。第一偏振分光镜PBS(1)和第二偏振分光器PBS(2)被构造成例如反射s偏振光束和透射p偏振光束。

半镜HM、镜子M和λ/2位相差膜WR布置在偏振分光器PB与第一偏振分光器PBS(1)。

半镜HM将入射光束分离成两个光束，即，反射光束和透射光束。半镜HM可以在从偏振分光器PB与第一偏振分光器PBS(1)之间的光路上的位置与不位于其之间的光路的位置之间移动。半镜HM由半镜移动机构(未示出)移动。无论是手动还是自动操作，半镜移动机构可以利用现有技术实现，在这里不再描述。

镜子M每个被构造成具有改变光束的行进方向的平反射表面。镜子M每个改变由半镜HM分离的光束中一者的行进方向。

λ/2位相差膜WR将其行进方向已经由镜子M改变并且入射到第一偏振分光器PBS(1)的光束的偏振方向改变成特定偏振方向。例如，λ/2位相差膜WR将s偏振光转换成p偏振光。

已经考虑了例如在如上构造的投影光学系统中从光源Lp发射s偏振光束的情况下。在图中，双圈标记表示s偏振光(沿着图中的深度方向振动)，而竖直箭头表示p偏振光(沿着图中的竖直方向振动)。

在半镜HM如图6A所示设置在来自光源Lp的光束的光路上的状态下，来自光源Lp的光束保持不变地入射到第一偏振分光器PBS(1)。光束包含s偏振光。因此，来自光源的光束由第一偏振分光器PBS(1)反射，以入射到第二偏振分光器PBS(2)。此外，光束再次由第二偏振分光器PBS(2)反射，以入射到液晶面板P1。

此后，如图5A所示，当包含s偏振光的光束入射到液晶面板P1时，包含p偏振光的光束基于视频信号通过液晶面板P1所进行的调制而从液晶面板P1反射，并通过第一光学系统L1。然后，第一光学系统L1基于初级图像表面上的图像信息在液晶面板P1的表面上形成中间图像II。

在第三偏振分光器PBS(3)之前的光束包含p偏振光。因此，已经通过第一光学系统L1的光束保持不变地通过第三偏振分光器PBS(3)。

已经通过第三偏振分光器PBS(3)的光束然后入射到第二光学系统L2T。已经通过第二光学系统L2T的光束被放大并投影，以在次级图像表面上形成图像。这产生在屏幕上待输出显示的单个图像。

同时，在半镜HM如图6B所示没有设置在来自光源Lp的光束的光路上的状态下，来自光源Lp的光束由半镜HM分离为二。分离光束中的第一光束保持不变地入射到第一偏振分光器PBS(1)。第一光束包含s偏振光。因此，第一光束由第一偏振分光器PBS(1)反射，以入射到第二偏振分光器PBS(2)。同时，分离光束中的第二光束由镜子M反射并通过λ/2位相差膜WR，以入射在第一偏振分光器PBS(1)。第二光束通过λ/2位相差膜WR，由此包含p偏振光。因此，第二光束通过第一偏振分光器PBS(1)，以入射到第二偏振分光器PBS(2)。即，通过叠映s偏振光和p偏振光所获得的光束入射到第二偏振分光器PBS(2)。

当通过叠映s偏振光和p偏振光所获得的光束入射时，第二偏振分光器PBS(2)反射包含在入射光束中的包含s偏振光的光束。这使得包含s偏振光的光束入射液晶面板P1。第二偏振分光器PBS(2)透射包含p偏振光的光束。这使得包含p偏振光的光束入射液晶面板P2。

此后，如图5B所示，当包含s偏振光的光束入射到液晶面板P1时，包含p偏振光的光束基于视频信号通过液晶面板P1所进行的调制而从液晶面板P1反射，并通过第一光学系统L1。同时，当包含p偏振光的光束入射到液晶面板P2时，包含s偏振光的光束基于视频信号通过液晶面板P2所进行的调制而从液晶面板P2反射，并通过第一光学系统L1。然后，第一光学系统L1基于初级图像表面上的图像信息以及在液晶面板P2的表面上的图像信息在液晶面板P1的表面上形成中间图像II。

