专利名称：投影型显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种投影型显示装置。
背景技术：
作为获得大屏幕图像的方法，过去众所周知的是根据视频信号将光学图像形成在反射型光阀上，而且光学图像被光照射，从而被投影型透镜系统以放大状态投影到屏幕上。如果用于根据视频信号来控制光的运行方向以形成图像的反射型配光校正元件(反射型光阀)被使用，则可以提供出具有更高光利用效率和更高亮度的投影图像。
图6中示出了一种使用了反射型光阀的传统投影型显示装置的光学系统实例。如图6所示，光源1由灯泡1a和凹面镜1b构成。凹面镜1b是抛物面镜，它是通过在玻璃基板的内表面上蒸镀能够透射红外线并反射可见光的光学多层膜而形成的。灯泡1a被这样设置，即其发光体的中心位于凹面镜1b的焦点f1上。从灯泡1a照射出来的光被凹面镜1b反射并运行至照明光学系统2。
照明光学系统2由第一透镜阵列3和第二透镜阵列4构成。第一透镜阵列3和第二透镜阵列4分别由多个透镜元件构成。第一透镜阵列3和第二透镜阵列4被这样定位，即在光入射到照明光学系统2中时，构成第一透镜阵列3的每个透镜元件在第二透镜阵列4的每个相应透镜元件上形成发光体图像。入射到照明光学系统2的光被第一透镜阵列3和第二透镜阵列4分割为多个光束。然后，这些光束通过向场透镜5而彼此重叠，再入射到偏振分束器6。
入射到偏振分束器6的光只具有一个沿特定偏振方向反射的光束，而且该光束垂直入射到反射型光阀7的显示区。反射型光阀7是反射型液晶板，并且基于视频信号而改变偏振光的反射率，以形成光学图像。反射型光阀7的出射光9具有相对于将要被输出的入射光8偏转了90°的偏振方向。出射光9在穿过了偏振分束器6后入射到投影透镜系统10上，该投影透镜系统10将反射型光阀7上的光学图像投影在屏幕(未示出)上。
图7中示出了另一种使用了反射型光阀的传统投影型显示装置的光学系统实例。图7中所示的光源1、照明光学系统2和向场透镜5与图6中的相同。从向场透镜5输出的光穿过中继透镜系统21，被镜22反射，再穿过投影光学系统后镜组23，以照射反射型光阀24。
反射型光阀24是与图6中所示类似的反射型液晶板，其基于视频信号而改变偏振光的反射率，以形成光学图像。投影光学系统前镜组26和投影光学系统后镜组23构成了投影透镜系统25。反射型光阀24上的光学图像被投影透镜系统25以放大状态投影在屏幕(未示出)上。在这种投影型显示装置中，照明光沿着相对于反射型光阀24的法向倾斜的方向照射反射型光阀24。因此，照明光27和投影光28不占用同一光路。
作为反射型光阀，现有一种DMD(数字微镜器件)正在引起人们的注意。DMD具有这样的结构，其中多个负反射镜(以下称作“微镜”)二维配置在硅基片上，每个微镜构成一个像素。每个微镜被构造成能够通过在像素对角位置上沿对角方向设置的两个转轴而在±10°的范围内作跷板状运动。例如，假定微镜倾斜+10°的状态为ON，微镜倾斜-10°的状态为OFF。则DMD根据视频信号而使每个微镜倾斜+10°或-10°，从而控制光线的出射方向，以形成光学信号。
图8中示出了构成传统DMD中各像素的微镜的操作状态。图8是沿着与DMD的每个微镜的转轴相垂直的平面所作的剖视图。逆时针方向对应于微镜的旋转正向。在图8中，附图标记31至36表示构成各个像素的微镜。附图标记37表示投影透镜系统的一部分。
在图8所示的实例中，微镜31、33和36相对于反射型光阀(DMD)的基准面38倾斜+10°(沿逆时针方向倾斜)，因而它们处在ON状态。因此，从微镜31、33和36反射的入射光39将照射到投影透镜系统37上。另一方面，微镜32、34和35相对于反射型光阀DMD的基准面38倾斜-10°(沿顺时针方向倾斜)，因而它们处在OFF状态。因此，从微镜32、34和35反射的入射光39不会照射到投影透镜系统37上。这样的DMD具有很有用的特性，即它可以利用自然光，并且同使用偏振光的液晶板相比具有高的光利用效率和高的响应速度。
WO 98-29773中示出了一种将DMD用作反射型光阀的投影型显示装置中的光学系统的结构实例。图9A中示出了使用传统DMD的投影型显示装置的示意性结构。图9B中放大示出了反射型光阀的附近部分。图9A是沿着与反射型光阀46的每个微镜的一个转轴相垂直的表面所作的剖视图。
首先参照图9A进行描述。与图6所示的光源1相同，光源11由凹面镜11b和灯泡11a构成。凹面镜11b与图6中所示的凹面镜1b基本相同，只是凹面镜11b是椭圆形镜。凹面镜11b通过在玻璃基板的内表面上蒸镀能够透射红外线并反射可见光的光学多层膜而形成的。灯泡11a被这样设置，即其发光体的中心位于凹面镜11b的第一焦点(未示出)上。
从灯泡11a照射出来的光被凹面镜11b反射并运行至凹面镜11b的第二焦点(未示出)。从灯泡11a射出的光在凹面镜11b的第二焦点处形成发光体图像。穿过第二焦点的光入射到照明光学系统12上，并且分离为多个光束。然后，光束入射到中继透镜15上以便彼此叠加。照明光学系统12以与图6所示的照明光学系统2相同的方式构造。
从中继透镜15输出的光被全反射镜41反射，然后通过向场透镜42入射到全反射棱镜43上。全反射棱镜43由两个单棱镜53a和43b构成，这两个单棱镜由空气层44相隔。附图标记48表示投影透镜系统。
