CN102445823A - 投影型影像显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种投影型影像显示装置，即使使用的投影透镜包括关于光轴呈非对称的形状的塑料透镜，显示画面像的品质也优秀。该投影型影像显示装置，具备将影像光从倾斜方向投影到屏幕上的投影透镜、使来自光源的光的偏振方向统一的积分器和通过影像信号对上述偏振方向已统一的光进行调制的影像显示元件，其中，上述投影透镜包括多个塑料透镜，上述多个塑料透镜分别以浇口方向相互错开180度的方式配置。在投影透镜包括n个(n为自然数)塑料透镜的情况下，多个塑料透镜可以分别以浇口方向相互错开(360/n)度的方式配置。
Description
技术领域
本发明涉及投影型影像显示装置。
背景技术
作为增大了显示画面的大型投影型影像显示装置，已知有利用投影透镜，将透射型的液晶面板或反射型的液晶面板等影像显示元件上显示的影像，投影到作为投影面的屏幕上的投影型影像显示装置。
近年来，屏幕到投影型影像显示装置的距离较短的、使用了所谓短投影距离的投影透镜的投影型影像显示装置得到了普及。例如，公开了一种包含投影透镜的装置，该投影透镜由包含透射型折射元件的第一光学系统和包含反射型折射元件的第二光学系统构成，其中，第一光学系统的一部分透镜收纳在以第二光学系统的下端为下限的下方空间内(参照日本特开2009-86315号公报)。此外，公开了一种投影光学系统，通过透镜系统和凹面镜的组合，能够以较短的全长来投影大画面且优质的投影图像(参照日本特开2008-250296号公报)。
发明内容
根据日本特开2009-86315号公报和日本特开2008-250296号公报，因为主要考虑的是关于透镜的光轴呈对称形状的塑料透镜，所以没有考虑在成型塑料透镜时产生的残留应力和塑料材料固有的光弹性系数的大小引起偏振发生紊乱、投影影像的品质发生紊乱的问题。
特别是，专利文献2中的塑料透镜材料，为了能够减轻因吸湿引起的形状变化和折射率变化而导致的成像性能降低、提高成型精度，而采用流动性较好、不吸湿(吸水率为0％)的日本ZEON(股)的ZEONEX48R，但因为现有的塑料透镜的形状是关于透镜光轴对称的圆形，所以容易获得流动性比较好、残留应力较少的成型条件，因此没有考虑图12所示的因材料引起的双折射。
于是，本发明的目的在于，提供一种投影型影像显示装置，即使使用的投影透镜包括关于光轴呈非对称的形状的塑料透镜，显示画面像的品质也优秀。
为了解决上述课题，本发明的优选方式之一如下所述。
该投影型影像显示装置，具备将影像光从倾斜方向投影到屏幕上的投影透镜、使来自光源的光的偏振方向统一的积分器(integrator)和通过影像信号对偏振方向已统一(一致)的光进行调制的影像显示元件，其中，投影透镜包括多个塑料透镜，多个塑料透镜分别以浇口(gate)方向相互错开180度的方式配置。
附图说明
图1是表示投影型影像显示装置外观的整体的立体图。
图2是说明斜投影光学系统中的投影透镜的原理的透镜配置图。
图3是表示斜投影光学系统中的投影透镜结构体的配置的截面图。
图4是表示自由曲面透镜L15的图。
图5是表示自由曲面透镜L16的图。
图6是用于说明自由曲面透镜L15的塑料的流动性与变形的关系的图。
图7是用于说明自由曲面透镜L16的塑料的流动性与变形的关系的图。
图8是表示关于光轴对称的圆形的塑料透镜L13的图。
图9是用于说明透镜L13的塑料的流动性与变形的关系的图。
图10是用于说明塑料透镜的形状评价的图。
图11是用于说明塑料透镜的形状评价的图。
图12是总结塑料透镜材料的物理性质的图。
图13是表示使各塑料透镜的浇口方向错开的状况的图。
图14是表示投影型影像显示装置的整体结构的一个例子的框图。
具体实施方式
以下参照附图详细说明实施方式。
