CN102955344A - 图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像显示装置，包括光源，用于将从光源发射的光在预定位置会聚形成会聚光图像的光会聚器，在接近会聚光图像的位置具有入射端的光混合元件，具有多个二维设置的微镜并被构造为在开状态和关装置之间改变单个微镜的倾角以打开或关闭反射光发射的反射式图像显示元件，由设置在光混合元件的出射端与反射式图像显示元件之间的会聚透镜和照明用反射镜组成的照明光学系统，以及用于将组成反射式图像显示元件的多个微镜中处于开状态的微镜所反射的光投影到要被投影的表面的投影光学系统，其中照明用反射镜被设置在了从光混合元件到反射式图像显示元件的光路上最接近反射式图像显示元件的位置上，并且相对于作为投影光学系统一部分的投影透镜系统来说，这个照明用反射镜的反射表面设置在了反射式图像显示元件侧的位置上。

Description

图像显示装置

技术领域

本发明的一个方面涉及到一种图像显示装置。

背景技术

对于通常称为投影仪的图像显示装置来说，依赖于图像显示元件的种类，包括有CRT投影仪，液晶投影仪，数字微镜器件(DMD)投影仪等等。DMD是一种具有多个二维设置的微镜的反射图像显示元件，其中各个微镜的倾角被改变来打开或关闭反射光。根据本发明一个实施例的图像显示装置可包括作为图像显示元件的例如DMD的反射图像显示元件。公知的技术中提供了一种具有反射图像显示元件的图像显示装置，这样的图像显示装置是与本发明一实施例的图像显示装置相关的，日本专利申请公开2000-098272，日本专利3121843，日本专利4027712，以及日本专利4158317中均描述了这种技术，这在下面会提到。

日本专利申请公开说明书2000-098272描述了一种图像显示装置，包括：按顺序排列的白光光源，彩色滤波器，会聚透镜，平面镜，球面镜，作为一种反射图像显示元件的DMD，以及投影透镜，球面镜被直接设置在投影透镜的入口部的下面，并且从一个平面看过去，会聚透镜的中心轴和投影透镜的中心轴以预定角度相交。日本专利3121843中描述的图像显示装置与日本专利申请公开说明书2000-098272中的图像显示装置几乎具有相同的构造，其中用于将穿过了会聚透镜的光线进行反射以导引到DMD上的折叠镜是单一的凹面镜并且这个折叠镜远离从DMD的微镜指向投影透镜的反射光的光路设置。

在日本专利申请公开说明书2000-098272或日本专利3121843中描述的图像显示装置中，用于将穿过了会聚透镜的光线进行反射以导引到DMD上的折叠镜相对于入射端或用于支撑投影透镜的支架(下面将称为“透镜筒”)的DMD侧的端部来说被设置在出射端侧。于是，可能会导致透镜筒与折叠镜之间的物理干扰，并且折叠镜必须根据透镜筒的外部形状而大面积切口，由此会导致照射DMD的光总量相当大地降低或产生不规则的照明，从而降低投影图像的质量。如果为了解决这个问题而将球面镜的切口弄小，这需要减小投影透镜的孔径，特别是位于所设置的球面镜的位置和DMD侧的一端之间的投影透镜来说更是如此，由此这会产生另外一个问题，也即，会降低投影透镜的速率或者限制投影透镜的设计自由度。

日本专利4027712描述了一种图像显示装置，其中灯光源发出的照明光通过抛物面反射器，棒积分器以及光会聚系统进入全内反射(TIR)棱镜，然后照明光被TIR棱镜全内反射之后照射DMD，由DMD反射的光再次通过TIR棱镜进入投影透镜。

根据日本专利4027712描述的图像显示装置，可以提供将TIR棱镜的反射表面设置在DMD的中心附近并且临近投影透镜的光轴的优点。另一方面，也会产生问题，两个棱镜相互之间的表面精度以及表面之间的角度精度是通过抛光程序完成的，使得为了构成TIR棱镜而需要高的精度，并且需要高精度地集成这两个棱镜，由此，相对于使用反射镜构造的用于照明DMD的光学系统来说，其造价较高。另外，光路在TIR棱镜内侧通过全反射折叠，但是这种TIR棱镜在很多面上具有反射损失，例如(1)棱镜的入射面，(2)用于照射光的DMD的出射面，(3)DMD的反射光入射面，(4)棱镜的边界面(在出射侧)，(5)棱镜的边界面(在入射侧)，以及(6)棱镜的出射面，这些都可能称为降低照明光的使用效率的因素。并且，TIR棱镜的质量会大于反射镜的质量，因此可能成为阻碍获得轻质量的图像显示装置的因素。

日本专利4158317描述了一种投影型图像显示装置，包括照明器件，该照明器件内是顺序设置的照明体，光会聚装置，光混合装置，第一透镜组，第二透镜组，以及作为一种反射图像显示元件的光阀，其还包括用于将从光阀射出的光传输到屏幕的投影透镜(相应于投影光学系统)。

