CN102096285B - 投射型影像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供在投射影像中不发生畸变等，而能够简单地变更装置的设置位置(提高设置位置的自由度)的使用方便性好的投射型影像显示装置，其具备放大来自光源单元的光投射到显示部的放大投射光学单元，放大投射光学单元具备放大投射影像显示元件的图像的投射透镜或者具备由自由曲面构成的反射面的反射镜。在影像显示元件经由放大投射光学单元把其整体投射到显示部上进行显示时，具有比该显示部大的显示面，而且，影像显示元件的显示面上的影像在影像显示元件的显示面内能够移动，使得经过放大投射光学单元投射到显示部上进行显示时，选择性地投射适合显示部的部分，由此，能够移动投射型影像显示装置相对显示部的设置位置。

Description

投射型影像显示装置

本案是申请日为2009年2月10日、申请号为200910005652.3、发明名称为投射型影像显示装置的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及使用液晶面板等的影像显示元件把影像投影到屏幕上的投射型影像显示装置，特别是涉及提高该装置的设置性(设备位置的自由度)的技术。

背景技术

例如，在投射型的液晶面板等液晶显示元件上显示影像，向该影像显示元件上照射来自光源的光，通过包括投射透镜等的所谓放大投射光学系统把调制过的光投射到屏幕等的显示部的投射型影像显示装置已知有种种装置，另外，正在广泛地在各种用途中利用。

这样的投射型影像显示装置一般把该装置设置在屏幕等的附近使用。从而，在这样的影像显示装置中要求在屏幕上得到充分大小的放大影像，同时缩短其投射距离。实现该要求的方法之一是投射透镜的广角化，另外，作为其它的方法，已知使用对屏幕从斜方向进行放大投射的结构的投射透镜的斜投射方式。另外，特别是后者的斜投射方式例如已经公开在以下的专利文献1或者2等中。

投射型影像显示装置伴随着所投射的影像的放大其用途也在扩大，特别是，在学校的教室或者公司的会议室等中，大多利用为对大量的人员提示影像信息，这种情况下，例如，根据发表人习惯于握指示杆的手(习惯于右手或者习惯于左手)或者其站立位置等，常常希望变更装置的设置位置。

然而，在上述现有技术的投射型影像显示装置中，由于伴随着该装置的设置位置的变更，发生在斜投射方式中产生的梯形畸变或者各种像差，因此为了再次得到良好的影像需要很多的时间，被指出该装置存在使用方便性差的问题。

【专利文献1】日本特开平4-27912号公报

【专利文献2】日本特开2006-154720号公报

发明内容

因此，在本发明中，目的是解决上述现有技术中的问题点，即提供与设置位置的变更无关，不会在显示画面上发生梯形畸变或者各种像差，因而能够简单地变更装置的设置位置(提高了设置位置的自由度)，使用方便性优异的投射型影像显示装置。

在本发明中，为了达到上述目的，首先是提供一种投射型影像显示装置，其包括：显示向显示部投射的图像的影像显示元件；向该影像显示元件照射光的光源单元；把来自上述光源单元的光放大后向上述显示部投射的放大投射光学单元；和将在上述影像显示元件上显示的图像的位置在该元件上的显示面内移动的显示控制部，其中，上述放大投射光学单元还具备，放大投射上述映像显示元件的图像的投射透镜；从上述影像显示元件侧开始按顺序配置在相同的光轴上，并至少包括一个具有自由曲面的透镜的透镜组；和配置在上述透镜组与上述显示部之间，具有由自由曲面构成的反射面的反射镜，其中，上述影像显示元件在经由上述放大投射光学单元把其整体投射到上述显示部上进行显示的情况下，具有比上述显示部大的显示面，上述显示控制部，在上述影像显示元件的显示面内，按照在经由上述放大投射光学单元投射到上述显示部上进行显示的情况下，选择性地投射适合于上述显示部的部分进行显示的方式，能够使上述影像显示元件的显示面上的影像移动，而且能够移动该投射型影像显示装置对上述显示部的设置位置。

