CN101852974A - 投影型图像显示设备和投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种投影型图像显示设备和投影光学系统。一种投影型图像显示设备，包括：光源；照明光学系统，其均匀地将从光源中发出的光束照射到图像调制元件的作为主图像平面的表面上；以及投影光学系统，其以放大的方式将所述主图像平面的经所述图像调制元件调制的图像信息投影到作为次图像平面的屏幕上。投影光学系统包括具有正屈光力并且包括多个透射面的第一光学系统以及具有正屈光力并且包括凹面反射面的第二光学系统。第一光学系统具有设置在多个透射面的任何表面之间的第一反射面以及设置在第一光学系统与第二光学系统之间的第二反射面。

Description

投影型图像显示设备和投影光学系统

技术领域

本发明涉及一种将投影图像显示在银幕上的投影型图像显示设备和用在投影型图像显示设备中的投影光学系统。

背景技术

近年来，投影器设备作为将投影图像显示在银幕上的投影型显示设备而被大家广泛的熟知。具体地，在最近，对能够在减小投影空间的同时将图像显示在大银幕上的超广角前投影型图像显示设备的需求增加了。在使用超广角前投影型图像显示设备时，可以将光束对角地投影到银幕上，并且因此也可以在有限的空间内将图像投影在大银幕上。另一方面，因为由视角的增加而引起的相差的存在，光学系统的尺寸趋向于增加。

已经提出了通过采用平面镜来使其微型化的投影型图像显示设备。特别地，提出一种能够在以两个平面镜设置在组成投影光学系统的第一光学系统和第二光学系统之间的方式变小的状态下，在深度方向上抑制投影光学系统的尺寸的设备(例如，参考国际公开手册No.06-043666)。此外，一个平面镜可以设置在构成投影光学系统的第一光学系统上，并且另一个平面镜可以设置在构成投影光学系统的第一光学系统与第二光学系统之间。通过这样的构造，已经提出了一种能够实现减小投影光学系统尺寸的设备(例如，参考日本未审查专利申请公报No.2008-165202)。

发明内容

然而，在上述相关技术中，有时难以仅通过设置平面镜来使得设备小型化。

因此，在本发明的实施例中，在反射面设置在投影光学系统中时，需要将其设置为适当的角度。以此方式，期望提供能够在整个设备中实现小型化的投影光学系统和投影型图像显示设备。

根据本发明的实施例，投影型图像显示设备包括：光源；照明光学系统，其均匀地将从光源中发出的光束照射到图像调制元件的作为主图像平面的表面上；以及投影光学系统，其以放大的方式将经所述图像调制元件调制的主图像平面的图像信息投影到作为次图像平面的银幕上。投影光学系统包括具有正屈光力并且包括多个透射面的第一光学系统以及具有正屈光力并且包括凹面反射面的第二光学系统。第一光学系统具有设置在多个透射面的任何表面之间的第一反射面以及设置在第一光学系统与第二光学系统之间的第二反射面。假设光轴为z轴，第一反射面的y轴旋转角为β1并且第二反射面的y轴旋转角为β2，满足以下条件式，(1)20°＜|β1|＜45°以及(2)20°＜|β2|＜45°。

在具有上述构造的投影型图像显示设备中，第一反射面的y轴旋转角为20°＜|β1|＜45°，并且第二反射面的y轴旋转角为20°＜|β2|＜45°。在这里，假设z轴是光轴，y轴和x轴旋转角分别定义为在xz和yz平面中的旋转角，并且逆时针旋转方向设置为所有角的正方向。

因此，投影光学系统中的第一和第二反射面具有与上述y轴旋转角相同的y轴旋转角。于是，与y轴旋转角与上述范围不重合的情况相比，可以将xz平面的尺寸，也就是投影型图像显示设备在深度和宽度方向上的尺寸压缩得较小。

根据本发明的实施例，通过适当地设置投影光学系统中的第一和第二反射面的y轴旋转角，可以减小投影型图像显示设备在宽度和深度方向上的尺寸。因此，通过适当地安排投影光学系统中的反射面，可以减小整个设备。

