專利名稱：圖像投影裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顯示圖像并進行投影的圖像投影裝置。具體地說，涉及使用根據(jù)像素的角度調(diào)制來顯示圖像的反射型顯示元件的圖像投影裝置。
背景技術(shù)：
根據(jù)像素的角度調(diào)制顯示圖像的反射型顯示元件，在圖像投影裝置被廣泛使用。這樣的圖像投影裝置中，具備用于引導(dǎo)照明光到顯示元件的照明光學(xué)系統(tǒng)；將來自顯示元件的圖像的光投影的投影光學(xué)系統(tǒng)。
但是，為了防止照明光學(xué)系統(tǒng)遮蔽顯示圖像的光，投影光學(xué)系統(tǒng)遮蔽照明光，照明光學(xué)系統(tǒng)及投影光學(xué)系統(tǒng)，不能配置在照明光和投影光分離的光路上。而且，為了實現(xiàn)圖像投影裝置整體的小型化，希望將照明光和投影光在狹窄的空間內(nèi)分離。
因此，例如專利文獻1[特開平8-254662號公報(
公開日1996年10月1日)]的光投影系統(tǒng)(圖像投影裝置)，在顯示元件的附近設(shè)置濾光鏡，通過該濾光鏡將光束收斂，促進投影光和照明光的分離。
另外，使用像素的偏轉(zhuǎn)軸與顯示區(qū)域的長邊及短邊形成45°角的顯示元件的圖像投影裝置，將具有空氣隙的TIR棱鏡配置在顯示元件之前。這樣的圖像投影裝置，通過選擇照明光和投影光的其中一個作為全反射，可以將照明光和投影光分離。
但是，具備濾光鏡的圖像投影裝置中，在濾光鏡的界面容易產(chǎn)生反射。因此，由于反射，造成重影的產(chǎn)生及對比度的下降。因此，這樣的圖像投影裝置，不能得到足夠的圖像品質(zhì)。
另外，具備像素的偏轉(zhuǎn)軸與顯示區(qū)域的邊形成45°角的反射型顯示元件和TIR棱鏡的圖像投影裝置，已經(jīng)實用化。但是，由于TIR棱鏡價格高，圖像投影裝置的成本變高。另外，這樣的圖像投影裝置中，TIR棱鏡的空氣隙面中的光量損失大。因此，為了提供足夠亮度的圖像，必須要有高輸出的光源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對上述的問題點提出的，其目的是不使用濾光鏡和TIR棱鏡，也能獲得照明光和投影光的良好分離的圖像投影裝置。
本發(fā)明的圖像投影裝置，具備具有像素并根據(jù)該像素的角度調(diào)制顯示圖像的反射型顯示元件；和供給照亮顯示元件的照明光的光源；將來自光源的照明光引導(dǎo)至顯示元件的照明光學(xué)系統(tǒng)；將顯示來自顯示元件的圖像的光投影的投影光學(xué)系統(tǒng)。
接著，本發(fā)明的圖像投影裝置中，像素的偏轉(zhuǎn)軸與顯示元件的矩形的顯示區(qū)域的長邊平行，投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳從顯示區(qū)域的中心的法線變位到與顯示區(qū)域的短邊平行的方向，滿足下面的條件式(1)和條件式(2)。
L·{tan[tan-1(tanα+d2·H)-θ]+tan[tan-1(tanα-d2·H)-θ+2·χ]}>d]]>……條件式(1)sinθ＞0.13 …條件式(2)其中，將顯示元件的顯示區(qū)域的法線方向作為基準方向，L表示從顯示元件的顯示區(qū)域在光路上到離顯示元件的顯示區(qū)域中最近的光學(xué)部件在基準方向上的距離；α表示顯示元件的顯示區(qū)域的中心到投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的中心的方向和基準方向所形成的角度；d表示顯示元件的顯示區(qū)域的短邊長度；H表示從顯示元件的顯示區(qū)域到投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳在基準方向上的距離；
θ表示在顯示元件的顯示區(qū)域的短邊平行方向上，照明光學(xué)系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的反正弦；χ表示相對顯示元件的顯示面的像素偏轉(zhuǎn)角。
這樣的圖像投影裝置中，顯示元件中的像素偏向軸與顯示區(qū)域的長邊平行。因此，照明光和投影光引導(dǎo)到與顯示區(qū)域的長邊垂直的方向。而且，投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳變位到與顯示區(qū)域的短邊平行的方向，可以使投影光對照明光偏轉(zhuǎn)的程度變大。因此，促進照明光和投影光的分離。
條件式(1)，表示使照明光和投影光分離的條件。因此，如果滿足該條件，則照明光和投影光能可靠分離。另外，通過滿足條件式(2)，照明光學(xué)系統(tǒng)朝向顯示元件的照明光和顯示元件朝向投影光學(xué)系統(tǒng)的投影光的數(shù)值孔徑變大。因此，能確保兩光學(xué)系統(tǒng)間充分的能量傳遞效率。
另外，本發(fā)明的圖像投影裝置，也可以具備具有像素并根據(jù)該像素的角度調(diào)制顯示圖像的反射型顯示元件；提供照明顯示元件的照明光的光源；來自光源的照明光引導(dǎo)到照明光學(xué)系統(tǒng)；具有多個曲面鏡子，將來自表示顯示元件的圖像的光投影的投影光學(xué)系統(tǒng)。