在第三偏振分光器PBS(3)之前的光束包含彼此叠映的s偏振光和p偏振光。因此，包含在已经通过第一光学系统L1的光束中的包含s偏振光的光束由第三偏振分光器PBS(3)并随后由镜子M反射，以入射到第二光学系统L2R。同时，包含在已经通过第一光学系统L1的光束中的包含p偏振光的光束保持不变地通过第三偏振分光器PBS(3)以入射到第二光学系统L2T。即，已经通过第一光学系统L1的光束被第三偏振分光器PBS(3)再次分离。

已经通过第二光学系统L2R和L2T的各个光束被放大并投影，以在次级图像表面上形成图像。这产生在屏幕上待输出显示的多个图像。

在如上构造的投影光学系统中，第三偏振分光器PBS(3)根据光束的偏振方向改变以将来自第一光学系统L1的光束导仅引到第二光学系统L2R和L2T中的一个或将光束导引到二者。基于根据光束的偏振方向切换光路的结果选择性判定是否在屏幕上输出待显示的单个图像或在屏幕上输出待显示的多个图像。

因此，包括如上构造的投影光学系统的液晶投影仪设备使得在不需要更换投影光学系统的情况下仅使用一个液晶投影仪设备既可以输出待显示的多个图像也可以输出待显示的单个图像。即，在不增加设备的成本和尺寸或产生麻烦的更换工作的情况下，通过根据光束的偏振方向切换光路，可以支持不同视频内容。

<第五实施例>

图7A和7B图示根据第五实施例的投影光学系统的示例性构造。这里，也仅描述与上述第一实施例的不同之处。

在所示的投影光学系统中，除了与第一实施例中描述的部件之外，防止光行进的遮光板Sa和Sb分别布置在偏振分光器PBS与第二光学系统L2R之间以及偏振分光器PBS与第二光学系统L2Ta和L2Tb之间。遮光板Sa和Sb防止光束从第一光学系统L1行进到光束不被导引到的单图像第二光学系统L2R或多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb。

为此，每个遮光板Sa和Sb可以在来自第一光学系统L1的光束的光路上的位置与不位于该光路的位置之间移动。每个遮光板Sa和Sb由遮光板移动机构(未示出)移动。遮光板移动机构适于和位相差膜移动机构操作以移动λ/2位相差膜WR一起操作。无论是手动还是自动操作以及无论其是否与位相差膜移动机构一起操作，遮光板移动机构可以利用现有技术实现，在这里不再描述。

在如上构造的投影光学系统中，光路通过将λ/2位相差膜WR放入或将其移出光路来切换，以改变或不改变光束的偏振方向。基于切换光路的结果选择性判定是否在屏幕上输出待显示的单个图像或在屏幕上输出待显示的多个图像。

在此情况下，遮光板Sa和Sb插入第一光学系统L1和与来自第一光学系统L1的光束通过将λ/2位相差膜WR放入或移出光路来切换光路一致而不被导引到的第二光学系统L2R或第二光学系统L2Ta和L2Tb之间。在第二光学系统L2R以及L2Ta和L2Tb并排设置并且光束被选择性导引到第二光学系统L2R或第二光学系统L2Ta和L2Tb的情况下，这防止光泄露到光束不被导引到的第二光学系统L2R或第二光学系统L2Ta和L2Tb。因此，可以防止由于光泄露而发生显示图像的降级。

<第六实施例>

现在，通过具体示例作为第六实施例来描述使用投影光学系统输出待显示的图像。下面是基于例如使用如第一实施例所述构造的投影光学系统的情况的描述。但是，应该注意，投影光学系统可以如上述第一到第五实施例中任一者构造。

