本發(fā)明涉及具有檢測功能的投影型顯示裝置。

背景技術(shù)：

近年來，智能電話、平板終端等可使用觸摸屏，由此可允許通過直觀的點(diǎn)擊操作對屏幕上所顯示的圖像進(jìn)行翻頁、放大或縮小。另一方面，作為通過在屏幕上投影圖像來進(jìn)行顯示的顯示單元，投影儀(投影型顯示裝置)已是眾所周知的。舉例來說，如專利文獻(xiàn)1和2所公開的，提出一種在這種投影儀中增加如觸摸屏之類的檢測功能的技術(shù)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本未審專利申請公開No.2007-52218

專利文獻(xiàn)2：日本未審專利申請公開No.2003-44839

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在專利文獻(xiàn)1所描述的投影儀中，利用單個(gè)投影透鏡實(shí)現(xiàn)投影光學(xué)系統(tǒng)所進(jìn)行的圖像投影以及檢測光學(xué)系統(tǒng)所進(jìn)行的檢測光接收。此外，產(chǎn)生圖像的光閥和接收檢測光的成像元件被布置于光學(xué)共軛的位置。這樣的裝置構(gòu)造可允許準(zhǔn)確地檢測物體，并且不需要進(jìn)行例如校準(zhǔn)之類的復(fù)雜處理。利用簡單的構(gòu)造就能實(shí)現(xiàn)交互裝置。

但是，專利文獻(xiàn)1中所描述的上述構(gòu)造不能在投影面上保證足夠的檢測區(qū)域(可檢測區(qū)域，檢測范圍)，因此有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。因此，需要實(shí)現(xiàn)一種能基本上在整個(gè)投影區(qū)域中進(jìn)行物體檢測的裝置。

因此，需要提供一種利用簡單的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)物體檢測、并能在整個(gè)投影區(qū)域中檢測物體的投影型顯示裝置。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的投影型顯示裝置包括投影光學(xué)系統(tǒng)、偏振分離元件和成像元件。投影光學(xué)系統(tǒng)包括照明部、投影透鏡和光閥。所述光閥基于圖像信號調(diào)制從所述照明部提供的照明光，并向所述投影透鏡射出調(diào)制后的照明光。所述偏振分離元件布置在所述光閥和所述投影透鏡之間，用于將入射的光分離為第一偏振分量和第二偏振分量，并分別向互不相同的方向射出所述第一偏振分量和所述第二偏振分量。所述成像元件被布置在與所述光閥光學(xué)共軛的位置，并且經(jīng)由所述投影透鏡和所述偏振分離元件，基于沿投影面附近的平面照射的不可見光的光被入射到所述成像元件。所述投影型顯示裝置滿足以下條件式，

d1<β×d2(1)

其中，d1為光閥的對角線尺寸，d2為成像元件的對角線尺寸，β為檢測光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)倍率，當(dāng)檢測光學(xué)系統(tǒng)為縮小光學(xué)系統(tǒng)時(shí)β大于1，當(dāng)檢測光學(xué)系統(tǒng)為放大光學(xué)系統(tǒng)時(shí)β小于1，且當(dāng)檢測光學(xué)系統(tǒng)為等倍光學(xué)系統(tǒng)時(shí)β等于1。

要注意的是，本文所使用的“對角線尺寸”是指光閥的有效區(qū)域(繪圖區(qū)域，或有效顯示區(qū)域)和成像元件的有效區(qū)域(有效成像區(qū)域)之一的對角線的長度。

在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的投影型顯示裝置中，成像元件布置在與光閥光學(xué)共軛的位置，并且經(jīng)由投影透鏡和偏振分離元件，基于沿投影面附近的平面照射的不可見光的光(被物體反射的不可見光的一部分)被入射到所述成像元件。由此，可以與投影區(qū)域內(nèi)的位置和檢測區(qū)域內(nèi)的位置相對應(yīng)地檢測物體，而不需要執(zhí)行諸如校準(zhǔn)之類的復(fù)雜信號處理。此外，通過滿足條件式(1)，可允許在基本上整個(gè)投影區(qū)域中檢測物體。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的投影型顯示裝置，成像元件被布置與光閥光學(xué)共軛的位置，并且經(jīng)由投影透鏡和偏振分離元件，基于沿投影面附近的平面照射的不可見光的光被入射到所述成像元件。由此可以檢測物體，而無需執(zhí)行復(fù)雜的信號處理。此外，通過滿足條件式(1)的結(jié)構(gòu)，可以在基本上整個(gè)投影區(qū)域中檢測物體。因此，可以利用簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物體檢測，并能夠在整個(gè)投影區(qū)域中檢測物體。

要注意的是，上述描述僅僅是本發(fā)明的示例。本發(fā)明的效果不限于上述效果，也可以不同于上述效果，或者可進(jìn)一步包括任意其他效果。

附圖說明

圖1示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的投影型顯示裝置的外觀及其使用狀態(tài)。

圖2為顯示圖1所示的投影型顯示裝置的功能構(gòu)造的框圖。

圖3為圖1所示的狀態(tài)的示意性側(cè)視圖。

圖4顯示了圖1所示的近紅外光源的構(gòu)造示例。

圖5A為柱面陣列透鏡的第一構(gòu)造示例的透視圖。

圖5B為柱面陣列透鏡的第二構(gòu)造示例的透視圖。

圖6顯示了圖1所示的投影型顯示裝置的主要部分的構(gòu)造。

圖7示意性地顯示了偏振分離元件的一個(gè)構(gòu)造示例以及入射光和射出光的狀態(tài)。

圖8A示意性地顯示了接收檢測光的概念。

圖8B示意性地描述了依據(jù)檢測位置不同而導(dǎo)致的入射角差別。

圖8C示意性地顯示了檢測位置坐標(biāo)的一個(gè)示例。

圖9示意性地描述了檢測光的反射點(diǎn)和假想發(fā)光點(diǎn)之間的差別。

圖10描述了成像元件的對角線尺寸。

圖11示意性地顯示了投影透鏡的像圈以及光閥的尺寸和成像元件的尺寸。

圖12為圖11的局部放大圖。

圖13示意性地描述了像圈的詳細(xì)條件。

圖14示意性地顯示了圖1所示的投影型顯示裝置的圖像顯示和物體檢測的概念。

圖15A示意性地顯示了根據(jù)比較例的投影透鏡的像圈。

圖15B示意性地顯示了根據(jù)比較例的投影透鏡的像圈以及成像元件的尺寸。

具體實(shí)施方式

下文參照附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的若干實(shí)施方式。要注意的是，按以下順序進(jìn)行描述。

