CN104797977A - 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，能够减少装置内的光损失而高效率地显示图像，并且适于装置的低成本化。投影型影像显示装置包括：发射白色光的光源；使来自光源的光聚光并使其出射的柱状透镜；旋转式滤色片(4)，其配置在柱状透镜的出射面附近，使从柱状透镜的出射面出射的白色光中的特定颜色的光按规定顺序选择性地透射或反射；DMD(10)，其具有多个像素，根据图像信号调制入射光；照明光学器件(5、12、18)，其使从旋转式滤色片出射的光聚光来形成用于对DMD投射的照明光；投射透镜，其投射由DMD形成的图像；和控制装置，其进行控制使得旋转式滤色片的旋转与DMD进行的图像显示同步，旋转式滤色片的一部分形成利用来自柱状透镜的出射面的光的发光面，所述DMD配置成与旋转式滤色片上的所述发光面为实质上共轭的关系。

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
通过以下专利文献1，已知使来自光源的白色光聚光形成发光面、在该发光面附近配置旋转型滤色片、使从该滤色片的出射光聚光并使其对一片光调制元件入射、通过投射透镜将用该光调制元件形成的图像投射在屏幕上的投影型影像显示装置。即，因为可以用一片液晶面板得到与3片式同等的高分辨率的彩色图像，所以不需要在各面板上的像素上设置微小的滤色片，由此，能够提高液晶面板的成品率并降低装置的成本。而且，控制旋转型滤色片的旋转与液晶面板进行的图像显示同步的控制装置，与通过滤光镜的各色滤光镜之间的边界线同步地，使在滤光镜的旋转方向上多份分割设定的液晶面板的图像显示状态与关闭装置之间切换，从而防止在聚光点(发光面)跨邻接的滤色片之间的状态下发生混色。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4716528号
发明内容
发明要解决的课题
但是，上述专利文献1中公开的投影型影像显示装置，如以下所述，仍然留有提高参与本来的图像显示的光的比例(效率)的余地。
于是，本发明鉴于上述现有技术的投影型影像显示装置而得到，其目的在于提供一种投影型影像显示装置，其能够进一步减少该装置内的光损失，由此能够更高效地显示图像而降低装置成本。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，根据本发明，提供一种投影型影像显示装置，其包括：发射白色光的光源；使来自所述光源的光聚光并使其出射的聚光光学元件；旋转式滤色片，其配置在所述聚光光学元件的出射面附近，具有用于使从所述聚光光学元件的出射面出射的白色光中的特定颜色的光按规定顺序选择性地透射或反射的多种滤色片；光调制元件，其具有多个像素，根据图像信号调制入射光来进行图像显示；照明光学器件，其使从所述旋转式滤色片出射的光聚光来形成用于对所述光调制元件投射的照明光；投射由所述光调制元件形成的图像的投射透镜；和控制装置，其进行控制使得所述旋转式滤色片的旋转与所述光调制元件进行的图像显示同步，在所述旋转式滤色片的一部分形成利用来自所述聚光光学元件的出射面的光的发光面，所述照明光学器件配置成与所述旋转式滤色片上的所述发光面为实质上共轭的关系。
发明效果
根据上述本发明，能够提供一种投影型影像显示装置，其能够进一步减少该装置内的光损失，由此能够更高效地显示图像而降低装置成本。
附图说明
图1是表示投影型影像显示装置的主要部分结构的一例的顶面和侧面图。
图2是说明投影型影像显示装置中的色轮与DMD轮辐时间的关系的图。
图3是用来说明用于减少轮辐时间的原理的图。
图4是用于说明减少投影型影像显示装置中的色轮上的红外成分光的反射的原理的图。
图5是说明投影型影像显示装置中的照明光学器件的设计方法的图。
具体实施方式
