CN1178102C - 背投式显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供能使显示装置自身的深度薄型化的背投式显示装置，该装置由光学发动机2、配置在容易一体保持位置的第1、第2、第3反射镜3、4、5、第4反射镜6、折返光束用的平面反射镜7、及屏幕8构成。

Description

背投式显示装置

技术领域

本发明涉及背投式显示装置，该装置在屏幕的背面接受来自图像投影装置(光学发动机)的投影图像，朝着位于屏幕正面的观众发出图像光。

背景技术

第10图为表示现有的背投式显示装置的概略构成图。该背投式显示装置由装在框体101内的图像投影装置(光学发动机)102、投影透镜103、反射镜104、透过式漫散屏幕105构成。图像投影装置102射出的投影图像光，靠投影透镜103放大，再由反射镜104反射，射入透过式漫散屏幕105的背面。观众能在漫散屏幕105的正面位置看见图像。这种背投式显示装置与以显像管为画面的结构相比，具有能将画面做得更大的优点。

在上述构成中，为将画面做大，需要使用具有高放大倍数的投影透镜103、或加长从图像投影装置102至屏幕105间光程距离。现状是靠投影透镜放大倍数是有限度的，另外，在设置放大倍数大的投影透镜时，由于反射镜的配置结构，框体101的深度增大，招致产生难以薄型化的问题。再有，在加长从图像投影装置102至屏幕105的光程距离的情况下，同样也存在着框体101的深度加大，难以做薄的问题。

另一方面，作为以往的背投式显示装置的一个例子，在特开平10-111458号公报(Int.CI.G02B17/00)中记载有具备由3块曲面形状反射镜构成的成像系统。

该成像系统由具有球面凹形反射面的第1反射镜、有非球面凸形反射面的第2反射镜、有非球面凸形反射面的第3反射镜构成，由液晶屏作光调制后的图像光由第1至第3反射镜依次进行反射后，照射在屏幕上。

因第1-第3反射镜将光程折叠，所以有可能期望做得薄些。

但在为了做得更薄而将图像光斜对着屏幕，即，将图像光的主光线相对屏幕的法线倾斜地照射时，仅靠第2及第3反射镜的非球面成分，很难进行足以校正象散、慧差等象差面的反射镜放大倍数配置。

另外，因为由前述第1-第3的反射镜组成的成像投影反射镜部分为具有与一般的投影透镜相同作用的光学部件，所以在考虑到本装置的装配工序的调试作业效率、各反射镜安装位置精度的保持及防尘效果时，希望使各反射镜间隔缩短、保持在一体型的支持体上。

但是，因为各第1-第3反射镜靠近设置在装置的框体前面或背面，当各反射镜以一体式机构保持时，因保持机构大型化，所以使用一体式机构的保持及防尘用机构的配置存在困难。

例如，对于配置在光学发动机内的图像显示用液晶屏使用对角线尺寸1寸左右的器件、放大投影在50英寸屏幕上的背投式显示装置，考虑到各反射镜的放大倍数配置及MTF等成像性能时各反射镜间隔为20-30cm左右，所以，各反射镜的一体式保持就很困难。在虑及背投式显示装置装配时的效率、反射镜安装精度的维持及防尘效果时，存在更多的问题。

再有，在通常的将反射镜组合成的反射成像光学系统中最大的问题之一是存在着反射光束与装置内构件之间的干涉。由3片反射镜构成的场合，通过第1反射镜与第2反射镜之间的光束因为靠近光学发动机上部，所以有可能与前述图像形成部保持机构发生干涉，制约了机构设计及反射镜光学系统设计。

