CN100454993C - 图像显示设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有纤小的设计和提高的照明效率的图像显示设备，该设备能够抑制对比度的降低，从而消除模糊。该图像显示设备包括：光源；聚光镜，会聚从光源发射出的光线并且形成虚拟第二光源；光导管，通过色滤镜的光入射到光导管中；中继透镜***，从光导管出射的光通过该中继透镜***；第一镜，通过中继透镜的光直接或间接地入射到其上；反射型显示器，包括按照矩阵形式布置在基底上的多个微镜，从镜子反射的光入射到反射型显示器上，其中，每个微镜通过独立地改变微镜的斜度，即反射角而被开关；投影透镜，放大和投射从处于开的状态的微镜反射的光，其中，中继透镜和第一镜被设置为关于介于其间的投影透镜的光轴互相相对。

Description

图像显示设备

本申请要求分别于2004年7月23日和2005年7月4日提交到日本知识产权局的日本专利申请第10-2004-0216340号和第10-2005-0195004号的权益，通过引用将上述申请的公开全部包含于此。

技术领域

本发明涉及一种图像显示设备，其具有按照矩阵布置并且可改变反射角度的多个微镜。

背景技术

传统的使用微镜的图像显示设备的一个示例被日本专利申请公开第1996-0014691号公开。该示例通过独立地改变每个微镜的斜度(即，反射角)可开关(将光反射到投影透镜上或者不将光反射到投影透镜上)所述微镜。

在如图8所示构造的图像显示设备中，从光源(未示出)发射出的光被聚光镜(未示出)反射，被彩色滤光片(未示出)分离成彩色的分量，然后入射到光导管(未示出)上。从光导管出射的光通过中继透镜***101，然后入射到全反射棱镜102上。被全反射棱镜102反射的光通过盖玻璃103然后入射到反射型显示器104上。反射型显示器包括按照矩阵布置的多个微镜104a。每个微镜104a改变斜度，因此每个微镜的反射角被独立地改变。微镜104a开启使得光朝着投影透镜105反射。微镜104a关闭，从而光沿着与向投影透镜105反射的方向不同的方向反射。通过控制微镜104a的开/关状态，可通过用于显示的投影透镜105投影期望的图像。

但是，由于在中继透镜***101中透镜数量增加以及全反射棱镜的价格高，所以使用全反射棱镜102的图像显示设备体积大而且昂贵。由于光在光路中通过具有大量透镜的中继透镜***101和全反射棱镜102的光学表面，所以这种图像显示设备的发光效率降低。

发明内容

本发明提供一种具有纤小的设计和提高的照明效率的图像显示设备，该设备能够抑制对比度的降低，从而消除模糊(ghost)。

根据本发明的一方面，提供了一种图像显示设备，包括：光源；聚光镜，会聚从光源发射出的光线并且形成虚拟第二光源；光导管，通过色滤镜的光入射到光导管中；中继透镜***，从光导管出射的光通过该中继透镜***；第一镜，通过中继透镜的光直接或间接地入射到第一镜上；反射型显示器，包括按照矩阵形式布置在基底上的多个微镜，从第一镜反射的光入射到反射型显示器上，其中，每个微镜通过独立地改变微镜的斜度，即反射角而处于开或关的状态；投影透镜，放大和投射从处于开的状态的微镜反射的光；其中，中继透镜和第一镜被设置为关于介于其间的投影透镜的光轴互相相对。

镜子可具有被部分切除的有效直径，从而不阻挡从多个微镜反射的光。

从位于反射型显示器中间的处于开的状态的微镜反射的光的主光线可沿着远离镜子的方向相对于投影透镜的光轴倾斜一定角度。

具有沿基底的短边的方向的旋转轴的微镜可通过沿着长边的方向改变斜度，即反射角而开或关。另一方面，具有沿基底的长边的方向的旋转轴的微镜可通过沿着短边的方向改变斜度，即反射角而开或关。

当微镜为具有沿一个对角线方向的旋转轴的方形时，微镜可通过沿着另一个对角线方向改变斜度，即反射角而开或关。

镜子可具有平的反射表面、球面反射表面或者旋转对称的曲面反射面。

光导管的出口端可相对于垂直于其中心轴的线倾斜一定角度。

中继透镜***的光轴可与光导管的中心轴偏离。可选择地，中继透镜***的前组或后组的光轴可与光导管的中心轴偏离。

所述图像显示设备还包括第二镜，从中继透镜***出射的光入射到所述第二镜上。光从第二镜反射到第一镜上。

本发明的图像显示设备通过将光聚焦到反射型显示器上而减少中继透镜***中的透镜数量，从而减小了总大小同时通过减少光学表面的数量而提高了照明效率。该图像显示设备还消除了对全反射棱镜的需要，从而降低了制造成本。