图8A和8B到图11A和11B图示初级图像表面和次级图像表面的具体示例。

图8A示出从次级图像表面侧观察时输出待显示的单个图像时所获得液晶面板P的表面上的初级图像表面上的图像信息。液晶面板P被限定为具有水平方向X和垂直方向Y。

在输出待显示的单个图像时，液晶面板P的表面上的初级图像表面上的图像信息由第一光学系统L1和单图像第二光学系统L2R处理，以如图8B所示在次级图像表面上形成图像信息P’。次级图像表面上的图像信息P’的水平尺寸X’和垂直尺寸Y’定义为X’＝X·β1·β2R以及Y’＝Y·β1·β2R，其中，β1是第一光学系统L1的成像放大率，而β2R是单图像第二光学系统L2R的成像放大率。

图9A示出从次级图像表面侧观察时输出待显示的多个图像的情况下所获得液晶面板Pa的各个表面上的初级图像表面上的图像信息。液晶面板Pa和Pb每个被限定为具有水平尺寸X/2和垂直尺寸Y/2。

在输出待显示的多个图像的情况下，液晶面板Pa和Pb的表面上的初级图像表面上的图像信息由第一光学系统L1和多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb处理，以如图9B所示在次级图像表面上形成图像信息Pa’和Pb’。单图像第二光学系统L2R以及多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb的各个焦距定义为f2R、f21T和f22T。已经考虑了其中F2R等于2′f21T和f21T等于f22R的情况。在此情况下，如果单图像第二光学系统L2R以及多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb的各个成像放大率定义为β2R、β2Ta和β2Tb，则2×β2R等于β2Ta并且β2Ta等于β2Tb。因此，可以形成与在如上所述输出待显示的单个图像的情况下形成的图像相同尺寸的图像(见图8B)。

在输出待显示的多个图像的情况下，例如通过使用在图像之间提供视差将来自液晶面板Pa的图像投影为左眼图像以及将来自液晶面板Pb的图像投影为右眼图像，可以在屏幕上显示立体图像。

虽然在图9A和9B的具体示例中使用与图8A和8B所示的单个图像的纵横比相同的纵横比显示多个图像，但是液晶面板Pa和Pb的纵横比可以不同，并且液晶面板Pa和Pb的水平尺寸和垂直尺寸可以分别是X和Y/2。在此情况下，如图10B所示，次级图像表面的水平尺寸为X’。

图11A示出从次级图像表面侧观察时输出待显示的多个图像的情况下所获得液晶面板Pa和Pb的各个表面上的初级图像表面上的图像信息的另一个具体示例。

液晶面板Pa和Pb的表面上的初级图像表面上的图像信息通过第一光学系统L1和多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb，以如图11B所示在次级图像表面上形成图像信息Pa’和Pb’。图像信息Pa’和图像信息Pb’分别用作左眼屏幕和右眼屏幕，并且布置成彼此相邻，以在水平方向上用宽视角显示图像。基本在图像信息Pa’和Pb’中心的虚线表示图像之间的接缝。例如，在接缝处，图像信息Pa’和图像信息Pb’可以部分彼此重叠，并且根据现有技术进行边缘混合处理，以自然方式连接左右图像。

如上所述，可以将由初级图像表面所调制的图像信息分离成多条图像信息，以通过切换光路而在次级图像表面上输出待显示的多个图像，从而使用从第一到第五实施例中任一者所描述投影光学系统输出待显示的多个图像。

具体而言，当由初级图像表面所调制并随后分离的多条图像信息包含左眼图像和右眼图像以及左眼图像和右眼图像使用彼此之间的视差以重叠方式在次级图像表面上显示时，可以显示立体图像。在此情况下，利用下面所述的方案可以显示立体图像。例如，由初级图像表面所调制并然后分离的多条图像信息可以包括彼此垂直的线性偏振光部分或彼此沿相反方向旋转的圆形偏振光部分。即，利用所谓的偏振方案可以显示立体图像。或者，由初级图像表面所调制并然后分离的多条图像信息可以彼此具不同的光谱特征。即，利用所谓的颜色分割方案可以显示立体图像。

