CN1580940A

CN1580940A - 投影显示装置

Info

Publication number: CN1580940A
Application number: CNA2004100574360A
Authority: CN
Inventors: 石藏直史; 小川润
Original assignee: JAPAN ELECTRICAL VISION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Sharp NEC Display Solutions Ltd
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2024-08-13
Also published as: CN100498506C; US20070109507A1; JP2005062530A; EP1507418A1; US7303286B2; US7178920B2; JP3757221B2; US20050036118A1

Abstract

在投影显示装置中，通过将中继透镜结合到棱镜的全内反射面上而将中继透镜与棱镜合成组合了透镜的棱镜，该投影显示装置包括中继透镜，用于将光源发射的通量转换为照射图像显示元件(DMD)的平行通量；以及全内反射棱镜，用于将中继透镜射出的通量射到DMD上并将由DMD反射的通量投射到投影透镜上。

Description

投影显示装置

技术领域

本发明涉及一种具有反射图像显示元件的投影显示装置，特别涉及既能将照射光导向图像显示元件又能将图像显示元件反射的光导向投影光学器件的棱镜光学器件。

背景技术

近年来，投影显示装置的发展取得了快速进展，并且对更紧凑和更低成本的投影机的需求正在增长。这种需求伴随着对用于投影显示装置中使用的更紧凑装置的不断增长的需求。为满足这种需求，要求开发更紧凑的外围部件，特别地，要求具有其尺寸减小的更紧凑的光学器件，以使投影显示装置的整体尺寸能够降低。近年来已经看到分时图像投影装置的研制，其具有分时提取和投射红、绿和蓝色的基本结构。例如日本特开专利公开号78550/98中所公开，已知的DMD投影机是采用数字镜器件(下面缩写为“DMD”)，其中几十万个有各种可控斜面的单独的镜元件附着在半导体存储单元上，由此操纵每个镜元件的斜面来控制反射状态，因此形成图像。

如图1所示，这种DMD投影机配置为从光源101发出的光经反射镜102反射，然后由聚集透镜103聚集在色轮104的一点，其中色轮104上结合有能选择性地通过红、绿、蓝光地颜色滤光器。如此经过的光线通过积分器棒105后变得均匀，作为平行通量被如中继透镜的光学器件109经TIR棱镜(全内反射棱镜)106照射到DMD107上，并且由DMD107反射的图像光，经过放大投影透镜108投射到屏幕上。这种情况下，TIR棱镜106设置为有不同折射率的两个棱镜结合在一起，由此投射到结合面的照射光被反射并照射到DMD107上，并且从DMD107上反射的光透射通过结合面并从棱镜106射出到投影透镜108上。对于这种TIR棱镜结构，在日本专利号3060049或日本专利号3065058公开的结构中被已经采用了。

在现有技术的DMD投影机中的TIR棱镜，有这样的结构，其中为照射光的全反射和透射而将两个棱镜结合起来。此外，这种TIR棱镜要求在TIR棱镜的前面位置中有上述的光聚集中继透镜。这种安排导致了为安装安排在积分器棒和投影透镜间的空间的光学元件部分增加空间，因此为制造紧凑投影显示装置提出了一系列障碍。在采用反射液晶平板作为图像显示元件的投影显示装置中存在同样的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种紧凑的投影显示装置，其中由单个棱镜和单个中继透镜组合成光学器件用以照亮图像显示元件。

投影显示装置具有：中继透镜，用以将光源发出的通量变成平行通量照射图像显示元件，以及全内反射棱镜，其既能将从中继透镜射出的通量导向图像显示元件又能将图像显示元件反射的通量射向投影透镜；本发明的特征在于通过将中继透镜结合到棱镜的全内反射面，使中继透镜与棱镜合为一体。通过将单个透镜结合到单个棱镜上，本发明不仅允许从光源发出的通量被射到图像显示元件上，而且允许从图像显示元件反射的光被射向投影透镜，由此，与在现有技术中分离的中继透镜和TIR棱镜配置的装置相比较，本发明能够减小光学器件的立方体积和空间，能够实现更为紧凑的投影显示装置，并进而得到更低的更本。此外，尽管如此配置，但是入射到棱镜的通量和从棱镜射出的通量是以不同方向射出的，因此在入射通量和出射通量间不会发生干涉。