日本专利4158317描述的显示装置中，作为组成照明光学系统的光学组件中的一个的第二透镜组的一部分同样被用于支撑透镜的透镜筒遮挡，并且第二透镜组的一部分比透镜筒的外部形状更大地进行了大面积切口化处理，这类似于日本专利申请公开说明书2000-098272或日本专利3121843中所描述的发明。于是，这会在反射图像显示元件上产生不规则的照明光并因此降低投影图像的质量。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种图像显示装置，包括光源，用于将从光源发射的光会聚以在预定位置形成会聚光图像的光会聚器，在会聚的光图像的附近具有入射端的光混合元件，具有二维设置的用于在开状态和关状态之间改变各个微镜的倾角以打开或关闭反射光的出射的多个微镜的反射式图像显示元件，由设置在光混合元件的出射端与反射式图像显示元件之间的会聚透镜和照明用反射镜组成的照明光学系统，用于将构成反射式图像显示元件的多个微镜中的处于开状态的微镜所反射的光投影到要被投影的表面上的投影光学系统，其中用于照明的反射镜被设置在从光混合元件到反射式图像显示元件的光路上距离反射式图像显示元件最近的位置上，并且，相对于构成投影光学系统一部分的投影透镜系统来说，这个用于照明的反射镜的反射表面被设置在反射式图像显示元件侧。

附图说明

图1是从一个方向看到的根据本发明一个实施例的图像显示装置的实例1的主要部分的侧视图。

图2是从另外一个角度看到的上述实例1的主要部分的侧视图。

图3是示出上述实例1中的用于投影透镜的透镜筒部分和照明用的反射镜的放大的侧视图。

图4是示出从另外一个角度看到的用于投影透镜的透镜筒部分和照明用的反射镜的侧视图。

图5是示出上述的用于投影透镜的透镜筒部分和照明用的反射镜的放大的底视图。

图6是示出上述的用于投影透镜的透镜筒部分和照明用的反射镜的放大的底视图。

图7是示出上述实例1中的反射式图像显示元件上照明分布的一个例子的轮廓图。

图8是示出上述实例1中的反射式图像显示元件上照明分布的另外一个例子的轮廓图。

图9是示出上述实例1中的照明用第一反射镜的曲率的模型图。

图10是示出上述实例1中照明用第二反射镜的外部形状和脊线的正视图。

图11是示出根据本发明一实施例的图像显示装置中光源和光混合元件之间的光学组件设置的一例子的侧视图。

图12是示出根据本发明一实施例的图像显示装置的实例与要被投影的表面之间关系的正视图。

图13是示出根据本发明一实施例的图像显示装置的实例与要被投影的表面之间关系的侧视图。

图14是示出上述实例中照明用第二反射镜的局部坐标系的透视图。

图15是示出根据本发明一实施例的图像显示装置中光源和光混合元件之间的光学组件的设置的侧视图。

图16是示出上述实例中作为反射式图像显示元件的DMD的微镜设置的透视图。

图17是示出上述实例中照明用反射镜和用于投影透镜的透镜筒之间关系的侧视图。

图18是示出根据本发明一实施例的图像显示装置的另一实例中的照明用反射镜和投影透镜的透镜筒之间关系的侧视图。

图19是示出根据本发明一实施例的图像显示装置的实例中从第二投影反射镜到要被投影的表面的各个分开区域中的平玻璃板上的入射角度的图表。

图20是示出根据本发明一实施例的图像显示装置的实例中与投影透镜系统相比的照明用第二反射镜的切口的底视图。

具体实施方式

根据本发明实施例的图像显示装置的实例将在结合下面附图的基础上进行描述。此处，附图中阐述的实例具有投影光学系统被构造和设置为具有投影透镜系统和投影反射镜的结构，其中投影透镜系统的光轴被设置为与要被投影的表面平行，并且透射过投影透镜系统的光束由投影反射镜向要被投影的表面反射。但是，本发明实施例中使用的投影光学系统并不限于只应用于这种构造的图像显示装置，还可以应用于这样的图像显示装置，其构造为投影透镜的光轴基本上与要被投影的表面相对。

首先，根据本实例的图像显示装置的外形轮廓将会参考图12和图13的基础上进行描述。在图12和图13中，附图标记100和101分别标识图像显示装置和屏幕或要被投影的表面。本实例中的绝对坐标系统是这样的，其原点是在下面将要描述的反射式图像显示元件的中心，而x轴在水平面的一个方向上，z轴在与上述水平面垂直的水平面的一个方向上，并且y轴是在与x轴和z轴垂直的竖直方向上。构成图12和图13中示出的图像显示装置100的元件包括光源1，用于会聚光源1发出的光以在预定位置形成会聚光图像的光会聚器，在会聚光图像附近具有入射端的光混合元件2，照明用第一反射镜4，照明用第二反射镜5，保持投影透镜系统的透镜筒10，与投影透镜系统一起构成投影光学系统的第一投影反射镜84，第二投影反射镜85以及平玻璃板9。

光源1及其光会聚器，光混合元件2，照明用第一反射镜4，和照明用第二反射镜5组成了照明光学系统，其被构造为均匀的照明反射式图像显示元件的反射表面，其中反射式图像显示元件在图中未示出。反射式图像显示元件是由上述的DMD组成的，并被构造为将对应于DMD上显示的图像的反射光通过透镜筒10内的构成投影光学系统的投影透镜系统以及第一和第二投影反射镜84和85投影到要被投影的表面101上。投影透镜系统的光轴在竖直的y轴方向上取向，并且要被投影的表面101也被设置平行于投影透镜系统光轴的竖直方向上。图像显示装置100被放置在更被投影的表面101的下端之下，并且被构造为斜向上地朝向向上倾斜设置的要被投影的表面101发射投影光线。为了校正朝向要被投影的表面101向上倾斜发射的并且投影到要被投影的表面101的图像的顶部，底部，左和右部的畸变，第二投影反射镜的反射表面形成为自由形态表面。

