CN109564380B - 投影型显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种投影型显示装置，具备：反射型的图像显示元件(DP)，其通过使照明光在图像显示面反射从而变换成图像光并射出；棱镜单元(PU1)，其实施照明光的光路的曲折和图像光的透过；投影透镜系统(PO)，其使透过棱镜单元的图像光投影在屏幕上。棱镜单元(PU1)具有相对于从图像显示面的中心射出的图像光的主光线而倾斜的气隙(AG)，投影透镜系统(PO)内的至少一个透镜(DL)相对于投影透镜系统(PO)的光轴而偏心，以便消除图像光在透过该气隙(AG)时产生的彗形像差。

Description

投影型显示装置
技术领域
本发明涉及一种投影型显示装置，例如具备数字微镜器件(digitalmicromirrordevice)等反射型图像显示元件的投影型显示装置。
背景技术
在DLP(digitallightprocessing，数字光处理；美国德州仪器公司的注册商标)方式的投影器中，利用内置了数百万个小镜子(微镜)的DLP芯片之类的光半导体来进行图像投影。在采用3枚DLP芯片的三芯片类型的DLP方式的情况下，通过特殊的棱镜将灯的光分解为RGB光的三原色，并对各DLP芯片进行照明从而显示彩色图像。另外，在采用1枚DLP芯片的单芯片类型的DLP方式的情况下，通过划分了RGB三色后的1枚色轮而将灯的光分解为RGB光的三原色，并通过对1枚DLP芯片进行照明来显示彩色图像。由于色轮高速旋转，并且微镜也相应地高速切换开/关，因此，人的眼睛能够通过余像效果而看到合成了RGB的彩色图像。
以上述DLP芯片为代表的数字微镜器件，作为投影器用的反射型图像显示元件是普遍存在的。数字微镜器件，具有由多个微小的微镜组成的图像显示面，通过该图像显示面而对各个镜面的倾斜度进行控制，以便对照明光进行强度调制，从而形成图像。也就是说，数字微镜器件的各像素的开/关，例如通过以相对于图像显示面的各边呈45°的角度的旋转轴为中心的±12°的镜面的转动(即，针对一个轴的微镜驱动)来表现。关于该微镜的活动，也熟知有针对正交的两个轴而进行微镜驱动的新的动作类型的数字微镜器件(Tilt&RollPixelDMD)。
作为搭载了上述数字微镜器件这样的反射型的图像显示元件的投影器，现有技术中提出了各种类型的投影型显示装置(例如，参照专利文献1。)，另外，寻求一种明亮且高清晰度的投影器。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-37044号公报
发明所要解决的课题
在如上所述那样寻求高清晰度的投影器的过程中采用了反射型的图像显示元件的现有的投影型显示装置中，用于使照明光产生全反射从而导向图像显示元件的气隙(airgap)，会使所透过的图像光产生图像劣化(彗形像差所引起的光斑)。因此，如果以现状不变，则在高清晰度方面存在限制。
例如，在专利文献1所记载的投影型显示装置中，为了对由倾斜的二向色滤光片(dichroic filter)所产生的像散进行修正，在透镜系统内增加了相对于透镜单元的光轴而非对称的光学元件(倾斜的楔板或自由曲面透镜等)。这些光学元件，是为了进行像散的修正而预先被最优化设计了的元件。因此，在原来存在的透镜系统中，很难在之后作为修正单元后而进行追加。另外，在专利文献1的情况下，由于装置内不存在气隙，因此并未提及由此而引起的彗形像差。
发明内容
本发明是鉴于这样的状况而提出的，其目的在于提供一种减少因在棱镜单元内产生的彗形像差所导致的光斑从而提高画质的投影型显示装置。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的投影型显示装置，具备：反射型的图像显示元件，其通过使照明光在图像显示面反射，从而将照明光变换成图像光并射出；棱镜单元，其进行照明光的光路的弯折和图像光的透过；投影透镜系统，其将透过所述棱镜单元的图像光投影在屏幕上，
所述投影型显示装置的特征在于，所述棱镜单元具有相对于从所述图像显示面的中心射出的图像光的主光线而倾斜的气隙，所述投影透镜系统内的至少一个透镜相对于所述投影透镜系统的光轴而偏心，该偏心的透镜的光束直径相对于有效直径的相对值大于其他透镜，以便消除在所述图像光透过该气隙时所产生的彗形像差。
