投影显示设备的制作方法

专利名称：投影显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够显示三维图像的投影显示设备。
发明背景
投影显示设备，也称投影仪，被分类成液晶投影仪、DLP (数字光处理，注册商标，后 略)投影仪、LCOS (硅上液晶)投影仪等。
DLP投影仪通过使用由DMD (数字微镜器件，注册商标，后略)表征的反射镜阵列元 件来显示视频并使用具有对向配置的两个棱镜的全内反射棱镜(TIR棱镜)(例如参见专利 文献I)。
另一方面，为通过使用图像显示装置中的活动快门式眼镜实现三维移动图像和静 止图像的视觉识别，在帧顺序方法中切换左、右眼的图像信号的时间必须与打开和关闭眼 镜中左、右眼的活动快门的时间同步。如果图像显示装置是在显示面板上直接显示图像的 装置，则为了同步可使用红外通信、另一波带上的射频通信以及有线通信。
对于液晶投影仪，已知一种技术，这种技术通过投射检测投影光以检测从屏幕反 射的光而自动地调节投射透镜的焦点(例如参见专利文献2)。在专利文献2描述的技术 中，描述了一种光学系统，该光学系统包括由通过三原色进行光调制的LCD (液晶显示器) 构成的透射型面板；将从LCD射出的各色的光合成的棱镜(或反射镜)；以及将合成光扩大 并投射到屏幕的透光透镜，在该光学系统中，半透明反射膜装置被设置在棱镜(或反射镜) 和投射透镜之间以使来自与IXD分离设置的发光部的检测投射光的输出经由投射镜朝向 屏幕投射，并且来自屏幕的反射光也经由半透明反射膜装置和投射透镜被检测到并用于焦 点调节。
现有技术文献
[专利文献]
专利文献1:日本专利特开No. 2009-20424
专利文献2 :日本专利特开No. 11-119184发明内容
本发明要解决的问题
如前所述，在图像显示装置直接显示并允许视觉识别显示面板上的图像的情形 下，活动快门的打开和关闭可受通信装置控制，不管该通信装置是无线的还是有线的。
然而，如果图像显示装置是投射型的，优选地，具有红外发光元件的红外发射部分 被包含在装置的主体中以将红外光从红外发射部分投射到投射视频的屏幕上，并且从此反 射的红外光被用于同步。以这种方式使用反射的理由包括由于投影显示设备基于观看者 观看屏幕上的视频这一前提，如果红外光从屏幕内侧射出并且眼镜的光接收部分朝向视频 则是最有效和非常方便的，并且相比在屏幕附近设置分立的发射器来说更为节约成本。
图10是通过在根据传统技术的投影显示设备中设置通过使用活动快门式眼镜而 实现图像的立体景象的红外发射部分而改良的结构示意图。图10示出的能显示三维图像的投影显示设备(3D投影仪)100包括光源设备10 ;将从光源设备10射出的光时分成红、 绿和蓝三种颜色的色轮11 ;使经由色轮11入射的光全内反射以射出具有均匀照度分布的积分棒12 ;具有用于汇聚从积分棒12射出的光的多个透镜的聚光透镜13 ；DMD14 ;具有对向设置的两个三角棱镜15a和15b的TIR棱镜15 ;以及将从TIR棱镜15出射的光投射至屏幕S的投射透镜16。TIR棱镜15具有内反射面(边界表面)15c，该内反射面15c反射来自聚光透镜13的出射光并使光入射到DMD14上。TIR棱镜15允许作为由DMD14反射的入射光的光透过内反射面15c，使光射向投射透镜16。
尽管从投射透镜16投影的视频可通过具有活动快门的3D兼容眼镜G来观看，然而左、右眼的活动快门的打开和关闭必须如前所述地与视频同步。因此，红外发光元件被设置在3D投影仪100的主体中与投影光学系统不同的位置。
在图10中，3D投影仪100具有透镜平移功能，并因此红外发光元件101。、10^和 IOIk如图所示被设置在与投影光学系统不同的三个位置。红外发光元件101。是通常使用的元件，其对应地设置在没有透镜平移的图像位置，将红外图像Sic投射到屏幕上图像S的一部分中。红外发光元件IO^是对应地设置在透镜向左平移时的图像位置的元件，将红外图像Sa投射到图像&的一部分中(图像&的右端未被示出)。红外发光元件IOIk是对应地设置在透镜向右平移时的图像位置的元件，将红外图像Sii投射到图像Sk的一部分中 (图像Sk的左端未被示出)。眼镜G用光接收部分根据平移位置接收从任一位置射出的一个红外图像并基于红外光的强度(变化)——即基于红外光的脉冲 ——控制左、右活动快门的打开和关闭。
