CN1847924A - 投影显示设备 - Google Patents

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Abstract

一种投影显示设备，具有：光源；图像形成装置，其用提供给它的图像信号来调制从光源发出的光；以及反射型光学系统，用于放大并投影由图像形成装置产生的图像。该反射型光学系统具有：第一反射镜，用于反射从图像形成装置发出的并首先施加到其上的光；以及多个反射镜，用于依次反射由第一反射镜反射的光。第一反射镜具有球形反射表面，并且穿过球形反射表面的顶点的法线和穿过图像形成装置的法线相互不平行地延伸。

Description

投影显示设备
技术领域
本发明涉及一种投影显示设备，用于将由图像形成装置形成的图像放大并投影到例如屏幕等投影表面上。
背景技术
附图的图1为JP-A No.10-111458中公开的成像光学系统的示意侧面正视图。如图1所示，该公开的成像光学系统是一种反射型成像光学系统，其包括三个反射镜，例如，第一、第二和第三反射镜101、102、103。图1所示的图像形成装置100设置在成像表面上。图像形成装置100发出表示图像的光束，该图像光束依次被第一反射镜101、第二反射镜102和第三反射镜103反射。接着，该被反射的光束被向上倾斜地投影至屏幕(未示出)的背面上。由于从图像形成装置100发出的光束的路径通过多个反射镜在这些反射镜上折返，所以JP-ANo.10-111458中公开的该反射型成像光学系统将在尺寸上被减小，尤其是具有减小了厚度的外形。
图像形成装置100发出的光束(图像)在被第一反射镜101、第二反射镜102和第三反射镜103的连续反射时被逐渐放大。如果从图像形成装置100发出的光束首先施加到的第一反射镜101具有失真或变形，该失真或变形的影响也将被逐渐放大。因此，第一反射镜101的反射表面要求具有比第二反射镜102和第三反射镜103的反射表面更高水平的表面形状精确度。另外，由于第一反射镜101最接近图像形成装置100，因此第一反射镜101受到来自图像形成装置100的热的极大影响。第一反射镜101最好是由具有低的线性膨胀系数材料制成。
由于上述原因，JP-A No.10-111458中公开的反射型成像光学系统的第一反射镜101具有球形反射表面。尽管第一反射镜101由具有低的线性膨胀系数的玻璃材料制成，该球形反射表面仍能通过较少花费的抛光处理实现高的精确度。
从图像形成装置100向屏幕延伸的光束的路径分别具有不同的长度，其是在屏幕上形成像差(梯形失真)的原因。在JP-A No.10-111458中公开的反射型成像光学系统中，第二反射镜102和第三反射镜103具有像差校正功能。具体地，第二反射镜102和第三反射镜103每个都具有满足给定条件的球形反射表面。
国际公开WO01/011425的小册子中公开了一种具有增强的像差校正功能的反射型成像光学系统。附图的图2示出了该小册子中公开的反射型成像光学系统的详细结构。如图2所示，该反射型成像光学系统具有光学引擎200(相应于图1所示的图像形成装置100)、第一反射镜201(相应于图1所示的第一反射镜101)、和用于辅助像差校正的辅助透镜202，该辅助透镜202设置在光学引擎200和第一反射镜201之间。该反射型成像光学系统还具有设置在靠近光学引擎200上方的曲面镜203和两个其它的反射镜。因此，该反射型成像光学系统包括四个反射镜和一个透镜。曲面镜203作为用于避免在第一反射镜201反射的光束和来自光学引擎200的光束之间产生干涉的镜。
如上所述，在用于放大并投影由图像形成装置形成的图像的反射型光学系统(或者反射型成像光学系统)领域中，由不同的光路长度导致的像差主要利用光学系统中反射镜的表面形状来校正。具体地，最优化反射表面的形状以加强该像差校正功能。然而，虽然来自该图像形成装置的光束首先施加到的反射镜应当优选具有球形反射表面，但该球形反射表面的像差校正功能还是低下的。因而，随后级的各反射镜承担着增加的校正能力的重担。为了解决该增加的校正能力重担，有必要增加使用的反射镜数量或者增加每个反射镜的校正能力范围。
然而增加反射镜的数量，会引起该反射型成像光学系统的成本和尺寸的增加。该反射型成像光学系统最有优势的是其尺寸小，因为光束的路径通过多个反射镜在这些反射镜上折返。如果反射镜的数量增加了，那么该反射型成像光学系统必将在尺寸上变大，从而失去上述优势。上面参考的小册子中公开的插入在光路中的辅助透镜也增加了光学元件的数量，使得该反射型成像光学系统在尺寸上变大。
为了增加每个反射镜的校正能力范围，该反射镜需要具有非球面反射表面或自由形式(free-form)的反射表面。然而，如果每个反射镜的反射表面是复杂形状的，那么设计和制造该反射镜将变得更加困难并且成本高。此外，不仅仅反射表面形状的精确度，而且这些反射镜的三维位置关系的精确度，即布局精确度，也影响像差校正。也就是说，即便每个反射镜具有理想的反射表面形状，但是如果每个反射镜的布局精确度低，那像差也不能被校正。由于每个反射镜的布局精确度增加，所以反射成像光学系统必须在其中具有参考点或参考面。然而，如果反射型成像光学系统的所有反射镜都具有非球面反射表面或自由形式的反射表面，那么很难在该反射型成像光学系统中提供高精度的参考点或参考面。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种投影显示设备，其具有倾斜的图像形成装置，用于减少从该图像形成装置发射的多个光束的光路长度之间的差异，从而减少包括在该投影显示设备中的每个反射镜上的校正能力负担。