接下来参照图9B进行描述。入射到全反射棱镜43的入射光45从单棱镜43b与空气层44之间的界面处完全反射并运行至反射型光阀46。反射型光阀46根据视频信号而控制光的运行方向，以形成光学图像。来自反射型光阀46的反射光47作为光束被输出，所述光束的主光线垂直于反射型光阀46的显示区；反射光47穿过全反射棱镜43，而不被从单棱镜43b或43a与空气层44之间的界面处反射，然后，反射光47入射到投影透镜系统48(见图9A)。结果，反射型光阀46上的光学图像被投影透镜系统48以放大状态投影在屏幕上。
然而，在图6中所示的投影型显示装置中，反射型液晶板被用作具有这样特性的反射型光阀7，即将垂直入射到基板表面上的照明光沿着垂直于基板表面的方向反射。因此，照明光(入射光8)和投影光(出射光9)沿相反方向穿过大致相同的光学路径。这样就需要提供用于将入射光8与出射光9分离的装置，例如图6所示的偏振分束器6。偏振分束器6由大玻璃块和多层薄膜构成。因此，在图6所示的投影型显示装置中，存在成本高的问题。
此外，偏振分束器6根据偏振板的方向而在反射型光阀7处将出射光9与入射光8分离。如果构成棱镜的介质中存在不均匀度，则会产生无用的光分量以降低对比度。此外，偏振分束器6只分离具有不同偏振方向的分量。因此，需要预先校正入射光8的偏振面。所以，需要引入校正入射光8的偏振面的装置，这会提高成本。另一方面，在未引入用于校正偏振面的装置的情况下，光的利用效率大幅度下降到1/2或更低。
在图7所示的投影型显示装置中，入射到反射型光阀24的照明光27和从该光阀输出的投影光28不共用同一光学路径。因此，其优点是不需要提供偏振分束器。然而，在图7所示的投影型显示装置中，需要设置分别用于照明光和投影光的两个投影光学系统，因此投影光学系统中所需的F数是图6所示实例中的两倍。这就需要增大构成投影光学系统的透镜，并且需要增加透镜数以确保性能，从而导致光学系统增大且成本升高。
另一方面，如果采用图9所示的投影型显示装置，则能够解决有关照明光和投影光的光路的问题以及有关投影光学系统增大的问题。然而，图9所示的投影型显示装置需要采用全反射棱镜43，以将照明光与投影光分离，从而导致成本升高。此外，全反射棱镜43包括一个小空气层，因此投影透镜48的分辨率特性会受到空气层间隙的极大影响。
为了解决上述问题，JP 2000-98272A中公开了一种构造，其中投影光学系统被设计成非远心型的，并且照明光基于该光学系统而产生。图10A中示出了一种将其投影光学系统设计成非远心型的传统投影型显示装置的示意性结构。图10B中以放大状态示出了反射型光阀的附近部分。在图10B所示的投影型显示装置中，一个DMD被用作反射型光阀63。图10B中示出了沿着与反射型光阀63的每个微镜的转轴相垂直的平面所作的剖视图。
如图10A所示，光源21以与图6所示光源相同的方式由灯泡21a和凹面镜21b构成。凹面镜21b是椭圆形镜，其与图9所示的凹面镜11b相同。灯泡21被这样设置，即其发光体的中心位于凹面镜11b的第一焦点f1上。与图6中的实例相同，从灯泡21照射出来的光被凹面镜21b反射，在凹面镜21b的第二焦点f2处形成发光体图像。穿过第二焦点f2的光入射到棒透镜61中而被均匀化。被棒透镜61均匀化后的光穿过中继透镜62。
如图10B所示，穿过中继透镜62后的照明光将穿过照明光学系统的出射面67，然后以预定的入射角入射到反射型光阀63上。反射型光阀63根据视频信号而控制光的运行方向，以形成光学图像。入射到反射型光阀63的入射光64a至64c分别被以预定角度反射，反射光(出射光)65被投影透镜系统68以放大状态投影到屏幕上。附图标记66表示投影光学系统的一个光瞳。
这样，图10中所示的投影型显示装置使用了非远心型投影光学系统，并且不需要总反射棱镜。因此，可以认为其成本的降低幅度大于图9所示的投影型显示装置。
然而，在图10所示的投影型显示装置中，各微镜反射面的法向在反射型光阀63的显示区中变为恒定的。因此，在反射型光阀63的光轴基本上与投影光学系统相符的情况下，入射光和出射光的光路会彼此重叠。所以，难以通过物理方式获得均匀照明的满意图像，而且投影光学系统的光轴需要偏离反射型光阀63的光轴，以使入射光64与出射光65分离。因此，投影光学系统以轴向偏移的方式透射图像，这就要求加大显示区。结果，光学系统将增大，从而导致成本升高。此外，还存在一个问题，即不能实现正面投影。
另外，JP 11(1999)-249069中公开了一种投影型显示装置，其中在反射型光阀的正前方设有一个聚光透镜，其入射-反射特性随显示区而变化，并且其光轴偏离投影光学系统的光轴。在这种投影型显示装置中，不需要在投影光学系统中采用双倍的F数，而且入射光和出射光的光路不彼此重叠。
然而，在这种投影型显示装置中，构成投影光学系统一部分的聚光透镜需要被偏置。因此，如果希望在投影图像区获得令人满意的分辨率，则需要采用复杂的透镜结构。此外，为了获得令人满意的分辨率，反射型光阀需要相对于投影光学系统的光轴倾斜2°至8°。然而，根据“Shineproof Theorem”，可以认为反射型光阀的投影图像也相对于投影光学系统的光轴倾斜。因此，在投影型光阀的显示区是矩形的情况下，垂直于光轴的表面上的投影图像具有梯形形状；因此，难以获得令人满意的显示图像。
