CN110873997B - 投射型图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够避免透镜单元的边界的台阶产生的对图像质量的不好影响的投射型图像显示装置。投射型图像显示装置包括复眼透镜和偏振光转换元件。在复眼透镜的第一方向上相邻的透镜单元的边界上存在台阶，在与第一方向正交的第二方向上相邻的透镜单元的边界上不存在台阶。透过透镜单元的第一方向的中央部的中心光入射到偏振光转换元件的偏振光分离面，偏振光分离面对中心光所包含的第一偏振光进行反射并使第二偏振光透过。反射面对由偏振光分离面反射的第一偏振光进行反射并使其从偏振光转换元件射出，被入射的1/2波长板将透过了偏振光分离面的第二偏振光转换为第一偏振光并使其从偏振光转换元件射出。

Description

投射型图像显示装置
技术领域
本发明涉及具备一对复眼透镜的投射型图像显示装置。
背景技术
投射型图像显示装置有时在照明光学系统中具备一对复眼透镜。各复眼透镜具备矩形状的多个透镜单元。为了提高照明光学系统的性能，复眼透镜所具备的各透镜单元大多偏心。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2002-23108号公报；
专利文献2：日本专利特开2007-78731号公报。
发明内容
复眼透镜的各透镜单元的偏心程度根据复眼透镜内的透镜单元的位置而不同，在相邻的两个透镜单元的边界上存在台阶(参照专利文献1或专利文献2)。当制造在边界上存在台阶的复眼透镜时，在各透镜单元的端部产生被称为“松弛”或者“缺口”的、与设计上的形状不同的形状误差。该种形状误差对被投射的图像质量产生不好影响。
因此，考虑到以消除透镜单元的边界的台阶的方式设计并制造复眼透镜的情况。但是，当以消除边界的台阶的方式修正复眼透镜的形状时，各透镜单元的照明范围的大小发生变化，从各透镜单元射出并重叠的光的亮度在面内变得不均匀。
本发明的目的在于，提供一种投射型图像显示装置，其能够将复眼透镜的各透镜单元的照明范围的大小的变化抑制到最小限度，并能够避免在相邻的透镜单元的边界上存在的台阶产生的对图像质量的不好影响。
本发明提供一种投射型图像显示装置，包括：第一复眼透镜，在第一方向和与所述第一方向正交的第二方向上排列多个第一透镜单元，将所入射的光束分割为按照每个所述第一透镜单元的部分光束；第二复眼透镜，在所述第一方向和所述第二方向上排列多个第二透镜单元，通过各个所述第二透镜单元单独地对从各个所述第一透镜单元射出的各个部分光束进行聚光；以及偏振光转换元件，在从所述第二复眼透镜入射的光所包含的第一偏振光与第二偏振光之中，射出被用作照明光的所述第一偏振光，将不会被用作照明光的所述第二偏振光转换为所述第一偏振光而射出。
在所述偏振光转换元件中，反射面与偏振光分离面以所述第二透镜单元在所述第一方向上的大小的1/2的间隔在所述第一方向上交替地形成，其中，所述反射面相对于从所述第二复眼透镜入射的光的入射面具有预定的角度，并对所入射的光进行反射，所述偏振光分离面具有所述预定的角度，并对所入射的光所包含的第一偏振光进行反射并使第二偏振光透过。
所述偏振光转换元件的光的射出面中被所述反射面与所述偏振光分离面夹着的区域在所述第一方向上被交替地设为贴有1/2波长板的偏振光转换区域以及未贴1/2波长板的非偏振光转换区域，所述1/2波长板与在所述第二方向上排列的所述多个第二透镜单元对置。
所述多个第二透镜单元在所述第一方向以及第二方向的各方向上偏心。在所述第一方向上相邻的两个第二透镜单元的位于所述两个第二透镜单元的第一边界上的端部在所述第二复眼透镜的厚度方向上错开，从而在所述第一边界上存在台阶。在所述第二方向上相邻的两个第二透镜单元的位于所述两个第二透镜单元的第二边界上的端部与所述第二复眼透镜的厚度方向一致，从而在所述第二边界上不存在台阶。
