一种投影显示装置的制作方法

1.本发明涉及具备两个反射式光调制器件的双板式的投影显示装置。

背景技术：

2.一直以来，已知一种投影显示装置，其具备数字微镜器件(dmd，digitalmicromirror device)、液晶器件等光调制器件以及投影光学系统，将彩图像放大投影到屏幕等上来进行显示。
3.例如，已知一种单板式的投影显示装置，其在高速切换不同颜的照明光的同时照射单板的光调制器件，对不同颜的图像进行分时投影。由于光调制器件虽然是单板但也能够进行彩显示，因此在成本降低和装置小型化方面具有优点，但由于是一边分时切换不同显示颜的图像一边进行显示，因此难以实现高亮度化。另外，在为了产生颜分时切换的照明光而将切换式彩滤光片与白光源组合使用的情况下，只利用了白光的一部分，还存在因光利用率低而造成消耗功率增大的问题。
4.作为与单板式不同的方式，已知一种三板式的投影显示装置，其具备三个光调制器件，以不同颜的照明光(例如红(r)、绿(g)、蓝的(b))照射各光调制器件，使用十字分棱镜等对从各光调制器件输出的不同颜的显示图像进行合成并投影。由于与前述的单板式相比能够实现高亮度化，因此适用于电影等大型屏幕用途，但是由于光学系统的结构复杂，部件个数也多，因此难以实现低成本化和装置小型化，使用用途受到限制。
5.因此，为了实现在高亮度、小型化、低成本化间的平衡方面优异的、通用性高的装置，尝试了具备两个光调制器件的双板式的投影显示装置。
6.例如，在专利文献1中记载了一种投影显示装置，其具备：光源部；分镜，将来自光源部的出射光分离为第一光和第二光；第一光调制器件，对第一光进行调制；第二光调制器件，对第二光进行调制；以及颜合成棱镜，对经第一光调制器件调制后的第一光和经第二光调制器件调制后的第二光进行颜合成。该装置还具备用于对从颜合成棱镜射出的合成光进行投影的投影组件。
7.另外，在专利文献2中记载了一种投影显示装置，其具备：分离用偏光十字分棱镜，对来自光源部的光进行分离；第一光调制器件和第二光调制器件；合成用偏光十字分棱镜，对第一光调制器件的输出光和第二光调制器件的输出光进行合成。该装置的光源组件被配置为在第一显示期间，对第一光调制器件和第二光调制器件分别照射蓝光，在第二显示期间，对第一光调制器件照射绿光，对第二光调制器件照射红光。
8.专利文献1：日本特开2018-146951号公报
9.专利文献2：国际公开第2018/073893号
10.在专利文献1记载的方法中，将针对分镜的入射角设为θ1，并将针对颜合成棱镜的入射角设为θ2时，以θ1＝55度、θ2＝35度来进行角度设定并布局光学器件。如该文献的图1所示，将内部全反射(tir，total internal reflection)棱镜与颜合成棱镜合为一体后的棱镜组件被配置在光调制器件与投影镜头之间，且将针对颜合成棱镜的入
射角θ2设为35度，从而使投影镜头的后焦距反而变得比三板式的情况大，在这个意义上，装置的小型化未必充分。
11.另外，在专利文献1中，通过以相对于颜合成棱镜的颜合成面对称的方式配置光调制器件来实现装置的小型化，但是如上所述设定为θ2＝35度的结果是，难以应用最普及且在成本上有利的类型的反射式光调制器件。如图15所示，最普及且在成本上有利的反射式光调制器件是如下的类型：在画面上二维排列多个微镜，每个微镜以在打开/关闭(on/off)时反射面倾斜为
±
12度的方式被驱动。在该器件中，如在图中的左上角放大所示，使应显示的on光和不显示的off光向不同的方向反射，但是在专利文献1的装置中，θ2＝35度且对称配置光调制器件的结果是，可使on光向投影镜头的方向反射且使off光向投影镜头外的方向反射的几何配置无法成立。因此，在实施专利文献1所记载的方法时，不能采用在成本上有利的类型的反射式光调制器件，而是需要采用微镜的偏角方向是画面的水平方向(h方向)或垂直方向(v方向)的反射式光调制器件。
12.另外，在专利文献2所记载的方法中，作为对两个光调制器件的输出光进行颜合成的手段而使用了偏光十字分棱镜，但是十字分棱镜的偏光特性依赖于入射角而大幅变化。因此，例如在f值为2.5左右且面内的入射角偏差为
±
12度的实际的光学系统中，产生在显示画面内显著发生颜深浅不均(斑)，显示画质降低的问题。
13.因此，寻求一种在颜深浅均匀(斑较少)的高画质与小型化、低成本间达到良好平衡的、通用性高的双板式的投影显示装置。

技术实现要素：

14.本发明的一个方面是一种投影显示装置，其特征在于，具备：光源；光通道，使来自所述光源的光沿着配置在第一平面的光轴传播；二向镜，将经由所述光通道而入射的来自所述光源的光分割成第一光的第一照明光和第二光的第二照明光；第一照明光学系统，将由所述二向镜反射的所述第一照明光引导至第一反射式光调制器件；第二照明光学系统，将从所述二向镜透射的所述第二照明光引导至第二反射式光调制器件；合成棱镜，使从所述第一反射式光调制器件输出的第一图像光从介质多层膜透射，并且使从所述第二反射式光调制器件输出的第二图像光被所述介质多层膜反射而变更光路，射出将所述第一图像光和所述第二图像光合成后的合成光；第一后组透镜，配置在所述合成棱镜与所述第一反射式光调制器件之间，并作用于所述第一图像光；第二后组透镜，配置在所述合成棱镜与所述第二反射式光调制器件之间，并作用于所述第二图像光；以及前组透镜，配置在比所述合成棱镜更靠近放大侧，并作用于所述合成光，所述第一图像光与所述第二图像光对所述介质多层膜的入射角的大小实质上相等，为10度以上且27度以下。
15.根据本发明，能够提供一种在颜深浅均匀的高画质与小型化、低成本间达到良好平衡的、通用性高的双板式的投影显示装置。
附图说明
16.图1是示出实施方式1所涉及的投影显示装置的光学结构的典型图。