为使3D图像和活动快门式眼镜同步以使观看者立体地观看图像，红外发射部分必须如前所述地安装在投影显示设备的主体上，这造成下列问题。即便使用紫外光或可见光来代替红外光本质上也会造成基本相同的问题。
(I)红外发射部分附连于装置主体的侧面等并对内部布局和设计构成限制。
(2)由于利用来自屏幕的反射，需要精密的设置，例如调整红外光至屏幕的定向性。
(3)由于红外透光部分本身具有宽的角度特征并且灵敏性随着屏幕和装置之间的距离增加而变劣，因此必须补偿灵敏性的缺失。因此，需要增加红外发光元件的输出，设置与用于图像的透镜不同的用于红外发光元件的透镜，或者增加红外发光元件的数目，通常是在每个位置将红外发光元件IOlp 101。和IOIk设置成一组的三个元件。
(4)如果将变焦透镜用作投影图像的投射透镜，则广侧和远视侧之间的距离是变化的。因此，红外发光元件的布置条件变得复杂。
(5)如果投影显示设备具有透镜平移功能，位置关系在被投射图像和屏幕之间的可调整的，因此，红外光必须朝向更宽的方向同时必须将定向性维持在某一程度以保持高灵敏性。因此，如由图10中三个位置处的红外发光元件IOlpIOlc以及IOIk所示，这些红外发光元件必须另行设置成这样一种配置，即允许与透镜平移对应的图像位置的投射。
即便采用专利文献I描述的技术以使红外光包含在检测投射光中以解决如(1)-(5)中描述的问题，也会造成下面的新问题。即便使用紫外光或可见光而不是红外光本质上也会造成基本相同的问题。
(6)相比无需输出红外光的一般光学系统,包括例如棱镜和反射镜的半透明反射膜装置以及用于保持该装置的辅助组件的附加组件是必要的，并且成本和装置尺寸增加。
(7)从IXD面板至投射透镜的距离——即后焦距——也被延长以确保用于插入附 加组件的空间。结果，由于在投射透镜设计中需要更大的正、负功率，因此透镜的数目增加， 这导致成本和装置尺寸的增加。
(8)附加的组件也增加了反射或透射损失，使被投射图像的光学输出劣化。尽管反 射镜是廉价的附加组件，但倾斜插入的平行板造成非点像差，使成像性能劣化。
(9)如果使用常见平台制造3D兼容和3D不兼容投影显示设备，则3D不兼容投影 显示设备也需要附加组件和使用大量透镜的投射透镜，带来了额外成本的负担。
鉴于上述情况而构思出本发明，并因此本发明的一个目的是使能够显示三维图像 的投影式显示装置在诸如红外发光元件的发光元件被安装在投影显示设备的主体上时支 持透镜平移和变焦，而不增加发光元件的数量和输出并且无需设置不必要的附加组件。
解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明的第一技术手段是一种能显示三维图像的投影显示设 备，其包括具有对向设置的两个棱镜的全内反射棱镜；以及投射透镜，该投影显示设备使 从光源射出的光经由全内反射棱镜从投射透镜投射出，该投影显示设备进一步包括发光元 件，该发光元件被设置成使光束入射到全内反射棱镜上，以使该光束由全内反射棱镜的内 反射面反射并经由投射透镜投射。
本发明的第二技术手段是第一技术手段的投影显示设备，其中发光元件相对于全 内反射棱镜设置，以使光束入射到与从光源射出的光的入射表面以及朝向投射透镜的出射 表面不同的表面上。
本发明的第三技术手段是第一技术手段的投影显示设备，其还包括反射镜阵列元 件，其中从光源射出的光经由反射镜阵列元件和全内反射棱镜从投射透镜投射。
本发明的第四技术手段是第三技术手段的投影显示设备，其中发光元件相对于全 内反射棱镜设置以使光束入射到与从光源射出的光的入射表面、由反射镜阵列元件反射的 光的入射表面以及朝向投射透镜的出射表面不同的表面上。
本发明的第五技术手段是第一至第四技术手段中任一手段的投影显示设备，其中 发光元件是发光二极管。
本发明的第六技术手段是第一至第四技术手段中任一手段的投影显示设备，其中 发光兀件是激光器兀件。
本发明的第七技术手段是第一至第六技术手段中任一手段的投影显示设备，其中 发光元件具有与由投射透镜的F值指示的有效捕捉角对应的半值角。