附图说明

通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其它特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1A是根据本发明实施例的图像显示设备的示意图；

图1B是显示从光导管的出口端至镜子的组件的示意图，其中，投影透镜的光轴设置在光导管的出口端和镜子之间；

图2是根据本发明实施例的彩色滤光片的平面图；

图3是显示光导管和中继透镜***的透镜的排列以及通过光导管和透镜的光的传播的示意图，其中，从光导管出来的光入射到中继透镜***上；

图4A和图4B是显示根据本发明实施例的被反射型显示器和盖玻璃反射的光的传播方向相对于光入射到反射型显示器的角度的改变的示意图；

图5是显示光导管和中继透镜***的透镜的排列以及通过光导管和透镜的光的传播的实施例的第一修改示例，其中，从光导管出来的光入射到中继透镜***上；

图6是显示根据本发明实施例的第二修改示例的图像显示设备；

图7是显示根据本发明实施例的第三修改示例的图像显示设备的示意图；

图8是传统图像显示设备的示意图。

具体实施方式

现在，将参照附图更加完全地描述本发明，本发明的示例性实施例显示在附图中。参照图1A，根据本发明实施例的图像显示设备包括光源10、聚光镜12、光导管14、中继透镜***16、镜子20、反射型显示器22和投影透镜24。

光源10是白光源，例如卤素灯、氙气灯、金属卤化物灯或者高压汞灯。聚光镜12被布置为包围光源10，并且具有朝着光导管14敞开的光束出口12a。聚光镜12反射和会聚从光源10放射状地发射出的光线，并且通过光束出口12a将光出射到光导管14中。

公知的彩色滤光片13直接设置在光导管的端部14a之前，并且使入射光依次分离和出射成为RGB三原色。例如，参照图2，彩色滤光片13可包括围绕旋转轴13a按照等角度间隔布置在盘形基底上的RGB三个色滤镜13b至13d。当光从聚光镜12照射到以恒定速率旋转的彩色滤光片13的预定位置上时，R、G、B色光束按照一定时间间隔(依次地)通过彩色滤光片13被过滤到光导管14，所述时间间隔与布置RGB滤镜的角度间隔对应。

光导管14完全内反射从一个矩形端部(入射端)14a入射的光，从而使均匀强度的光通过另一端部(出射端)14b出射。这里，两个端部14a和14b都垂直于光导管14的中心轴线14c，并且光关于中心轴线14c对称地从端部14b出射。按照这种方式从光导管14出射的光通过具有四个透镜16a至16d的中继透镜***16按照预定的放大率被放大，并且朝着镜子20传播。即，从中继透镜***16出射的光直接入射到镜子20上。

镜子(第一镜)20具有平的表面并且将通过中继透镜***16的光反射到反射型显示器22。反射的光聚焦到与反射型显示器22的反射表面上的处于反射位置的微镜上。如图1A中的虚线所示，镜子20具有被部分切除的有效直径，从而防止被反射型显示器22中的微镜反射的一些光被镜子20阻挡而使得其不能到达投影透镜24。因此，通过投影透镜24投影到屏幕(未示出)上的光可实现均匀的强度分布。这里，相对于介于中继透镜16和镜子20之间的投影透镜24的光轴24a(见图1A和图1B)，中继透镜16被设置为与镜子20相对，使得入射到屏幕上的光的强度分布均匀，同时降低通过中继透镜***16但是没有投射到屏幕上的光的量。这样也减小了照明光学***的总长度，其中，来自端部14b的图像在通过中继透镜***16和镜子20之后聚焦在反射型显示器22上，从而减小了图像显示设备的总大小。

反射型显示器22是包括按照矩阵形式布置在基底上的多个微镜的半导体装置。微镜独立地改变斜度，即反射角，从而使其处于开或关的状态。在开的状态下，光朝着投影透镜24反射。在关的状态下，光沿着与朝着投影透镜24的方向不同的方向反射。

在矩形基底的短边或长边的方向上具有旋转轴的微镜可沿着其短边或长边的方向振荡，从而改变反射角度。可选择地，当微镜是具有沿着一个对角线方向的旋转轴的方形时，微镜可沿着另一对角线方向振荡。本实施例使用在短边方向上具有旋转轴的反射型显示器。