17.图2是将实施方式1中的照明光学系统的一部分提取出来显示的图。
18.图3是示出实施方式1中的投影光学系统的图。
19.图4的(a)是示出合成棱镜400的结构的图；图4的(b)是示出介质多层膜405的特性的图。
20.图5是示出二向镜180的特性的曲线图。
21.图6是示出实施方式1中从背面侧观察反射式光调制器件200b时的各光学器件的配置的图。
22.图7的(a)是典型地示出从光通道140至反射式光调制器件200a的照明光学系统的图；图7的(b)是典型地示出从光通道140至反射式光调制器件200b 的照明光学系统的图。
23.图8的(a)是示出实施方式1中使用的光源装置110的结构的图；图8的(b) 是示出实施方式2中使用的光源装置110的结构的图。
24.图9的(a)是示出青滤光片cf的透射特性的曲线图；图9的(b)是示出红滤光片rf的透射特性的曲线图。
25.图10是示出实施方式2所涉及的投影显示装置的光学结构的典型图。
26.图11是将实施方式2中的照明光学系统的一部分提取出来显示的图。
27.图12是示出实施方式2中的投影光学系统的图。
28.图13的(a)是示出合成棱镜410的结构的图；图13的(b)是示出介质多层膜415的特性的图。
29.图14是示出实施方式2中从背面侧观察反射式光调制器件200b时的各光学器件的配置的图。
30.图15是用于对反射式光调制器件的结构进行说明的图。
31.图16是旋转体的俯视图。
32.图17是示出荧光体(荧光材料)的发光特性的图。
33.图18的(a)是示出从实施方式1所涉及的光源装置110输出的照明光il的光的时序图；图18的(b)是示出实施方式1所涉及的第一照明光的光的时序图；图18的(c)是示出从实施方式1所涉及的反射式光调制器件200a输出的图像光的时序图；图18的(d)是示出实施方式1所涉及的第二照明光的光的时序图；图18的(e)是示出从实施方式1所涉及的反射式光调制器件200b输出的图像光的时序图。
34.图19的(a)是示出从实施方式2所涉及的光源装置110输出的照明光il的光的时序图；图19的(b)是示出实施方式2所涉及的第一照明光的光的时序图；图19的(c)是示出从实施方式2所涉及的反射式光调制器件200a输出的图像光的时序图；图19的(d)是示出实施方式2所涉及的第二照明光的光的时序图；图19的(e)是示出从实施方式2所涉及的反射式光调制器件200b输出的图像光的时序图。
35.图20的(a)是示出从实施方式2所涉及的光源装置110输出的照明光il的光的时序图；图20的(b)是示出实施方式2所涉及的第一照明光的光的时序图；图20的(c)是示出从实施方式2所涉及的反射式光调制器件200a输出的图像光的时序图；图20的(d)是示出实施方式2所涉及的第二照明光的光的时序图；图20的(e)是示出从实施方式2所涉及的反射式光调制器件200b输出的图像光的时序图。
36.附图标记说明
[0037]1……
投影显示装置
[0038]
110
……
光源装置
[0039]
105
……
二向镜
[0040]
107
……
1/4波长板
[0041]
109
……
聚光透镜
[0042]
111r
……
发出红光的固体光源
[0043]
112b
……
发出蓝光的固体光源
[0044]
113g
……
发出绿光的固体光源
[0045]
121
……
电机
[0046]
122
……
旋转体
[0047]
123
……
荧光体
[0048]
123y
……
黄荧光体
[0049]
124
……
反射部
[0050]
140
……
光通道
[0051]
150
……
光通道侧聚光透镜
[0052]
151
……
中间像侧聚光透镜
[0053]
155
……
放大中间像
[0054]
160
……
中间像侧聚光透镜
[0055]
161
……
中间像侧聚光透镜
[0056]
162
……
中继透镜
[0057]
163
……
调制器件侧聚光透镜
[0058]
170a、170b
……
tir棱镜
[0059]
180
……
二向镜
[0060]
181
……
光路变更反射镜
[0061]
182a、182b
……
折回反射镜
[0062]
200a、200b
……
反射式光调制器件
[0063]
210
……
激发光源组件
[0064]
400
……
合成棱镜
[0065]
401、402、403
……
棱镜
[0066]
405
……
介质多层膜
[0067]
410
……
合成棱镜
[0068]
411、412
……
棱镜
[0069]
415
……
介质多层膜
[0070]
601a
……
第一后组透镜
[0071]
601b
……
第二后组透镜
[0072]
602
……
前组透镜
[0073]
610
……
投影光学系统
[0074]
611a
……
第一中继透镜
[0075]
611b
……
第二中继透镜
[0076]
60
……
投影光学系统
[0077]
612
……
第三中继透镜
[0078]
613
……
中间像
[0079]
614
……
投影镜头
[0080]
700
……
投影面
[0081]
ag1、ag2、ag3
……
气隙
[0082]
ex
……
激发光
[0083]
il
……
照明光
[0084]
lx
……
前组透镜的光轴
具体实施方式
[0085]
下面参考附图，对实施方式所涉及的投影显示装置进行说明。
[0086]
[实施方式1]
[0087]
图1是示出实施方式1所涉及的投影显示装置的光学结构的典型图。投影显示装置1具备反射式光调制器件200a(第一反射式光调制器件)和反射式光调制器件200b(第二反射式光调制器件)。在本实施方式中，作为反射式光调制器件 200a和反射式光调制器件200b，使用以阵列状设置有微镜器件的dmd。其中，如参考图15所说明的那样，作为dmd，使用在俯视画面时，各像素的微镜的反射面相对于画面边框倾斜45