本发明的另一个目的是要提供一投影显示设备，其具有倾斜的图像形成装置，用于提供包括在该投影显示设备中的多个反射镜之间的足够间隔和通过反射镜在各反射镜上折返的光路。
参考示出了本发明的例子的附图，本发明的上述和其它目的、特征和优点将通过接下来说明变得更加明显。
附图说明
图1为JP-A No.10-111458中公开的成像光学系统的示意性侧面正视图；
图2为国际公开WO01/011425的小册子中公开的成像光学系统的示意性侧面正视图；
图3为根据本发明第一个实施例的投影显示设备的内部构造的示意性透视图；
图4为图3所示图像形成装置和成像光学系统沿着YZ平面的视图；
图5为图3所示图像形成装置和成像光学系统沿着Y轴正方向的视图；
图6为在与图4中的图像形成装置倾斜方向相反的方向上倾斜的成像表面的示意性侧面正视图；
图7A至7J为失真图像类型和像差量的计算过程的图解；以及
图8为根据本发明第二个实施例的投影显示设备的内部构造的示意性透视图。
具体实施方式
第一个实施例
图3示出了根据本发明第一个实施例的投影显示设备的内部构造的示意性透视图。如图3所示，根据第一个实施例的投影显示设备具有光源单元1、图像形成装置2、照明光学系统3和反射型光学系统4(成像光学系统)。照明光学系统3将从光源单元1发射的光引导向图像形成装置2。成像光学系统4将图像形成装置2形成的图像放大并投影到例如屏幕等未示出的投影表面上。接下来，将依次详细描述光源单元1、图像形成装置2、照明光学系统3和成像光学系统4。
光源单元1具有光源10和反射器11。光源10包括高压放电灯(弧光灯)，诸如金属卤化物灯、氙气灯、高压汞灯等。换句话说，光源10还可以包括除了弧光灯之外的灯。
反射器11会聚由光源10发出的各个方向的光。具体地，反射器11具有球形反射表面，其具有第一焦点和第二焦点。光源10设置在第一焦点处。从光源10发出的各个方向的光被反射器11聚焦到反射器11的第二焦点。
照明光学系统3包括色轮20、棒状透镜21和中继光学系统22。彩色滤光器20将反射器11会聚的光按时分方式分离成不同的颜色。棒状透镜21使通过色轮20的光(彩色光)亮度分布均匀化。中继光学系统22改变通过棒状透镜21的光的光路并将该光引导向图像形成装置2。
色轮20具有多个不同透射特性的彩色滤光器。具体地，色轮20在圆盘的圆周方向上依次排列有红色滤光器、绿色滤光器和蓝色滤光器。红色滤光器仅仅通过红色波段范围内的光。绿色滤光器仅仅通过绿色波段范围内的光。蓝色滤光器仅仅通过蓝色波段范围内的光。色轮20设置在比反射器11的第二焦点更靠近光源10的位置。当色轮20绕其自身的轴旋转时，这些彩色滤光器依次移动穿过向反射器11的第二焦点传播的光的光路。在光源10发出的光聚焦到反射器11的第二焦点之前，该光被色轮20以时分方式分成红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)。色轮20可具有附加的彩色滤光器，用于从光源10发出的光产生除了R、G、B之外的色光。例如，如果色轮20具有附加的黄色滤光器，用于仅仅通过黄色波段范围内的光，那么，从光源10发出的光将被以时分方式分成红光(R)、绿光(G)、黄光(Ye)和蓝光(B)。
棒状透镜21包括棱柱形光学玻璃元件，其具有入口端面和相对的出口端面。棒状透镜21这样设置，以便其入口端面位于反射器11的第二焦点处。从光源10发出的光被色轮20分成彩色光，然后施加到棒状透镜21的入口端面。施加到棒状透镜21的入口端面的光在棒状透镜21中被全反射的同时朝着其出口端面传播。当该光传播穿过棒状透镜21时，在垂直于光轴的截面上其亮度分布被均匀化。
中继光学系统22包括三个透镜23、24、25和设置在透镜24、25之间的平面镜26。从棒状透镜21的出口端面发出的光被透镜23、24转化为平行光并施加到平面镜26上。平面镜26将该施加的光偏转大约90°并将偏转的光施加到透镜25上。从而，施加到透镜25上的光被会聚并照射到图像形成装置2上。
接下来将描述图像形成装置2。图像形成装置2包括半导体装置，其具有多于成百上千(several hundred thousand)个微镜，这些微镜基于从外电路施加到图像形成装置2上的图像信号被独立地控制。该半导体装置通常被称作DMD(数字微镜装置Digital Micro-mirrorDevice)。具体地，每个微镜基于图像信号可偏转±12度的角度范围。由偏转-12度的微镜反射的光由未示出的光吸收板吸收，由偏转+12度的微镜反射的光被施加到成像光学系统4。
接下来将详细描述成像光学系统4。图3中所示图像形成装置2和成像光学系统4在图4和5中以放大的比例示出，为了使成像光学系统4的结构细节更清楚。关于图像形成装置2和成像光学系统4，定义如下的坐标系统：图像形成装置2的中心用作该坐标系统的原点。该坐标系统具有在图4的纸面上且沿着图4的纸面延伸穿过图像形成装置2的中心并且作为其垂直法线的Z轴。如图4所示，沿着Z轴向的右方向为正方向，向左方向为负方向。Y轴为在图4的纸面上并沿着图4的纸面垂直于Z轴延伸的直线。如图4所示，沿着Y轴的向上方向为正方向，向下方向为负方向。X轴为垂直于Y轴和Z轴且穿过图埠的纸面延伸的直线。沿着X轴延伸离开图4的观察者的方向为正方向，沿着X轴延伸朝着图4的观察者的方向为负方向。图4为图像形成装置2和成像光学系统4的放大比例的沿着YZ平面的视图，图5为沿着Y轴正方向看，图像形成装置2和成像光学系统4的放大比例的视图。