然后，這樣的圖像投影裝置中，像素的偏向軸，一方面與顯示元件的矩形顯示區(qū)域的長邊平行，而且，投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳位于從顯示區(qū)域的中心的法線變位到與顯示區(qū)域的短邊平行的方向上的位置。而且，照明光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳位于從顯示區(qū)域的中心的法線變位到在與顯示區(qū)域的短邊平行的方向上與投射光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的變位方向的對面方向上的位置，該照明光學(xué)系統(tǒng)可配置成使表示來自顯示元件的圖像的光導(dǎo)通到投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳。
本發(fā)明的上述目的及其它目的和特征，下面參考附圖對最佳實施例的說明，變得更加清晰。


圖1是表示第1實施例的圖像投影裝置的整體光學(xué)構(gòu)成。
圖2是表示上述圖像投影裝置的光學(xué)構(gòu)成的主要部分。
圖3是表示顯示元件的一個像素的照明光的反射的樣子的示意圖。
圖4是表示顯示元件的顯示區(qū)域和一部分的像素。
圖5上述圖像投影裝置中可能采用的其它的顯示元件及其顯示區(qū)域。
圖6是表示，從顯示元件的顯示區(qū)域的下端到達投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的投影光中的最下面的光線，和從照明光學(xué)系統(tǒng)到達顯示區(qū)域的上端的照明光中的最上面的光線的示意圖。
圖7表示投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的方向和投影光和照明光的主光線的分離角的關(guān)系。
圖8A是說明產(chǎn)生多余光的狀態(tài)的像素排列，造成對比度低的理由的圖。
圖8B是說明為了防止對比度低，在第2實施例的圖像投影裝置中采用的設(shè)定的說明圖。
圖9是表示第2實施例的圖像投影裝置的光學(xué)構(gòu)成的主要部分的圖。
具體實施例方式
第1實施例以下，針對本發(fā)明的實施例，參考圖面進行說明。圖1表示第1實施例的圖像投影裝置1的整體的光學(xué)構(gòu)成。圖2表示第1實施例的圖像投影裝置1的光學(xué)構(gòu)成的主要部分。
本實施例的圖像投影裝置1，具有光源10；照明光學(xué)系統(tǒng)20；反射型的顯示元件30；投影光學(xué)系統(tǒng)40；屏幕50。
光源10，包括發(fā)白光的燈泡11和旋轉(zhuǎn)橢圓面的反光鏡12，提供用于照亮顯示元件30的照明光。
然后，燈泡11位于反光鏡12的第1焦點上，燈泡11發(fā)出的光在反光鏡12反射，光線聚集在第2焦點。
照明光學(xué)系統(tǒng)20，包括色輪21；積分條22及中繼光學(xué)系統(tǒng)23。
然后，色輪具有分別選擇通過紅色(R)光、綠色(G)光、藍色(B)光的濾光膜。該色輪21通過旋轉(zhuǎn)，將任意一個濾光膜置于來自光源10的照明光的光路上，使照明光成為R光，G光，或B光。
另外，后面將進行詳細說明，顯示元件30將一個像素分成R分量，G分量，B分量，與色輪21的旋轉(zhuǎn)同步進行顯示。因此，圖像投影裝置1可提供時間分割顯示的彩色圖像。
積分條22是具有與顯示元件30的顯示區(qū)域(顯示像的范圍)相似的矩形截面的四角柱狀的透明材料。而且，積分條22的一個端面的中心位于反光鏡12的第2焦點上，側(cè)面放置成與反光鏡12的第1焦點和第2焦點連接的直線平行。
然后，通過色輪21的來自光源10的照明光，透過入射端面進入積分條22的內(nèi)部，在側(cè)面全反射，到達出射端面。該場合，積分條22的入射端面與照明光的入射角有各種各樣，相對于入射端面的入射角對應(yīng)的次數(shù)而在側(cè)面全反射的各種各樣的光線到達出射端面上的所有部位，出射端面上的照明光的強度分布均勻。
另外，也可采用由透鏡陣列構(gòu)成的積分器來代替積分條22。該場合，作為反光鏡12，使用旋轉(zhuǎn)載物面，使來自光源10的照明光成為平行光。
中繼光學(xué)系統(tǒng)由3個透鏡組成，將來自積分條22的照明光引導(dǎo)進顯示元件30。中繼光學(xué)系統(tǒng)23令積分條22的出射端面和包含顯示元件30的顯示區(qū)域的中心的平面為光學(xué)共扼，在該平面上形成積分條22的出射端面的像。
另外，顯示元件30的顯示面與來自中繼光學(xué)系統(tǒng)的照明光的主光線不正交。但是，包含顯示面的平面上的照明范圍近似為矩形的顯示區(qū)域的形狀，該顯示區(qū)域均勻地被照亮。另外，中繼光學(xué)系統(tǒng)23將照明范圍設(shè)定為比顯示元件30的顯示區(qū)域稍大。因此，顯示區(qū)域外的照明光變少，照明效率提高。