本发明是为了解决上述问题点所作，目的在于使显示装置自身的深度做得更薄。

还有，本发明之目的在于提供图像光可以在不被光学发动机等遮挡的情况下，供给放大投影系统的背投式显示装置。

另外，本发明之目的在于：提供第1反射镜不是做成制造困难的非球面形状，在此情况下实现相对屏幕成某一角度投影，以实现薄型化的背投式显示器。

发明的公开

本发明之特征在于，具备：具有通过对来自包括光源在内的照明单元的光束作空间强度调制而形成图像信息的图像形成部的光学发动机部，为接收来自该光学发动机部的光束而与光学发动机部相对配置的具有凹面形状的第1反射镜、与该第1反射镜相对配置的具有凸面形状的第2反射镜，与该第2反射镜相对配置的具有凸面形状的第3反射镜，与该第3反射镜相对配置的、具有凸面形状的第4反射镜，与该第4反射镜相对配置的平面反射镜，以及显示来自前述平面反射镜的图像用的屏幕，将前述第2反射镜设置在光学发动机部的上部附近并在前述光学发动机部的第1反射镜一侧，前述第1、第2、第3反射镜由一体式支持机构来保持。

如上所述，本发明将新的曲面反射镜设置在光学发动机的上部附近位置，采用全部4片曲面反射镜的结构，所以能避免反射镜间反射的光束与前述光学发动机发生干涉。另外，通过靠一体式机构保持新设置在光学发动机附近的反射镜和其前后的反射镜，能提高装置装配效率、反射镜安装精度和防尘效果。

本发明的背投显示装置是从屏幕正面观看图像的背投式显示装置，包括根据图像信息对来自光源的光进行光学调制并发射该调制后的光的光学发动机，以及投影手段，其用于通过多个反射镜将光学发动机发出的光放大并将其以某一角度投影到屏幕的背面，多个反射镜包括至少一个曲面反射镜。辅助透镜配置在通向曲面反射镜的路径上且更靠近光学发动机，用于校正来自光学发动机的光首先照射到的曲面反射镜的像差。

通过这样的构成，从光学单元射出的图像光能由包含曲面反射镜和辅助透镜的投影手段进行放大和像差校正，并以某一角度入射屏幕面。并由辅助透镜校正最先照射到光学发动机发射的光且要求最高精度的曲面反射镜的放大率。虽然来自光学单元的图像光当前进到靠近屏幕时被依次放大，但是因辅助透镜被安置在光学单元和曲面反射镜之间(此处通过的光束最小)，故辅助透镜可以做得小。

本发明的投影手段具备：将凹面对着来自光学发动机的光束的第1曲面反射镜、凸面对着来自该第1曲面反射镜的光束的第2曲面反射镜、凸面对着该第2曲面反射镜来的光束的第3曲面反射镜、将光束从第3曲面反射镜引入屏幕背面的第4反射镜、以及配置在从光学发动机向着第1曲面反射镜的光程中的辅助透镜。

采用这样的构成，光学单元射出的图像光穿过辅助透镜依次被第1曲面反射镜、第2曲面反射镜、第3曲面反射镜反射，照射到屏幕上。

另外，其特征在于：第1曲面反射镜的反射面为球面状，辅助透镜为非球面状。

采用这样的构成，可以高精度地形成第1曲面反射镜的球面状的反射面，同时能高精度地形成补偿该非球面成分的辅助透镜。这是因为曲面反射镜的反射面为球面状，另外，辅助透镜的形状比较小，所以，靠以往就应用的研磨法能高精度地形成。

另一个特征是第2及第3曲面反射镜的曲面为非球面状。

这是因为第2及第3曲面反射镜此第1曲面反射镜大，并且面精度较前稍低，所以能用以往就应用的研磨法形成。

附图的简单说明

第1图为表示本发明的实施例1涉及的背投式显示装置概略构成的断面图。

第2图为表示第1图的背投式显示装置的光学发动机概略构成的构成图。

第3图为表示将第1至第3反射镜一体地保持在支持部件上的状态一示例的斜视图。

第4图为表示第1图的背投式显示装置的屏幕构成的放大断面图。

第5图为表示图1的背投式显示装置的反射镜光学构成的图表。

第6图为表示本发明的实施例2涉及的背投式显示装置概略构成的断面图。

第7图为表示图6的背投式显示装置的反射镜和辅助透镜光学构成的图表。

第8图为实施例1应用于具有50英寸屏幕的背投式显示装置时的概略断面图。

第9图为具有用光学发动机构成50英寸屏幕的背投式显示装置的概略断面图，图中光学发动机用透镜构成。

第10图为表示以往的背投式显示装置概略构成的断面图。

实施本发明的最佳形态。

[实施例1]