本发明的目的是解决上述问题，并且提供一种包括投影型光阀的小型投影型显示装置，其中可以防止入射光和出射光的光路在投影型光阀中彼此重叠，并且能够获得高质量的投影图像。
发明内容
为了达到上述目的，根据本发明的一种投影型显示装置，包括光源、用于会聚从光源照射出的光以形成照明光的照明光学系统、用于反射照明光以形成光学图像的反射型光阀、用于投影由反射型光阀形成的光学图像的投影光学系统以及设置在反射型光阀与投影光学系统之间的正放大率透镜。其中，反射型光阀、投影光学系统和正放大率透镜被这样设置，即它们的光轴相互重合；照明光学系统被这样配置，即穿过正放大率透镜的照明光被反射型光阀反射；照明光学系统的出射光瞳和投影光学系统的入射光瞳相对于正放大率透镜具有共轭关系。
在根据本发明的上述投影型显示装置中，投影型光学系统具有相对于投影光学系统的光轴偏置的光圈，并且照明光学系统被这样配置，即穿过正放大率透镜的照明光被反射型光阀反射，并且来自所述反射照明光的用于构成光学图像的光穿过光圈。
在上述实施例中，优选将投影型光学系统的光圈沿着背离照明光学系统光轴的方向偏置。此外，优选使投影型光学系统具有仅通过沿光轴方向的移动而调节焦点的装置。此外，优选满足下面的式(1)F1＝1/(2sin(θ1+α)) (1)其中F1表示投影光学系统的F数，θ1表示从照明光学系统输出并且被反射型光阀反射从而入射到投影光学系统的光的扩散角度，α表示从反射型光阀的显示区中心输出的主光线与投影光学系统的光轴之间的夹角。
此外，在根据本发明的上述投影型显示装置中，照明光学系统的出射光瞳可以具有多个局部光瞳单元，而且在照明光被反射型光阀反射时，照明光的光束可以变为均匀的。
此外，在根据本发明的上述投影型显示装置中，优选将照明光学系统的出射光瞳、投影光学系统的入射光瞳及正放大率透镜这样配置，即穿过照明光学系统的出射光瞳的光束中的80％或以上入射到投影光学系统的入射光瞳的有效区域中。此外，优选使正放大率透镜由平凸透镜构成，其中凸面面向反射型光阀的显示区。
图1是根据本发明实施例1的投影型显示装置的结构图；图2是构成图1所示投影型显示装置的反射型光阀的附近部分的放大图；图3A是根据本发明实施例2的投影型显示装置的结构图，图3B是本发明实施例2的投影型显示装置中的投影光学系统的入射光瞳的视图；图4是构成图3所示投影型显示装置的反射型光阀的显示区中央部分的放大图；图5是根据本发明实施例3的投影型显示装置的结构图；图6是一种使用反射型光阀的传统投影型显示装置的光学系统实例的视图；
图7是另一种使用反射型光阀的传统投影型显示装置的光学系统实例的视图；图8是构成一种传统DMD中各像素的微镜的操作状态图；图9A是一种使用传统DMD的投影型显示装置示意性结构图，图9B是反射型光阀的附近部分的放大图；图10A是一种将其投影光学系统设计成非远心型的传统投影型显示装置示意性结构图，图10B是反射型光阀的附近部分的放大图。
具体实施例方式
(实施例1)下面参照图1和2描述根据本发明实施例1的投影型显示装置。图1是根据本发明实施例1的投影型显示装置的结构图。图2是构成图1所示投影型显示装置的反射型光阀的附近部分的放大图。在实施例1中，与图8所示类似的DMD被用作反射型光阀，而且图1和2中示出了沿着与构成DMD的微镜的转轴相垂直的平面所作的剖视图。此外，微镜的可移动范围为±10°。
首先参照图1描述根据实施例1的投影型显示装置的构造和操作。如图1中的例子所示，根据实施例1的投影型显示装置至少包括一个光源101；一个照明光学系统102，其用于会聚从光源101照射出来的光，以形成照明光；一个反射型光阀(空间光调制器)106，其用于反射照明光，以形成光学图像；一个投影光学系统107，其用于投射由反射型光阀106形成的光学图像；以及一个正放大率透镜105，其安置在反射型光阀106和投影光学系统107之间。
此外，如图1所示，反射型光阀106、投影光学系统107和正放大率透镜105被这样安置，即它们的光轴(115、113、114)相互重合。在本说明书中，术语“光轴相互重合”不但包括它们完全重合的情况，还包括误差在允许范围内的情况。另外，照明光学系统102被这样安置，即照明光穿过正放大率透镜105并被反射型光阀106反射。照明光学系统102的出射光瞳108和投影光学系统107的入射光瞳109相对于正放大率透镜105具有共轭关系。
在图1所示例子中，光源101由一个灯泡101a和一个凹面镜101b构成。凹面镜101b是抛物面镜，它是通过在伞形玻璃基板的内表面上蒸镀能够透射红外线并反射可见光的光学多层膜而形成的。灯泡101a被这样设置，即其发光体的中心位于凹面镜101b的第一焦点f1上。从灯泡101a照射出来的光被凹面镜101b反射，从而在凹面镜101b的第二焦点f2上形成发光体图像。
照明光学系统102由一个棒透镜103和一个中继透镜系统104构成。凹面镜101b的第二焦点f2基本上位于棒透镜103的入射面118上。入射到棒透镜103的光在棒透镜103的内表面上反复进行多重反射。因此，在棒透镜103的入射面118上具有非均匀光量的光束将在棒透镜103的出射面119上变为均匀。从棒透镜103输出的光入射到中继透镜系统104上，并且从中继透镜系统104输出到反射型光阀106上。