本发明的上述和其它的目的、特征和优势，从下面参考附图的说明更为明显，其中附图是解释发明实例的。

附图说明

图1表示现有技术的投影显示装置的实例的配置。

图2是本发明的投影显示装置的常规配置的透视图。

图3是组合了透镜的棱镜的分解透视图。

图4是在组合状态的组合了透镜的棱镜的侧视图。

图5是组合了透镜的棱镜中的光路的示意性侧视图。

图6是用于解释找出组合了透镜的棱镜的最小尺寸的方法的示意性侧视图。

图7是用于解释找出组合了透镜的棱镜的最小厚度尺寸的方法的示意性侧视图。

图8是组合了透镜的棱镜的最小尺寸的例子的表格。

具体实施方式

在本发明中，棱镜具有其沿光轴方向的剖面轮廓为等边三角形的形式，此三角形的底面为全内反射面，一个斜面安排为面对图像显示元件，而另一个斜面安排为面对投影透镜。在这种情况下，一个微距离空气间隙优选地插入在中继透镜和棱镜间的结合面。在这种情况下，用添加了玻璃珠的粘合剂将中继透镜与棱镜结合，以实现结合处于这样的状态，即保持在中继透镜和棱镜间的微小间距。此外，中继透镜由平凸透镜组成，并且其平坦表面被结合在棱镜的全内反射表面。中继透镜的透镜边缘和磨砂表面优选地经过涂黑处理。而且，优选地设置加固板使中继透镜和棱镜连接起来。

下面参考附图说明本发明的工作实例。图2是采用DMD作为反射图像显示元件的DMD投影机的全图。与现有技术相同的部分用相同的标记表示。由光源1发出的光被反射镜2反射，由聚焦透镜3聚集到色轮4上的一点，其中色轮上结合有可以选择性通过红、绿和蓝光的颜色滤光器，然后通过的光由积分器棒5变得均匀。由积分器棒5发出的光入射到根据本发明的组合了透镜的棱镜6的一个表面，从另一个表面以平行通量射出，并照亮作为图像显示元件的DMD7。图像光是DMD7的反射光，照射到组合了透镜的棱镜6中，再次从其另一个表面射出，并通过有放大配置的投影透镜8投射到屏幕上(未示出)。

组合了透镜的棱镜6由剖面轮廓是等边三角形的棱镜61和结合在此棱镜61的底面61a上的中继透镜62组成。棱镜61的底面61a的任一侧的两个斜面61b和61c每个都形成为方形或矩形，一个斜面61b安排为面对DMD7，而另一个斜面61c安排为面对投影透镜8。中继透镜62配置为从平凸透镜周围切下的部分，其平坦表面62a结合在棱镜61的底面61a上。中继透镜62是经过黑化处理的结构，以抑制由具有弯曲部分的表面(即透镜边缘)62b和透镜的切面(磨砂表面)62c漫反射产生的杂散光。

此外，如图4所示，中继透镜62和棱镜61的结合面配置为在相对面间有微尺寸的空气间隙63，并且棱镜61的折射率和空气的折射率的差引起在棱镜61的底面61a的内表面发生全内反射。采用添加有玻璃珠的UV-硬化粘合剂产生这一空气间隙63，粘合剂应用到结合面的整个表面或边缘，并且两个表面结合在一起以确保与玻璃珠直径相应的间隙。而且，在这种情况下，为避免驱动投影机时产生的光源的热引起两元件间结合强度的降低而导致中继透镜62和棱镜61分离，采用了一种结构。根据该结构，由玻璃板构成的加固板64用粘合剂64a粘到与光的反射和透射没有关系的表面，例如粘到与图4的平面平行的至少一个表面。此时所用粘合剂64a的粘合区域大于中继透镜62和棱镜61间的粘合区域，因此粘合强度比中继透镜62和棱镜61间的粘合强。换句话说，加固板64对热导致的粘合失效有更大的抵抗力。