[实例1]

图像显示装置100的构造将会更加详细的进行说明。图1和图2是在观察方向在两图中变化的同时示出包括照明光学系统和投影光学系统的图像显示装置的构造。在图1和图2中，光源1内部包括照明体，照明体包括氙灯，汞灯，金属卤灯等等。从照明体发出的照明光由设置在反射器401内的光会聚反射镜会聚在预定位置。图中未示出的灯罩被连接到光源1的前部。如图15中示出的，防爆玻璃12被设置在灯罩的前表面，并且相对于照明体的光轴(绝对坐标系统中的z轴方向)倾斜10度角。

在图1和图2中，光混合元件2被设置在从光源1发出的照明光的光路上，并且光混合元件2的入射端邻近照明光的焦点的位置。对于光混合元件2来说，已知的具有矩形孔径的光通道可用于本实例中。将四个平板型的反射镜组合并将反射面朝内设置以形成方形或矩形的柱体，从而形成一个光通道。照明光的焦点位置存在于光通道的一端附近，从而使得照明光入射到光通道上。入射光被四个反射镜的内表面重复反射，然后照明光会以均匀的照明分布和矩形的截面积从光通道的另外一端或出射端出射。对于光混合器2来说，公知的棒积分器，光管，等等，或者其他的光通道都是可以使用的。

在从光混合元件2出射的照明光的路径上，顺序设置有会聚透镜3，照明用第一反射镜4，以及照明用第二反射镜5。会聚透镜3和照明用第一反射镜4基本上位于从光混合元件2出射的照明光的大致直线的路径上。照明用第一反射镜4被设置为将从会聚透镜3出射的照明光倾斜地向后和向上进行折叠以使得其具有相对于x轴方向和z轴方向均倾斜的向上倾斜取向。照明用第二反射镜5被设置为将来自照明用第一反射镜4的反射光以向下和向前并朝向作为反射式图像显示元件的DMD7的方式进行折叠，该DMD7向下设置并且具有相对于x轴方向和y轴方向均倾斜的向下倾斜的取向。

这样，照明光透射过会聚透镜3并顺序被第一照明用反射镜4和第二照明用反射镜5反射，因此，照明光的截面被适当成形，照明用第二反射镜5反射的照明最后照射到了DMD7上。玻璃盖子6设置在MD7的前表面。DMD7通常设置在水平面内，其中当DMD7所具有的微镜打开时，由照明用第二反射镜5照射的照明光被向上以垂直的方向进行反射。相对于由会聚透镜3，照明用第一反射镜4和照明用第二反射镜5组成的照明光学系统来说，光混合元件2的出射端和下面将要提到的DMD7的微镜表面处于共轭的位置，其中DMD7的微镜表面被照明光均匀照射，该照明光在光混合元件2的出射端是均匀分布的。

正如上面所描述的，照明光从会聚透镜3，通过照明用第一反射镜4，照明用第二反射镜5以及DMD7到投影光学系统8要经过三维地多次反射。照明用第一反射镜4和照明用第二反射镜5相对于x轴和y轴方向都是倾斜的，以使得照明光在该器件内不会被各个组件干涉到，并且从一个平面方向看时，被设置在投影透镜81附近并中心位于其光轴上。

光源1到DMD7的光学系统组件具体参数以及每个光学组件的坐标位置分别在表1和表2中示出了。在表1和表2中，“灯1”代表光源1。另外，“透镜1”和“透镜2”，以及“第一反射镜4”和“第二反射镜5”分别代表组成会聚透镜3的第一透镜和第二透镜，以及照明用第一反射镜4和照明用第二反射镜5。

表1

*照明系统组件的具体参数

灯1

光会聚(全)角度

(59.5°)

*1：除了上面表格中说明的这些，其余非球面系数均为0。

表格2

*坐标设置

*1：x，y和z的单位是[mm]，α，β和γ的单位是[度]。

*2：绕x轴的旋转是...α，绕y轴的旋转是...β，绕z轴的旋转是...γ。

*3：旋转顺序是：α→β→γ。

*4：对于α或β的右螺旋的旋转是负的，对于γ的右螺旋的旋转是正的。

*5：透镜1和透镜2没有旋转。

DMD7是一种反射式图像显示元件，其具有如图16示出的二维设置的7-1到7-k的微镜。每个微镜可独立地改变其倾斜方向，使得以预定方向和预定角度入射的光的反射角度被改变以实现开状态或关状态。每个微镜的偏转角度大致为±12°。上述的开状态和关状态例如分别表示反射光入射到后续光学系统上的状态和反射光偏离后续光学系统的状态。本实例中的DMD7是由微镜组成的，其中微镜在纵向方向的数量M为M＝1280，并且微镜在横向方向的数量N为N＝800，使得总数k为k＝M×N＝1024000。其纵横比为1280∶800＝16∶10。微镜之间的设置间距(或像素的节距)为10.8微米。