可以在中间图像表面上布置图像调制元件，以使得其与布置在初级图像表面上的图像调制元件同步或者进行所谓的两阶段调制。

通过在次级图像表面上沿水平方向显示由初级图像表面所调制然后彼此分离的多条图像信息，除了立体图像之外，还可以沿水平方向使用宽视角显示所谓的超宽图像。在此情况下，利用下面所述的方案可以显示超宽图像。例如，次级图像表面的显示位置可以相对于图像调制元件的中心移动，图像由第一光学系统L1通过相对于图像调制元件的显示表面平行移动第一光学系统L1而形成于图像调制元件上。即，使用第一光学系统L1的移位机构可以显示超宽图像。或者，次级图像表面的显示位置可以相对于图像调制元件的中心移动，图像由第一光学系统L1通过相对于图像调制元件的显示表面平行移动第二光学系统L2Ta和L2Tb而形成于图像调制元件上。即，使用第二光学系统L2Ta和L2Tb的移位机构可以显示超宽图像。

在任一种情况下，使得能够输出待显示的多个图像的光束分离棱镜期望成形为使得其每个反射表面满足全反射的条件。

<第七实施例>

现在，通过作为第七实施例的具体示例描述构造投影光学系统的适当条件。例如，下面描述基于使用如第一实施例所描述构造的投影光学系统的情况。但是，应当注意，投影光学系统可以如上述第一到第五实施例中任一者构造。

在投影光学系统中，第一光学系统L1的成像放大率β1期望地满足下面的条件表达式(1)：

0.4＜β1＜2.5    (1)

上述条件表达式(1)规定了第一光学系统L1的成像放大率β1的下限和上限。在成像放大率β1低于下限的情况下，第二光学系统的数值孔径较大，而中间图像的显示尺寸较小。因此，第二光学系统的尺寸增大或者形成第二光学系统的透镜数目增加，以确保优异的成像性能。同时，在成像放大率β1大于上限的情况下，中间图像的显示尺寸较大，而第二光学系统的数值孔径较小。这也增大第二光学系统的尺寸或者增加形成第二光学系统的透镜的数目。因为上述原因，第一光学系统L1的成像放大率β1期望地满足上面的条件表达式(1)。

对于用于切换光路的λ/2位相差膜WR而言，光束入射在λ/2位相差膜上的角度θ1期望地满足下面条件表达式(2)：

-15°＜θ1＜15°    (2)

上面条件表达式(2)规定了线性偏振光入射在λ/2位相差膜WR上的角度θ1的下限和上限。在超过上下限的情况下，线性偏振光急剧旋转，这可能使得偏振分光器PBS难以有效分离光束。

在投影光学系统中，第一光学系统L1的出瞳位置P1与单图像第二光学系统L2R以及多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb的入瞳位置P2期望地满足下面的条件表达式(3)：

0.8＜|P1/P2|＜1.2    (3)

上面条件表达式(3)将第二光学系统L2R、L2Ta和L2Tb每个限定为非远心光学系统，由此减小其尺寸。在此情况下，第一光学系统L1和第二光学系统L2R、L2Ta和L2Tb需要彼此匹配。因此，在超过上面条件表达式(3)所规定的上下限的情况下，不能够获得优异的成像性能。因此，期望应该满足上面条件表达式(3)。

在选择性支持单个图像显示输出和多个图像显示输出的情况下，期望匹配在两种情况之间的显示屏幕尺寸。鉴于上述情况下，在投影光学系统中，单图像第二光学系统L2R的焦距f2R与多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb的焦距f2T期望地满足下面的条件表达式(4)：

0.8＜f2R/f2T＜1.2    (4)

上述条件表达式(4)规定了焦距f2R与焦距f2T的比例的下限和上限。如果比例在条件表达式(4)所规定的上下限之间的范围，可以使得在支持单个图像输出显示的情况和支持多个图像显示输出的情况之间的显示屏幕尺寸基本相等。