本发明的有益效果如下：
根据本发明，能够减少因在棱镜单元内所产生的彗形像差而导致的光斑，从而提高画质，其结果是，能够实现明亮且高清晰度的投影型显示装置。
附图说明
图1是表示投影型显示装置的第一实施方式的简要结构图。
图2是表示投影型显示装置的第二实施方式的简要结构图。
图3是表示投影型显示装置的第三实施方式的简要结构图。
图4是表示第三实施方式的主要部分的一个示例的俯视图。
图5是表示投影型显示装置的第四实施方式的简要结构图。
图6是表示第四实施方式的主要部分的一个示例的俯视图。
图7是表示第三实施方式中的照明光和图像光的光路分离的光路图。
图8是将图7中的主要部分M1放大显示的光路图。
图9是表示与第三实施方式对应的投影型显示装置的实施例的光路图。
图10是表示实施例中的彗形像差在修正前和修正后(透镜移动偏心)的MTF的曲线图。
图11是表示实施例中的彗形像差的修正后(透镜旋转偏心)的MTF的曲线图。
图12是表示实施例中的彗形像差的修正前和修正后(透镜移动偏心)的横向色差的曲线图。
图13是表示实施例中的彗形像差的修正后(透镜旋转偏心)的横向色差的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的投影型显示装置的实施方式等进行说明。另外，对于实施方式等中相互相同的部分或者相当的部分标注相同的符号，并适当省略重复说明。
在图1、图2中作为投影型显示装置的第一、第二实施方式而分别示出单芯片类型的投影器PJ1、PJ2。图3中作为投影型显示装置的第三实施方式而示出三芯片类型的投影器PJ3，其主要部分的一个示例示于图4中。图5中作为投影型显示装置的第四实施方式而示出三芯片类型的投影器PJ4，其主要部分的一个示例示于图6中。
在图1、图2、图3、图5中，全局正交坐标系成为与以数字微镜器件DP的图像显示面DS的中心为原点的局部正交坐标系(X、Y、Z)一致的绝对坐标系，X方向是与图像显示面DS的面法线平行的方向，Z方向是与气隙AG的倾斜旋转轴平行的方向，Y方向是与X方向以及Z方向正交的方向。因此，图1、图2、图3、图5的纸面相当于XY平面，图4、图6的纸面相当于XZ平面。
单芯片类型的投影器PJ1、PJ2(图1、图2)成为具备光源装置1、色轮2、整体杆3、照明光学系统IL、投影透镜系统PO以及数字微镜器件DP等的结构。另外，三芯片类型的投影器PJ3、PJ4(图3、图5)成为具备光源装置1、整体杆3、照明光学系统IL、投影透镜系统PO以及数字微镜器件DP等的结构。
在投影器PJ1、PJ2、PJ3、PJ4中作为产生照明光L1的光源装置1，可列列举有例如氙气灯、激光光源等。投影器PJ1、PJ2、PJ3中采用的光源装置1是白色光源，投影器PJ4中采用的光源装置1是分别产生三个波段：R(红色)·G(绿色)·B(蓝色)的光的彩色光源。
光源装置1中，在由椭圆面构成的灯光反射器的反射面的焦点位置处配置有发光点，并成为使从光源装置1射出的会聚光入射到整体杆3(图3、图5)或者色轮2(图1、图2)中的结构。也就是说，成为在投影器PJ3、PJ4中使会聚光向整体杆3入射并在投影器PJ1、PJ2中使会聚光向色轮2入射的结构，并使通过色轮2的光束入射到整体杆3中。
搭载在投影器PJ1、PJ2中的色轮2，由使R·G·B三色的光透过的三种色滤器而构成。通过使色轮2旋转，从而使进行照明的色光按时间顺序依次切换，并通过将与各种颜色对应的图像信息显示在数字微镜器件DP上，从而能够对投影图像进行彩色化。
在此所假设的整体杆3、是将4枚平面反射镜贴合而成的中空的杆式的光强度均匀化元件。从整体杆3的入口侧端面(杆入口面)入射进来的照明光L1通过反复被整体杆3的侧面(即内壁面)多次反射，从而被混合，照明光L1的空间上的能量分布被均匀化并从出口侧端面(杆出口面)R0射出。
整体杆3的出口侧端面R0的形状，成为与数字微镜器件DP的图像显示面DS大致相似的四边形(可以是长方形，也可以是梯形。)，另外，整体杆3的出口侧端面R0，与数字微镜器件DP的图像显示面DS共轭或者大致共轭。因此，因上述混合效果，使得出口侧端面R0的亮度分布均匀化，从而使数字微镜器件DP高效均匀地进行照明。