透过所述第二透镜单元的所述第一方向的中央部的中心光入射到所述偏振光分离面，所述偏振光分离面对所述中心光所包含的所述第一偏振光进行反射并使所述第二偏振光透过。在所述偏振光分离面反射的所述第一偏振光所入射的反射面反射所述第一偏振光并使其从所述偏振光转换元件射出，透过了所述偏振光分离面的所述第二偏振光所入射的1/2波长板将所述第二偏振光转换为所述第一偏振光并使其从所述偏振光转换元件射出。
透过所述第二透镜单元的所述第一边界附近的周边部的周边光入射到所述反射面，所述反射面反射所述周边光，在所述反射面反射的所述周边光所入射的偏振光分离面对所述周边光所包含的所述第一偏振光进行反射并使所述第二偏振光透过。在所述偏振光分离面反射的所述第一偏振光所入射的1/2波长板将所述第一偏振光转换为所述第二偏振光并使其从所述偏振光转换元件射出，透过了所述偏振光分离面的所述第二偏振光所入射的其他反射面对所述第二偏振光进行反射并使其从所述偏振光转换元件射出。
根据本发明的投射型图像显示装置，能够将复眼透镜的各透镜单元的照明范围的大小的变化抑制到最小限度，并能够避免在相邻的透镜单元的边界上存在的台阶产生的对图像质量的不好影响。
附图说明
图1是示出一个实施方式的投射型图像显示装置的整体构成例的图；
图2是从侧面观察第一复眼透镜2、第二复眼透镜3、偏振光转换元件4的侧视图；
图3是从上侧观察第一复眼透镜2、第二复眼透镜3、偏振光转换元件4的俯视图；
图4是示出从第二复眼透镜3侧观察第二复眼透镜3与偏振光转换元件4的状态的平面图；
图5是用于说明偏振光转换元件4的作用的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对一个实施方式的投射型图像显示装置进行说明。首先，使用图1，对作为一个实施方式的投射型图像显示装置的构成例的投射型图像显示装置100的整体构成以及动作进行说明。
在图1中，光源1射出白色光。作为一个例子，光源1是超高压汞灯。白色光是包含P偏振光和S偏振光的不规则偏振光。光源1的种类不受限制，作为光源1可以使用发光二极管(LED)或者激光二极管。根据光源1的种类，光源1有时射出白色以外的颜色的光。
白色光被照射到第一复眼透镜2。第一复眼透镜2具有在面内的第一方向和与第一方向正交的第二方向上以矩阵状排列矩形状的多个透镜单元的结构。第一方向以及第二方向分别相当于投射型图像显示装置100投射的图像的水平方向(X方向)以及垂直方向(Y方向)。第一复眼透镜2将所入射的白色光的光束分割成按照每个透镜单元的部分光束。
从第一复眼透镜2射出的各部分光束被照射到第二复眼透镜3。第二复眼透镜3与第一复眼透镜2同样地，具有在面内的X方向和Y方向上以矩阵状排列矩形状的多个透镜单元的结构。第二复眼透镜3的各透镜单元与第一复眼透镜2的各透镜单元以一对一的方式对应。第二复眼透镜3的各透镜单元单独地对从第一复眼透镜2的各透镜单元射出的各部分光束进行聚光。
为了从第二复眼透镜3的各透镜单元射出的部分光束的聚光来使各部分光束重叠，各透镜单元偏心。第二复眼透镜3的各透镜单元的偏心程度根据透镜单元的位置而不同。第二复眼透镜3构成为在X方向与Y方向之中，在一个方向上在相邻的透镜单元的边界上存在台阶，在另一个方向上在相邻的透镜单元的边界上不存在台阶。
在图1中，减少第一复眼透镜2与第二复眼透镜3的透镜单元的数量，简略附图。关于第一复眼透镜2以及第二复眼透镜3的透镜单元的数量以及形状，在后面详细叙述。
从第二复眼透镜3的各透镜单元射出的部分光束被入射到偏振光转换元件4。偏振光转换元件4为了使用各部分光束所包含的P偏振光和S偏振光中的一个的第一偏振光作为照明光，将不被用作照明光的另一个的第二偏振光转换为第一偏振光。例如，在本实施方式中，将第一偏振光设为S偏振光，将第二偏振光设为P偏振光。