成像光学系统4包括四个反射镜，即第一反射镜30(凹面镜)、第二反射镜31(凸面镜)、第三反射镜32(凹面镜)和第四反射镜33(凸面镜)。这些反射镜这样排列，以便第一反射镜30、第二反射镜31、第三反射镜32和第四反射镜33以指定顺序逐渐靠近图像形成装置2。从图像形成装置2发出的光，即由偏转+12度的微镜反射的光被施加到第一反射镜30的反射表面30a并被反射。由第一反射镜30反射的光被施加到第二反射镜31的反射表面31a并被反射。由第二反射镜31反射的光被施加到第三反射镜32的反射表面32a并被反射。由第三反射镜32反射的光被施加到第四反射镜33的反射表面33a并被反射。由于在图像形成装置2和第一反射镜30之间没有任何光学装置存在，从图像形成装置2发出的光被直接施加到第一反射镜30的反射表面30a。类似地，在第二反射镜31和第三反射镜32之间、第三反射镜32和第四反射镜33之间也没有任何光学装置存在。此外，从第一反射镜30到第四反射镜33的光路上没有形成任何中间图像。另外，每个反射表面30a到33a都具有关于YZ平面对称的形状。
第一反射镜30由光学玻璃制成。第一反射镜30的反射表面30为球形形状。从图像形成装置2发出的光束不会被施加到反射表面30a的全部区域，而被施加到其给定的反射区域。图像形成装置2关于第一反射镜30这样倾斜，以便穿过反射表面30a的顶点(crest)的法线“a”和穿过图像形成装置2的中心的法线“b”相互不平行延伸。
如上所述，第一反射镜30的反射表面30为球形形状。如果一球体被沿着穿过该球体的任何理想平面切割，那么该截面必然是圆形形状。位于穿过该横截面的一平面(YZ平面)和反射表面30a之间的相交线是弧形的。反射表面30a的顶点位于反射表面30a和YZ平面之间的相交弧形线的中心处。穿过反射表面30a的顶点的法线与反射表面30a的旋转对称轴，即第一反射镜30的光轴重合。
如果图像形成装置2包括DMD，那么图像形成装置2的法线是指近似于微镜的反射表面的平面的法线。如果在每个微镜前方设置覆盖玻璃面板，那么该覆盖玻璃面板的法线和近似于微镜的反射表面的平面的法线至少根据本发明是相互等同的。
法线“a”和法线“b”在以下条件下是相互不平行的：第一种条件是图像形成装置2这样倾斜，使得其上侧比其下侧更靠近第一反射镜30。第二种条件是图像形成装置2这样倾斜，使得其下侧比其上侧更靠近第一反射镜30。根据本实施例，如图4所示，图像形成装置2这样倾斜，使得其上侧比其下侧更靠近第一反射镜30。图像形成装置2倾斜5.3°。
由于第一反射镜30是凹面镜，光束在第一反射镜30和第二反射镜31之间被会聚一次。因此，由光束表示的图像在第一反射镜30和第二反射镜31之间被垂直反转。也就是说，从图像形成装置2上靠近其下端的位置发出的光束到达屏幕40上靠近其上端的位置。相反，从图像形成装置2上靠近其上端的位置发出的光束到达屏幕40上靠近其下端的位置。当图像形成装置2如图4所示倾斜时，由于垂直放大率，屏幕40的下部向后(向图4的左侧)收缩，屏幕40的上部向前(向图4的右侧)突出。屏幕40的上部向前突出一距离，该距离由横向放大率的平方表示。如图4所示的图像形成装置2的倾斜度与如图6所示的屏幕40(成像表面)的倾斜度相等。在图6中，屏幕40在与图4中的图像形成装置2的倾斜方向相反的方向上倾斜。在传统的使用投影显示设备的投影光学系统中，当产生基本上无失真的聚焦投影图像时，该成像表面(屏幕)和图像形成装置相互平行放置，不管该投影光学系统是反射型光学系统还是折射型光学系统。根据本发明的一个特征，如图4所示，成像表面(屏幕40)和图像形成装置2相互不平行放置。当成像表面(屏幕40)和图像形成装置2相互不平行放置时，从图像形成装置2发出的多个光束之间的光路长度之间的差异被减少，从而导致像差减小。特别地，对于放大光学系统，成像表面的位移受该放大率的影响，其中该位移是由图像形成装置2的位移导致的。因此，光路长度之间的差异能够通过稍稍偏转图像形成装置2被大大地减小。
如果倾斜投影显示设备中的成像表面的位置较低，那么最长光路长度和最短光路长度之间的差异将被减小。因此，如果光路长度之间的差异通过如图4所示的倾斜图像形成装置2被减小，并且成像表面的位置较低，那么像差将被进一步减小。然而，当第一反射镜30到第四反射镜33在图像形成装置2保持垂直(如图4所示的法线“a”和法线“b”相互平行)的同时布置成低于成像表面时，反射镜和光束之间的间隔将被减小，将导致在其间产生干涉。特别地，由第四反射镜33朝向屏幕40与第三反射镜32反射的光束将相互干涉。
然而，在根据本实施例的投影显示设备中，由于图像形成装置2如图4倾斜，从图像形成装置2发出的施加到第一反射镜30的光束的位置相对低，即比图像形成装置2保持垂直时的位置低。该布局等效于整体逆时针旋转图4所示的图像光学系统。从而，当保持光束和反射镜之间理想的间隔时，成像表面的位置较低。如上所述，如图4所示倾斜的图像形成装置2对于降低成像表面的位置并从而减小光路长度之间的差异是非常有效的。
从根据本实施例的投影显示设备发出的光束与从传统投影显示设备发出的光束在屏幕上的入射角之间的比较如下列表1所示。除了穿过第一反射镜的反射表面的顶点的法线与延伸至图像形成装置的法线相互平行外，传统投影显示设备具有与根据本实施例的投影显示设备几乎相同的结构。入射角是指由本发明和传统投影显示设备的第四反射镜反射的光束施加到屏幕上的角度。小的入射角意味着成像表面的位置较低。
表1
              在屏幕上的入射角
  下方   中部   上方
 传统投影仪   34.1°   54.9°   64.0°
 实施例1中的投影仪   21.4°   49.2°   61.2°
从表1可以看出，根据本实施例的投影显示设备能够将相同尺寸的图像投影至较低位置。
