CN1181389C - 投影式图像显示设备 - Google Patents

Abstract

一种投影式图像显示设备，包括一可变光阑机构，适于调节从照明光学系统到投影透镜系统的光路中预定位置处的有效光通量直径的大小；和图像模式切换装置，用于控制可变光阑机构的操作。通过在较大和较小有效光通量直径之间进行切换，选择适合于在亮和暗周围环境中观看的相应图像模式。

Description

投影式图像显示设备

相关申请

本申请要求日本专利申请No.2001-299093(申请日为2001年9月28日)的优先权，该申请在此引作参考。

技术领域

本发明涉及一种投影式图像显示设备，如包括诸如液晶显示装置的图像显示器(image display means)和数字式微反射镜装置(下面称之为“DMD”)的视频投影器。更具体地说，涉及一种配备有诸如被投影图像的亮度和对比度的图像模式切换功能的投影式图像显示设备。

背景技术

取决于使来自光源的光携带图像信息的图像显示器的不同，已知有多种类型的投影式图像显示设备。

例如，使用由图像信号驱动的透射型液晶显示板作为其图像显示设备的透射型液晶投影器是已知的。这种透射型液晶投影器被设计成利用来自光源的光照射其透射型液晶显示板，使一部分光从中透过，从而使透射光携带图像信息，并由投影透镜将其会聚，从而将图像投影到屏幕上(日本未审查专利公开No.平10-206816等)。

另一方面，使用诸如铁电液晶器件(FLC器件)的反射型液晶显示板作为其图像显示器的反射型液晶投影器也是已知的。该反射型液晶显示板被设计成反射光源发出的一部分光，由此使反射光携带图像信息(日本未审查专利公开No.平10-48762等)。

使用包括若干光反射角可变的反射镜元件的DMD作为其图像显示器的投影器也是已知的，其中每个光反射角可变的反射镜元件适合于根据图像信号改变照射光的反射角，从而朝向投影透镜系统仅反射信号光。使用CMOS技术，在硅存储芯片上形成高反射率小矩形反射镜(反射镜元件)，其中每个小反射镜适合于根据图像信号在大约10°的范围内改变其倾斜，从而制成DMD。使用DMD的视频投影器被设计成，通过改变反射镜元件的角度来控制来自光源的光的反射方向，使得仅将所需要的反射光会聚在屏幕上，以便将图像投影在屏幕上(日本未审查专利公开No.平9-96867等)。

如上所述，取决于其中所使用的图像显示器的不同，可以将投影式图像显示设备分成多种类型，其共同的问题是获得易于观看的投影图像。

例如，为了易于在明亮的周围环境中观看投影图像，如使用内部照明增加其亮度。为了实现这个目的，已经提出了对图像显示器的改进，并且已经就照明和投影光学系统进行了多种尝试，以便有效地利用光源光。随着图像显示器最近的进展，尤其是DMD的出现，有可能显著地增加光源光的利用效率，从而允许极大地增大投影图像的亮度。

增大亮度，使得易于获得适于在亮室内进行观看的投影图像，因为即使对比度不很高，所产生的图像也易于观看。不过，如果保持其亮度，在暗室内将难以观看图像。因而，配备有具有切换开关的图像模式切换功能的投影式图像显示设备已经应用于实际中，适合于通过操作这种切换开关，在产生适于在亮室内观看的明亮的投影图像的图像模式与产生适于在暗室中观看的具有受抑制的亮度的投影图像的图像模式之间进行切换。

不过在上述图像模式切换功能中，直接对光源部分本身发出的光量进行调节，以便在图像模式之间切换，从而可能产生下面的问题。即，即使在图像较亮的情形中其对比度不太高时，能够获得易于观看的投影图像，不过除非在图像较暗时该投影图像的对比度较高，否则将难以观看投影图像。因此，在投影图像的亮度降低的情况下，要求增大对比度。然而在直接降低光源部分的发光量的系统中，难以增大对比度。

发明内容

鉴于上面的情形，本发明的目的在于提供一种配备有根据其周围环境是亮还是暗而切换图像模式的功能的投影式图像显示设备，在选择适合于在暗周围环境中进行观看的图像模式的情形中，能增大投影图像的对比度，同时降低其亮度。