第1图为表示本发明的背投式显示装置概略构成的断面图，第2图为表示在第1图的背投式显示装置中光学发动机概略构成的构成图，第3图为将第1至第3反射镜一体地保持在支持部件上状态之一例的立体图，第4图为表示第1图的背投式显示装置屏幕构成的放大断面图。

本实施例1中的背投式显示装置如图1所示，具备生成图像光的光学发动机2、被该图像光照射形成图像的屏幕8、将光学发动机2射出的图像光导至屏幕8的投影光学系统、及将上述部分一体化保持的框体1。

投影光学系统由具有放大投影及成像性能并配置在同一轴上的非球面反射镜构成的第1至第4反射镜3、4、5、6，以及为了折叠图像光而与光轴垂直地配置的平面反射镜组成的第5反射镜7所构成。

该实施例1的特征在于，由3个非球面反射镜和1个球面反射镜的放大率的最佳设置代替2个非球面凸形反射镜和1个非球面凹形反射镜来实现放大、投影和成像的功能。

第1反射镜3的反射面呈非球面的凹状，其反射面配置成与光学发动机2射出的图像光相对。第2反射镜4呈球面的凸状，在框体1内配置在与第1反射镜3相对的位置。第3反射镜5呈非球面的凸状，在框体1内配置在与第2反射镜4相对的位置。第4反射镜6与第3反射镜5一样呈非球面的凸状，配置在第3反射镜5与屏幕8之间。第5反射镜7为平板状，在第3反射镜5的上方且与屏幕8平行配置。

光学发动机2如图2所示，为所谓三板式结构，具备：有反射镜21a的金属卤化物灯21、有选择地反射与红色对应波段的光而透过除此之外波段光的第1分色镜22、有选择地反射与绿色对应波段的光而透过除此以外波段光的第2分色镜23、根据图像信息对这些用第1及第2分色镜22、23分色后的各色光进行光学调制的第1至第3的液晶屏27r、27g、27b，及将由这些第1至第3液晶屏27r、27g、27b调制后的各色光合成的分色棱镜28。

从金属卤化物灯21射出的白光用反射镜21a反射，用UV/IR滤色镜(图中未予示出)滤去紫外线及红外线后，以45度角对第1分色镜22照射。

在第1分色镜22，有选择地反射所照射的白光中的红色成份的光(以后称红色光)。被反射的红色光被第1反射镜24反射后，照射在第1液晶屏27r上，该红色光在第1液晶屏27r上实施与红色的图像信息对应的光学调制后，入射到彩色合成用分色棱镜28。

另一方面，剩余颜色成分的光透过第1分色镜22后以45度角照射到第2分色镜23。

第2分色镜23有选择地反射被照射的光中绿色成分的光(以下称为绿色光)，照射第2液晶屏27g，该绿色光在第2液晶屏27g实施与绿色的图像信息对应的光学调制后，射入彩色合成用的分色棱镜28。

另外，穿过第2分色镜23的蓝色成分的光(以下称蓝色光)被第2及第3反射镜25、26依次反射后，照射在第3液晶屏27b上。在第3液晶屏27b实施与蓝色的图像信息对应的光学调制后，照射在彩色合成用分色棱镜28上。

然后，射入分色棱镜28的各色光被彩色合成，作为彩色的图像光射出。

如图1所示，从分色棱镜28射出的图像光向右上方斜向射出。照射在非球面凹形的第1反射镜3上。照射第1反射镜3的图像光在球面凸状的第2反射镜4、非球面凸状的第3反射镜5和非球面凸状的第4反射镜6上依次反射，再照射到平板状的第5反射镜7。这时，照射到第5反射镜7的图像光由于与第1至第4反射镜3-6对应的透镜作用，被进行图像光的象散、慧差等的象差修正，同时亦被放大。然后，被第5反射镜7反射的图像光照射在屏幕8背面一侧，在那里形成图像。