在根据本实施例的投影显示设备中，由于图像形成装置2如上所述倾斜，从图像形成装置2发出的多个光束的光路长度之间的差异被减小，从而减小了像差。尽管第一反射镜30的反射表面30a是球形的，但反射型光学系统4作为整体具有足够的像差校正能力。结果，即使第一反射镜30考虑到由图像形成装置2发出的热而由玻璃材料制成，但是其球形反射表面还可利用较少花费的抛光处理加工成高精度。
此外，在根据本实施例的投影显示设备中，像差还由第一反射镜30至第四反射镜33的组合来校正。如上所述，由于第一反射镜30的反射表面30a出于成本和精确度的考虑而是球形的，所以从像差校正的观点看关于第一反射镜30的设计范围不大。因此，第二反射镜31至第四反射镜33每个都具有自由形式的反射表面31a至33a，其能够以较大的范围来设计。
具体地，第二反射镜31至第四反射镜33的反射表面31a至33a的形状在上述坐标系统中以下列等式表示：
z = c r 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + Σ i = 1 N AiEi ( x , y )
其中r2＝x2+y2，
z：sag量
k：圆锥常数(conic constant)
c：曲率(曲率半径R＝1/c)
Ai：多项式系数，以及
Ei：多项式
表2示出了对于投影显示设备显示具有60英寸对角线长度的图像时第一反射镜30至第四反射镜33的反射表面30a至33a的形状和位置关系的参数。光束没有被施加到上述等式表示的曲面，而是仅仅被施加到其一部分上。如果每个反射镜都具有由上述等式表示的完整曲面作为其反射表面，那么这些反射镜必将相互干涉，因此，这种反射表面是不实用的。因此，实际使用的反射表面包括由上述等式表示的曲面的一部分。球形表面和自由形式的表面与平面和球形表面不同，其上很难具有高精度的参考点。
第一反射镜30的反射表面30a为球形。第一反射镜30的反射表面30a的形状由没有上述等式中存在的高次项的等式表示。被切成球形表面的任何部分保持为球形表面，被切开的球形表面必须具有顶点。可以基于该顶点作为参考点来限定该球形表面的形状和位置关系。图像形成装置2与第一反射镜30之间的位置关系和第一反射镜30与第二反射镜31之间的位置关系要求比其它反射镜之间的位置关系更精确，因为由图像形成装置2形成的图像被这些反射镜逐渐放大，在图像形成装置2附加产生的误差也将被逐渐放大。根据本实施例，在X、Y和Z轴方向上的第一反射镜30与第二反射镜31之间的位置关系要求比第三反射镜32与第四反射镜33之间的位置关系更精确。由于参考点可设置在第一反射表面30的球形反射表面30a上，第一反射镜30和第二反射镜31之间的位置关系的精确度可增加，以允许该反射型光学系统比传统的反射型光学系统具有更大的像差校正能力。
在根据本实施例的投影显示设备中，通过在Z轴方向上移动图4所示的第三反射镜32来进行聚焦调整。如表2所示，第三反射镜32的曲率半径明显比其它反射镜的曲率半径小。也就是说，第三反射镜32的反射表面32a几乎是平面。因此，尽管第三反射镜32被移动，施加到第三反射镜32上的光束仅仅被小幅度地会聚或发散，并且不会大大地影响后面的反射镜。因此，优选第三反射镜32用于聚焦调整。表3中示出了，对于不同的图像尺寸，第三反射镜32移动的距离和从第四反射镜33到屏幕40的距离(投影距离)。第三反射镜32移动的距离表示当投影具有60英寸对角线长度的图像时，第三反射镜32从第三反射镜32所在的位置移动的距离。当第三反射镜32朝着屏幕40移动时，该距离是负的(-)，当第三反射镜32离开屏幕40移动时，该距离是正的(+)。投影距离表示从第四反射镜33上的原点O到屏幕40的最短距离。
表2
  图像形成装置   第一反射镜   第二反射镜   第三反射镜   第四反射镜   成像表面
  C   0   7.620E-03   2.237E-02   -1.994E-03   2.639E-02   0
  K   0   0   0.071   0   -1.192   0
  dj   d0＝54.326   d1＝75.308   d2＝117.516   d3＝174.644   d4＝505.956   -
  X   0   0   0   0   0   0
  Y   0   117.273   18.541   17.489   2.284   0
  α   0   51.125   0   0   0   6.537
  Ai   Ei                                            Ai
  A1   X^1*y^0   0   0   0   0   0   0
  A2   X^0*y^1   0   0   0.046   0.160   -0.189   0
  A3   X^2*y^0   0   0   -7.732E-03   -2.929E-04   -0.012   0
  A4   X^1*y^1   0   0   0   0   0   0
  A5   X^0*y^2   0   0   -9.884E-03   4.063E-04   -8.275E-03   0
  A6   X^3*y^0   0   0   0   0   0   0
  A7   X^2*y^1   0   0   -7.713E-06   6.798E-05   4.959E-05   0
  A8   X^1*y^2   0   0   0   0   0   0