實(shí)施方式(成像元件的對角線尺寸被設(shè)置為滿足預(yù)定條件式、且投影透鏡所提供的像圈(image circle)半徑被最優(yōu)化的投影型顯示裝置的示例)

1.構(gòu)造

2.作用和效果

<實(shí)施方式>

[構(gòu)造]

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的投影型顯示裝置(投影型顯示裝置1)的外觀及其使用狀態(tài)。圖2顯示了投影型顯示裝置1的功能構(gòu)造。舉例來說，投影型顯示裝置1可以為一種投影儀(所謂的超短焦型(ultra-short throw))，當(dāng)將該投影儀放在例如桌面等平坦表面上時(shí)(或者安裝在例如墻面上時(shí))，將圖像投影在裝置附近。除了圖像顯示功能以外，所述投影型顯示裝置1還具有主動進(jìn)行物體檢測的功能。如圖1所示，通過在投影有圖像的投影區(qū)域(投影區(qū)域S11)中用手指(指示物71)對所顯示的圖像執(zhí)行觸摸等任意動作，可以進(jìn)行預(yù)定的輸入操作，這將在下文中進(jìn)行詳細(xì)描述。

參照圖2，投影型顯示裝置1可包括照明部11、光閥12、成像元件13、縮小光學(xué)系統(tǒng)14、偏振分離元件15、投影透鏡16和信號處理部17。在上述組件之中，舉例來說，照明部11、光閥12以及投影透鏡16可構(gòu)成投影光學(xué)系統(tǒng)10A。此外，舉例來說，成像元件13和縮小光學(xué)系統(tǒng)14可構(gòu)成檢測光學(xué)系統(tǒng)10B。要注意的是，舉例來說，照明部11、光閥12、成像元件13和信號處理部17可由系統(tǒng)控制器(未示出)按照預(yù)定時(shí)序進(jìn)行驅(qū)動控制。

所述投影型顯示裝置1可包括具有近紅外光源40的外殼。近紅外光源40可射出近紅外(NIR)光作為用于檢測的不可見光，并沿投影面110附近的平面照射近紅外光。也就是說，近紅外光源40可以在投影面110的附近提供近紅外光的光柵膜(barrier)(用于檢測的光平面110A)，從而使該近紅外光的光柵膜(用于檢測的光平面110A)覆蓋投影區(qū)域S11。參照圖3，用于檢測的光平面110A可位于離投影面110預(yù)定高度“h”的平面中。所述預(yù)定高度“h”可以與通過投影透鏡16的光軸的高度不同。

作為舉例，用于檢測的光平面110A在約數(shù)毫米到約數(shù)十毫米的高度“h”的位置處的厚度(高度方向上的寬度)為2mm到3mm。此外，用于檢測的光平面110A可在面內(nèi)方向上覆蓋投影區(qū)域S11。一般而言，投影面110是平坦的。因此，在未出現(xiàn)遮蔽物或例如手指或指示棒之類的指示物71時(shí)，用于檢測的光平面110A是不被遮擋的。也就是說，監(jiān)控投影面110的成像元件13沒有捕捉到任何東西。在該狀態(tài)下，當(dāng)指示物71接近投影面110時(shí)，或當(dāng)指示物71執(zhí)行例如觸摸投影面110之類的操作時(shí)，用于檢測的光平面110A的近紅外光被指示物71遮擋，從而在所述遮擋位置處被漫射和反射。到達(dá)指示物71且被指示物71反射的光向多個(gè)方向射出，其中一部分反射光被投影透鏡16的孔徑接收。被接收的所述一部分反射光經(jīng)由投影透鏡16和偏振分離元件15到達(dá)成像元件13。此時(shí)，在投影面110上以點(diǎn)狀產(chǎn)生的光斑擴(kuò)散點(diǎn)會在成像元件13上聚焦，并在與投影圖像中的位置相對應(yīng)的位置處聚焦。這是因?yàn)樘峁﹫D像的光閥12和成像元件13被布置于光學(xué)共軛的位置處。通過這樣的方式，可以檢測物體的位置。此外，超短焦型具有操作時(shí)屏幕可見的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)槌探剐偷耐队肮饩€向投影面110的附近發(fā)射，這些光線難以被執(zhí)行操作的人的部分軀體遮擋。

要注意的是，如圖所示，近紅外光源40例如位于投影型顯示裝置1的外殼的下方；但是，近紅外光源40也可以布置為與投影型顯示裝置1相鄰，或可布置為不與投影型顯示裝置1相鄰。近紅外光源40可布置在遠(yuǎn)離投影型顯示裝置1的位置，只要將用于檢測的光平面110A形成為覆蓋投影區(qū)域S11。可選的是，近紅外光源40可布置于投影型顯示裝置1的外殼(殼體)的內(nèi)部。在本發(fā)明中，近紅外光源40可以根據(jù)下文將要描述的光學(xué)設(shè)計(jì)而布置在與投影面110相距較遠(yuǎn)的高度，從而易于使近紅外光源40與投影型顯示裝置1形成為一體。

所述用于檢測的光平面110A可以實(shí)現(xiàn)以下機(jī)制：當(dāng)物體(指示物71)接觸或接近投影面110A時(shí)，近紅外光被指示物71反射(漫射和反射)，且所述反射光中的一部分作為檢測光被投影型顯示裝置1接收。

