CN104698726B - 光学单元、投射型显示装置和摄像装置 - Google Patents

光学单元、投射型显示装置和摄像装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种薄型且高亮度的投影仪用光学单元和投射型显示装置。在具有用于投射光而显示影像的反射型的影像显示元件的光学单元中，上述影像显示元件包括使被聚光的光向与显示的图像的光轴相应的方向反射的第一状态，和使光以在与投射的图像中的垂直方向相应的方向具有成分的方式反射的第二状态，包括以上述第二状态反射的光的光轴整体的平面，与入射到上述影像显示元件的光的光轴和上述影像显示元件以上述第一状态反射的光的光轴所形成的平面不同，照明透镜的开口部的开口尺寸在与投射的图像中的水平方向相应的方向上比在与投射的图像中的垂直方向相应的方向上大。

Description

光学单元、投射型显示装置和摄像装置
技术领域
本发明涉及使用光源和影像显示元件，在屏幕上投影影像的光学单元和具备它的投射型显示装置、摄像装置。
背景技术
投射型显示装置、即投影仪中，作为能够实现小型且高亮度的光学单元的影像显示元件，微反射镜型影像显示元件即DMD(Digital Micromirror Device)受到了关注。DMD对按每个像素配置的微反射镜的角度分别地控制，通过将DMD入射光分离为入射到投射透镜的方向(ON光)和不向投射透镜入射的方向(OFF光)，而进行光调制。
使用DMD的光学单元的光学系统中，为了使DMD反射光与DMD入射光的主光轴不同，需要使入射光的主光轴相对于DMD的面法线倾斜规定量地入射。DMD在ON时具有倾斜+θ的旋转角、在OFF时具有倾斜-θ的旋转角时，一般使DMD入射光相对于DMD的中心光轴(面法线)倾斜2θ地入射。此外，为了不使ON光束与OFF光束以及在覆盖反射镜元件的玻璃盖的表面反射的平态(Flat)光束重叠而对比度降低，一般增大对DMD反射镜入射的照明光束的F值，即缩小照明光束的扩散，将扩散的角度限制为相当于θ以下。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-240050号公报
发明内容
以往，投射型显示装置使用如专利文献1中的使用了微反射镜的影像显示装置构成。该影像显示装置的微反射镜OFF时的反射光的反射光线矢量roff，位于与画面水平方向相应的方向和上述微反射镜ON时的反射光的反射光线矢量ron所成的面内。
为了进行高亮度化，有减小照明光束的F值的方法。但是，减小F值时，会产生OFF光束与ON光束重叠而使对比度降低的课题。于是，以往需要仅减小与画面垂直方向相应的方向的F值地进行大口径化。该方向在现有的装置中，由于垂直方向即相当于厚度方向，所以为了使光束直径在装置的厚度方向增大，会产生光学部件厚度也增加从而装置难以薄型化的新的课题。
鉴于这样的状况，本发明的目的在于提供一种通过减少照明光学系统的厚度并改善效率，而薄型且高亮度的投影仪用光学单元和具备它的投射型显示装置、摄像装置。
上述目的例如能够通过以下技术方案达成。
本发明之一技术方案提供一种光学单元，其包括用于投射光而显示影像的反射型的影像显示元件，该光学单元的特征在于，包括：产生所述光的光源；将从该光源出射的光向所述影像显示元件照射的照明透镜；决定该照明透镜的F值的开口部；和将所述影像显示元件所反射的光进行投射而显示影像的投射光学部，所述影像显示元件包括使被照射的光作为影像显示用光向与显示的图像的光轴相应的方向反射的第一状态，和使所述被照射的光作为非影像显示用光以在与投射的图像中的垂直方向相应的方向具有成分的方式反射的第二状态，包括所述影像显示元件以所述第二状态反射的光的光轴整体的平面，与入射到所述影像显示元件的光的光轴和所述影像显示元件以所述第一状态反射的光的光轴所形成的平面不同，所述开口部的开口尺寸在与投射的图像中的水平方向相应的方向上比在与投射的图像中的垂直方向相应的方向上大。