组成光学系统的每个光学组件的绝对坐标的原点设置在DMD7反射表面的中心，如图1，图2，图12以及图16示出的。DMD7的纵向方向和横向方向以及DMD7的垂直方向分别被定义为z轴，x轴和y轴，而围绕x，y和z轴的旋转分别定义为α，β和γ。从光源1出射的照明光的光轴设置在z轴方向上。会聚透镜3由两个透镜组成(表1和表2中的“透镜1”和“透镜2”)，其中每个透镜在出射表面都是非球面，该非球面是由下面的数学公式1以及表1中的曲率半径和非球面系数所限定的。此处，用于限定非球面的公式(数学公式1)中的Z’是由原点位于单独透镜表面顶点的自身坐标系统的x’，y’和z’所表示的。也即Z’是透镜表面的下垂量。

数学公式1

$Z^{\′}(x^{\′},y^{\′})=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1+c^2{r}^2}}+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{c}_{2k}{r}^{2k},$ c＝1/R， $r=\sqrt{{\left(x^{\′}\right)}^2+{\left(y^{\′}\right)}^2}$

照明用第一反射镜4是具有柱反射表面的反射镜，照明用第二反射镜5是具有球反射表面的凹面反射镜。照明用第一反射镜4的这种柱表面是一个凹形的柱表面，其Rx＝-475mm和Ry＝∞(平面)，其中Rx和Ry分别表示x轴方向的曲率半径和y轴方向的曲率半径，如图9示出的。

DMD7中处于开状态的微镜将由照明用第二反射镜5反射的照明光反射向投影光学系统8。从这样的微镜所反射的光通过投影光学系统8成像并投影到要被投影的表面101，要被投影的表面被设置为与包括y轴和z轴的平面相平行。投影图像的最大尺寸是80英寸。

如图1和图2所示出的，投影光学系统8是由投影透镜系统81和投影反射镜组成的，投影透镜系统81由透镜筒10在其内部支撑，其中投影反射镜由第一投影反射镜84和第二投影反射镜85组成。投影透镜系统81是由11个透镜组成的，它们是在入射端的透镜811到出射端的透镜821。表3示出了投影透镜系统81的数据。从入射端的透镜811到出射端的透镜821按顺序表示为“投影透镜1”到“投影透镜11”。R，d，nd和vd分别表示相应于具有对应于表面号的表面的曲率半径，相邻表面之间的距离，对于D线的每个透镜的折射率以及每个透镜的阿贝数。

表格3

*投影透镜数据

表面号	R	d	nd	vd	备注
						1	19.964	4.024	1.5176	63.5	投影透镜1
2	-194.535	0.223			投影透镜1
						3	57.339	1.949	1.8830	40.8	投影透镜2
4	12.164	6.389	1.4875	70.4	投影透镜3
						5	-20.746	0.333			投影透镜3
6	-59.627	7.841	1.7306	37.6	投影透镜4
						7	49.429	0.605			投影透镜4
8	19.401	6.781	1.5810	40.9	投影透镜5
						9	-16.196	2.210	1.9040	31.3	投影透镜6
10	-29.57	6.866			投影透镜6
						11	-154.02	1.822	1.5022	68.8	投影透镜7
12	27.678	0.300			投影透镜7
						13	16.284	4.695	1.7086	29.8	投影透镜8
14	-53.869	1.663			投影透镜8
						15	-26.356	1.800	1.9040	31.3	投影透镜9
16	16.351	3.289			投影透镜9
						17	-20.191	1.800	1.5316	55.8	投影透镜10
18	-31.084	8.111			投影透镜10
						19	-16.01	4.125	1.5316	55.8	投影透镜11
20	-14.27				投影透镜11

上述表3中的“投影透镜1”，“投影透镜10”和“投影透镜11”是两个侧面均为非球面的透镜。每个非球面都是由公式1和表4中的非球面系数所定义的使用局部坐标系的非球面公式所表示的。

表4

*投影透镜的非球面系数

(*1)除了上述表格中描述的之外的非球面系数均为0。

另外，相应于第二投影反射镜85的“投影反射镜2”的反射表面为非球面，当局部坐标系x’，y’和z’是根据附图14所示出时，该非球面是由下面的数学公式2以及表5中的非球面系数所限定的非球面公式所表示的。

数学公式2

$z^{\′}(x^{\′},y^{\′})=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-c^2{r}^2}}+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{k,j}{\mathrm{\Σ}}{c_{k,j}\left(x^{\′}\right)}^k{\left(y^{\′}\right)}^j,$ c＝1/R， $r=\sqrt{{\left(x^{\′}\right)}^2+{\left(y^{\′}\right)}^2}$

表格5

*投影系统组件的具体参数(2)

(*1)除了上述表格中描述的之外的非球面系数均为0。

表格6示出了除了投影透镜和第二投影反射镜85之外的组成投影光学系统8的光学组件的具体参数。在表格6中，“投影反射镜1”相应于第二投影反射镜84。“光阑1”，“光阑2”或“光阑3”均未在图中示出。

表格6

*投影系统的具体参数(除了透镜)

表格7给出了在投影到要被投影的表面的图像的尺寸是43英寸的条件下投影光学系统的光学组件的坐标设置。

表格7

*投影光学系统组件的坐标设置(在屏幕上的投影尺寸为43英寸的情况下)