  A9   X^0*y^3   0   0   1.956E-04   2.767E-05   2.011E-05   0
  A10   X^4*y^0   0   0   -8.333E-07   -3.323E-09   2.386E-07   0
  A11   X^3*y^1   0   0   0   0   0   0
  A12   X^2*y^2   0   0   -1.126E-06   -1.804E-06   -1.507E-07   0
  A13   X^1*y^3   0   0   0   0   0   0
  A14   X^0*y^4   0   0   -9.438E-06   -4.273E-07   2.883E-08   0
  A15   X^5*y^0   0   0   0   0   0   0
  A16   X^4*y^1   0   0   1.688E-08   -1.817E-09   -2.929E-09   0
  A17   X^3*y^2   0   0   0   0   0   0
i＝1
  A18   X^2*y^3   0   0   -6.768E-09   2.283E-08   1.314E-09   0
  A19   X^1*y^4   0   0   0   0   0   0
  A20   X^0*y^5   0   0   1.987E-07   2.951E-09   -4.253E-10   0
  A21   X^6*y^0   0   0   -2.963E-10   7.992E-12   -3.880E-14   0
  A22   X 5*y^1   0   0   0   0   0   0
  A23   X^4*y^2   0   0   -1.102E-09   4.074E-11   1.573E-11   0
  A24   X^3*y^3   0   0   0   0   0   0
  A25   X^2*y^4   0   0   -5.176E-10   -1.360E-10   -1.189E-11   0
  A26   X^1*y^5   0   0   0   0   0   0
  A27   X^0*y^6   0   0   -2.010E-09   -6.700E-12   1.656E-12   0
  A28   X^7*y^0   0   0   0   0   0   0
  A29   X^6*y^1   0   0   0   -5.590E-14   4.116E-14   0
  A30   X^5*y^2   0   0   0   0   0   0
  A31   X^4*y^3   0   0   0   -2.050E-13   -4.307E-14   0
  A32   X^3*y^4   0   0   0   0   0   0
  A33   X^2*y^5   0   0   0   3.172E-13   4.847E-14   0
  A34   X^1*y^6   0   0   0   0   0   0
  A35   X^0*y^7   0   0   0   -3.033E-15   -3.205E-15   0
  A36   X^8*y^0   0   0   0   0   2.942E-18   0
  A37   X^7*y^1   0   0   0   0   0   0
  A38   X^6*y^2   0   0   0   0   -1.119E-16   0
  A39   X^5*y^3   0   0   0   0   0   0
  A40   X^4*y^4   0   0   0   0   5.085E-17   0
  A41   X^3*y^5   0   0   0   0   0   0
  A42   X^2*y^6   0   0   0   0   -7.177E-17   0
  A43   X^1*y^7   0   0   0   0   0   0
  A44   X^0*y^8   0   0   0   0   2.486E-18   0
N＝44
其中c：曲率，
k：圆锥常数，
dj：面对面的间隔(限定曲面的坐标原点之间在平行于Z轴的方向上测得的距离)(d0：图像形成装置和第一反射镜之间的间隔，d1：第一反射镜和第二反射镜之间的间隔，d2：第二反射镜和第三反射镜之间的间隔，d3：第三反射镜和第四反射镜之间的间隔，d4：第四反射镜和成像表面之间的间隔)，
X：从Z轴向限定曲面的坐标原点在X轴方向上测得的距离，
Y：从Z轴向限定曲面的坐标原点在Y轴方向上测得的距离，
α：YZ平面关于X轴的旋转角，以及
Ai：多项式Ei的系数。
表3
  图像尺寸[英寸]   40   60   80   100
  移动距离[mm]   -5.325   0.000   2.649   4.139
  投影距离[mm]   301.364   505.956   709.407   912.251
当图像由本实施例投影显示设备投影时能够产生的失真类型在图7A至7J中示出。在图7A至7J的每个中，实线表示无失真的理想图像，虚线表示失真的图像。图7A示出了左侧和右侧具有不同长度的图像的水平梯形失真。图7B示出了上侧和下侧具有不同长度的图像的垂直梯形失真。图7C至7F示出了至少一侧向外弯曲的图像的各种桶形失真(barrel distortion)。图7G至7J示出了至少一侧向内弯曲的图像的各种枕形失真(pincushion distortion)。