另外，整体杆3不限于中空杆，还可以是由四棱柱形状的玻璃体组成的玻璃杆。另外，只要是与数字微镜器件DP的图像显示面DS的形状相符，则其侧面不限于四面。即，截面形状不限于长方形，梯形等四边形。因此，作为所采用的整体杆3，可列举对多枚反射镜进行组合而成的中空筒体、多棱柱形状的玻璃体等。
从整体杆3的出口侧端面R0射出的照明光L1，入射到照明光学系统IL。照明光学系统IL，是将所入射来的照明光L1导向数字微镜器件DP，并对该图像显示面DS进行照明的反射折射光学系统。并且，作为对照明光L1进行会聚的聚光透镜系统LN(由透镜、平面反射镜等组成。)和实施照明光L1的光路的弯折和图像光L2的透过的棱镜单元而具备第一棱镜单元PU1或者第一、第二棱镜单元PU1、PU2，并使整体杆3的出口侧端面R0和图像显示面DS共轭或者大致共轭。另外，图1～图6中的光路，表示照明光L1和图像光L2的中心主光线(相当于光轴AX，且为从图像显示面DS的中心射出的图像光L2的主光线，并穿过图像显示面DS的中心。)。
入射到照明光学系统IL的照明光L1，在通过聚光透镜系统LN被会聚后，入射到第一棱镜单元PU1中。第一棱镜单元PU1，由TIR(TotalInternalReflection，全内反射)棱镜组成，该TIR棱镜由两个大约三棱柱状的棱镜P1、P2构成，在棱镜P1、P2之间设置气隙AG。该气隙AG，如后述那样相对于从图像显示面DS的中心射出的图像光L2的中心主光线L2p(图7)而仅倾斜预定的角度(90°-G)(G：气隙AG与和从图像显示面DS的中心射出的图像光L2的主光线L2p(光轴AX)垂直的平面之间所形成的角度(图7))，并实施针对数字微镜器件DP所进行的照明光(输入光)L1和图像光(输出光)L2的光路分离。
在投影器PJ1、PJ2中，第一棱镜单元PU1使照明光L1的光路弯折，并使照明光L1入射到数字微镜器件DP。该光路的弯折，是通过使照明光L1以满足全反射条件的角度而入射到形成气隙AG的棱镜P1的斜面并产生全反射而实施的。通过数字微镜器件DP而被反射并入射向第一棱镜单元PU1的图像光L2，透过气隙AG而从第一棱镜单元PU1中射出并入射到投影透镜系统PO，再投影到屏幕上。
在投影器PJ3中，第一棱镜单元PU1使包含RGB波段在内的照明光L1的光路弯折，并使照明光L1入射到第二棱镜单元PU2。该光路的弯折，是通过使照明光L1以满足全反射条件的角度而射入到形成气隙AG的棱镜P1的斜面并进行全反射而实施的。
搭载在投影器PJ3中的第二棱镜单元PU2，由以三个棱镜PR、PG、PB构成的分色合成用的彩色棱镜组成。例如，如图4所示，将从第一棱镜单元PU1射出的照明光L1分离成RGB波段来分别向三个数字微镜器件DR、DG、DB射入，并使从各数字微镜器件DR、DG、DB射出的图像光L2合成并入射到第一棱镜单元PU1。并且，入射到第一棱镜单元PU1的图像光L2透过气隙AG并从第一棱镜单元PU1射出再入射到投影透镜系统PO，然后被投影在屏幕上。
对第二棱镜单元PU2中的分色合成进行更详细的说明。图4示出沿着Y方向(图3)从上表面侧观查第一、第二棱镜单元PU1、PU2的状态。如图4所示，第二棱镜单元PU2成为依次组合了大致三棱柱状的蓝色棱镜PB及红色棱镜PR、以及块状的绿色棱镜PG的结构。另外，作为通过图像显示面DS根据图像信号而对照明光L1进行调制的数字微镜器件DP(图3)，设置有红色用的数字微镜器件DR和绿色用的数字微镜器件DG以及蓝色用的数字微镜器件DB。
在蓝色棱镜PB和红色棱镜PR之间，设置有对蓝色光进行反射的蓝色分色面、以及与之邻接的气隙层。该气隙层相对于光轴AX而倾斜。另外，在红色棱镜PR与绿色棱镜PG之间，设置对红色光进行反射的红色分色面、以及与之邻接的气隙层。该气隙层也相对于光轴AX倾斜。该倾斜方向，是与由蓝色棱镜PB和红色棱镜PR所形成的气隙层的倾斜方向相反的方向。