本发明的第八技术手段是第一至第七技术手段中任一手段的投影显示设备，其中 从投射透镜投射并由被投射表面反射的光束被用来打开和关闭活动快门式三维图像观看 眼镜中的活动快门。
本发明的第九技术手段是第一至第八技术手段中任一手段的投影显示设备，其中 发光元件是红外发光元件或紫外发光元件，并且全内反射棱镜具有设置在内反射面上的用 于可见光的防反射膜。
发明效果
根据本发明，能显示三维图像的投影式显示装置当诸如红外发光元件的发光元件被安装在投影显示设备的主体上时可支持透镜平移和变焦而不增加发光元件的数目和输出并且无需设置不必要的附加组件。


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[图个例子的图。
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[图1]图1是根据本发明的投影显示设备的一示例性配置的示意图。2]图2是阐述使用TIR棱镜的透镜平移的图。3]图3是在图2所述状态下 遮光板和照明光之间的位置关系的模式图。4]图4是阐述当不使用TIR棱镜时的透镜平移的图。5]图5是在图4所述状态下遮光板和照明光之间的位置关系的模式图。6]图6是在图1的TIR棱镜中的内反射面上设置的防反射膜的频率特征的一7]图7是根据本发明的投影显示设备的另一示例性配置的示意图。8]图8是根据本发明的投影显示设备的又一示例性配置的示意图。9]图9是根据本发明的投影显示设备的再一示例性配置的示意图。10]图10是通过在根据传统技术的投影显示设备中设置通过使用主动快门式眼镜实现图像的立体景象的红外发射部分而改良的结构示意图。
本发明的优选实施例
根据本发明的投影显示设备的特征是，其主体包括发光元件。下面以使用发出红外光(即不可见光)的红外发光元件为例来描述本发明。然而，这种发光元件不仅限于红外光，即使一元件发出作为另一例不可见光的紫外光或可见光，该元件也可适用，只要该元件射出与作为视频实际从投影显示设备投影的投射光的光谱不同的波带内的光束即可。
图1是根据本发明的投影显示设备的示例性配置的示意图；在图1中，附图标记I 表示根据本发明与三维图像显示兼容的投影显示设备(下文中简称为“3D投影仪”)^表示在屏幕上投影的图像；而G表示3D兼容的眼镜。
该3D投影仪I包括光源设备10、色轮11、积分棒12、聚光透镜13、由DMD表示的反射镜阵列元件(下文中称其为DMD) 14、TIR棱镜15以及投射透镜16，并且是这样一种装置使从光源设备10射出的光经由DMD14和TIR棱镜15从投射透镜16投射。3D投影仪I 除了常见的2D图像外还可投影和显示3D图像。
光源设备10可配置成包括高亮度灯，例如金属卤化物灯和超高压水银灯。色轮11 包括红、绿、蓝三原色的滤光器，并被配置成使滤光器以高速旋转从而将从光源设备10射出的光时分成红、绿、蓝三种颜色。色轮11可配置成包括无色透明部分或黄光滤光器以增加亮度。
积分棒12和聚光透镜13被设置在光源设备10和DMD14之间。积分棒12造成经由色轮11入射的光的全内反射，以射出具有均匀照度分布的光。聚光透镜13是将从积分棒12射出的光聚集并将光射向TIR棱镜15的透镜组。
DMD14是具有设置在平坦表面上、与像素数对应的微反射镜面(微镜)的显示元件。DMD14接收由后述TIR棱镜15的内反射面(边界表面)15c反射的光，并根据像素信号通过用未图示的控制部分驱动各镜，从反射的光形成图像并使图像返回至TIR棱镜15。 DMD14可根据与色轮11的高速旋转同步的红、绿、蓝的顺序信号反射各颜色的图像，以将彩色图像返回至TIR棱镜15。
TIR棱镜15具有两个三角棱镜15a、15b，它们对向地配置以使内反射面(边界表 面)15c仅允许以小于预定入射角的角度入射的光通过并全反射其余的光。内反射表面15c 被设置在两个三角棱镜15a、15b的倾斜侧面交汇的一部分上。内反射面15c可例如具有由 空气层构成的低折射率的层。更具体地，可通过在相对的表面上设置金属或电介质的真空 沉积形成的间隔件来形成微小间隔的空气层，或者可在一个三角棱镜的相对的表面上的整 个周缘周围设置凸部以在该周缘以外的部分界定一凹部从而形成空气层。可根据如此形成 的具有更低折射率的层和三角棱镜15a、15b之间的折射率之比来确定临界角。