附图说明

图1A和1B是示出了超广角液晶投影设备的优点的(第一)说明图；

图2A和2B是示出了超广角液晶投影设备的优点的(第二)说明图；

图3A和3B是示出了超广角液晶投影设备的优点的(第三)说明图；

图4A和4B是示出了超广角液晶投影设备的优点的(第四)说明图；

图5A和5B是示出了超广角液晶投影设备的优点的(第五)说明图；

图6A和6B是示出了液晶投影设备中的光源和照明光学系统的概略示例构造的说明图；

图7A和7B是示出了根据本发明的实施例的投影光学系统的概略示例构造的说明图；

图8是示出了图7A和图7B中所示的投影光学系统的概略示例构造的光路图；

图9是示出了根据本发明的实施例的投影光学系统的透镜数据的具体示例的说明图；

图10是示出了对应于根据本发明的实施例的投影光学系统的非球面系数的具体示例的说明图；

图11是示出了根据本发明的实施例的投影光学系统中的偏心率数据的具体示例的说明图；

图12是示出了根据本发明的实施例的投影光学系统中的图像显示元件的具体示例的说明图；并且

图13是示出了根据本发明的实施例的投影光学系统中的条件式(1)到(6)的数值的具体示例的说明图。

具体实施方式

在下文中，将要描述了本发明的优选实施例(下文中称作“实施例”)。此外，将要按照以下项目的顺序给出说明：

1.投影型图像显示设备的概述

2.投影型显示设备的概略示例构造

3.投影光学系统的示例构造

1.投影型图像显示设备的概述

首先，参照液晶投影设备的示例来对投影型图像显示设备进行简要地描述。

液晶投影设备构造为通过允许液晶显示元件作为图像调制元件来调制从光源(例如高压汞灯)发出的光，而形成基于视频信号的光学图像，并且通过允许投影光学系统以放大的方式来投影图像，而将光学图像显示在银幕上。具有对应于R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)颜色的面板状的液晶显示元件的所谓的三板型设备已经被广泛地公知为这种液晶投影设备。

但是，在这里描述的超广角液晶投影设备中，假设投影光学系统支持超广角。例如，投影光学系统具有60°或者更大的半视角。

通过以下项目对支持超广角的优点进行举例说明。

图1到图5是示出了支持超广角的投影型图像显示设备的优点的说明图。

支持超广角的设备具有以下优点：1.因为光线不会直接进入人们的眼睛里，所以可以确保对于从设备发射出的光的安全(例如，见图1A和1B)。2.因为阴影几乎不投影到银幕上，所以可以做出有效的报告(例如，见图1A和1B)。3.因为用于安装的所需空间很小，所以可以没有阻碍地在天花板上执行安装(例如，见图2A和2B)。4.因为设备能够在固定到墙壁上的状态下投影图像，所以易于执行维护。此外，因为个人电脑(PC)与音频-视频设备(AV设备)之间的距离较小，所以也易于执行布线工作(例如，见图3A和3B)。5.可以增加对于会议空间、教室或会议室等的安装自由度(例如，见图4A和4B)。6.可以在相当小的空间中从桌子或地板上投影图像(例如，见图5A和5B)。

此外，随着电子白板(交互式白板)的广泛使用，对于这种设备的需求增加了。这种设备不仅仅使用在学校、办公室等处，并且也使用在数字标志(电子广告)领域。虽然已经有了使用FPD(平板显示器)(诸如LCD(液晶显示器)和PDP(等离子显示面板))的各种电子版，但是与其相比，使用上述设备的电子白板是构造为以放大的方式对具有一英寸尺寸的液晶面板的图像进行投影的系统，并且因此可以提供具有低成本的大屏幕。此外，明显地与FPD不同的优点是可以自由地改变银幕的尺寸。因此，一种设备可以用于图1到图5中示出的各种目的。