从蓝色棱镜PB的输入输出面所入射的照明光L1通过蓝色分色面而反射蓝色光，并使其他的绿色光以及红色光透过。由蓝色分色面所反射的蓝色光，通过蓝色棱镜PB的输入输出面而被全反射，并从作为蓝色棱镜PB侧面的蓝色输入输出面射出，从而对蓝色用数字微镜器件DB进行照明。从蓝色分色面透过的绿色光和红色光中的、红色光通过红色分色面而被反射，并透过绿色光。通过红色分色面而被反射的红色光，通过与蓝色分色面邻接设置的气隙层而被全反射，并在从作为红色棱镜PR侧面的红色输入输出射面射出后对红色用数字微镜器件DR进行照明。透过了红色分色面的绿色光，从作为绿色棱镜PG侧面的绿色输入输出面射出，并对绿色用数字微镜器件DG进行照明。
通过蓝色用数字微镜器件DB而被反射的蓝色图像光L2入射到蓝色射入射出面并通过蓝色棱镜PB的射入射出面而被全反射后，被蓝色分色面反射。另外，通过红色用数字微镜器件DR而被反射的红色图像光L2，入射到红色射入射出面，并在通过与蓝色分色面邻接设置的气隙层而被全反射之后，被红色分色面反射，并进一步透过蓝色分色面。并且，通过绿色用数字微镜器件DG而被反射的绿色图像光L2，入射到绿色射入射出面，并透过红色分色面以及蓝色分色面。
而且，这些红色、蓝色、以及绿色的各个图像光L2被合成在同一光轴AX上，并在从蓝色棱镜PB的射入射出面射出后入射到第一棱镜单元PU1。由于入射到第一棱镜单元PU1的图像光L2在此不满足全反射条件，因此透过气隙AG(图3)，并通过投影透镜系统PO而在屏幕上投影图像。
在投影器PJ4中，不采用分色用的棱镜，而是针对RGB波段的各个波段分别设置光源装置1、整体杆3、聚光透镜系统LN以及第一棱镜单元PU1。因此，例如图6所示，三个第一棱镜单元PU1分别使按照RGB波段而划分的照明光L1的光路弯折，并分别使照明光L1入射到三个数字微镜器件DR、DG、DB。该光路的弯折，是通过使照明光L1以满足全反射条件的角度而射入形成气隙AG的棱镜P1的倾斜面并进行全反射来实施的。
搭载在投影器PJ4中的第二棱镜单元PU2，由以三个棱镜PR、PG、PB构成的颜色合成用的彩色棱镜组成。例如，如图6所示，使分别被三个数字微镜器件DR、DG、DB反射并透过第一棱镜单元PU1后而射出的三束图像光L2合成并入射到投影透镜系统PO中。此时，三束分别入射至第一棱镜单元PU1的图像光L2，透过气隙AG，从第一棱镜单元PU1射出后入射至第二棱镜单元PU2。并且，入射至投影透镜系统PO的图像光L2被投影至屏幕上。
对第二棱镜单元PU2中的颜色合成进行更详细的说明。图6示出沿着Y方向(图5)从上表面观察第一、第二棱镜单元PU1、PU2时的状态。如图6所示，第二棱镜单元PU2成为依次组合了大致三棱柱状的蓝色棱镜PB及红色棱镜PR以及块状的绿色棱镜PG的结构。另外，作为通过图像显示面DS根据图像信号而对照明光L1进行调制的数字微镜器件DP(图5)，设置有红色用的数字微镜器件DR、绿色用的数字微镜器件DG以及蓝色用的数字微镜器件DB。
在蓝色棱镜PB与红色棱镜PR之间，设置有对蓝色光进行反射的蓝色分色面、以及与之邻接的气隙层。该气隙层相对于光轴AX而倾斜。另外，在红色棱镜PR与绿色棱镜PG之间，设置对红色光进行反射的红色分色面、以及与之邻接的气隙层。该气隙层也相对于光轴AX而倾斜。该倾斜方向，与由蓝色棱镜PB和红色棱镜PR所形成的气隙层的倾斜方向相反。
被蓝色用数字微镜器件DB反射了的蓝色图像光L2透过第一棱镜单元PU1，并在入射至蓝色入射面且被蓝色棱镜PB的射出面全反射之后，被蓝色分色面反射。另外，被红色用数字微镜器件DR反射的红色图像光L2，拖过第一棱镜单元PU1，并入射至红色入射面，再通过与蓝色分色面邻接设置的气隙层而被全反射之后，被红色分色面反射，并进一步透过蓝色分色面。并且，被绿色用数字微镜器件DG反射的绿色的图像光L2，透过第一棱镜单元PU1，并入射至绿色入射面，然后透过红色分色面以及蓝色分色面。
并且，这些红色、蓝色以及绿色的各个图像光L2，被合成在同一光轴AX上，并从蓝色棱镜PB的射出面射出再入射至投影透镜系统PO，最后通过投影透镜系统PO而在屏幕上投影图像。另外，被各个数字微镜器件DR、DG、DB反射并入射到第一棱镜单元PU1的图像光L2，由于不满足全反射条件而从气隙AG透过(图5)。