以下，对于本发明的一个实施方式，参考附图详细说明。其中以下各图中，对于相同部分附加相同符号，而且在以下说明中，对于已经说明的部分，为了避免重复，而省略其说明。
首先，图1是表示本发明的一个实施方式的投影型影像显示装置的主要部分结构的一例的顶面图(图1(A))和侧面图(图1(B))，此处，在各图中，引入局部右手直角坐标系。即，图1(A)中，设多重反射元件(柱状透镜)的长度方向为Z轴，在与该Z轴正交的面内与纸面平行的轴为X轴，且从该纸面的背面朝向正面的轴为Y轴。此外，图1(B)中，设与上述Z轴正交的面内与上述纸面平行的轴为Y轴，且从该纸面正面朝向背面的轴为X轴。即，图1(A)是对投影型影像显示装置从Y轴方向观察的顶面图，且图1(B)是对投影型影像显示装置从X轴方向观察的侧面图。
这些图中，放电灯1和反射镜2构成用于发射白色光的光源。其中，放电灯1例如能够使用超高压汞灯等。即，超高压汞灯效率良好地发射白色光，并且其亮度非常高，其发射光能够用聚光性能优秀的反射镜2的镜面效率良好地聚光。更具体而言，该反射镜2由使具有第一焦点(短焦点)和第二焦点(长焦点)的椭圆(半圆)旋转而成的椭圆旋转面构成，在其内表面，形成有使红外线透射并且使可见光效率良好地反射的介电体的多层膜，在从配置在第一焦点(短焦点)的放电灯1发出的光中，使可见光成分向第二焦点(长焦点)反射。
此外，在上述光源的Z轴方向的后方，配置有作为聚光光学元件的多重反射元件(柱状透镜)13，从上述放电灯1射出的光，被反射镜2捕获、聚光，对多重反射元件(柱状透镜)13入射。该多重反射元件13例如由玻璃的四棱柱、或者将4片反射镜贴合而成的中空的元件构成，其入射面(图中左端部)配置在上述椭圆面镜2的第二焦点(长焦点)、即被反射镜反射后的可见光成分聚光的位置附近，并且其射出面成X轴方向上较长、Y轴方向上较短的形状，其纵横比设定为与以下所述的光调制元件即DMD10的纵横比相同。即，设多重反射元件13的射出面的X轴方向的长度为“C”、Y轴方向的长度为“D”，设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。由此，在多重反射元件13内多次反射后的光线，在其射出面成为与DMD10相似且均匀强度的光分布。
在多重反射元件13的出射面附近配置有旋转式的滤色片即色轮4。该色轮4是在圆周(旋转)方向上依次配置分别仅使R(红)、G(绿)、B(蓝)、C(青)、Y(黄)、W(白)光透射的6种扇形的透射型的滤色片而构成，并且能够进行其旋转控制的圆盘状的滤色片。此外，该色轮4也能够用由R(红)、G(绿)、B(蓝)组成的3种滤色片代替上述6种滤色片实现，但为了改善亮度，优选采用使用了上述6色滤色片的色轮4。
通过使上述色轮4旋转，从光源出射的白色光按时间顺序被分解为6色(R(红)、G(绿)、B(蓝)、C(青)、Y(黄)、W(白))光。之后，从该色轮4射出的光，对构成使该射出光聚光的照明光学器件的中继透镜5、12、8、进而经由TIR棱镜9对DMD10照射。
此处，对于上述构成照明光学器件的中继透镜5、12、8的作用进行说明，首先，中继透镜5通过使从多重反射元件(柱状透镜)13射出并透过色轮4之后的光对中继透镜12聚光，而起到防止光发散的作用。中继透镜12起到使在色轮4的射出面变得均匀的光分布扩大至DMD10的面上的作用。中继透镜8具有使来自上述中继透镜12的光变为大致平行的作用。然后，TIR棱镜9使入射的光全反射，由此导向DMD10。
此处，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，各个反射镜的倾斜可以取打开(ON)状态和关闭(OFF)状态这2种状态。对该DMD10照射照明光的情况下，打开状态的微小反射镜使照明光向投影透镜11反射(以下称为“打开光”)，关闭状态的微小反射镜使照明光向投影透镜11外反射(以下称为“关闭光”)。即，仅有打开光经由投影透镜11被放大投影在例如屏幕等上。