从中继透镜系统104输出的光穿过正放大率透镜105，并且被反射型光阀106反射。棒透镜103的出射面119和反射型光阀106的显示区在由中继透镜系统104和正放大率透镜105构成的组合而成的光学系统中具有共轭关系。来自反射型光阀106的出射光穿过正放大率透镜105而入射到投影光学系统107上，而反射型光阀106上的光学图像以放大状态投影在屏幕上。
接下来参照图2描述本发明的投影型显示装置的原理。如前面参照图1所作描述，被光源101会聚并且被照明光学系统102均匀化和整形后的光束从照明光学系统102的出射光瞳108输出。具体地讲，如图2所示，照射反射型光阀106上部的光束110a、照射反射型光阀106中部的光束110b和照射反射型光阀106下部的光束110c从光学系统102的出射光瞳108输出。本申请中的用语“上部”、“中部”和“下部”指的是该图中所示的位置关系。此外，在图2中，光束(110a至110c)仅以代表性光线例如从出射光瞳108的上端输出的上部光线、从出射光瞳108的中央输出的主光线、从出射光瞳108的下端输出的下部光线来表示。
光束(110a至110c)穿过正放大率透镜105而入射到反射型光阀106上。因此，在从出射光瞳108输出的光线中，照射反射型光阀上部的光束110a被正放大率透镜105沿这样的方向折射，即形成在光束110a与正放大率透镜的光轴114之间的角度小于在以光束110a的形式被正放大率透镜105折射之前入射到正放大率透镜105上的光束与光轴114之间的角度。另一方面，照射反射型光阀106下部的光束110c被正放大率透镜105沿这样的方向折射，即形成在光束110c与光轴114之间的角度增大了。因此，穿过正放大率透镜105的光束110a、110b、110c变成远心照明光，其中各主光线基本上相互平行，而且形成在各主光线与正放大率透镜105的光轴114之间的角度为大约20°。此外，每个光束的扩散角度变得基本相等。
反射型光阀106中的每个微镜被这样设计，即在微镜处于ON状态时，它们相对于与正放大率透镜105的光轴114相垂直的表面沿逆时针方向倾斜10°。由于照明光是远心的，因此当微镜处于ON状态时，来自反射型光阀106的反射光的光束110a、110b、110c的主光线基本上平行于反射型光阀106的光轴115，并且变成在反射型光阀106的任一显示区中均为远心型的。来自反射型光阀106的反射光的任何光束110a、110b、110c均穿过正放大率透镜105而入射到投影光学系统107的入射光瞳109上。入射到投影光学系统107的入射光瞳109上的光被投影光学系统以放大状态投影在屏幕上。
这样，在根据实施例1的投影型显示装置中，由于使用了正放大率透镜105，因此即使采用了远心光学系统，投影光学系统107的入射光瞳109和照明光学系统102的出射光瞳108也可以构造得较小。此外，入射光的光路和出射光的光路可以彼此分开，而不必使用棱镜。因此，可以实现正面投影。
此外，如前所述，反射型光阀106的光轴115、投影光学系统107的光轴113和正放大率透镜105的光轴114相互重合，以使光束110a、110b、110c的主光线穿过正放大率透镜105的焦点116。此外，如前所述，照明光学系统102的出射光瞳108和投影光学系统107的入射光瞳109相对于正放大率透镜105具有共轭关系，而且正放大率透镜105的焦面117与投影光学系统107的入射光瞳109重合。因此，在根据实施例1的投影型显示装置中，可以防止外围光被投影光学系统107遮蔽而不能从中穿过，而且投影图像可以获得最大亮度。此外，从透镜105的末端面或透镜105的末端面顶点至投影光学系统107的入射光瞳109的距离“d”基本上等于正放大率透镜105的后焦距。
此外，在实施例1中，优选将照明光学系统102的出射光瞳108也安置在正放大率透镜105的焦面117附近，以使入射到反射型光阀106的照明光是远心型的，而且照明光可以被无任何损失地传导。
本说明书中所用的用语“照明光学系统的出射光瞳和投影光学系统的入射光瞳相对于正放大率透镜具有共轭关系”所指不但包括图2所示投影光学系统107的入射光瞳109与正放大率透镜105的焦点116重合的情况，还包括入射光瞳109借助于由正放大率透镜105和反射型光阀106构成的成像系统而在照明光学系统102的出射光瞳108的位置形成图像的情况。在实施例1中，优选将出射光瞳108、入射光瞳109和正放大率透镜105这样安置，即入射光瞳109的有效区域的80％或以上部分被投影在照明光学系统102的有效区域内，即80％或以上的光束穿过出射光瞳108并入射到入射光瞳109的有效区域上。
在实施例1中，出于下述原因，优选使用焦距为40mm至80mm的正放大率透镜105。即，如果这样的正放大率透镜105被使用，则可以获得适宜的放大率，而且来自照明光学系统102的出射光瞳108的光束可以与从反射型光阀106输出并且入射到投影光学系统107的入射光瞳109的光束精确地分开。正放大率透镜105的焦距可以根据入射到反射型光阀106的入射光与来自反射型光阀106的出射光之间形成的夹角、入射到反射型光阀106的入射光的F数以及来自反射型光阀106的出射光的F数而适宜地选择。
在反射型光阀106处于ON状态时，从反射型光阀106反射的光(ON光)入射到投影光学系统107。另一方面，在反射型光阀106处于OFF状态时，反射光(OFF光)沿着相对于光轴115呈-40°角度的方向(顺时针方向)输出。OFF光类似地入射到正放大率透镜105上。然而，OFF光的出射方向与ON光不同。因此，OFF光会聚在与正放大率透镜105的焦面117接近但与投影光学系统107的入射光瞳109的位置不同的位置上。这样，对于在投影光学系统107的末端面附近设有光圈的构造中，无用光的入射可以最小化。
