CN1131783A - 投射型图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种采用小型光阀、尤其是液晶光阀的投射型图像显示装置。它采用椭圆镜作反射镜，该椭圆镜具有位于椭圆镜近侧的第一焦点和位于椭圆镜开口部侧的第二焦点这两个焦点，设自第一焦点至光阀有效光束高度决定部分所在处的距离为L、第一焦点与第二焦点间的距离为2C，在连结椭圆镜和光阀的光轴上，满足0.6≤L/C≤1.1的关系。具有高辉度、高对比度及均匀性的优点。

Description

投射型图像显示装置

本发明涉及采用光阀的投射型图像显示装置。

以往，作为显示高分辨率和高辉度的大画面的显示装置，以通过调制光源的光而得到投射像的光阀方式为主。

其中，由于能把装置本体制成小型且不需特别的维护管理，因而几乎都采用用液晶板作为光阀的装置。采用该液晶板的投射型图像显示装置为了具有良好图像质量、良好的光利用率及易于采取热对策等的系统设计，作为光阀，主要是采用具有非晶型硅控制手段的、对角线长为2.8-3.2英寸的液晶板的装置。

这种以往的具有非晶型硅液晶板及光学部件的的价格即使大批量生产，在工艺方法方面也难于廉价。

由此，上述以往的投射型图像显示装置的成本变高。结果，不能广泛普及为民用。

另一方面，也考虑采用具有多晶硅控制手段的液晶板作为光阀的投射型图像显示装置。

与非晶型硅相比，由于多晶硅能加工成高密度，液晶光阀可能小型化，同时也可以提高图像的像素数及开口率。所谓开口率是除去保护配线等的黑底这些无效部分后的有效部分相对于液晶光阀有效范围的比率。

例如，采用多晶硅的液晶面板能小型化为采用非晶型硅的液晶面板约1/2以下的尺寸。

从而，周围的光学系统也能小型化，其结果是能以较低廉的价格向市场提供装置。

但是，在以往的采用2.8英寸至3.2英寸范围的对角线长度的液晶面板的图像显示装置的光学系统中，采用抛物面镜作为照明手段的反射镜。

采用这种液晶面板的图像显示装置具有下述课题。

其一，反射镜做得小同时光源的发光部也小时，光源的寿命和发光效率低下。

由此，与反射镜的尺寸相比，光源的发光部必须做得相对大。

其结果是，反射镜的聚光效率显著降低。

其二，光源的发光部和反射镜的间隔变短。由此，反射镜温度升高，其结果是不能确保反射镜的可靠性。

提出了如图9所示的、采用抛物面镜114作为反射镜的投射型图像显示装置的方案。

图9中，在光轴轴线103上，设置光源102，在该光源102的后方，设置抛物面镜114。

聚光透镜109设置在与光阀107相离的位置上，将来自抛物面镜114的光会聚入射至光阀107。

自光源102射出的光，顺次通过抛物面镜114、聚光透镜109、入射侧偏振光板106、光阀107、出射侧偏振光板108及投射透镜110，然后显示在屏(未图示)上。

在这种构成中，投射透镜的F值(光圈数值)(表示透镜亮度的数值)必须制得达到明亮的值(例如约2.8)。

在使F值为明亮值时(即F值制得小时)，投射透镜101和抛物面镜114的轴偏调整变得困难，设计的自由度变小。

另一方面，自抛物面镜114至聚光透镜109的光路变长，又，投射透镜110的F值小，因而途中光路变长。

其结果是，投射图像显示装置的小型化变得困难。

再者，如图10所示，也可考虑采用椭圆镜作为反射镜的构成。

图10中，光源202设置在光轴轴线203上，椭圆镜204设置在其后方。

自光源202出射的光顺次通过准直透镜215、入射侧偏振光板206、光阀207、出射侧偏振光板208、聚光透镜209、投射透镜210，显示在屏(未图示)上。

采用具有氙光源之类的小发光部的光源作为光源202。

第二焦点设计在椭圆镜204的开口部附近。

反射至椭圆镜204的光，由准直透镜215，控制成任意大小的光束，入射至光阀207。

在这种构成中，存在聚光效率提高少且图像周边部的光通量比中心部光通量显著减少、图像亮度不均匀之类的问题。

本发明是为解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种具有高辉度、均匀亮度、高对比度的图像，同时可小型化的光阀式的投射型图像显示装置。