°
，根据图像信号驱动反射面来变更照明光的反射方向的器件。与各像素对应的微镜根据图像信号的亮度级被驱动，以使得反射方向通过脉冲宽度调制而变更。
[0088]
投影显示装置1具备光源装置110。光源装置110是用于对反射式光调制器件 200a和反射式光调制器件200b进行照明的光源。图8的(a)示出本实施方式中使用的光源装置110的结构。光源装置110具备激发光源组件210，激发光源组件 210是二维地排列有多个发光器件(例如发出蓝光的半导体激光器)且与各发光器件对应地设置有准直透镜的组件。另外，光源装置110具备能够通过电机121 进行旋转的旋转体122，在旋转体122的主面上设置有荧光体(荧光材料)123。进而，在激发光源组件210和荧光体123之间配置有二向镜105、1/4波长板107 和聚光透镜。
[0089]
在本实施方式的光源装置中，旋转体122能够通过电机121进行旋转，在旋转体122的主面上设置有荧光体123。图16示出旋转体122的俯视图，在旋转体 122的主面上，在以旋转轴ra为中心的环形区域的一部分上涂布有黄荧光体 123y，在环形区域的其余部分上未涂布荧光体，而是设置有用于反射激发光ex 的反射部124。反射部124优选预先进行镜面加工，以高效率地反射蓝激光。在设置有黄荧光体123y的区域的基底上，设置有用于将向旋转体122的方向放射的荧光反射到透镜侧的反射面，以提高荧光的射出效率。
[0090]
图17示出当向黄荧光体123y照射激发光ex时从黄荧光体123y得到的光谱的示例。图中用单点划线示出的曲线图32是黄荧光体123y的发光光谱。为参考起见，用虚线曲线图31示出了一般的绿荧光体的发光光谱，用实线曲线图33示出了一般的红荧光体的发光光谱。另外，在波长450nm附近观察到的峰值并非荧光体发出的光，而是激发光ex的一部分未被荧光体吸收而被反射后的光。另外，图17所示的曲线图32是一个示例，在本实施方式中可以使用的荧光体的发光特性并非必须与之严格一致。
[0091]
通过使这样的旋转体122旋转，激发光ex会照射黄荧光体123y或反射部 124中
的任意一个。为了防止荧光体过热，旋转体122的基材优选使用热传导率高的金属，为了提高空气冷却效率，有时也在基材上设置凹凸部或空孔。
[0092]
接着，参考图8的(a)对光源装置110的各部的作用进行说明。
[0093]
从激发光源组件210射出的准直化后的s偏光的蓝光(激发光ex)入射至二向镜105。s偏光的蓝光(激发光ex)被二向镜105向旋转体122的方向反射。经由1/4波长板107的激发光被聚光透镜聚光到旋转体122上。
[0094]
在激发光ex被聚光的位置处存在黄荧光体123y的旋转时段中，发出黄荧光。另外，在激发光ex被聚光的位置处存在反射部124的旋转时段中，激发光 ex(蓝光)被反射。
[0095]
在入射至二向镜105的黄荧光之中，p偏光成分几乎全部透射，而s偏光成分则是波长在约490nm以上的大部分透射。此外，转换为p偏光的蓝光几乎全部透射。即，这些光高效率地从二向镜105透射，作为光源装置的输出光被射出，通过聚光透镜109被适当地聚光。
[0096]
聚光透镜109为了适合投影光学系统610的f值而被设定为既定的na，其将照明光il聚光到光通道140的入射口。如图1所示，光源装置的输出光被用作投影显示装置的照明光il。另外，根据情况，为了从照明光il中排除不需要的光谱成分，也可以在聚光透镜109与光通道140之间例如设置切换式的彩滤光片( 轮)。
[0097]
接着，对将由光源装置110提供的照明光il分配给反射式光调制器件200a(第一反射式光调制器件)和反射式光调制器件200b(第二反射式光调制器件)的照明光学系统进行说明。
[0098]
图2是将实施方式1的照明光学系统的一部分提取出来显示的图。经由光通道140传播的照明光il被光通道侧聚光透镜150整形为适于对反射式光调制器件 200a和反射式光调制器件200b进行照明的光束。光通道侧聚光透镜150由单个或多个透镜构成。
[0099]
经由光通道侧聚光透镜150的照明光il进一步经过中间像侧聚光透镜151而形成放大中间像155。但是，在放大中间像155的成像位置附近配置有二向镜 180，照明光il的入射角η1被设定为27.5度。照明光il中包含的红光r从二向镜180透射，绿光g和蓝光b被二向镜180反射。另外，照明光il的入射角η1并非必须是27.5度，优选满足以下条件：
[0100]
25度＜η1＜32度
……
(条件1)
[0101]
图5示出二向镜180的透射率的波长依赖性。与十字分棱镜相比，板状二向镜180具有ps分离宽度和角度偏移(入射角依赖性)小的优点。如图5所示，即便入射角相对于28度变化了
±
10度，角度偏移虽然存在，但是偏移量小。另外，曲线的上升沿也陡峭，几乎呈阶梯状，可见红光的分离能力优异。
[0102]
从二向镜180透射的红光r用于对反射式光调制器件200b进行照明，被二向镜180反射的绿光g和蓝光b用于对反射式光调制器件200a进行照明。换言之，照明光的放大中间像155的第一光成分被转印到第一反射式光调制器件，第二光成分被转印到第二反射式光调制器件。在以下说明中，有时将用于对反射式光调制器件200a进行照明的绿光g和蓝光b称为第一照明光 (g+b)，将用于对反射式光调制器件200b进行照明的红光r称为第二照明光 (r)。另外，将从二向镜180至反射式光调制器件200a的第一
照明光的光路称为第一照明光学系统，将从二向镜180至反射式光调制器件200b的第二照明光的光路称为第二照明光学系统。
