CN105159014B - 投射型影像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及投射型影像显示装置。当前在投射型影像显示装置的投射光学系统的投射系反射镜中使用自由曲面反射镜，但是希望使用设计以及制造都容易的平面反射镜。本发明的投射型影像显示装置中，投射光学系统包括多个透镜，且对于配置在最接近投射面的位置的透镜，使在光束所通过的影像垂直方向有效区域配置在不包括上述多个透镜的光轴中由最多的透镜所共有的光轴的位置，使得来自投射系反射镜的反射光不会返回到投射器本体，在正交棱镜的出射面上设置1/4波长板等偏光变换部，减少由颜色引起的反射率的差异，防止发生颜色不均。

Description

投射型影像显示装置
本申请是申请日为2010年6月1日、申请号为201010193945.1的同名发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及投射型影像显示装置，特别是涉及在投射系统反射镜中使用了平面反射镜的颜色不均少的投射型影像显示装置。
背景技术
在以液晶投影仪为代表的投射型影像显示装置中，在作为色合成部使用的正交棱镜(cross prisms)中，在其处理过程中，有时发生由P偏光与S偏光中的反射率(透射率)差引起的颜色不均，关于其对策，公开在专利文献1、专利文献2中。另外，关于投射光学系统，在专利文献3中公开了关于对像面的入射角度的记载。
专利文献1指出在透射型屏幕固有的偏光特性(菲涅尔透镜)与入射光的偏光状态的组合中发生颜色不均，并公开了通过配置相位差5000nm的相位板使得虚拟地成为无偏光状态，改善颜色不均的方法。
专利文献2指出在提示器(prompter)(观察装置)中使用的45度配置的半反射镜中的反射率差在波长550nm上为大致17％(＝S偏光大致22％－P偏光大致5％)，发生颜色不均，并公开了配置波长板改善颜色不均的方法。
专利文献3作为缩短投射距离的超广角投射光学系统，公开了对于像面从斜方投射的斜投射方式的投射光学系统。
专利文献
[专利文献1]日本专利特开2005－321544号公报
[专利文献2]日本专利特开2004－133112号公报
[专利文献3]日本专利特开2006－292901号公报
发明内容
在现有的投射型影像显示装置中，在投射系反射镜中使用了自由曲面反射镜。自由曲面反射镜与平面反射镜相比较，设计或者制造都很困难，成本也易于升高。尽管如此，使用自由曲面反射镜的理由主要是以下两个。一个理由是，在平面反射镜的情况下，难以设计反射光的一部分没有返回到投射器本体那样的光学系统。另一个理由是，在特别大型的像面(屏幕等)上映出图像的情况下，有时投射光对投射系反射镜的入射角增大。在对反射镜的入射角大的情况下，易于发生上述的由P偏光与S偏光中的反射率差引起的颜色不均，存在对映出的图像画质产生不良影响的问题。
本发明的目的是解决这些问题，提供在投射系反射镜中使用了平面反射镜的颜色不均少的投射型影像显示装置。
用于解决课题的方法
为了达到上述目的，本发明的投射型影像显示装置将在影像显示面上显示的影像放大投射到外部的像面上而进行显示，特征是具备，对与三原色光的各个对应的影像进行显示的影像显示元件；对该影像显示元件进行照明的照明光学系统；对来自所述影像显示元件的光进行色合成的色合成部；对来自所述色合成部的光进行偏光变换的偏光变换部；将从所述偏光变换部供给的光以规定的倾斜角度向斜方向出射的投射光学系统；和将来自所述投射光学系统的光向投射的方向反射的平面反射镜。
依据本发明，能够提供在投射系反射镜中使用了平面反射镜的颜色不均少的投射型影像显示装置，具有能够对画质的改善做出贡献的效果。
附图说明
图1表示P偏光和S偏光的入射角与反射率的关系。