在等同于第二-第一光学系统的第二光学系统L2Ta和等同于第二-第二光学系统的第二光学系统L2Tb设置为多图像第二光学系统L2Ta和L2Tb的情况下，期望地应该满足下面条件表达式(5)和(6)：

0.8＜f21T/f22T＜1.2    (5)；以及

1.5＜f2R/f21T＜2.5     (6)

在上面条件表达式(5)和(6)中，符号“f2R”表示单图像第二光学系统L2R的焦距。符号“f21T”表示等同于第二-第一光学系统的第二光学系统L2Ta的焦距，即，位于第二-第一T光束的行进方向中的第二光学系统的焦距。符号“f22T”表示等同于第二-第二光学系统的第二光学系统L2Tb的焦距，即，位于第二-第二T光束的行进方向中的第二光学系统的焦距。

上面条件表达式(5)和(6)表示用于匹配通过透射和分离所形成的两个光束之间的屏幕尺寸。在匹配通过反射和分离所形成的两个光束之间的屏幕尺寸的情况下，满足下面条件表达式(7)和(8)：

0.8＜f21R/f22R＜1.2    (7)；以及

1.5＜f2T/f21R＜2.5     (8)

在上面条件表达式(7)和(8)中，符号“f21R”表示位于第二-第一光束的行进方向中的第二光学系统的焦距。符号“f22R”表示位于第二-第二光束的行进方向中的第二光学系统的焦距。

在匹配通过透射和分离所形成的两个光束之间的屏幕尺寸的情况下，满足下面条件表达式(9)-(11)：

0.8＜f21T/f22T＜1.2    (9)；

0.8＜f21T/f21R＜1.2    (10)；以及

0.8＜f21T/f22R＜1.2    (11)

上面条件表达式(5)、(7)、(9)、(10)和(11)规定位于第二T光束的行进方向的第二光学系统的焦距与位于第二R光束的行进方向中的第二光学系统的焦距的比例的下限和上限。在超过规定上下限的情况下，次级图像表面上的屏幕尺寸在两个光束之间可能显著不同，这可能不便于立体显示或并排布置屏幕。

上面条件表达式(6)和(8)规定位于第二T光束的行进方向的第二光学系统的焦距与位于第二R光束的行进方向中的第二光学系统的焦距的比例之间的下限和上限，第二T光束或第二R光束均已经进一步分离成两个行进方向。在超过规定上下限的情况下，例如，屏幕尺寸可能在立体屏幕显示和单屏幕显示之间显著不同。这对于以已经安装屏幕的空间(例如，电影院和家庭影院系统)可能产生不便。

本申请包含与2009年1月16日在日本专利局申请的日本优先权专利申请JP2009-007347所公开相关的主题，该专利的整个内容通过引用而并入其中。

虽然本发明通过上述第一到第七实施例的具体优选示例描述本发明，但是本发明并不局限于此。

即，以第一到第七实施例作为示例的具体形状和各个部件的数值仅是本发明的具体应用的示例性，并且不应该解释为限制本发明的技术范围。

例如，虽然液晶投影仪设备作为上述每个实施例的投影图像显示设备的示例，但是本发明也可等效地应用到其他投影图像显示设备，即，使用液晶面板之外的图像调制元件的投影图像显示设备。

如上所述，本发明不限于所述实施例，并且可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下进行适当修改。

Claims (12)