本发明的投射型图像显示装置由照明手段、通过控制自该照明手段射出的光而形成图像的图像显示手段、投射该图像显示手段的图像的投射手段构成。

所述照明手段由光源、把由该光源射出的光反射至期望方向的反射镜构成。

所述图像显示手段具有通过来自外部的输入信号，控制照明手段出射光的光阀。

所述投射手段具有控制来自图像显示手段的光的投射透镜。

所述反射镜是具有开口部的椭圆镜。该椭圆镜具有位于该椭圆镜近侧的第一焦点和位于该椭圆镜开口部侧的第二焦点。

设自第一焦点至第二焦点的距离为2C，椭圆镜的2个焦点中的所述第一焦点至决定光阀有效光束高度的部分所在处止的距离为L，则L和C满足下述(1)式：

0.6≤L/C≤1.1             (1)

通过上述构成，能得到具有高辉度、均匀亮度、高对比度的图像，同时可小型化的光阀式的投射型图像显示装置。

最好椭圆镜的椭圆率E在0.95至0.97的范围内。最好在形成椭圆镜的椭圆的短轴方向的最大直径为2B、光阀的有效光束高度确定部分的最大直径D时，两者具有(2)式的关系：

1.9≤B/D≤2.5             (2)

最好是光源的发光部在椭圆镜的光轴方向具有2.5mm的大小。

希望投射透镜的F值在3.0以上。

希望在形成椭圆镜的椭圆的长轴方向的最大直径为2A、椭圆镜两个焦点间距离为2C时，A和C具有下述(3)式关系：

8.0mm≤A-C≤11.0mm             (3)

希望光源的发光部其构成是：在椭圆镜的光轴方向具有长的形状，以第一焦点为中心，至第二焦点侧的长度和至其相对侧的长度的比率为2比1以上，偏向于第二焦点侧。

希望光阀是采用液晶的光阀，通过电气控制该液晶而显示图像。

通过上述构成，能得到具有更为优越特性的投射型图像显示装置。

下面，结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一实施例的投射型图像显示装置主要部分的构成图。

图2是本发明一实施例的投射型图像显示装置的照明手段的说明图。

图3是本发明一实施例的投射型图像显示装置的光阀表面的照度分布图。

图4是表示本发明一实施例的投射型图像显示装置的光阀面上的入射位置和入射角关系的模拟图。

图5是表示聚光效率及周边光通量相对于椭圆镜的焦点距离和光阀位置的关系的曲线图。

图6是表示聚光效率相对于椭圆镜的椭圆率的曲线图。

图7A是采用抛物面镜的以往的投射型图像显示装置的主要部分的构成图。

图7B是说明示于图7A的以往的投射型图像显示装置的照明状态的图。

图7C是示于图7A的以往的投射型图像显示装置的照度分布图。

图8A是采用在光阀的入射面附近具有第二焦点的椭圆镜的以往的投射型图像显示装置动作的说明图。

图8B是示于图8A的以往的投射型图像显示装置的照度分布图。

图9是采用抛物面镜的以往的投射型图像显示装置主要部分的构成图。

图10是采用点光源和椭圆镜的以往的投射型图像显示装置主要部分的构成图。

图中，1是照明手段，2是光源，3是光轴，4是椭圆镜(反射镜)，5是紫外线截光滤光片，6是入射侧偏振光板，7是光阀，8是出射侧偏振光板，9是聚光透镜，10是投射透镜，11是屏幕，12是椭圆镜的第一焦点，13是椭圆镜的第二焦点，15是准直透镜，16是抛物面镜的照明范围，17是光阀的有效范围，18是椭圆，102，202是光源，103、203是光轴，114、314是抛物面镜，204、404是椭圆镜，106、206是入射侧偏振光板，107、207是液晶光阀，108、208是出射侧偏振光板，109、209是聚光透镜，110、210是投射透镜。