表4关于不同图像尺寸示出了图7A至图7J所示的失真图像的失真度。表4中所示失真度是计算值，而不是测量值。失真度通过分别在图7A至7J中示出的处理来计算。
表4
  40英寸   60英寸   80英寸   100英寸
梯形失真   水平   0.00％   0.00％   0.00％   0.00％
  垂直   0.40％   0.02％   -0.11％   -0.21％
桶形失真   顶部   0.26％   0.09％   -   -
  底部   0.69％   0.38％   0.25％   -
  左边   0.47％   0.10％   0.15％   0.25％
  右边   0.47％   0.10％   0.15％   0.25％
枕形失真   顶部   -   -   -0.10％   -0.12％
  底部   -   -   -   -0.24％
  左边   -   -   -   -
  右边   -   -   -   -
第二个实施例
图8示出了根据本发明第二个实施例的投影显示设备。根据该第二个实施例的投影显示设备具有与根据第一个实施例的投影显示设备相同的基本结构。根据第二个实施例的投影显示设备中与根据第一个实施例的投影显示设备中的相同部分在图8中用相同的附图标记表示，并在下面不作详细描述。
根据第二个实施例的投影显示设备与根据第一个实施例的投影显示设备仅在图像形成装置2倾斜的方向上不同。具体地，如图8所示，图像形成装置2这样倾斜，使得其下侧比其上侧更靠近第一反射镜30。根据第一个实施例，如上所述，图像形成装置2这样倾斜，使得其上侧比其下侧更靠近第一反射镜30。
在前面已经详细描述了根据第一个实施例的图4所示倾斜的图像形成装置2的操作和优点。根据第一个实施例的投影显示设备在利用减少光路长度之间差异来减小像差方面比根据第二个实施例的投影显示设备好。根据第二个实施例，从图像形成装置2发出的光束在第一反射镜30上的入射角通过如图8所示倾斜图像形成装置2被增加。结果，由第二反射镜31向第四反射镜33反射的光束和第二反射镜31到第四反射镜33之间的间隔被增加。
根据第二个实施例的投影显示设备的优点在于，它能够降低成像表面的位置，并能够在光束和反射镜之间提供足够的间隔。当图像形成装置2如图8所示倾斜时，光路长度之间的差异将比根据第一个实施例的投影显示设备中的光路长度之间的差异大。然而，从根据第一个实施例的投影显示设备的光路长度之间的差异增加量能够利用第二反射镜31至第四反射镜33、尤其是具有能够以大范围设计的自由形式反射表面的第三和第四反射镜32、33充分地吸收。根据第二个实施例的投影显示设备，总的来说，具有与根据第一个实施例的投影显示设备的像差校正功能相等同的像差校正功能。
从根据第二个实施例的投影显示设备发出的光束在屏幕上的入射角与从传统的投影显示设备发出的光束在屏幕上的入射角之间的比较在下面的表5中示出。除了穿过第一反射镜的反射表面的顶点的法线与延伸穿过图像形成装置的法线相互平行外，传统的投影显示设备具有与第二个实施例的投影显示设备几乎相同的结构。入射角是指由本发明和传统的投影显示设备的第四反射镜反射的光束施加到屏幕上的角度。较小的入射角意味着成像表面的位置较低。
表5
           在屏幕上的入射角
  下方   中部   上方
 传统投影仪   34.1°   54.9°   64.0°
 实施例2中的投影仪   24.2°   49.6°   61.1°
                                                  20
表6示出了当投影显示设备显示具有60英寸对角线长度的图像时，关于第一反射镜30到第四反射镜33的反射表面30a到33a的形状和位置关系的参数。
表6
  图像形成装置   第一反射镜   第二反射镜   第三反射镜   第四反射镜   成像表面
  C   0   7.686E-03   2.200E-02   -3.036E-03   8.956E-03   0
  K   0   0   0.110   0   -4.658   0
  dj   d0＝53.355   d1＝73.350   d2＝93.240   d3＝170.459   d4＝532.551   -
  X   0   0   0   0   0   0
  Y   0   116.711   18.656   16.488   51371   0
  α   0   51.404   0   0   0   -6.821
  Ai   Ei                                           Ai
  A1   X^1*y^0   0   0   0   0   0   0
  A2   X^0*y^1   0   0   0.0437   0.038   -0.153   0
  A3   X^2*y^0   0   0   -7.443E-03   9.734E-04   -5.82E-05   0
A4 X^1*y^1 0 0 0 0 0 0
  A5   X^0*y^2   0   0   -9.478E-03   1.164E-03   -3.530E-05   0
i＝1
  A6   X^3*y^0   0   0   0   0   0   0
  A7   X^2*y^1   0   0   -1.175E-06   5.728E-05   2.529E-06   0
  A8   X^1*y^2   0   0   0   0   0   0