图2A是从现有的投射光学系统的一个截面观看的框图。
图2B是从现有的投射光学系统的另一个截面观看的框图。
图3是表示向垂直面的影像显示中的颜色不均的概观图。
图4是表示向水平面的影像显示中的颜色不均的概观图。
图5是本发明一个实施例中的倾斜投射光学系统的投射透镜的截面图。
图6是表示本发明一个实施例中的倾斜投射光学系统的透镜结构与光线轨迹结果的截面图。
图7A是从本发明一个实施例中的投射光学系统的一个截面观看的框图。
图7B是从本发明一个实施例中的投射光学系统的另一个截面观看的框图。
图8表示本发明一个实施例中的向水平面的影像显示中的偏光状态。
图9A表示1/4波长板的偏光变换作用。
图9B表示1/2波长板的偏光变换作用。
图9C表示色选择偏光旋转元件的偏光变换作用。
图10表示投射型反射镜中的入射角与反射率的关系。
图11A是表示1/4波长板对反射率的影响的第1图。
图11B是表示1/4波长板对反射率的影响的第2图。
图11C是表示1/4波长板对反射率的影响的第3图。
图12是本发明一个实施例中的照明光学系统的框图。
符号说明
1：投射光学系统 2R、2G、2B：影像显示元件
3：正交棱镜 4：偏光变换部
11：折射系透镜 12、12A：投射系反射镜
20：投射型影像显示装置
30：像面 101：光源单元
具体实施方式
以下，叙述色合成和颜色不均，并使用图说明本发明的实施方式。
在投射型影像显示装置中的色合成部或者作为色合成部的正交棱镜(crossprisms)中，以P偏光入射透射光，以S偏光入射反射光，能够进行色合成。首先，使用图1、图2A和图2B说明其理由。
图1表示P偏光和S偏光的入射角与反射率的关系，表示了从空气中向透明介质以某个角度分别入射的P偏光、S偏光时的反射率。使用空气中的入射角α(图中的横轴)和介质(折射率N)中的折射角β，P偏光的反射率RP以及S偏光的反射率RS(图中的纵轴)用公式1决定。
RP＝{tan(α－β)/tan(α+β)}2
RS＝{sin(α－β)/sin(α+β)}2……(公式1)
S偏光与P偏光相比较反射率大，在介质的折射率N(＝sinα/sinβ)为1.5(相当于玻璃等)时的图1表示的计算结果中，P偏光入射角大致是55度，反射率几乎成为0％。将该P偏光的反射率成为0％的角度称为布儒斯特角。在该布儒斯特角中，对于自然光，通过以规定的角度配置平板，能够仅反射S偏光，全部透过P偏光。另外，在入射角度α＝0度的情况下，没有由偏光产生的差异，成为反射率＝{(N－1)/(N+1)}2＝4％。
接着，使用图2A和图2B，说明具有作为投射系反射镜的自由曲面反射镜的投射光学系统与正交棱镜的配置关系。图2A是从现有的投射光学系统的一个截面(XZ截面)观看的框图，图2B是从现有的投射光学系统的另一个截面(YZ截面)观看的框图。图中表示XYZ轴的方向。
在图2A以及图2B中，从影像显示元件2R出射的红色光、从影像显示元件2G出射的绿色光、从影像显示元件2B出射的蓝色光由在内部十字形地包含分色膜的正交棱镜3进行色合成。色合成了的红色光、绿色光、蓝色光在折射系透镜11中受到折射作用，而且，在作为投射系反射镜12的自由曲面反射镜中受到反射作用，向像面30投射。
这里，在对三种颜色的色光进行合成的正交棱镜3中，对于一种颜色具有透射作用，对于其余的两种颜色具有反射作用。从而，如果将图1的结果适用到图2A的影像显示元件2R、2G、2B的配置中，则可知最好使红色为S偏光，使绿色为P偏光，使蓝色为S偏光进行色合成。
在该正交棱镜3中，十字形的分色面的法线存在于XZ平面内，而投射系反射镜12与像面30的法线存在于YZ平面内。从而，如图2B所示，在正交棱镜3中作为S偏光的红色光和蓝色光在投射系反射镜12和像面30上成为P偏光，反之，在正交棱镜3中作为P偏光的绿色光在投射系反射镜12和像面30上成为S偏光。