此外，DMD10的各个微小反射镜与投影图像的最小构成元素(像素)对应，与打开状态的微小反射镜对应的像素被投影为白色，与关闭状态的微小反射镜对应的像素被投影为黑色。此外，通过使打开状态的时间变化，能够使投射的影像具有灰度等级。即，通过控制各微小反射镜的打开状态的时间来进行影像显示。
该DMD10通过图中符号100所示的控制装置(例如由微控制器和存储器构成)而与上述色轮4的旋转保持同步，由此，对于色轮4的各色光基于图像信号显示图像，并且使从TIR棱镜9入射的光向投影透镜11的方向反射。即，用DMD10反射后的光线，成为不满足TIR棱镜9的全反射角的角度，所以透过TIR棱镜9，对投影透镜11入射。其中，此处，将光从色轮4射出之后、透过TIR棱镜9直到到达DMD10的表面的光学系统，称为照明光学系统。
接着，对于上述色轮4与DMD10中的轮辐时间(spoke time)的关系，参考图2进行说明。
图2是表示多重反射元件(柱状透镜)13的射出面上的光分布31、与色轮4的面上的光分布31的图。即，多重反射元件(柱状透镜)13的射出面上的光分布31，是X轴方向＝C、Y轴方向＝D，而且在色轮4的面上等倍投影为光分布31’，成为X轴方向＝C’，Y轴方向＝D’(C’/D’＝C/D)。换言之，多重反射元件13的射出面的形状保持原样地被投影在多重反射元件13的附近配置的色轮4的面上，成为相似形。
另一方面，在色轮4的各色滤光镜的边界(图2中作为一例仅表示了RG之间)，为了避免上述光分布31’跨该边界投射而混色，而屏蔽光(具体而言，使DMD10成为关闭状态)。该屏蔽的时间称为轮辐时间，在轮辐时间中，出射光成为损失，需要使该轮辐时间最小。
为了减少轮辐时间，例如，如图3(A)所示，在从多重反射元件(柱状透镜)13出射的光的色轮4面上的光分布31’中，在旋转的轮4的各色滤光镜之间的边界BL的移动方向(图例中如箭头所示向上方移动)分割为多个矩形区域(本例中为3个区域31’-1、31’-2、31’-3)，而且使与这些区域对应的DMD10的微小反射镜成为关闭状态(本例中区域31’-2是关闭状态)，同时对于其他区域，与各色光对应地将投影图像的最小构成元素(像素)控制为打开或关闭状态。其中，因为边界BL旋转(移动)，所以该边界BL(点划线)存在于31’-1内时，使该区域31’-1的所有像素成为关闭状态，同时其他区域31’-2、31’-3的像素与投影图像相应地控制为打开或关闭状态。此外，边界BL(点划线)存在于区域31’-3内时，使该区域31’-3的所有像素成为关闭状态，同时其他区域31’-1、31’-2像素与投影图像相应地控制为打开或关闭状态。由此，能够减少轮辐时间，能够减少轮辐时间引起的光损失。
其中，以上说明中，对于将色轮4面上的光分布31’分为3个区域的情况进行了说明，但本领域技术人员可知能够通过分割为更多的区域，而进一步减少轮辐时间，能够进一步减少轮辐时间引起的光损失。而且，如图3(B)所示，如果与滤色片之间的边界BL的移动配合来使DMD10的微小反射镜成为关闭状态，则能够使轮辐时间最小。此外，此时，DMD10上的夹着成为关闭状态的微小反射镜(线状排列)而上下分割的区域的像素，与投影图像相应地控制为打开或关闭状态。此外，减少上述DMD10中的轮辐时间的动作，由上述控制装置100基于预先保存在存储器内的软件执行。
接着，对于上述投影型影像显示装置中的用于进一步减少光损失的结构进行说明。
附图4表示用于防止从多重反射元件(柱状透镜)13出射的光的一部分在色轮4的面上反射的结构。此处，如上所述，放电灯1一般采用例如超高压汞灯等高效率地发射白色光的灯，但从多重反射元件(柱状透镜)13出射的光的一部分、特别是红外成分光在色轮4上反射时，该反射光再次返回多重反射元件(柱状透镜)13内，在其内部传播而到达放电灯1，使该放电灯1的温度上升，使灯的寿命缩短。