而且，也可以在從光源10到顯示元件30的光路上放置反射鏡。例如，也可以在顯示元件30和中繼光學(xué)系統(tǒng)23的最靠近顯示元件30側(cè)的透鏡間放置反射鏡，也可以在中繼光學(xué)系統(tǒng)23的最靠近30側(cè)的透鏡及其它透鏡之間放置反射鏡。這樣的構(gòu)成，例如，反射鏡光源10側(cè)的光路被扭曲到與圖1及圖2的紙面成垂直方向。于是，可抑制圖像投影裝置的高度尺寸和厚度。
反射型的顯示元件30具有2維排列的多個像素。然后，顯示像素30通過像素的角度調(diào)制顯示圖像，反射照明光，成為表現(xiàn)顯示圖像的光(投影光)。另外，作為通過像素的角度調(diào)制顯示圖像的元件，例如有德州儀器公司的數(shù)字微鏡器件(DMDDigital Micro-mirrorDevice)。
投影光學(xué)系統(tǒng)40，包括球面、旋轉(zhuǎn)對稱非球面或自由曲面的4個鏡子41、43、44、45和1個透鏡42。然后，投影光學(xué)系統(tǒng)40，將來自顯示元件30的投影光引導(dǎo)到屏幕50，投影光的顯示圖像的放大像在屏幕50上形成。另外，4個鏡子中在最靠近顯示元件側(cè)的曲面鏡41是凹面，從顯示元件側(cè)開始的第2個曲面鏡43是凸面。另外，透鏡42放置在曲面鏡41和曲面鏡43之間。另外，曲面鏡44、45是自由曲面。
屏幕50是透過型，與圖像的觀察者從相反的方向接收投影光。而且，投影光的主光線(來自顯示元件30的顯示區(qū)域的中央像素的中央光線)對屏幕50的入射角，變大成大約70°左右。另外，圖像投影裝置1，雖然提供大的圖像，但是在前后的方向上很薄。
反射型的顯示元件30，具有2維排列的多個方向可變的微小的像素，由各像素表示圖像的一個點。各像素將與作為顯示元件30整體的顯示面平行的偏轉(zhuǎn)軸作為中心，以正反兩方向改變方向(偏轉(zhuǎn))。像素的偏轉(zhuǎn)角χ例如是±12°。
圖3是表示1個像素31的照明光的反射的情況。如該圖3所示，相對于顯示元件30的照明光的入射角是一定的，但是根據(jù)像素31的方向，產(chǎn)生前進方向不同的兩個反射光。另外，反射光的其中一個成為表示圖像的光(投影光)，另外一個成為多余光。然后，多余光不入射到投影光學(xué)系統(tǒng)，而是被舍棄掉。本實施例的圖像投影裝置1中，將與照明光的角度差小的反射光作為投影光。
顯示元件30具有大小為10.5mm×18.6mm的矩形的顯示區(qū)域。另外，顯示元件30的各像素31是其中一條邊為0.014mm的正方形，具有與相對的兩條邊平行并通過其它兩條邊的中點的偏轉(zhuǎn)軸。然后，全部的像素31放置成偏轉(zhuǎn)軸與顯示元件30的顯示區(qū)域的長邊平行。
圖4是表示顯示元件30的顯示區(qū)域30a和一部分的像素31。接著，在圖4中，32表示像素31的偏轉(zhuǎn)軸。下面，如圖4所示，將通過顯示區(qū)域30a，并與顯示區(qū)域30a的長邊平行的軸定為x軸；將通過顯示區(qū)域30a，并與顯示區(qū)域30a的短邊平行的軸定為y軸。另外，x軸，y軸的正方向如圖所示。而且，將通過顯示區(qū)域30a的中心，與x軸和y軸垂直的軸定為z軸。z軸的正方向是垂直圖4的紙面向外。
另外，這里，舉了包含全部像素31的顯示區(qū)域30a的顯示元件作為例子，但是并不是限定于此。也可以使用顯示區(qū)域30a和像素31的關(guān)系不同的其他顯示元件。例如，如圖5所示，使用偏轉(zhuǎn)軸32在像素31的對角方向上，像素31的排列的邊緣與各像素31的邊平行的顯示元件30，其中的一部分可作為顯示區(qū)域30a利用。關(guān)鍵是相對于顯示區(qū)域30a的長邊，各像素31的偏向軸32平行即可。
投影光學(xué)系統(tǒng)40，在入射側(cè)(顯示元件30側(cè))是遠心的光學(xué)系統(tǒng)。因此，該入射光瞳位于無限遠。但是，雖然投影光學(xué)系統(tǒng)40的入射光瞳與顯示元件30的顯示區(qū)域30a平行，但是其中心從在顯示區(qū)域30a的中心的法線上，變位到與顯示區(qū)域30a的短邊平行的方向。
具體地說，投影光學(xué)系統(tǒng)40的入射光瞳的中心，在x＝0的平面上，且在y＞0，z＞0的范圍內(nèi)。接著，連接顯示區(qū)域30a的中心及投影光學(xué)系統(tǒng)40的入射光瞳的中心的直線，與顯示區(qū)域30a的中心的法線所成的角度是4°。
另外，在這里，雖然與顯示面的法線相對的投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的方向的傾斜角為4°，也可以是其它值。但是，如果該傾斜角太小的場合，照明光和投影光的分離變得困難；傾斜角太大的場合，成像性能降低。因此，投影光學(xué)系統(tǒng)40的入射光瞳方向的傾斜角最好設(shè)為4°～20°。