  A9   X^0*y^3   0   0   1.932E-04   2.836E-05   -1.725E-06   0
  A10   X^4*y^0   0   0   -8.620E-07   -1.153E-08   2.442E-08   0
  A11   X^3*y^1   0   0   0   0   0   0
  A12   X^2*y^2   0   0   -1.575E-06   -1.674E-06   -2.681E-08   0
  A13   X^1*y^3   0   0   0   0   0   0
  A14   X^0*y^4   0   0   -9.487E-06   -4.426E-07   1.493E-09   0
  A15   X^5*y^0   0   0   0   0   0   0
  A16   X^4*y^1   0   0   1.306E-08   -2.929E-09   -3.129E-10   0
  A17   X^3*y^2   0   0   0   0   0   0
  A18   X^2*y^3   0   0   2.128E-09   2.214E-08   1.781E-10   0
  A19   X^1*y^4   0   0   0   0   0   0
  A20   X^0*y^5   0   0   2.018E-07   2.991E-09   1.767E-11   0
  A21   X^6*y^0   0   0   -2.382E-10   6.741E-12   -2.182E-12   0
  A22   X^5*y^1   0   0   0   0   0   0
  A23   X^4*y^2   0   0   -7.749E-10   6.979E-11   5.018E-13   0
  A24   X^3*y^3   0   0   0   0   0   0
  A25   X^2*y^4   0   0   -4.292E-10   -1.371E-10   -1.982E-13   0
  A26   X^1*y^5   0   0   0   0   0   0
  A27   X^0*y^6   0   0   -2.007E-09   -5.463E-12   -2.228E-14   0
  A28   X^7*y^0   0   0   0   0   0   0
  A29   X^6*y^1   0   0   0   -3.746E-14   2.492E-14   0
  A30   X^5*y^2   0   0   0   0   0   0
  A31   X^4*y^3   0   0   0   -3.740E-13   1.139E-14   0
A32 X^3*y^4 0 0 0 0 0 0
  A33   X^2*y^5   0   0   0   3.377E-13   -4.329E-15   0
  A34   X^1*y^6   0   0   0   0   0   0
  A35   X^0*y^7   0   0   0   -1.049E-14   3.729E-16   0
  A36   X^8*y^0   0   0   0   0   1.897E-17   0
A37 X^7*y^1 0 0 0 0 0 0
  A38   X^6*y^2   0   0   0   0   -7.078E-17   0
  A39   X^5*y^3   0   0   0   0   0   0
  A40   X^4*y^4   0   0   0   0   -4.961E-17   0
  A41   X^3*y^5   0   0   0   0   0   0
  A42   X^2*y^6   0   0   0   0   1.771E-17   0
  A43   X^1*y^7   0   0   0   0   0   0
  A44   X^0*y^8   0   0   0   0   -1.773E-18   0
N＝44
在根据第二个实施例的投影显示设备中，聚焦调整也可通过在光轴(Z轴)方向上移动第三反射镜32来实现。表7中示出了关于不同尺寸的图像，第三反射镜32移动的距离和从第四反射镜33到屏幕40的距离(投影距离)。
表7
  图像尺寸[英寸]   40   60   80   100
  移动距离[mm]   -5.287   0.000   2.531   3.970
  投影距离[mm]   320.406   532.551   743.438   953.646
                                                                        10
表8示出了当由根据第二个实施例的投影显示设备投影图像时，会产生的失真度。失真图像具有与图7A至7J所示相同的形状，并通过图7A至7J中分别示出的每个处理来计算失真度。
表8
  40英寸   60英寸   80英寸   100英寸
梯形失真   水平   0.00％   0.00％   0.00％   0.00％
  垂直   0.38％   0.05％   -0.09％   -0.18％
桶形失真   顶部   0.29％   0.02％   -   -
  底部   0.15％   -   -   -