偏振光转换元件4虽然以将P偏振光转换为S偏振光而射出的偏振光为主而设为S偏振光，但也有时将S偏振光转换为P偏振光而射出P偏振光。
关于偏振光转换元件4的具体的构成以及作用，在后面叙述。在本实施方式中，将作为入射到第二复眼透镜3的时间点的偏振光的S偏振光用作照明光，但也可以构成为P偏振光被用作照明光。
以从偏振光转换元件4射出的S偏振光为主的光在由第二复眼透镜3的聚光作用而聚光并且各部分光束彼此重叠的状态下，入射到十字形分色镜6。当第二复眼透镜3的各透镜单元不偏心、且各透镜单元不发挥聚光作用时，在偏振光转换元件4的后级需要如由双点划线示出的聚光透镜5。通过使第二复眼透镜3的各透镜单元偏心，能够设为省略聚光透镜5的构成。
十字形分色镜6将所入射的光分离为红色光(以下为R光)以及绿色光(以下为G光)、蓝色光(以下为B光)。R光以及G光由反射镜7反射而行进方向弯曲90度，并朝向分色镜9。B光由反射镜8反射而行进方向弯曲90度，并朝向场透镜(Field lens)16。
R光以及G光中的R光透过分色镜9而朝向场透镜10。G光由分色镜9反射而行进方向弯曲90度，并朝向场透镜13。场透镜10、13以及16是用于使视野的周边部的光的行进方向一致的透镜。
透过了场透镜10的R光透过偏振光板11，并入射到红色图像显示元件12。作为一个例子，偏振光板11和后述的偏振光板14以及17是线栅偏振光板。作为一个例子，红色图像显示元件12和后述的绿色图像显示元件15及蓝色图像显示元件18是反射型液晶显示元件。典型地，反射型液晶显示元件是被称为LCOS(Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶)的空间光调制元件。
红色图像显示元件12根据想要投射的图像的红色分量来调制R光，并进行反射。红色图像显示元件12调制R光，由此S偏振光被转换为P偏振光。由此，由红色图像显示元件12反射的R光的调制光由偏振光板11反射而行进方向弯曲90度，并朝向与颜色合成棱镜22贴合的偏振光板19。
G光透过场透镜13以及偏振光板14而被入射到绿色图像显示元件15。绿色图像显示元件15根据想要投射的图像的绿色分量来调制G光，并进行反射。绿色图像显示元件15调制G光，由此S偏振光被转换成P偏振光。因此，由绿色图像显示元件15反射的G光的调制光由偏振光板14反射而行进方向弯曲90度，并朝向与颜色合成棱镜22贴合的偏振光板20。
B光透过场透镜16以及偏振光板17而被入射到蓝色图像显示元件18。蓝色图像显示元件18根据想要投射的图像的蓝色分量来调制B光，并进行反射。蓝色图像显示元件18调制B光，由此S偏振光被转换成P偏振光。因此，由蓝色图像显示元件18反射的B光的调制光由偏振光板17反射而行进方向弯曲90度，并朝向与颜色合成棱镜22贴合的偏振光板21。作为一个例子，偏振光板19、20以及21是线栅偏振光板。
偏振光板19、20以及21分别去除所入射的R光、G光以及B光所包含的不需要的S偏振光。因此，在颜色合成棱镜22中仅入射需要的P偏振光。颜色合成棱镜22对R光、G光以及B光进行颜色合成，并将合成光朝向投射透镜23射出。投射透镜23将合成光放大投射到未图示的屏幕。如以上那样，投射型图像显示装置100在屏幕上显示图像。
使用图2以及图3，对第一复眼透镜2、第二复眼透镜3以及偏振光转换元件4的结构、第二复眼透镜3与偏振光转换元件4的关系进行说明。图2示出从侧面观察第一复眼透镜2、第二复眼透镜3、偏振光转换元件4的状态。在本实施方式中，构成为从第二复眼透镜3的各透镜单元射出的彼此重叠的光旋转90度而投射到屏幕上。因此，从侧面观察第一复眼透镜2、第二复眼透镜3、偏振光转换元件4时的高度方向是X方向。