本发明之另一技术方案提供一种投射型显示装置，其特征在于，包括：上述的光学单元；对包括该光学单元的构成部件供给工作电源的电源；驱动所述光源而使所述光源产生光的光源驱动电路；在所述第一状态与所述第二状态之间驱动所述影像显示元件的影像显示元件驱动电路；信号处理电路，对影像信号进行处理生成与所述显示的图像有关的信号并将其供给到所述影像显示元件驱动电路；和控制所述构成部件的动作的控制电路。
本发明之又一技术方案提供一种摄像装置，其特征在于，包括：上述的投射型显示装置；包括用于拍摄影像的摄像元件的摄像组件；和驱动该摄像元件的摄像元件驱动电路，所述信号处理电路对所述摄像组件所拍摄的影像信号进行处理而生成与所述显示的图像有关的信号，并将其供给到所述影像显示元件驱动电路。
根据本发明具有的效果是，能够提供一种薄型且高亮度的投影仪用光学单元和具备它的投射型显示装置、摄像装置。
附图说明
图1是表示本实施例中的光学单元的框图。
图2A是本实施例中的向微反射镜的入射光和反射光的配置图。
图2B是表示本实施例中的DMD和全反射棱镜和坐标轴的图。
图3是关于本实施例中的照明光学系统的结构及其F值的说明图。
图4是关于本实施例中的OFF反射光线矢量的说明图。
图5是表示在光阑的角度和光阑径的图。
图6是表示本实施例中的光阑形状的一例的图。
图7A是表示本实施例中的光阑形状的第一变形例的图。
图7B是表示本实施例中的光阑形状的第二变形例的图。
图7C是表示本实施例中的光阑形状的第三变形例的概要图。
图8是表示本实施例中的投射型显示装置的框图。
图9是内置本实施例中的投射型显示装置的摄像装置的框图。
符号说明
1、2……LED光源，3、4……聚光透镜，5……楔形棱镜，6……透镜阵列，7……光阑，8、9……中继透镜，10……修正棱镜，11……全反射棱镜，12……影像显示元件，13……投射透镜，100……光学单元
具体实施方式
对于应用了本发明的光学单元和具备它的投射型显示装置、摄像装置的实施方式的一例，用以下附图进行说明。此外，本发明并不受以下说明限定。此外，各图中表示相同作用的构成部件，使用相同的符号表示。
图1是表示本实施例中的光学单元100的框图。
光学单元100具有出射规定的波长或波长范围的光束的光源1、光源2。
光源1例如是出射中心波长约525nm的绿色光束的LED光源。光源2例如是具备出射中心波长约615nm的红色光束和中心波长约460nm的蓝色光束的2色的发光源的LED光源。其中，各中心波长也可以不是上述值。此外，也可以使用对于从LED芯片放射的光，用荧光体进行波长变换等而放射的光。
从光源1、2分别出射的光束，被聚光透镜3、4变换为大致平行光之后，从分别不同的方向入射到楔形棱镜5。
楔形棱镜5例如包括：具有使红色光束反射、使蓝色光束和绿色光束透过的功能的波长选择性反射镜面5a；和具有使蓝色光束反射、使红色光束和绿色光束透过的功能的波长选择性反射镜面5b，具备使入射到该楔形棱镜5的3色光束合成的功能。
合成后的光束经过在入射侧和出射侧设置有使多个透镜在平面方向配置的透镜阵列而成的透镜阵列6、和作为决定照明光束的F值的开口部的光阑(aperture)7、中继透镜8、9而入射到修正棱镜10。通过这些光学元件，生成具有相对于光轴平行的光的远心且均匀的照明光，具备使其以要求的角度传播的功能，但因为是公知的技术，所以省略详细说明。此外，以下有时将中继透镜称为照明透镜。