图1是表示投影型影像显示装置的外观的整体的立体图。符号100表示该投影型影像显示装置，符号101表示过滤器盖，用于保护设置在装置正面的从向内部导入的冷却用外部空气中除去尘埃的防尘过滤器，符号102表示保护盖，用于保护安装在装置上表面的灯泡更换部。并且，作为形成斜投影光学系统的投影透镜的一部分，在它们的上端部，具有符号L16表示的自由曲面塑料透镜，和符号M17表示的自由曲面反射镜。
图2是说明斜投影光学系统中的投影透镜的原理的透镜配置图。由符号L1至符号L16表示的16个透镜和符号M17表示的1个反射镜构成。反射镜M17的反射面和符号L15、L16表示的透镜呈自由曲面。因此，即使是斜投影光学系统，设计自由度也有非球面的约5倍程度大，能够进行良好的像差修正。
此外，来自符号P所示的影像显示元件的影像光束(用φ1表示整体)，相对于投影面的成像位置，在投影透镜内通过各透镜的不同部位(即，投影面内不同成像位置的光，在各透镜中通过不同的部位)。自由曲面反射镜M17和自由曲面透镜L15、L16，位于其他大部分的透镜所共有的光轴的上部，能够除去不需要的透镜有效区域而实现小型化，所以能够降低成本。此外，通过使符号L3和L8表示的透镜成为非球面形状，来进行彗差和球面像差的修正。另外，由于符号L13表示的透镜配置在光束偏倚地通过(有偏转地通过)的位置上，所以通过使其为非球面形状来进行彗差的修正。
图3是表示斜投影光学系统中的投影透镜的结构体的配置的截面图。符号PL表示影像显示元件，符号P1表示正交棱镜。为了便于说明，表示了在投影面的上端部分成像的光束φ3和在投影面的大致中央部分成像的光束φ2通过构成投影透镜的各透镜(图中用L1至L16表示)的哪个部分。在投影面的上端部分成像的光束φ3的上限光线(最靠上的光线)和在投影面的大致中央部分成像的光束φ2的下限光线(最靠下的光线)，在非球面透镜L13和自由曲面透镜L15、L16中不相互重合，所以能够(对它们)单独进行像差修正，修正能力大幅提高。
自由曲面反射镜M17中该倾向更加显著。对比较接近光轴的区域中的像差修正有贡献的透镜(L1至L14)组装在镜筒B3中，对远离光轴的区域中像差修正有贡献的透镜(L15、L16)组装在用于调整焦点而独立成一体的镜筒B2中，L13与L14和L16与M17的间隔能够调整，并且L15与L16的间隔也能够调整。
另一方面，自由曲面反射镜M17安装在反射镜基座MB1上，为能够通过电动机(未图示)而开闭(张合)的结构。此外，通过将它们全部高精度地固定在投影透镜基座上，能够得到规定的聚焦性能。
图4(A)～(D)是表示自由曲面透镜L15的图。(A)是L15的立体图，(B)是L15的正视图，(C)是L15的侧视图，而(D)是L15的包括一部分截面的侧视图。图4中，因为L15是塑料制的透镜，所以在透镜有效区域L15-a的外侧设置了用于组装到镜筒B 1中时的定位和保持的透镜缘部L15-b。
图5(A)～(D)是表示自由曲面透镜L16的图。(A)是L16的立体图，(B)是L16的正视图，(C)是L16的侧视图，(D)是L16的包括一部分截面的侧视图。与图4同样地，因为L16是塑料制的透镜，所以在透镜有效区域L16-a的外侧设置了用于组装到镜筒B1中时的定位和保持的透镜缘部L16-b。
对于自由曲面透镜L15、L16和自由曲面反射镜M17，制作模具，考虑塑料的收缩和翘曲，反复数次进行模具的形状修正以使成型透镜面形状相对于设计形状误差最小。使用通过该修正得到的形状的模具，通过注塑成型来成型透镜。
注塑成型机中，将微粒或粉末状的树脂在模具内热融化，并使螺杆旋转，一边加压一边通过模具的直浇道(sprue)和横浇道(runner)从浇口(gate)将树脂挤压到由可动和固定模块形成的空间中，填充在模具内。
关于光轴非对称的形状的L15中，在如图6所示由浇口L15-c和与浇口L15-c相对的面形成的轴(即流动方向的轴，用A2和A3表示)，和与该轴正交的轴上，会因为模具内部的树脂的冷却时间的延迟而导致冷却引起的收缩率不同，所以形状精度不均匀。