屏幕8如图4所示，由丙烯基树脂构成的夫累涅尔透镜(Fresnel lens)屏幕81和双凸透镜屏幕(lenticular lens)82构成。夫累涅尔透镜屏幕81为其图像光入射侧表面呈平面而出射侧表面有多个环状凸起的屏幕。双凸透镜屏幕82为其图像光入射侧表面形成平面而出射侧表面形成有多个半园锥体状凸起的屏幕。

然后，第5反射镜7反射的图像光以某一角度对着夫累涅尔透镜81的背面照射后，借助其透镜作用对角度修正后再射出。从夫累涅尔透镜射出的图像光照射在双凸透镜屏幕82的背面，借助其扩散作用形成图像。

如上所述，在3片非球面反射镜结构的情况下，因为通过第1反射镜及第2反射镜间的光束靠近光学发动机部2的上部，有可能与图像形成部保持机构产生干扰，制约了机构设计及反射镜光学系统设计。

而在实施例1中，在维持投影反射镜部性能的情况下，根据最佳放大倍数分配采用4片反射镜的结构，解决了前述问题。实现上述课题用的限制条件如下所示：

D/H≤0.65            (1)

3.2≤f₁₂₃/fa≤4.3   (2)

d1+d2≤D             (3)

式中

D：从背面反射镜到屏幕间距离

H：屏幕高度

f₁₂₃：第1、第2、第3反射镜的合成焦距

fa：全焦距(第1-第4反射镜的合成焦距)

d1：第1反射镜—第2反射镜间距离

d2：第2反射镜—第3反射镜间距离

上述条件式(1)、(2)为该投影反射镜方式薄型化的可能条件。条件式(3)为通过第1、第2、第3反射镜3、4、5靠近能一体保持的配置条件。

根据上述构成，因为3片反射镜3、4、5变成靠近配置，就能使用图3所示的一体式支持机构30。第1反射镜3、第2反射镜4、第3反射镜5三片反射镜固定在支持体30上。

支持本体30有让光学发动机2来的光束通过的窗口部31。在对着该窗口部取入光束的位置上设置安装非球面凹形的第1反射镜3用的支持部30a。设置安装有球面凸形的第2反射镜4的支持部30b，使得和该第1反射镜3相对配置，并位于前述光学发动机2的上部。设置支持部30c，在其上安装具有与该第2反射镜4相对配置的非球面凸形的第3反射镜5。

通过分别将三片反射镜3、4、5固定在该支持本体30的各支持部30a、30b、30c上，就能高精度地安装各反射镜。

这样采用支持本体30对提高装置的装配效率和维持反射镜安装位置精度是有利的。

另外，采用该构成，因为来自第1反射镜3的反射光在行将到达光学发动机2之前用第2反射镜4再次反射，故通过光学发动机2上部的光束再向上方移动，从而能大幅度地确保光学发动机2上部的机构间隙。通常在光学发动机2上具备安装图像形成元件用的调整机构等，大多突出在光学发动机2的上部。采用本实施例1，在前述调整机构等机构设计及控制光束、考虑到避免干扰的反射镜设计方面是有利的。

另外，通过在图3的一体式保持机构上部配置防尘板，能防止因粘附尘埃等引起图像对比度下降。防尘板采用透明材料制成，并不阻断光路。

另外，在本实施例1，迄今尚未言及曲面反射镜形状，本来反射镜形状为使光束反射的有效面积尺寸即可，但从反射镜的加工成本考虑，圆形要比长方形更为理想。

以上就本发明的第1实施形态作一叙述，根据本发明所设计的图1的具体成像系统的构成数据示于第5图。Fa为全系统焦距，d1、d2、d3为第1-第2、第2-第3、第3-第4的反射镜中心的直线距离。在各表面的数据中，表面编号分别与第1、2、3、4、反射镜对应，f为各反射镜的焦距。另外，K、A、B、C、D与表示非球面反射镜形状的算式1的非球面式的各系数相对应。该第5图所示的为设：fa＝10.6、d1＝74.5、d2＝104.5、d3＝252.5、Fno＝6.3时的构成数据。