数字微镜器件DP、DR、DG、DB，是对光进行调制而生成图像的反射型的图像显示元件，其成为具备通过照明光L1的强度调制而形成二维图像的图像显示面DS以及被配置在该显示面上的防护玻璃CG等的结构(图1～图3等)。例如，图像显示面DS由多个微镜组成，并通过控制各微镜面(像素反射面)在图像显示面DS中的倾斜度的开/关(ON/OFF)来对照明光L1进行强度调制，从而形成图像。即，该数字微镜器件DP，在由多个矩形的微镜面组成的图像显示面DS中，通过控制各个微镜面的开/关，以边将微镜设为图像显示状态(ON状态)和图像不显示状态(OFF状态)这两个角度状态，从而能够对照明光L1进行强度调制以形成所希望的图像。
以往所公知的数字微镜器件DP、DR、DG、DB的像素，具有相对于图像显示面DS所构成的长方形的图像显示区域的各边而呈45°角度的旋转轴，并通过绕着该轴转动例如±12°来表现开/关(ON/OFF)。并且，仅由打开(ON)状态的微镜所反射的光透过投影透镜系统PO。另一方面，在新动作类型的数字微镜器件DP、DR、DG、DB的情况下，镜面的转动不是以一个旋转轴为中心，而是以正交的两个旋转轴为中心。
图7中示出投影器PJ3中的图像光L2的轴上光束的光路。若照明光L1入射向棱镜P1，则因通过第一棱镜单元PU1内的气隙AG所进行的全反射而使光路被弯折。照明光L1，从棱镜P1射出，经过第二棱镜单元PU2，照射至数字微镜器件DP的图像显示面DS。若照明光L1被照射至数字微镜器件DP的图像显示面DS上，则通过在所照明的图像显示面DS上的反射而使图像光L2从数字微镜器件DP射出。此时，刚刚被图像显示面DS的中心反射的图像光L2的主光线L2p相对于即将输入到图像显示面DS的中心的照明光L1的主光线L1p而成预定的角度，图像光L2被从照明光L1分离。
如图7所示，图像光L2，经过第二棱镜单元PU2而透过第一棱镜单元PU1。此时，图像光L2透过相对于垂直光轴AX的平面而仅倾斜了角度G的气隙AG，并在从棱镜P2射出第二棱镜单元PU2之后，入射至投影透镜系统PO并被投影在屏幕上。另外，气隙AG的下端，优选被设置在与不遮挡图像光L2的下限位置相比而靠下方处。
如上文所述，投影器PJ1～PJ4均具备：数字微镜器件DP，其通过使照明光L1被图像显示面DS反射从而变换为图像光L2而射出；第一棱镜单元PU1，其实施照明光L1的光路的弯折和图像光L2的透过；投影透镜系统PO，其将透过第一棱镜单元PU1后的图像光L2投影在屏幕上。并且，如图7所示，第一棱镜单元PU1，具有相对于从图像显示面DS的中心射出的图像光L2的主光线L2p而倾斜的气隙AG，图像光L2透过该气隙AG。
图像光L2中以入射角α2而入射至气隙AG的光线，由于相对于气隙AG而大幅度倾斜(α1＜α2)，因此通过气隙AG而被大幅度折射。将产生该折射的主要部分M1以放大的方式示于图8中。气隙AG由对置配置的棱镜面A1、A2构成，气隙AG的倾斜旋转轴与Z方向平行。并且，由图8可知，图像光L2中以入射角α2入射至气隙AG的光线被气隙AG大幅度折射。通过该折射而产生的光斑成分Δ，便是所谓的彗形像差，并成为在由投影透镜系统PO所进行的成像时产生光斑的原因。另外，光斑成分Δ的方向，相对于屏幕面平行，光斑被评价为在屏幕面上的距离。
在包含上述第一棱镜单元PU1在内的投影器PJ1～PJ4中，为了消除图像光L2透过气隙AG时产生的彗形像差而使投影透镜系统PO内的至少一个透镜相对于投影透镜系统PO的光轴AX偏心。该偏心的透镜是偏心透镜DL(图1～图3、图5)。在投影器PJ1(图1)的情况下，相对于投影透镜系统PO的光轴AX偏心的透镜，是向相对于投影透镜系统PO的光轴AX以及气隙AG的倾斜旋转轴而垂直的方向(与Y方向平行的方向)移动偏心(例如平行偏心)了的偏心透镜DL。在投影器PJ2(图2)的情况下，相对于投影透镜系统PO的光轴AX而偏心的透镜，是以与气隙AG的倾斜旋转轴平行的轴(与Z方向平行)为中心旋转偏心了的偏心透镜DL。投影器PJ3、PJ4中的偏心透镜DL也与投影器PJ1、PJ2同样成为使投影透镜系统PO内的至少一个透镜进行了移动偏心或者旋转偏心的偏心透镜DL(图3、图5)。