參照圖4，舉例來說，近紅外光源40可包括近紅外激光器42、準(zhǔn)直透鏡43和柱面陣列透鏡44。從柱面陣列透鏡44射出的近紅外光41可形成用于檢測的光平面110A。參照圖5A，柱面陣列透鏡44可包括由多個(gè)凸柱面透鏡組成的陣列。柱面陣列透鏡44可布置為使每個(gè)柱面透鏡的母線44A與垂直于投影面110的平面相對。要注意的是，也可以使用圖5B所示的具有由多個(gè)凹柱面透鏡組成的陣列的柱面陣列透鏡45來代替凸柱面陣列透鏡44。

照明部11可經(jīng)由偏振分離元件15向光閥12射出照明光L1。所述照明部11沒有特別限制，只要照明部11射出可見光作為照明光L1。舉例來說，照明部11可包括藍(lán)色激光器、綠色激光器和紅色激光器(圖中均未示出)。

下文將參照圖2和圖6至13，描述投影型顯示裝置1的主要部分的構(gòu)造。

(投影光學(xué)系統(tǒng)10A)

光閥12可以是反射型液晶元件，例如硅基液晶(LCOS)。舉例來說，光閥12可基于圖像數(shù)據(jù)對照明光L1中所包含的第一偏振分量(例如下文所描述的S偏振分量Ls1)進(jìn)行調(diào)制。由光閥12調(diào)制后的光的偏振狀態(tài)被旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為第二偏振分量(例如，下文描述的p偏振分量Lp1)。調(diào)制后的光經(jīng)由偏振分離元件15，向投影透鏡16射出。要注意的是，通過在不改變其偏振狀態(tài)的情況下使入射光(s偏振分量Ls1)返回偏振分離元件15，光閥12可以執(zhí)行黑色顯示。舉例來說，所述光閥12的有效區(qū)域的平面形狀可以為矩形形狀。

投影透鏡16可以在投影面110上投影從光閥12經(jīng)由偏振分離元件15入射的光(圖像光L2)。舉例來說，投影透鏡16可以是超短焦型透鏡，其投射比(Throw Ratio)為0.38或更小。此處，投射比表示為L/H，其中L為從投影透鏡16到投影面110的距離，H為投影區(qū)域S11的寬度。參照圖2和6，來自于與調(diào)制光的行進(jìn)方向相反的方向的檢測光(近紅外光La1)可入射至所述投影透鏡16。按上文所述的方式，在本實(shí)施方式中，可經(jīng)由投影光學(xué)系統(tǒng)10A的投影透鏡16接收檢測光，并引導(dǎo)至檢測光學(xué)系統(tǒng)10B。此外，可以不利用光閥12的尺寸、而是利用成像元件13的尺寸作為基準(zhǔn)，設(shè)置所述投影透鏡16提供的像圈的半徑，這將在下文中進(jìn)行詳細(xì)描述。

(偏振分離元件15)

偏振分離元件15將入射的光分離為第一偏振分量(例如s偏振分量)和第二偏振分量(例如p偏振分量)，并分別向互不相同的方向射出第一偏振分量和第二偏振分量。舉例來說，所述偏振分離元件15包括偏振波束分光器(PBS)。偏振分離元件15可選擇性地反射第一偏振分量(在偏振分離面150處反射)、并選擇性地透過第二偏振分量(透過偏振分離面150)。在本實(shí)施方式中，根據(jù)將偏振波束分光器用作偏振分離元件15的示例進(jìn)行描述。但是，偏振分離元件15不限于偏振波束分光器，可以包括線柵(wire grid)。在該情況中，線柵具有與偏振波束分光器不同的特性，因此能夠選擇性地反射作為入射光中的第一偏振分量的p偏振分量，并允許選擇性地透過作為第二偏振分量的s偏振分量。

參照圖6，舉例來說，所述偏振分離元件15具有四個(gè)光學(xué)面(第一面15A，第二面15B，第三面15C和第四面15D)以及偏振分離面150。第一面15A和第三面15C在一個(gè)軸方向(圖中的左右方向)上彼此相對，第二面15B和第四面15D在一個(gè)軸方向(圖中的上下方向)上彼此相對。在這樣的構(gòu)造中，照明光L1入射在第一面15A上，第二面15B與光閥12相對。第三面15C與檢測光學(xué)系統(tǒng)10B相對。第四面15D與投影透鏡16相對。

圖7顯示了偏振分離元件15的一個(gè)構(gòu)造示例。如圖所示，偏振分離元件15可以反射從第一面15A入射的照明光L1中的第一偏振分離(s偏振分量Ls1)，并從第二面15B射出。另一方面，照明光L1中的第二偏振分離(p偏振分量Lp1)從第三面15C射出。此外，從第二面15B入射的光(由光閥12調(diào)制后的光)中的第二偏振分量(p偏振分量Lp2)從第四面15D射出。這樣，投影光學(xué)系統(tǒng)10A可以投影圖像。而另一方面，從第四面15D入射的光(近紅外光La1)中的第一偏振分量(s偏振分量Ls3)被反射，并從第三面15C射出。成像元件13可基于所述s偏振分量Ls3接收光。因此，可在成像元件13中獲得成像信號D0。

(檢測光學(xué)系統(tǒng)10B)

成像元件13布置在與光閥12的光學(xué)共軛的位置。更具體而言，當(dāng)光閥12為反射型液晶元件時(shí)，成像元件13可布置為使產(chǎn)生圖像的顯示面(液晶面)和成像元件13的成像面處于光學(xué)共軛的關(guān)系。成像元件13可包括固態(tài)成像元件，例如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)和電荷耦合器件(CCD)等。舉例來說，成像元件13的有效區(qū)域的平面形狀可以為矩形形狀。在本實(shí)施方式中，所述成像元件13的對角線尺寸被設(shè)計(jì)為滿足預(yù)定條件式，這將在下文中進(jìn)行詳細(xì)描述。