[0103]
如从图1和图2中可理解的那样，在第一照明光学系统中，被二向镜180 反射的第一照明光(g+b)经由中间像侧聚光透镜160(第一透镜)、折回反射镜182a(第一反射镜)、调制器件侧聚光透镜163、tir棱镜170a而被聚光到反射式光调制器件200a上。在第一照明光学系统中，由于在从光源装置110到反射式光调制器件200a之间，在二向镜180、折回反射镜182a、tir棱镜170a这三个地方被反射，因此第一照明光的折回次数为3次。
[0104]
另外，从光通道140至二向镜180的照明光il的光轴位于与y轴平行的方向，即与xy平面平行的第一平面内，第一照明光的光轴在被二向镜180反射后直至到达折回反射镜182a为止位于与xy平面平行的第一平面内。另一方面，被折回反射镜182a反射后，第一照明光的光轴从xy平面内偏出而具有z方向成分。即，第一照明光的光轴在反射式光调制器件200a的前面通过折回反射镜182a而向与第一平面交叉的方向偏折。
[0105]
tir棱镜170a是例如通过组合两个棱镜而构成的内部全反射棱镜，其使第一照明光发生内部全反射而以既定的角度入射至反射式光调制器件200a。
[0106]
另外，照明光il向二向镜180入射的入射角η1如前所述例如设定为27.5 度，折回反射镜182a中的入射与反射的角度差(入射角与反射角之和)β例如设定为59.3度。
[0107]
另一方面，从二向镜180透射的第二照明光(r)经由中间像侧聚光透镜161、光路变更反射镜181、中继透镜162(第二透镜)、折回反射镜182b(第二反射镜)、调制器件侧聚光透镜163、tir棱镜170b而被聚光到反射式光调制器件200b上。在第二照明光学系统中，由于在从光源装置110到反射式光调制器件200b之间，在光路变更反射镜181、折回反射镜182b、tir棱镜170b这三个地方被反射，因此第二照明光的折回次数为3次。即，由于第一照明光的折回次数与第二照明光的折回次数相等，因此能够向各反射式光调制器件照射同质的照明光，能够抑制深浅不均的产生。
[0108]
第二照明光的光轴在从二向镜180透射后被光路变更反射镜181反射直至到达折回反射镜182b为止，位于与xy平面平行的第一平面内，但在被折回反射镜182b反射后，光轴从xy平面内偏出而具有z方向成分。即，第二照明光的光轴在反射式光调制器件200b的前面通过折回反射镜182b而向与第一平面交叉的方向偏折。
[0109]
tir棱镜170b是例如通过粘贴两个棱镜而构成的内部全反射棱镜，其使第二照明光发生内部全反射而以既定的角度入射至反射式光调制器件200b。
[0110]
另外，第二照明光向光路变更反射镜181入射的入射角η2(图2)例如设定为64度，折回反射镜182b中的入射与反射的角度差(入射角与反射角之和)β 与第一照明光同样，例如设定为59.3度。另外，关于照明光il向二向镜180入射的入射角η1和第二照明光向光路变更反射镜181入射的入射角η2，设定为使以下关系成立。
[0111]
η2≥η1
……
(条件2)
[0112]
在第一照明光的照明光学系统与第二照明光的照明光学系统中，折回反射镜 182a与折回反射镜182b、调制器件侧聚光透镜163、tir棱镜170a与tir棱镜170b 可以分别使用相同规格的器件。在这两个照明光学系统中，这些光学器件以相对于反射式光调制器件的相对位置关系等同的方式配置。
[0113]
图7的(a)典型地示出从光通道140至反射式光调制器件200a的照明光学系统，图
7的(b)典型地示出从光通道140至反射式光调制器件200b的照明光学系统。此外，为了便于图示，在图7的(a)中，由二向镜180、折回反射镜182a、 tir棱镜170a带来的光路方向的变更省略图示，以直线方式示出光轴。同样，在图7的(b)中，由光路变更反射镜181、折回反射镜182b、tir棱镜170b带来的光路方向的变更省略图示，以直线方式示出光轴。
[0114]
另外，图6典型地示出从背面侧观察反射式光调制器件200b时各光学器件的配置。此外，在图6中，照明光学系统的一部分省略图示。从折回反射镜182b的反射点p朝向tir棱镜170b的照明光以入射角45
°
入射至反射式光调制器件200b。另外，作为反射式光调制器件200b(以及反射式光调制器件200a)来使用的dmd 器件，如已参考图15所描述的那样，使用在俯视画面时，各像素的微镜的反射面相对于画面边框倾斜45
°
，根据图像信号驱动反射面来变更照明光的反射方向的器件。
[0115]
如图7的(a)所示，将第一照明光的光轴与二向镜180的交点设为s，将第一照明光的光轴与折回反射镜182a的交点设为pa，将s与pa的距离设为la。另外，如图7的(b)所示，将第二照明光的光轴与二向镜180的交点设为s，将第二照明光的光轴与折回反射镜182b的交点设为pb，将s与pb的距离设为lb。
[0116]
如图7的(a)和图7的(b)所示例的那样，在本实施方式中，用于第一照明光的折回反射镜182a和用于第二照明光的折回反射镜182b以la与lb未必相等，即la/lb未必为1的方式配置。
[0117]
对于第一照明光和第二照明光这两者，由于从折回反射镜182a(折回反射镜 182b)至反射式光调制器件200a(反射式光调制器件200b)的光路长度被设定为相等，因此从光通道140至反射式光调制器件200a的第一照明光的光路长度与从光通道140至反射式光调制器件200b的第二照明光的光路长度产生la-lb＝δl 的差异。另外，作为la/lb不为1的结构，除了图7的(a)和图7的(b)所示的 la＞lb的结构之外，还可以以la＜lb的方式来配置用于第一照明光的折回反射镜182a与用于第二照明光的折回反射镜182b。