投影透镜系统PO内的至少一个透镜，若相对于投影透镜系统PO的光轴AX产生偏心，则投影透镜系统PO中会产生因该偏心导致的彗形像差。一旦偏心透镜DL中产生与图像光L2透过气隙AG而产生的彗形像差方向相反的彗形像差，则由于能抵消光斑的产生，因此在投影像的光斑消除之后可实现高画质化。并且，由于不是对光斑进行切割，而是产生取消光斑的彗形像差，因此该光斑修正存在不会降低明亮度的优点。因而，既保持明亮度又可实现高清晰度。
关于偏心的透镜，优选与彗形像差的灵敏度相比，彗形像差以外的灵敏度足够低。通过使这样的透镜偏心，从而能够在不产生其他像差的情况下修正彗形像差，能够使画质有效提高。一般而言，光束直径相对于透镜直径而较大的透镜，其彗形像差的灵敏度较高。另外，偏心透镜DL的移动偏心量以及旋转偏心量，与气隙AG的厚度以及倾斜量成比例。
如投影器PJ1(图1)那样，作为相对于投影透镜系统PO的光轴AX而偏心的透镜，只要采用在与投影透镜系统PO的光轴AX以及气隙AG的倾斜旋转轴垂直的方向上移动偏心的偏心透镜DL，则能够抑制图像光L2透过气隙AG时的光斑的产生，从而能够容易且有效地提高画质。例如，如果相对于投影透镜系统PO的外筒而通过螺钉使透镜的保持框以向移动方向移动的方式进行移动偏心，则能够容易地实施移动偏心的调整。另外，当在投影型显示装置中安装投影透镜系统PO时，还能够进行单独调整。
如投影器PJ2(图2)那样，作为相对于投影透镜系统PO的光轴AX而偏心的透镜，只要采用以与气隙AG的倾斜旋转轴平行的轴为中心而旋转偏心的偏心透镜DL，则能够抑制图像光L2透过气隙AG时的光斑的产生，能够容易且有效地提高画质。例如，如果相对于投影透镜系统PO的外筒，采用螺钉使透镜的保持框以向旋转方向移动的方式进行旋转偏心，则能够容易实施旋转偏心的调整。另外，当在投影型显示装置中安装投影透镜系统PO时，还可单独进行调整。
三芯片类型的投影器PJ3，针对多个波段RGB的每一个而分别设置数字微镜器件DR、DG、DB(图4)，作为棱镜单元而包含第一棱镜单元PU1和第二棱镜单元PU2(分色合成用的彩色棱镜)，所述第一棱镜单元PU1通过在构成气隙AG的棱镜面A1上的反射而使包含多个波段RGB在内的照明光L1的光路弯折，所述第二棱镜单元PU2将通过第一棱镜单元PU1而被弯折并射出的照明光L1分离成多个波段RGB再分别向多个数字微镜器件DR、DG、DB射入，并使从各个数字微镜器件DR、DG、DB射出的图像光L2合成再射入第一棱镜单元PU1。并且，第一棱镜单元PU1所具有的气隙AG相对于从图像显示面DS的中心射出的图像光L2的主光线L2p而倾斜，向第一棱镜单元PU1射入的图像光L2通过气隙AG而从第一棱镜单元射出PU1再射入投影透镜系统PO。
如前文所述，气隙AG中的光斑的产生，因至少一个偏心透镜DL而结果被消除。因此，根据投影器PJ3，画质能够提高，并且能够在保持明亮度的同时达到高精细化。在三芯片类型的投影型显示装置中，由于要求更高的亮度，因此需要比较广泛地设定能够应对较大的温度变化的气隙AG。由此所产生的光斑也变得较大，因此上述效果也较大。
三芯片类型的投影器PJ4，针对多个波段RGB的每一个而设置数字微镜器件DR、DG、DB(图6)，并作为棱镜单元而包含：将被划分为多个波段RGB的多束照明光L1的光路分别弯折后分别入射向多个数字微镜器件DR、DG、DB的多个第一棱镜单元PU1；和对通过多个数字微镜器件DR、DG、DB反射后透过第一棱镜单元PU1而射出的多束图像光L2进行合成，再入射到投影透镜系统PO的第二棱镜单元PU2(颜色合成用的彩色棱镜)。并且，多个第一棱镜单元PU1分别具有相对于从图像显示面DS的中心射出的图像光L2的主光线L2p而倾斜的气隙AG，分别向多个第一棱镜单元PU1射入的图像光L2通过气隙AG而从第一棱镜单元PU1射出并射入第二棱镜单元PU2。
如前文所述，气隙AG中的光斑的产生，因至少一个偏心透镜DL而结果被消除。因此，根据投影器PJ4，画质能够提高，并且在保持明亮度的同时达到高精细化。在三芯片类型的投影型显示装置中，由于要求更高的亮度，因此需要比较广泛地设定能够与较大的温度变化相对应的气隙AG。由此所产生的光斑也变得比较大，因此上述效果也会变大。
由以上说明可知，上述的各个实施方式和后述的实施例中包含以下的特征性的结构(#1)～(#5)等。