如图2所示，在第一复眼透镜2中，在X方向上例如排列8个透镜单元201(第一透镜单元)。透镜单元201是凸透镜，不偏心。8个透镜单元201具有相同的高度。在第二复眼透镜3中，与各透镜单元201对应地，在X方向上排列有8个透镜单元301(第二透镜单元)。透镜单元301是凸透镜，在X方向上偏心。
详细而言，位于比由单点划线示出的X方向的中央更靠上方的透镜单元301向下方偏心，位于比中央更靠下方的透镜单元301向上方偏心。即，位于上方的透镜单元301和位于下方的透镜单元301彼此向X方向的中央侧偏心。随着从中央朝向上方或者下方的端部，透镜单元301的偏心程度会变大。8个透镜单元301具有相同的高度。
将在X方向上排列的多个透镜单元301的各透镜单元301的表面的下方侧的端部设为301a，将上方侧的端部设为301b。在X方向上彼此相邻的两个透镜单元301的端部301a与端部301b不一致，在第二复眼透镜3的厚度方向上错开。即，在相邻的两个透镜单元301的边界上存在台阶。此外，在夹着由单点划线示出的X方向的中央的两个透镜单元301的边界上不存在台阶。
图3示出从上面观察第一复眼透镜2、第二复眼透镜3、偏振光转换元件4的状态。从上面观察第一复眼透镜2、第二复眼透镜3、偏振光转换元件4时的宽度方向是Y方向。
如图3所示，在第一复眼透镜2中，在Y方向上排列着例如14个透镜单元201。在第二复眼透镜3中，与各透镜单元201对应地，在Y方向上排列有14个透镜单元301。透镜单元301在Y方向上偏心。
详细地说，相对于由单点划线示出的Y方向的中央而位于一侧(图3的上方)的透镜单元301向另一侧(图3的下方)偏心，相对于中央而位于另一侧(图3的下方)的透镜单元301向一侧(图3的上方)偏心。即，位于一侧的透镜单元301与位于另一侧的透镜单元301彼此向Y方向的中央侧偏心。随着从中央朝向Y方向的端部，透镜单元301的偏心程度变大。14个透镜单元301从Y方向的端部朝向中央而高度依次变高。
将在Y方向上排列的多个透镜单元301的各透镜单元301的表面的图3的下方侧的端部设为301c、将上方侧的端部设为301d。在Y方向上彼此相邻的两个透镜单元301的端部301c与端部301d一致，不在第二复眼透镜3的厚度方向上错开。即，在Y方向上，在相邻的两个透镜单元301的边界上不存在台阶。
返回到图2，在偏振光转换元件4的内部，在X方向上交替地形成有由实线示出的反射面41和由虚线示出的偏振光分离面42。反射面41以及偏振光分离面42以相对于偏振光转换元件4的光的入射面具有预定的角度的方式形成。预定的角度优选是45度。在本实施方式中，反射面41反射所入射的光，偏振光分离面42使P偏振光透过并使S偏振光反射。
将由反射面41和偏振光分离面42夹着的区域设为区域43以及44。区域43与区域44的X方向的距离是相同的。各透镜单元301的X方向的大小与将区域43和区域44合在一起后的X方向的距离相同。在偏振光转换元件4的光的射出面上的各区域44的部分贴附有1/2波长板45。1/2波长板45的X方向的距离是透镜单元301的X方向的大小的1/2。
在偏振光转换元件4的光的射出面上的各区域44的部分上贴附有1/2波长板45，设为将区域44称为偏振光转换区域44。在偏振光转换元件4的光的射出面上的各区域43的部分上没有贴附有1/2波长板45，设为将区域43称为非偏振光转换区域43。在偏振光转换元件4上，非偏振光转换区域43与偏振光转换区域44以透镜单元301的X方向的大小的1/2的间隔，在X方向上交替地形成。
图4示出有从第二复眼透镜3侧观察第二复眼透镜3与偏振光转换元件4的状态。图4中的偏振光转换元件4的非偏振光转换区域43以及偏振光转换区域44的位置示出偏振光转换元件4的射出面上的位置。1/2波长板45与在Y方向上排列的多个透镜单元301对置。
