CN104756005B - 投影型影像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供维持抑制混色的效果并且减少光的损失的投影型影像显示装置，该投影型影像显示装置包括光源(1)、照明光学系统、影像显示元件(10)和投影光学系统(11)，照明光学系统包括：使来自光源的光的分布均匀的多重反射元件(3)；将来自多重反射元件(3)的光的颜色分解的色轮(4)；和将来自色轮(4)的光放大的透镜(6、7)，当将与光的行进方向垂直的面上正交的两个轴分别定义为X轴、Y轴时，透镜(6、7)的X轴方向的曲率半径与Y轴方向的曲率半径不同。多重反射元件(3)的出射面的长宽比大于所述影像显示元件(10)的长宽比。上述透镜(6、7)可以是柱面透镜，也可以是超环面透镜。

Description

投影型影像显示装置
技术领域
本发明涉及投影型影像显示装置。
背景技术
作为将图像投影于投影屏等的投影型影像显示装置的影像显示元件，已知有DMD(Digital Micromirror Device：数字微镜器件，美国德州仪器公司)。
此处，作为通过单板使用DMD时实现彩色显示的方法，公开有使用色轮的技术(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-78949号公报
发明内容
发明所要解决的问题
根据专利文献1，为了避免混色，在色轮上设置有遮断光的部位，但是存在遮断光的时间变长、光的损失大的问题。
因此，本发明的目的在于提供抑制混色、同时降低光的损失的投影型影像显示装置。
用于解决问题的方式
为了解决上述问题，本发明的优选方式之一如下。该投影型影像显示装置包括光源；照明光学系统；根据来自外部的输入信号对来自光源的光进行调制的影像显示元件；和将影像显示元件调制后的光进行投影的投影光学系统，照明光学系统包括：使来自光源的光的分布均匀的多重反射元件；将来自多重反射元件的光的颜色分解的色轮；和将来自色轮的光放大的透镜，当将与光的行进方向垂直的面上正交的两个轴分别定义为X轴、Y轴时，透镜的X轴方向的曲率半径与Y轴方向的曲率半径不同。
发明的效果
根据本发明，能够提供抑制混色、同时降低光的损失的投影型影像显示装置。
附图说明
图1是实施例的投影型影像显示装置的主要部分结构图。
图2是作为课题设想的投影型影像显示装置的主要部分结构图。
具体实施方式
以下，参照附图对本实施例进行说明。另外，在各图中，对同一部分标注同一附图标记，对曾说明过的内容，省略其说明。此处，导入局部右手直角坐标系。在图1(A)和图2(A)，以多重反射元件(柱状透镜)的长度方向为Z轴，以在与Z轴正交的面内与纸面平行的轴为X轴，以从纸面里侧向表面去的轴为Y轴。在图1(B)和图2(B)中，以在与Z轴正交的面内与纸面平行的轴为Y轴，以从纸面表面向里侧去的轴为X轴。
首先对本发明的课题进行说明。图2是作为课题设想的投影型影像显示装置的主要部分结构图，图2(A)是从Y轴方向看投影型影像显示装置时的俯视图，图2(B)是从X轴方向看投影型影像显示装置时的侧视图。
在图2(A)和(B)，从光源1射出的光在反射器2被捕获聚光，射入多重反射元件13。多重反射元件13是玻璃的四角柱或将反射镜贴合四个而构成的中空的元件。
多重反射元件13的出射面为X轴方向长、Y轴方向短的形状，其长宽比与DMD10的长宽比相同。即，当令多重反射元件13的出射面的X轴方向的长度为C、Y轴方向的长度为D、令DMD10的X轴方向的长度为E、Y轴方向的长度为F时，满足C/D＝E/F。因此，在多重反射元件13内多次反射后的光线在多重反射元件13的出射面成为与DMD10相似而均匀的强度的光分布。
在多重反射元件13的出射面附近配置有色轮4。色轮4是在圆周方向上依次配置有仅使R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)、C(品红)、Y(黄色)、W(白色)的光通过的六种颜色滤光片的、能够进行旋转控制的圆盘状的彩色滤光片。虽然仅利用R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)这三种彩色滤光片也能够将颜色再现，但是一般使用六种颜色的彩色滤光片。
通过色轮4旋转，白色光按时间被分解为六种颜色(R、G、B、C、Y、W)。从多重反射元件13射出的光通过中继透镜5、中继透镜12、中继透镜8、TIR棱镜9照射在DMD10上。
中继透镜5通过将从多重反射元件13射出的光聚光于中继透镜12，防止光的散射。中继透镜12将在多重反射元件13的出射面变得均匀的光分布在DMD10面上放大。中继透镜8使来自中继透镜12的光大致平行。TIR棱镜9将所射入的光全部反射，导向DMD10。