*1：x，y和z的单位是[mm]，α，β和γ的单位是[度]。

*2：关于x轴的旋转是...α，关于y轴的旋转是...β，关于z轴的旋转是...γ。

*3：旋转顺序是：α→β→γ。

*4：对于α或β的右螺旋的旋转是负的，对于γ的右螺旋的旋转是正的。

*5：对于透镜1-11以及平板来说，α＝90并且β＝γ＝0。

在图1和图2中，平玻璃板9被设置得临近第一投影反射镜84和第二投影反射镜85的顶端并且与包括x轴和z轴的平面相平行。根据本实例的图像显示装置是结合在一个图中未示出的壳体内，平玻璃板9正好嵌入壳体顶端的孔径内，从而在图像显示装置内部获得防尘效果。

下面，照明光学系统，特别是照明用第一反射镜4，照明用第二反射镜5，以及包括投影光学系统8及其透镜筒10的投影光学系统之间的设置关系将在结合图3到图6的基础上进行更加详细的说明。在图5和图6中，DMD7或玻璃盖6为了简化未示出。

在图3到图6中，在光混合元件2的出射端具有均匀照明分布的照明光穿过按会聚透镜3，照明用第一反射镜4，以及照明用第二反射镜5顺序设置的这些光学元件，以在DMD7上提供照射光。此处，如果光束在光路中间被物理干涉了而导致了所谓的“光晕(vignetting)”，那么就会使得照射到DMD7的区域上的照明光产生不规则照明，从而导致投射到被投射表面的图像的照明也是不规则的，这样就会降低投影图像的质量。在从光混合元件2到DMD7的光路上，照明用第二反射镜5可临近投影透镜系统81，并且相应的，照明用第二反射镜5可频繁进行部分切口化处理以使得照明用第二反射镜5不会与投影透镜系统81的透镜筒10发生干涉。这样，在照明用第二反射镜5的切口部则会产生光束的“光晕”。

但是，在图中示出的实例中，照明用第二反射镜5被设置在从光混合元件2到作为反射式图像显示元件的DMD7的光路上距离DMD7最近的位置上，并且相对于组成了投影光学系统8的一部分的投影透镜系统81来说，该照明用反射镜5的反射表面设置在了DMD7侧，以解决上述的问题。这种的构造是本实例的一个特征。图3中带有附图标记15的虚线表示的圆弧线代表了照明用第二反射镜5的反射表面及其延长线。正如上面所述的，相对于投影透镜系统81来说，照明用第二反射镜5的反射表面设置在了DMD7侧，因此，照明用第二反射镜5不会与投影透镜系统81或其透镜筒10发生干涉，即使照明用第二反射镜5的反射表面变得更大也不会发生干涉。

另外，在实例中，当作为反射式图像显示元件的DMD的中心与设置DMD7的表面分别为原点和包括相互垂直的x轴和z轴的平面，并且组成了投影光学系统8的投影透镜系统81的光轴方向，照明用反射镜(本实例中的照明用第二反射镜5)在y轴方向上的最大高度，以及用于保持投影透镜系统81的透镜筒10在x轴方向或z轴方向上从其入射段范围内的光轴到y＝ymax的最大尺寸分别为垂直于x轴和z轴的y轴，ymax和Rmax时，照明用第二反射镜5的反射表面的脊线的一部分位于投影透镜系统81的光轴和上述的Rmax之间。上述的反射表面的“脊线”指的是当照明用第二反射镜5的反射表面被投影到包括x轴和z轴的平面上时，所产生的投影图像的边界。图10示出了从y轴方向观察照明用第二反射镜5的反射表面的画面，其中的虚线51示出了上述的脊线。

在本实例中，透镜筒10入射端的y坐标，照明用第二反射镜5在y轴方向上的最大高度，以及透镜筒10从其入射端范围内的光轴到y＝ymax的最大半径分别为y＝42.13，ymax＝46.65mm，和Rmax＝13.2mm。

另外，在本实例中，当由DMD7反射的并且入射到投影透镜系统81上的光束的最大尺寸为Rf，上述脊线51的一部分被设置为进入Rf内。换句话说，投影透镜系统81的投影表面上的脊线51的一部分在其光轴方向上均进入了投影透镜系统81的投影表面。在本实例中，当Rf＝10.1mm并且如图5和图6示出的，从投影透镜系统81的光轴到照明用第二反射镜5的反射表面的脊线51的距离的最小值为dsp，则dsp＝8.9mm。由于具有了上述构造，对于DMD7的被照射表面的均匀照明可得到改善，从而改善了投影到要被投影的表面的图像质量。

图8示出了在本实例中的光学系统构造下，用于照明DMD7反射表面的光学系统的所发出的照明光的照明分布的模拟结果。对于DMD7的照明分布中的位置，-z方向和+z方向分别对应于当从前面观察要被投影的表面(屏幕)时的左方向和右方向，而-x方向和+x方向分别相应于当从前面观察要被投影的表面时的顶部方向和下部方向。在图8中，由虚线71围绕的区域是DMD7的有效区域。显示了区域内最大照明归一化为1或100％时的照明分布。在有效区域内的归一化的照明分布的最小值为76％或更大。同时，人眼几乎不能分辨出50％的照明分布差异，因此，上述的照明分布76％的最小值不会产生任何问题。