于是，为了减少该色轮4上的红外成分光的反射，如图4(A)所示，使光从多重反射元件(柱状透镜)13向色轮4的表面上的投射角度，从垂直倾斜微小角度(α)，由此使色轮4上的反射光不会再次返回多重反射元件(柱状透镜)13内。
或者，如图4(B)所示，使多重反射元件(柱状透镜)13的射出口相对于色轮4的表面倾斜微小角度(α)。由此，也可以与上述实施例同样地，使色轮4上的反射光不会再次返回多重反射元件(柱状透镜)13内，由此防止该放电灯1的温度上升，实现灯的长寿命化。其中，关于上述倾斜角度(α)，通过各种试验，可知确认了设定为1～10度可以得到要求的效果，此外也考虑因光向外部漏出而使光的利用效率降低，特别优选设定为1～3度。
接着，对于构成光从色轮4射出之后、透过TIR棱镜9直到到达DMD10的表面的光学系统、即照明光学系统的照明光学器件，与包括其配置关系的设计方法一同在以下详细说明。其中，照明光学器件在本实施例中，如上所述包括多个中继透镜5、12、8而构成。
此外，此处为了本发明的理解，首先说明现有技术中的问题点。即，现有技术的投影型影像显示装置中，空间调制元件(本实施例中对应于DMD10)配置为与发光面实质上共轭的关系，在其之间设置有使从旋转性滤色片出射的光聚光并使其照射空间调制元件的照明光学器件。此外，该发光面，指的是构成上述空间调制元件的玻璃杆中的与光入射相反一侧的出射面。
但是，根据本发明的发明人等的研究，投影型影像显示装置中采用该设计方法的情况下，从构成空间调制元件的玻璃杆的出射面射出的光，被投射在其附近配置的旋转型滤色片(本实施例中为色轮4)上，结果，在旋转型滤色片的与入射面相反一侧的面形成发光面。因此，玻璃杆的出射面与旋转型滤色片非常接近地配置的情况下，玻璃杆的出射面与在旋转型滤色片的与入射面相反一侧的面形成的发光面一致。
但是，考虑玻璃杆的出射面与旋转型滤色片的接触的情况下，需要在其之间设置一定程度的间隙，该情况下，如上所述，玻璃杆的发光面(即出射面)与旋转型滤色片上的发光面变得不一致。进而，如上所述，特别是为了减少在色轮4上反射的红外成分光返回放电灯1，而使多重反射元件(柱状透镜)13的射出口相对于色轮4的表面倾斜微小角度(α)的情况(参考图4(A))，或者使多重反射元件(柱状透镜)13的射出口相对于色轮4的表面倾斜微小角度(α)的情况(参考图4(B))下，多重反射元件(柱状透镜)13的射出口(即发光面)与色轮4的表面上的发光面，在其大小和形状上有微小的变化。但是，因为该微小变化，用之后的照明光学系统(即包括多个中继透镜5、12、8和TIR棱镜9)投射在空间调制元件即DMD10上的发光面的放大像，与该DMD10的有效的光调制面(即能够在其上进行光调制的最大的面)变得不一致，这会导致光的利用效率降低。
于是，对于本发明的投影型影像显示装置中的照明光学器件的设计方法，在以下参考图5(A)和(B)详细说明。
如上所述，从包括放电灯1的光源发射并通过多重反射元件(柱状透镜)13、从其射出口出射的光被投射在色轮4上，在与入射面相反一侧的面形成发光面31’(X轴方向＝C’，Y轴方向＝D’(C’/D’＝C/D))。于是，以该色轮4上的发光面31’为基准设计作为上述照明光学器件的多个中继透镜5、12、8。即，DMD10配置为与该色轮4上的发光面31’成实质上共轭的关系。换言之，对于DMD10的有效的光调制面(Y轴方向＝F，Z轴方向＝E)，满足C’/D’＝E/F的关系。
根据该设计方法，能够使色轮4上的发光面31’与DMD10上的有效的光调制面可靠地一致，能够进一步提高投影型影像显示装置中的光的利用效率，进而，在采用上述图4(A)和(B)所示的减少色轮4上的红外成分光的反射的结构的情况下，也能够进一步提高光的利用效率。