2.投影型显示设备的概略示例构造

其次，描述了支持超广角的液晶投影设备的概略构造。

液晶投影设备包括光源、照明光学系统以及投影光学系统。

图6A和6B是示出了液晶投影设备中的光源和照明光学系统的概略示例构造的说明图。

光源1例如由高压汞灯所形成，并且构造为将光束发射到照明光学系统2。

照明光学系统2构造为将从光源1发出的光束均匀地照射到图像调制元件(液晶面板)的作为主图像平面的表面上。更具体地，在照明光学系统2中，从光源1中发出的光束穿过第一和第二蝇眼透镜FL、偏振光转换元件PS和聚焦透镜L。之后，在穿过它们之后，由仅反射特定波长范围的光的分光镜DM将光束分离为各个RGB颜色成分光束。通过使用全反射镜M和透镜L，将RGB颜色成分光束入射到设置为与各个RGB颜色相对应的液晶面板P上。之后，在液晶面板P基于图像信号执行光学调制之后，经过光学调制的各个颜色成分光束由二向棱镜PP合成并且朝向投影光学系统3发射。

此外，在这里举例说明了构造为采用透射型液晶面板的照明光学系统2，然而，照明光学系统2也可以构造为采用反射型液晶面板。作为图像调制元件，也可以使用数字微型镜装置(DMD)。此外，可以认识到，除了二向棱镜PP之外，可以使用偏振分束器(PBS)、用于对各个RGB颜色的图像信号进行合成的颜色合成棱镜以及TIR(全内反射)棱镜等。

3.投影光学系统的示例构造

投影光学系统接收从照明光学系统2发出的光线，并由此将主图像平面的图像信息投影到作为次图像平面的银幕上，其中主图像平面的图像信息经过照明光学系统2的液晶面板P调制。

液晶投影设备的特征在于投影光学系统。在下文中，将要描述投影光学系统的构造。

然而，在投影光学系统使用形成为大曲面的反射面的情况下，考虑到包括驱动图像调制元件的电路板、光源以及由光源加热的图像调制元件的冷却机制等的液晶投影设备整体构造，系统在高度方向上的尺寸趋向于增加。因此，如下所述地构造用在液晶投影设备中的投影光学系统。

图7A和7B是示出了根据本发明的实施例的投影光学系统的概略示例构造的说明图。图8是示出了投影光学系统的概略示例构造的光路图。此外，图8示出了在参考投影距离处的光路。

如示例中所示，投影光学系统3构造为具有第一光学系统L1和第二光学系统L2。

第一光学系统L1具有正屈光力，并且包括多个透射面。此外，在第一光学系统L1中，构成第一光学系统L1的所有光学组件都具有公共的光轴并具有旋转对称面。

另一方面，第二光学系统L2具有正屈光力，并且包括凹面反射面。

在这里，屈光力定义为诸如透镜(其绕光轴旋转对称)的光学系统的折射程度。

此外，因为投影光学系统3具有第一光学系统L1和第二光学系统L2，所以投影光学系统3构造为将图像从缩小侧上的主图像平面以放大的方式投影到放大侧上的次图像平面。因此，在该构造中，由照明光学系统2的液晶面板P调制并且由二色棱镜PP合成的主图像平面的图像信息被以放大的方式投影到作为次图像平面的银幕上。

在具有该构造的投影光学系统3中，第一光学系统L1构造为从主图像平面那一侧依次包括具有正屈光力的第11光学系统L11以及具有负屈光力的第12光学系统L12。此外，在该构造中，从第一光学系统L1发出的光束临时地在第一光学系统L1与第二光学系统L2之间形成中间图像IM，之后入射到第二光学系统L2中。

此外，在所示示例的投影光学系统3中，第一平面反射面M1设置在投影光学系统3中构成第一光学系统L1的多个透射面之间的任何一个空间(例如，第11光学系统L11与第12光学系统L12之间的空间)中。此外，第二平面反射面M2设置在第一光学系统L1与第二光学系统L2之间。此外，具有折射率为n的透明度的平行平板T设置在第二光学系统L2与次图像平面之间。其也具有防尘效果，因此将平行平板T插入第二光学系统L2与次图像平面之间很有效。