1.一种投影图像显示设备，包括：

光源；

照射光学系统，使用从所述光源发射的光束均匀照射图像调制元件中用作初级图像表面的表面；以及

投影光学系统，将由所述图像调制元件所调制的所述初级图像表面上的图像信息放大并投影到用作次级图像表面的屏幕上，

其中，所述投影光学系统包括：

第一光学系统，基于所述初级图像表面上的所述图像信息形成中间图像；

单图像第二光学系统，放大并投影所述中间图像，以在所述屏幕上输出待显示的单个图像；

多图像第二光学系统，放大并投影所述中间图像，以在所述屏幕上输出待显示的多个图像；以及

光路切换机构，将来自所述第一光学系统的光束选择性导引到所述单图像第二光学系统或所述多图像第二光学系统。

2.根据权利要求1所述的投影图像显示设备，

其中，所述第一光学系统的成像放大率β1满足下面关系：

(1)0.4＜β1＜2.5。

3.根据权利要求1所述的投影图像显示设备，

其中，所述光路切换机构包括：

偏振分光器，将来自所述第一光学系统的所述光束根据所述光束的偏振方向而导引到所述单图像第二光学系统或所述多图像第二光学系统。

4.根据权利要求3所述的投影图像显示设备，

其中，所述光路切换机构包括：

位相差膜，将来自所述第一光学系统的所述光束的偏振方向改变到特定偏振方向；以及

位相差膜移动机构，在位于所述光路上的在所述偏振分光器之前的位置与不位于所述光路上的在所述偏振分光器之前的位置之间移动所述位相差膜。

5.根据权利要求4所述的投影图像显示设备，

其中，入射在所述位相差膜上的光束的角θ1满足下面关系：

(2)-15°＜θ1＜15°。

6.根据权利要求1所述的投影图像显示设备，

其中，所述光路切换机构包括：

具有反射表面的反射构件，改变来自所述第一光学系统的所述光束的行进方向；以及

反射构件移动机构，在来自所述第一光学系统的所述光束的光路上的位置与不在所述光路上的位置之间移动所述反射构件，

其中，所述反射构件移动机构将来自所述第一光学系统的所述光束根据所述反射构件的位置而导引到所述单图像第二光学系统或所述多图像第二光学系统。

7.根据权利要求1所述的投影图像显示设备，

其中，所述光路切换机构包括：

遮光板，防止光行进到来自所述第一光学系统的所述光束没有被导引到的所述单图像第二光学系统或所述多图像光学系统；以及

遮光板移动机构，在来自所述第一光学系统的所述光束的光路上的位置与不在所述光路上的位置之间移动所述遮光板。

8.根据权利要求1所述的投影图像显示设备，

其中，所述第一光学系统的出瞳位置P1和所述单图像第二光学系统与所述多图像第二光学系统的入瞳位置P2满足下面关系：

(3)0.8＜|P1/P2|＜1.2。

9.根据权利要求1所述的投影图像显示设备，

其中，所述单图像第二光学系统的焦距f2R和所述多图像第二光学系统的焦距f2T满足下面关系：

(4)0.8＜f2R/f2T＜1.2。

10.根据权利要求1所述的投影图像显示设备，

其中，所述多图像第二光学系统包括：

多个第二光学系统，其数量对应于所述多个图像的数量；以及

光学构件，将待导引到所述多图像第二光学系统的光束分离成其数量与所述多个第二光学系统的数量相对应的多个光束。

11.根据权利要求10所述的投影图像显示设备，

其中，在所述多图像第二光学系统输出待显示的两个图像，并且第二-第一光学系统和第二-第二光学系统设置为所述多个第二光学系统的情况下，所述单图像第二光学系统的焦距f2R、所述第二-第一光学系统的焦距f21T以及所述第二-第二光学系统的焦距f22T满足下面关系：

(5)0.8＜f21T/f22T＜1.2；并且

(6)1.5＜f2R/f21T＜2.5。

12.一种投影光学系统，包括：

第一光学系统，基于由图像调制元件所调制的初级图像表面上的图像信息形成中间图像；

单图像第二光学系统，放大并投影所述中间图像，以在用作次级图像表面的屏幕上输出待显示的单个图像；

多图像第二光学系统，放大并投影所述中间图像，以在所述屏幕上输出待显示的多个图像；以及

光路切换机构，将来自所述第一光学系统的光束选择性导引到所述单图像第二光学系统或所述多图像第二光学系统。

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