  左边   0.37％   0.08％   0.03％   0.10％
  右边   0.37％   0.08％   0.03％   0.10％
枕形失真   顶部   -   -   -0.16％   -0.19％
  底部   -   -0.13％   -0.16％   -0.20％
  左边   -   -   -   -
  右边   -   -   -   -
以上关于图像形成装置包括DMD的投影显示设备对本发明的实施例进行了描述。然而，根据本发明的投影显示设备的图像形成装置并不限于DMD，还可以是透射液晶面板或反射液晶面板。投影显示设备可具有多个图像形成装置，而不是一个图像形成装置。
虽然已经利用特殊术语描述了本发明的优选实施例，但这种描述仅仅是为了说明本发明目的，应当理解，对其进行的任何改变和变化都不脱离权利要求的精神和范围。

Claims (12)

1.一种投影显示设备，包括：
光源；
图像形成装置，其用提供给它的图像信号来调制从所述光源发出的光；以及
反射型光学系统，用于放大并投影由所述图像形成装置产生的图像；
所述反射型光学系统包括：
第一反射镜，用于反射从所述图像形成装置发出的并首先施加到其上的光；以及
多个反射镜，用于依次反射由所述第一反射镜反射的光；
其中所述第一反射镜具有球形反射表面，并且穿过所述球形反射表面的顶点的法线和穿过所述图像形成装置的法线相互不平行地延伸。
2.一种投影显示设备，包括：
光源；
图像形成装置，其用提供给它的图像信号来调制从所述光源发出的光；以及
反射型光学系统，用于放大并投影由所述图像形成装置产生的图像；
所述反射型光学系统包括：
第一反射镜，用于反射从所述图像形成装置发出的并首先施加到其上的光；以及
多个反射镜，用于依次反射由所述第一反射镜反射的光；
其中所述第一反射镜具有球形反射表面，并且穿过所述球形反射表面的顶点的法线与所述第一反射镜的光轴一致且与穿过所述图像形成装置的法线不平行地延伸。
3.根据权利要求1所述的投影显示设备，其中所述图像形成装置这样倾斜，使得其上侧比其下侧更靠近所述第一反射镜。
4.根据权利要求2所述的投影显示设备，其中所述图像形成装置这样倾斜，使得其上侧比其下侧更靠近所述第一反射镜。
5.根据权利要求1所述的投影显示设备，其中所述图像形成装置这样倾斜，使得其下侧比其上侧更靠近所述第一反射镜。
6.根据权利要求2所述的投影显示设备，其中所述图像形成装置这样倾斜，使得其下侧比其上侧更靠近所述第一反射镜。
7.根据权利要求1所述的投影显示设备，其中所述反射型光学系统中，除了所述第一反射镜之外的所述反射镜分别具有自由形式的反射表面。
8.根据权利要求2所述的投影显示设备，其中所述反射型光学系统中，除了所述第一反射镜之外的所述反射镜分别具有自由形式的反射表面。
9.根据权利要求1所述的投影显示设备，其中所述多个反射镜包括：第二反射镜，用于反射由所述第一反射镜反射的光；第三反射镜，用于反射由所述第二反射镜反射的光；和第四反射镜，用于反射由所述第三反射镜反射的光；所述第一反射镜的所述反射表面包括凹表面，所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜分别具有凸反射表面。
10.根据权利要求2所述的投影显示设备，其中所述多个反射镜包括：第二反射镜，用于反射由所述第一反射镜反射的光；第三反射镜，用于反射由所述第二反射镜反射的光；和第四反射镜，用于反射由所述第三反射镜反射的光；所述第一反射镜的所述反射表面包括凹表面，所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜分别具有凸反射表面。
11.一种投影显示设备，包括：
光源；
图像形成装置，其用提供给它的图像信号来调制从所述光源发出的光；以及
反射型光学系统，用于放大并投影由所述图像形成装置产生的图像；
所述反射型光学系统包括：
第一反射镜，用于反射从所述图像形成装置发出的并首先施加到其上的光；
第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，用于依次反射由所述第一反射镜反射的光；
其中所述第一反射镜具有球形凹反射表面，所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜分别具有凸反射表面；
穿过所述第一反射镜的所述球形凹反射表面的顶点的法线和穿过所述图像形成装置的法线相互不平行地延伸；并且
所述第三反射镜的凸反射表面在第一到第四反射镜的反射表面中具有最小的曲率。
12.一种投影显示设备，包括：
光源；
图像形成装置，其用提供给它的图像信号来调制从所述光源发出的光；以及
反射型光学系统，用于放大并投影由所述图像形成装置产生的图像；
所述反射型光学系统包括：
第一反射镜，用于反射从所述图像形成装置发出的并首先施加到其上的光；
第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，用于依次反射由所述第一反射镜反射的光；
其中所述第一反射镜具有球形凹反射表面，所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜分别具有凸反射表面；
穿过所述第一反射镜的所述球形凹反射表面的顶点的法线与所述第一反射镜的光轴一致且与穿过所述图像形成装置的法线不平行地延伸；并且
所述第三反射镜的凸反射表面在第一到第四反射镜的反射表面中具有最小的曲率。
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