另外，依据本发明，在上述投射型影像显示装置中，优选，上述投射型影像显示装置对于上述显示部在其垂直方向是固定的，并且在其水平方向能够移动。进而优选，上述影像显示元件在经由上述放大投射光学单元把其整体投射到上述显示部上进行显示的情况下，在水平方向具有比上述显示部大的显示面。除此以外，依据本发明，在上述投射型影像显示装置中，优选，由适应WXGA的液晶显示元件构成上述影像显示元件，另外，将上述显示部形成长宽比为4∶3的面。进而优选，在该装置中，安装有能够沿着水平方向移动的移动机构。

依据上述的本发明，其发挥的效果为，不会受到设置位置的变更的影响，不会在显示画面上发生梯形畸变或者各种像差，就能够实现简单地调整装置的设置位置，从而，能够提供一种设置性能出色、使用方便性良好的投射型影像显示装置。

附图说明

图1用于说明本发明的提高投射型影像显示装置中的装置的设置位置自由度的原理。

图2与上述图1相同，用于说明本发明的提高投射型影像显示装置中的装置的设置位置自由度的原理。

图3表示本发明一个实施例的投射型影像显示装置中的光学系统的整体结构和包括透镜结构的详细结构。

图4是表示上述本发明一个实施例的投射型影像显示装置的整体结构的框图。

图5说明上述投射型液晶显示装置中的影像显示元件与在其表面上投射影像的屏幕的关系。

图6说明上述投射型影像显示装置的外形及其利用形态的一个例子。

图7说明上述投射型影像显示装置的其它利用形态。

符号说明

1：投射透镜

2a、2b、2c：影像显示元件

3：屏幕(显示部)

11：凸透镜组

12：凹透镜组

21：折射透镜系

22：反射镜系

101：光源单元

102：UV截止滤波器

103：多透镜阵列

104：偏振光变换元件

105：重叠透镜

106：全反射镜

107：分色镜

108：电容透镜

109、110：中继透镜

111：交叉棱镜

120：液晶显示控制部

200：投射型影像显示装置

S：屏幕

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的最佳实施方式。另外，在以下的说明中，在具有共同功能的单元上标注相同的号码进行显示，同时，对于已经说明过的部分，为了避免重复，适当省略其说明。

另外，在以下表示的实施方式中作为投射型影像装置所采用并显示其构造的是如由同一发明者提出，而且已经申请的日本专利申请，特願2006-166434号(美国专利申请，2007年6月15日申请的第11/763，465：EP申请号：07252401.0号)表示的那样，作为用于其放大投射的光学系统(放大投射光学系统)，通过利用具有自由曲面的透镜并利用具有自由曲面的反射镜，能够在作为显示单元的屏幕上，不发生梯形畸变或者各种像差地显示通过多个(RGB用的3片)透射型液晶面板调制过的彩色图像的显示装置。

另外，依据由本发明者们利用这种投射型影像显示装置中的特征性的放大投射光学系统进行的各种试验或者尝试，得到在屏幕上聚光的放大投射影像的情况下，为了放大其垂直方向中的角度，特别需要满足即使很短的投射距离也得到充分大的图像的斜投射方式的投射透镜中的条件，所谓沙尔条件(シヤインプル条件)，所以存在一定界限。然而另一方面明确了放大水平方向中的画角能够比较容易地确保充分的大小。

因而，在本发明中，为了能够移动装置的设置位置提高其自由度，如在以下详细叙述的那样，是利用上述放大投射光学系统的特性的装置，即，如果说明其更详细的情况，则由放大投射光学系统把没有发生梯形畸变或者各种像差而得到的原本的影像预先设定而放大为比屏幕大，特别是沿着水平方向进行放大显示，另一方面，通过在表面上显示该影像的调制图像的透射型液晶面板上调整实际在屏幕上显示的影像，适合于屏幕的尺寸而进行显示。