TIR棱镜15被设置成使来自聚光透镜13的出射光由内反射面15c反射并入射到 DMD14上，并使得由DMD14反射并入射到TIR棱镜15的入射光通过内反射面15c并离开投 射透镜16。投射透镜16是接收来自TIR棱镜15的出射光并将其投射至屏幕的透镜。从投 射透镜16向屏幕投射的图像是由DMD14以高速连续反射的红、绿和蓝图像，由此导致彩色 图像。
本发明主要特征在于，3D投影仪I设有红外发光元件17。具体在本发明中，红外 发光元件17作为如图1所示的投影光学系统的一部分设置。更具体地，红外发光元件17 被设置成使红外光入射到TIR棱镜15上，并使该红外光由TIR棱镜15的内反射面15c反 射并经由投射透镜16投射。不仅可确定TIR棱镜15相对于聚光透镜13和投射透镜16的 布置，还可确定内反射面15c的临界角等，由此使红外光和来自光源的光能遵循这里描述 的光路(优选地如图1所示的光路)。
结果，红外图像Si被投射到屏幕上的图像S的一部分中。红外图像可以是，例如， 仅如图所示地在屏幕中央部分定义为圆形或矩形的图像，自然也可采用其它形状的图像而 不管其尺寸如何。
如果从投射透镜16投射的图像(移动图像或静止图像)是3D图像，则该图像通 过观察者用活动快门式3D兼容眼镜G来观察到。在这种情形下，对于右眼和左眼的活动快 门的打开和关闭必须与图像同步以允许从视觉上将图像识别为3D图像。因此，从红外发光 元件17射出并在屏幕上反射的红外光信号用于打开和关闭3D兼容眼镜G的活动快门。
更具体地，对每个时间周期交替地展示左眼视频和右眼视频的帧顺序方法可用于 图像信号的输出，并且活动快门眼镜可作为专门眼镜使用，以当3D投影仪I输出左眼视频 时通过打开眼镜的左眼活动快门并关闭右眼活动快门来仅开启左眼眼镜，并当3D投影仪I 输出右眼视频时则相反地仅开启右眼眼镜。从红外发光元件17输出的红外光可以是与左 眼帧和右眼帧同步的脉冲信号。例如，红外光可更简单地在左眼帧时间作为ON信号输出， 并在右眼帧时间作为OFF信号输出。3D兼容眼镜G可接收从屏幕反射的红外光，基于所接 收的红外光的强度判断脉冲信号的0N/0FF，并基于这种判断结果控制左、右活动快门的打 开和关闭。
由于从红外发光元件17输出的红外光就像如前所述的3D图像的路线那样从TIR 棱镜15经由投射透镜16投射到屏幕上，因此可支持透镜平移和变焦。
如前所述，不利用附加的组件，通过利用原本目的在于将照明光和成像光分离而 设置的TIR棱镜15来配置本发明的3D投影仪1，取得DMD型3D投影仪的图像显示功能，并 因此解决前面的问题(1)-(9)。换句话说，由于在3D投影仪I中利用原本包含的投射透镜16和TIR棱镜15，内部布局和外部设计不受影响。由于在3D投影仪I中红外光是从投射 透镜16输出的并因此一直与图像投射所处的位置匹配，因此可预期3D兼容眼镜的稳定操 作不会受到当实现变焦功能时变焦透镜的广侧和远视侧和当实现透镜平移功能时透镜平 移位置的影响。由于3D投影仪I允许红外光有效地到达屏幕的小区域，因此红外发光元件 17的输出和数目相比传统情况得以减少。
如前所述，根据本发明，当红外发光元件17被安装在主体上时，可支持透镜平移 和变焦而不增加红外发光元件17的数目和输出，并且无需设置不必要的附加组件。
在前述示例性配置中，如图1所示，使红外光入射到并非原本用于在DLP投影仪中 使用TIR棱镜15投影图像的表面上，并使红外光通过内反射面15c反射并由用以显示投影 图像的投射透镜16投射至屏幕。
因此,红外发光兀件17相对于TIR棱镜15设置以使红外光入射到与从光源设备 10射出的光的入射表面、由DMD14反射的光的入射表面以及朝向投射透镜16的出射表面 不同的表面上。如前所述，本发明允许红外光由内反射面15c反射。因此，在该示例性配置 中，入射到TIR棱镜15上的红外光由出射表面的内侧朝向投射透镜16反射，然后由内反射 表面15c反射,并朝向投射透镜16地离开出射表面。