DMD10是由能够控制各个微小反射镜的倾斜的二维反射镜阵列构成的反射型光调制元件，其倾斜为打开(ON)状态和关闭(OFF)状态这两种状态。在照明光到达DMD10的情况下，打开状态的微小反射镜将照明光向投影透镜11反射(以下称为打开光)，关闭状态的微小反射镜将照明光反射到投影透镜11外(以下称为关闭光)。即，仅打开光通过投影透镜11放大投影于投影屏等。
一个微小反射镜与投影图像的最小构成要素(像素)对应，与打开状态的微小反射镜对应的像素投影为白色，与关闭状态的微小反射镜对应的像素投影为黑色。通过使打开状态的时间发生变化，能够具有灰度等级。即，通过控制各微小反射镜的打开状态的时间而进行影像显示。
DMD10被未图示的控制装置控制为与色轮4同步，按色轮4的各色光显示基于图像信号的图像，并且将从TIR棱镜9射入的光向投影透镜11的方向反射。在DMD10反射后的光线成为不满足TIR棱镜9的全反射角的角度，因此从TIR棱镜9透射，射入投影透镜11。另外，将从光源1射出后的、从反射器2透射TIR棱镜9为止的系统称为照明光学系统。
图2(C)是表示多重反射元件13的出射面的光分布31和DMD10面上的光分布100的图。在中继透镜5配置在多重反射元件13的附近的情况下，光分布31被放大为光分布100的倍率依赖于中继透镜12。当令中继透镜5与中继透镜12间的距离为A、令中继透镜12与中继透镜8间的距离为B时，放大倍率为B/A。
多重反射元件13的出射面的形状一般与DMD10面上的有效范围大致相似，作为中继透镜12，使用X轴方向与Y轴方向的曲率相同的透镜。因此，光分布31被放大为光分布100的倍率在X轴方向和Y轴方向均为B/A。
图2(D)是表示色轮4与阻碍时间(Spoke Time)的关系的图。由于色轮4配置在多重反射元件13的附近，所以多重反射元件13的出射面的光分布31几乎没有变化地投影于色轮4。色轮4的各色滤光片的边界(在图2(D)中，作为一个例子表示RG间)为了避免混色而遮断光(DMD10为关闭状态)。将该遮断的时间称为阻碍时间。在阻碍时间，出射光受到损失。
色轮4为了令阻碍时间最小而以使得各色滤光片的边界存在于与光分布的长度方向平行的位置的方式配置。但是，由于Y轴方向的光分布存在一定宽度，所以阻碍时间不得不一定程度地变大而损失光。为了减少阻碍时间，也考虑使多重反射元件13的出射面保持形状比率地变小，但是由于存在光的聚光密度变高、多重反射元件13的玻璃或蒸镀膜产生劣化的可能性，所以需要一定以上的出射面的大小。
接着，说明实施例。图1是实施例的投影型影像显示装置的组一部分结构图，图1(A)至(D)分别对应于图2(A)至(D)。图1与图2的主要的差异如下。
(1)多重反射元件3的长宽比大于DMD10的长宽比。即，当令多重反射元件3的出射面的X轴方向的长度为C’、Y轴方向的长度为D’、令DMD10的X轴方向的长度为E、Y轴方向的长度为F时，满足C’/D’＞E/F。或者，如果令多重反射元件3的出射面的面积为C’×D’为图2的多重反射元件13的出射面的面积C×D同等以上，则多重反射元件3的出射面的光密度成为图2的同等以下，多重反射元件3的玻璃或蒸镀膜不发生劣化。这样，在多重反射元件3内多次反射后的光线在多重反射元件3的出射面以比DMD10的长宽比大的长宽比射出。
(2)在中继透镜5与中继透镜8之间配置有柱面透镜6和柱面透镜7。中继透镜5为了防止从多重反射元件3射出的光的散射而将该光聚光于柱面透镜6。柱面透镜6和柱面透镜7将在多重反射元件3的出射面变得均匀的光分布分别在DMD10面上向X轴方向和Y轴方向放大，作为面板长宽比。
此处的柱面透镜是仅在一个轴方向具有曲率的透镜。柱面透镜6仅在Y轴方向具有曲率，柱面透镜7仅在X轴方向具有曲率。因此，与多重反射元件3的出射面相比向Y轴方向散射的光被柱面透镜6放大照射至DMD10面上，向X轴方向散射的光被柱面透镜7放大照射至DMD10面上。
在中继透镜5配置在多重反射元件3的附近的情况下，图1(C)中的多重反射元件3的出射面的光分布30放大为DMD10面上的光分布100的倍率，在令中继透镜5与柱面透镜7之间的距离为Ax、令柱面透镜7与中继透镜8之间的距离为Bx、令中继透镜5与柱面透镜6之间的距离为Ay、令柱面透镜6与中继透镜8之间的距离为By时，X轴方向的倍率为Bx/Ax，Y轴方向的倍率为By/Ay。
由于柱面透镜6与柱面透镜7相比位于多重反射元件3侧，所以Ax＞Ay，Bx＜By，By/Ay比Bx/Ax大。此处，多重反射元件3的出射面的长宽比与DMD10的长宽比相比成为在X轴方向长、在Y轴方向短的长宽比。因此，以小的倍率Bx/Ax将在X轴方向长的出射面的光放大，以大的倍率By/Ay将在Y轴方向短的出射面的光放大，由此，DMD10面上的光分布100成为与DMD10大致相似的形状。
