照明光学系统和投影型显示设备

摘要

本发明提供了一种照明光学系统，其将从光源装置(1)发出的光引导至DMD(2)，该照明光学系统包括：光管(20)，使从光源装置(1)发出的光的亮度分布均匀化；中继光学系统(40)，将具有均匀亮度分布的光引导至DMD(2)；以及屏蔽板(30)，其设置在光管(20)和中继光学系统(40)之间的光路上。屏蔽板(30)小于光管(20)的输出端面(22)并同时具有类似于DMD(2)上的图像形成区域的形状的开口，并可在包含该开口的平面中移动。

权利要求

1.一种照明光学系统，将从光源发出的光引导至图像形成装置，该照明光学系统包括：棒状积分器，使从该光源发出的光的亮度分布均匀；

中继光学系统，将具有由该棒状积分器均匀化的亮度分布的光引导至该图像形成装置；以及屏蔽板，设置在该棒状积分器和该中继光学系统之间的光路上，其中，该屏蔽板具有开口，该开口小于该棒状积分器的输出端面并具有类似于该图像形成装置上的图像形成区域的形状，且可在包含该开口的平面中移动，并且所述屏蔽板与所述图像形成装置具有共轭关系，在该共轭关系中，所述屏蔽板用作目标表面，所述图像形成装置用作成像表面，其中，所述屏蔽板可沿着光穿过所述开口的传播方向来回移动，并且，其中，所述屏蔽板的开口的像被放大并投射在所述图像形成装置上。

2.如权利要求1所述的照明光学系统，其中所述屏蔽板可绕所述开口的中心旋转。

3.如权利要求1和2中的任一个所述的照明光学系统，其中所述屏蔽板可绕穿过所述开口的中心并同时垂直于所述平面的第一轴旋转。

4.如权利要求1所述的照明光学系统，其中所述屏蔽板可绕穿过所述开口的中心并同时平行于所述平面的第二轴旋转。

说明书

照明光学系统和投影型显示设备

[0001] 本申请基于2006年6月21日提交的日本专利申请No.2006-171253并要求其优先权，在此引入其全文作参考。

技术领域

[0002] 本发明涉及一种投影型显示设备，具体地，涉及一种将光源发出的光引导至图像形成装置的照明光学系统。

背景技术

[0003] 在放大投射由图像形成装置例如液晶面板或DMD(数字微镜装置)形成的图像光(图片图像)的投影型显示设备中，从光源发出的光通过照明光学系统引导至该图像形成装置。一般的照明光学系统具有积分器，使从光源发出的光亮度分布均匀，以及中继光学系统，将从该积分器输出的光引导至该图像形成装置。此外，如果有必要，在该光源和积分器之间，布置例如色轮的色分离单元。

[0004] 通常，该积分器大致分成“棒状积分器(rod type integrator)”和“阵列型积分器”。在该棒状积分器中，从一端进入的光经过在其内部若干次反射传播至另一端，从而使亮度分布均匀。该棒状积分器还分成中空柱形“光管”和实心柱形“棒积分器”。另一方面，在该阵列型积分器中，光通量(light flux)被具有多个排列成矩阵形式的透镜阵列分离并组合，从而使亮度分布均匀。在本说明书中，除非特别说明，该棒状积分器(光管或棒积分器)和阵列型积分器统称为“积分器”。

[0005] 这里，为了防止图像亮度降低、在图像中出现阴影等，该图像形成装置的图像形成区域(有效区域)必须与该图像形成装置中的照明光的照射区域(照明区域)精确一致。然而，即使在设计阶段该有效区域与该照明区域精确一致，在实际制造中该区域还可能不一致。这主要是由于组成元件之间的偏差差异导致的。例如，当构成该积分器或中继光学系统的光学元件之间的尺寸、形状、光学特性等存在偏差时，即使根据该设计值布置，还会发生该有效区域和照明区域之间的差异。同样，即使该积分器或光学元件的尺寸等没有偏差，如果布置时的定位精度低，也会发生该有效区域和照明区域之间的差异。因此，在制造该照明光学系统中，根据需要必须对该有效区域和照明区域之间的位置作调整(精密调整)。

[0006] 作为进行该有效区域和该照明区域之间的位置调整的方法，可使积分器的出口端移动。作为其另一种方法，可移动在该积分器和该图像形成装置之间的照明光光路中设置的反射镜。

[0007] 同样，当使用反射型图像形成装置例如DMD时，由于照明光必须从倾斜方向进入该图像形成装置，该照明区域变形成大致梯形形状。这是一种类似于当图像从倾斜方向投射到屏幕时的情况的现象，该投射的图像变形成大致梯形形状。因此，日本专利公开No.2004-45718披露了一种技术，用于利用设置在该积分器和图像形成装置之间的光学系统矫正该梯形变形(梯形失真)。