(算式1)

$Z=\frac{c{h}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{h}^2}}+A{h}^4+B{h}^6+C{h}^8+D{h}^{10}$

如上所述，采用该实施例1，在具备反射式成像光学系统的背投式显示装置上，能避免反射镜所反射的光束与光学发动机的干扰。另外通过将在光学发动机附近的反射镜和在其前后构成的反射镜一体地保持，从而能提高装置装配效率、反射镜的安装精度及可以配置防尘机构。

[实施例2]

第6图为表示本发明的实施例2涉及的背投式显示装置概略构成的断面图。

本实施例2的背投式显示装置如第6图所示，具备生成图像光的光学发动机2、被该图像光照射形成像的屏幕8、将从光学发动机2射出的图像光引导至屏幕8的投影光学系统、及将这些部件一体保持的框体1。

投影光学系统由第1、第2及第3反射镜3a、5a、6a、及辅助透镜9构成。

第1反射镜3a的反射面呈球面的凹面形状，配置成其反射面与光学发动机2射出的图像光相对，第2反射镜5a(相当于实施例1的第3反射镜5)呈非球面的凸面形状，在机体1内，配置在与第1反射镜3a相对的位置上。第3的反射镜6a(相当于实施例1的第4反射镜6)与第2反射镜5a一样呈非球面的凸面形状，在框体1内配置在第1反射镜3a与屏幕8之间。第4反射镜7(相当于实施例1的第5反射镜7)呈平板状，在第2反射镜5a的上方与屏幕8平行配置。

光学发动机2与上述实施例1一样，如图2所示是所谓三板式的结构。

从分色棱镜28射出的图像光如图6所示，向左上方斜向射出，透过非球面形状的辅助透镜9，照射在球面凹状的反射镜3a上。照射第1反射镜3a后的照射光依次被非球面凸状的第2及第3反射镜5a、6a反射，再照射在平板状的第4反射镜7上。这时，照射在第4反射镜7上的图像光由于与第1、第2、第3反射透镜3a、5a、6a和辅助透镜9的形状对应的透镜作用，被进行图像光的象散、慧差等象差修正，同时被放大。这里，第1、第2、第3反射镜3a、5a、6a和辅助透镜9设计成具有和图7所示的光学结构。

然后，第4反射镜7反射的图像光照射在屏幕8的里面侧，在那里形成像。

第4反射镜7反射的图像光以某一角度对着夫累涅尔透镜屏幕81的里侧面照射后，借助其透镜作用修正角度后再射出。从夫累涅尔透镜射出的图像光照射在双凸透镜屏幕82的里侧面，利用其扩散作用而形成图像。

这样，采用本实施例2，因为使辅助透镜9具有对精度要求最严的第1反射镜3a所要求的非球面成分，所以，用研磨等方法就能高精度地形成第1反射镜3a。

另外，在从光学发动机2射出之后依次放大的图像光中，因为在光束细的光学发动机2和第1反射镜3a之间配置了辅助透镜9，所以辅助透镜9能取比较小的形状，借助研磨等方法能高精度的制成。

再者，在本实施例2，作为投影光学系统是用球面凹状的第1反射透镜3a及补偿它的非球面形状的辅助透镜9、和非球面凸状的第2及第3的反射镜5a、6a所构成，但并不限于此，用三片以上的曲面反射镜亦可。

另外，在本实施例2，为了补偿第1反射镜3a的球面成分，将辅助透镜9配置在光学发动机2和第1反射镜3a之间，但也可配置在第1反射镜3a和第2反射镜5a之间，也可以配置在双方。