照明光學(xué)系統(tǒng)20，設(shè)置成使來自顯示元件30的投影光通過投影光學(xué)系統(tǒng)40的入射光瞳。然后，照明光學(xué)系統(tǒng)20的出射光瞳的中心位于x＝0，y＜0，z＞0的范圍內(nèi)。更具體地說，連接顯示元件30的顯示區(qū)域30a的中心和照明光學(xué)系統(tǒng)20的出射光瞳中心的直線，對顯示元件30的顯示面的法線形成28°角。因此，照明光的主光線和投影光的主光線形成的角為32°。
另外，這里，雖然照明光的主光線和投影光的主光線所成的角為32°，但是也可以是其它值。但是，如果該角度太小，投影光和照明光的分離變得困難。因此，照明光的主光線和投影光的主光線所形成的角最好為30°以上。
另外，照明光學(xué)系統(tǒng)20，配合投影光學(xué)系統(tǒng)，出射側(cè)(顯示元件30側(cè))設(shè)為遠心光學(xué)系統(tǒng)。在斜照明中這樣設(shè)為遠心在減少照度分布差別方面是有用的。但是，照明光學(xué)系統(tǒng)20，不一定完全是遠心的光學(xué)系統(tǒng)。如果引導(dǎo)至顯示區(qū)域30a的中心的照明光的主光線和引導(dǎo)至顯示區(qū)域30a的周圍部分的照明光的主光線之間的角度差為±5°以內(nèi)，就可以容許。
但是，投影光學(xué)系統(tǒng)及照明光學(xué)系統(tǒng)20的數(shù)值孔徑(NA)是0.14，相當于F3.5。另外，從顯示元件30的顯示區(qū)域30a，到顯示區(qū)域30a最近的光學(xué)部件，即投影光學(xué)系統(tǒng)40的鏡子41與顯示元件最近的地方的距離(顯示元件30的顯示面的法線方向的距離)是75mm。因此，可以在確保大的數(shù)值孔徑的同時，能完全分離投影光和照明光。
也可以將數(shù)值孔徑設(shè)為其它值。但是，如果數(shù)值孔徑太小，則從照明光學(xué)系統(tǒng)20到投影光學(xué)系統(tǒng)40的能量傳遞效率低，如果太大，則投影光學(xué)系統(tǒng)40的成像性能低。因此，照明光學(xué)系統(tǒng)20及投影光學(xué)系統(tǒng)40的數(shù)值孔徑最好為0.13～0.25。
本實施例的圖像投影裝置1，具備像素31的偏轉(zhuǎn)軸與矩形的顯示區(qū)域30a的長邊平行的反射型顯示元件30，根據(jù)像素31的角度調(diào)制顯示圖像。然后，這樣的圖像投影裝置1，通過滿足下式1〔條件式(1)〕，能在照明光和投影光分離的光路上，可靠放置照明光學(xué)系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)40。
L·{tan[tan-1(tanα+d2·H)-θ]+tan[tan-1(tanα-d2·H)-θ+2·χ]}>d]]>…式1而且，通過滿足式2〔條件式(2)〕，能確保照明光學(xué)系統(tǒng)20和投影光學(xué)系統(tǒng)40之間良好的能量傳遞效率。
sinθ＞0.13 …式2這里，各參數(shù)定義如下。
L從顯示元件的顯示區(qū)域在光路上到顯示元件的顯示區(qū)域中最近的光學(xué)部件在顯示區(qū)域的法線方向的距離；α從顯示元件的顯示區(qū)域的中心到投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的中心的方向和顯示區(qū)域的法線方向所成的角度；d顯示元件的顯示區(qū)域的短邊的長度；H從顯示元件的顯示區(qū)域到投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳，在顯示區(qū)域的法線方向上的距離；θ在顯示元件的顯示區(qū)域的短邊平行方向上，照明光學(xué)系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的反正弦；χ相對顯示元件的顯示面的像素的偏轉(zhuǎn)角。
若更詳細的說明，則L是表示從顯示元件的顯示區(qū)域側(cè)在光路上到與顯示區(qū)域的光學(xué)部件的與顯示元件最近的地方的，在顯示區(qū)域的法線方向上的距離。H是，從顯示元件的顯示區(qū)域到投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的中心的，在顯示區(qū)域的方向上的距離。另外，投影光學(xué)系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑不一樣的場合，θ是小的數(shù)值孔徑的反正弦。
圖6表示從顯示元件30的顯示區(qū)域30a的長邊方向(x軸方向)看的示意圖。在該圖6中，從顯示區(qū)域30a的下端到達投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的投影光中，最下面的光線設(shè)為L1，從照明光學(xué)系統(tǒng)20到達顯示區(qū)域30a的上端的照明光中，最上面的光線設(shè)為L2。另外，將顯示區(qū)域30a的短邊方向(y軸方向)稱為上下方向，y軸的正側(cè)稱為上，負側(cè)稱為下。
接著，如圖6所示，式1表示光學(xué)部件位于比光線L1和光線L2的交點更遠離顯示區(qū)域30a(圖6的帶斜線的范圍內(nèi))的位置。