参照附加的图1(A)和(B)以及图2(A)和(B)，以下说明关于以上叙述的作为本发明要点的投射型影像显示装置中的提高该设置自由度的原理。

图1(A)中表示，在其表面投射影像的作为显示部的屏幕S，原本能够由该显示装置显示影像的影像，即，投射作为影像显示元件的透射型液晶面板的整体进行显示时的影像P(以下也称为“原来的影像”)和在其一部分显示，实际上在屏幕S上显示的影像P’(以下，也称为“实际的影像”)。而且，在本发明中，如从在图1(B)中明确的那样，在液晶面板的显示画面上，在原来的影像P的范围内移动实际的影像P’，从而适当地配置在适合于屏幕S的位置。

例如，如图2(A)表示的那样，通过投射型影像显示装置的设置位置的移动，在液晶面板的整体上投射显示的原来的图像P对于屏幕S向右侧移动的情况下(参照图中的箭头)，把原来的影像P的范围内的更小的实际的影像P’向左侧移动(参照箭头)。另一方面，如图2(B)中表示的那样，通过投射型影像显示装置的设置位置的移动，在液晶面板的整体上投射显示的原来的影像P对屏幕S向左侧移动的情况下(参照图中的箭头)，把实际的影像P’向右侧移动(参照箭头)。由此，即使在变更投射型影像显示装置的设置位置，特别是沿着水平方向移动的情况下，通过只是移动上述液晶面板上的实际影像P’的简单操作，就能够再次把实际的影像P’配置在适合于屏幕S的位置，在屏幕S上的显示画面上不会发生梯形畸变或者各种像差，因此就能够维持良好的显示状态。

[实施例]

其次，根据上述说明过的原理，参加附加的图3(A)和(B)以及图4，说明能够进行装置的设置位置的移动、即确保设置位置的自由度的投射型影像显示装置的详情。

首先，图3(A)和(B)表示包括本实施例中的斜投射方式的投射透镜的放大投射光学系统的结构例，特别是，图3(A)表示其整体，而且，图3(B)特别表示投射透镜的详细结构。

如图3(A)表示的那样，放大投射光学系统例如包括由上述透射型的液晶面板构成的影像显示元件2(其中，在该图中仅表示1片)、作为投射光学系统的投射透镜1、屏幕3、作为折返反射镜的反射镜22，经由作为该折返反射镜的反射镜系22，构成所谓的斜投射光学系统。另外，作为在以下使用的光轴，指的是各透镜的局部坐标中的光轴。

接着，如图3(B)所示，投射透镜1由多个透镜组成的折射透镜系21、反射镜22构成，而且，该折射透镜21配置在影像显示元件2的一侧，而且，在该折射透镜系21的内部，设置有对其光轴偏心的偏心光圈(偏心絞り)ST1。

另外，上述的反射镜22，例如在投射型影像显示装置中适用了本实施方式的情况下，为尽可能减小屏幕与装置之间的距离，把来自影像显示元件2的影像光折返到屏幕3一侧。当然并不限于该结构。这里，设反射镜2为自由曲面镜。

而在上述的斜投射光学系统中，产生所谓的梯形畸变。因而，对于该梯形畸变，如在作为由同一发明者提出的已经申请的专利申请的公开公报的上述专利文献2中公开的那样，使用构成反射镜系22的自由曲面反射镜的像差修正能力进行修正，进而，在本实施例中，也用包含在折射透镜系21中的自由曲面透镜(后述)进行梯形畸变修正。另外，在上述专利文献2中公开的投射透镜中，使用梯形畸变或者其它各种像差的修正能力出色的2片自由曲面反射镜，斜投射角度是40度还比较小，并没有达到对投射透镜倾斜配置影像显示元件。

其次，再次参考图3(B)，使用以下的表1～表5，以下说明上述投射透镜1的具体的数字实施例。另外，以下的表1～5中表示的透镜数据的数值是把物面上13.2×9.9范围的影像投射成像面上1625.6×1219.2大小时的一个例子。

另外，这些透镜的面号码如图3(B)所示，把影像显示元件2的显示面(物面)作为S0，顺序用符号S0～S23表示。具体地讲，把配置在影像显示元件2的显示面(物面)S0后面的分色镜111(后述)的入射面作为S1，把其出射面作为S2，把接着配置的构成折射透镜系21的第1透镜的入射面作为S3，把其出射面作为S4，……，把偏心光圈ST1的面作为S11，……，把反射镜系22的反射面作为S22，把屏幕3的面(像面)作为S23。