该示例性配置是优选的，因为红外发光元件17不位于阻挡图像输入的位置。尽管 红外发光元件17当然可以设置成使红外光入射到例如朝向投射透镜16的出射表面之类的 其它表面上，然而相比图1所示的优选设置的示例性配置由于必须增加TIR棱镜15的尺寸 而导致多多少少的成本上升。
由于红外光就像如前所述的3D图像的路线那样从TIR棱镜15经由投射透镜16 投射到屏幕上，因此可支持透镜平移。实际上，除了这点以外，如果透镜平移功能实现在使 用DMD的投影仪中，则基本上必须使用如图1所示使用TIR棱镜15的光学系统。显然必须 设置透镜平移的移动机构。这将参考图2-5予以描述。
下面将参照图2和图3描述使用TIR棱镜以执行透镜平移功能的情形。图2是阐 述使用TIR棱镜的透镜平移的图，并且图2(A)和2(B)分别是在透镜平移前的光路状态图 和透镜平移后的光路状态图。图3㈧和3(B)分别是在图2(A)和图2(B)所示状态下遮光 板和照明光之间的位置关系的模式图。
图2(A)、2(B)示出当投射透镜16被设置在位置A(被定义为寻常位置)和位置B 时由于使用TIR棱镜的透镜平移造成的相应光路。如从图2(A)状态至图2(B)状态的转变 所示，当聚光透镜13等照明光学系统、DMD14和TIR棱镜15的各个位置被固定于3D投影 仪I的主体时，可通过由移动机构沿垂直于光轴的方向滑动或移动投射透镜16的位置而改 变投影图像S的位置(以及红外图像的位置)。
在这种情形下重要的是，预先作出设计以使投射透镜16在DMD14侧是远心的同时 照明光在由DMD14反射后也变得远心，以使照明光有效地入射到投射透镜16上。即使在这 种状态下移动投射透镜16，主光束(在这种情形下平行于光轴)一直通过遮光板16d的中 心，并因此光束不受阻挡。
参照在遮光板16d的横截面D中照明光L的状态来说明这一点，照明光L在图3 (A) 和图3(B)所示的两个位置A、B处落在遮光板的横截面D内并使光有效地通过。
与之相反，在不使用TIR棱镜的光学系统中实现透镜平移功能是困难的。这将参考图4、图5予以描述。图4是描述当不使用TIR棱镜时的透镜平移的图，而图4(A)和图 4(B)分别是在透镜平移之前光路的状态图和在透镜平移之后光路的状态图。图5(A)和图 5(B)分别是在图4(A)和图4(B)所示状态下遮光板和照明光之间的位置关系的模式图。
图4(A) ,4(B)示出当投射透镜46被设置在位置A和位置B (被定义为寻常位置) 时由不使用TIR棱镜的透镜平移造成的相应光路。在位置B处的光学系统中，投射透镜46 的遮光板46d被设计成位于最靠近DMD44的透镜附近，并且照明系统也被预先设计成对遮 光板46d聚集光。结果，系统的建立没有照明光和照明光学系统的透镜的干涉，即没有光束 和器件的干涉。在寻常设计中，凸透镜(或同样具有正光焦度的凹面镜)被设置在遮光板 46d附近,如图4(B)所示。
在图4(B)所示的状态下，当聚光透镜43等照明光学系统以及DMD44的位置固定 于3D投影仪的主体时，如果尝试通过移动机构沿垂直于光轴的方向滑动和移动投射透镜 46的位置来改变投影图像S的位置，则如图4(A)所示投射透镜46至位置A的移动如图所 示地在由区域I表示的部分造成干涉，这是因为照明光学系统的照明光和透镜(凹面镜) 是固定的，并因此系统未确立。
即使不合理设计防止了组件的干涉，由于照明系统和DMD44是固定的，来自DMD44 的反射光如图4(A)的虚线所示那样行进并且无法有效地通过遮光板(46d)。
参照遮光板46d的横截面D中照明光的状态来描述这一点，如图5 (A)和5 (B)所 示，照明光L在位置B落在遮光板的横截面D内，同时照明光L在位置A落在遮光板的横截 面D之外，使光通过变得不可能。
如前所述，如果没有配置TIR棱镜，则透镜平移功能是难以实现的。换句话说，为 了在使用DMD的3D投影仪中实现透镜平移功能，可采用使用TIR棱镜的光学系统，因此，不 可避免地采用使用TIR棱镜的光学系统。