此外，可以应用一般的技术来实现第一平面反射面M1、第二平面反射面M2以及平行平板T的详细构造(形成材料等)。因此，在这里省略具体的描述。

此外，在这里举例说明了第一平面反射面M1和第二平面反射面M2，但是反射面可以不形成为平面。也就是说，当各个表面形成为平面反射面时，可以简单地设计投影光学系统3，但是除了平面之外，例如可以用曲面来实现这个构造。

然而，这个构造具有显著的特点，即，投影光学系统3中的第一平面反射面M1和第二平面反射面M2被如下所述地设置。

特别地，第一平面反射面M1设置为使得第一平面反射面M1的y轴旋转角β1和第一平面反射面M1的x轴旋转角α1满足以下条件式(1)和(3)。

此外，第二平面反射面M2设置为使得第二平面反射面M2的y轴旋转角β2和第二平面反射面M2的x轴旋转角α2满足以下条件式(2)和(4)。

在这里，y轴旋转角定义为y轴旋转的旋转角，并且假设将逆时针旋转设置为正。此外，x轴旋转角定义为x轴旋转的旋转角，并且类似地假设将逆时针旋转设置为正。在这些旋转角中，当入射光被以入射方向反射时，反射面的角度是0°。

20°＜|β1|＜45°(1)

20°＜|β2|＜45°(2)

3°＜|α1|＜20°(3)

3°＜|α2|＜20°(4)

条件式(1)和(2)限定了液晶投影设备的尺寸在深度和宽度方向上的减小。也就是，如果超过了条件式(1)的上限，那么液晶投影设备在深度方向的尺寸增加。如果没有达到其下限，那么存在第11光学系统L11与第12光学系统L12彼此干涉的担心。此外，如果超过了条件式(2)的上限，那么液晶投影设备在深度方向的尺寸会增加。如果没有达到其下限，那么存在第12光学系统L12与第二光学系统L2的凹面反射面彼此干涉的担心。

也就是，如条件式(1)和(2)所定义的，第一平面反射面M1和第二平面反射面M2分别具有绕y轴的旋转角。因此，与y轴旋转角超出了条件式(1)和(2)所限定的范围的情况相比，可以将xz平面中的尺寸，也就是液晶投影设备在深度和宽度方向上的尺寸抑制得较小。

因此，在如条件式(1)和(2)所限定地设置第一平面反射面M1和第二平面反射面M2时，可以实现减小液晶投影设备在深度和宽度方向上的尺寸。

例如，在国际公布手册No.06-043666中公开的构造适合于构造为仅在深度方向上减小尺寸的光学系统(比如说薄型投影电视)。然而，很难说这种构造能够减小其在宽度和高度方向上的尺寸。从这一观点来说，根据实施例中所描述的构造，可以同时在深度和宽度方向上减小液晶投影设备的尺寸。

此外，上面所提到的条件式(3)和(4)限定了设备尺寸在高度方向上的减小。就是说，如果超过了条件式(3)的上限，那么包括冷却机构的设备的尺寸在高度方向上增加。如果没有达到其下限，那么包括驱动电路板的设备的尺寸在高度方向上增加。此外，如果超过了条件式(4)的上限，那么包括冷却机构的设备的尺寸在高度方向上增加。如果没有达到其下限，那么包括驱动电路板的设备的尺寸在高度方向上增加。

也就是，如条件式(3)和(4)所定义的，第一平面反射面M1和第二平面反射面M2分别具有绕x轴的旋转角。因此，与x轴旋转角超出了条件式(3)和(4)所限定的范围的情况相比，可以将与xz平面垂直的y轴方向上的尺寸，也就是液晶投影设备在高度方向上的尺寸抑制得较小。