接着，使用图3和图4说明在由投射系反射镜12反射映出到像面30的影像中发生颜色不均的理由。图3是表示向垂直面的影像显示中的颜色不均的概观图，图4是表示向水平面的影像显示中的颜色不均的概观图。
如图3所示，在桌面40上水平配置的投射型影像显示装置20中，在向壁面50等垂直面投射影像的情况下，由于入射角度大的影像光的正反射光(图中的L3)朝向顶棚60反射，因此观察者不会观察到其反射光。大致正对像面的观察者看到的影像光(图中的L1和L2)由于是在壁面50上漫反射后的光，因此红色、绿色、蓝色都几乎观察到无偏光状态的影像光，从而，没有各颜色中的反射率差，不会观察到颜色不均。
但是，如图4所示，在桌面40上垂直配置的投射型影像显示装置20时，在向桌面40的表面投射影像的情况下，观察者有可能看到入射角度大的影像光的正反射光(图中的L3)。如后述那样，在入射到像面30的光的入射角大到例如70度等的情况下，P偏光与S偏光在反射率中存在很大的差异，S偏光较大。从而，在像面30，作为S偏光的绿色的反射率大，观察到发生了绿色的颜色不均的影像光。
以下，详细地叙述本发明的实施方式。
首先，在本实施例中，在反射光学系统的投射系反射镜中，通过不是使用现有的自由曲面反射镜，而是使用平面反射镜，容易进行投射系反射镜的设计或者制造。由此，还能够同时实现降低价格。为了使用平面反射镜，在本实施例中，必须解决如下问题，即：如上所述反射光的一部分不返回投射器本体的光学系统的设计很困难，以及向投射系反射镜的入射角大，由P偏光与S偏光的反射率差引起的颜色不均进一步增大。
在本实施例中，在前面表示的折射系透镜11中适用以下记述的倾斜投射型的光学系统。通过对投射系反射镜倾斜投射进行色合成后的红色光、绿色光、蓝色光实现反射光的一部分不返回投射器本体的光学系统。使用图5和图6说明该系统。图5是本发明一个实施例中的倾斜投射光学系统的投射透镜的截面图，图6是表示本发明一个实施例中的倾斜投射光学系统的透镜结构与光线轨迹结果的截面。各个图都与图2B相同，用YZ截面表示。
图5中为了说明投射光学系统的方便，表示为影像显示元件2G和正交棱镜3位于右侧，投射面位于左侧。
由多个透镜(例如L1～L16)共有的光轴110，与影像显示元件2G和正交棱镜3的中心轴100相互在Y轴方向错开，从正交棱镜3向透镜L1入射的光的大部分从透镜L1的下半部分入射。
配置在最接近投射面的位置上的透镜L17例如是塑料的非球面透镜形状，通过使影像光束所通过的透镜的有效区域配置在不包括由构成倾斜光学系统的多个透镜所共有的光轴110的位置，而能够以L17的透镜形状单独控制在画面周边处成像的光束，能够实现修正由倾斜投射发生的梯形畸变或者伴随超广角的像差(特别是高次的彗形像差或者非点像差)。另外，通过使L17的透镜形状成为与影像显示面有效区域的纵横比(宽高比)几乎相等的长方形，或者与影像光束通过的区域相一致的梯形形状，还有遮挡使成像性能下降的无用光的效果。进而，通过使上述的L17的外形形状不成为相对光轴110对称的圆形，能够实现小型化，其结果，即使将本实施例的倾斜投射光学系统收纳到投射型影像显示装置的箱体内的情况下，也能够将L17的外形收纳到与投射面相对的面的画面垂直方向最大宽度内，并且通过上述的L17的外形中心位于箱体的与投射反射镜相对的面的中心线的上方，外观上的平衡良好，能够大幅度提高设计性。
即，在本实施例中使用的投射光学系统包括多个透镜，形成倾斜投射光学系统，至少对于配置在最接近投射面的透镜(L17)，使光束所通过的影像垂直方向有效区域配置在不包括上述多个透镜的光轴中由最多透镜(例如L1～L16)所共有的光轴的位置上。