现在将描述红外光通过内反射表面15c的反射。如参照图1-3所述那样，红外发 光元件17作为本发明中的投影光学系统的一部分设置，而在这种情形下，TIR棱镜15的反 射率特征是重要的。下面参照图6描述反射率特征。图6是在图1的TIR棱镜中的内反射 面上设置的防反射膜的频率特征的一个例子的图。
可见光朝向DMD14返回，如通过遵循图1中从屏幕回溯的光束所看到的那样。然 而，即使可见光的常见抗反射膜作为涂层涂覆于内反射面15c，仅设计膜厚和层数以减少可 见光波带(400nm至700nm数量级的波长)的反射率，并且对于其它波带不必特意地作出设 计。更具体地，如在图6的曲线图61中应用的具有可见光的寻常防反射膜的眼镜的反射率 的频率特征所描述的那样，由于红外光被反射，即使仅有可见光的寻常防反射膜被涂覆在 内反射面15c时也能建立图1描述的光学系统。
如前所述，TIR棱镜15优选地在内反射面15c上设有用于可见光的防反射膜。结 果，在充当用于红外光的反射膜的同时，当入射角小于预定角时防反射膜可基本上防止可 见光的反射。
涂敷于内反射面15c的防反射膜充当射出的红外光的反射膜，并优选地，防反射 膜被配置成增加射出的红外光的反射率，即防反射膜是具有增加射出的红外光的反射率的 能力的膜。更具体地，可特别地设计膜以使防反射膜被配置成对红外光具有增加的反射率 的反射率频率特征(在这种情形下假设具有900nm的波长)，如图6的曲线图62所示。
为了有效地将红外光投射至屏幕，投射透镜16对于红外光的透射率也是重要的。 由于投射透镜16包括大量透镜，对可见光的寻常防反射膜因为透射率下降是无用处的。然 而，如果膜设计是与内反射面15c—样地考虑红外光针对投射透镜16进行的(特别因此给 出由曲线图62所示的特征)，则能容易地增加透射率。
根据本发明的投射显示设备不仅限于包括如图1所示TIR棱镜15的配置，并且例 如图7和图8所示的示例性配置也是可采用的。图7和图8是根据本发明的投影显示设备 的其它示例性配置的示意图，并且在图7和图8中，附图标记7、8表示3D投影仪。下面基 本仅针对与图1的3D投影仪I的不同点来描述3D投影仪7、8。
如图7所示，3D投影仪7具有TIR棱镜70。TIR棱镜70具有与图1的TIR棱镜15 的三角棱镜15a相同的三角棱镜75a以及对向设置的三角棱镜75b，并且其内反射面(边界 表面)75c与内反射面15c的情形一样仅允许以小于预定入射角的角入射的光通过并完全 反射其余的光。
在3D投影仪7中，红外发光元件17的入射位置不同于图1的3D投影仪I。红外 发光元件17被设置在TIR棱镜70朝向投射透镜16的出射表面侧，由此使红外光入射到 TIR棱镜70的表面上。因此，入射的红外光作用于除了朝向投射透镜16的出射面以及内反 射面75c以外的表面75d。因此，表面75d受全反射涂层或红外反射涂层作用以充当反射红 外光的红外反射面。
如图8所示，3D投影仪8具有TIR棱镜80。TIR棱镜70具有与图1的TIR棱镜 15的三角棱镜15a相同的三角棱镜85a以及对向设置的变形三角棱镜85b，并且其内反射 面(边界表面)85c与内反射面15c的情形一样仅允许以小于预定入射角的角入射的光通 过并完全反射其余的光。
在3D投影仪8中，红外发光元件17的入射位置不同于图1的3D投影仪I。在3D 投影仪8中，三角棱镜85b设有与来自DMD14的三角棱镜85a的入射表面平行的表面，以使 设置在表面侧的红外发光元件17使红外光入射到该表面上。三角棱镜85b设有倾斜面85d， 该倾斜面85d涂有红外反射涂层并充当红外反射面以防止入射的红外光朝向投射透镜16 通过出射面。斜面85d以一角度形成以使由倾斜面85d反射的红外光通过内反射面85c反 射并被引向投射透镜16。
根据本发明的投影显示设备不仅限于图1、图7和图8的示例性配置，例如也可采 用图9所示的示例性配置。图9是根据本发明的投影显示设备的又一示例性配置的示意图， 并且在图9中，附图标记9表示3D投影仪。
3D投影仪9是包括三个DMD (即绿光DMD14e、红光DMD14K、蓝光DMD14_B)以及作为 三色分离/合成棱镜的菲利普式分色棱镜90的装置。3D投影仪9被配置成与图1的3D投 影仪I的情形相同地使从红外发光元件17射出的红外光入射到TIR棱镜15中的不用于视 频的表面上。