另外，式1中的d/(2·H)項，表示遠心程度。因而，完全遠心的光學(xué)系統(tǒng)中，該項d/(2·H)為0。因此，式1變成式3。另外，遠心的程度為反正切±5°以內(nèi)，構(gòu)成實際的光學(xué)系統(tǒng)時，使用式3[條件式(3)]代替式1也不會有什么特別的問題。
L·[tan(α-θ)+tan(α-θ+2·χ]＞d…式3然而，不使用濾光鏡和TIR棱鏡，在傾斜投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的方向(改變?nèi)肷涔馔奈恢?的場合，如果該傾斜角大，則投影光學(xué)系統(tǒng)的成像性能難以獲得，反之，如果小，則不能同時確保充分的數(shù)值孔徑及投影光和照明光的分離。
一般的圖像投影裝置中，顯示元件的像素的偏轉(zhuǎn)軸對顯示區(qū)域的長邊及短邊形成45°的構(gòu)成。但是，這樣的構(gòu)成，如本實施例的圖像投影裝置1，像素31的偏轉(zhuǎn)軸32與顯示區(qū)域30a的長邊平行構(gòu)成，可減小分離投影光和照明光所必須的投影光學(xué)系統(tǒng)40的入射光瞳的傾斜角。因此，設(shè)定為大的數(shù)值孔徑的同時，可方便將投影光學(xué)系統(tǒng)40和照明光學(xué)系統(tǒng)20進行布局，可確保高傳遞效率。下面，針對該點進行說明。
本實施例的圖像投影裝置1中，像素的偏轉(zhuǎn)軸與顯示區(qū)域的長邊平行，投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳變位到與顯示區(qū)域的短邊平行的方向(與偏轉(zhuǎn)軸垂直的方向)。該構(gòu)成的場合，從顯示元件的顯示區(qū)域的中心朝投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的中心方向的矢量(稱為投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳方向矢量)vP，成為式4，生成投影光的像素的法線方向的矢量vDon成為式5。
vP=0sinαcosα]]>…式4vDon=0-sinχcosχ]]>…式5另外，為了成為高效率的光學(xué)系統(tǒng)，投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳和照明光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳，如果位置設(shè)定在同一光軸上，則投影光的主光線和照明光的主光線所成的角γ滿足由式4，式5得到的式6的關(guān)系。其結(jié)果，式7成立。
cos(γ2)=-sinχ·sinα+cosχ·cosα]]>…式6γ＝2·cos-1(-sinχ·sinα+cosχ·cosα) …式7另一方面，像素的偏轉(zhuǎn)軸與顯示區(qū)域的長邊及短邊形成45°的構(gòu)成中，生成投影光的像素的法線的方向矢量vDon，變成式8。
vDon=sinχ2-sinχ2cosχ]]>…式8另外，為了獲得高效率的光學(xué)系統(tǒng)，如果將投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳和照明光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳的位置設(shè)定在同一光軸上，則投影光和照明光的主光線分離角γ，滿足由式4、式8得到的式9的關(guān)系。其結(jié)果是式10成立。
cos(γ2)=-12·sinχ·sinα+cosχ·cosα]]>式9γ=2·cos-1(-12·sinχ·sinα+cosχ·cosα)]]>式10這里，圖7中，表示投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的方向傾斜角α和投影光及照明光的主光線的分離角γ的關(guān)系。圖7中，γ90是像素的偏轉(zhuǎn)軸與顯示區(qū)域的長邊平行的構(gòu)成，γ45相當于以前的DMD，相對于長邊及短邊形成45°的構(gòu)成。另外，像素的偏轉(zhuǎn)角χ都是12°。
根據(jù)圖7，入射光瞳的方向傾斜角α為相同的場合，如本實施例的圖像投影裝置1，像素的偏轉(zhuǎn)軸與顯示區(qū)域的長邊平行的構(gòu)成中，主光線分離角γ變大。即，若數(shù)值孔徑相同，則使像素的偏轉(zhuǎn)軸與顯示區(qū)域的長邊平行，即使將投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的傾斜角α減小，也可以容易布局。因此，本實施例的圖像投影裝置1，可容易使投影圖像的成像狀態(tài)變好。
因此，即使是投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的方向傾斜角α為相同的場合，將像素的偏轉(zhuǎn)軸與顯示區(qū)域的長邊平行的構(gòu)成在即使將數(shù)值孔徑變大的情況下也可以容易布局，進而，圖像投影裝置1可使能量傳遞效率變高，容易提供明亮的投影圖像。