參照圖6，舉例來說，包括所述成像元件13的檢測光學(xué)系統(tǒng)10B的一個(gè)示例包括從共軛平面50側(cè)依次布置的可見光阻斷濾光器17A、帶通濾光器17B、縮小光學(xué)系統(tǒng)14(中繼透鏡組14A和14B)、偏振器18和成像元件13。

可見光阻斷濾光器17A可減少入射光中的可見光分量。通過提供所述可見光阻斷濾光器17A，在將偏振波束分光器用作偏振分離元件15時(shí)，可以在不關(guān)閉照明部11的光源的情況下阻止大量照明光L1射入成像元件13。這樣，可以在成像元件13側(cè)幾乎只讓檢測光射入，從而增大S/N比，以改善檢測精度。要注意的是，在本示例中，可提供一個(gè)可見光阻斷濾光器17A；但是，可見光阻斷濾光器17A的數(shù)量不限于一個(gè)，也可以為兩個(gè)或多個(gè)。此外，在本示例中，可見光阻斷濾光器17A可布置在共軛面50和縮小光學(xué)系統(tǒng)14之間的位置；但是，可見光阻斷濾光器17A也可以布置在其他位置，例如，在縮小光學(xué)系統(tǒng)14和成像元件13之間的位置。

帶通濾光器17B可選擇性地透過特定波長(近紅外光)，并減少其他波長。

偏振器18可以是減少照明光L1所包含的第二偏振分量的光學(xué)組件。在本示例中，上述偏振分離元件15允許照明光L1中的第二偏振分量(如p偏振分量)透過，從而允許所述p偏振分量射入檢測光學(xué)系統(tǒng)10B。這樣會影響成像元件13中所獲得的成像信號的S/N比。在本實(shí)施方式中，提供偏振器18可以阻擋照明光L1所包含的第二偏振分量(如p偏振分量)，從而增大S/N比。要注意的是，偏振器18的位置不限于圖中所示的縮小光學(xué)系統(tǒng)14和成像元件13之間的位置。偏振器18可布置于其他位置，例如，共軛面50和縮小光學(xué)系統(tǒng)14之間的位置。

縮小光學(xué)系統(tǒng)14包括一個(gè)或多個(gè)中繼透鏡組(在本示例中為兩個(gè)中繼透鏡組14A和14B)。中繼透鏡組14A和14B均具有正的光焦度(positive power)，且包括至少一個(gè)透鏡。中繼透鏡組14B的焦距fi可設(shè)置為小于中繼透鏡組14A的焦距fb。例如，在2fi等于fb(2fi＝fb)的條件下，中繼透鏡組14A可布置在與光閥12的共軛面50相距焦距fb的位置，中繼透鏡組14B可布置在與中繼透鏡組14A的位置相距(fb+fi)的位置，且成像元件13可布置在與中繼透鏡組14B相距焦距fi的位置。通過中繼透鏡組14A和14B的上述布置，可實(shí)現(xiàn)縮小光學(xué)系統(tǒng)，等效于將成像元件13布置在共軛面50上的情況。也就是說，在保持與光閥12的共軛位置關(guān)系的同時(shí)，可以減小成像元件13的尺寸。要注意的是，本實(shí)施方式是參照檢測光學(xué)系統(tǒng)10B包括縮小光學(xué)系統(tǒng)14的示例進(jìn)行描述。但是，也可以不提供所述縮小光學(xué)系統(tǒng)14。具體而言，檢測光學(xué)系統(tǒng)10B可包括放大光學(xué)系統(tǒng)或等倍光學(xué)系統(tǒng)。

利用上述縮小光學(xué)系統(tǒng)10B檢測物體有利于降低成本。成像元件13的成本受成像元件13的尺寸的影響非常大。在構(gòu)造投影儀的成本中，作為半導(dǎo)體組件的光閥12和成像元件13的比重很大。因此，減小這些組件的尺寸有利于降低成本。此外，由于利用中繼光學(xué)系統(tǒng)延長了共軛點(diǎn)，因此利用上述縮小光學(xué)系統(tǒng)檢測物體還有利于提高配置自由度。例如，通過在組件之間提供間隙，可以通過在間隙中提供反射鏡等來實(shí)現(xiàn)曲折光學(xué)系統(tǒng)。

按照本實(shí)施方式，上述檢測光學(xué)系統(tǒng)10B中的成像元件13的對角線尺寸滿足以下條件式(1)，其中d1為光閥12的對角線尺寸，d2為成像元件13的對角線尺寸，β為檢測光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)倍率。當(dāng)檢測光學(xué)系統(tǒng)為縮小光學(xué)系統(tǒng)時(shí)β大于1，當(dāng)檢測光學(xué)系統(tǒng)為放大光學(xué)系統(tǒng)時(shí)β小于1，檢測光學(xué)系統(tǒng)為等倍光學(xué)系統(tǒng)時(shí)β等于1。要注意的是，在本實(shí)施方式中，檢測光學(xué)系統(tǒng)10B包括縮小光學(xué)系統(tǒng)，因此所述β是縮小光學(xué)系統(tǒng)14的縮小倍率，并且大于1(β>1)。還要注意的是，對角線尺寸d1是光閥12的有效區(qū)域的對角線尺寸，對角線尺寸d2是成像元件13的有效區(qū)域的對角線尺寸。

d1<β×d2 (1)

下面參照圖8A至11描述上述條件式(1)的推導(dǎo)根據(jù)。

首先，概略描述檢測光的接收。如圖8A所示，當(dāng)例如手指之類的指示物71觸摸或接近投影面110時(shí)，位于投影面110附近的用于檢測的光平面110A中的近紅外光La到達(dá)指示物71，并朝各個(gè)方向漫射和反射。這些漫射反射光(散亂光)中的一部分(近紅外光La1)被投影透鏡16聚光，聚集的光入射到檢測光學(xué)系統(tǒng)10B的射出瞳E1。