3D投影仪9用分色棱镜90将入射光分离成R、G和B并用图中未示出的控制部分 控制DMD14e、14Re和14Bb，以使彩色图像被反射，由分色棱镜90重新组合，并经由TIR棱镜 15和投射透镜16朝向屏幕射出。因此，与图1的3D投影仪I不同，3D投影仪9不需要配 备色轮11。3D投影仪9与3D投影仪I相同的其它部分不予描述。
尽管前面已描述采用红外光的例子，然而也对不使用红外光而是使用紫外光或可见光的情形进行描述。即使在使用紫外光或可见光的情形下，本发明与红外光的情形一样 基本可适用并产生相同的效果。因此，在紫外光或可见光的情形下，从投射透镜16投射并 由被投射表面(即屏幕S)反射的光束可以相同方式使用以打开和关闭主动快门式三维图 像观看眼镜的活动快门。
现在将补充描述在从发光元件发出紫外光的情形下TIR棱镜的内反射面。在这种 情形下，如图6的曲线图61中施加的具有用于可见光的寻常防反射膜的眼镜的反射率的频 率特征中描述的那样，紫外光被反射。就图1的示例性配置进行描述，如图1所述的光学系 统可仅通过将针对可见光的寻常防反射膜涂覆于内反射面15c来建立。即使在采用紫外光 时，涂敷于内反射面15c的防反射膜充当射出的紫外光的反射膜，并优选地，该防反射膜被 配置成增加射出的紫外光的反射率，即防反射膜是具有增加射出的红外光的反射率的能力 的膜。
现在将补充描述在从发光元件发出可见光的情形下TIR棱镜的内反射面。如果从 发光元件中射出可见光，则如图6的曲线图61中施加的具有可见光的寻常防反射膜的眼镜 的反射率的频率特征中描述的那样，可见光不被反射。因此，就图1的示例性配置进行描 述，如图1所述的光学系统无法仅通过将针对可见光的寻常防反射膜涂覆于内反射面15c而建立。
在这种情形下，施加于内反射面15c的防反射膜必须被配置成充当用于从发光元 件射出的可见光的反射膜，即由此利用仅反射从发光元件射出的可见光的波长带的防反射 膜。在这种配置的情形下，关心的是波长带中视频的光束也不被投射到屏幕S上；然而，可 通过极度地收窄波长带(并通过驱动发光元件以射出在具有较低使用频率的带内的可见 光)而减弱对视频的影响。
尽管本发明中例如红外传输的光束传输在说明书中是以光束用于打开和关闭活 动快门式眼镜的活动快门为前提进行描述的，然而也可利用诸如红外光的光束以实现其它 目的，例如在投射透镜16变焦时的焦点调节，或者本发明中例如红外传输的光束传输可配 置成仅被利用以实现例如焦点调节之类的其它目的，而不使用光束传输来打开和关闭活动 快门。描述图1的示例性配置作为对焦点调节的补充，例如接收红外光的光接收元件可被 设置在红外发光元件17的位置处或其附近，并且可通过光接收元件基于红外光的强度检 测红外光的扩张以基于检测结果来执行焦点调节。
下面描述发光元件的特定示例。可针对红外发光元件17采用发光二极管。可通 过对红外发光元件17采用常见不昂贵的发光二极管而降低3D投影仪I的成本。红外发光 元件17可以是激光器元件。由于激光器元件具有极小的数值孔径(NA)，可执行有效的投影 而不影响投射透镜16的孔径。在采用紫外光或可见光而不是红外光的情形下，也可针对发 光元件采用发光二极管或激光器元件。
下面将描述红外发光元件17的半值角。典型F值基本是F2. 5(即NA=O. 2)。另 一方面，例如，具有大约10°半值角的铁壳型发光二极管是容易获得的。NA=O, 2对应于 SirT1(NA)=ILSn的有效捕捉角并基本与半值角匹配。来自发光二极管的光可通过利用具 有与由投射透镜16的F值指示的有效捕捉角对应的半值角的红外发光元件有效地投射至 屏幕。在采用紫外光或可见光代替红外光的情形下，采用与由投射透镜16的F值指示的有 效捕捉角对应的半值角作为发光元件的半值角也是优选的。
尽管已就使用反射镜阵列元件显示视频的装置对根据本发明的投影显示设备进行了描述，但即便在采用不使用镜阵列元件的其它光学系统的装置中一例如液晶投影仪，如果增设全内反射棱镜以采用前述发光元件的配置的话一也可实现相同的功能。