(#1)：一种投影型显示装置，具备：反射型的图像显示元件，其通过使照明光在图像显示面反射从而变换成图像光后射出；棱镜单元，其实施照明光的光路的弯折和图像光的透过；投影透镜系统，其将透过所述透镜单元的图像光投影在屏幕上，
所述棱镜单元，具有相对于从所述图像显示面的中心射出的图像光的主光线而倾斜的气隙，所述投影透镜系统内的至少一个透镜相对于所述投影透镜系统的光轴而偏心，以便消除所述图像光在透过该气隙时所产生的彗形像差。
(#2)：(#1)记载的投影型显示装置的特征在于，相对于所述投影透镜系统的光轴偏心的透镜，是向与所述投影透镜系统的光轴以及所述气隙的倾斜旋转轴垂直的方向移动偏心的偏心透镜。
(#3)：(#1)记载的投影型显示装置的特征在于，相对于所述投影透镜系统的光轴偏心的透镜，是以相对于所述气隙的倾斜旋转轴而平行的轴为中心旋转偏心的偏心透镜。
(#4)：(#1)～(#3)中的任一项所述的投影型显示装置的特征在于，针对多个波段的每一个波段而分别设置所述图像显示元件，所述棱镜单元包含：第一棱镜单元，其通过在构成所述气隙的棱镜面中的反射而使包含所述多个波段的照明光的光路弯折；第二棱镜单元，其将通过所述第一棱镜单元而弯折并射出了的照明光分离成所述多个波段，并分别使之入射到多个所述图像显示元件，再使从各图像显示元件射出的图像光进行合成并射入所述第一棱镜单元。
(#5)：(#1)～(#3)中的任一项所述的投影型显示装置的特征在于，针对多个波段中的每一个设置所述图像显示元件，所述棱镜单元，包含：多个第一棱镜单元，多个所述第一棱镜单元使被划分为所述多个波段的多束照明光的光路通过在构成所述气隙的棱镜面中的反射而弯折并分别向多个所述图像显示元件入射；第二棱镜单元，其使通过所述多个图像显示元件而分别被反射并透过所述第一棱镜单元而射出的多束图像光进行合成，再向所述投影透镜系统入射。
实施例
以下，列举实施例的构造数据等，对实施本发明的投影型显示装置的结构等进行更具体的说明。在此所列举的实施例，是与上述的第三实施方式的投影器PJ3对应的数值实施例，图9表示其光路图。
表1表示作为实施例的各种数据的、焦距(mm)、透镜的后焦距(mm)、F数值、像高(mm)以及半画角(ω，°)。另外，表2表示实施例的结构数据。该结构数据中，作为面数据额从左侧的一栏起依次示出透镜Gi(从放大侧起依次为i＝1、2、3...)等、曲率半径(mm)、轴上面间隔(mm)、与d线(波长587.56nm)相关的折射率nd、与d线相关的阿贝值Vd、有效半径(mm)以及旋转角(°)。
图10～图13表示实施例的彗形像差修正前后的光学性能。在此，作为移动偏心的偏心透镜DL而列举透镜G18(偏心量：-0.8mm)，作为旋转偏心的偏心透镜DL而列举透镜G18(偏心量：-0.2deg)、透镜G9(偏心量：-0.1deg)。偏心方向，在图3等中，以Y方向的下方向为负方向，以与Z方向平行的轴为中心的右旋转作为负方向。另外，在旋转偏心了的偏心透镜DL的时候，透镜G18、G9的旋转偏心的中心轴(相对于气隙AG的倾斜旋转轴而平行的轴)，位于放大侧透镜面的顶点，其旋转方向与气隙AG的倾斜旋转方向为反方向。另外，在实施例中，作为光学设计上的缩小系统，通过将屏幕面视为物体面并相当于像面的图像显示面(缩小侧像面)DS而对光学性能进行评价。
图10以及图11是表示散焦值(mm)的MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)的变化的曲线图(实线：XY平面(切向面)方向的MTF值，虚线：XZ平面(径向面)方向的MTF值；空间频率：90圈/mm，波长：550nm)。图10(A)表示无偏心时的MTF(评价像高是轴上(像高＝0))，图10(B)表示使透镜G18移动偏心时(偏心量：-0.8mm)的MTF(评价像高是轴上(像高＝0))，图11(A)表示使透镜G18旋转偏心时(偏心量：-0.2deg)的MTF(评价像高是轴上(像高＝0))，图11(B)表示使透镜G9旋转偏心时(偏心量：-0.1deg)的MTF(评价像高是轴上(像高＝0))。