通过中继透镜9后的光束，通过修正棱镜10，通过全反射棱镜11的斜面11a和面11b，照射到作为影像显示元件的DMD12。修正棱镜10具有对于因全反射棱镜11发生的光路差进行修正，使入射到DMD面板上各部位的光束的光路长度差最小的功能。
这样，通过从透镜阵列6到全反射棱镜11的照明光学系统，能够在DMD12形成照度均匀的像。此外，用于形成、传播规定的照明光的光学系统，不限定于包括图1所示的透镜阵列6和中继透镜8、9的结构，也可以是其他光学系统结构。
在DMD12的微反射镜面反射后的光束，改变角度再次通过全反射棱镜的面11b，在斜面11a全反射。在全反射面11a反射后的光束，通过面11c之后，通过投射透镜(投射光学部)13在屏幕(未图示)上显示放大投影后的影像。
本发明的特征在于，通过构成为由上述微反射镜反射后的光线的方向和上述照明光学系统的光阑形状满足规定的关系式，而能够使光学单元薄型化并且高效率化和高亮度化。
图2A是本实施例中的对微反射镜14的入射光和反射光的配置图，是表示了上述DMD12具有的微反射镜14、入射光、微反射镜ON(开态)时的反射光矢量(或者表示ON时的反射光的光轴方向的矢量)ron、微反射镜OFF(关态)时的反射光矢量(或者表示OFF时的反射光的光轴方向的矢量)roff的几何学配置的图。如图中所示，将坐标轴定义为与微反射镜14中的画面光轴相应的方向(Z)和与画面水平方向相应的方向(X)和与画面垂直方向相应的方向(Y)。
图2B是为了明确坐标轴的关系性而表示了DMD12和全反射棱镜11以及坐标轴的图。
此处，图2A中记作照明光束的入射光线矢量ν如式(1)所示地描述。其中，光线矢量是单位矢量。
ν＝(νx，νy，νz) 式(1)
此外，通常ON光束是相对于DMD12的元件面垂直、向与画面光轴相应的方向出射的光，所以ON时的反射光矢量ron能够写作以下式(2)。
ron＝(0，0，1) 式(2)
反射光线矢量为上述式(2)时，为了抑制装置整体的厚度(图中的Y方向)，优选入射光线矢量也没有与画面垂直方向相应的方向的成分。从而，优选式(1)可以改写为式(3)。
ν＝(νx，0，νz) 式(3)
另一方面，微反射镜OFF时的反射光矢量roff能够写作以下式(4)。
roff＝(roff_x，roff_y，roff_z) 式(4)
此时，在以下式(5)的关系成立时：
roff_y≠0 式(5)
反射光线矢量roff从与画面水平方向相应的方向和反射光线矢量ron所成的面内偏离。
同样，反射光线矢量roff也从入射光线矢量与反射光线矢量ron所成的面内偏离。
另一方面，入射光线矢量ν、反射光线矢量ron和与画面水平方向相应的方向矢量在同一面内。
从而，因为roff从由与画面水平方向相应的方向与反射光线矢量ron所成的平面内偏离，所以即使为了在水平方向扩大光阑而减小F值，OFF光束与ON光束也不重叠，能够实现高亮度化。通过不扩大与厚度方向(图中的Y方向)的F值、即开口部的开口尺寸相当的光阑径，能够不增大光学单元的厚度地、提供实现了画面水平方向的高亮度化的、薄型且高亮度的光学单元。
以往，入射光线矢量与反射光线矢量ron和roff在同一面内的情况下，减小水平方向的F值时，反射光线矢量ron与反射光线矢量roff、平态(Flat)光束重叠，对比度降低。因此，为了实现高亮度化，需要减小与垂直方向相应方向的F值，所以光学单元的厚度增大。
如以下所述，本实施例中在水平和垂直方向变更光阑的形状而改变F值，具体而言，采用满足以下关系式的光阑形状即可。
首先，反射光线矢量ron与roff所成的角θonoff能够用式(6)表达。此处，ron·roff是矢量ron与矢量roff的内积(inner product)。
cosθonoff＝ron·roff＝roff_z 式(6)