[0008] 日本专利公开No.2005-70271披露了一种技术，用于在棒积分器的输出端面上布置一开口元件，包括一反射区域环绕该开口区域并用于根据该图像形成装置的尺寸改变该开口元件，从而调整该照明区域的大小。

[0009] 上述对该图像形成装置的有效区域和该图像形成装置中的照明光的照明区域之间的位置作出调整的方法解决了以下问题。首先，当该积分器的出口端部移动时，该积分器的该输入端部也同时移动；从而入射在积分器上的光的光轴和该积分器的光轴之间产生差异。当入射光的光轴和积分器的光轴之间产生差异时，会发生投射图像亮度不规则。

[0010] 同样，当设置在该照明光光路中的该反射镜移动时，除非该反射镜绕照射在该反射镜上的光通量旋转，否则照明光的光路长度发生变化；当该照明光的光路长度变化时，照明光的收敛点向该图像形成装置表面的前或后移动，从而该投射图像的外围部分变暗。

[0011] 此外，根据日本专利公开No.2005-70271披露的该技术，虽然该照明区域的大小可变化，但不能对该有效区域和照明区域之间的位置进行调整。

发明内容

[0012] 本发明的一个目的是要实现一种照明光学系统，可利用简单结构、有效区域和照明区域之间的位置调整而形成。本发明的另一个目的是要实现一种具有该照明光学系统的投影型显示设备。

[0013] 本发明的照明光学系统将来自光源的光引导至图像形成装置。本发明的照明光学系统包括：棒状积分器，使从光源发出的光的亮度分布均匀；中继光学系统，将具有由该棒状积分器均匀化亮度分布的光引导至该图像形成装置；以及屏蔽板，设置在该棒状积分器和该中继光学系统之间的光路上。该屏蔽板具有小于该棒状积分器的输出端面的开口并具有类似于该图像形成装置上的图像形成区域的形状，且可在包含该开口的平面中移动。

[0014] 本发明的投影型显示设备包括：光源；图像形成装置，基于图像信号调制从该光源发出的光；投影光学系统，将由该图像形成装置调制的光放大并投射。在该光源和该图像形成装置之间的光路上，布置有照明光学系统。该照明光学系统具有：棒状积分器，使从该光源发出的光的亮度分布均匀；中继光学系统，将具有由该棒状积分器均匀化亮度分布的光引导至该图像形成装置；以及屏蔽板，设置在该棒状积分器和该中继光学系统之间。该屏蔽板具有小于该棒状积分器的输出端面的开口并具有类似于该图像形成装置上的图像形成区域的形状，并可在包含该开口的平面中移动。

[0015] 优选，该屏蔽板可绕该开口的中心旋转。

[0016] 优选，该屏蔽板可绕穿过该开口中心并同时垂直于包含该开口的平面的第一轴旋转。

[0017] 优选，该屏蔽板可绕穿过该开口中心并同时平行于包含该开口的平面的第二轴旋转。

[0018] 优选，该屏蔽板可沿着通过该开口的光的传播方向来回移动。

[0019] 本发明的上述和其他目的、特征以及优点将通过下面的说明并结合示出本发明实施例的附图变得明显。

附图说明

[0020] 图1为说明本发明照明光学系统的一实施例的透视图；

[0021] 图2为说明图1的该照明光学系统的组成元件之间的位置关系的示意侧视图；

[0022] 图3为屏蔽板的放大示意图；

[0023] 图4为说明用于保持该屏蔽板的机械结构实施例的平面示意图；

[0024] 图5A至5C为说明该有效区域和该照明区域之间的差异的不同形式的示意图；以及

[0025] 图6为说明该屏蔽板做成绕图3的X轴旋转的情况的示意侧视图。

具体实施方式

[0026] 现在，将参考这些附图详细说明根据本发明的照明光学系统的实施方式。图1为说明本发明照明光学系统结构的透视图。图2为说明图1的该照明光学系统的组成元件之间的布置的示意侧视图。

[0027] 如图1所示，本发明的该照明光学系统用作将从光源1发出的光(照明光)引导至图像形成装置(DMD2)。DMD2基于图像信号调制由该照明光学系统引导的光从而形成调制的光通量。经由DMD2调制的该光通量由投影透镜3放大投射到屏幕(未示出)上。DMD2的结构和DMD2光调制的原理是公知的，因此在这里省略对其解释。该照明光学系统作为本发明的一个功能部件将在接下来详细说明。

