CN100445866C - 投影光学装置和使用该装置的图像显示装置 - Google Patents

Abstract

如果减小图像发生源的有效画面尺寸，减小投影透镜的口径D，就会发生称为斑点故障的图像障碍。本发明可以降低该斑点故障。为此，本发明的特征在于，在投影光学装置中所使用的例如液晶板等图像显示元件(18)的光入射侧或者射出侧，或者其两者处，设置具有放大图像光的视野角功能的视野角放大部件(60)或者具有散射图像光功能的散射部件(28)。通过这样，能够抑制分辨率和对比度的恶化且降低斑点故障。

Description

投影光学装置和使用该装置的图像显示装置

技术领域

本发明涉及一种将通过用作为图像发生源的图像显示元件所形成的图像，通过投影透镜等光学部件放大投影到屏幕上的图像显示装置、和使用它的投影光学装置。

背景技术

投影型图像显示装置的图像发生源，可使用液晶板等所谓的象素选择型图像调制元件，来代替投影型布劳恩(Braun)管。图像调制元件以象素单位调制来自例如水银灯等光源的光，形成图像，该有效画面尺寸小到1英寸前后。另外，该射出光与投影型布劳恩管相比接近于准直光。为此图像调制元件使用的投影透镜是小型的且高F值。(而且，F值是表示透镜的亮度的数值，等于透镜的焦点距离f和透镜的口径D之比f/D。高F值表示如果焦点距离f相同，透镜的口径D小。如果入射到透镜中的光接近准直光，既能使透镜的口径D小，也能够确保亮度。)

如果图像发生源的有效画面尺寸小，投影透镜的口径D小，就发生称为斑点故障(闪烁)的图像故障。即，在使用图像调制元件的投影型图像显示装置中，具有容易发生斑点故障这样的问题。作为用于降低该斑点故障的技术，例如已经知道记载在下列文献中的技术：特开2001-228547号公报(文献1)、特开平7-168282号公报(文献2)、特开平11-38512号公报(文献3)。

斑点故障是，由空间游离的微小的扩散要素而散射的光作用到后方的1点，产生相互干涉。换言之，从图像发生源上的任意1点射出的光通过屏幕上的2点而干涉，所以图像发生源越变小、输出光的面密度越变高(即，透镜的口径D越小)，该干涉越变强，斑点故障的对比也变大。

因此，在降低斑点故障中，可一边加大图像发生源的有效画面尺寸，一边加大透镜的口径D，但与图像发生源中使用象素调制元件的倾向是相反的。这里，采用使得从屏幕上的2点射出的光不相互干涉，或者施加将干涉的光进一步扩散的白噪音这样的对策。

前者，例如象上述文献2所公开的那样，在构成背面投影型屏幕的双面凸的凸透镜片中不掺入扩散材料，在离开该双面凸的凸透镜的焦点距离大约3倍以上的位置设置扩散层。通过这样，使得成为斑点故障的原因的、入射到扩散材料上的光线的方向，通过双面凸的凸透镜没有大的干涉。这种方法去除斑点故障的发生原因是有效的，但扩散层必需设置在离开该双面凸的凸透镜的焦点距离的大约3倍以上的位置。为此，产生分辨率大幅恶化这样的新问题。

另外，后者例如象上述文献3所公开的那样，将双面凸的凸透镜片设置成由两层扩散层夹着透明中间层的三层构造，使得由第一层扩散层所发生的斑点故障通过第三层扩散层来隐蔽。这种方法不仅恶化了分辨率，而且产生这样的问题，即处于观察侧的扩散层由于外面的光，在看起来发白的明亮的情况下，对比性能恶化。

因此，在使用图像调制元件作为图像发生源，还使用高F值的投影透镜的图像显示装置中，抑制分辨率和对比度性能的恶化，并且降低由于使用它们而发生(或者容易发生)的斑点故障是重要的。

发明内容

本发明是鉴于上述这样的问题做出的，其目的在于，提供一种在使用图像调制元件作为图像发生源的情况下降低画质恶化的合适技术。

为了实现本发明的目的，本发明的特征在于，在图像显示元件的两侧或一侧，在放大视野角的方向设置用于修正图像光的视野角放大膜。作为该视野角放大膜，可以是对于P波和S波其折射率不同(即具有多个折射率)的视野角补偿用的膜上部件。