[0118]
在本实施方式中，为了尽量使第一照明光对反射式光调制器件200a进行照明的条件与第二照明光对反射式光调制器件200b进行照明的条件一致，在第一照明光的光路中的二向镜180与折回反射镜182a之间配置中间像侧聚光透镜160，在第二照明光的光路中的二向镜180与光路变更反射镜181之间配置中间像侧聚光透镜161，在光路变更反射镜181与折回反射镜182b之间配置中继透镜162。通过适当地设定这些透镜的位置和焦距，能够降低光路长度差δl的影响而使这两个反射式光调制器件的照明条件一致。
[0119]
另外，在本实施方式中，如前所述，从具备黄荧光体的光源装置110输出图17所示的光谱特性的荧光，利用二向镜180分离光，为了提高照明光的纯度，优选在第一照明光学系统中设置青滤光片cf，在第二照明光学系统中设置红滤光片rf。尽管设置滤光片的位置是任意的，但是在本实施方式中，考虑光学系统的对称性，在各个光学系统的调制器件侧聚光透镜163的出射面上设置了二向滤光片(多层膜滤光片)。即，如图7的(a)所示，在第一照明光学系统的调制器件侧聚光透镜163的出射面上设置具备图9的(a)所示特性的青滤光片cf，如图7的(b)所示，在第二照明光学系统的调制器件侧聚光透镜163 的出射面上设置具备图9的(b)所示特性的红滤光片rf。
[0120]
由此，反射式光调制器件200a和反射式光调制器件200b分别由第一照明光和第二照明光进行照明。
[0121]
此外，在将从二向镜180至反射式光调制器件200a的光路长度设为lda，并将从二向镜180至反射式光调制器件200b的光路长度设为ldb时，优选满足以下条件：
[0122]
0.9＜lda/ldb＜1.1
……
(条件3)
[0123]
反射式光调制器件200a和反射式光调制器件200b具有以阵列状设置的多个微镜，二者与从光源装置110照射的照明光il的颜切换时序同步地对照明光进行调制。
[0124]
图18的(a)～图18的(e)是为了说明光源装置110和各反射式光调制器件的驱动时序，以时间t表示横轴的时序图。如参考图8的(a)、图16、图17说明的那样，光源装置110使旋转体122旋转，交替输出黄荧光体123y发出的黄荧光与反射部124反射的蓝光。如果进行控制以使旋转体122与图像信号的一帧期间同步地旋转一圈，则如图18的(a)所示，从光源装置110交替输出y 光与b光。
[0125]
由于二向镜180具有图5所示的透射特性，因此被二向镜180反射的第一照明光如图18的(b)所示成为g光与b光交替照射的方式，从二向镜180 透射的第二照明光如图18的(d)所示成为r光间歇照射的方式。
[0126]
通过与第一照明光的颜切换时序同步地输入图像信号的g成分和b成分，从而从反射式光调制器件200a输出图18的(c)所示的图像光g+b。另外，通过与第二照明光的r光点亮的时序同步地输入图像信号的r成分，从而从反射式光调制器件200b输出图18的(e)所示的图像光r。各种颜的图像光根据图像信号中的各种颜成分的亮度，被反射式光调制器件进行脉冲宽度调制。在需要针对每种颜使相当于一个等级的脉冲宽度(时间长度)不同的情况下，可以配合图像光的颜来对驱动反射式光调制器件的时钟频率进行调整。
[0127]
接着，对将从反射式光调制器件200a和反射式光调制器件200b输出的图像光合成并投影的投影光学系统进行说明。
[0128]
图3是为了对投影光学系统进行说明而从图1所示的投影显示装置1的整体结构之中将投影光学系统610的部分提取出来的图。
[0129]
如前所述，反射式光调制器件200a根据图像信号中的g或b的信号成分驱动微镜器件，使第一照明光以既定的角度反射，输出图18的(c)所示的图像光g+b。图像光g+b从tir棱镜170a透射而入射至第一后组透镜601a，进而从合成棱镜400透射而入射至前组透镜602，并被放大投影到投影面700(例如投影屏幕)上。
[0130]
另外，反射式光调制器件200b根据图像信号中的r的信号成分驱动微镜器件，使第二照明光以既定的角度反射，输出图18的(e)所示的图像光r。图像光 r从tir棱镜170b透射而入射至第二后组透镜601b，进而在合成棱镜400中发生内部反射使光路变更而入射至前组透镜602，并被放大投影到投影面700(例如投影屏幕)上。此外，在图1～图3中，前组透镜602的光轴lx以单点划线表示。
[0131]
前组透镜602与第一后组透镜601a合在一起作为针对图像光g+b的投影镜头发挥作用。同样地，前组透镜602与第二后组透镜601b合在一起作为针对图像光 r的投影镜头发挥作用。这里，tir棱镜170a与tir棱镜170b使用相同结构的器件，第一后组透镜601a与第二后组透镜601b使用相同结构的透镜。另外，如后所述，在合成棱镜400内，图像光r的光路长度与图像光g+b的光路长度被配置为相等。因此，在由本实施方式构成的投影镜头系统中，投影面700上的图像的调整(例如焦点调整)只需操作前组透镜602就能简单地进行。
[0132]
合成棱镜400使图像光r的光路变更而与图像光g+b的光路重叠，并将图像光r及图像光g+b朝向前组透镜602引导。
[0133]
如图4的(a)所示，合成棱镜400由棱镜401、棱镜402、棱镜403这三个棱镜构成。棱镜401与棱镜402隔着作为微小间隙的气隙ag1相对置，棱镜402 与棱镜403隔着作为微小间隙的气隙ag2相对置。在棱镜402的光学面之中，在隔着气隙ag1与棱镜401相对置的面上设置有介质多层膜405。
[0134]