下面，参照图面说明本发明的一个实施例。

图1是本发明的投射型图像显示装置一个实施例的主要部分的构成图。图1中，在光轴3上，依次配置照明手段1、紫外线截光滤光片5、入射侧偏振光板6、光阀7、出射侧偏振光板8、聚光透镜9、投射透镜10、屏11。

照明手段1由光源2和椭圆镜4构成。椭圆镜4设置在以光轴3为旋转对称轴的位置上。该椭圆镜4是把由光源2射出的光反射至期望方向的反射镜。

自照明手段1出射的光中的紫外线成分由紫外线截光滤光片5去除。已去除紫外线的光入射至入射侧偏振光板6，然后，与该入射侧偏振光板6的吸收轴方向相同振动方向的光成分被吸收，仅振动方向与该吸收轴成90度角度的光成分透过。

透过入射侧偏振光板6的光入射至光阀7。使用在电气上、光学上具有活性的液晶作为构成光阀7的材料。

光阀7具有相应于来自外部的输入信号可各自独立控制的多个开口部。

使用多晶硅或非晶型硅薄膜的电气控制手段作为传递输入信号的手段。

输入信号显示黑时，入射至液晶光阀7的光，其振动方向控制成与出射侧偏振光板8的吸收轴相同的方向，由此，透过光阀7的光，由出射侧偏振光板8吸收，其结果是透过的光不自该板射出。

另一方面，输入信号显示白时，入射至光阀7的光，其振动方向控制成与出射侧偏振光板8的吸收轴方向成90度的方向，由此，透过光阀7的光，透过出射侧偏振光板8。

这样，由紫外线截光滤光片5、入射侧偏振光板6、光阀7及出射侧偏振光板8构成图像显示手段，通过该图像显示手段形成受控光的图像。

透过出射侧偏振光板8的光，通过投射手段，投射至屏。即，透过出射侧偏振光板8的光，由聚光透镜9聚光至投射透镜10。通过该投射透镜10的光，放大由光阀7形成的图像并投射至配置在投射透镜10前方的屏11上。

在这种采用光阀的投射型图像显示装置中，为了得到最佳的投射图像，必须满足下述的高辉度、均匀亮度及高对比度等全部要素。

(1)高辉度

来自光源2的光高效聚光至光阀7的有效开口部且该聚集的光能导至投射透镜。

(2)均匀亮度

投射至屏的图像的中心部与周边部的亮度差小，同时直至屏面角落都是明亮的。

(3)高对比度

入射至光阀7的有效开口部的光及通过聚光透镜9入射至投射透镜10的光，其入射角范围使对比度不低于它与光阀7的入射角的依赖关系所要求的值。

图2是示于图1的投射型图像显示装置的照明手段的详细说明图。

图2中，椭圆镜4的形状是在椭圆18的预定部位具有切开的开口部。

椭圆镜4，在光轴3上具有位于椭圆镜侧的第一焦点12及位于椭圆镜开口部侧的第二焦点13两个焦点。

在第一焦点12附近设置光源2。自光源2射出的光，由椭圆镜4反射到该镜的开口部侧。

第一焦点12至第二焦点13的距离为2C时，第一焦点12至光阀7的有效开口部入射光束高度决定处的距离L满足(1)式关系：

0.6≤L/C≤1.1                  (1)

