CN1605925A - 图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种不会带来液晶面板对位的复杂化或图像模糊从而具有高对比度的投影式图像显示装置。所述投影式图像显示装置具有包括光源的照明装置、将来自照明装置的照明光按照图像信号进行调制的光调制元件(11、13及19)、使光调制元件(11、13及19)的像成像的投影透镜21；其特征在于，光调制元件(11、13及19)的视场角特性并不是各向同性，照明装置具有光学元件(22)，所述光学元件遮挡从光源(1)射出的光束中的部分光束，从而使其不入射到光调制元件(11、13及19)上，所述部分光束是指射入光调制元件(11、13及19)时的角度方向是对比度相对低的角度方向的光束。

Description

图像显示装置

技术领域

本发明涉及一种投影式图像显示装置，特别是涉及一种不会带来光调制元件对位的复杂化等问题、从而提高对比度的图像显示装置。

背景技术

以往，公知有如下的投影式图像显示装置，其具有：含光源的照明装置、通过照明装置被照明的光调制元件、使光调制元件的像成像的投影透镜。其中，具有将放电灯作为光源使用、将液晶显示元件作为光调制元件使用的图像显示装置(液晶投影机)。

液晶显示元件常使用TN(Twisted Nematic，扭曲向列)方式。TN方式下，在电源关闭时，通过几乎与玻璃基板平行扭曲排列来改变光的偏振光方向从而显示白色，在电源打开时，由于偏振光不变从而显示黑色。但是，即使在电源打开时，对于斜向射入的光束来说由于产生双折射从而漏光。因此，在显示图像时，对比度降低。

对于此，可考虑使用VA(Vertically Aligned，垂直排列)方式的液晶显示元件。VA方式的特征在于组合配光膜和具有负的介电各向异性的液晶，当电源关闭时，由于液晶分子几乎与基板垂直，因此可获得高对比度特性。

但是，用于投影机用途的小型高温多晶硅通常在每一行上极性都交替改变，以所谓的行反转来驱动。因此，不仅在与基板的垂直方向，即使在水平方向上也存在电场，为了防止由此引起的液晶分子的定向紊乱，要相对基板加几度预倾角。因此，即使使用VA方式的液晶显示元件，从预倾角方位的相反侧射入的情况下也会产生漏光，其结果对比度还是会降低。

以往，提出了一种用于提高液晶投影机的对比度的方法，该方法是将液晶显示元件相对光轴向最大对比度视场角的方向倾斜预定角度(例如，参考专利文献1)。

专利文献1：日本专利申请特开平62-186225号公报(第3～4页、图1～2)

但是，在此专利文献1所记载的方法中，由于在具有用于R、G、B的三个液晶显示元件的三板式液晶投影机的情况下，必须分别使各液晶显示元件向相同方向倾斜相同程度的角度，因此存在液晶显示元件的对位复杂并且困难的问题。

此外，由于液晶显示元件相对光轴倾斜，因此不能在液晶显示元件整个面上聚焦，从而存在图像模糊的问题。

发明内容

鉴于上述方面，本发明提供了一种投影式图像显示装置，所述显示装置既不会带来光调制元件对位的复杂化，也不会使图像模糊，具有高对比度。

为了解决此技术问题，本申请人提出一种投影式图像显示装置，具有包括光源的照明装置、将来自照明装置的照明光按照图像信号进行调制的光调制元件、使光调制元件的像成像的投影透镜；其特征在于，所述光调制元件的视场角特性并不是各向同性；所述照明装置具有光学元件，所述光学元件遮挡从光源射出的光束中的部分光束，从而使其不入射到光调制元件上，其中所述部分光束是指射入所述光调制元件时的角度方向为对比度相对低的角度方向的光束。

根据此图像显示装置，在从光源射出的光束中，部分的光束被照明装置内的光学元件遮光，而不能入射到光调制元件上，所述部分的光束是由于光调节元件的非各向同性的视场角特性而在射入所述光调制元件时的角度方向为对比度相对低的角度方向的光束。