在图4中，在X方向上相邻的两个透镜单元301的边界、即端部301a与301b成为台阶，用粗实线表示成为台阶的状态。用粗实线示出的边界的台阶与未贴附1/2波长板45的非偏振光转换区域43对置。另一方面，与Y方向相邻的两个透镜单元301的边界、即端部301c与301d不成为台阶，而与1/2波长板45交叉。
使用图5，对偏振光转换元件4的作用进行说明。在图5中，向第二复眼透镜3的各透镜单元301入射从第一复眼透镜2的各透镜单元201射出的、包含P偏振光以及S偏振光的部分光束。关于入射到透镜单元301的光，将会分为透过透镜单元301的X方向的中央部的中心光L1与透过边界附近的周边部的周边光L2而考虑。
将透镜单元301的X方向的哪些范围设为中央部、将哪些范围设为周边部能够设为决定的事项。
如图5所示，中心光L1所包含的P偏振光和S偏振光中的P偏振光透过偏振光分离面42而入射到1/2波长板45。由于1/2波长板45将P偏振光转换为S偏振光，因此从偏振光转换区域44射出S偏振光。中心光L1所包含的P偏振光与S偏振光中的S偏振光由偏振光分离面42反射而行进方向弯曲90度，进一步，由反射面41反射而行进方向弯曲90度，并从非偏振光转换区域43射出。
周边光L2所包含的P偏振光以及S偏振光由反射面41反射而行进方向弯曲90度，并入射到偏振光分离面42。入射到偏振光分离面42的P偏振光与S偏振光中的P偏振光透过偏振光分离面42，并入射到其他反射面41。其他反射面41是透过了偏振光分离面42的P偏振光入射的下一个反射面41。向反射面41入射的P偏振光由反射面41反射而行进方向弯曲90度，并从非偏振光转换区域43射出。
向偏振光分离面42入射的P偏振光与偏振光中的S偏振光由偏振光分离面42反射而行进方向弯曲90度，并入射到1/2波长板45。由于1/2波长板45将S偏振光转换为P偏振光，因此从偏振光转换区域44射出P偏振光。
如以上所示，第二复眼透镜3虽然在与X方向上相邻的两个透镜单元301的边界(第一边界)上存在台阶，但在Y方向上相邻的两个透镜单元301的边界(第二边界)上不存在台阶。由于仅对Y方向上相邻的透镜单元301的边界进行台阶的消除，因此能够将各透镜单元301的照明范围的大小的变化抑制到最小限度。
因此，各透镜单元301的照明范围的大小与在X方向和Y方向双方的边界上具有台阶的形状中的照明范围的大小相比，几乎没有变化，从各透镜单元301射出并重叠的光的亮度在面内不均匀的情况几乎没有。
如图5所说明的那样，偏振光转换元件4基于透过X方向的透镜单元301的边界附近的周边部的周边光L2而射出P偏振光。然而，P偏振光由于不被用作照明光，因此即使在透镜单元301的端部存在“松弛”或者“缺口”的形状误差，也不会对投射到屏幕的图像的质量产生不好影响。
如图4所示，Y方向的透镜单元301的边界虽然以与1/2波长板45交叉的方式对置，但在Y方向上相邻的透镜单元301的边界上不存在台阶。因此，透过Y方向的透镜单元301的边界附近的周边部的周边光也不会对投射到屏幕上的图像的质量产生不好影响。
在本实施方式中，多个透镜单元301以使从各自的透镜单元301射出的各部分光束彼此重叠的方式向X方向以及Y方向双方偏心。因此，投射型图像显示装置100在偏振光转换元件4的后级不需要用于使各部分光束重叠的聚光透镜5。通过设为省略聚光透镜5的构成，能够减少部件数量，通过光透过聚光透镜5，明亮度也不会降低。
本发明并不局限于以上说明的本实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更。本发明的投射型图像显示装置只要是包括一对复眼透镜和偏振光转换元件的构成即可，比偏振光转换元件靠后级的构成不受特别限制。