下面對上文所述的檢測光學(xué)系統(tǒng)10B經(jīng)由投影透鏡16接收的近紅外光La1進(jìn)行詳細(xì)描述。參照圖8B，當(dāng)檢測投影面110上的物體的位置時(shí)，近紅外光La1的入射角(入射到檢測光學(xué)系統(tǒng)10B的射出瞳E1的近紅外光La1與投影面110所形成的角度θ)可根據(jù)檢測位置而不同。具體而言，當(dāng)從最接近射出瞳E1的位置P1看時(shí)，射出瞳E1位于上方。入射角θ因此在位置P1處最大。此外，在依次遠(yuǎn)離射出瞳E1的位置P2和P3處，入射角θ依次逐漸減小。入射角θ在離射出瞳E1最遠(yuǎn)的位置P4處最小。

圖8C和下表1至3描述了一個(gè)示例。表1描述了投影條件。要注意的是，射出瞳E1位于與例如屏幕或地板之類的投影面100相距100mm的高度處。圖8C描述了基于所述投影條件形成的投影區(qū)域S11中的位置P1至P4的位置坐標(biāo)(X,Y,Z)。此外。表2描述了離射出瞳R1的距離以及每個(gè)位置P1至P4的位置坐標(biāo)(X,Y,Z)。此外，表3描述了每個(gè)位置P1至P4中的由射出瞳E1和投影面110形成的角度(入射角θ)。可以理解的是，入射角θ可根據(jù)離射出瞳E1的距離而變化。入射角θ在位置P1處最大(θ＝33.7°)，在位置P4處最小(θ＝10.5°)。此外，入射角θ在位置P2處為17.6°，在位置P3處為12.2°。

[表1]

[表2]

[表3]

從上文可以理解的是，離射出瞳E1的距離和入射角θ可依據(jù)檢測位置不同而變化。這些參數(shù)的值本身依據(jù)投影區(qū)域S11的尺寸或超短焦型透鏡的設(shè)計(jì)等而不同。但是，依據(jù)上述檢測位置的不同，入射角θ的相對大小關(guān)系不會變化。因此該關(guān)系可用于識別指示物71的位置。

下面，詳細(xì)考慮入射到射出瞳E1的近紅外光La1。圖9示意性地顯示了指示物71附近的反射狀態(tài)。要注意的是，示意圖的上部顯示了位置P1處的反射，示意圖的下部顯示了位置P4處的反射。如圖9所示，用于檢測的光平面110中的近紅外光La到達(dá)指示物71，并被指示物71反射。此時(shí)，會發(fā)生以下現(xiàn)象。即在本實(shí)施方式中，從射出瞳E1(投影透鏡16)的角度來看，近紅外光La1可以被看作不是從近紅外光實(shí)際到達(dá)指示物71的反射點(diǎn)(實(shí)照射點(diǎn))Pa1和Pa2發(fā)出的光，而是從高度為“h”的傾斜部分在投影面110上的更遠(yuǎn)的點(diǎn)(假想發(fā)光點(diǎn)Pb1和Pb2)發(fā)出的光。也就是說，在與指示物71的實(shí)際位置對應(yīng)的反射點(diǎn)Pa1、和假想發(fā)光點(diǎn)Pb1之間存在差異t1。類似的是，在反射點(diǎn)Pa2和假想發(fā)光點(diǎn)Pb2之間存在差異t2。此外，這些差異(檢測位置的延伸量)受到檢測位置(即入射角θ)的影響。入射角θ越小，這些差異越顯著。在本示例中，位置P4處的入射角θ最小。因此，位置P4處的差異t2具有最大值。要注意的是，位置P1處的入射角θ最大，因此位置P1處的差異t1具有最小值。

圖10顯示了用于描述投影光學(xué)系統(tǒng)10A的投影區(qū)域S11和放大倍率α之間、以及檢測光學(xué)系統(tǒng)10B的光接收對象區(qū)域S12和縮小倍率β之間的關(guān)系的構(gòu)造。如圖所示，投影面110上的投影區(qū)域S11的尺寸，是光閥12的對角線尺寸d1被投影透鏡16放大α倍后的相應(yīng)尺寸(α×d1)。

另一方面，成像元件13的光接收對象區(qū)域S12受反射點(diǎn)(實(shí)照射點(diǎn))和假想發(fā)光點(diǎn)之間的差異的影響。為此，為了能在尺寸為(α×d1)的整個(gè)投影區(qū)域S11中進(jìn)行檢測，理想的是將上述差異納入考慮，將光接收對象區(qū)域S12的尺寸設(shè)置為大于投影區(qū)域的尺寸(α×d1)。換言之，優(yōu)選滿足上述條件式(1)。要注意的是，放大倍率α與縮小倍率β同樣大于1。

(像圈的優(yōu)化)

一般來說，“像圈”是指通過透鏡的光聚焦的圓形范圍。在例如投影儀之類的投影系統(tǒng)中，像圈被設(shè)計(jì)在確保使光閥的有效區(qū)域的位置處。也就是說，像圈被設(shè)計(jì)為在投影透鏡中確保從光閥的有效區(qū)域射出的光線的通過區(qū)域。而另一方面，在例如照相機(jī)之類的成像系統(tǒng)的方案中，像圈被設(shè)計(jì)為在成像透鏡中確保入射到成像元件的有效區(qū)域的光線的通過區(qū)域。在本實(shí)施方式中，利用單個(gè)投影透鏡16執(zhí)行圖像投影和接收檢測光(近紅外光)。因此優(yōu)選為將像圈(像圈C1)設(shè)置為確保通過具有最高圖像高度的高部的光線。