图3是关于本实施例中的照明光学系统的结构及其F值的说明图。设第一中继透镜8和第二中继透镜9的合成焦距为f。此处为了简化说明，省略了光路修正棱镜10和全反射棱镜11。此外，描绘了对DMD12的中央像素进行照明的照明光束。
设光阑7的直径为D，则F值用式(7)表达。
F值＝f/D 式(7)
设照明光学系统的光线的聚光角度为θill时，关于F值和上述孔径角，以下关系式(8)成立。
tanθill＝1/(2F值) 式(8)
ON光束和OFF光束都具有该F值。为了ON光束与OFF光束不重叠，需要上述角度θill的2倍小于上述ON反射光线矢量与OFF反射光线矢量所成的角θonoff，所以角度θonoff和角度θill需要满足式(9)的关系式。
cosθonoff<cos2θill＝((2F值)2-1)/((2F值)2+1) 式(9)
如果采用满足式(9)的关系的光阑口径，则ON光束与OFF光束不重叠，能够实现不使光学单元的对比度劣化的高亮度的光学单元。
接着，说明要满足上述关系式(9)的光阑径的方向。
光阑径不需要在从光阑中心向所有方向是相同的大小，只要是由ON反射光线矢量ron和OFF反射光线矢量roff决定的面内方向的角度θonoff满足上述关系式(9)的光阑径即可。
图4是关于本实施例中的OFF反射光线矢量roff的说明图，是关于OFF反射光线矢量roff及其向微反射镜14的射影矢量rsoff、和与画面水平方向相应的方向矢量所成的角度φoff的说明图。该角度φoff能够用以下式(10)表达。
cosφoff＝roff_x 式(10)
如上述式(5)所示，
roff_y≠0 式(5)
所以，上述角度φoff满足式(11)的不等式。
cosφoff<1 式(11)
从而，反射光线矢量roff具有向与画面水平方向相应的方向的前进成分。
图5是表示光阑上的角度和光阑径的图，表示了光阑上的上述角度φ和光阑开口16。图5表示光阑开口16是以往使用的圆形的情况。
另一方面，本实施例的情况下，角度φoff是零以外的值，所以在偏离与画面水平方向相应的方向的位置，光阑开口直径D满足上述式(9)的关系即可。
图6是表示本实施例中的光阑形状的一例的图。在由式(10)决定的角度φ方向是满足关系式(9)的光阑径，如果与画面水平方向相应的方向的光阑径大于上述D，就能够不使光束在厚度方向变粗地减小F值、实现照明光学系统的大口径化和高效率化，能够实现薄型且高亮度的光学单元。
图7A至图7C是表示本实施例中的光阑形状的第一至第三变形例的图，是与图6同样满足上述关系式(9)的光阑14的形状的变形例的图。其中任意一个形状都通过使与水平方向相应的方向的口径大于与垂直方向相应的方向的口径，而能够不增加装置厚度地实现高亮度化。
此外，只要是满足上述关系式(9)和(10)和(11)的结构，光阑的形状就不限定于图6、图7A至图7C所示的，可以自由地变形。
此外，也可以不使光阑成为单独的部件，而是与保持光学系统的箱体一体化，完全可以通过使箱体的形状成为上述规定的光阑形状而决定F值。
如上所述，通过采用如本实施例所示的使在上述微反射镜反射的光线的方向、和上述照明光学系统的光阑形状满足规定的关系式的结构，使与画面水平方向相应的方向的光阑径大于与画面垂直方向相应的方向的光阑径，能够使光学单元成为能够薄型化并且高效率化、高亮度化的结构。
但是，本实施例中假设的数值和范围只是表示一例，并不限定于此。
此外，本实施例中作为影像显示元件以DMD为例进行了说明，但不限于DMD。只要是能够使以某个角度入射的光仅旋转规定的角度反射的影像显示元件，就可以是任意的影像显示元件。
图8是表示本实施例中的投射型显示装置101的框图。对于本实施例中记载的光学单元100，组合有电源部20、光源驱动电路21、影像显示元件的驱动电路部22、处理影像信号的信号处理电路23和控制电路24等单元而成的投射型显示装置101，能够实现薄型且高亮度的投射型显示装置。