为了实现上述目的，本发明提供一种投影式图像显示设备，包括一光源部分；一用于将来自光源的光输出为预定的照明光的照明光学系统；用于将来自照明光学系统的照明光转换成携带图像信息的图像显示光，并输出由此获得的图像显示光的图像显示器；一用于发射来自图像显示器的图像显示光，并将图像投影到图像投影表面上的投影透镜系统；和图像模式切换装置，用于根据对图像模式切换的设置，在适合于在亮环境背景中投影的第一图像模式与适合于在暗环境背景中投影的第二图像模式之间进行切换；该投影图像显示设备还包括一设置在从照明光学系统的内侧到投影透镜系统的内侧的光路的预定位置处的可变光阑机构，适合于调节该预定位置处的有效光通量直径的大小；其中该图像模式切换装置被设计成能控制可变光阑机构的操作；并且其中通过操作可变光阑机构实现图像模式切换，使得当选择第一图像模式时，有效光通量直径变大，当选择第二图像模式时，有效光通量直径减小。

该预定位置可以设置在照明光学系统内。

该预定位置可以设置在投影透镜系统内部或其附近。

可以由设置在照明光学系统内的第一可变光阑机构和设置在投影透镜系统内或其附近的第二可变光阑机构构成该可变光阑机构。

最好，该可变光阑机构包括一用于冷却可变光阑机构的冷却部分。

根据本发明的投影式图像显示设备还包括周围环境探测装置，用于探测周围环境的亮度，并根据探测结果设置图像模式切换。

作为图像显示器，可以使用数字式微反射镜装置。

附图说明

图1为表示根据本发明一实施例的投影式图像显示设备的示意性结构图；

图2A和2B分别为前视图和侧视图，表示图1中所示第一可变光阑机构的详细结构。

具体实施方式

下面，将参照附图详细解释根据本发明的投影式图像显示设备的实施例。

图1为表示根据本发明一实施例的投影式图像显示设备的示意性结构图。如图1所示，例如，使用该实施例的投影式图像显示设备1作为视频投影器，该投影式图像显示设备包括一光源部分2，一沿光轴方向设置在光源部分2上游的照明光学系统3，一沿光轴方向设置在照明光学系统3上游的图像显示器4，和一沿光轴方向设置在图像显示器4上游的投影透镜系统5。

照明光学系统3包括一色盘(a color wheel)31，用于随时间将来自光源部分2的光通量(白光通量)顺序地分解成R，G和B三种颜色；一棒形积分器32，用于使这种颜色分解的光通量的强度均匀；和一中继透镜33，对由具有这种均匀化强度的光通量进行中继(relaying)。照明光学系统3还包括一反射镜34，对由中继透镜33所中继的光通量进行反射；和一中继透镜35，对所反射的光通量进行中继，并将所中继的光通量朝向图像显示器4发出，从而被设计成将从光源入射的光通量转变成照明光，并将所产生的照明光朝向图像显示器4发出。

例如，使用DMD(数字式微反射镜装置)作为图像显示器4。由设置在基板上的非常大量(大约230万)的反射镜元件(每个均为矩形铝反射镜)构成反射镜面，而构成反射镜面的每个反射镜元件的反射方向可以单独地在两个方向(其间构成大约20°的角度)之间切换。利用每个反射镜元件作为一个象素，通过馈给DMD的图像信号(视频信号)的ON/OFF控制，实现反射方向的切换。在这种控制下，图像显示器4将从照明光学系统3入射的照明光转换成携带图像信息的图像显示光，并将所产生的图像显示光朝投影透镜系统5发出。

虽然没有绘出，该投影透镜系统5包括在透镜镜筒51内依次设置在光轴上的多个透镜，和一适合于沿光轴移动多个透镜、以便改变焦距从而改变图像放大率等的透镜移动机构，而从图像显示器4入射在其上的图像显示光被投影到图像投影表面(屏幕)上。