图7示出了dsp值为dsp＝Rmax+0.5mm＝13.7mm的情况下DMD7的反射表面上的照明分布，也即为照明用第二反射镜5的反射表面如图6中的虚线11示出的那样在透镜筒10的最大半径Rmax上进行了切口化处理的情况。在这个例子中，归一化的照明分布在+x和-z侧的DMD7有效区域的角部分降低到了49％.。在这种情况下，当从前面观察被投影平面时，导致了底部左边角处照明的降低。但是，正如上面提到的，照明分布上这样的一个降低程度不会产生实际的问题。如上所述，在本实例中，在透镜筒10的最大半径Rmax上对照明用第二反射镜5的反射表面进行开口是特征之一。

根据本实例的图像显示装置，投影透镜系统81的光轴与y轴平行，也即是与要被投影的表面平行，如表5示出的，并且用于防尘的平玻璃板9与包括x轴和z轴的平面平行，也就是设置在与被投影平面成直角的方向上，如图1和图2示出的。相应的，由投影光学系统8的第二投影反射镜85反射的并透射平玻璃板9的光线中的指向要被投影的表面的底部左或右角部的光线在平玻璃板9上具有大的入射角度，从而产生大的透射损失。

图19示出了指向要被投影的表面中心部的光线入射到平玻璃板9上的角度以及指向要被投影的表面的上，下，左或右角部的光线入射到平玻璃板9上的角度。入射到平玻璃板9的角度是一个宽范围，在整个要被投影的表面上从小于20度到约80度。入射角度随着从更被投影的表面的中心向下左或下右角部移动而增加，并且指向下左或下右角部的光线的入射角度可达到80度或更大。总体上来说，入射角度或从光学元件出射的角度越大，透射率越低，因此，要被投影的表面下左或下右角部照明的降低是由平玻璃板9的透射损失造成的。特别的，要被投影的表面的下左角部会与DMD7的区域重叠，这会产生上述的由照明用第二反射镜5的反射表面的切口化所造成的照明降低，因此，这就会产生要被投影的表面下左角部的照明下降的更大。

照明用第二反射镜5与投影光学系统8之间的设置关系是本实例的一个特征，因此，有可能在要被投影的表面上获得照明分布均匀性的改进，如上所述。如上所述，当有几个因素会造成不规则的照明时，这样的照明分布均匀性改进将会更加重要。

在本实例中，当照明用第二反射镜5的反射表面接近投影透镜系统81的光轴时，可改善DMD7上照明分布的均匀性，但是由DMD7反射并入射到投影透镜系统81上的光的“光晕”总量也会增加。相应的，如果照明用第二反射镜5的反射表面向投影透镜系统81的凸出变得很大，那么该光学系统的光利用效率就会降低。

表格8示出了当dsp基于以下标准改变时光利用效率和DMD7上照明分布的计算结果，该标准是这种情况，从投影透镜系统81的光轴到照明用第二反射镜5的反射表面的脊线51的距离dsp的最小值为dsp＝13.7mm。如图20所示，照明用第二反射镜5在x轴方向上移动而同时保持在其反射表面的切口部的脊线104的形状，并且在dsp＝13.7mm，10.5mm，9.0mm，8.0mm以及7.0mm各个位置上计算照明分布。在表格8中，光利用效率被归一化了，这样，在dsp＝13.7mm的情况下，光利用效率为100％。另外，通过在要被投影的表面的上，下，左和右四个角位置处取样归一化的照明来说明DMD7上的照明分布。

表格8

(*)(1)-(4)相应于屏幕的上，下，左和右角处的DMD上归一化的照明。

从表格8中可以看出，当dsp减小时，照明用第二反射镜5上的“光晕”会相应的减少，而相应于屏幕上下左角处的DMD7上的归一化照明则会增加。另外一方面，对于光学系统的光利用效率来说，当dsp减小时，光利用效率是先增加，并随后(dsp＜9)由于被照明用第二反射镜5从DMD7反射的光束的“光晕”增加而导致光利用效率降低。因此，如果将dsp＝9设置为下限，可防止光利用效率的降低，并且相应于要被投影的表面下角处的DMD7上左和右的照明差别可降低至1-2％或更小，因此，就有可能达到左和右之间的照明平衡。此处，在本实例的光学系统中，入射到投影光学系统81上的光束的最大尺寸Rf为Rf＝10.1mm，因此，可能只需要dsp/Rf≥9/110.1＝0.89即可。当提供这样的一个构造时，就有可能在不降低光学系统的光利用效率的同时改善被投影的DMD7表面上的照明分布均匀性，并改善要被投影的表面上投影图像的质量。

[实例2]

图17是从另外一个角度观察到的图3和图4示出的上述实例1的照明光学系统中的照明用第一反射镜4，照明用第二反射镜5，投影透镜系统81入射端的第一透镜811，以及支撑投影透镜系统81的透镜筒的部分放大图。另一方面，图18是从另外一个角度观察到的根据本发明实施例的实例2中的照明光学系统中的照明用第一反射镜4，照明用第二反射镜5，投影透镜系统81入射端的第一透镜811，以及支撑投影透镜系统81的透镜筒10的部分放大图。