采用如此构成的组合了透镜的棱镜6，光源1的通量以漫射状态从积分器棒5射出，射向中继透镜62的凸表面，以平行光束从中继透镜62的平坦表面射出，然后射向棱镜61的底面61a，由图5的光路所示。入射到棱镜61的通量在棱镜61的内部传播，从一个斜面61b射出照射到DMD7上。由在DMD7上的反射而被光学调制的通量再次从一个斜面61b射入棱镜61，以相对于底面61a大于临界角的角度投射到底面61a的内表面，并在此处发生全内反射。临界角是当光以特别的角度从由高折射率(折射率n1)的介质照射到低折射率(折射率n0)的介质时，在交界面发生全内反射的入射角，临界角θc由sinθc＝n0/n1表示。在底面61a上经过全内反射的光从棱镜61的另一个斜面61c射出并射向投影透镜8，由此由DMD7显示的图像被投影透镜8投射到屏幕(未示出)上。

如上所述，通过将本工作实例的组合了透镜的棱镜6中单个中继透镜62粘到单个棱镜61上，从积分器棒5射出的通量能照射到DMD7上，并且从DMD7反射的光能被导向投影透镜8。因此，与现有技术中作为独立元件所实现的聚集透镜和TIR棱镜的情况相比，能够缩小光学器件的空间和体积，实现更紧凑的投影显示装置。而且与现有技术中要求一个透镜和两个棱镜的结构相比，这种结构能够减少一个棱镜，从而实现降低成本。更进一步，入射到棱镜61上的通量与从相同棱镜61发出的通量有不同的方向，因此在入射通量和出射通量间不产生干涉。

在本工作实例中，在中继透镜62和棱镜61间的结合面处的空气间隙63确保从DMD7反射的光产生全内反射的临界角，但中继透镜62和棱镜61也可以通过粘合片或有低折射率和超级光透过性的透明粘合剂结合在一起。可以替换地，当中继透镜62的折射率低于棱镜61的折射率时，中继透镜62和棱镜61也能以直接接触状态结合在一起。

接下来说明以最小紧凑尺寸形成本发明的组合了透镜的棱镜6的实例。首先，在图5中的棱镜61中，DMD7和一个斜面61b(图5中的AC面)必须平行，投影透镜8和另一个表面61c(图5中的BC面)必须平行，由此斜面61b的光轴始终与斜面61c的光轴垂直。因此，角ATU和角BVU每个都是90°。此外，光线的入射角和反射角相等，并且角ATU等于角BUV，角ATU和角BVU相似。因此，棱镜61的两侧角θ1和θ2相等，棱镜61可以看作是等边三角形。

下面说明棱镜61的尺寸。棱镜61必须足够大，以接收和发射由DMD7的有效区域反射的全部通量。为了这个目的，示出了找到棱镜的尺寸和形状的必要条件，该条件是能使全部通量发生全内反射，而且能包含由DMD7的有效区域反射的全部通量；而且通过替换在所发现的条件式中的固定值(投影透镜8的F号和DMD7的有效区域的尺寸)，得到了满足这一条件的棱镜的最小尺寸。

图6的示意图用来说明根据DMD7的有效区域的尺寸和投影透镜8的F号计算棱镜61的最小尺寸。图的左侧画图为图的右侧圆圈S内包围的部分的放大细节。DMD7的有效区域表面EF的两端反射的通量有角θ的展开，并且入射到棱镜的一个斜面61b(下面称作“入射面”)AC上。棱镜61的最小尺寸的一个条件是在最左端的光线AE，被射到棱镜的顶点A(即AA′＝0)上。棱镜有最小尺寸的另一个条件是在最右端的光线DF进入棱镜61的入射面AC并入射到棱镜61的斜面61a(图6中的AB面且称作“全内反射面”)的极端(顶点B)。棱镜61的最小尺寸由满足这两个条件且满足光线AE进入入射面AC和此光线相对于棱镜的全内反射表面AB的入射角为临界角来决定。

DMD7的有效区域的两端反射的光线有固定的展开，此展开角由投影透镜8的F号决定。在F号和展开间的关系表示为：

F＝1/(2sinθ) (等式1)