图像光r在入射至棱镜402后，在气隙ag2侧的光学面上朝向介质多层膜405 发生内部全反射。在本实施方式中，图像光r相对于介质多层膜405的入射角ω 被配置为ω＝12度。介质多层膜405是具备图4的(b)所示的透射/反射特性的膜，图像光r几乎全部被反射。此外，介质多层膜405并非在棱镜401与棱镜402 之间无间隙地被夹在中间(粘接)，而是与棱镜401之间隔着气隙，因此与粘接式的十字棱镜相比，ps分离宽度和角度偏移的偏移量小，曲线图中曲线的上升沿陡峭，几乎呈阶梯状。被介质多层膜405反射的图像光r从气隙ag2、棱镜403 透射而入射至前组透镜602。
[0135]
另一方面，图像光g+b从棱镜401、气隙ag1透射，以入射角12度入射至介质多层膜405上。从前面说明的图4的(b)的透射/反射特性显然可知，图像光 g+b从介质多层膜405透射。图像光g+b进一步从棱镜402、气隙ag2和棱镜 403透射而入射至前组透镜602。
[0136]
此外，相对于介质多层膜405的入射角被配置为，除去制造上的误差，在图像光r与图像光g+b中实质上相等。另外，棱镜402和棱镜401的形状被设定为，使得图像光r入射至棱镜402内之后直至到达介质多层膜405为止的光路长度与图像光g+b入射至棱镜401内之后直至出射为止的光路长度相等。
[0137]
根据以上说明的本实施方式，例如与专利文献1中公开的双板式显示装置相比，能够减小投影镜头的后焦距，因此能够使装置小型化。而且，由于使用相对于画面的垂直方向(v方向)以45度的方向配置微镜这种类型的反射式光调制器件，因此在成本上有利。另外，与专利文献2所公开的双板式显示装置相比，由于是不使用偏光特性依赖于入射角而大幅变化的十字分棱镜的光学系统，因此能够显示颜深浅均匀的高画质的图像。即，根据本实施方式，能够实现在高画质、小型化、低成本间达到良好平衡的、通用性高的双板式的投影显示装置。
[0138]
[实施方式2]
[0139]
接着，对实施方式2所涉及的投影显示装置进行说明。其中，对于与实施方式1相同或类似的部分，简化或省略说明。
[0140]
图10是示出实施方式2所涉及的投影显示装置的光学结构的典型图。投影显示装置2具备反射式光调制器件200a(第一反射式光调制器件)和反射式光调制器件200b(第二反射式光调制器件)。在本实施方式中，也与实施方式1同样，作为反射式光调制器件200a和反射式光调制器件200b，使用以阵列状设置有微镜器件的dmd。另外，如参考图15所说明的那样，作为dmd，使用在俯视画面时，各像素的微镜的反射面相对于画面边框倾斜45
°
，根据图像信号驱动反射面来变更照明光的反射方向的器件。与各像素对应的微镜根据图像信号的亮度级被驱动，以使得反射方向通过脉冲宽度调制而变更。
[0141]
投影显示装置2具备光源装置110。光源装置110是用于对反射式光调制器件 200a和反射式光调制器件200b进行照明的光源。
[0142]
图8的(b)示出本实施方式中使用的光源装置110的结构。本实施方式的光源装置110不像实施方式1的光源装置那样激发荧光体以使其发光，而是将能够独立驱动的、光不同的固体光源(例如，r、g、b的半导体激光器或led)的输出光合成以作为照明光il输出。即，光源装置110具备发出红光的固体光源 111r、发出蓝光的固体光源112b、发出绿光的固体光源113g、以及对各发光源的光进行聚光的透镜115，其使用反射蓝光的二向镜807和反射红光的二向镜808来使各光的光路重叠，经由聚光透镜109向光通道140射出照明光il。通过使用固体光源(例如，半导体激光器或led)，在本实施方式中，与荧光体相比，能够向光通道140射出纯度高的照明光il。
[0143]
图11是将实施方式2的照明光学系统的一部分提取出来显示的图，与实施方式1中的图2相对应。本实施方式中的照明光学系统的基本结构与实施方式1类似，但如图中的表所示，各光学器件的设置角度和位置不同。在本实施方式中，为了尽量使第一照明光对反射式光调制器件200a进行照明的条件与第二照明光对反射式光调制器件200b进行照明的条件一致，也是在第一照明光的光路中的二向镜180与折回反射镜182a之间配置中间像侧聚光透镜160，在第二照明光的光路中的二向镜180与光路变更反射镜181之间配置中间像侧聚光透镜161，在光路变更反射镜181与折回反射镜182b之间配置中继透镜162。通过适当地设定这些透镜的位置和焦距，能够降低光路长度差δl的影响而使这两个反射式光调制器件的照明条件一致。
[0144]
另外，图14典型地示出从背面侧观察反射式光调制器件200b时各光学器件的配置。此外，在图14中，照明光学系统的一部分省略图示。从折回反射镜182b 的反射点p朝向tir棱镜170b的照明光以入射角45
°
入射至反射式光调制器件 200b。另外，作为反射式光调制器件200b(以及反射式光调制器件200a)来使用的dmd器件，如已参考图15所描述的那样，使用在俯视画面时，各像素的微镜的反射面相对于画面边框倾斜45
°
，根据图像信号驱动反射面来变更照明光的反射方向的器件。
[0145]
反射式光调制器件200a和反射式光调制器件200b具有以阵列状设置的多个微镜，二者与从光源装置110照射的照明光il的颜切换时序同步地对照明光进行调制。
[0146]
图19的(a)～图19的(e)是为了说明光源装置110和各反射式光调制器件的驱动时序，以时间t表示横轴的时序图。如参考图8的(b)所说明的那样，光源装置110具备发出红光的固体光源111r、发出蓝光的固体光源112b、发出绿光的固体光源113g，以作为能够独立驱动的、光不同的固体光源。如图19 的(a)所示，在相当于图像信号的一帧的期间之中，例如约2/3使固体光源111r 和发出绿光的固体光源113g同时点亮以输出r光和g光，其余约1/3使固体光源112b点亮以输出b光。