但是，本實施例的投影光學(xué)系統(tǒng)40，通過使用多個曲面鏡放大圖像，投影到屏幕50上。這樣的投影光學(xué)系統(tǒng)40中，為了不使入射到曲面鏡并反射的光束重疊，設(shè)置了曲面鏡使光束的中心光線彎曲。
另外，一般地，到反射面的入射角越小，由于鏡子偏心的程度小，光學(xué)系統(tǒng)的性能變高。若鏡子偏心的程度小，則也可減小鏡反射面的大小。
因此，本實施例中的投影光學(xué)系統(tǒng)40中，用曲面鏡折返投影光束，使從顯示元件中心到屏幕中心的光束的中心光線包含于與顯示元件30的短邊平行的平面。這是因為與顯示元件的長度方向相比，短邊方向的光束寬度較小，鏡子偏心的程度變小。
在本實施例的圖像投影裝置1形成像素的偏轉(zhuǎn)軸與顯示區(qū)域的長邊平行的構(gòu)成，可容易地構(gòu)成在與顯示元件的短邊平行的平面上折返中心光線。由于投影光學(xué)系統(tǒng)40中的入射光瞳的傾斜角α小，照明光束可良好地傳遞到投影光學(xué)系統(tǒng)40的光瞳，同時可實現(xiàn)曲面鏡緊湊的高性能的投影光學(xué)系統(tǒng)。
第2實施例下面，針對第2實施例進行說明。如上所述，第1實施例的圖像投影裝置1，將來自各像素31的2種反射光中(參考圖3)，與照明光的角度差比較小的一方作為投影光，與照明光的角度差比較大的光作為多余光。但是，這樣的設(shè)定，由于有生成多余光的像素，會導(dǎo)致投影圖像的對比度低。
其理由如圖8A所示，圖8A，表示生成多余光狀態(tài)的像素31并列的樣子。生成多余光的場合，像素31相對于照明光更接近于平行。因此，如圖8A所示，如果生成多余光的像素31連續(xù)，則產(chǎn)生通過像素31和像素31間的照明光。
然后，通過像素31和像素31間的照明光，由支撐像素31的基板30b等反射變得散亂，一部分混入投影光，其結(jié)果，投影圖像中應(yīng)該黑的部分變亮，導(dǎo)致對比度變低。因此，本實施例中，將來自各像素31的2種反射光中的，與照明光角度差大的一種作為投影光，將與照明光角度差小的一種作為多余光，防止對比度降低。
另一方面，在圖8B中，表示本實施例的圖像投影裝置2中，生成多余光狀態(tài)的像素31并列的樣子。如圖8B所示，即使生成多余光的像素31連續(xù)，不能產(chǎn)生通過像素31和像素31間的照明光。因此，可以防止對比度的降低。
另外，圖9表示本實施例的圖像投影裝置2的光學(xué)構(gòu)成的主要部分。圖像投影裝置2的構(gòu)成，除了對反射型的顯示元件30的照明光的角度和顯示元件30的生成的投影光的角度，與第1實施例的圖像投影裝置是一樣的。
另外，在本實施例的圖像投影裝置2中，投影光學(xué)系統(tǒng)40在入射側(cè)(顯示元件30側(cè))成為遠心光學(xué)系統(tǒng)，照明光學(xué)系統(tǒng)20在出射側(cè)(顯示元件30側(cè))成為遠心光學(xué)系統(tǒng)。接著，投影光學(xué)系統(tǒng)40的入射光瞳，從顯示區(qū)域的中心的法線上向與顯示區(qū)域的短邊平行的方向變位。另外，連接顯示區(qū)域的中心和投影光學(xué)系統(tǒng)40的入射光瞳的中心的直線，與顯示區(qū)域的中心的法線所成的角是30°。
另外，由于將來自各像素的2種反射光中，與照明光的角度差大的一種作為投影光，與照明光的角度差小的一種作為多余光，所以圖像投影裝置2中對于顯示元件30的照明光的傾斜，比圖像投影裝置1中對顯示元件30的照明光的傾斜變小。
具體地說，連接顯示元件30的顯示區(qū)域的中心及照明光學(xué)系統(tǒng)20的出射光瞳的中心的直線，與顯示區(qū)域的中心的法線所形成的角為6°。這樣，若照明角度相對變小，則顯示元件30上的照度分布變得更均勻。
另外，生成投影光狀態(tài)的像素的法線和照明光所形成的角δon，變成式11，生成多余光狀態(tài)的像素的法線和照明光所形成的角δoff，變成式12。
δon=γ2=cos-1(sinχ·sinα+cosχ·cosα)]]>…式11δoff＝cos-1[-(3-4·sin2χ)·sinχ·sinα+(3-4·cosχ)·cosχ·cosα] …式12另外，像素的偏轉(zhuǎn)角χ為±12°，顯示面的法線和照明光所形成的角為6°，所以δon＝6°，δoff＝18°，變成δon≥δoff。另外，投影光和多余光，是針對照明光相互在相反側(cè)進行。即，照明光是從投影光和多余光之間引導(dǎo)到顯示元件30。
另外，生成多余光狀態(tài)的像素的法線和照明光所形成的角δoff如果設(shè)為像素的偏轉(zhuǎn)角χ的一半以下(δoff≤χ/2)，則照明光進入不了像素和像素之間，因此可有效防止對比度降低。即，偏轉(zhuǎn)角χ＝±12°時，最好δoff≤6°。
上述的各實施例的圖像投影裝置1、2，不使用濾光鏡和TIR棱鏡，可以可靠分離照明光和投影光。因此，本實施例的圖像投影裝置1、2，可以提供明亮且高品質(zhì)的圖像，并可控制成本。因此，適用于投射型電視。
另外，以上說明的本發(fā)明的圖像投影裝置，還可有如下表現(xiàn)。