此外，浇口L15-c附近的透镜的厚度较厚，相反地在与浇口相对的位置附近(图中b的区域)透镜的厚度容易变薄，所以控制成型条件来得到最佳形状是成型制造商的经验技术。
另外，因为透镜形状是关于透镜光轴非轴对称的，所以在透镜有效区域内的与浇口相对的位置附近(图中b)和浇口的两侧的透镜区域(图中a)中，会因为树脂的冷却时间的延迟和树脂的流动方向的差异而在成型时残留较大的残留应力。此时的透镜表面的树脂的流动方向用图4(D)中的A1表示。
关于光轴呈非对称的形状的L16，也与L15同样(流动方向的轴用图7的B2和B3表示，透镜表面的树脂的流动方向用图5(D)表示)。
图8是表示关于光轴对称的圆形的塑料透镜L13的图。与L15、L16同样，在透镜有效区域L13-a的外侧设置用于组装到镜筒B3中时的定位和保持的透镜缘部L13-b。在透镜形状为关于光轴对称的形状的L13中，在如图9所示由浇口L13-c和与浇口L13-c相对的面形成的轴(即流动方向的轴，用C2和C3表示)，和与该轴正交的轴上，会因为模具内部的树脂的冷却时间的延迟而导致冷却引起的收缩率不同，所以形状精度不均匀。
图10和图11，是用于说明构成投影透镜的塑料透镜的形状评价的说明图。图10和图11中，将如图9所示的由浇口和与浇口相对的面形成的轴定义为Y轴，将与该轴正交的轴定义为X轴，在浇口L13-c附近(-Y)透镜的厚度较厚，相反在与浇口相对的位置附近(图9中c区域，图10中为+Y)透镜的厚度容易变薄。此外，对于X轴，因为在注塑成型时塑料树脂最后填充，所以收缩较慢，厚度容易在左右(图10的-X和+X)变得均匀，其结果，+Y轴方向上透镜的厚度容易变薄。所以控制成型条件以得到最佳形状是成型制造商的经验技术。另一方面，因为透镜形状关于透镜光轴是轴对称的，所以在透镜有效区域内的与浇口相对的位置附近(图9中的c区域)和浇口的两侧的透镜区域中，树脂的流动方向较好，所以在成型时不容易有残留应力残留。
如上所述，关于光轴对称的塑料透镜的形状精度，能够如图10所示以由浇口和与浇口相对的面形成的轴为Y轴、与其正交的轴为X轴进行评价，通过将相对于自光轴的距离的下垂(sag)量(即sag量与自光轴的距离的关系)与设计形状进行比较而获得，但因为上述理由，Y轴和X轴的误差不相等，会损害对称性。因此，一直以来采用的方法是，通过使对称性最差的轴(区域)与影像光线不通过的区域一致，将透镜组装在镜筒内，来减轻成像性能的降低，但是，因为现有的关于光轴对称的塑料透镜在成型时发生的残留应力较少，对画质的影响较少，所以对于该减轻技术并没有进行研究。
发明人在开发的初期阶段，作为实现本实施方式的斜投影光学系统的投影透镜，以图2和图3所示的投影透镜为基础，对使用的塑料透镜材料进行了研究。图12总结了此时研究的塑料透镜材料的物理性质。丙烯酸树脂(acrylic resin)是塑料材料中最一般的材料，透射率高且双折射量较少(图中为同一成型条件下距离10mm中产生的双折射量)。
另一方面，对吸水率(饱和吸水率)较大为重量比1.2％的试制的投影透镜，在40℃95％RH气氛中放置2000小时之后评价聚焦性能，根据其结果，可知由于因塑料透镜的吸湿引起的形状变化和折射率变化，导致聚焦性能变动，不能够用作需要高分辨率的投影透镜。
接着，研究了使用不吸湿(吸水率为0％)的日本ZEON(股)的ZEONEX480，作为相对于丙烯酸树脂材料来说因吸湿引起的形状变化和折射率变化较小、能够减轻成像性能降低，且流动性优秀以提高成型精度的材料的情况。因为光线从倾斜方向通过塑料透镜，所以在适合斜投影光学系统的投影透镜中采用的塑料透镜，适于使用关于光轴轴对称且局部少有急剧的厚度变化的非球面透镜。此外，关于光轴轴对称的非球面透镜中残留应力较少，即使在将透射型液晶面板或反射型液晶面板作为影像显示元件的使用偏振光的投影型影像显示装置中，因偏振紊乱而引起的显示画面的品质降低也较少发生。