另外，在各个局部坐标中顺序表示透镜数据，而如X轴Y轴Z轴的大致方向所明确的那样，图3(B)代表性地表示开口光圈面S11中的局部坐标。

接着，在以下的表1中，Rd是各面的曲率半径，图中在面的右侧有曲率中心的情况下用正的值，相反的情况下用负的值表示。另外，TH是面间距离，表示从其透镜面的顶点到下一个透镜面的顶点的距离。对某个透镜面，当下一个透镜面位于右侧时，面间距离用正的值，位于左侧时用负的值表示。进而，面S5、S6、S12、S13是旋转对称的非球面，在表1中，在面号码的旁边标注＊表示。

【表1】

表面	Rd	TH	nd	νd
					S0	无限大	5.977
S1	无限大	26.395	1.51680	64.2
					S2	无限大	9.938
S3	36.40	6.700	1.84666	23.8
					S4	-172.286	8.870
S5*	4710.437	6.000	149091	58.0
					S6*	-1283.473	0.100
S7	35.918	8.000	1.48749	70.4
					S8	-19.759	2.500	1.84666	23.8
S9	20.619	5.800	1.48749	70.4
					S10	-48.583	9.000
S11	无限大	17.160
					S12*	-38.217	6.000	1.49091	58.0
S13*	-40.281	2.360
					S14	1001.620	7.200	1.80610	33.3
S15	-42.940	44.228
					S16	-29.908	3.500	1.48749	70.4
S17	72.760	19.858
					S18#	无限大	6.000	1.49091	58.0
S19#	无限大	6.932
					S20#	无限大	6.000	1.49091	58.0
S21#	无限大	102.031
					S22#	无限大	-888.477	REFL
S23	无限大	---

另外，旋转对称的非球面的面形状通过下述的公式(公式1)表示，而且，在以下的表2中表示上述4个非球面中的公式的系数。

【公式1】

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A\·r^4+B\·r^6+C\·r^8+D\·r^{10}+E\·r^{12}+F\·r^{14}+G\·r^{16}+H{\·r}^{18}+J\·r^{20}$

(公式1)

【表2】

另外，从面S18到面S21是自由曲面透镜的各折射面，面S22是自由曲面反射镜的反射面，面号码的旁边标注#表示。用下述的公式(公式2)表示这5个自由曲面的形状，下述中，在以下的表3中表示对各m、n值的系数C(m，n)的值。另外，2片自由曲面透镜与反射镜系22的自由曲面反射镜联合，修正由斜投射产生的梯形畸变。

【公式2】

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\·\underset{n}{\mathrm{\Σ}}(C(m,n)\·x^m\·y^n)$ (公式2)

【表3】

另外，在以上的表3中，左右排列系数的名称和值，按照框内的组进行表示，右侧是系数的值，左侧是名称，用括号内的逗号划分的2组数值表示公式2中表示的m和n的值。

接着，以下的表4表示本实施例中的各面的局部坐标系的斜率或者偏心的状况。另外，在此，面的斜率用对前面透镜的主平面的倾斜角度表示，偏心用对前面透镜的光轴的偏心量表示。在该表4中，ADE是与图的剖面平行的面内中的斜率的大小，斜率的方向在图3(B)的剖面内以顺时针旋转的方向为正，单位是度。另外，YDE是偏心的大小，偏心设定在图的剖面内而且与光轴垂直的方向，在图3(B)的剖面中，以向下侧的偏心为正，单位是mm。另外这里，以各个局部坐标系为基准顺序表示透镜数据，而如X轴·Y轴·Z轴的大致方向所明确的那样，图3(B)代表性地表示开口光圈面S11中的局部坐标系。