[0028] 如图1和2所示，该实施例的照明光学系统包括：色轮10，设置在光源装置1和DMD2之间；积分器(光管20)；屏蔽板30；以及中继光学系统40。该照明光学系统的这些组成元件与光源装置1、DMD2和投影透镜3，包括光学引擎一起组合集成在一单元基底(未示出)上。为了示出光管20的输入端面21，图1中省略了色轮10。

[0029] 色轮10包括多个色部分。色轮10将从光源装置1发出的光(白光)时分成至少三种颜色的色光，R(红)、G(绿)、B(蓝)。光源装置1包括反射器，将从光源例如特级高压汞灯、金属卤化物灯或氙气灯发出的光会聚从而形成实质上的次级光源。色轮10定位成使得这些色部分设置在形成该次级光源的位置(焦点)或附近的位置处。

[0030] 光管20布置成使得穿过色轮10的该光(色光)经由输入端面21入射在其上。经由输入端面21入射在光管20上的该光在该光管20内反复反射的同时向输出端面22传播。在光管20内传播的该光的亮度不规则在光管20内的传播期间得到减小(使亮度分布均匀)。这里，至少光管20的输出端面22优选具有类似于该DMD2有效区域的形状。根据本实施例的光管20的输入端面21和输出端面22具有类似于该DMD2有效区域的形状。同样，光管20在其整个长度上具有类似于该DMD2有效区域的截面形状(矩形形状)。

[0031] 如图3中所示，屏蔽板30为一板，包括：开口31，比光管20的输出端面22小，同时具有类似于该DMD2有效区域的形状；以及光屏蔽32，向该开口31的外侧延伸。如图2中所示，该屏蔽板30设置在光管20的输出端面22和中继光学系统40(第一透镜41)之间。因此，从光管20的输出端面22输出的、入射在开口31上的该光穿过并进入中继光学系统
40，同时，在开口31外侧的光由光屏蔽32屏蔽从而不能到达中继光学系统40。也就是说，入射在中继光学系统40上的光的截面形状(光通量的截面形状)由开口31的形状所限定。
此外，该屏蔽板30被保持以便能够移动到预定的方向。

[0032] 这里，为了解释屏蔽板30的移动方向，如图3所示定义空间坐标，开口31的中心为原点O。更具体地说，穿过原点O并垂直于包含开口31的平面的轴定义为Y轴；在包含开口31的平面内垂直于Y轴并同时相互垂直的两个轴定义为X轴和Z轴。在如上所述定义的空间坐标中，屏蔽板30可平行于Z轴移动(垂直移动)。同样，屏蔽板30可平行于X轴移动(水平移动)。换句话说，屏蔽板30可在包含开口31的平面(XZ平面)中垂直水平移动。

[0033] 用于保持屏蔽板30在上述方向上可移动的该机械结构没有特别的限制，但在图4中示出一移动机械结构的实施方式。如图4中所示，屏蔽板30布置在框形保持器50的内侧，该框形保持器50包括相互面对的一对短边部分51a和51b以及相互面对的一对长边部分52a和52b。在面对该短边部分51a的内侧面的屏蔽板30的外侧面上，突出有延伸穿过短边部分51a的螺钉53的末梢端面。在短边部分51b的内侧面和面对该内侧面的屏蔽板30的外侧面之间布置有螺旋弹簧54。同样，在面对长边部分52a的内侧面的屏蔽板30的外侧面上，突出有延伸穿过长边部分52a的螺钉55的末梢端面。同样，在长边部分52b的内侧面和面对该内侧面的屏蔽板30的外侧面之间布置有螺旋弹簧56。从而，屏蔽板30总是朝着短边部分51a和长边部分52a偏移，并能够通过使得螺钉53和55的来回移动而作出垂直和水平移动，同时在该螺钉的移动后被固定在一位置。

[0034] 框形保持器50还可设置有导向装置，例如导销或导轨，用于在屏蔽板30如上所述移动时引导屏蔽板30。同样，为了防止螺旋弹簧54和56脱离或移位，在短边部分51b和长边部分52b的内侧面之一或屏蔽板30的外侧面上、或在短边部分51b和长边部分52b的内侧面之一和屏蔽板30的外侧面上都布置的突起可插入到螺旋弹簧54和56的内侧中。在这种情况下，当螺旋弹簧54和56与屏蔽板30的移动相关联地接触时，如果屏蔽板30的外侧面太早接触该突起末梢，不能确保足够的移动量。因此，优选螺旋弹簧54和56和该突起的全长、以及螺旋弹簧54和56的弹性系数限定为防止屏蔽板30的移动量限于预期的值或更小。