此外，一个透明基片被用作像素保护膜，且基片的一部分放置在反射型光阀106的表面上。入射到反射型装阀106上的入射光110的较大部分将穿过透明基片，而较小部分会被透明基片反射。反射光是无用光。如果反射光穿过投影光学系统而到达屏幕，则会导致图像质量下降，例如对比度降低。
因此，如果具有凸面的透镜被用作正放大率透镜105，则优选将正放大率透镜105如此安置，即使其凸面面向反射型光阀106。如果正放大率透镜105以上述方式安置，则无用光例如从透明基片反射的光可以被沿着偏离光轴114的方向反射。因此，可以防止无用光入射到投影光学系统107上并被反射到反射型光阀106上，从而可以获得具有满意对比度的投影图像。如后文所述，在实施例1中，双凸透镜也可以被用作正放大率透镜105。在这种情况下，具有较小曲率半径的表面可以制向反射型光阀。
(实施例2)下面参照图3和4描述根据本发明实施例2的投影型显示装置。图3A是根据本发明实施例2的投影型显示装置的结构图。图3B是本发明实施例2的投影型显示装置中的投影光学系统的入射光瞳的视图。图4是构成图3所示投影型显示装置的反射型光阀的显示区中央部分的放大图，以显示中央部分的光束性能。在实施例2中，前面在实施例1中所用的DMD被用作反射型光阀。图3和4中示出了沿着与构成DMD的微镜的转轴相垂直的平面所作的剖视图。
首先参照图3描述根据实施例2的投影型显示装置的构造和操作。如图3A中的例子所示，与实施例1中相同，根据实施例2的投影型显示装置至少包括一个光源201；一个照明光学系统202，其用于会聚从光源201照射出来的光，以形成照明光；一个反射型光阀(空间光调制器)206，其用于反射照明光，以形成光学图像；一个投影光学系统207，其用于投射由反射型光阀206形成的光学图像；以及一个正放大率透镜205，其安置在反射型光阀206和投影光学系统207之间。
此外，与实施例1中相同，反射型光阀206、投影光学系统207和正放大率透镜205被这样安置，即它们的光轴(215、213、214)相互重合。另外，照明光学系统202被这样安置，即照明光穿过正放大率透镜205并被反射型光阀206反射。
光源201的构造与实施例1中相同。光源201在凹面镜201b处会聚来自灯泡201a的光，并且使之入射到照明光学系统202上。与实施例1中不同，照明光学系统202是通过依次安置聚光透镜232、第一透镜阵列233、第二透镜阵列234和中继透镜235而构成的。
在图3所示的例子中，色轮231安置在凹面镜201b的第二焦点f2处，来自光源201的光即被会聚于此。色轮231具有这样的结构，即三原色R、G、B的过滤器环绕着外周依次安置，光穿过色轮的一部分。色轮231配备有电机或类似物(未示出)，用于使色轮231绕着轴线236高速旋转。因此，透射光的颜色依次转换为R、G、B。穿过色轮231的光被聚光透镜232转变成基本平行光，该聚光透镜232的焦点位于凹面镜201b的第二焦点f2处。
如此转变形成的基本平行光入射到第一透镜阵列233。第一透镜阵列233由多个正放大率透镜元件构成，所述多个正放大率透镜元件分别具有一个开口，开口的形状基本上与反射型光阀206的显示区相同。此外，与第一透镜阵列233相同，第二透镜阵列234也由多个正放大率透镜元件构成。这样，入射到第一透镜阵列233的基本平行光被构成第一透镜阵列233的多个透镜元件分离，以便在与构成第一透镜阵列233的透镜元件相对应的构成第二透镜阵列234的每个透镜元件上形成发光体图像。
从构成第二透镜阵列234的每个透镜元件输出的光线穿过中继透镜235和位于反射型光阀206附近的正放大率透镜205，以照射反射型光阀206。此时，从各透镜元件输出的光线在反射型光阀206的显示区彼此叠加。照明光学系统202的出射光瞳208大致设置在第二透镜阵列234附近并且位于中继透镜235内。
从反射型光阀206输出的光线被正放大率透镜205会聚，再入射到投影光学系统207的入射光瞳209上。因此，形成在反射型光阀206上的光学图像将以放大状态投影在投影光学系统207的屏幕上。
因此，在实施例2中，与实施例1中相同，设在反射型光阀206附近的正放大率透镜205可以以紧凑的结构将入射到反射型光阀206的入射光与由此输出的光分离，而且不必借助于全反射棱镜就能实现正面投影。正放大率透镜205与实施例1中的正放大率透镜105相同，并且被设置成以其凸面面向反射型光阀206。
在实施例2中，与实施例1中相同，照明光学系统202的出射光瞳208和投影光学系统207的入射光瞳209相对于正放大率透镜205具有共轭关系。因此，在实施例2中，可以防止外围光被投影光学系统207遮蔽而不能从中穿过，而且投影图像可以获得最大亮度。
在据实施例2的投影型显示装置中，投影光学系统207的入射光瞳209配备有一个光圈216，该光圈相对于投影透镜系统207的光轴213偏置，如图3B所示。附图标记221表示有效区域。因此，照明光学系统202被这样安置，即来自反射型光阀206所反射的照明光并且构成照明图像的光将穿过光圈216。这一点将参照图4进行解释。