由此，由于只有来自对比度相对低的角度方向的光入射到光调制元件，因此对比度提高。此外，与倾斜光调制元件的情况不同，不会带来光调制元件对位的复杂化或图像的模糊。

此外，对于此图像显示装置，作为一个示例，其照明装置还具有反射来自光源的光并将其输出到光调制元件的反射镜，所述遮光用的光学元件由反射遮住的光束并使其返回所述反射镜的反射元件构成。

由此，被反射元件及反射镜反射并返回光源的光被反射镜再次反射，此次不会被反射元件遮挡而入射到光调制元件(即从高对比度的角度方向入射到光调制元件)，因此，不仅具有高的对比度，还可以实现低成本、且光利用效率高的投影式图像显示装置。

此外，在此图像显示装置中，作为一个例子，最好在此遮光用的光学元件的靠近所述光调制元件的面上使用吸收光的材料。

如果在照明装置内配置这样的遮光用的光学元件，则没有被此光学元件遮挡而入射到光调制元件前段的透镜(聚光透镜或场透镜)上的光束的一部分被这些透镜反射而返回此光学元件。如果如此返回遮光用的光学元件的光被光学元件再次反射，则从低对比度的角度方向入射到光调制元件上，从而妨碍了对比度的提高。

因此，通过在此遮光用的光学元件的靠近所述光调制元件的面上使用吸收光的材料，由于被这些透镜反射的光不会被此光学元件再次反射从而入射到光调制元件，所以可以实现具有更高对比度的投影式图像显示装置。

根据此发明，可以取得如下效果：可以实现不会带来光调制元件对位的复杂化或图像的模糊且具有高对比度的投影式图像显示装置。

此外，可以取得如下效果：不仅具有高的对比度，还可以实现低成本、高光利用效率的投影式图像显示装置。

进而，可以取得如下效果：由于被光调制元件前段的透镜反射的光不会从低对比度的角度方向入射到光调制元件，所以可以实现具有更高对比度的投影式图像显示装置。

附图说明

图1是本发明的液晶投影机的光学系统的示意图；

图2是图1的反射板形状的示意图；

图3是图1的液晶投影机中的光的循环光路的一个例子的示意图；

图4是图1的液晶投影机中的聚光透镜以后的光路的示意图；

图5是图1的液晶面板视场角特性的示意图；

图6是在图1的第二蝇眼透镜上形成反射区域的例子的示意图；

图7是在遮光板上设置反射区域的例子的示意图；

图8是使第二蝇眼透镜上形成的反射区域呈三角形的例子的示意图。

具体实施方式

下面，利用附图具体说明在使用VA方式的液晶显示元件的三板式液晶投影机上使用本发明的例子。

(结构)

图1示出了本发明的三板式液晶投影机的光学系统。此光学系统由作为光源的放电灯1、反射放电灯1的出射光的抛物面形状的反射镜2、第一蝇眼透镜3、第二蝇眼透镜4、反射板22、PS转换器(由偏振光分光器和半波片组成的、将入射光变换成特定线偏振光的光学部件)5、聚光透镜6、分色镜7及8、反射镜9、15及17、场透镜10、12及18、透射型液晶面板(液晶显示元件)11、13及19、中继透镜14及16、正交棱镜20、投影透镜21形成。

从放电灯1射出的光束通过反射镜2形成近乎平行的光，入射到第一蝇眼透镜3、第二蝇眼透镜4上。蝇眼透镜3、4使入射光束的空间分布均匀化。透射第二蝇眼透镜4的光束的一部分入射到反射板22。反射板22配置在与形成于放电灯1的两个电极之间的发光区域大体共轭的位置上，即配置于共轭点的附近，该共轭点是指在照明透射型液晶面板11、13及19的照明光的光路中，来自于放电灯1的光经由反射镜2通过第一蝇眼透镜3的各个透镜元件被聚光、从而作为放电灯1的像而成像的共轭点。此反射板22在相对于光轴垂直的面上平行设置，邻近放电灯1的面具有反射整个可视光区域的特性，而邻近液晶面板11、13及19的面，例如通过铝阳极化处理被涂黑，由此具有吸收入射光的特性。