[0147]
由于二向镜180具有图5所示的透射特性，因此被二向镜180反射的第一照明光如图19的(b)所示成为g光与b光交替照射的方式，从二向镜180 透射的第二照明光如图19的(d)所示成为r光间歇照射的方式。
[0148]
通过与第一照明光的颜切换时序同步地输入图像信号的g成分和b成分，从而从反射式光调制器件200a输出图19的(c)所示的图像光g+b。另外，通过与第二照明光的r光点亮的时序同步地输入图像信号的r成分，从而从反射式光调制器件200b输出图19的(e)所示的图像光r。各种颜的图像光根据图像信号中的各种颜成分的亮度，被反射式光调制器件进行脉冲宽度调制。在需要针对每种颜使相当于一个等级的脉冲宽度(时间
长度)不同的情况下，可以配合图像光的颜来对驱动反射式光调制器件的时钟频率进行调整。
[0149]
此外，驱动时序不限于图19的(a)～图19的(e)的示例，例如也可以是图 20的(a)～图20的(e)所示的方式。如图20的(a)所示，在相当于图像信号的一帧的期间的整个范围中使固体光源111r点亮以输出r光，与此同时，在相当于图像信号的一帧的期间之中，例如约2/3使发出绿光的固体光源113g点亮以输出g光，其余约1/3使固体光源112b点亮以输出b光。
[0150]
由于二向镜180具有图5所示的透射特性，因此被二向镜180反射的第一照明光如图20的(b)所示成为g光与b光交替照射的方式，从二向镜180 透射的第二照明光如图20的(d)所示成为r光连续照射的方式。
[0151]
通过与第一照明光的颜切换时序同步地输入图像信号的g成分和b成分，从而从反射式光调制器件200a输出图20的(c)所示的图像光g+b。另外，通过与帧的切换时序同步地输入图像信号的r成分，从而从反射式光调制器件200b输出图20的(e)所示的图像光r。各种颜的图像光根据图像信号中的各种颜成分的亮度，被反射式光调制器件进行脉冲宽度调制。在需要针对每种颜使相当于一个等级的脉冲宽度(时间长度)不同的情况下，可以配合图像光的颜来对驱动反射式光调制器件的时钟频率进行调整。
[0152]
接着，对将从反射式光调制器件200a和反射式光调制器件200b输出的图像光合成并投影的投影光学系统进行说明。
[0153]
图12是为了对投影光学系统进行说明而从图10所示的投影显示装置2的整体结构之中将投影光学系统610的部分提取出来的图。
[0154]
如前所述，反射式光调制器件200a根据图像信号中的g或b的信号成分驱动微镜器件，使第一照明光以既定的角度反射，输出图19的(c)或图20的(c) 所示的图像光g+b。图像光g+b从tir棱镜170a透射而入射至第一中继透镜611a，进而从合成棱镜410透射并经由第三中继透镜612而形成中间像613。中间像613 通过配置在放大侧的投影镜头614被放大投影到投影面700(例如投影屏幕)上。
[0155]
另外，反射式光调制器件200b根据图像信号中的r的信号成分驱动微镜器件，使第二照明光以既定的角度反射，输出图19的(e)或图20的(e)所示的图像光r。图像光r从tir棱镜170b透射而入射至第二中继透镜611b，进而在合成棱镜410中发生内部反射而变更光路，并经由第三中继透镜612而形成中间像613。中间像613通过投影镜头614被放大投影到投影面700(例如投影屏幕)上。
[0156]
这样，在本实施方式中，与实施方式1不同之处在于为如下结构：采用中继透镜在投影镜头614的前面临时形成显示图像的中间像。在本实施方式中，由于能够缩小中继透镜光阑附近的光线直径，因此能够使合成棱镜410小型化。
[0157]
合成棱镜410使图像光r的光路变更而与图像光g+b的光路重叠，并将图像光r和图像光g+b朝向前组透镜602引导。
[0158]
如图13的(a)所示，合成棱镜410由棱镜411和棱镜412这两个棱镜构成。棱镜411与棱镜412隔着作为微小间隙的气隙ag3相对置。在棱镜411的光学面之中，在隔着气隙ag3而与棱镜412相对置的面上设置有介质多层膜415。
[0159]
图像光r入射至棱镜411后，在第三中继透镜612侧的光学面上朝向介质多层膜
415发生内部全反射。在本实施方式中，图像光r相对于介质多层膜415的入射角ω被配置为ω＝26.5度。介质多层膜415是具备图13的(b)所示的透射/ 反射特性的膜，对固体光源的单性良好的照明光进行调制后的图像光r几乎全部被反射。此外，介质多层膜415并非在棱镜411与棱镜412之间无间隙地被夹在中间(粘接)，而是与棱镜412之间隔着气隙，因此与粘接式的十字棱镜相比， ps分离宽度和角度偏移的偏移量小，曲线图中曲线的上升沿陡峭，几乎呈阶梯状。被介质多层膜415反射的图像光r从棱镜411透射而入射至第三中继透镜612。
[0160]
另一方面，图像光g+b从棱镜412、气隙ag3透射，以入射角26.5度入射至介质多层膜415。从前面说明的图13的(b)的透射/反射特性显然可知，对固体光源的单性良好的照明光进行调制后的图像光g+b从介质多层膜415透射。图像光g+b进一步从棱镜411透射而入射至第三中继透镜612。
[0161]
此外，相对于介质多层膜415的入射角被配置为在图像光r与图像光g+b中相等。另外，棱镜411和棱镜412的形状被设定为，使得图像光r入射至棱镜411 内之后直至到达介质多层膜415为止的光路长度与图像光g+b入射至棱镜412内之后直至射出为止的光路长度相等。
[0162]