圖11顯示了像圈C1與對應(yīng)于光閥12的有效區(qū)域的面形狀(矩形形狀A(yù)1)、以及對應(yīng)于成像元件13的有效區(qū)域的平面形狀(矩形形狀A(yù)2)之間的關(guān)系。要注意的是，圖12是對圖11的局部進(jìn)行了放大。此外，具體而言，矩形形狀A(yù)1和A2對應(yīng)于投影透鏡的大致焦距位置處的平面形狀。對于本實(shí)施方式的超短焦型而言，像圈C1被設(shè)計(jì)為確保圖像高度沿著一個(gè)方向(在本示例中為圖11的Y方向)極大地移位(偏移)的光線的通過區(qū)域。在此，對于只進(jìn)行圖像投影的投影儀而言，像圈(像圈C100)被設(shè)計(jì)為在光閥12的矩形形狀A(yù)1的一部分的頂點(diǎn)處外接。具體而言，像圈C100被設(shè)計(jì)為與共用矩形形狀A(yù)1的一條長邊的一對頂點(diǎn)A11和A12相接。將像圈C100設(shè)計(jì)為與矩形形狀A(yù)1外接的一個(gè)原因是，由于像圈半徑本身非常大，投影透鏡的尺寸也很大，因此為了維持特性和成本，像圈的半徑優(yōu)選為盡可能小。

但是，在本實(shí)施方式中，在投影光學(xué)系統(tǒng)10A和檢測光學(xué)系統(tǒng)10B共用投影透鏡16的情況中，在反射點(diǎn)和假想發(fā)光點(diǎn)之間可能存在差異(延伸量)。因此在設(shè)計(jì)像圈C1時(shí)最好考慮到上述問題，即考慮成像元件13的矩形形狀A(yù)2。

具體而言，像圈C1被設(shè)計(jì)為像圈C1不接觸矩形形狀A(yù)1，且包圍矩形形狀A(yù)1。也就是說，像圈C1被設(shè)計(jì)為半徑大于與矩形形狀A(yù)1的頂點(diǎn)A11和A12相接的圓(像圈C100)的半徑，且小于或等于與共用成像元件13的矩形形狀A(yù)2的一條長邊的一對頂點(diǎn)A21和A22相接的圓的半徑。成像元件13的矩形形狀A(yù)2的中心位置與矩形形狀A(yù)1的中心位置基本相同，且在尺寸上大于矩形形狀A(yù)1。具體而言，矩形形狀A(yù)2包括矩形形狀A(yù)1以及考慮到上述差異而形成的覆蓋區(qū)域A2a。此外，更優(yōu)選的是，如圖11所示，像圈C1的半徑等于與矩形形狀A(yù)2的頂點(diǎn)A21和A22相接的圓的半徑。要注意的是，像圈C1的半徑不限于與矩形形狀A(yù)2的頂點(diǎn)A21和A22相接的圓的半徑完全一致的情形。具體而言，例如，在加工透鏡時(shí)產(chǎn)生的誤差，在貼裝透鏡時(shí)因透鏡移位產(chǎn)生的誤差，或因其他情況產(chǎn)生的誤差都是可接受的。此外，由于預(yù)先考慮到這些誤差，因此像圈C1也可被設(shè)計(jì)為尺寸上稍微偏大。

下面進(jìn)一步描述像圈C1的詳細(xì)條件。參照圖13，考慮到上述差異而形成的覆蓋區(qū)域A2a的寬度“t”可以通過用于檢測的光平面110A的高度“h”和入射角θ來表示(t＝h/tanθ)。相應(yīng)的，為了使成像元件13接收從與矩形形狀A(yù)1(投影區(qū)域S11)的端部位置對應(yīng)的反射點(diǎn)Pa(假想發(fā)光點(diǎn)Pb)射入的近紅外光La1，像圈C1的半徑R1優(yōu)選為滿足以下條件式(2)。

R1≥R0+h/α×tanθ_min(2)

其中，R0是與光閥12的矩形形狀A(yù)1的頂點(diǎn)A11和A12相接的圓的半徑(像圈C100的半徑)，如圖10所示，α是的投影倍率(投影尺寸與光閥的有效區(qū)域尺寸之比)，“h”是用于檢測的光平面110A離投影面110的高度，θ_min是入射到檢測光學(xué)系統(tǒng)10B的近紅外光La1與投影面110形成的角度(入射角)θ的最小值。

此外，最好進(jìn)一步滿足以下條件式(3)。通過同時(shí)滿足條件式(2)和(3)，可以將像圈C1設(shè)計(jì)為包括光閥12的有效區(qū)域所需的光路，且包括與光閥12同軸布置的成像元件13所需且足夠的光路。

β×d2≥d1+2h/α×tanθ_min (3)

舉例來說，信號處理部17可基于來自成像元件13的成像信號，檢測指示物(物體)71(例如人的手指和指針)的特征點(diǎn)的位置在例如投影面110上的投影區(qū)域S11中的對應(yīng)坐標(biāo)。特征點(diǎn)的示例包括人的指尖的形狀，手指的重心，以及手的重心等等。

[作用和效果]

參照圖14，投影型顯示裝置1可利用投影透鏡16將光閥12處形成的圖像信息V1投影在投影面110上，并放大顯示為投影圖像V2。舉例來說，投影面110可以是桌面。而另一方面，投影型顯示裝置1可利用從成像元件13獲得的成像信號D0，檢測物體在投影面110上的位置。物體位置的示例包括指示物(物體)71(例如人的手指和指針)的特征點(diǎn)的位置Pt1。