另外，在图5中，仅使透镜L17形状成为与影像显示面有效区域的纵横比(宽高比)几乎相等的长方形状或者与影像光束通过的区域相一致的梯形形状(在该图中图示截面形状)，但是，在实现本实施例的倾斜投射光学系统的透镜结构中，如在后面的图6中表示的那样，由于关于L14、L15等的透镜也存在影像光束不通过的区域，因此如果除去该区域确定透镜外形形状，则相对于光轴对称的现有的透镜外形形状能够实现小型化，在具备该光学系统的投射型影像显示装置的小型化或者轻量化方面是有效的。
另一方面，L3和L11也是塑料制的非球面透镜，由于各个透镜，使影像光束所通过的有效区域配置在包括由构成倾斜投射光学系统的多个透镜共有的光轴110的位置上，因此相对于光轴110成为对称的非球面形。用于实现本实施例的倾斜投射光学系统的投射透镜是玻璃14片，塑料3片的17片结构，由4部件(B1、B2、B3、B4)构成的透镜镜筒保持固定。另外，在变更投射距离使放大率变化的情况下，通过使相对于上述镜筒B3的镜筒B4的相对位置变化，能够进行焦点调整。
图6对于具有与图5表示的实施例同样作用的倾斜投射透镜系统，表示了光线轨迹结果。这里，透镜包括L1～L16。从影像显示元件2G经过正交棱镜3，倾斜投射透镜系统的透镜L1的大部分入射到下半部分，入射光相对于光轴110向上侧偏移，例如在透镜L14、L15、L16中行进而仅通过透镜的上半部分。从而，如上所述，透镜L14、L15、L16也可以仅具有光轴110的上部的部分。
如图6所示，从透镜L16出射的光束由于在图中向上方向很大地倾斜出射，因此防止上述那样的来自投射系反射镜的反射光返回到投射器本体。
众所周知，在现有的投射光学系统中，由于投射光以由多个透镜共有的光轴为中心向正面出射，因此如果投射系反射镜是平面反射镜，则存在其一部分返回到投射器本体的问题。对此，在本实施例中通过使用上述的倾斜投射光学系统，能够使投射系反射镜成为平面反射镜。进而，能够实现使装置小型化和轻量化的效果。
接着，使用图7A、图7B、图8～图11说明在本实施例中，解决对投射系反射镜的入射角增大，因P偏光与S偏光中的反射率差而引起的颜色不均进一步增大的问题的方法。
图7A是从本发明一个实施例中的投射光学系统的一个截面(XZ截面)观看的框图，图7B是从本发明一个实施例中的投射光学系统的另一个截面(YZ截面)观看的框图。XYZ轴的方向如图所示。
图7A和图7B省略后述的照明光学系统，是说明从影像显示元件2到像面30的偏光状态的基本结构图。透过了各色用的影像显示元件2R、2G、2B的影像光由正交棱镜3进行了色合成以后，通过由折射系透镜11和投射系反射镜12A构成的投射光学系统1放大投射到像面30上。另外，本实施例中，特征是投射系反射镜12A如上所述是平面反射镜。
如上所述，透过了绿色光用的影像显示元件2G的绿色光由于透过作为色合成部的正交棱镜3，因此优选绿色光对于正交棱镜3成为P偏光。透过了红色光用的影像显示元件2R的红色光和透过了蓝色光用的影像显示元件2B的蓝色光由于被正交棱镜3反射，因此对于正交棱镜3，优选红色光和蓝色光成为S偏光。另外，对于正交棱镜3的P偏光对于投射系反射镜12和像面30成为S偏光，对于正交棱镜3的S偏光对于投射系反射镜12和像面30成为P偏光。
在该结构中，特征是在正交棱镜3的出射面上配置作为偏光变换部4的1/4波长板，能够使原本是P偏光的绿色光、S偏光的红色光和蓝色光分别成为圆偏光投射到像面30上。
图8表示本发明一个实施例中的向水平面的影像显示中的偏光状态。这里，关于投射型影像显示装置20表示经过构造体21垂直纵置，以桌面等水平面作为像面30投射时的情况。另外，构造体21既可以是与投射型影像显示装置20一体的构造，也可以是在其它部件中安装的构造。