在本实例2中，如图18所示，在投影透镜系统侧，对照明用第二反射镜5的边缘施加了斜面103。由于采用了这个斜面103，就有可能避免在照明用第二反射镜5和透镜筒10之间发生的干涉或降低这种干涉程度，另外，由于有可能将照明用第二反射镜5设置得更加接近投影透镜系统的光轴，就有可能在照明用第二反射镜5的反射表面上保证大的有效面积。因此，就有可能改善由照明光投影的DMD7的表面上的照明分布的均匀性，并进而改善要被投影的表面上的照明分布的均匀性，并相应的改善要被投影的表面上投影图像的质量。

[实例3]

图11示出了作为根据本发明实施例的实例3特征部分的光源和光混合元件2之间的组件设置情况。在实例中，如图11所示，色轮13被设置在光混合元件2的入射端与防爆玻璃12之间并邻近光混合元件2和防爆玻璃12。与防爆玻璃12相似，相对于光源的光轴(图中的z轴方向)，色轮13被设置为倾斜了10°。

色轮13是一种已知的光学过滤器，其圆环部分被分为三原色(红(R)，绿(G)和蓝B))或被分为上述的红，绿，蓝，以及白色(W)。当驱动色轮13旋转时，圆环部分横穿过照明光的光路，而从光源1发出的照明光被时分为分别具有R，G，B甚至W颜色的照明光并入射到光混合元件2上。

根据具有上述构造的实例3，就有可能获得用于投影彩色图像的装置。除了色轮13之外的其他光学组件的构造可与实例1和实例2的构造相似，因此，就有可能获得可改善要被投影的表面照明均匀性的投影高质量彩色图像的图像显示装置。

可将根据本发明实施例的图像显示装置广泛应用于投影仪或另外一种图像显示装置以用于显示来自个人电脑，电视机，DVD播放器或类似器件的视频信号。

<图像显示装置的说明性实施例>

本发明的至少一个说明性的实施例涉及一种用于将图像放大并投影到屏幕上的图像显示装置，通常称为投影仪。

本发明的至少一个说明性的实施例致力于解决上述传统技术的问题，也即在不增加质量和成本的情况下能够降低要被投影的表面不规则性的图像显示装置。

说明性的实施例(1)是一种图像显示装置(具有图像显示装置的大部分显著特征)，其包括光源，用于将从光源发射的光在预定位置会聚形成会聚光图像的光会聚器，在接近会聚光图像的位置具有入射端的光混合元件，具有多个二维设置的微镜并被构造为在开状态和关装置之间改变单个微镜的倾角以打开或关闭反射光发射的反射式图像显示元件，由设置在光混合元件的出射端与反射式图像显示元件之间的会聚透镜和照明用反射镜组成的照明光学系统，以及用于将组成反射式图像显示元件的多个微镜中处于开状态的微镜所反射的光投影到要被投影的表面的投影光学系统，其中照明用反射镜被设置在从光混合元件到反射式图像显示元件的光路上最接近反射式图像显示元件的位置上，并且相对于作为投影光学系统一部分的投影透镜系统来说，这个照明用反射镜的反射表面位于反射式图像显示元件侧。

说明性的实施例(2)是一种如实施例(1)所描述的图像显示装置，其中照明用反射镜的反射表面的脊线的一部分设置在了投影透镜系统的光轴和Rmax之间，其中反射式图像显示元件的中心是原点，反射式图像显示元件所设置的平面包括相互垂直的x轴和z轴，组成投影光学系统的投影透镜系统的光轴方向是与x轴和z轴相互垂直的y轴，照明用反射镜在y轴方向上的最大高度为ymax，用于支撑的投影透镜系统的的透镜筒在其入射端范围内从光轴到x轴方向和z轴方向上的y＝ymax处的最大尺寸是Rmax。

说明性的实施例(3)是一种如实施例(1)或(2)所描述的图像显示装置，其中当组成反射式图像显示元件的多个微镜都处于开状态时，照明用反射镜被设置为下述方式，即，入射到投影光学系统上的光线的一部分被照明用反射镜的反射表面的一部分脊线阻挡了。

说明性的实施例(4)是一种如实施例(1)，(2)或(3)所描述的图像显示装置，其中dsp/Rf≥0.89，其中在光混合元件和反射式图像显示元件之间的光路上，从设置在距离反射式图像显示元件最近位置上的照明用反射镜的反射表面的脊线到投影透镜的光轴之间距离的最小值为dsp，而从反射式图像显示元件反射的并入射到投影透镜系统上的光线的最大尺寸是Rf。

说明性的实施例(5)是一种如实施例(1)-(4)中任意一个描述图像显示装置，其中在光混合元件和反射式图像显示元件之间的光路上设置在距离反射式图像显示元件最近位置处的照明用反射镜在投影透镜系统侧具有斜切的边缘。

说明性的实施例(6)是一种如实施例(1)-(5)中任意一个描述图像显示装置，其中投影光学系统被构造为具有以下述方式设置的投影透镜系统和投影反射镜，该方式为投影透镜系统的光轴被设置为与要被投影的表面平行，并且投影反射镜被设置为将透射过投影透镜系统的光束向要被投影的表面反射。