图4中示出了图1中的反射型光阀206的放大了的前述显示区中央部分，并且显示了构成反射型光阀206的各微镜中的位于显示区中央的一个微镜。附图标记206a表示处在ON状态的微镜，206b表示处在OFF状态的微镜。此外，投影光学系统207中只有入射光瞳209被示出。
如图4所示，假定β表示照明光学系统的光轴218与反射型光阀的光轴215(投影光学系统207的光轴213)之间的夹角，γ表示处在ON状态的微镜的法线与反射型光阀的光轴215之间的夹角。此时，在反射型光阀处在ON状态时出射光束的主光线222与反射型光阀的光轴215之间的夹角α可以以下面的式(2)表示。
α＝β-2γ (2)另一方面，假定δ表示在反射型光阀处在OFF状态时出射光束的主光线223与反射型光阀的光轴215(投影光学系统207的光轴213)之间的夹角，则δ可以以下面的式(3)表示。在OFF状态，出射光束变为无用光。
δ＝4γ+α (3)为了提高投影图像的质量，需要防止无用光入射到投影光学系统207的入射光瞳209并在透镜内侧产生杂散光，或防止无用光到达屏幕。因此，根据上面的式(3)，如果夹角α为0°或以上，则δ变大。因此，主光线223被设置成偏离投影透镜系统的入射光瞳209，从而可以防止上述无用光入射到入射光瞳209。
此外，从设置在反射型光阀表面上的透明基片反射的光也成为无用光。无用光的主光线224与反射型光阀的光轴215(投影光学系统207的光轴213)之间的夹角也变为β。因此，通过将夹角α设为0°或以上，无用光的主光线224与反射型光阀的光轴215(投影光学系统207的光轴213)之间的夹角β也变大，从而也可以防止无用光入射到投影光学系统的入射光瞳209。
此外，反射型光阀的显示区(未示出)具有周期性结构，例如像素结构。因此，随着投影图像的清晰度提高，反射型光阀上的像素(微镜)的尺寸减小，而且所述周期性结构的节距也减小了。一般而言，在光入射到具有周期性结构的对象上时，除了产生直线运行的光线以外，还会产生衍射光。衍射光以离散的方式产生，而且形成的亮斑满足下面的式(4)。在式(4)中，θ表示一个光轴与一个亮斑之间的夹角，N表示一个整数，λ表示波长，d表示周期性结构的节距。
nλ＝dsinθ (4)因此，在图4中，可以认为，在满足式(4)的情况下，衍射光以相对于光轴224离散的形式从反射型光阀产生。上述衍射光中的强度最大的光以一级衍射光表示。光轴224与一级衍射光225之间的夹角φ可以以下面的式(5)表示。
sinφ＝λ/(nd) (5)另一方面，从图4中可以看出，β还满足下面的式(6)所表示的关系。其中θ1表示如前所述由于被反射型光阀反射而导致的入射到投影光学系统的入射光的扩散角度。
β＝2θ1+2α (6)从上面的式(6)可以得出，为了防止引反射型光阀206的周期性结构而导致的一级衍射光与反射型光阀的ON光叠加，即为了防止无用光入射到投影光学系统的入射光瞳209，需要满足下面的式(7)中的条件。
α＞φ (7)在反射型光阀处于ON状态下，如果出射光束的主光线222与反射型光阀的光轴215重合，即在α为0°的情况下，有效区域以虚线220表示。然而，在主光线22倾斜时(α＞0°)，有效区域在图中向上偏移，而且在这种情况下以附图标记221表示的该有效区域也显示于图3B中。因此，在本实施例中，设有遮光用的光圈，以使无用光穿过投影光学系统的入射光瞳209中的除有效区域221之外的区域。由于这一点，从处于ON状态的反射型光阀输出的反射光能够到达屏幕，因此诸如衍射光和从透明基片反射的光等无用光可以消除。
此外，在这种情况下，入射光瞳209可以包含有效区域221，如图4所示。因此，投影光学系统的F数F1优选满足下面的式(8)。
F1＝1/(2sin(θ1+α)) (8)例如，在反射型光阀的像素节距为大约14μm的情况下，一级衍射光产生在一个相对于光轴224倾斜大约2.4°(φ＝2.4°)的区域中。因此，优选使投影光学系统的有效入射光瞳(有效区域221)相对于光轴213偏移2.4°(α＝2.4°)以上的角度，见式(7)。在这种情况下，假定微镜(206a，206b)的倾角为±10°，从上面的式(8)可以得出，投影光学系统的F数变为大约2.4，而在没有偏移的情况下，F数大约为3。
如前所述，在根据实施例2的投影透镜系统中，偏置光圈216设在投影光学系统的入射光瞳209处，以使得来自反射型光阀的用于形成图像的光束能够穿过所述光圈。具体地讲，在实施例2中，在反射型光阀处在ON状态时出射光束的主光线222与反射型光阀的光轴215之间的夹角α设置成大于0°。此外，除有效区域221之外的其他区域被遮光。因此，可以防止无用光入射到投影光学系统的入射光瞳209。在实施例2中，光圈为圆形；然而，实施例2并非局限于此。例如，光圈可以为椭圆形。
此外，由于投影光学系统配备有偏置光圈216，因此通过旋转设有光圈的透镜或透镜组以便借助旋转而沿前后方向调节焦点的措施是不优选的。因此，在实施例2中，作为调节投影光学系统的焦点的措施，优选只通过沿光轴方向移动透镜组而不旋转来调节焦点。特别地，优选通过只移动构成投影光学系统的前透镜组来调节焦点。具体的例子包括利用进给螺旋面调节焦点的装置。如果只通过旋转一个透镜组来调节焦点而不配备偏置光圈，则优选使用这样的调节焦点的装置。