另一方面，关于上述光轴非轴对称且对于倾斜入射的光线来说存在局部急剧的厚度变化的具有自由曲面形状的L15和L16，使用ZEONEX480成型，在将透射型液晶面板或反射型液晶面板作为影像显示元件的使用偏振光的投影型影像显示装置中使用时，因偏振紊乱而引起的显示画面的品质降低(画面的偏色)显著，实验验证研究的结果，可知不能使用。
于是，发明人将具有自由曲面形状的L15和L16变更设计为ZEONEX330和ZEONEX48R，使用实际成型的透镜，在将透射型液晶面板或反射型液晶面板作为影像显示元件的使用偏振光的投影型影像显示装置中使用。结果可知，在ZEONEX330的情况下，显示画面的品质降低能够减少到没有问题的水平。另一方面，ZEONEX330在透镜面的形状精度、外观(微裂纹)两方面比较难以发现满足要求规格的成型条件，所以新对ZEONEX48R进行同样的研究。
研究结果可知，ZEONEX48R因为流动性较差，所以需要使成型时的树脂温度和模具温度比ZEONEX330更高，但在透镜面的形状精度和外观(微裂纹)两方面比较容易发现满足要求规格的成型条件。于是，使用ZEONEX48R变更设计，将实际成型的透镜，在将透射型液晶面板或反射型液晶面板作为影像显示元件的使用偏振的投影型影像显示装置中使用，研究投影图像的品质降低(画面的偏色)。结果可知，为比ZEONEX330的结果更差的水平。
于是，采用新的运用方法，通过组合多个塑料透镜来减轻成型时产生的残留应力，并针对利用该新的运用方法来减轻投影图像的品质降低(画面的偏色)的方法，进行了实证研究。结果可知，在构成投影透镜的多个塑料透镜中，通过在使各塑料透镜的浇口方向相互错开约(360/塑料透镜的个数)度的位置上组装透镜，可以消除一部分残留应力，提高投影图像的品质。
此外，通过以使这些塑料透镜中配置在最接近影像显示面的位置上的塑料透镜(L16)的浇口方向与放大投影画面的上下方向大致一致的方式组装透镜，在残留了残留应力的区域通过的影像光线变得较少，所以能够得到更加优秀的品质的投影图像。同样，以使配置在最接近影像显示面的位置上的塑料透镜(L16)的浇口方向与放大投影画面的画面短边方向大致一致的方式组装透镜，也可以得到同样的效果。
进而，在塑料透镜的个数为奇数个的情况下，在各塑料透镜的浇口方向相互错开约180度的位置上组装透镜，并且以使这些塑料透镜中配置在最接近影像显示面的位置上的塑料透镜(L16)的浇口方向与放大投影画面的上下方向大致一致的方式进行组装，也可以得到同样的效果。以使这些塑料透镜中配置在最接近影像显示面的位置上的塑料透镜的浇口方向与放大投影画面的画面短边方向大致一致的方式组装透镜，也可以得到同样的效果。
图13是表示使各塑料透镜的浇口(L-c)方向错开的状况的图。此处，为了方便起见，表示了自配置在最接近影像显示面的位置上的塑料透镜(L16)起连续的3个透镜。图13中，L16的浇口位于与放大投影画面(屏幕)的上下方向平行的线上。L15的浇口，位于与L16的浇口上下相反的方向(错开约180度的方向)。L14的浇口，位于与L16相同的方向。
其中，图13中，表示了各塑料透镜的浇口方向错开180度的状态，但也有各塑料透镜的浇口方向相互错开约(360/塑料透镜的个数)度的方式等，根据需要有各种方式。
如上所述，根据研究的结果可知，即使使用ZEONEX48R，也能够通过塑料透镜的组装方法来减轻因各塑料透镜中存在的残留应力而发生的投影画面品质的降低(画面的偏色)。
接着，参照图14说明用于构成投影型影像显示装置所需的影像投影单元。图14中，光源199包括灯泡200和反射器201。该光源199是高压水银灯的白色光源。此外，反射器201以从背后一侧覆盖灯泡200的方式配置，例如具有旋转抛物面形状的反射面，并具有圆形或者多边形的出射开口。这样，从该灯泡200出射的光，被具有旋转抛物面形状的反射面的反射器201反射，成为与光轴215大致平行的光束射出。从光源199出射的光，入射到多透镜方式的积分器中。