在这样的构成中，能得到具有高辉度、均匀亮度及高对比度的全部要素并小型化的投射型图像显示装置。

L/C为0.6以下时，入射角大，维持高对比度的作用小且聚向开口部的聚光效率变小。

L/C为1.1以上时，中心的光量增加，周边的光量减少，因而取得均匀亮度的效果变差。

尤其，希望椭圆镜4的椭圆率E在0.95至0.97范围内。通过这种构成，上述性能能显著提高。

E不足0.95时，由于难于聚光至小的面积，提高聚光效率的效果小。

E为0.98以上时，因为入射角变大，高对比度效果变小。

作为椭圆镜4的材料，没有特别的限制，例如，可使用具有镜面表面的玻璃、金属或陶瓷。

尤其，在形成椭圆镜4的椭圆18的短轴方向的最大直径为2B，光阀7的有效开口部入射光束高度决定部分的最大直径为D时，希望做成在(2)式范围内。

1.9≤B/D≤2.5                     (2)

在做成满足上述条件时，作为反射镜的椭圆镜4的聚光效率显著提高。

又，即使在把具有金属卤化物灯之类的大形状发光部的光源用作为光源2时，通过抑制局部的高辉度，能得到更均匀的亮度。

B/D为1.9以下时，由于不是全部光均入射至开口部，因而提高聚光效率的效果变小。

B/D为2.5以上时，光难于射至周边部，周边部变暗，得到均匀亮度的效果变差。

光源2可使用在与光轴3平行方向上具有长度的发光管。发光管在中心部具有发光部，该发光部具有与电弧长(或电极长)成比例的长度。作为发光管可使用透明灯。

作为光源2，例如可使用金属卤化物灯或氙灯之类的放电管。

光源2的发光部的大小希望构成得使在与光轴3平行方向上具有2.5mm以上的大小。在这种构成中，能得到更均匀亮度的图像。

发光部的大小为2.5mm以下时，使入射至光阀表面的光的中心部与周边部的亮度差减少的效果就小。

光源2的发光部设置在椭圆镜4的第一焦点12附近，该发光部的大小希望做成在光轴3上以第一焦点12为中心，其第二焦点13侧的距离与相反侧的距离的比率为2比1以上。

通过这种构成，能得到高的聚光效率，同时，在屏上映出的图像的周边部的亮度显著提高。

发光部第二焦点13侧的距离与其相反侧的距离为2比1以下时，由于中心的光量增加，周边部的光量减少，得到具有均匀亮度的光阀的效果变小。

又，在本发明中，准直透镜不是必须的。

然后，说明具体的实施例。

在本发明的构成中，通过追踪自光轴3上的光源射出的光线，模拟入射至光阀7的入射面的状态，确定最佳的组合构成。

例如E＝0.96mm、D＝35mm、B＝77mm、L＝200mm、C＝200mm、A＝208mm、光源的发光部的光轴方向长度(电弧度)＝4.0mm、位于第一焦点的发光部长度比＝第二焦点侧的长度/椭圆镜侧的长度＝4/1、B/D＝2.2、L/C＝1时，表示光阀面上的入射位置(照明高度)和入射角关系的模拟结果示于图4。

图4表示通过椭圆镜焦点的中心轴上侧的椭圆镜，其一剖面的照明高度与入射角的关系。

由图4显然可见，主光在-20mm-+20mm的照明高度及入射角8度以内的范围内，可得到优良的性能。

即，通过上述构成，可能使入射至光阀7的有效开口部光的入射角变小。

因而，可抑制液晶所具有的对入射角依存性而引起的对比度的恶化。

结果，图像的对比度显著提高。

又，通过这种构成，即使在具有3.0以上F值(例如F＝3.5或4.0)的投射透镜构成的图像显示装置中，也能得到可实用的亮度。

其结果是，由椭圆镜4的开口部至投射透镜10止的距离能够缩短，因此能使装置整体小型化。

从而，有可能构成轴偏等的透镜设计自由度提高的变焦透镜的投射型图像显示装置。

又，在本实施例中，希望光阀7的有效开口部相对于椭圆镜4的开口部充分小。

原因是，光阀7的有效开口部与椭圆镜4的开口部大小大体相同时，光阀7的周边部的光量变得不足。

目前，在采用透过型液晶光阀的投射型图像显示装置中，为主的光源是120-250W的金属卤化物灯。

根据反射镜的可靠性，光源和反射镜间有必要保持一定的间隔。

因为，一般在反射镜的内表面施加反射膜，该反射膜在达到允许温度以上时剥离。

再者，反射镜本体可能会破碎。

因而，有必要通过在光源和反射镜之间设有一定的间隔从而成为可冷却的构造。

本实施例中，在形成椭圆镜4的椭圆长轴方向的最大直径为2A、第一焦点与第二焦点距离为2C时，通过实验发现，希望满足(3)式的关系：

8.0mm≤A-C≤11.0mm                   (3)