其中F为F号，θ为展开角。

如果α是DMD7反射的通量的光轴和垂直于棱镜61的入射面AC的线的夹角，n是棱镜61的折射率，ω是入射到入射面AC的最左端的光线的发射角，β是入射到入射面AC的光轴的折射角，以及ψ是在最右端的光线的发射角，Snell定律给出：

n·sinβ＝sinα (等式2)

n·sinω＝sin|α-θ/2| (等式3)

n·sinψ＝sin(α+θ/2) (等式4)

如果γ是棱镜61的顶点A的角，θc是临界角，那么满足下式的条件成立，当α≤θ/2时：

θc≥γ-ω (等式5)

并且当α≥θ/2时：

θc≥γ+ω (等式6)

这里如果空气的折射率为1，那么：

sinθc＝1/n (等式7)

结果，当端通量的入射角是临界角时，那么从下式获得γ：

γ＝θc±ω＝sin-1(1/n)±ω (等式8)

为了棱镜61能使全部通量发生全内反射，所有通量必须首先入射到入射面AC上。在最右端的光线FD进入入射面AC并入射到全内反射面AB的能力也是确定棱镜61尺寸的一个条件。考虑等边三角形ABC(AC＝BC)，AD的长度为：

AD＝x+z[tan(α+θ/2)-tan|α-θ/2|] (等式9)

其中，x是平行于图平面的DMD7的边的长度，y是垂直于图平面(图的深度的方向)的边的长度，z是棱镜61和DMD7之间的距离，且D是从DMD7入射到入射面AC的最右端的通量的入射点。

如果G是在入射点D垂直于入射面AC的线和全内反射面AB的交点，H是从顶点B向下的垂线与入射面AC间的交点，I是垂线BH与经过G点垂直于BH的线的交点，J是BD和GI的交点，那么：

AG＝AD/cosγ (等式10)

HI＝DG＝AD·tanγ (等式11)

此外，根据三角形GDJ：

GJ＝DG·tanψ (等式12)

进而，根据三角形ABD和GBJ：

AG∶AD＝GB∶GJ (等式13)

由此关系获得：

GB＝AG·GJ/AD (等式14)

用等式10和等式12代替等式14中的AG和GJ，得到：

GB＝[(AD/cosγ)×(DG·tanψ)]/AD (等式15)

而且，用等式11代入等式15的DG得到：

GB＝[(AD/cosγ)×(AD·tanγ·tanψ)]/AD

＝AD·tanγ·tanψ/cosγ (等式16)

根据三角形BGI：

BI＝BG·sinγ (等式17)

用等式16代替等式17的GB得到：

BI＝AD·tanγ·tanψ·sinγ/cosγ

＝AD·tan²γ·tanψ (等式18)

根据关系角ABC＝角BAC＝γ：

角BCH＝π-2γ (等式19)

根据三角形BCH

BC＝BH/sin(π-2γ)＝[BI+HI]/sin2γ (等式20)

用等式18和等式11代替等式20的BI和HI得到：

AC＝BC＝(AD·tan²γ·tanψ+AD·tanγ)/sin2γ

＝AD·tanγ(tanγ·tanψ+1)/sin2γ

＝AD·(tanγ·tanψ+1)/2cos²γ (等式21)

进而：

BH＝AD·tanγ·(tanγ·tanψ+1) (等式22)

因此，用等式9代替等式21中的AD得到：

AC＝BC＝{x+z[tan(α+θ/2)-tan|α-θ/2|]}·(tanγ·tanψ+1)/2cos²γ

(等式23)

而且，由于：

AB＝BH/sinγ＝[BI+HI]/sinγ (等式24)

那么，用等式18和等式11代替等式24中的BI和HI得到：

AB＝AD·tanγ(tanγ·tanψ+1)/sinγ (等式25)

因此，用等式9代替等式25中的AD得到：

AB＝{x+z[tan(α+θ/2)-tan|α-θ/2|]}·(tanγ·tanψ+1)/cosγ(等式26)

具有等边三角形形式的棱镜61的顶点ABC的每个边的长度能够根据上述说明确定，并且它们是棱镜61的每个边的最小长度。

下面确定棱镜61在厚度方向(垂直于图的平面的方向)的最小尺寸。首先找出在DMD7的中心反射到达表面BC即发射面BC的通量的光轴长度。图7示意性表示棱镜61和相似棱镜61′在底面连接在一起并且来自DMD7的通量透射到棱镜61′而没有在全内反射面AB被反射的状态。KLN表示此时的通量。这种情况下，棱镜61和61′有相同的等边三角形形状，而且有：