(实施例3)下面参照图5描述根据本发明实施例3的投影型显示装置。
图5是根据本发明实施例3的投影型显示装置的结构图。在实施例3中，也是将前面在实施例1中所用的DMD用作反射型光阀。图5中示出了沿着与构成DMD的微镜的转轴相垂直的平面所作的剖视图。
下面参照图5描述根据实施例3的投影型显示装置的构造和操作。如图5中的例子所示，根据实施例3的投影型显示装置至少包括一个光源301；一个照明光学系统302，其用于会聚从光源301照射出来的光，以形成照明光；一个反射型光阀(空间光调制器)316，其用于反射照明光，以形成光学图像；一个投影光学系统319，其用于投射由反射型光阀316形成的光学图像；以及一个正放大率透镜317，其安置在反射型光阀316和投影光学系统319之间。
光源301的构造与实施例1中相同，并且利用凹面镜301b会聚来自灯泡301a的光，并且使光入射到照明光学系统302上。照明光学系统302是通过依次安置聚光透镜303、用于分离光束的透镜阵列304、光导305和中继透镜306而构成的。
此外，与实施例1中相同，反射型光阀316、投影光学系统319和正放大率透镜317被这样安置，即它们的光轴(320、322、321)相互重合。照明光学系统302被这样安置，即照明光穿过正放大率透镜317并被反射型光阀316反射。
与实施例1和2中相同，光源301由灯泡301a和凹面镜301b构成。与实施例2中相同的色轮307安置在凹面镜301b的第二焦点f2处，而且透射光的颜色依次转换为R、G、B。与实施例1和2中不同，照明光学系统302是通过将聚光透镜303、用于分离光束的透镜阵列304、由多个叠置光纤311构成的光导305和中继透镜306依次安置而构成的。
穿过色轮307的光被聚光透镜303转变成基本平行光，该聚光透镜303的焦点位于凹面镜301b的第二焦点f2处。如此转变形成的基本平行光入射到透镜阵列304，从而入射到光导305的每个光纤311上。入射到光导305的每根光纤311上的光线在光纤内经过反复反射后而被输出。
从照明光学系统302的出射光瞳315输出的光线被设在反射型光阀316附近的正放大率透镜317以远心的方式入射到反射型光阀316上。从反射型光阀316输出的光线被正放大率透镜317会聚，再入射到投影光学系统319的入射光瞳318上。形成在反射型光阀316上的光学图像将以放大状态投影在投影光学系统319的屏幕上。
因此，在实施例3中，与实施例1中相同，设在反射型光阀316附近的正放大率透镜317可以以紧凑的结构将入射到反射型光阀316的入射光与由此输出的光分离，而且不必借助于全反射棱镜就能实现正面投影。
在上面描述的根据实施例1和2的投影型显示装置中，照明光学系统(102，202)的每个元件垂直于照明光学系统的光轴。然而，照明光学系统(102，202)被这样安置，即其光轴相对于正放大率透镜(105，205)的光轴和反射型光阀(106，206)的光轴倾斜。因此，根据“Shineproof Theorem”，到达反射型光阀(106，206)的照明光的形状可能会是菱形、梯形等因矩形倾斜而形成的形状。在这种情况下，存在一种可能性，即从反射型光阀(106，206)输出的光的光束密度沿图中的向下方向增加，因而光束的分布变得不均。
此外，在反射型光阀(106，206)的出射光穿过正放大率透镜(105，205)时，光束会被折射。基于光束在反射型光阀(106，206)的显示区中的折射部位，光束的折射和折射力有所变化。因此，在投影光学系统的入射光瞳(109，209)中，也存在光束密度沿图中的向下方向增加的可能性，因而光束的分布变得不均。
在出现这样的不均匀光束分布的情况下，照明光学系统的出射光瞳(108，208)的局部区域和投影光学系统的入射光瞳(109，209)不能保持相对于正放大率透镜的共轭关系，从而可能导致投影图像的亮度不均匀。
为此，在实施例3中，照明光学系统302被构造成使用光导305。如上所述，光导305由多个光纤311叠置构成，而且照明光学系统302的出射光瞳315由所述多个光纤311的出射光构成，所述光纤被这样安置，即每个光纤的入射角呈二维配置。因此，照明光学系统302的出射光瞳315具有多个局部光瞳单元，而且出射光瞳315的形状变为通过多个局部光瞳单元相连而获得的面。在实施例3中，这个面可以是自由曲面。
此外，如图5所示，多个光纤311在入射面313上均匀配置，而在出射面314上不均匀地配置。在图5所示例子中，光纤311的密度在出射面314中沿着图中的向下方向减小。因此，从照明光学系统302输出的照明光的光束分布在出射时刻是不均匀的，但在被反射型光阀反射时就变得均匀了。具体地讲，根据“Shineproof Theorem”，可以防止到达反射型光阀316的照明光的形状变为倾斜矩形。
因此，投影光学系统319的入射光瞳318的整个或基本上整个区域和照明光学系统302的出射光瞳315的整个或基本上整个区域具有令人满意的共轭关系，而且从照明光学系统302的出射光瞳315输出的光最大限度地穿过投影光学系统319的入射光瞳318。
在实施例3中，如前所述，投影光学系统319的入射光瞳318和照明光学系统302的出射光瞳315被安置成相对于正放大率透镜317具有共轭关系。因此，根据“Shineproof Theorem”，通过适宜地控制照明光学系统302的出射光瞳315的光束分布，投影光学系统319的入射光瞳318的光束分布可以均匀化，从而可以获得亮度均匀的投影图像。