通过把光源的发光部与椭圆镜的反射面的距离设定成(3)式所示的关系，可防止由于反射面的温度上升引起的可靠性的降低。

又，通过使该值小，可使椭圆镜的开口部小，从而能使入射至光阀的光的入射角变小。

下面，说明具体的实施例和比较例。

具体的实施例。

本实施例的投射型图像显示装置的构成与示于图1和图2的构成相同。

其中，D＝40mm、L＝200mm、E＝0.96、B＝77mm、C＝200mm、A＝208.3mm、至光阀的有效入射角＝7.2度(相当于投射透镜的F值为4.0)、光源发光部的光轴方向长度＝4.0mm、光源的发光角＝90度、位于第一焦点的发光部的长度比＝第二焦点侧的长度/椭圆镜侧的长度＝4/1、L/C＝1、B/D＝1.93。

为了避免由光源产生的热引起的不良影响，自椭圆镜4的顶点至第一焦点12的距离(A-C)设计成8.3mm。

在这种构成中，椭圆镜4的聚光效率约为60％，与示于比较例1(后述)的抛物面镜相比，有显著提高。

又，与在第二焦点配置光阀的比较例2(后述)所示的构成相比，有大体相同的聚光效率。

又，光阀面的照度分布示于图3。

由图3显然可见，光阀表面中心部的照度与周边部的照度之差变小。即，光阀面的照度的均匀性显著改善。

下面说明希望式0.6≤L/C≤1.1成立的理由。

图5表示相对于L/C，聚光效率和周边光量比的数据。

图5中，取A＝250mm、D＝33mm、E＝0.96、电弧长＝4mm、第一焦点位置发光部的长度比＝2/1、入射角＜72，示出所模拟的数据。

由图5可知，从聚光效率和周边光量的均匀的观点来考虑，希望L/C值在0.6至1.1范围内。

图6是表示椭圆镜的椭圆率E与聚光效率关系的曲线图。

图6中，取A＝250mm、D＝33mm、L/C＝0.85、电弧长＝4mm、位于第一焦点处的发光部长度比＝2/1、入射角＜72度，示出模拟的数据。由图6可知，希望椭圆率在0.95至0.97范围内。