如上所述，多透镜方式的积分器203，由第一多透镜元件203a和第二多透镜元件203b构成。其中，第一多透镜203a的透镜单元形状，从光轴215方向看来具有与液晶面板222a、222b、222c大致相似的矩形形状，由多个透镜单元以矩阵状排列形成，从光源入射的光由多个透镜单元分割为多束光，由此，效率良好地引导使其通过第二多透镜元件203b和偏振变换元件204。即，第一多透镜元件203a，设计成使得灯泡200和第二多透镜元件203b的各透镜单元成为光学上共轭的关系。
第二多透镜元件203b的透镜单元形状，与第一多透镜元件203a同样，从光轴215方向看来是矩形形状，并且具有多个透镜单元以矩阵状排列的结构，构成该透镜元件的透镜单元，分别与场透镜205和重叠透镜208a、208b、208c一起，将对应的第一多透镜元件203a的透镜单元形状，投影(映射)在液晶面板222a、222b、222c上。
并且，在该过程中，通过偏振变换元件204的作用，使来自第二多透镜元件203b的光统一在规定的偏振方向上。同时，第一多透镜元件203a的各透镜单元产生的投影像，分别因重叠透镜208a、208b、208c的作用而重叠，由此，与其分别对应的液晶面板222a、222b、222c上的光量分布变得一致。
根据以上所述，总结本实施例如下。
该投影型影像显示装置，具备将影像光从倾斜方向投影到屏幕上的投影透镜、使来自光源的光的偏振方向统一的积分器和通过影像信号对偏振方向已统一的光进行调制的影像显示元件，其中，投影透镜包括多个塑料透镜，多个塑料透镜分别以浇口方向相互错开180度的方式配置。
在塑料透镜为偶数个的情况下，多个塑料透镜可以分别以使浇口方向与放大投影画面的上下方向一致的方式配置。此外，多个塑料透镜也可以分别以使浇口方向与放大投影画面的短边方向一致的方式配置。
在塑料透镜为奇数个的情况下，多个塑料透镜中配置在最接近屏幕的位置上的塑料透镜的浇口方向可以配置成与放大投影画面的上下方向一致。此外，配置在最接近屏幕的位置上的塑料透镜的浇口方向也可以配置成与放大投影画面的画面短边方向一致。
进而，在投影透镜包括n个(n为自然数)塑料透镜的情况下，多个塑料透镜分别以浇口方向相互错开(360/n)度的方式配置。
此时，多个塑料透镜中，配置在最接近屏幕的位置上的塑料透镜的浇口方向，也可以配置成与放大投影画面的上下方向一致。
此外，多个塑料透镜中，配置在最接近屏幕的位置上的塑料透镜的浇口方向，也可以配置成与放大投影画面的画面短边方向一致。
进而，放大投影在屏幕上的投影像，可以显示在构成光学系统的规定数量的透镜所共有的光轴和屏幕显示的下端在光轴上延伸(即，用于屏幕上显示的图像等在光轴方向上延伸)而与该屏幕连结的轴的上部，塑料透镜可以通过从浇口向具有所要求的透镜面的模具注入塑料的注塑成型而形成。
以上，根据本实施例，即使关于光轴对称的形状的塑料透镜和非对称的形状的塑料透镜中残留应力较大，也能够通过以相互抵消所产生的双折射的方式将各塑料透镜组装在镜筒中，由此，提供一种即使使用了采用多个塑料透镜的投影透镜，显示画面像的品质也优秀的投影型影像显示装置。
根据本发明，能够提供一种投影型影像显示装置，即使使用的投影透镜包括关于光轴呈非对称的形状的塑料透镜，显示画面像的品质也优秀。
Claims (16)
1.一种投影型影像显示装置，其特征在于，包括：
生成向屏幕投影的影像的影像显示元件；和
将所述影像放大投影到所述屏幕上的光学系统，其中，
所述光学系统，从离所述屏幕近的一侧起，依次具备第一透镜、第二透镜，
所述第一透镜的浇口的位置和所述第二透镜的浇口的位置，分别错开一定角度配置。
2.如权利要求1所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
具备使来自光源的光的偏振方向统一的积分器，
所述影像显示元件，用影像信号对所述偏振方向已统一的光进行调制。