而且，该投影式图像显示设备1包括一设置在照明光学系统3内中继透镜35下游位置处的第一可变光阑机构6，一设置在投影透镜系统5的透镜镜筒51内后端的第二可变光阑机构7，和一图像模式切换装置8，用于通过控制两个可变光阑机构6、7而对用于投影图像的图像模式进行切换。

图2A和2B更加详细地表示出第一可变光阑机构6的结构。图2A和2B分别为前视图和侧视图。如图2A和2B所示，第一可变光阑机构6包括一固定在该设备主体侧面上的底座61，一与底座61整体形成以从底座61一端升高的壁62，和一固定到壁62和底座61上的支撑型螺线管63(a holding type solenoid)。

壁62的中心部分形成一圆形开口64，照明光通过该圆形开口64。利用在一端部形成的可接纳从壁62升起的销子66的销钉孔65a，在接近于开口64处以可旋转的方式对大体为圆弧形的光阑片65进行轴支撑。在光阑片65的另一端附近设置一摆杆68，由从壁62升起的销子67以可旋转的方式进行支撑。光阑片65的另一端形成一细长的孔65b，而在摆杆68的一端形成一个啮合销68a，其与细长的孔65b啮合从而可在其中滑动。

该支撑型螺线管63包括一固定到底座61与壁62上的壳体63a，和一被设计成可以根据控制信号相对壳体63a移动的棒63b，而棒63b的引导端部分可滑动地支撑一形成在摆杆68另一端的支撑销68b。

将第一可变光阑机构6设置在对于照明光学系统3中光通量直径可起到孔径光阑作用的位置，例如照明光学系统3内入瞳或出瞳位置或其附近。在开口64的中心与光轴对准的放置位置处，开口64的直径与照明光的有效光通量直径具有大体相同的尺寸。底座61的下表面安装有散热片69，以便释放可变光阑机构6自身的热量，而可变光阑机构6的热量随着照明光的加热而增加。

在如此构成的第一可变光阑机构6中，由来自图像模式切换装置8的控制信号驱动支撑型螺线管63，与支撑型螺线管63同步地驱动摆杆68和光阑片65，从而使光阑片65在覆盖开口64边缘部分的位置与完全打开开口64的位置之间移动。当光阑片65覆盖开口64边缘的一部分时，部分遮挡了照明光的有效光通量的边缘，从而减小了有效光通量直径。当有效光通量直径减小时，减小了照明光量，进入投影透镜系统5的光通量变小，从而减小了投影透镜系统5的透镜镜筒51的内表面等处产生的散射光，因此减小了有害光。如果减小了有害光，投影图像将保持更高的对比度。当通过第一可变光阑机构6减小了照明系统3内的有效光通量直径时，入射在投影透镜系统5内第二可变光阑机构7上的光量减小，从而可以抑制投影透镜系统5内温度升高。

虽然没有绘出，第二可变光阑机构7具有与第一可变光阑机构6基本相同的结构，并且设置在对于投影透镜系统5中的光通量直径起到孔径光阑作用的位置，例如投影透镜系统5中的入瞳或出瞳位置或其附近。第二可变光阑机构7也可以设置在投影透镜系统5外部附近，而不是设置在其内部。

如同第一可变光阑机构6那样，由来自图像模式切换装置8的控制信号驱动第二可变光阑机构7，以便改变图像显示光的有效光通量直径。当减小有效光通量直径时，图像显示光的量降低。而有效光通量直径内的图像显示光包括诸如在图像显示设备4等中所产生的衍射光的有害光，当有效光通量直径更小时，这种有害光减小。如果有害光减小，则投影图像的对比度增大。并且，当使有效光通量直径更小时，投影透镜系统5中的光通量变窄，以致于在投影透镜系统5的透镜镜筒的内表面等处产生的散射光减小，从而减小了有害光。