图12以及图13是表示横向像差的曲线图，图12(A)、(C)和图13(A)、(C)表示XY平面(切向面)方向上的横向像差ey(μm)(Py：入射光瞳座标)，图12(B)、(D)和图13(B)、(D)表示XZ平面(径向面)方向的横向像差ez(μm)(Pz：入射光瞳座标)。图12(A)、(B)，表示无偏心时的横向像差(评价像高为轴上(像高＝0))，图12(C)、(D)表示使透镜G18移动偏心时(偏心量：-0.8mm)的横向像差(评价像高为轴上(像高＝0))，图13(A)、(B)表示使透镜G18旋转偏心时(偏心量：-0.2deg)的横向像差(评价像高为轴上(像高＝0))，图13(C)、(D)表示使透镜G9旋转偏心时(偏心量：-0.1deg)的横向像差(评价像高为轴上(像高＝0))。
若如上述那样采用偏心透镜DL，则对于投影器PJ1～PJ4中的任何一个，都能够有效地消除因图像光L2透过气隙AG而引起的彗形像差，从头能够减少由此导致的光斑进而使画质提高。另外，由于仅通过投影透镜系统PO内的至少一个透镜而完成彗形像差的消除，因次还存在不需要变更其他部件的优点。另外，作为偏心透镜DL，既可以采用移动偏心的透镜、旋转偏心的透镜中的一方，也可以采用双方的组合，还可以采用组合了多组移动偏心和旋转偏心的透镜。
[表1]
焦距(mm) 40.0
透镜后焦距(mm) 0.519
F值 2.5
像高(mm) 15.0
半画角 21.2
[表2]
Figure GDA0003129024110000141
符号说明
PJ1、PJ2、PJ3、PJ4 投影器(投影型显示装置)、
IL 照明光学系统
LN 聚光透镜系统
PU1 第一棱镜单元
PU2 第二棱镜单元
PR 红色棱镜
PG 绿色棱镜
PB 蓝色棱镜
P1、P2 棱镜
A1、A2 棱镜面
AG 气隙
DP 数字微镜器件(反射型的图像显示元件)
DR 红色用的数字微镜器件(反射型的图像显示元件)
DG 绿色用的数字微镜器件(反射型的图像显示元件)
DB 蓝色用的数字微镜器件(反射型的图像显示元件)
DS 图像显示面
L1 照明光
L2 图像光
L1p、L2p 中心主光线
PO 投影透镜系统
DL 偏心透镜
AX 光轴

Claims (3)

1.一种投影型显示装置，具备：
反射型的图像显示元件，其通过使照明光在图像显示面反射，从而变换成图像光后射出；
棱镜单元，其实施照明光的光路的弯折和图像光的透过；
投影透镜系统，其将透过所述棱镜单元的图像光投影在屏幕上，
所述投影型显示装置的特征在于，
所述棱镜单元具有相对于从所述图像显示面的中心射出的图像光的主光线而倾斜的气隙，所述投影透镜系统内的至少一个透镜相对于所述投影透镜系统的光轴而偏心，以便消除所述图像光透过该气隙时产生的彗形像差，
其中，
相对于所述投影透镜系统的光轴而偏心的透镜，是向与所述投影透镜系统的光轴以及所述气隙的倾斜旋转轴垂直的方向而移动偏心的偏心透镜，其中偏心透镜的移动偏心量与气隙的厚度以及倾斜量成比例；或者
相对于所述投影透镜系统的光轴而偏心的透镜，是以与所述气隙的倾斜旋转轴平行的轴为中心进行旋转偏心的偏心透镜，其中旋转偏心量与气隙的厚度以及倾斜量成比例。
2.根据权利要求1所述的投影型显示装置，其特征在于，
针对多个波段中的每一个，设置所述图像显示元件，
所述棱镜单元，包含：第一棱镜单元，其通过在构成所述气隙的棱镜面中的反射而使包含所述多个波段的照明光的光路弯折；第二棱镜单元，其将通过所述第一棱镜单元而被弯折并射出的照明光分离为所述多个波段并分别向多个所述图像显示元件入射，并使从各图像显示元件射出的图像光进行合成再向所述第一棱镜单元入射。
3.根据权利要求1所述的投影型显示装置，其特征在于，
针对多个波段中的每一个，设置所述图像显示元件，
所述棱镜单元，包含：多个第一棱镜单元，所述多个第一棱镜单元通过在构成所述气隙的棱镜面中的反射而使被划分为所述多个波段的多束照明光的光路弯折并分别向多个所述图像显示元件射入；第二棱镜单元，其对由所述多个图像显示元件分别反射并透过所述第一棱镜单元而射出的多束图像光进行合成再向所述投影透镜系统射入。
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