在图1(D)，由于色轮4配置在多重反射元件3的附近，所以多重反射元件3的出射面的光分布30几乎没有变化地投影于色轮4。光分布30处于色轮4的颜色滤光片的边界时，为了关闭DMD10而产生光的损失，但是由于光分布30在X轴方向长、在Y轴方向短，所以能够使关闭光的阻碍时间短，能够减少光的损失。
在投影仪中，只要能够将光量损失改善3％，就能够在作为大众消费品市场(Volume Zone)的3000lm以上的级别将光束量改善100lm，能够使光束量的值上升一个等级。此处，对用于将阻碍时间引起的光量损失比图2降低3％的多重反射元件的出射面的长宽比进行说明。
当令色轮的弓形体(Segment)数为a、令关闭角度为θ时，阻碍时间引起的光量损失d以(数学式1)表示。
d＝(a×θ)÷360……(数学式1)
例如，当令色轮的弓形体数a为6、令关闭角度θ为一般的10°时，光量损失d为16.7％。因此，为了将光量损失改善约3％而成为13.7％，需要使关闭角度从图2的10°变为8.2°以下。
当令图2的关闭角度为θ、令图1的关闭角度为θ’、令从色轮4的中心至图1和图2中的光分布30和光分布31为止的最短距离为L时，光分布31的Y轴方向的长度D和光分布30的Y轴方向的长度D’分别以(数学式2)(数学式3)表示。
D＝2L×tan(θ/2)……(数学式2)
D’＝2L×tan(θ’/2)……(数学式3)
而且，如果为了防止多重反射元件3的寿命劣化而使光分布30与光分布31的面积相同，则(数学式4)成立。
C×D＝C’×D’……(数学式4)
在图2，光分布31与光分布100相似，因此(数学式5)成立。
C/D＝E/F……(数学式5)
图1的多重反射元件3的出射面的长宽比C’/D’使用(数学式2)至(数学式5)，以(数学式6)表示。
C’/D’＝(E/F)×[tan(θ/2)÷tan(θ’/2)]×[tan(θ/2)÷tan(θ’/2)]……(数学式6)
作为DMD的分辨率，例如具有XGA(1024×768)、WXGA(1280×800)、1080P(1920×1080)等，长宽比分别为4/3、16/10、16/9。DMD的长宽比主要分为这三种。因此，当对DMD的长宽比为4/3、16/10、16/9的情况下的多重反射元件3的出射面的长宽比C’/D’进行计算时，分别为1.99、2.38、2.65。因此，在DMD的长宽比为4/3、16/10、16/9的情况下，使C’/D’分别为1.99以上、2.38以上、2.65以上即可。
根据本实施方式，能够维持抑制混色的效果并通过缩短阻碍时间来减少照射光的损失，同时提高投影图像的颜色亮度。
另外，在本实施例中，使用两个柱面透镜，但是也可以使在射入和射出正交的柱面透镜为一个。并且，在一个面使用一个轴为平面的柱面透镜，也可以使用在一个面在X轴方向和Y轴方向具有曲率且各自的曲率不同的超环面透镜(Toroidal Lens)。
附图标记的说明
1…光源；2…反射镜；3、13…多重反射元件；4…色轮；5、8、12…中继透镜；6、7…柱面透镜；9…TIR棱镜；10…DMD；11…投影透镜；30、31、100…光分布。

Claims (3)

1.一种投影型影像显示装置，其特征在于，包括：
光源；
照明光学系统；
根据来自外部的输入信号对来自所述光源的光进行调制的影像显示元件；和
将所述影像显示元件调制后的光进行投影的投影光学系统，
所述照明光学系统包括：
使来自所述光源的光的分布均匀的多重反射元件；
将来自所述多重反射元件的光的颜色分解的色轮；和
将来自所述色轮的光放大的透镜，
所述多重反射元件的出射面的长宽比大于所述影像显示元件的长宽比，
当将与所述光的行进方向垂直的面上正交的两个轴分别定义为X轴、Y轴时，
所述透镜的X轴方向的曲率半径与Y轴方向的曲率半径不同，
所述透镜使来自所述色轮的光在Y轴方向和X轴方向上放大而与所述影像显示元件的尺寸匹配。
2.如权利要求1所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
所述多重反射元件的出射面的长宽比，在所述影像显示元件的长宽比为4/3的情况下为1.99以上，在所述影像显示元件的长宽比为16/10的情况下为2.38以上，在所述影像显示元件的长宽比为16/9的情况下为2.65以上。
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：
所述透镜是柱面透镜或超环面透镜。
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