在实施例3中，照明光学系统302并不局限于采用光导305的例子。照明光学系统302也可以具有这样的结构，即利用由多个正放大率透镜元件构成的透镜阵列来取代光导305。在这种结构中，构成透镜阵列的正放大率透镜元件可以采用不同焦距，从而可以适宜地控制从照明光学系统输出的照明光的光束分布。在本实施例中，被反射型光阀反射的照明光的光束分布可以均匀化。
此外，在实施例3中，投影光学系统319可以配备一个与实施例2中所述类似的光圈(图4中的光圈216)。在这种情况下，需要将照明光学系统302这样安置，即来自被反射型光阀316反射的照明光的、用于形成光学图像的光穿过光圈。此外，在这种情况下，与实施例2中相同，投影光学系统的F数优选满足前面的式(8)。
如前面对实施例1至3所作描述，正放大率透镜由一个透镜元件构成。然而，根据本发明，正放大率透镜并不局限于此，而是可以是由多个正放大率透镜元件构成的透镜阵列。此外，根据本发明，正放大率透镜的形状并不局限于图1和2中所示的平凸透镜。正放大率透镜的形状也可以是双凸形或凹凸形，只要它是正放大率透镜即可。
此外，在实施例1至3的投影型显示装置中，设有一个反射型光阀。然而，根据本发明，可以采用多个反射型光阀。在这种情况下，需要配备用于使单色光入射到每个反射型光阀上的分色光学系统和用于将每个反射型光阀的出射光组合起来的组色光学系统。
在实施例1至3中，构成反射型光阀中各像素的微镜的可移动范围为±10°。然而，本发明并不局限于此例。根据本发明，微镜的可移动范围应当根据所拥反射型光阀的特性而设置，从而可以获得最佳光输出和高对比度。
工业实用性如前所述，根据本发明，通过将正放大率透镜安置在反射型光阀的显示区附近，投影光学系统的入射光瞳和照明光学系统的出射光瞳的有效孔径，可以减小，即使是在远心光学系统中。因此，可以利用紧凑的结构使入射光的光路和出射光的光路彼此分离。这样就不必采用将照明光与投影光分离的装置，例如传统使用的全反射棱镜分光器。因此，可以以降低的成本在远心光学系统中实现正面投影，而且投影平面上的图像质量可以均匀化。具体地讲，根据本发明，可以以低成本获得具有高图像质量的使用反射型光阀的紧凑显示光学系统。此外，根据本发明的投影型显示装置可以确保通过正面投影而获得均匀的图像，并且在更大投影视角和更高性能方面获得一定的设计自由度。
权利要求
1.一种投影型显示装置，包括光源、用于会聚从光源照射出的光以形成照明光的照明光学系统、用于反射照明光以形成光学图像的反射型光阀、用于投影由反射型光阀形成的光学图像的投影光学系统、以及设置在反射型光阀与投影光学系统之间的正放大率透镜，其中，反射型光阀、投影光学系统和正放大率透镜被这样设置，即它们的光轴相互重合，照明光学系统被这样配置，即穿过正放大率透镜的照明光被反射型光阀反射，照明光学系统的出射光瞳和投影光学系统的入射光瞳相对于正放大率透镜具有共轭关系。
2.如权利要求1所述的投影型显示装置，其特征在于，投影型光学系统具有相对于投影光学系统的光轴偏置的光圈，照明光学系统被这样配置，即穿过正放大率透镜的照明光被反射型光阀反射，并且来自所述反射照明光的用于构成光学图像的光穿过光圈。
3.如权利要求2所述的投影型显示装置，其特征在于，投影型光学系统的光圈沿着背离照明光学系统光轴的方向偏置。
4.如权利要求2所述的投影型显示装置，其特征在于，投影型光学系统具有仅通过沿光轴方向的移动而调节焦点的装置。
5.如权利要求2所述的投影型显示装置，其特征在于，满足下面的式(1)F1＝1/(2sin(θ1+α))(1)其中F1表示投影光学系统的F数，θ1表示从照明光学系统输出并且被反射型光阀反射从而入射到投影光学系统的光的扩散角度，α表示从反射型光阀的显示区中心输出的主光线与投影光学系统的光轴之间的夹角。
6.如权利要求1所述的投影型显示装置，其特征在于，照明光学系统的出射光瞳具有多个局部光瞳单元，而且在照明光被反射型光阀反射时，照明光的光束变为均匀的。
7.如权利要求1所述的投影型显示装置，其特征在于，照明光学系统的出射光瞳、投影光学系统的入射光瞳及正放大率透镜被这样配置，即穿过照明光学系统的出射光瞳的光束中的80％或以上入射到投影光学系统的入射光瞳的有效区域中。
8.如权利要求1所述的投影型显示装置，其特征在于，正放大率透镜由平凸透镜构成，其中凸面面向反射型光阀的显示区。
全文摘要
本发明提供了一种投影型显示装置，包括光源(101)、用于形成照明光的照明光学系统(102)、用于反射照明光以形成光学图像的反射型光阀(106)、用于投影光学图像的投影光学系统(107)以及正放大率透镜(105)。反射型光阀的光轴(115)、投影光学系统的光轴(113)和正放大率透镜的光轴(114)相互重合。照明光学系统(102)被这样配置，即穿过正放大率透镜(105)的照明光被反射型光阀(106)反射。照明光学系统(102)的出射光瞳(108)和投影光学系统(107)的入射光瞳(109)相对于正放大率透镜(105)具有共轭关系。
文档编号G02B13/16GK1628266SQ0280999
公开日2005年6月15日 申请日期2002年3月7日 优先权日2001年2月26日
发明者伏见吉正, 枡本吉弘, 和田充弘 申请人:松下电器产业株式会社