本發(fā)明的圖像投影裝置中，照明光學(xué)系統(tǒng)可包括積分光學(xué)系統(tǒng)，其包含顯示元件的顯示區(qū)域并照亮與該顯示元件的顯示區(qū)域大致相近的區(qū)域。如果是該構(gòu)成，則顯示元件上的照度分布變得均勻，可提供同樣亮度的圖像。另外，還可抑制照明光的損失。
另外，本發(fā)明的圖像投影裝置中，照明光學(xué)系統(tǒng)的出射側(cè)和投影光學(xué)系統(tǒng)的入射側(cè)是遠心光學(xué)系統(tǒng)，也可滿足下面的式3〔條件式(3)〕L·[tan(α-θ)+tan(α-θ+2·χ)]＞d…式3一般地，將照明光傾斜引導(dǎo)到顯示元件，顯示元件上的照度分布容易產(chǎn)生差別。但是，通過使之成為遠心光學(xué)系統(tǒng)，可抑制照度分布的差別。
而且，式3表示，遠心光學(xué)系統(tǒng)的照明光和投影光的分離條件。因此，通過滿足該條件(式3)，可以可靠進行分離。
另外，本發(fā)明的圖像投影裝置，也可滿足下面的式13〔條件式4〕30°≤γ …式13其中，γ表示，朝向顯示元件的顯示區(qū)域中心的照明光的主光線，和表示來自顯示元件的顯示區(qū)域的中心的光的主光線所形成的角。
另外，本發(fā)明的圖像投影裝置中，也可滿足下面的式14〔條件式(5)〕·式15〔條件式(6)〕。
4°≤α≤20° …式140.13≤sinθ≤0.25 …式15通過滿足式13或式14，可以很容易可靠地進行照明光和投影光的分離。另外，通過滿足式15，能在確保光學(xué)系統(tǒng)的高傳遞效率的同時，還能確保充分的成像性能。
另外，本發(fā)明的圖像投影裝置中，顯示元件也可以是數(shù)字微鏡器件。
另外，本發(fā)明的圖像投影裝置中，投影光學(xué)系統(tǒng)也可具有4個曲面鏡。
另外，本發(fā)明的圖像投影裝置中，投影光學(xué)系統(tǒng)，也可在顯示元件側(cè)的第1個鏡和第2個鏡之間具有透鏡。
如上所述，由第1實施例說明的本發(fā)明的圖像投影裝置中，投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳向顯示區(qū)域的短邊平行的方向變位，可使投影光對于照明光的偏轉(zhuǎn)程度變大。由此，可促進照明光和投影光的分離。另外，通過滿足式1〔條件式(1)〕，可靠分離照明光和投影光，且不需要用于分離的濾光鏡和TIR棱鏡。其結(jié)果，不會產(chǎn)生由濾光鏡和TIR棱鏡引起的不方便。而且，通過滿足式2〔條件式(2)〕，也可充分確保照明光學(xué)系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)的能量傳遞效率。
上述說明的具體的本實施形態(tài)和實施例等，只是為了是本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容更明確。因此，本發(fā)明并不限定于對具體的例子，并進行狹義地解釋，而是可在附加的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)進行各種變更后實施。
權(quán)利要求
1.一種圖像投影裝置，具備具有像素并根據(jù)該像素的角度調(diào)制進行顯示圖像的反射型顯示元件；光源，提供給照亮所述顯示元件的照明光；照明光學(xué)系統(tǒng)，將來自所述光源的照明光引導(dǎo)至所述顯示元件；投影光學(xué)系統(tǒng)，將表示來自所述顯示元件的圖像的光進行投影，其中，所述像素的偏轉(zhuǎn)軸，與所述顯示元件的矩形的顯示區(qū)域的長邊平行，所述投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳，從所述顯示區(qū)域的中心的法線變位到與所述顯示區(qū)域的短邊平行的方向，滿足以下的條件式(1)、條件式(2)L·{tan[tan-1(tanα+d2·H)-θ]+tan[tan-1(tanα-d2·H)-θ+2·χ]}>d]]>…條件式(1)sinθ＞0.13 …條件式(2)其中，將顯示元件的顯示區(qū)域的法線的方向作為基準方向，L表示從顯示元件的顯示區(qū)域在光路上到離顯示元件的顯示區(qū)域中最近的光學(xué)部件在基準方向上的距離；α表示顯示元件的顯示區(qū)域的中心到投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的中心的方向和基準方向所形成的角度；d表示顯示元件的顯示區(qū)域的短邊長度；H表示從顯示元件的顯示區(qū)域到投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳在基準方向上的距離；θ表示在顯示元件的顯示區(qū)域的短邊平行方向上，照明光學(xué)系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的反正弦；χ表示相對顯示元件的顯示面的像素偏轉(zhuǎn)角。