符号说明
1…光源；
2…第一复眼透镜；
3…第二复眼透镜；
4…偏振光转换元件；
41…反射面；
42…偏振光分离面
43…非偏振光转换区域；
44…偏振光转换区域；
45…1/2波长板；
201、301…透镜单元；
301a、301b、301c、301d…端部。

Claims (2)

1.一种投射型图像显示装置，依次包括：
第一复眼透镜，在第一方向和与所述第一方向正交的第二方向上排列多个第一透镜单元，多个所述第一透镜单元具有相同的高度，所述第一透镜单元在第一方向上不偏心，将所入射的光束分割为按照每个所述第一透镜单元的部分光束；
第二复眼透镜，在所述第一方向和所述第二方向上排列多个第二透镜单元，各个所述第二透镜单元与所述第一透镜单元以一对一的方式对应，多个所述第二透镜单元具有相同的高度，所述第二透镜单元在第一方向上偏心，通过各个所述第二透镜单元单独地对从各个所述第一透镜单元射出的各个部分光束进行聚光，其中，在所述第一方向上，随着从中央朝向端部，所述第二透镜单元的偏心程度会变大，并且在所述第二方向上，随着从中央朝向端部，所述第二透镜单元的偏心程度变大；以及
偏振光转换元件，在从所述第二复眼透镜入射的光所包含的第一偏振光与第二偏振光之中，射出被用作照明光的所述第一偏振光，将不会被用作照明光的所述第二偏振光转换为所述第一偏振光而射出，
在所述偏振光转换元件中，反射面与偏振光分离面以所述第二透镜单元在所述第一方向上的大小的1/2的间隔在所述第一方向上交替地形成，其中，所述反射面相对于从所述第二复眼透镜入射的光的入射面具有预定的角度，并对所入射的光进行反射，所述偏振光分离面具有所述预定的角度，并对所入射的光所包含的第一偏振光进行反射并使第二偏振光透过，
所述偏振光转换元件的光的射出面中被所述反射面与所述偏振光分离面夹着的区域在所述第一方向上被交替地设为贴有1/2波长板的偏振光转换区域以及未贴1/2波长板的非偏振光转换区域，
所述1/2波长板与在所述第二方向上排列的所述多个第二透镜单元对置，
所述多个第二透镜单元在所述第一方向以及第二方向的各方向上偏心，
在所述第一方向上相邻的两个第二透镜单元的位于所述两个第二透镜单元的第一边界上的端部在所述第二复眼透镜的厚度方向上错开，从而在所述第一边界上存在台阶，
在所述第二方向上相邻的两个第二透镜单元的位于所述两个第二透镜单元的第二边界上的端部与所述第二复眼透镜的厚度方向一致，从而在所述第二边界上不存在台阶，
透过所述第二透镜单元的所述第一方向的中央部的中心光入射到所述偏振光分离面，所述偏振光分离面对所述中心光所包含的所述第一偏振光进行反射并使所述第二偏振光透过，
在所述偏振光分离面反射的所述第一偏振光所入射的反射面反射所述第一偏振光并使其从所述偏振光转换元件射出，透过了所述偏振光分离面的所述第二偏振光所入射的1/2波长板将所述第二偏振光转换为所述第一偏振光并使其从所述偏振光转换元件射出，
透过所述第二透镜单元的所述第一边界附近的周边部的周边光入射到所述反射面，所述反射面反射所述周边光，在所述反射面反射的所述周边光所入射的偏振光分离面对所述周边光所包含的所述第一偏振光进行反射并使所述第二偏振光透过，
在所述偏振光分离面反射的所述第一偏振光所入射的1/2波长板将所述第一偏振光转换为所述第二偏振光并使其从所述偏振光转换元件射出，透过了所述偏振光分离面的所述第二偏振光所入射的其他反射面对所述第二偏振光进行反射并使其从所述偏振光转换元件射出。
2.根据权利要求1所述的投射型图像显示装置，其中，
所述多个第二透镜单元在所述第一方向以及第二方向的各个方向上偏心，以使从各个所述第二透镜单元射出的各部分光束彼此重叠。
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