另外，在本发明中，图像显示元件为反射型液晶板或者反射镜反射型光调制元件，其反射面为粗糙面。

另外，在本发明中，在从图像显示元件到所述投影透镜的光路中，配置用于将由该图像显示元件所形成的图像之光变散射的散射部件。该散射部件也可以设置在图像显示元件附近。

在图像显示元件是透过型液晶板的情况下，作为上述散射部件可使用下面中的任何一个或者它们的组合：

(1)具有比入射侧防尘玻璃大的模糊值(haze)的射出侧防尘玻璃；

(2)与射出侧防尘玻璃粘接或者粘贴的扩散片；

(3)在透过型液晶板和射出侧偏振板之间配置的扩散板；

(4)具有比入射侧偏振板大的模糊值的射出侧偏振板；

(5)合成从多个透过型液晶板射出的红、蓝、绿图像的二向棱镜的、与入射面或者射出面粘接或者粘贴的扩散片。

另外，在图像显示元件是反射型液晶板的情况下，作为上述散射部件，使用下面中的任何一个或者它们的组合：

(1)用于保护反射型液晶板的、具有比一般防尘玻璃的模糊值大的模糊值的防尘玻璃；

(2)与防尘玻璃的表面粘接或者粘贴的扩散片；

(3)与分光镜的射出面或者入射面粘接或者粘贴的扩散片。

另外，在图像显示元件是具有多个反射镜的反射镜反射型调制元件的情况下，作为上述散射部件，使用具有比一般防尘玻璃的模糊值大的模糊值的防尘玻璃。

根据上述本发明的构成，在使用图像调制元件的情况下，能够降低由例如斑点故障等导致的画质恶化。

附图说明

图1是表示本发明的图像显示装置的一个实施方式的一部分截面立体图。

图2是表示使用图1所示的图像显示装置的透过型液晶板的图像发生源的构造的示意图。

图3是从表示图2所示的本发明的图像发生源构造的示意图中仅提取与本发明有关的部分的图。

图4是表示本发明的其它实施方式的图。

图5是表示本发明的其它实施方式的图。

图6是表示本发明的其它实施方式的图。

图7是表示本发明的其它实施方式的图。

图8是表示本发明的其它实施方式的图。

图9是表示本发明的使用反射型液晶板的图像发生源的其它构造的示意图。

图10是表示本发明的反射型液晶板的构造的示意图。

图11是从表示图9所示的本发明的图像发生源构造的示意图中仅提取与本发明有关的部分的图。

图12是表示本发明的其它实施方式的图。

图13是表示本发明的其它实施方式的图。

图14是表示本发明的其它实施方式的图。

图15是表示本发明的使用反射镜反射型光调制元件的图像发生源的其它构造的示意图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施方式。

图1是本发明的图像显示装置的一部分截面立体图。在图1中，图像发生源1由投影型布劳恩管或反射型或透过型液晶板、具有多个微小的反射镜的反射镜反射型光调制元件等图像调制元件、灯等照明光学系统等构成，显示小型图像。投影透镜2将所述图像投影到背面投影型屏幕3上，但由于通常情况下投影距离长，为了降低图像显示装置的进深，在该光路中设置反射镜4。框体5将这些图像发生源1、投影透镜2、背面投影型屏幕3、反射镜4固定收存到规定位置。