不使用镜阵列元件的投影显示设备包括具有两对向设置的棱镜和投射透镜的全内反射棱镜，并且是能通过使从光源射出的光经由全内反射棱镜从投射透镜投射而显示三维图像的装置。
通过将液晶投影仪作为参照图1的示例性配置的例子描述不使用镜阵列元件的示例性配置，可去除DMD14以使通过液晶显示元件的光源入射到TIR棱镜15的设有DMD14 一侧上的表面上。替代地，可将DMD14从图1的示例性配置中去除，并将液晶显示元件设置在TIR棱镜15前面(例如聚光透镜13和TIR棱镜15之间)，由此光在DMD14侧被TIR棱镜15的表面全反射。在任何一种情形下，发光兀件优选地相对于TIR棱镜15设置以使例如红外光的光束入射到与从光源(通过液晶的光源)射出的光的入射表面和朝向投射透镜 16的出射表面不同的表面上。然而，诸如红外光的光束可朝向投射透镜16入射到出射表面上，就像图7的示例性配置的情形一样。
字母或标号的解释
1，7，8，9…3D投影仪;10…光源设备;11…色轮;12…积分棒;13…聚光透镜；14... DMD ;14b. ..蓝光 DMD ;14G...绿光 DMD ；14E-红光 DMD ; 15，70，80…TIR 棱镜； 15a, 15b, 75a, 75b, 85a, 85b…三角棱镜；15c, 75c, 85c…内反射面(边界表面);16…投射透镜；17…红外发光元件；43…聚光透镜；44…DMD ;46…投射透镜；61，62…特征曲线；75d… 表面；85d…倾斜面；以及90…分色棱镜。
权利要求
1.一种能显示三维图像的投影显示设备，包括具有两个对向配置的棱镜的全内反射棱镜；以及投射透镜，所述投影显示设备使得从光源射出的光经由所述全内反射棱镜从所述投射透镜投射出， 所述投影显示设备还包括发光元件，所述发光元件被设置成使光束入射到全内反射棱镜上，以使所述光束由所述全内反射棱镜的内反射面反射并经由所述投射透镜投射。
2.如权利要求1所述的投影显示设备，其特征在于，所述发光元件相对于所述全内反射棱镜设置以使光束入射到与从光源射出的光的入射表面和朝向所述投射透镜的出射表面不同的表面上。
3.如权利要求1所述的投影显示设备，其特征在于，还包括反射镜阵列元件，其中从所述光源射出的光经由所述反射镜阵列元件和所述全内反射棱镜从所述投射透镜投射出。
4.如权利要求3所述的投影显示设备，其特征在于，所述发光元件相对于所述全内反射棱镜设置以使光束入射到与从光源射出的光的入射表面、由所述反射镜阵列元件反射的光的入射表面以及朝向所述投射透镜的出射表面不同的表面上。
5.如权利要求1-4中任何一项所述的投影显示设备，其特征在于，所述发光元件是发光二极管。
6.如权利要求1-4中任何一项所述的投影显示设备，其特征在于，所述发光元件是激光器兀件。
7.如权利要求1-6中的任何一项所述的投影显示设备，其特征在于，所述发光元件具有与由所述投射透镜的F值指示的有效捕捉角对应的半值角。
8.如权利要求1-7中的任何一项所述的投影显示设备，其特征在于，从所述投射透镜投射并由被投射表面反射的光束被用于打开和关闭活动快门式三维图像观看眼镜中的活动快门。
9.如权利要求1-8中的任何一项所述的投影显示设备，其特征在于，所述发光元件是红外发光元件或紫外发光元件，并且所述全内反射棱镜具有设置在内反射面上的用于可见光的防反射膜。
全文摘要
在能显示3D图像的该投影显示设备中，当将诸如红外光束发射元件的发光元件安装至投射显示设备的主体时，能支持透镜平移和变焦而无需提供额外的附加部件并且不会增加发光元件的数目或输出。投影显示设备(1)能显示3D图像，通过投射透镜(16)与光源设备(10)之间的全内反射棱镜(15)从投射透镜(16)投射从光源设备(10)射出的光，并设有红外光束发光元件(17)，全内反射棱镜(15)中设有两个彼此对向的棱镜。红外光束发光元件(17)如此设置以使红外光束进入全内反射棱镜(15)，红外光束在全内反射棱镜(15)的全内反射面(15c)反射并经由投射透镜(16)投射出。
文档编号G03B35/16GK103003749SQ201280002078
公开日2013年3月27日 申请日期2012年2月9日 优先权日2011年2月10日
发明者椎名浩 申请人:夏普株式会社