说明性的实施例(7)是一种如实施例(6)所描述的图像显示装置，其中投影光学系统在其端部具有平玻璃板，并且平玻璃板被设置在这样一个方向上，它的光入射和/或出射表面是与要被投影的表面垂直的。

说明性的实施例(8)是一种如实施例(1)-(7)中任意一个描述图像显示装置，其中可旋转的彩色过滤器被设置在照明光学系统内的光混合元件的入射端或出射端附近。

说明性的实施例(9)是一种如实施例(1)-(8)中任意一个描述图像显示装置，其中照明光学系统由会聚透镜以及其后设置的照明用第一和第二反射镜组成，并且被设置在距离反射式图像显示元件最近位置处的照明用反射镜是照明用第二反射镜。

说明性的实施例(10)是一种如实施例(6)或(7)中描述图像显示装置，其中投影反射镜被设置为下述方式，透射过投影透镜系统的光被反射向向上倾斜设置的要被投影的表面，并且投影反射镜的反射表面被形成为自由形式表面以校正投影到向上倾斜的被投影的表面上的图像。

根据本发明至少一个说明性的实施例，有可能延展照明用反射镜的反射表面的有效面积，并均匀化反射式图像显示元件的微镜表面上的照明。因此，就有可能降低被投影到要被投影的表面上的图像区域上照明的不规则性，从而改善要被投影的表面上投影图像的质量。

虽然在参考附图的基础上描述了本发明的说明性的实施例和具体例子，但是本发明并不限于任意的说明性的实施例和具体例子，并且说明性的实施例和具体例子都是可在不脱离本发明的范围内改变，修改或组合。

本申请要求了基于2011年8月16日申请的日本专利申请2011-177824的优先权，其整个内容在此处结合进来作为参考。

Claims (10)

1.一种图像显示装置，包括光源，用于会聚从光源发射的光以在预定位置形成会聚光图像的光会聚器，在接近会聚光图像的位置具有入射端的光混合元件，具有多个二维设置的微镜并被构造为在开状态和关装置之间改变单个微镜的倾角以打开或关闭反射光发射的反射式图像显示元件，由设置在光混合元件的出射端与反射式图像显示元件之间的会聚透镜和照明用反射镜组成的照明光学系统，以及用于将组成反射式图像显示元件的多个微镜中处于开状态的微镜所反射的光投影到要被投影的表面的投影光学系统，其中照明用反射镜被设置在从光混合元件到反射式图像显示元件的光路上最接近反射式图像显示元件的位置上，并且相对于构成投影光学系统一部分的投影透镜系统来说，这个照明用反射镜的反射表面定位于反射式图像显示元件侧。

2.根据权利要求1的图像显示装置，其中照明用反射镜的反射表面的脊线的一部分位于投影透镜系统的光轴和Rmax之间，其中反射式图像显示元件的中心是原点，反射式图像显示元件所设置的平面包括x轴和与其垂直的z轴，组成投影光学系统的投影透镜系统的光轴方向是在与x轴和z轴相互垂直的y轴上，照明用反射镜在y轴方向上的最大高度为ymax，用于保持投影透镜系统的透镜筒在其入射端范围内从光轴到x轴方向和z轴方向上的y＝ymax处的最大尺寸是Rmax。

3.根据权利要求1的图像显示装置，其中当组成反射式图像显示元件的多个微镜都处于开状态时，照明用反射镜被设置成入射到投影光学系统上的光线的一部分被照明用反射镜的反射表面的一部分脊线阻挡。

4.根据权利要求1的图像显示装置，其中在光混合元件和反射式图像显示元件之间的光路上，从设置在距离反射式图像显示元件最近位置上的照明用反射镜的反射表面的脊线到投影透镜的光轴之间距离的最小值为dsp，而从反射式图像显示元件反射的并入射到投影透镜系统上的光线的最大尺寸是Rf，且dsp和Rf满足以下条件：dsp/Rf≥0.89，

5.根据权利要求1的图像显示装置，其中在光混合元件和反射式图像显示元件之间的光路上设置在距离反射式图像显示元件最近位置处的照明用反射镜在投影透镜系统侧具有斜切的边缘。

6.根据权利要求1的图像显示装置，其中投影光学系统被构造为具有以下述方式设置的投影透镜系统和投影反射镜，该方式为投影透镜系统的光轴被设置为与要被投影的表面平行，并且投影反射镜被设置为将透射过投影透镜系统的光束向要被投影的表面反射。

7.根据权利要求6的图像显示装置，其中投影光学系统在其端部具有平玻璃板，并且平玻璃板被设置在这样一个方向上，它的光入射和/或出射表面是与要被投影的表面垂直的。

8.根据权利要求1的图像显示装置，其中可旋转的彩色过滤器被设置在照明光学系统内的光混合元件的入射端或出射端附近。

9.根据权利要求1的图像显示装置，其中照明光学系统由会聚透镜以及设置在其后的照明用第一和第二反射镜组成，并且被设置在距离反射式图像显示元件最近位置处的照明用反射镜是照明用第二反射镜。

10.根据权利要求6的图像显示装置，其中投影反射镜被设置成透射过投影透镜系统的光被反射向向上倾斜定位的要被投影的表面，并且投影反射镜的反射表面被形成为自由形式表面以校正投影到向上倾斜的被投影的表面上的图像。

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