2.一種圖像投影裝置，具備具有像素并根據(jù)該像素的角度調(diào)制進行顯示圖像的反射型顯示元件；光源，提供給照亮所述顯示元件的照明光；照明光學(xué)系統(tǒng)，將來自所述光源的照明光引導(dǎo)至所述顯示元件；投影光學(xué)系統(tǒng)，將表示來自所述顯示元件的圖像的光進行投影；其中，所述像素的偏轉(zhuǎn)軸，與所述顯示元件的矩形的顯示區(qū)域的長邊平行，所述投影光學(xué)系統(tǒng)包括多個曲面鏡的同時，所述投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳位于從所述顯示區(qū)域的中心的法線變位到與所述顯示區(qū)域的短邊平行的方向上的位置，而且，所述照明光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳位于從所述顯示區(qū)域的中心的法線變位到在與所述顯示區(qū)域的短邊平行的方向上與所述投射光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的變位方向的對面的位置，所述照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置成，將表示來自所述顯示元件的圖像的光導(dǎo)通到所述投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳。
3.權(quán)利要求2所述的圖像投影裝置，其特征在于滿足以下的條件式(1)·條件式(2)L·{tan[tan-1(tanα+d2·H)-θ]+tan[tan-1(tanα-d2·H)-θ+2·χ]}>d]]>…條件式(1)sinθ＞0.13…條件式(2)其中，將顯示元件的顯示區(qū)域的法線的方向作為基準方向，L表示從顯示元件的顯示區(qū)域在光路上到離顯示元件的顯示區(qū)域中最近的光學(xué)部件在基準方向上的距離；α表示顯示元件的顯示區(qū)域的中心到投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的中心的方向和基準方向所形成的角度；d表示顯示元件的顯示區(qū)域的短邊長度；H表示從顯示元件的顯示區(qū)域到投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳在基準方向上的距離；θ表示在顯示元件的顯示區(qū)域的短邊平行方向上，照明光學(xué)系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的反正弦；χ表示相對顯示元件的顯示面的像素偏轉(zhuǎn)角。
4.權(quán)利要求3所述的圖像投影裝置，其特征在于所述投影光學(xué)系統(tǒng)，具有4個曲面鏡。
5.權(quán)利要求4所述的圖像投影裝置，其特征在于所述投影光學(xué)系統(tǒng)，在所述顯示元件側(cè)第1鏡子和第2鏡子之間具有透鏡。
6.權(quán)利要求1～5任意一項所述的圖像投影裝置，其特征在于所述照明光學(xué)系統(tǒng)包括積分光學(xué)系統(tǒng)，其包含所述顯示元件的顯示區(qū)域并照亮與該顯示元件的顯示區(qū)域大致相似的區(qū)域。
7.權(quán)利要求1，3～5任意一項所述的圖像投影裝置，其特征在于所述照明光學(xué)系統(tǒng)的出射側(cè)和投影光學(xué)系統(tǒng)的入射側(cè)都成為遠心，滿足以下的條件L·[tan(α-θ)+tan(α-θ+2·χ)]＞d…條件式(3)。
8.權(quán)利要求1～5任意一項所述的圖像投影裝置，其特征在于滿足以下的條件式
30°≤γ …條件式(4)其中，γ表示，朝向顯示元件的顯示區(qū)域的中心的照明光的主光線，和表示來自顯示元件的顯示區(qū)域的圖像的光的主光線所形成的角。
9.權(quán)利要求8所述的圖像投影裝置，其特征在于滿足以下的條件式(5)、條件式(6)
4°≤α≤20° …條件式(5)0.13≤sinθ≤0.25…條件式(6)。
10.權(quán)利要求1～5任意一項所述的圖像投影裝置，其特征在于所述顯示元件是數(shù)字微鏡器件。
全文摘要
使顯示元件的像素的偏轉(zhuǎn)軸，與顯示元件的顯示區(qū)域的長邊平行，將投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳，從顯示區(qū)域中心的法線變位到與顯示區(qū)域的短邊平行的方向上。而且，以從顯示區(qū)域的下端到達投影光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的投影光中的最下面的光線，和從照明光學(xué)系統(tǒng)到達顯示區(qū)域上端的照明光中的最上面的光線的交點為基礎(chǔ)，確定從顯示元件到與顯示元件最近的光學(xué)部件的距離。
文檔編號G02B27/18GK1743897SQ20051009982
公開日2006年3月8日 申請日期2005年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月1日
發(fā)明者澤井靖昌, 桑富榮 申請人:柯尼卡美能達精密光學(xué)株式會社