反射光中，LI1由于成为漫反射光，因此根本不发生由各色光的偏光状态引起的颜色不均。LI2除去漫反射光以外还存在正反射光的成分，但是由于入射角度小，因此即使假设各色光的偏振状态不同，颜色不均也不成问题。最后，LI3由于正反射光的成分多，因此如果在各色光中偏光状态不同，则因像面30上的反射率差而发生颜色不均，而如在前面表示的那样，通过在正交棱镜3的出射面上配置作为偏光变换部4的1/4波长板，预先将各色光分别变换成圆偏光，几乎没有由R色光、G色光、B色光的入射角度引起的反射率差，对于LI3的反射光也不发生颜色不均。
接着，使用图9A详细说明由1/4波长板产生的各色光的偏光变换作用。图9A对于从正交棱镜3出射的第1线偏光和与其正交的第2线偏光(P偏光和S偏光)的各个偏光轴，通过在倾斜45度方向配置具有偏光轴的1/4波长板4a，将第1线偏光和第2线偏光变换为圆偏光。从第1线偏光变换了的圆偏光和第2线偏光变换了的圆偏光严格地讲成为旋转方向分别不同的圆偏光，但是由于像面30上的各色光的反射率相同，因此不会检测出颜色不均。
其次，使用图9B详细说明作为偏光变换部4代替1/4波长板，使用1/2波长板时的各色光的偏光变换作用。在图8的光线图中，使用了1/4波长板时，透过偏光变换部4后的各色光成为圆偏光，而在使用了1/2波长板时，各色光成为振动方向45度和－45度的两种线偏光。即，对于由像面30的法线和包括入射光线的平面定义的入射面，倾斜了45度的振动方向的线偏光二分成P偏光和S偏光的矢量成分。同样，关于倾斜了－45度的振动方向的线偏光也二分成S偏光和P偏振的矢量成分。从而，其结果各色光的偏光状态成为相同。
图9B中，对于从正交棱镜3出射的第1线偏光和与其正交的第2线偏光(P偏光和S偏光)，通过对第1线偏光沿着倾斜67.5度方向配置有偏光轴的1/2波长板4b，第1线偏光变换成振动轴旋转了135度的第11线偏光。该位置关系对于第2线偏光，由于成为在22.5度方向有偏光轴的1/2波长板，因此第2线偏光变换成振动轴旋转了45度的第12线偏光。从而，由于像面30上的各色光的反射率相同，因此不会检测出颜色不均。
接着，使用图9C对于作为偏光变换部4，使用色选择偏光旋转元件时的各色光的偏光变换作用进行说明。色选择偏光旋转元件4c使特定色光(波长带)的可见光的偏光方向选择性地旋转90度。即，对于特定波长带的可见光，选择性地起到λ/2板的作用。图9C是对于波长带大致500～600nm的G色光选择性地进行偏光旋转，对其它波长带的B射光和R色光不进行偏光旋转的情况。图7A的情况下，由于G色光以P偏光状态入射到色选择偏光元件，因此通过元件以后变换成S偏光状态。另一方面，B色光和R色光以S偏光状态入射，即使通过元件也保持原状态不变。其结果，通过了色选择偏光旋转元件4c的各色光(R色光、G色光、B色光)全部成为S偏光状态。从而，由于像面30上的各色光的反射率相同，因此不会检测出颜色不均。另外，在通过色选择偏光旋转元件使各色光(R色光、G色光、B色光)全部成为P偏光状态的情况下，当然也能抑制颜色不均。
图10对于P偏光和S偏光，表示了用铝形成了投射系反射镜时的入射光的入射角(横轴)与反射率(纵轴)的关系。
入射角度为45度时，S偏光与P偏光的反射率的差仅是6％，而在入射角度为55度时，差成为10％，进而，在入射角度为70度时，反射率的差是18％。在没有使用本实施例这样的偏光变换部4的情况下，仅是P偏光与S偏光的反射率差也发生颜色不均。
在现有的使用了自由曲面反射镜的投射系反射镜中，能够使入射角最大部分的入射角例如成为46度左右，而在相同的投射条件下，在使用了平面反射镜的情况下，最大成为66度左右。从而可知，本实施例中表示的偏光变换部4在使用平面反射镜方面是重要的结构要素。
其次，在图11A、图11B、图11C中，用实测数据表示有无1/4波长板产生的反射率差。图11A是入射角60度，图11B是入射角45度，图11C是入射角30度的情况。图的纵轴是反射率。图的横轴是入射光的波长，原本作为S偏光的蓝色光是400nm级别，原本作为P偏光的绿色光是500nm级别，原本作为S偏光的红色光是600nm级别。