当反射型显示器是德州器械的数字微镜装置(DMD)时，因为微镜可围绕其平衡位置在-12°至+12°之间振荡，反射角度可从微镜的-12°或+12°之间选择。当光通过盖玻璃21被反射和会聚到具有上述构造的反射型显示器22上时，从处于开的状态(旋转到+12°)的微镜反射的光被投影透镜24放大并且被投影到屏幕上，而从处于关的状态(旋转到-12°)的微镜反射的光不投影到屏幕上。通过控制按照矩阵布置的微镜的开/关状态，期望的图像可被显示在屏幕上。

从镜子20反射的光被盖玻璃21的前表面或后表面或者反射型显示器22的基底表面以及被微镜反射。另外，由于微镜的结构可出现散射的光。当反射的光和散射的光入射到投影透镜24上时，投射到屏幕上的光的对比度降低。图4A是用于解释这种状态的示意图。参照图4A，当照明光30(主光线30a)透过盖玻璃21入射到位于反射型显示器22的中心的微镜23上时，从处于开的状态的微镜23反射的光31的传播使得光31的主光线31a垂直于反射型显示器22的基底22a，并且入射到投影透镜24上。另一方面，从盖玻璃21的前表面或后表面或者反射型显示器22的基底表面反射的光32的一部分(主光线32a)入射到投影透镜24上。

在本实施例中，为了抑制由于从盖玻璃21的前表面或后表面或者反射型显示器22的基底表面反射的光32造成的对比度的降低，如图4B所示，从处于开的状态的微镜23反射的光31的主光线31a相对于基底22a的法线22b沿着远离镜子20的方向倾斜角度θ。与图4A所示的状态相比，这种倾斜通过与基底22a的法线22b成角度θ照射照明光30(包括主光线30a)。由于从盖玻璃21的前表面或后表面或者反射型显示器22的基底表面反射的光32的主光线32a远离法线22b，所以可减少入射到投影透镜24上的光32的量。在图4A和图4B中，为了方便解释，只简单地表示出光线。

被反射型显示器22反射的光入射到投影透镜上并且按照预定的放大率放大然后投影到屏幕上。从每个微镜反射的光与屏幕上的像素对应，并且对每个像素依次投影三原色。通过控制每个微镜的开/关状态，可在屏幕上显示期望的颜色。

现在将描述修改的示例。

虽然以上描述了两端部14a和14b垂直于中心轴线14c，但是也可使用图5所示的光导管114来代替光导管14(第一修改示例)。在光导管114中，出射端114a相对于垂直于中心轴线114c的线114d倾斜α角。如图1A所示，当端部14b垂直于光导管14的中心轴线14c时，来自端部14b的图像倾斜地聚焦在反射型显示器22上，因此，照明光在反射型显示器22的左右两侧都对不准焦点。这会减少从反射型显示器22的有效反射表面反射的光的量并且会减少通过投影透镜24投射到屏幕上的光的量。为了克服这些限制，在第一修改示例中，根据防反射定律(Shine ProofLaw)，端部114b(出射端)朝着垂直于中心轴线114c的线倾斜，使得来自于端部114a的图像不倾斜地聚焦到反射型显示器22上，从而防止投射到屏幕上的光量减少，同时实现更加有效的光学***。与图1A中所示的光导管14的端部14a一样，端部114a(入射端)垂直于中心轴线114c。角度α可以是正的或负的。

镜子20可具有球面的或旋转对称的曲面反射面，从而减小光学***的总大小。

图6显示了根据本发明实施例的第二修改示例的图像显示设备。参照图6，光导管114具有与图5所示的构造相同的构造。光导管114的中心轴线114c与中继透镜***16的光轴16f偏离。此外，镜子120具有球面反射面。如图5的第一修改示例所示，当出射端114b相对于垂直于中心轴线114c的线倾斜一定角度使得来自端部114a的图像不倾斜地聚焦到反射显示器22上时，图像的梯形变形导致在反射型显示器22的左右两侧的照明光的量之间的差，从而导致从左到右或从右到左扫过屏幕上的被投影透镜24投影的光不均匀地分布。为了校正梯形变形和提高反射型显示器22上的光量的均匀性，在第二修改示例中，光导管114的中心轴线114c与中继透镜***16的光轴16f偏离。可选择地，中继透镜***中的前组或后组的光轴与光导管的中心轴线偏离。

另外，具有球面反射面的镜子120缩短了光学***的总长度，从而减小图像显示设备的总大小。与图1所示的镜子20一样，有效直径的一部分(由图6中的虚线示出)被切除以防止被反射型显示器22中的微镜反射的一些光被镜子120阻挡而不能到达投影透镜24，从而为通过投影透镜24投射到屏幕(未示出)上的光的分布提供均匀的强度。