图9是内置本实施例中的投射型显示装置的摄像装置102的框图。内置有在本实施例中记载的光学单元100，组合有电源部20、光源驱动电路部21、影像显示元件的驱动电路部22、用于拍摄影像的摄像组件25、用于驱动搭载在上述摄像组件内的摄像元件的摄像元件驱动电路26、处理拍摄影像信号和显示影像信号的信号处理电路23和控制电路24等单元而成的投射显示装置的摄像装置102，能够实现内置有薄型且高亮度的投射显示装置的摄像装置。
此外，本发明不限定于上述实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的例子，并不限定于必须具备说明的所有结构。

Claims (9)

1.一种光学单元，其包括用于投射光而显示影像的反射型的影像显示元件，该光学单元的特征在于，包括：
产生所述光的光源；
将从该光源出射的光向所述影像显示元件照射的照明透镜；
决定该照明透镜的F值的开口部；和
将所述影像显示元件所反射的光进行投射而显示影像的投射光学部，
所述影像显示元件包括使被照射的光作为影像显示用光向与显示的图像的光轴相应的方向反射的第一状态，和使所述被照射的光作为非影像显示用光以在与投射的图像中的垂直方向相应的方向具有成分的方式反射的第二状态，
所述影像显示元件以所述第二状态反射的光的光轴，不在由入射到所述影像显示元件的光的光轴和所述影像显示元件以所述第一状态反射的光的光轴所形成的平面内，
所述开口部的开口尺寸在与投射的图像中的水平方向相应的方向上比在与投射的图像中的垂直方向相应的方向上大。
2.如权利要求1所述的光学单元，其特征在于：
当所述影像显示元件以所述第一状态反射的反射光的光轴、与以所述第二状态反射的反射光的光轴所成的角度为θonoff时，关于所述开口部决定的F值，满足：
cosθonoff<((2×F值)2-1)/((2×F值)2+1)。
3.如权利要求2所述的光学单元，其特征在于：
当使所述影像显示元件以所述第二状态反射的反射光的光轴在影像显示元件的平面投影的方向、和与投射的图像中的水平方向相应的方向所成的角为φoff时，满足：
cosφoff<1。
4.如权利要求3所述的光学单元，其特征在于：
所述开口部的开口尺寸，在以开口部的中心为原点的开口部的平面内，在从与投射的图像中的水平方向相应的方向倾斜了所述角度φoff的方向上最窄。
5.如权利要求1所述的光学单元，其特征在于：
所述光学单元的箱体具有所述开口部，在所述箱体设置的开口部决定所述照明透镜的F值。
6.如权利要求1所述的光学单元，其特征在于：
所述光源为LED光源、或者通过荧光体对从LED发出的光进行波长变换后的光源。
7.如权利要求1所述的光学单元，其特征在于：
所述影像显示元件是微反射镜型的影像显示元件。
8.一种投射型显示装置，其特征在于，包括：
如权利要求1所述的光学单元；
对包括该光学单元的构成部件供给工作电源的电源；
驱动所述光源而使所述光源产生光的光源驱动电路；
在所述第一状态与所述第二状态之间驱动所述影像显示元件的影像显示元件驱动电路；
信号处理电路，对影像信号进行处理生成与所述显示的图像有关的信号并将其供给到所述影像显示元件驱动电路；和
控制所述构成部件的动作的控制电路。
9.一种摄像装置，其特征在于，包括：
如权利要求8所述的投射型显示装置；
包括用于拍摄影像的摄像元件的摄像组件；和
驱动该摄像元件的摄像元件驱动电路，
所述信号处理电路对所述摄像组件所拍摄的影像信号进行处理而生成与所述显示的图像有关的信号，并将其供给到所述影像显示元件驱动电路。
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