在这些图中表示了在没有1/4波长板的情况下，入射角越大，绿色光与其它两种光的反射率的差越大，发生偏绿色的颜色不均，而如果有1/4波长板则没有这样的问题。
另外，如上所述，在使用1/2波长板或者色选择偏光旋转元件的情况下也能够得到同样的效果。
这里，使用图12说明本发明一个实施例中的对上述影像显示元件2R、2G、2B进行照明的照明光学系统。图12中，光源单元101包括作为发光单元的灯泡101a和作为反射面的反射器101b。从配置在椭圆形反射器101b的第1焦点位置的灯泡101b出射的光束反射成集光到反射器101b的第2焦点位置。光束尺寸小的集光光束由具有平行作用的凹透镜102变换成平行光束。另外，在反射器101b取为抛物面形状的情况下，不需要作为平行化作用的凹透镜102。
从凹透镜102出射的平行光束由第1多透镜阵列103a的各单元透镜分割为部分光束，集光到与第1多透镜阵列相对应的第2多透镜阵列103b的各单元透镜上。集光了的各部分光束由线偏光化单元104暂时分离为振动方向正交的2个线偏光，通过使一方线偏光的振动方向与另一方振动方向一致，变换成偏振方向为一个方向的线偏光。从线偏光化单元104出射的各部分光束由重叠透镜105重叠后照射到各色用的影像显示元件2R、2G、2B上。另外，在重叠透镜105与影像显示元件2R、2G、2B之间的光路中，设置用于光路弯曲的反射镜106a、106b、106c和106d、作为色分解光学单元的二向色反射镜107a和107b，而且，在各影像显示元件2R、2G、2B的前面，设置使投射光束的主光线平行化的准直透镜108R、108G和108B。在光路长度不同的红色光路中，配置用于使重叠后的光束成像到红色用的影像显示元件2R的位置的中继透镜109和110。
这样，在影像显示元件2R、2G、2B上入射从灯泡101a供给的光束。
以上的实施方式是优选的一个例子，本发明不限于这些实施方式。例如，虽然表示了倾斜投射光学系统的投射透镜或者光学照明系统的结构，但是不限于这些结构。偏光变换部也不限于1/4波长板、1/2波长板或者色选择偏光旋转元件。进而可以考虑众多的不同实施方式，但每一种实施方式都在本发明的范畴内。

Claims (5)

1.一种在投射面上投射影像的投射型影像显示装置，其特征在于，包括：
对与三原色光的各个对应的影像进行显示的影像显示元件；
对该影像显示元件进行照明的照明光学系统；
对来自所述影像显示元件的光进行色合成的色合成部；
对来自所述色合成部的光进行偏光变换的偏光变换部；
使来自所述偏光变换部的光以规定的倾斜角度向斜方向出射的投射光学系统；和
使来自所述投射光学系统的光向着所述投射面反射的反射镜，
所述反射镜包括反射膜，所述反射膜具有这样的反射特性：对从倾斜方向入射的特定偏光方向的光的反射率不同于对另一偏光方向的光的反射率，
所述投射光学系统包含多个透镜，且至少对于配置在最接近于所述投射面的位置上的透镜，光束所通过的影像垂直方向有效区域配置在不包括所述多个透镜的光轴中由最多的透镜所共有的光轴的位置，
配置在最接近于所述投射面的位置上的透镜，是具有与影像光束通过的区域相一致的梯形形状的非球面透镜。
2.根据权利要求1所述的投射型影像显示装置，其特征在于，
所述偏光变换部是1/4波长板。
3.根据权利要求1所述的投射型影像显示装置，其特征在于，
所述偏光变换部是1/2波长板。
4.根据权利要求1所述的投射型影像显示装置，其特征在于，
所述偏光变换部是色选择偏光旋转元件。
5.根据权利要求1所述的投射型影像显示装置，其特征在于，
所述色合成部是正交棱镜。
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