图2是表示本发明的使用透过型液晶板的图像发生源1的构造的示意图。来自作为光源的灯6的射出光，入射到由入射侧多透镜阵列7a和射出侧多透镜阵列7b所构成的多透镜阵列，而被均匀化。然后，通过分光器8使其偏振方向一致，该光束通过聚光透镜9汇聚。由于第一反射镜10用于将图像发生源1整体小型化，所以将来自聚光透镜9的光束反射，改变其前进方向。由第一反射镜10所反射的光入射到第一准直透镜11上，该第一准直透镜11用于将灯6的射出光在面板(后面描述)上与焦点匹配。第一分色镜12透过来自第一准直透镜11的光中的红色光，反射蓝色光和绿色光。第二分色镜13透过由该第一分色镜12所反射的蓝色光和绿色光中的蓝色光，反射绿色光。由第一中继透镜14a和第二中继透镜14b所构成的中继透镜，对于所述红色光和绿色光，设置在光路长的蓝色光的光路中。在第一和第二中继透镜之间，设置第二反射镜15，其将透过第二分色镜13的蓝色光发射，改变其前进方向。在红色光路和蓝色光路中，分别配置第三反射镜16a、第四反射镜16b，分别改变红色光和蓝色光的前进方向，分别导向红色用液晶板18R和蓝色用液晶板18B。在红色光路、绿色光路和蓝色光路中，分别配置第二准直透镜17a、第三准直透镜17b、第四准直透镜17c，与所述第一准直透镜一起，进行将灯6的射出光在面板(后面描述)面上进行与焦点匹配的动作。通过上述第三反射镜16a、第二分色镜13、第四反射镜16b分别反射的红、蓝、绿色的光入射到各个红色用液晶板18R、绿色用液晶板18G、蓝色用液晶板18B。红色用液晶板18R组合第一入射侧偏振板19a和第一射出侧偏振板20a，显示红色图像。同样地，绿色用液晶板18G组合第二入射侧偏振板19b和第二射出侧偏振板20b，显示绿色图像，蓝色用液晶板18B组合第三入射侧偏振板19c和第三射出侧偏振板20，显示蓝色图像。从射出侧偏振板20a～c射出的各个光入射到作为光调制部件的二向棱镜21。二向棱镜21包含红色光反射膜22和蓝色光反射膜23。然后，通过红色用液晶板18R的光束由红色光反射膜22反射，向投影透镜(未图示)方向A射出。另外，通过蓝色用液晶板18B的光束由蓝色光反射膜23反射，向投影透镜的方向A射出。通过绿色用液晶板18G的光束，通过红色光反射膜22和蓝色光反射膜23，同样向投影透镜方向A射出。而且，框体25将上述各个光学部件收纳在其内部。

图3是从表示图2所示的本发明的图像发生源1的构造的示意图中仅提取关于本发明部分的图。在图3中，与图2相同的符号表示同一部件。另外，在图2中，红色光路、绿色光路、蓝色光路分开表示，但是由于三个光路基本相同，所以在图3中没有特别分开表示。液晶板18由TFT基板25和对置基板26构成，由入射侧防尘玻璃27和射出侧防尘玻璃28保护。60是在液晶板18和入射侧偏振板19之间设置的第一视野角放大膜，61是在所述液晶板18和射出侧偏振板20之间设置的第二视野角放大膜。第一视野角放大膜60、第二视野角放大膜61例如是在透明支持体上涂敷圆盘型(Discotic)液晶化合物，进行交联，通常情况下，用于直视型液晶板的视野角放大，或者是同等品。

在现有技术中为了改善对比度性能，具有这样的例子：使用同样在透明支持体上涂敷圆盘型液晶化合物，进行交联的改善对比度的膜。它是这样的技术，即利用改善对比度的膜分别对于S波和P波其折射率不同(折射率椭圆体)的性质，改善液晶板的S波和P波的正交性，改善对比度性能。但是，使用这种技术也能改善对比度性能，但不能降低斑点故障。这是因为，在投影型光学系统中，液晶板不必进行放大视野角化，改善对比度性能是重要的，因此，将本来为了放大视野角而开发的放大视野角的膜用于改善对比度性能来使用。放大视野角的膜和改善对比度的膜可以是相同的材料，但相对于制作放大视野角的膜使得在宽视野角范围其对比度不反转，制作改善对比度的膜使得在窄视野角范围改善液晶板的S波和P波的正交性，是不相同的。即，本发明中所使用的放大视野角的膜不是改善对比度的方向，而是在改善视野角方向来修正光。重要的是，改善对比度的膜，在全黑画面中不泄漏斜方向的光那样由修正板来切割，与此相对，本发明的放大视野角的膜修正图像光，使得在全白画面中将斜方向的光通过修正板。

象图3所示的本发明的一实施例那样，如果在液晶板18的一侧或者两侧(即液晶板18的光入射侧或者光射出侧)设置放大视野角的膜60、61，将液晶板18的视野角放大，能够缓和液晶板18的射出光的准直性。因此，如按照本发明，能够降低由背面投影型屏幕3所发生的斑点故障。