[0035] 注意，为了制图方便，图3、4中所示的屏蔽板30中的开口31与光屏蔽32的面积比与图1和2中所示的该面积比之间存在差异。如上所述，开口31小于光管20的输出端面22，光屏蔽32具有使开口31外侧的光屏蔽的必要且足够的尺寸。

[0036] 再次参考图1和2，将描述中继光学系统40。中继光学系统40包括第一透镜41、第二透镜42、第三透镜43、第一反射镜44和第二反射镜45。中继光学系统40将屏蔽板30用作目标表面(object face)，将DMD2用作成像表面。从而，当穿过屏蔽板30的开口31的光照射在DMD2上时，其相当于屏蔽板30的开口31放大并投射在DMD2上。也就是说，DMD2上的照明区域的形状类似于开口31的形状。

[0037] 包括在中继光学系统40中的第一反射镜44和第二反射镜45都为平面反射镜，布置成折返该光路，从而使整个照明光学系统尺寸变小。因此，省略第一反射镜44和第二反射镜45不会导致上述光学特性变化。

[0038] 在具有上述结构的本实施例的照明光学系统中，当使屏蔽板30垂直和水平移动时，可在DMD2上的有效区域和照明区域之间作出位置调整。更具体地说，当在该有效区域和照明区域之间发生差异时，假设在设计中二者相互精确一致，从而部分该有效区域根本没有被照射或没有足够的照射，则使图4中所示的螺钉53和55来回移动使得屏蔽板30垂直和水平移动。结果，DMD2上的照明区域的位置移动，并与该有效区域一致。

[0039] 到目前为止，已经说明了屏蔽板30可在四个方向(垂直和水平)上平行移动的情况。然而，屏蔽板30的移动方向不限于这些；还可以在不同于上述方向的方向上移动，或者能添加其它的移动方向。例如，屏蔽板30还可在图3中所示的XZ平面上的倾斜方向上移动。如果屏蔽板30可在倾斜方向上移动，当如图5A和5B中所示、在有效区域60和照明区域61之间的对角线方向上存在差异时，可矫正该差异使得这两个区域相互一致。

[0040] 同样，如果屏蔽板30可绕图3的Y轴旋转，当有效区域60和照明区域61关于DMD2的法线相互不一致时，可矫正该差异使得这两个区域相互一致。同样，如图6中所示，如果屏蔽板30可绕图3的X轴旋转，当来自倾斜方向的光照射DMD2时导致的照明区域梯形失真也可矫正。

[0041] 同样，如果屏蔽板30可沿着图3的Y轴来回移动，则可进行聚焦调节。该光学系统40应当设计成使该屏蔽板30用作目标表面，DMD2用作成像表面。然而，当由于某些原因不能满足上述共轭关系时，通过沿着Y轴来回移动屏蔽板30可实现聚焦。此外，不需使用专门的轴作为旋转轴，还可绕图3中所示的原点O在任何方向上旋转。

[0042] 当屏蔽板30在倾斜方向上移动、或绕Y轴旋转、或绕X轴旋转、或在其它方向上旋转或移动时，图4中所示的框形保持器50进一步由第二保持器保持，使得屏蔽板30与框形保持器50一起移动或旋转。注意，用于屏蔽板30的、允许上述移动或旋转的该保持机械结构不限于特定的机械结构。

[0043] 如上所述，根据本发明，在该图像形成装置上的有效区域和照明区域之间的位置调整可通过移动该屏蔽板单独作出。此外，该屏蔽板的移动或旋转方向的数量增加不仅仅增加了在该图像形成装置上的照明区域的位置调整的变化，还实现了聚焦调节和失真矫正。本发明的这种操作和效果在光管积分器和棒积分器中是相似的。因此，图1和其它附图中所示的光管20可替换成棒积分器。同样，该图像形成装置可以不是反射型图像形成装置，还可以是透射型图像形成装置，例如液晶面板。

[0044] 当在上述实施例中说明的光学引擎和其它组成元件、包括该照明光学系统容纳在一外部箱体中时，可实现本发明的投影型显示设备。与该光学引擎一起容纳在该外部箱体中的该组成元件可根据需要选择性移动。通常，电源单元、各种类型的输入输出板、控制板、扬声器、冷却风扇等容纳在该外部箱体中作为最小的必需的组成元件。

[0045] 虽然已经用特定的描述说明了本发明的优选实施例，但这种说明仅仅是用于说明目的，应当理解，可作出改变和变形而不脱离所附权利要求的精神或范围。