E＝0.972时，C＝242.5mm，因而(A-C)＝7.5mm，即如前述，可靠性提高的效果减小。

比较例1

与本发明对应，说明对于以往构成的投射型图像显示装置，聚光效率和照度分布的模拟结果。

采用抛物面镜作为反射镜的以往的投射型图像显示装置的主要部分的构成示于图7A。

图7A中，抛物面镜314用作反射镜。

它的其它构成与上述具体实施例相同。

为了避免由光源2产生的热引起的不良影响，抛物面镜的焦距设计成11mm。

这种图像显示装置的光阀面上的照明状态示于图7B。

图7B中，抛物面镜照明的照明范围16比光阀的有效范围17宽，聚光效率约15％。

即，由于不能有效入射至光阀的光变多，反射镜的聚光效率变低。

即，使用抛物面镜作反射镜，且使用小型光阀时，照射至小型光阀的聚光效率变差。

另一方面，光阀表面的照度分布示于图7C。

由图7C可见，光阀中心部与周边部的照度差小，照射均匀。

比较例2

采用椭圆镜作反射镜的以往的投射型图像显示装置的主要部分的构成示于图8A。

在图8A中，第二焦点设置在光阀7的光源2侧。即L/C约为2。

为了避免由光源2产生的热引起的不良影响，自椭圆镜404的顶点至第一焦点的距离设计为11mm。

光源配置于第一焦点位置，在第二焦点位置上配置光阀面。其它构成与上述实施例相同。

在这种构成中，椭圆镜的聚光效率约为50％。

但，光阀表面的照度分布示于图8B，由图8B可见，与光阀中心部相比，其周边部照度小，照明不均匀。

又，投射透镜光的透过率周边部比中心部低，因而屏上的中心与周边的照度比相差更大。

如上所述，椭圆镜构成反射镜且椭圆镜的自第一焦点至光阀有效光束高度决定部分的距离L、反射镜第一焦点至第二焦点的距离2C构成下列式(1)的关系时，能得到高辉度、高对比度、均匀性良好的图像，同时得到采用具有小面积有效部的小型光阀的投射型图像显示装置。

又，可能使装置小型化及由小型化带来成本降低。

0.6≤L/C≤1.1                  (1)

尤其，椭圆率E在0.95至0.97范围内的椭圆镜构成的投射型图像显示装置具有特别优良的上述效果。

又，形成反射镜的椭圆的短轴方向最大直径2B和光阀有效光束高度决定部分的最大直径D，具有下列(2)式关系而构成的投射型图像显示装置，其反射镜的聚光效率显著提高。

1.9≤B/D≤2.5                  (2)

再者，使用具有3.0以上F值的投射透镜的构成中，可得到能实用的亮度。

由此，可能构成进行轴偏的变焦透镜。其结果是，能得到透镜设计的自由度增大且功能及操作性显著提高的投射型图像装置。

本发明不限于实施例中所记载的构成。

例如，作为光阀不限于透过型的液晶，像反射型液晶板或微镜装置(小型镜集合体)等功能手段均可用作光阀。

又，照明光学系统的光轴对投射光学系统光轴偏移而构成的投射型图像显示装置也包含在本发明中。

Claims (8)

1.一种投射型图像显示装置，包括：

由具有发光部的光源、使光源的光向某一方向反射的反射镜构成的照明手段；

具有通过外部输入信号控制所述照明手段的光的光阀的图像显示手段；

具有投射透过所述图像显示手段的光的投射透镜的投射手段；

其特征在于：

所述反射镜是具有开口部的椭圆镜；

所述椭圆镜具有位于该椭圆镜近侧的第一焦点和位于所述椭圆镜的开口部侧的第二焦点这两个焦点；

所述发光部设置在所述第一焦点附近，在自所述第一焦点至所述光阀有效光束高度决定部分所在处的距离为L、所述第一焦点和第二焦点间的距离为2C时，所述光阀设置在连结所述反射镜和所述光阀的光轴上满足下式的位置上：

0.6≤L/C≤1.1

2.如权利要求1所述的投射型图像显示装置，其特征在于，所述椭圆镜的椭圆率E在0.95至0.97范围内。

3.如权利要求1所述的投射型图像显示装置，其特征在于，在形成所述椭圆镜的椭圆短轴方向的最大直径为2B、所述光阀有效光束高度决定部分的最大直径为D时，B和D具有下式所示关系：

1.9≤B/D≤2.5

4.如权利要求1所述的投射型图像显示装置，其特征在于，所述光源的发光部，在所述椭圆镜的光轴方向具有2.5mm以上的长度。

5.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述投射透镜的F值在3.0以上。

6.如权利要求1所述的投射型图像显示装置，其特征在于，在形成所述椭圆镜的椭圆的长轴方向的最大直径为2A时，A和C存在下式关系：

8.0mm≤A-C≤11.0mm

7.如权利要求1所述的投射型图像显示装置，其特征在于，以第一焦点为中心，所述光源的发光部，在所述第二焦点侧的距离和其相反侧距离的比率在2比1以上，靠近第二焦点侧。

8.如权利要求1所述的投射型图像显示装置，其特征在于，所述光阀是采用液晶光阀，通过电气控制该液晶，显示图像。

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