以上详细说明的本发明的实施方式的投影型影像显示装置中，作为用于用来自色轮4的各色光形成要求的图像的光调制元件的一例，对于采用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所谓反射型光调制元件即DMD的结构进行了说明，但本发明不限定于此，例如也能够使用强介电性液晶的切换打开/关闭这2种状态的双稳态元件的液晶面板，此外，在该情况下，不需要构成照明光学系统的一部分的TIR棱镜9。另外，上述投影型影像显示装置中，作为旋转式的滤色片即色轮4，说明了由多个透射型的滤色片构成，但本发明不限定于此，也能够改为使用例如反射型的滤色片。
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，并不限定于必须具备说明的所有结构。此外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，或者在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。此外，对于各实施例的结构的一部分，能够追加其他结构、将其删除、置换。
符号说明
1…放电灯；2…反射镜；4…色轮；5、8、12…中继透镜，9…TIR棱镜；10…DMD；11…投影透镜；13…多重反射元件(柱状透镜)；100…控制装置；31’…发光面。

Claims (7)

1.一种投影型影像显示装置，其特征在于，包括：
发射白色光的光源；
使来自所述光源的光聚光并使其出射的聚光光学元件；
旋转式滤色片，其配置在所述聚光光学元件的出射面附近，具有用于使从所述聚光光学元件的出射面出射的白色光中的特定颜色的光按规定顺序选择性地透射或反射的多种滤色片；
光调制元件，其具有多个像素，根据图像信号调制入射光来进行图像显示；
照明光学器件，其使从所述旋转式滤色片出射的光聚光来形成用于对所述光调制元件投射的照明光；
投射由所述光调制元件形成的图像的投射透镜；和
控制装置，其进行控制使得所述旋转式滤色片的旋转与所述光调制元件进行的图像显示同步，
在所述旋转式滤色片的一部分形成利用来自所述聚光光学元件的出射面的光的发光面，
所述照明光学器件配置成与所述旋转式滤色片上的所述发光面为实质上共轭的关系。
2.如权利要求1所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
所述聚光光学元件采用从该聚光光学元件出射的光的一部分难以被所述旋转式滤色片反射而返回的结构。
3.如权利要求2所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
所述聚光光学元件配置成其光轴相对于来自所述旋转式滤色片的面的垂线略微倾斜。
4.如权利要求2所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
所述聚光光学元件的出射面配置成相对于所述旋转式滤色片的面略微倾斜。
5.如权利要求3或4所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
所述略微倾斜的角度被设定在1～10度的范围内。
6.如权利要求5所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
所述略微倾斜的角度被设定在1～3度的范围内。
7.如权利要求2所述的投影型影像显示装置，其特征在于：
所述控制装置，与所述旋转式滤色片的各滤色片之间的边界在所述发光面上移动的位置对应地控制所述光调制元件的多个像素中的一部分，来减少各滤色片之间的混色。
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