如图1所示，用来控制上述第一和第二可变光阑机构6、7操作的图像模式切换装置8包括一螺线管驱动电路81，其与设置在设备外壳11外部的图像模式切换开关9相连。

该图像模式切换开关9被设计成，使用户可以例如以适当选择的方式手工地在适合于在亮室内观看的第一图像模式(高亮度模式)与适合于在暗室中观看的第二图像模式(电影院模式)之间实现切换。当图像模式切换开关9转为OFF以便选择第一图像模式时，由来自螺线管驱动电路81的控制信号驱动第一和第二可变光阑机构6、7，以便通过第一可变光阑机构6增大照明光的有效光通量直径，类似地通过第二可变光阑机构7增大图像显示光的有效光通量直径。当图像模式切换开关9转为ON以便选择第二图像模式时，相反，由来自螺线管驱动电路81的控制信号驱动第一和第二可变光阑机构6、7，使相应的每个照明光和图像显示光的有效光通量直径减小。

取代手工地切换图像模式，可以提供一用于检测周围环境亮度的光电传感器，从而根据该光电传感器的探测结果自动地变换图像模式切换开关9。在这种情形中，例如，设置一预先确定的阈值作为针对室内亮度进行切换的参考点，并且设计图像模式切换开关9，以便可自动地切换，使得当房间亮度超过阈值时，选择第一图像模式，当亮度不大于阈值时，选择第二图像模式。

下面将解释如此制成的投影式图像显示设备1的操作。

首先，当用户将图像模式切换开关9转到OFF以便选择适于在亮室内进行观看的第一图像模式时，由来自螺线管驱动电路81的控制信号驱动第一和第二可变光阑机构6、7，使第一可变光阑机构6达到一种用于增大照明光有效光通量直径的状态，类似地，第二可变光阑机构7达到一种用于增大图像显示光的有效光通量直径的状态。

从光源部分2入射在照明光学系统3上的白光随时间连续地被色盘31分色，然后由棒形积分器32使所分离的彩色光成分的强度均匀化。如此被均匀化的光依次通过中继透镜33和反射镜34，然后通过第一可变光阑机构6。第一可变光阑机构6处于其开口64没有被覆盖的状态，从而照明光以一种具有较大有效光通量直径的状态，即具有较大光量的状态，通过第一可变光阑机构6，并从照明光学系统3经由中继透镜35朝图像显示器4发出。

从照明光学系统3发出从而入射在图像显示器4上的光，在图像显示器4中被转变成携带图像信息的图像显示光，并且所产生的图像显示光朝向投影透镜系统5发出。从图像显示器4发出并入射在投影透镜系统5上的图像显示光将通过第二可变光阑机构7。第二可变光阑机构7处于其开口没有被覆盖的状态，从而图像显示光以一种有效光通量直径较大，即光量较大的状态通过第二可变光阑机构7，并通过透镜镜筒51中的透镜组，以便从投影透镜系统5投影到图像投影表面(屏幕)上，作为适于在亮室中进行观看的高亮度投影图像(例如，具有1000流明的亮度和500∶1的对比度)。

另一方面，当用户将图像模式切换开关9转到ON以便选择适合于在暗室中进行观看的第二图像模式时，由来自螺线管驱动电路81的控制信号驱动第一和第二可变光阑机构6、7，使第一可变光阑机构6达到一种用于减小照明光的有效光通量直径的状态，第二可变光阑机构7达到一种用于减小图像显示光的有效光通量直径的状态。

从光源部分2入射在照明光学系统3上的白光，随时间被色盘31连续地分色，然后由棒形积分器32对所分离的彩色光强度进行均匀化。所均匀化的光依次通过中继透镜33和反射镜34，然后通过第一可变光阑机构6。第一可变光阑机构6处于其开口64一部分被覆盖的状态，从而照明光以一种具有较小有效光通量直径的状态，即以一种变窄进入投影透镜系统5的光通量的状态通过第一可变光阑机构6，使得即使光量减小，也能减小投影透镜系统5的透镜镜筒51的内表面等处产生的散射光，并从照明光学系统3经由中继透镜35朝向图像显示器4发出。