KL+LM＝KN (等式27)

这里：

KN＝OK/cosβ＝BH/cosβ (等式28)

从DMD到棱镜的光轴长度PK为：

PK＝z/cosα (等式29)

根据等式28，等式29和等式22的BH，在DMD7的中心反射到达发射面BC的通量的光轴的距离I为：

I＝PK+KN＝[z/cosα]+[AD·tanγ(tanγ·tanψ+1)/cosβ] (等式30)

由于通量有圆锥形展开，在DMD7的中心反射、以角度θ展开并且经过距离I的通量的圆的直径R可以由等式30得到：

R＝2·I·tan(θ/2)＝2tan(θ/2)·{[z/cosα]+[AD·tanγ(tanγ·tanψ+1)/cosβ]}

(等式31)

因此，通过将DMD的厚度的长度y加到已经得到的圆的直径R上，并根据等式30，可以得到棱镜61的最小厚度Y，它为：

Y＝2tan(θ/2)·{[z/cosα]+[AD·tanγ(tanγ·tanψ+1)/cosβ]}+y(等式32)

上述等式23、等式26和等式32是在根发明的投影显示装置中使用的合适的棱镜的边AC、BC、AB和厚度Y的最小尺寸。这种情况下，棱镜61的尺寸和厚度由投影透镜8的F号和DMD7的有效区域的尺寸确定，但是为找出精确的棱镜尺寸显然要求找出由DMD7反射的通量到棱镜61的光轴的入射角和DMD7与棱镜61间的距离。图8显示了当通量到棱镜61的入射角α是5°并且DMD7和棱镜61间的距离z是10mm时，得到棱镜61的厚度Y和每个边的AB、AC和BC的长度的两个实例。

在本发明中的图像显示元件并不限于上述DMD，并且本发明也能用于使用反射液晶平板的投影显示装置。

尽管前面已经提出了本发明的特征和优点，但是应该理解，本公开只是说明性的，对各部分安排的改变都在权利要求的范围内。

Claims

1.一种投影显示装置，包括：

中继透镜，用于使从光源发出的通量成为照亮图像显示元件的平行通量；以及

全内反射棱镜，其将从中继透镜射出的通量导向图像显示元件并且将图像显示元件反射的通量射向投影透镜；其中通过将所述中继透镜结合到所述棱镜的全内反射面，使所述中继透镜与所述棱镜合为一体。

2.根据权利要求1的投影显示装置，其中：

所述棱镜沿光轴方向的剖面轮廓配置为等边三角形；

所述棱镜的底面是所述全内反射面；

所述棱镜的一个斜面安排为面对所述图像显示元件；以及

所述棱镜的另一个斜面安排为面对所述投影透镜。

3.根据权利要求1的投影显示装置，其中：

微间隔空气间隙插入在所述中继透镜和所述棱镜间的结合面。

4.根据权利要求2的投影显示装置，其中：

5.根据权利要求3的投影显示装置，其中：

添加有玻璃珠的粘合剂用来以保持所述中继透镜和所述棱镜间的微间隔的状态结合所述中继透镜。

6.根据权利要求4的投影显示装置，其中：

7.根据权利要求1的投影显示装置，其中：

所述中继透镜是平凸透镜，其平坦表面结合在所述棱镜的全内反射面上。

8.根据权利要求2的投影显示装置，其中：

9.根据权利要求1的投影显示装置，其中：

所述中继透镜的透镜边缘和磨砂表面经过涂黑处理。

10.根据权利要求2的投影显示装置，其中：

所述中继透镜的透镜边缘和磨砂表面经过涂黑处理。

11.根据权利要求3的投影显示装置，其中：

加固板用于连接所述中继透镜和所述棱镜。

12.根据权利要求4的投影显示装置，其中：

加固板用于连接所述中继透镜和所述棱镜。

13.根据权利要求7的投影显示装置，其中：

加固板用于连接所述中继透镜和所述棱镜。

14.根据权利要求9的投影显示装置，其中：

加固板用于连接所述中继透镜和所述棱镜。