3.如权利要求1或2所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
所述第一透镜和所述第二透镜是塑料透镜。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
所述一定角度是180度。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
在所述光学系统包括两个以上的偶数个透镜的情况下，该多个透镜各自的浇口方向配置成与所述屏幕的上下方向一致。
6.如权利要求1～4中任意一项所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
在所述光学系统包括两个以上的偶数个透镜的情况下，该多个透镜各自的浇口方向配置成与所述屏幕的短边方向一致。
7.如权利要求1～4中任意一项所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
在所述光学系统包括三个以上的奇数个透镜的情况下，所述第一透镜的浇口方向配置成与所述屏幕的上下方向一致。
8.如权利要求1～4中任意一项所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
在所述光学系统包括三个以上的奇数个透镜的情况下，所述第一透镜的浇口方向配置成与所述屏幕的画面短边方向一致。
9.一种投影型影像显示装置，其特征在于，包括：
生成向屏幕投影的影像的影像显示元件；和
将所述影像放大投影到所述屏幕上的光学系统，其中，
所述光学系统，包括n个(n为自然数)透镜，
所述多个透镜各自分别以浇口方向相互错开(360/n)度的方式配置。
10.如权利要求9所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
具备使来自光源的光的偏振方向统一的积分器，
所述影像显示元件，利用影像信号对所述偏振方向已统一的光进行调制。
11.如权利要求9或10所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
所述第一透镜和所述第二透镜是塑料透镜。
12.如权利要求9～11中任意一项所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
在所述光学系统包括两个以上的偶数个透镜的情况下，该多个透镜各自的浇口方向配置成与所述屏幕的上下方向一致。
13.如权利要求9～11中任意一项所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
在所述光学系统包括两个以上的偶数个透镜的情况下，该多个透镜各自的浇口方向配置成与所述屏幕的短边方向一致。
14.如权利要求9～11中任意一项所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
在所述光学系统包括三个以上的奇数个透镜的情况下，所述第一透镜的浇口方向配置成与所述屏幕的上下方向一致。
15.如权利要求9～11中任意一项所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
在所述光学系统包括三个以上的奇数个透镜的情况下，所述第一透镜的浇口方向配置成与所述屏幕的画面短边方向一致。
16.如权利要求3～8和权利要求11～15中任意一项所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
放大投影在所述屏幕上的投影像，显示在构成所述光学系统的规定数量的透镜所共有的光轴和所述屏幕显示的下端在所述光轴上延伸而与该屏幕连结的轴的上部，所述透镜通过从浇口向具有规定的透镜面的模具注入塑料的注塑成型而形成。
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