因此，在如条件式(3)和(4)所限定地设置第一平面反射面M1和第二平面反射面M2时，可以实现减小液晶投影设备在高度方向上的尺寸。

例如，在国际出版手册No.06-043666或日本未审查专利申请公报No.2008-165202中公开的构造，使用了反射镜。然而，在通常使用反射镜时，反射镜设置为在高度方向上与光学系统的光轴不重合，并且因此理论上难以减小高度方向上的尺寸。因此，在相关构造中，很难说该构造能够减小在高度方向上特别是整个设备的尺寸。从这一观点来说，根据实施例中所描述的构造，可以同时在高度方向上减小液晶投影设备的尺寸。

此外，第一平面反射面M1和第二平面反射面M2设置为使其满足以下条件式(5)和(6)。

-10°＜α1+α2＜10°(5)

-10°＜β1+β2＜10°(6)

上述条件式(5)和(6)在使用汞灯作为光源时特别有效。就是说，条件式(5)和(6)是允许光源的电弧部分大致水平的条件，并且如果超过了上限和下限，光源的寿命可能会迅速恶化。此外，在与地面垂直的表面(例如墙或电子黑板)作为投影表面时(例如，见图1A和1B)，由条件式(5)限定条件是有效的。此外，当在桌面上执行投影时(例如，见图5A和5B)，由条件式(6)限定的条件是有效的。通过满足条件式(5)和(6)中的任意一个，该构造可以对应于所有的投影形式。此外，照明光学系统构造为靠近屏幕侧，并且因此变得容易使端子等从驱动电路板引出到屏幕侧，或者很容易将排气从冷却装置中释放到屏幕侧。通过这种构造，通过图1或图3A和3B中示出的安装，可以将电线等收容起来，以使其不被注意。此外，在图4A和4B中示出的会议形态中，存在很少有机会暴露在直接排气中的优点。此外，因为端子等以及排气口设置在设备接近屏幕侧的那一侧上，所以可以说变得更容易对其外观进行设计。

图9是示出了投影光学系统的透镜数据的具体示例的说明图。在附图中，附图标记*表示形成为非球面的表面，并且给出了以下表达式(7)。附图标记nd表示在d线(587.56nm)处的折射率，并且类似地，附图标记vd表示在d线处的Abbe数。

数字表达式1

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\{1+(1+k)c^2{h}^2\}1/2}+\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Aih}}^i---\left(7\right)$

图10是示出了对应于投影光学系统的非球面系数的具体示例的说明图。图示示例的非球面系数对应于上述表达式(7)。

图11是示出了投影光学系统中的偏心率数据的具体示例的说明图。图12是示出了投影光学系统中的图像显示元件的具体示例的说明图。

图13是示出了投影光学系统中的条件式(1)到(6)的数值的具体示例的说明图。

在如上所述的图9到图13中所是示出的详细数值示例中，数值被设置为80英寸投影时的数值。

在由附图中所示出的数值示例而构造投影光学系统3时，液晶投影设备在高度方向上的尺寸压缩了例如约110mm。此外，可以领会到只有凹面反射面的外形受到了限制。

也就是说，在第一平面反射面M1和第二平面反射面M2设置为使其对于条件式(1)到(6)全部满足时，反射面M1和M2的适当配置在减小整个液晶投影设备的尺寸中非常有效。

此外，在上述实施例中，描述了本发明的具体适当示例，但是本发明不限于以上描述。

特别地，通过实施例来举例说明的各个组件的数值和具体形状仅仅是用于实现本发明的实施例的说明性示例，并且它们不能解释为本发明技术范围的限制。

此外，例如，在上述实施例中，液晶投影设备被作为投影型显示设备的示例。然而，即使在其他投影型显示设备(即，液晶面板之外的设备)被用作图像调制元件时，也可以以同样的方式适用本发明的实施例。

此外，例如，在上述实施例中，将适当的投影光学系统描述为投影型显示设备的光学系统。然而，显然可以使用用于图像获取设备(例如，数字摄像机、监视摄像机和绘画摄像机等)的光学系统。