图2是相对于第二蝇眼透镜4的反射板22的形状及位置关系的示意图，图2的(a)是从图1的z轴方向(光轴方向)看到的视图，图2的(b)是从与图1相同的方向看到的视图。反射板22的面积是第二蝇眼透镜4的约1/4，位置设置在第三象限。

射入第1、2、4象限的光束在透射第二蝇眼透镜4后，通过PS转换器5转换为特定的线偏振光(透射液晶面板11或13或19的入射面一侧的偏振光片的线偏振光)。

另一方面，射入到反射板22的光束再次回到放电灯1。图3示出了由反射板22反射的光的光路的一个例子。被反射的光透射第二蝇眼透镜4、第一蝇眼透镜3，并由反射镜2反射，再回到形成于放电灯1的两个电极之间的发光区域。回到此电极之间附近的光束中的一部分被电极散射、吸收，而剩余的光束透射电极之间的发光区域。透射发光区域的光束被反射镜2反射，透射第一蝇眼透镜3、第二蝇眼透镜4(光的循环)。其结果是，由反射镜2反射的光(循环光)移动到没有反射板22的区域，并入射到PS转换器5内从而转换成特定的线偏振光。由于反射板22在第三象限内(图2)，因此由反射板22反射的光束被循环的结果是到达第一象限。

以上的结果是从放电灯1射出的光束不能从第三象限透射，而是透射第一、第二、第四象限。此外，射入第三象限的光束也由于再次返回第一象限从而可以有效地利用光束。

透射PS转换器5的光束不断通过聚光透镜6聚光并入射到分色镜7。分色镜7反射红色波长范围的光束，并透射绿色、蓝色波长范围的光束。透射分色镜7的绿色、蓝色波长范围的光束入射到第二个分色镜8。分色镜8反射绿色波长范围的光束，并透射蓝色波长范围的光束。通过这样的作用，从放电灯1射出的光束被分割为红、绿、蓝色的光。被分割的红色光束经由反射镜9及场透镜10照明用于显示红色的液晶面板11。被分割的绿色光束经由场透镜12照明用于显示绿色的液晶面板13，被分割的蓝色光束经由反射镜17及场透镜18照明用于显示蓝色的液晶面板19。

图4是对于液晶面板11的照明光来说的、聚光透镜6以后的光路的示意图，图4的(a)是省去图1的聚光透镜6、场透镜10之间的光学元件的简略示意图，图4的(b)是从图1的z轴方向(光轴方向)看到的视图。通过如图2所示配置反射板22，入射到第一、二、四象限的光束照明液晶面板11，但入射到第三象限的光束被反射板22遮住，从而不照明液晶面板11。液晶面板13及19也完全相同，入射到第一、二、四象限的光束照明液晶面板13及19，但入射到第三象限的光束被反射板22遮住，从而不照明液晶面板13及19。

液晶面板11、13及19是VA方式的液晶面板。在VA方式中，当电源关闭时，由于液晶相对于基板几乎垂直站立从而表示黑，而当电源打开时，液晶被水平放倒从而表示白。在液晶面板11、13及19中，预倾角为80度，预倾方向为45度，延迟(Δnd)为390nm。此外，置于液晶前后的偏振片的方位角被设为0度、90度。此外，此处预倾角是与平行于基板的面相对的角度，预倾方向及变更片(变更板)的方位角表示在与基板平行的x、y平面上的与x轴相对的角度。

图5是液晶面板11、13及19的视场角特性的计算值(在圆的半径方向上取入射角θ＝0～20度、在圆周方向上取方位角为ψ＝0～360度的等对比度线)的示意图；这些液晶面板的预倾方位是45度，预倾角是80度，如果从ψ＝45度、θ＝10度方向看这些液晶面板，则由于看到垂直站立的液晶分子，所以光的透射减少，结果是对比度上升。在本计算值中，此位置上的对比度比值超过2000∶1。另一方面，可以知道在从ψ＝225度、θ＝10度方向看的情况下，对比度比值最低，达到500∶1。