【表4】

表面	ADE(°)	YDE(mm)
			S3	2.602	-1.289
S22	26.495	-17.365
			S23	-50.000	0.000

在以上的表4中表示的斜率或者偏心中，面S3以面S2为基准定义偏心·歪倒量，同样，面S22以面S21为基准，定义偏心·歪斜量。

而在透镜面是透射面的情况下，通过以上述透镜面为基准顺序定义偏心·歪倒量，能够构成光学系统。然而，在透镜面是反射面的情况下，如果反射面倾斜θ，则光线(即，下一个光轴)倾斜2θ。进而，面S22是在光轴上可能对面有斜度的自由曲面反射镜，而且，由于还设定偏心量，因此在面S22后设定的局部光轴与实际的光线产生偏离。因而，在面S22的位置中以面S21为基准，把定义在面S22反射以后的局部光轴的虚拟面(未图示)设定为倾斜+59.8度。该角度从成为面S22的斜率26.495度2倍的52.99度偏离，而其理由如在前面说过的那样，是受到偏心的自由曲面反射镜的影响。

而且，面S23(屏幕面)配置成对该虚拟面的光轴倾斜-50度。另外，在面S23(屏幕面)中，光轴与实际光线的位置之间存在差，对前面定义的投射透镜的投射轴如图1表示的那样，成为-55.6度的斜度。

进而，以下的表5表示对于与投射距离的变化相对应移动的透镜，所移动的透镜之间的面间距离的变化。与表5的Sc1、Sc2、Sc3相对应的栏的值分别表示与画面尺寸为80英寸、100英寸、60英寸的屏幕位置相对应的透镜间隔。

【表5】

在上述的图3(B)中，偏心光圈ST1在投射透镜1的折射透镜系21中，对于折射透镜系21的光轴，配置成稍稍向左上方偏心1.75mm。

接着，参照附加的图4，说明投射型影像显示装置的整体结构。另外，在该图4中，从光源单元101射出的光束由UV截止滤波器102截断其紫外线成分，入射到作为组合模块(integrator)的一对多透镜阵列103a、103b。另外，通常紫外线截断也用其它的光学元件进行，而包括红外线截断在内，由于不是本发明的要点因此省略详细的记述。

在多透镜阵列103a、103b中，二维形状地配置凸透镜(单元)，入射到多透镜阵列103a的光束在多透镜阵列103b的各单元中二维形状地形成光源像。分别聚光的光源像由偏振光变换元件104把自然光变换成偏振方向为一定方向的直线偏振光。这是因为后述的影像显示元件2a、2b、2c仅通过偏振方向为一定方向的直线偏振光。在多透镜阵列103a、103b中被二维分割的光源像由具有叠加作用的叠加透镜105叠加到影像显示元件2a、2b、2c的影像显示面上。另外，由处在叠加透镜105与影像显示元件2a、2b、2c之间的颜色分解光学系统，分解成红色·绿色·蓝色的三色。

其次，通过叠加透镜105由全反射镜106a把光路偏转了的光束首先由第1分色镜107透过蓝色的光，反射红色和绿色。蓝色的光束由全反射镜106b偏转，经过电容透镜108b照射到蓝色用的影像显示元件2b。红色和绿色由第2分色镜107b反射绿色的光束，透过红色。绿色的光束经过电容透镜108a照射到绿色用的影像显示元件2a。红色的光束由全反射镜106c、106d偏转，经过电容透镜108c照射红色用的影像显示元件2c。另外，由于红色光路的光路长度比蓝色或者绿色长，因此进而使用中继透镜109、110进行映射。

其结构为，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、红色用的影像显示元件2c的各光束由交叉棱镜(クロスプリブム)111进行色合成，入射到投射透镜1。而且，作为这些影像显示元件的一个例子，特别优选地可以考虑使用例如宽度宽(宽高比16∶9)的透射型液晶面板(WXGA对应型)。

而且，例如，如附加的图5(A)～(C)表示的那样，在能够由该宽度宽的液晶面板得到的影像(原来的影像)P的范围内，投射一般广泛使用的例如宽高比4∶3的影像(实际的影像)P’(但是，双方的垂直方向的尺寸一致)。通过这样做，在宽度宽(宽高比16∶9)的原来的影像P的范围内，由于能够在水平方向自由移动实际影像P’，因此不会发生以设置位置的变更为原因的梯形畸变或者各种像差，能够简单地实现投射型影像显示装置的设置位置在水平方向中的移动·调整。