当使用复眼透镜或杆状透镜替代光导管114时，从聚光镜12反射的光的强度可通过复眼透镜或杆状透镜被均匀化，然后得到的光入射到中继透镜***16上。

图7是根据实施例的本发明第三修改示例的图像显示设备的示意图。图7没有示出光线。与彩色滤光片13一样，彩色滤光片113包括围绕旋转轴113a按照等角度间隔布置在盘形基底上的RGB三个色滤镜。当光从聚光镜12反射到恒定速率旋转的彩色滤光片113的预定位置上时，R、G、B色光束通过彩色滤光片113按照一定时间间隔(依次地)被过滤出并到达光导管14，所述时间间隔与布置RGB滤镜的角度间隔对应。

在第三修改示例中，中继透镜***116包括两个透镜116a和116b。通过中继透镜***116的光入射到第二镜210上。第二镜210将光反射到镜子(第一镜)220上，然后入射到反射型显示器22上。即，从中继透镜***116出射的光通过第二镜210间接入射到第一镜220上。从处于开的状态的微镜反射的光朝着投影透镜24投射，而从处于关的状态的微镜反射的光沿着与朝向投影透镜24的方向不同的方向投射。这里，中继透镜***116被设置为关于介于中继透镜***116和第一镜220之间的光轴24a与第一镜220相对。假设在第二镜210处弯曲的包括从光源10至中继透镜***116的组件沿着第二镜210和第一镜220之间的光轴24a的方向展开，则这种布置与第一和第二修改示例的布置相同。第二镜210和第一镜220被布置为使得反射型显示器22的基底的纵向(图7的水平方向)与通过从光源10至中继透镜***116的组件的中心的光轴的方向平行，从而最小化了图像显示设备沿着第二镜210和第一镜220之间的光轴24a的方向的大小。

本发明的图像显示设备通过将光聚焦到反射型显示器上而减少了中继透镜***中的透镜数量，从而通过减少光学表面的数量而减小了总大小同时增加了照明效率。该图像显示设备还消除了对全反射棱镜的需要，从而降低了制造成本。

虽然已经参照本发明的示例性实施例显示并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可对其作出形式上和细节上的各种改变。

Claims (12)

1、一种图像显示设备，包括：

光源；

聚光镜，会聚从光源发射出的光线并且形成虚拟第二光源；

光导管，通过色滤镜的光入射到光导管中；

中继透镜***，从光导管出射的光通过该中继透镜***；

第一镜，通过中继透镜的光直接或间接地入射到该第一镜上；

反射型显示器，包括按照矩阵形式布置在基底上的多个微镜，从第一镜反射的光入射到反射型显示器上，其中，每个微镜通过独立地改变微镜的斜度，即改变反射角而被开关；

投影透镜，放大和投射从处于开的状态的微镜反射的光；

其中，中继透镜和第一镜被设置为关于介于其间的投影光学***的光轴互相相对，第一镜具有被部分切除的有效直径，从而不阻挡从所述多个微镜反射的光。

2、如权利要求1所述的设备，其中，从位于反射型显示器中间的处于开的状态的微镜反射的光的主光线沿着远离镜子的方向相对于投影透镜的光轴倾斜一定角度。

3、如权利要求1或2所述的设备，其中，具有沿基底的短边的方向的旋转轴的微镜通过沿着长边的方向改变斜度，即改变反射角而被开或关。

4、如权利要求1或2所述的设备，其中，具有沿基底的长边的方向的旋转轴的微镜通过沿着短边的方向改变斜度，即改变反射角而被开或关。

5、如权利要求1或2所述的设备，其中，当微镜为具有沿一个对角线方向的旋转轴的方形时，微镜通过沿着另一个对角线方向改变斜度，即改变反射角而被开或关。

6、如权利要求1或2所述的设备，其中，第一镜具有平的反射表面。

7、如权利要求1或2所述的设备，其中，第一镜具有球面反射表面。

8、如权利要求1或2所述的设备，其中，第一镜具有旋转对称的曲面反射面。

9、如权利要求1或2所述的设备，其中，光导管的出口端相对于垂直于其中心轴的线倾斜一定角度。

10、如权利要求9所述的设备，其中，中继透镜***的光轴与光导管的中心轴偏离。

11、如权利要求10所述的设备，其中，中继透镜***的前组或后组的光轴与光导管的中心轴偏离。

12、如权利要求1或2所述的设备，还包括第二镜，从中继透镜***出射的光入射到所述第二镜上，其中，光从第二镜反射到第一镜上。

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