从照明光学系统3发出从而入射在图像显示器4上的照明光，在图像显示器4中被转变成携带图像信息的图像显示光，并且所产生的图像显示光朝向投影透镜系统5发出。从图像显示器4发出以便入射在投影透镜系统5上的图像显示光，将通过第二可变光阑机构7。第二可变光阑机构7处于一种其开口的一部分被遮盖的状态，从而图像显示光以一种有效光通量直径较小的状态，即一种虽然减小了光量也能够减小诸如在图像显示器4等中所产生的衍射光的有害光的状态，通过第二可变光阑机构7，并通过透镜镜筒51中的透镜组，以便从投影透镜系统5投影到图像投影表面(屏幕)上，作为适于在暗室中进行观看的低亮度、高对比度图像(例如，具有600流明的光量和1000∶1的对比度)。

虽然在前面解释了根据本发明实施例的投影式图像显示设备，不过根据本发明的投影式图像显示设备不限于上述实施例，而可以以多种方式进行变型。

例如，虽然根据上述实施例的设备将周围环境的亮度/暗度分成亮和暗情形两级，并据此设置两个图像模式切换级，不过将周围环境的亮度/暗度分成更多数量的级，从而根据周围环境的亮度/暗度，设置更多数量的图像模式。

并且，仅向照明光学系统和投影透镜系统其中之一提供可变光阑机构。

虽然在上述实施例的设备中可变光阑机构包括一个光阑片，不过取决于与光学系统的关系，可以设置两个或更多的光阑片。

不仅上述的DMD可以在本发明的投影式图像显示设备中用作图像显示器，而且也可以使用诸如FLC装置的反射型液晶显示板和透射型液晶显示板。

如上面详细解释的，根据本发明的投影式图像显示设备包括一适合于在从照明光学系统的内侧到投影透镜系统的内侧的光路中预定位置处调节光通量直径大小的可变光阑机构，和用于控制可变光阑机构操作的图像模式切换装置，并且通过在较大和较小有效光通量直径之间进行切换，而改变图像模式。

因而，当切换成适合于在暗周围环境中进行观看的图像模式时，可变光阑机构能够减小有效光通量直径，以便降低通过可变光阑机构的光通量的光量，从而减小投影光学系统等内的散射光，同时降低投影图像的亮度，或者消除有效光通量直径边缘处所包含的有害光，从而增大投影图像的对比度。

Claims (7)

1.一种投影式图像显示设备，包括：一光源部分；一用于将来自所述光源部分的光输出为预定的照明光的照明光学系统；用于将来自所述照明光学系统的所述照明光转换成携带图像信息的图像显示光，并输出所获得的图像显示光的图像显示器；一发射来自所述图像显示器的所述图像显示光，并将图像投影在图像投影表面上的投影透镜系统；和图像模式切换装置，用于根据对图像模式切换的设置，在适合于在亮周围环境中投影的第一图像模式与适合于在暗周围环境中投影的第二图像模式之间进行切换；

所述投影图像显示设备还包括一设置在从所述照明光学系统的内侧到所述投影透镜系统的内侧的光路的预定位置处的可变光阑机构，适于调节所述预定位置处有效光通量直径的大小；

其中所述图像模式切换装置被设计成能够控制所述可变光阑机构的操作；以及

其中通过操作所述可变光阑机构实现所述图像模式切换，使得当选择所述第一图像模式时所述有效光通量直径变大，当选择所述第二图像模式时所述有效光通量直径变小。

2.根据权利要求1所述的投影式图像显示设备，其中所述预定位置设置在所述照明光学系统内。

3.根据权利要求1所述的投影式图像显示设备，其中所述预定位置设置在所述投影透镜系统内部或附近。

4.根据权利要求1所述的投影式图像显示设备，其中由设置在所述照明光学系统内的一第一可变光阑机构和设置在所述投影透镜系统内的一第二可变光阑机构构成所述可变光阑机构。

5.根据权利要求1所述的投影式图像显示设备，其中所述可变光阑机构包括一用于冷却可变光阑机构的冷却部分。

6.根据权利要求1所述的投影式图像显示设备，进一步包括周围环境检测装置，用来检测所述周围环境的亮度，并根据所述检测结果设置所述图像模式切换。

7.根据权利要求1所述的投影式图像显示设备，其中所述图像显示器为数字式微反射镜装置。