采用该实施例2，因为使辅助透镜具有对面精度要求严格的曲面反射镜所要求的非球面成分，所以通过研磨等能高精度地形成该曲面反射镜，就能提高装置的可靠性。

下面对实施例1应用于50英寸屏幕背投式显示装置时，以及具有使用光学发动机而构成的50英寸屏幕的背投式显示装置的尺寸关系进行说明，该光学发动机用透镜构成实施例1的第1至第3反射镜3、4、5所具有的放大投影及成像性能。第8图为实施例1应用在50英寸屏幕背投式显示装置时的概略断面图，第9图为具有使用以透镜构成的光学发动机而构成的50英寸屏幕的背投式显示装置的概略断面图。如第9图所示：光学发动机2a用透镜构成第1至第3反射镜3、4、5具有的放大投影及成像性能，用平面反射镜26反射来自该光学发动机2a的图像光，由非球面凸状的第4反射镜6进行反射，照射在平板状的第5反射镜7上。然后，由第5反射镜7反射的图像光照射在屏幕8的背侧面。在那里形成像。第8图示出的背投式显示装置与第9图示出的背投式显示装置中，在深度同样取320mm时，第8图示出的构成中高度为1400mm，与此相对，第9图示出的高度为1600mm。这样，用4片反射镜构成的该实施例1能实现小型化。

产业上应用的可能性。

如上所述：本发明适宜用于在屏幕的背面侧接受来自图像投影装置(光学发动机)的投影图像，朝着位于屏幕正面的观众发出图像光的薄型显示装置，能应用在大而薄的显示装置，大而薄的电视接收装置上。

Claims (6)

1.一种背投式显示装置，其特征在于，具备：具有通过对包含光源的照明部来的光束作空间强度调制而形成图像信息的图像形成部的光学发动机，为了接收该光学发动机部发出的光束而与光学发动机部相对配置、具有凹面形状的第1反射镜，与该第1反射镜相对配置的、具有凸面形状的第2反射镜，与该第2反射镜相对配置的、具有凸面形状的第3反射镜，与该第3反射镜相对配置的、具有凸面形状的第4反射镜，与第4反射镜相对配置的平面反射镜，以及显示来自前述平面反射镜的图像用的屏幕，前述第2反射镜设置在所述光学发动机部的上部附近并在前述光学发动机的第1反射镜一侧，所述第1、第2、第3反射镜由一体式的支持机构加以保持。

2.一种背投式显示装置，从屏幕正面观看图像，其特征在于所述显示装置包括：

光学发动机，用于根据图像信息对光源发出的光进行光学调制，并发射已调制的光；和

投影装置，用于放大来自所述光学发动机的图像光并通过多个反射镜将图像光以某一角度投影到屏幕背面，并且，

所述反射镜包括至少一个曲面反射镜，

一辅助透镜配置在通向曲面反射镜的路径上且更靠近光学发动机，用于校正来自光学发动机的光首先照射到的曲面反射镜的像差。

3.如权利要求2所述的背投式显示装置，其特征在于，

投影装置包括：第1曲面反射镜，其凹面与来自光学发动机的光束相对；第2曲面反射镜，其凸面与来自所述第1曲面反射镜的光束相对；第3曲面反射镜，其凸面与来自所述第2曲面反射镜的光束相对；第4反射镜，将光束从第3曲面反射镜引到屏幕的背面；辅助透镜，配置在从光学发动机到第1曲面反射镜的光路上。

4.如权利要求3所述的背投式显示装置，其特征在于，

第1曲面反射镜具有球面反射表面，而辅助透镜是非球面的。

5.如权利要求3所述的背投式显示装置，其特征在于，

第2和第3曲面反射镜具有非球面反射面。

6.一种从屏幕正面观看图像的背投式显示装置，其特征在于包括：

光学发动机，用于根据图像信息对光源发出的光进行光学调制，并发射已调制的光；和

投影装置，用于放大来自光学发动机的图像光并通过多个反射镜将图像光以某一角度投影到屏幕背面，并且，

所述反射镜包括至少一个曲面反射镜，

至少一个辅助透镜被配置在更靠近光学发动机处，具有曲面反射镜的功能并用于校正曲面反射镜的像差，

来自透镜的图像光通过反射镜被送至曲面反射镜，以放大所述图像，以及

由所述反射镜将已放大的图像光引到屏幕背面。

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