另外，这种宽度宽的液晶面板(原来的影像P)的影像显示面内的实际影像P’的显示(即，RGB用的3片影像显示元件2a、2b、2c的显示控制)例如由用于根据从装置的外部输入的影像信号把影像形成在液晶面板上的控制元件构成的所谓的液晶显示控制部120进行。另外，变更了装置的设置位置以后的影像(实际的影像)P’的移动例如经由设置在该装置的一部分或者独立设置的遥控器中的卷动键等移动用键，根据从操作者输入的影像移动输入执行。或者，代替该方法，也可以在投射型影像显示装置的一部分等中设置检测上述屏幕3的位置的传感器，根据来自该传感器的检测输出，装置自身自动地进行上述显示控制。

另外，在以上的说明中虽然省略，但配置有截断预定的偏振光线以外光线的偏振光板或者控制各色偏振光线的偏振方向的相位差板。而由于这种结构并不构成本发明的要点，因此省略其详细的说明。

进而，包括以上叙述了其内部详细结构的投射型影像显示装置的更具体的利用形态在内，以下参照添加的图6(A)和(B)以及图7进行说明。

首先，在图6(A)中表示上述的投射型影像显示装置20的外观，在大致箱形状的主体箱体201的一部分上，能够旋转收纳(图的箭头)地安装有上述的反射镜22。另外，在图6(B)中表示使该装置200上下反转，例如，在教室的顶棚C上设置成可移动，把其影像投射到白板或者对话板上的应用形态。另外，图中，符号210是预先安装在上述顶棚面C上的例如轨道或者导轨等用于使装置可滑动的移动机构，在该移动机构210的下方，该装置上下反转固定，由此，上述投射型影像显示装置200能够沿着箭头方向移动。另外，这里作为对话板，是在板上投射微机画面的同时，在板面上能够进行应用的操作，进而，能够进行在板面上写入的文字或者图形的取入等的面板。依据该结构，根据老师或者学生的站立位置等，能够适当变更其位置。

进而，附图7表示的投射型影像显示系统为，与白板或者对话板构成为一体，由此，能够构成为在该白板220的表面221(S)上投影大画面。另外，这种情况下，在该白板220的框体的一部分，特别是，其上边框222的大致中央部分上，也经由上述那样的移动机构(在本例子中虽然没有图示，但是预先在上边框221中安装移动机构，在其上面用「L」字形的固定件固定装置200)安装投射型影像显示装置200，由此，能使该装置200对于白板220的表面221沿着水平方向移动，非常理想。依据该结构，与上述的利用形态相同，能够根据发表人等适当变更投射装置200的设置位置，由此能够进行不遮挡投射影像的出色的影像显示。

Claims (4)

1.一种投射型影像显示装置，其特征在于，包括：

将显示在影像显示元件上的图像放大并向显示部投射的放大投射光学部；和

将所述图像的位置在所述影像显示元件上的显示面内移动的显示控制部，其中

所述放大投射光学部具备：

从所述影像显示元件侧开始按顺序配置在相同的光轴上，并至少包括一个具有自由曲面的透镜，将所述图像进行放大投射的透镜组；和

配置在所述透镜组与所述显示部之间，具备由自由曲面构成的反射面，将来自所述放大投射光学部的光导向所述显示部的反射镜，

所述影像显示元件在经由所述放大投射光学部将该影像显示元件的整体显示在所述显示部上的情况下，具有比所述显示部大的显示面，

所述显示控制部，在所述影像显示元件的显示面内，按照在通过所述放大投射光学部在所述显示部上进行显示的情况下选择性地投射适合于该显示部的部分进行显示的方式移动所述图像，

而且该投射型影像显示装置对于所述显示部在其垂直方向上是固定的，并且在该显示部的水平方向上能够移动。

2.如权利要求1所述的投射型影像显示装置，其特征在于：

所述显示面在水平方向上比所述显示部大。

3.如权利要求1或2所述的投射型影像显示装置，其特征在于：

所述影像显示元件适应WXGA，所述显示部的长宽比为4∶3。

4.如权利要求1所述的投射型影像显示装置，其特征在于：

在该投射型影像显示装置安装有用于使该装置能够在水平方向上移动的移动机构。

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