此液晶投影机中，由于通过配置反射板22从而只有射入第一、二、四象限的光束照明液晶面板11、13及19，因此仅有来自于从0＜ψ＜180度、270＜ψ＜360度的角度方向的光入射到液晶面板11、13及19上，而从180＜ψ＜270度的角度方向来的光不入射到液晶面板11、13及19上。其结果是，从图5的视场角特性出发，从对比度低的角度方向来的光束不入射到液晶面板11、13及19上，而仅有从对比度较高的角度方向来的光才入射到液晶面板11、13及19上。

在液晶面板11、13及19的象素上分别施加对应R、G、B信号的驱动电压。然后，如图1所示在液晶面板11上调制的红色光束、在液晶面板13上调制的绿色光束和在液晶面板19上调制的蓝色光束在正交棱镜20上被合成，从而通过投影透镜21被投影到屏幕(图中未示出)上。

上述的结果是，在进行黑色显示时可以减少到达屏幕的光束，从而可以显示对比度高的图像。此外，由于并不将液晶面板11、13、19相对光轴倾斜，所以不会带来这些液晶面板对位的复杂化，并且不会使图像模糊。

进而，如图3所示，入射到第三象限的光束被反射板22反射之后再次被反射镜2反射，此次到达第一象限，从而不被反射板22遮挡而入射到液晶面板11、13及19上(即，从高对比度的角度方向入射到液晶面板11、13及19上)。因此，也可以提高光的利用效率。

此外，没有被反射板22遮挡的光束的一部分被聚光透镜6或场透镜10、12及18反射从而返回反射板22，但若这样返回反射板22的光再次被反射板22反射，则从低对比度的角度方向入射到液晶面板11、13及19上，从而妨碍了对比度的提高。

对此，如上所述，反射板22具有其靠近液晶面板11、13及19的表面吸收入射光的特性。由此，由于被聚光透镜6或场透镜10、12及18反射的光不会被反射板22再次反射从而入射到液晶面板11、13及19上，因此可以进一步提高对比度。

(反射板的变形例)

下面，说明几个反射板22的变形例。在图1的光学系统中是在第二蝇眼透镜4和PS转换器5之间设置反射板22，但作为其他的例子，也可以在第二蝇眼透镜4上形成反射区域、在PS转换器5上形成反射区域从而代替设置反射板22。

图6的(a)、(b)是在第二蝇眼透镜4上形成了反射区域的例子的示意图，图6的(a)是从图1的z轴方向(光轴方向)看到的视图，图6的(b)是从与图1相同的方向看到的视图。在第二蝇眼透镜4的第三象限的位置上，例如使用介质多层膜(或者铝制镜)形成反射区域。

此外，虽然在图1中未示出，但为了使光束入射到PS转换器5上的合适区域内，一般在第一蝇眼透镜3和第二蝇眼透镜4之间、或者在第二蝇眼透镜4和PS转换器5之间配置遮光板，所述遮光板遮住来自第一蝇眼透镜3或第二蝇眼透镜4的各个透镜的周边部分的出射光。因此，也可以在此遮光板的一部分上设置反射所有入射光的反射区域来代替设置反射板22。

图7的(a)、(b)是在配置于第二蝇眼透镜4和PS转换器5之间的遮光板上设置反射区域的例子的示意图，图7的(a)是从光轴方向看到的、相对于第二蝇眼透镜4的该遮光板形状的视图，图7的(b)是从与图1相同的方向看到的该遮光板设置位置的视图。该遮光板24在第一、二、四象限的位置上与普通的遮光板相同，具有用于使来自于第二蝇眼透镜4的各个透镜的中心部分的出射光通过的开口，但在第三象限的位置上设置有反射所有入射光的反射区域25。

图1的反射板22或图6、7的反射区域23、25的面积设定为第二蝇眼透镜4的大约1/4，但这些反射板或反射区域的面积应该在考虑到液晶面板的视场角特性、作为产品所必需的对比度特性、辉度特性等之后而确定，而不是要特别限定在1/4上。