图4是本发明的其它实施例。在图4中，与图3相同的符号表示同一部件。象前述那样，液晶板18由TFT基板25和对置基板26构成，由入射侧的防尘玻璃27和射出侧的防尘玻璃28来保护。在本实施方式中，特征在于，射出侧防尘玻璃28的模糊值比入射侧防尘玻璃27的模糊值大，将该射出侧防尘玻璃28用作用于将图像光散射的散射部件。通常情况下，入射射出其防尘玻璃的透过率都高。但是，在发生所述斑点故障的情况下，也可以象本发明那样，将射出侧防尘玻璃28的模糊值设得较大。

通过这样，透过液晶板18的光的散射程度大，能够降低由背面投影型屏幕3所发生的斑点故障。能够降低由背面投影型屏幕3所发生的斑点故障的理由是，入射到为斑点故障的原因的背面投影型屏幕3的扩散材料的光线的方向，由发生源扰乱，难于相互干涉。斑点故障在该射出侧防尘玻璃28也可能发生，但由于与液晶板的图像显示部的距离非常近，所以几乎没有问题。但是由于散射扰乱了偏振，所以图像的对比度恶化。因此，需要取得降低斑点故障和对比度恶化的平衡，同时决定射出侧防尘玻璃28的模糊值。在上述文献2和3所公开的现有技术中，仅在直接发生斑点故障的屏幕侧采取对策，但象本发明那样，将发生斑点故障的图像光本身散射，使得脱离斑点故障，效果更显著。为了加大射出侧防尘玻璃28的模糊值，使用分散扩散材料的玻璃材料来制造，也可以简单地在粘合剂中分散低折射材料，将其利用喷雾法来涂敷，在射出侧防尘玻璃28上来制膜。

图5是本发明的其它实施例。在图5中，与图4相同的符号表示同一部件。通常情况下，由于液晶板18作为通用部件来提供，所以象图4那样特殊规格存在困难的情况。在那样的时候，可以象图5所示那样，在液晶板18的射出侧防尘玻璃28的表面粘接或者粘贴扩散片29来使用。如果对于液晶板18的冷却有问题，使扩散片29中具有一定强度，作为其它部件设置在液晶板18和射出侧偏振板20之间，也具有同样的效果。

图6是表示本发明的其它实施方式的图。在图6中，与图4相同的符号表示同一部件。在本发明中，特征在于，射出侧偏振板20的模糊值比入射侧偏振板19的模糊值大，将该射出侧偏振板20用作用于散射图像光的散射部件。如果在偏振板中掺入扩散材料，其偏振度恶化，但优点是部件数没有增加。也可以象图5所说明的那样，将偏振板和扩散片贴合。在这种情况下，将偏振板设置在入射侧，将扩散片设置在射出侧，偏振光不扰乱。

图7是表示本发明的其它实施方式的图。在图7中，与图4相同的符号表示同一部件。在本实施方式中，特征在于，在二向棱镜21的入射面，粘接或者粘贴作为散射部件的扩散片30。扩散层离开液晶板18，分辨率恶化，但由于扩散层处于两个偏振板的外侧，所以优点在于，没有由于扩散材料导致的散射扰乱偏振光，恶化对比度。使扩散片30具有一定强度，作为其它部件设置在射出侧偏振板20和二向棱镜21之间，也具有相同的效果。

图8是表示本发明的其它实施方式的图。在图8中，与图4相同的符号表示同一部件。在本实施方式中，特征在于，在二向棱镜21的射出面，粘接或者粘贴作为散射部件的扩散片31。由于扩散层进一步离开液晶板18，所以分辨率更加恶化，但二向棱镜21的射出面由红色光、绿色光、蓝色光通用，所以扩散片31可以是一个。使扩散片31具有一定强度，作为其它部件来设置也具有相同的发明效果。