在本實(shí)施方式中，投影透鏡16可以被投影光學(xué)系統(tǒng)10A和檢測光學(xué)系統(tǒng)10B共用，且成像元件13被布置在與光閥12光學(xué)共軛的位置。這樣，就可以在與投影區(qū)域S11基本相同的檢測區(qū)域(可檢測區(qū)域)中檢測物體。此外，通過上述光學(xué)共軛的位置關(guān)系，能監(jiān)控在投影面110上的指示物71的特征點(diǎn)的位置Pt1經(jīng)由投影透鏡16而與投影圖像V2重疊。此外，舉例來說，利用信號處理部17對指示物71的形狀進(jìn)行圖像處理，以檢測指示物71的特征點(diǎn)的位置Pt1的坐標(biāo)，由此可以在投影圖像V2上進(jìn)行指向操作。在該情況中，投影區(qū)域S11內(nèi)的任意坐標(biāo)位置一一對應(yīng)于檢測區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)位置。因此，成像元件13側(cè)的檢測位置Pt2的坐標(biāo)對應(yīng)于指示物71的特征點(diǎn)的位置Pt1的坐標(biāo)。也就是說，可以與投影區(qū)域S11內(nèi)的位置和檢測區(qū)域內(nèi)的位置相對應(yīng)地檢測物體，而不需要執(zhí)行例如校準(zhǔn)之類的復(fù)雜信號處理。要注意的是，指示物71的數(shù)量可以是兩個(gè)或多個(gè)。例如，可以檢測兩只手的指尖的坐標(biāo)。利用以該方式檢測到的指示物71的特征點(diǎn)的位置，可以進(jìn)行直觀的操作，就好像觸摸屏集成在投影儀的投影圖像V2中一樣。

此外，通過構(gòu)造為滿足上述條件式(1)，可以在利用用于檢測的光平面110A檢測近紅外光時(shí)，減少反射點(diǎn)和假想發(fā)光點(diǎn)之間的差異的影響，從而可以形成基本上覆蓋整個(gè)投影區(qū)域S11的檢測區(qū)域。

此外，如圖11所示，像圈C1優(yōu)選為大于以光閥12的矩形形狀A(yù)1為基準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的圓的半徑(像圈C100的半徑)。也就是說，像圈C1優(yōu)選為不接觸矩形形狀A(yù)1，且包圍矩形形狀A(yù)1。此外，像圈C1優(yōu)選為其中包圍成像元件13的矩形形狀A(yù)2。假設(shè)如圖15A所示，在以光閥12的矩形形狀A(yù)1為基準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的像圈C100中，如15B所示，產(chǎn)生無法覆蓋入射到成像元件13的矩形形狀A(yù)2的成為光接收對象的一部分入射光線的區(qū)域(圖15B中的斜線部分120)。也就是說，在投影區(qū)域S11的一部分中，無法檢測物體。相反，在本實(shí)施方式中，通過像圈C1的設(shè)計(jì)，在投影區(qū)域S11的角部等局部區(qū)域中也可以檢測物體。

按照上文所述，在本實(shí)施方式，通過在與光閥12光學(xué)共軛的位置處提供成像元件13，并使得基于沿投影面110附近的平面照射的近紅外光的光經(jīng)由投影透鏡16和偏振分離元件15入射到所述成像元件13，可以在不執(zhí)行復(fù)雜的信號處理的情況下實(shí)現(xiàn)物體檢測。此外，通過滿足條件式(1)，可以基本上在整個(gè)投影區(qū)域S11中實(shí)現(xiàn)物體檢測。因此，可以利用簡單的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)物體檢測，并能夠在整個(gè)投影區(qū)域檢測物體。

本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式的描述，而是可以以各種方式進(jìn)行修改。例如，上述實(shí)施方式是參照光閥12和成像元件13具有彼此基本相同的孔徑比的示例來進(jìn)行描述。但是光閥12和成像元件13并非必須具有相同的孔徑比。具體而言，只要光閥12和成像元件13的各自對角線尺寸滿足上述的預(yù)定條件式，光閥12和成像元件13的有效區(qū)域的平面形狀可以不同。

此外，在上述實(shí)施方式中，是使用反射型液晶元件作為本發(fā)明的光閥。但是，本發(fā)明的光閥不限于此，也可以是其他光閥。例如，也可使用數(shù)字鏡像裝置(DMD)作為光閥。在該情況下，光閥可以是不利用光的偏振特性的鏡像型。因此，一般不使用偏振光學(xué)系統(tǒng)。但是，也可以提供如上述實(shí)施方式那樣在光路中設(shè)置諸如偏振光束分光器等偏振分離元件的光學(xué)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)利用DMD的圖像顯示。

此外，上述實(shí)施方式是參照超短焦型作為本發(fā)明的投影型顯示裝置的一個(gè)示例。但是，本發(fā)明的投影型顯示裝置并非必須受限于此。本發(fā)明的投影型顯示裝置可以具有其中投影光學(xué)系統(tǒng)和檢測光學(xué)系統(tǒng)共用投影透鏡、且成像元件被布置在與光閥光學(xué)共軛的位置的任意構(gòu)造。當(dāng)具有這種構(gòu)造時(shí)，由于在檢測光被物體表面反射的反射光中，在反射點(diǎn)和假想發(fā)光點(diǎn)之間發(fā)生差異，因此，考慮到上述差異的上述光學(xué)設(shè)計(jì)是有效的。但是，這種效果對于超短焦型而言特別有效。要注意的是，上述實(shí)施方式中所描述的效果僅僅是舉例。也可以提供或進(jìn)一步包含任意其他效果。

例如，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)以下構(gòu)造。

[1]一種投影型顯示裝置，包括：

投影光學(xué)系統(tǒng)，包括：

照明部，

投影透鏡，和

光閥，所述光閥基于圖像信號調(diào)制從所述照明部提供的照明光，并向

所述投影透鏡射出調(diào)制后的照明光；

偏振分離元件，所述偏振分離元件布置在所述光閥和所述投影透鏡之間，用于將入射的光分離為第一偏振分量和第二偏振分量，并分別向互不相同的方向射出所述第一偏振分量和所述第二偏振分量；以及

檢測光學(xué)系統(tǒng)，所述檢測光學(xué)系統(tǒng)具有成像元件，所述成像元件被布置在與所述光閥光學(xué)共軛的位置，

經(jīng)由所述投影透鏡和所述偏振分離元件，基于沿投影面附近的平面照射的不可見光的光被入射到所述成像元件，其中

所述投影型顯示裝置滿足以下條件式，

d1<β×d2 (1)