本申请包括涉及于2009年3月31日递交到日本专利局的日本优先权专利申请JP 2009-084145中公开的主题，并将其全部内容通过引用结合在这里。

如上所述，本发明不仅限于上述示例，并且可以在不超出本发明的技术范围的情况下作出各种修改和改变。

Claims (6)

1.一种投影型图像显示设备，包括：

光源；

照明光学系统，其均匀地将从光源中发出的光束照射到图像调制元件的作为主图像平面的表面上；以及

投影光学系统，其以放大的方式将经所述图像调制元件调制的所述主图像平面的图像信息投影到作为次图像平面的银幕上，

其中，所述投影光学系统包括

第一光学系统，其具有正屈光力并且包括多个透射面，以及

第二光学系统，其具有正屈光力并且包括凹面反射面，

其中，所述第一光学系统具有

第一反射面，其设置在所述多个透射面的任何表面之间，以及，

第二反射面，其设置在所述第一光学系统与所述第二光学系统之间，并且

其中，假设光轴为z轴，所述第一反射面的y轴旋转角为β1并且所述第二反射面的y轴旋转角为β2，满足以下条件式，

(1)20°＜|β1|＜45°

(2)20°＜|β2|＜45°。

2.根据权利要求1所述的投影型图像显示设备，其中，假设所述第一反射面的x轴旋转角为α1并且所述第二反射面的x轴旋转角为α2，满足以下条件式，

(3)3°＜|α1|＜20°

(4)3°＜|α2|＜20°。

3.根据权利要求1所述的投影型图像显示设备，其中，假设所述第一反射面的x轴旋转角为α1并且所述第二反射面的x轴旋转角为α2，满足以下条件式，

(5)-10°＜α1+α2＜10°

(6)-10°＜β1+β2＜10°。

4.一种投影型图像显示设备，包括：

光源；

照明光学系统，其均匀地将从所述光源中发出的光束照射到图像调制元件的作为主图像平面的表面上；以及

投影光学系统，其以放大的方式将经所述图像调制元件调制的所述主图像平面的图像信息投影到作为次图像平面的银幕上，

其中，所述投影光学系统包括

第一光学系统，其具有正屈光力并且包括多个透射面，以及

第二光学系统，其具有正屈光力并且包括凹面反射面，

其中，所述第一光学系统具有

第一反射面，其设置在所述多个透射面的任何表面之间，以及，

第二反射面，其设置在所述第一光学系统与所述第二光学系统之间，并且

其中，假设光轴为z轴，所述第一反射面的y轴旋转角为β1并且所述第二反射面的y轴旋转角为β2，所述第一反射面的x轴旋转角为α1并且所述第二反射面的x轴旋转角为α2，满足以下条件式，

(1)20°＜|β1|＜45°

(2)20°＜|β2|＜45°

(3)3°＜|α1|＜20°

(4)3°＜|α2|＜20°

(5)-10°＜α1+α2＜10°

(6)-10°＜β1+β2＜10°。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的投影型图像显示设备，其中，所有的所述第一反射面和所述第二反射面都是平面反射面。

6.一种投影光学系统，包括：

第一光学系统，其具有正屈光力并且包括多个透射面，以及

第二光学系统，其具有正屈光力并且包括凹面反射面，

其中，所述投影光学系统构造为以放大的方式将图像从缩小侧上的主图像平面投影到放大侧上的次图像平面，

其中，所述第一光学系统具有

第一反射面，其设置在所述多个透射面的任何表面之间，以及，

第二反射面，其设置在所述第一光学系统与所述第二光学系统之间，并且

其中，假设光轴为z轴，所述第一反射面的y轴旋转角为β1并且所述第二反射面的y轴旋转角为β2，所述第一反射面的x轴旋转角为α1并且所述第二反射面的x轴旋转角为α2，满足以下条件式，

(1)20°＜|β1|＜45°

(2)20°＜|β2|＜45°

(3)3°＜|α1|＜20°

(4)3°＜|α2|＜20°

(5)-10°＜α1+α2＜10°

(6)-10°＜β1+β2＜10°。

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