图1的反射板22或图6、7的反射区域23、25的形状是四角形，但这些反射板或反射区域的形状并不限于此。图8的(a)、(b)是在第二蝇眼透镜4上形成三角形的反射区域的例子的示意图，图8的(a)是从图1的z轴方向(光轴方向)看到的视图，图8的(b)是从与图1相同的方向看到的视图。在第二蝇眼透镜4的第二象限的左下半部、第三象限、第四象限的左下半部的位置上，形成面积约占第二蝇眼透镜4的1/2的三角形的反射区域26。

即使在此图8的例子的情况下，如果液晶面板11、13及19的视场角特性如图5所示，由于是从入射到这些液晶面板时的角度方向为0＜ψ＜135、315＜ψ＜360度的角度方向(高对比度的角度方向)入射到这些液晶面板上，因此可以实现较高的对比度。

(其他)

在上述例子中，入射到液晶面板时的角度方向是低对比度角度方向的部分光束被反射板或反射区域反射从而返回放电灯。但是，并不限于此，也可以对入射到这些液晶面板时的角度方向是低对比度角度方向部分的光束进行简单的遮光。即使是这种情况，也还是不会带来液晶面板对位的复杂化或使图像模糊，可以实现具有高对比度的液晶投影机。

此外，在上述例子中，在使用VA方式的液晶显示元件的三板式液晶投影机中应用了本发明，但本发明并不限于此，也可以适用于所有使用带视场角特性的光调制元件的投影式图像显示装置。

Claims (12)

1.一种投影式图像显示装置，具有：包括光源的照明装置、将来自所述照明装置的照明光按照图像信号进行调制的光调制元件、使所述光调制元件的像成像的投影透镜；其特征在于，

所述光调制元件的视场角特性不是各向同性；

所述照明装置具有光学元件，所述光学元件遮挡从所述光源射出的光束中的部分光束，从而使其不入射到光调制元件上，其中所述部分光束是指射入所述光调制元件时的角度方向为对比度相对低的角度方向的光束。

2.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述照明装置还具有反射来自所述光源的光并将其输出到所述光调制元件的反射镜，所述光学元件是反射遮住的光束并使其返回所述反射镜的反射元件。

3.如权利要求2所述的图像显示装置，其特征在于，所述光源为放电灯。

4.如权利要求2所述的图像显示装置，其特征在于，所述反射镜为抛物面形状。

5.如权利要求2所述的图像显示装置，其特征在于，所述照明装置还具有光学系统，所述光学系统具有在所述照明光的光路中成像所述光源的像的共轭点；

所述反射元件被配置在所述共轭点的附近。

6.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述光调制元件是液晶显示元件。

7.如权利要求5所述的图像显示装置，其特征在于，所述液晶显示元件是VA方式的液晶显示元件。

8.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述照明装置包括用于使来自所述光源的光束的照度分布均匀化的第一及第二蝇眼透镜、和将来自所述光源的光束转换为特定的线偏振光的偏振光转换元件；

所述光学元件配置在所述第二蝇眼透镜与所述偏振光转换元件之间。

9.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述照明装置包括用于使来自所述光源的光束的照度分布均匀化的第一及第二蝇眼透镜，

所述光学元件设置在所述第二蝇眼透镜的一部分上。

10.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于所述照明装置包括将来自所述光源的光束转换为特定的线偏振光的偏振光转换元件，

所述光学元件设置在所述偏振光转换元件的一部分上。

11.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述照明装置包括用于使来自所述光源的光束的照度分布均匀化的第一及第二蝇眼透镜、将来自所述光源的光束转换为特定的线偏振光的偏振光转换元件、以及配置在所述第二蝇眼透镜和所述偏振光转换元件之间从而遮住来自所述第二蝇眼透镜的透镜周边部分的出射光的遮光板；

所述光学元件设置在所述遮光板的一部分上。

12.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述光学元件在靠近所述光调制元件的面上使用吸收光的材料。

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