其中，

d1為光閥的對角線尺寸，

d2為成像元件的對角線尺寸，

β為檢測光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)倍率，當(dāng)檢測光學(xué)系統(tǒng)為縮小光學(xué)系統(tǒng)時(shí)β大于1，當(dāng)檢測光學(xué)系統(tǒng)為放大光學(xué)系統(tǒng)時(shí)β小于1，且當(dāng)檢測光學(xué)系統(tǒng)為等倍光學(xué)系統(tǒng)時(shí)β等于1。

[2]根據(jù)[1]所述的投影型顯示裝置，其中，

在所述投影透鏡的大致焦距位置處，

與所述光閥的有效區(qū)域相對應(yīng)的平面形狀為第一矩形形狀，且

所述投影透鏡的像圈不接觸所述第一矩形形狀，且包圍所述第一矩形形狀。

[3]根據(jù)[2]所述的投影型顯示裝置，其中，

在所述投影透鏡的大致焦距位置處、或與所述投影透鏡的大致焦距位置光學(xué)共軛的位置處，

與所述成像元件的有效區(qū)域相對應(yīng)的平面形狀為第二矩形形狀，所述第二矩形形狀的中心位置與所述第一矩形形狀的中心位置基本相同，且尺寸大于所述第一矩形形狀，且

所述投影透鏡的像圈包圍所述第二矩形形狀。

[4]根據(jù)[3]所述的投影型顯示裝置，其中，

所述成像元件接收所述不可見光之中的被物體反射的光的一部分，且

所述像圈的半徑滿足以下條件式，

R1≥R0+h/α×tanθ_min (2)

其中，

R1是投影透鏡的像圈半徑，

R0是與光閥的有效區(qū)域的一對頂點(diǎn)相接的圓的半徑，

h是不可見光照射的平面離投影面的高度，

α是投影倍率，

θ_min是入射到檢測光學(xué)系統(tǒng)的反射光的一部分與投影面形成的角度的最小值。

[5]根據(jù)[4]所述的投影型顯示裝置，其中，進(jìn)一步滿足以下條件式：

β×d2≥d1+2h/α×tanθ_min (3)。

[6]根據(jù)[1]至[5]之一所述的投影型顯示裝置，其中，所述檢測光學(xué)系統(tǒng)包括位于所述偏振分離元件和所述成像元件之間的縮小光學(xué)系統(tǒng)，且

所述縮小光學(xué)系統(tǒng)具有一個(gè)或多個(gè)中繼透鏡組。

[7]根據(jù)[1]至[6]之一所述的投影型顯示裝置，其中，所述檢測光學(xué)系統(tǒng)包括位于所述偏振分離元件和所述成像元件之間的可見光阻斷濾光器，所述可見光阻斷濾光器減少可見光分量。

[8]根據(jù)[1]至[7]之一所述的投影型顯示裝置，其中，所述檢測光學(xué)系統(tǒng)包括位于所述偏振分離元件和所述成像元件之間的偏振器，所述偏振器選擇性地去除所述第一偏振分量和所述第二偏振分量之一。

[9]根據(jù)[1]至[8]之一所述的投影型顯示裝置，進(jìn)一步包括信號處理部，所述信號處理部基于從所述成像元件獲得的成像信號，檢測所述投影面上的物體的位置。

[10]根據(jù)[1]至[9]之一所述的投影型顯示裝置，其中，所述投影透鏡為短焦透鏡。

[11]根據(jù)[10]所述的投影型顯示裝置，進(jìn)一步包括光源，所述光源設(shè)置在外殼上，用于射出所述不可見光。

[12]根據(jù)[1]至[11]之一所述的投影型顯示裝置，其中，所述不可見光為近紅外光。

[13]根據(jù)[1]至[12]之一所述的投影型顯示裝置，其中，所述偏振分離元件為偏振光束分光器。

[14]根據(jù)[13]所述的投影型顯示裝置，其中，所述光閥為反射型液晶顯示元件。

[15]根據(jù)[14]所述的投影型顯示裝置，其中，

所述偏振分離元件具有分別用作光入射面或光射出面的第一面、第二面、第三面和第四面，且

所述偏振分離元件從所述第二面射出從所述第一面射入所述偏振分離元件的光中的所述第一偏振分量，從所述第三面射出從所述第一面射入所述偏振分離元件的光中的所述第二偏振分量，從所述第四面射出從所述第二面射入所述偏振分離元件的光中的所述第二偏振分量，以及從所述第三面射出從所述第四面射入所述偏振分離元件的光中的所述第一偏振分量。

[16]根據(jù)[15]所述的投影型顯示裝置，其中，

在所述投影光學(xué)系統(tǒng)中，

所述照明部向所述偏振分離元件的所述第一面射出所述照明光，

所述光閥對所述照明光之中的從所述偏振分離元件的所述第二面射出的所述第一偏振分量進(jìn)行調(diào)制，并向所述偏振分離元件的所述第二面射出調(diào)制后的光，且

所述投影透鏡向所述投影面投影所述調(diào)制后的光之中的從所述偏振分離元件的所述第四面射出的光。

[17]根據(jù)[16]所述的投影型顯示裝置，其中，

在所述檢測光學(xué)系統(tǒng)中，

用于物體檢測的光經(jīng)由所述投影透鏡、以及所述偏振分離元件的所述第四面和所述第三面，入射到所述縮小光學(xué)系統(tǒng)，且

從所述縮小光學(xué)系統(tǒng)射出的光入射到所述成像元件。

本申請以2014年7月29日向日本專利局申請的日本專利申請No.2014-153659為基礎(chǔ)，并要求其優(yōu)先權(quán)，通過引用已將所述申請的全部內(nèi)容結(jié)合于本文中。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離權(quán)利要求極其等同物的范圍的情況下，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和其他因素，可以進(jìn)行各種修改、組合、子組合和變形。