图9是表示本发明的其它实施方式的图，是表示作为图像显示元件使用反射型液晶板的图像发生源1的其它构造的示意图。来自作为光源的灯6的射出光，入射到由入射侧多透镜阵列7a和射出侧多透镜阵列7b所构成的多透镜阵列，而被均匀化。来自多透镜阵列的光束通过分光镜8，其偏振光与S偏振光一致，之后通过聚光透镜9汇聚。由于第一反射镜10和第二反射镜32用于小型化图像发生源1的整体，所以将来自聚光透镜9的光束反射，改变其前进方向。由第一反射镜10和第二反射镜32所反射的光，入射到第一准直透镜33上，该第一准直透镜33用于将灯6的射出光在面板(后面描述)上与焦点匹配。分色镜34反射来自第一准直透镜33的光中的红色光，透过蓝色光和绿色光。透过该分色镜34的蓝色光和绿色光中，仅蓝色光由第一波长选择性波长板35从S偏振光偏振变换为P偏振光。S偏振光的绿色光和偏振变换为P偏振光的蓝色光，入射到第一棱镜分光镜36中。第一棱镜分光镜36反射S偏振光的绿色光，导向绿色光用反射型液晶板38G，透过P偏振光的蓝色光，导向蓝色用反射型液晶板38B。另一方面，由所述分色镜34所反射的S偏振光的红色光，由第二棱镜分光镜37再次反射，导向红色用反射型液晶板38R。

光调制部件39是合成来自红色用反射型液晶板38R、绿色用反射型液晶板38G和蓝色用反射型液晶板38B的图像光的第三棱镜分光镜。在第二棱镜分光镜37的射出面上，设置1/2波长板40。入射到红色光用反射型液晶板38R的S偏振光的红色光中，图像光变换为P偏振光，透过第二棱镜分光镜37，由上述1/2波长板40变换为S偏振光，入射到第三棱镜分光镜39。第三棱镜分光镜39反射入射的红色光，向B方向射出。另外，入射到绿色光用反射型液晶板38G的S偏振光的绿色光中，图像光变换为P偏振光，透过第一棱镜分光镜36，还透过第三棱镜分光镜39，向B方向射出。入射到蓝色光用反射型液晶板38B的P偏振光的绿色光中，图像光变换为S偏振光，由第一棱镜分光镜36反射，由仅蓝色光从S偏振光偏振变换为P偏振光的第二波长选择性波长板41变换为P偏振光。变换为P偏振光的蓝色光，透过第三棱镜分光镜39，向B方向射出。而且，框体42将上述各个光学部件收纳在其内部。

图10是示意性表示图9的实施方式中所使用的反射型液晶板38的构造的图。在图9中，红色光用反射型液晶板38R、绿色光用反射型液晶板38G、蓝色光用反射型液晶板38B，使用了3个，但3个都基本相同，所以在图10中没有特别区分表示。在图10中，反射型液晶板38由显示部43和透明电极44构成，通过防尘玻璃45保护。显示部43由硅晶片64、将表面粗面化的反射镜63、液晶62所构成。通常情况下，反射镜63的反射率越高其性能越好，所以反射镜63尽可能地镜面化。但是，在发生所述斑点故障的情况下，象本发明那样，将反射镜63的表面粗面化。通过这样，从反射型液晶板38射出的光的散射变大，能够降低由背面投影型屏幕3所发生的斑点故障。

图11是从图9所示的实施方式中仅提取关于本发明部分的图。在图11中，与图9相同的符号表示同一部件。红色光用反射型液晶板38R、绿色光用反射型液晶板38G、蓝色光用反射型液晶板38B分别由显示部43R、43G、43B，透明电极44R、44G、44B所构成，由防尘玻璃45R、45G、45B所保护。在本实施方式中，其特征在于，该防尘玻璃45R、45G、45B的模糊值比一般的防尘玻璃的模糊值大，将该防尘玻璃45R、45G、45B用作为散射部件。加大防尘玻璃45R、45G、45B的模糊值的方法，是例如使用分散扩散材料的玻璃材料来制造，一边简单地向粘合剂中分散低折射材料，利用喷雾法来涂覆，在防尘玻璃45R、45G、45B上成膜的方法。

图12是表示本发明的其它实施方式的图。在图12中，与图11相同的符号表示同一部件。通常情况下，具有这种情况，由于反射型液晶板38作为通用部件来提供，所以象图10和图11所示那样的特殊规格是困难的。在那样的时候，如图12所示那样，可以在反射型液晶板38R、38G、38B的防尘玻璃45R、45G、45B的表面上粘接或者粘贴扩散片46R、46G、46B来使用。即在本实施方式中，特征在于，将扩散片46R、46G、46B用作为散射部件。如果在反射型液晶板38的冷却方面有问题，也可以这样，使扩散片46R、46G、46B带有一定强度，作为其它部件，设置在反射型液晶板38和棱镜分光镜36、37之间。这样的构成也得到与上述实施方式同样的效果。