根据以上说明的本实施方式，例如与专利文献1中公开的双板式显示装置相比，能够减小投影镜头的后焦距，因此能够使装置小型化。而且，由于使用相对于画面的垂直方向(v方向)以45度的方向配置微镜这种类型的反射式光调制器件，因此在成本上有利。另外，与专利文献2所公开的双板式显示装置相比，由于是不使用偏光特性依赖于入射角而大幅变化的十字分棱镜的光学系统，因此能够显示颜深浅均匀的高画质的图像。即，根据本实施方式，能够实现在高画质、小型化、低成本间达到良好平衡的、通用性高的双板式的投影显示装置。
[0163]
[其他实施方式]
[0164]
本发明的实施并不限于以上描述的实施方式或具体实施例，而是可以在本发明的技术思想内进行多种变形。
[0165]
例如，可以将实施方式1中使用的光源装置与实施方式2中使用的形成图像中间像的投影光学系统组合起来。或者，也可以将实施方式2中使用的光源装置与实施方式1中使用的不形成图像中间像的投影光学系统组合起来。
[0166]
在实施方式1中，入射至合成棱镜400的介质多层膜405的第一图像光(r+g) 与第二图像光(r)的入射角ω设为除制造上的误差以外实质上相等的大小，并设为ω＝12度。另外，在实施方式2中，入射至合成棱镜410的介质多层膜415的第一图像光(r+g)与第二图像光(r)的入射角ω设为除制造上的误差以外实质上相等的大小，并设为ω＝26.5度。在实施本发明时，入射角ω并不限于12度或26.5度，入射角ω设定在10度以上且27度以下的范围内。
[0167]
例如，屏幕可以作为投影显示系统的构成要素而经常与投影显示装置配套使用，但是本发明的实施方式并不限定于此。如上所述，实施方式所涉及的投影显示装置在对显示图像进行光学调整时的操作简单，因此也适用于便携式用途，例如能够容易地在未设置屏幕的建筑物的墙壁等任意场所的任意面上投影出显示图像。

技术特征：

1.一种投影显示装置，其特征在于，具备：光源；光通道，使来自所述光源的光沿着配置在第一平面的光轴传播；二向镜，将经由所述光通道而入射的来自所述光源的光分割成第一光的第一照明光和第二光的第二照明光；第一照明光学系统，将由所述二向镜反射的所述第一照明光引导至第一反射式光调制器件；第二照明光学系统，将从所述二向镜透射的所述第二照明光引导至第二反射式光调制器件；合成棱镜，使从所述第一反射式光调制器件输出的第一图像光从介质多层膜透射，并且使从所述第二反射式光调制器件输出的第二图像光被所述介质多层膜反射而变更光路，射出将所述第一图像光和所述第二图像光合成后的合成光；第一后组透镜，配置在所述合成棱镜与所述第一反射式光调制器件之间，并作用于所述第一图像光；第二后组透镜，配置在所述合成棱镜与所述第二反射式光调制器件之间，并作用于所述第二图像光；以及前组透镜，配置在比所述合成棱镜更靠近放大侧，并作用于所述合成光，所述第一图像光与所述第二图像光对所述介质多层膜的入射角的大小相等，为10度以上且27度以下。2.根据权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，由所述第一后组透镜、所述第二后组透镜以及所述前组透镜构成投影镜头系统，所述第一图像光通过所述第一后组透镜和所述前组透镜被放大投影，所述第二图像光通过所述第二后组透镜和所述前组透镜被放大投影。3.根据权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，所述第一后组透镜构成第一中继透镜，所述第二后组透镜构成第二中继透镜，所述前组透镜包括：第三中继透镜，配置在所述合成棱镜侧；以及投影镜头，配置在放大侧，通过所述第一中继透镜和所述第三中继透镜，所述第一图像光在所述第三中继透镜与所述投影镜头之间形成中间像，通过所述第二中继透镜和所述第三中继透镜，所述第二图像光在所述第三中继透镜与所述投影镜头之间形成中间像，通过所述投影镜头，所述第一图像光和所述第二图像光的所述中间像被放大投影。4.根据权利要求1至3中任意一项所述的投影显示装置，其特征在于，所述第一照明光学系统包括：第一反射镜，使所述第一照明光的光轴在所述第一反射式光调制器件的前面向与所述第一平面交叉的方向偏折，所述第二照明光学系统包括：光路变更反射镜，使所述第二照明光的光轴在所述第一平面中偏折；以及第二反射镜，使所述第二照明光的光轴在所述第二反射式光调制器件的前面向与所述第一平面交叉的方向偏折，
在将从所述二向镜至所述第一反射式光调制器件的光路长度设为lda，并将从所述二向镜至所述第二反射式光调制器件的光路长度设为ldb时，满足0.9＜lda/ldb＜1.1。5.根据权利要求4所述的投影显示装置，其特征在于，在将使来自所述光源的光向所述二向镜入射的入射角设为η1时，满足25度＜η1＜32度。6.根据权利要求5所述的投影显示装置，其特征在于，在将使所述第二照明光向所述光路变更反射镜入射的入射角设为η2时，满足η2≥η1。7.根据权利要求1至6中任意一项所述的投影显示装置，其特征在于，在所述光通道与所述二向镜之间具备聚光透镜，所述聚光透镜形成来自所述光源的光的中间像，所述第一照明光学系统将所述中间像的第一光成分转印到所述第一反射式光调制器件，所述第二照明光学系统将所述中间像的第二光成分转印到所述第二反射式光调制器件。

技术总结

一种高画质、小型化、低成本的投影显示装置，具备：二向镜，将来自光源的光分割成第一光的第一照明光和第二光的第二照明光；第一照明光学系统，将第一照明光引导至第一反射式光调制器件；第二照明光学系统，将第二照明光引导至第二反射式光调制器件；合成棱镜，使从第一反射式光调制器件输出的第一图像光从介质多层膜透射，并且使从第二反射式光调制器件输出的第二图像光被介质多层膜反射而变更光路，射出将第一图像光和第二图像光合成后的合成光；第一后组透镜；第二后组透镜；以及前组透镜，配置在比合成棱镜更靠近放大侧，并作用于合成光，第一图像光与第二图像光对介质多层膜的入射角的大小实质上相等，为10度以上且27度以下。度以下。度以下。