图13是本发明的其它实施方式的图。在图13中，与图11相同的符号表示同一部件。在本实施方式中，将作为散射部件的扩散片47设置在棱镜分光镜36、37的射出侧。由于扩散层处于分离图像光和不需要的光的棱镜分光镜36、37的后面，所以与图12的实施例相比，提高了对比度性能。但是，扩散层离开反射型液晶板38，分辨率恶化。在本实施方式中，在1/2波长板40的射出面和第二波长选择性波长板41的射出面粘接或者粘贴扩散片47，但设置在入射面侧也具有相同的效果。另外，使扩散片47中具有一定强度，作为其它部件设置也具有相同的效果。

图14是表示本发明的其它实施方式的图。在图14中，与图11相同的符号表示同一部件。本实施方式的特征在于，作为散射部件使用扩散片48，将该扩散片48粘接或者粘贴到第三棱镜分光镜39的射出面上。由于扩散层处于分离图像光和不需要光的棱镜分光镜36、37和第三棱镜分光镜39的后面，所以与图13的实施例相比，进一步提高了对比度性能。但是，由于扩散层远离反射型液晶板38，所以分辨率进一步恶化。

上面说明了从图10到图14的各种实施例，但对比度性能、分辨率、部件数量等各有优缺点，所以实施哪个可考察综合性能来决定。

图15是表示使用反射镜反射型光调制元件作为图像发生源1的图像显示元件的情况下本发明的实施方式的示意图。来自灯6的光束通过光管49进行均匀化。来自光管49的光通过彩色转盘50周期地分离切换为红色、绿色、蓝色光。由彩色转盘50切换的光通过聚光透镜51，通过用于小型化图像发生源1整体的反射镜52来反射，改变其前进方向，导向反射镜反射型光调制元件53。该反射镜反射型光调制元件53通过防尘玻璃54来保护，在其表面粘接或者粘贴扩散片55。框体56用于收纳上述光学部件。本实施方式的特征在于，将防尘玻璃54或者扩散片55，或者它们的组合用作散射部件。本实施方式的反射镜反射型光调制元件53，由于不使用偏振光，扩散片可以设置在反射镜反射型光调制元件53的射出方向的任一位置，但如图15所示那样，在防尘玻璃54的表面粘接或者粘贴是简单的。虽然没有图示，但反射镜反射型光调制元件53中各个象素全部由微小反射镜构成，所以可将各个微小反射镜的表面进行粗面化。这样的构成，在用于特殊规格的制造中，进行对应是有困难的，但由于减少了2次散射，所以首先减少了对比度性能的恶化。另外，分辨率也没有恶化。

上面，关于在图像显示元件中使用透过型液晶板、反射型液晶板、反射镜反射型光调制元件的情况进行了说明，但其它图像显示元件也同样遵循斑点故障降低的原理。因此，在使用其它图像显示元件的情况下，也包含在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种图像显示装置，包括：

光源；

图像显示元件，调制来自该光源的光并形成图像；

投影透镜，将由该图像显示元件形成的图像放大投影到屏幕上；以及

视野角放大部件，配置在所述图像显示元件的光入射侧或者射出侧，或者其两者处；

其中，所述视野角放大部件，将入射到所述图像显示元件的光和/或由所述图像显示元件所形成的图像的光，在放大视野角的方向进行修正。

2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述视野角放大部件是其对于S波和P波的折射率互不相同的膜状部件。

3.一种投影光学装置，包括：

图像显示元件；

放大投影所述图像显示元件的图像的光学部件；以及

视野角放大部件，配置在所述图像显示元件的光入射侧或者射出侧，或者其两者处，具有放大图像光的视野角功能。

4.一种图像显示装置，包括：

图像显示元件；

放大投影所述图像显示元件的图像的光学部件；

显示出从所述光学部件投影的投影图像的背面投影型屏幕；以及

视野角放大部件，配置在所述图像显示元件的光入射侧或者射出侧，或者其两者处，用于放大图像光的视野角、降低斑点故障。

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