CN1954257B - 图像显示设备和投影光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种图像显示设备，通过抑制投影点的位置因光路偏转元件的位置偏移而波动，获得高质量图像。空间光调制元件(1)通过投影来自照明光源的光显示图像。投影光学系统(3)增大和投影形成在空间光调制元件(1)上的图像。光路偏转元件(2)设置在空间光调制元件(1)和形成在屏幕(4)上的图像之间，从而根据屏幕帧周期偏转光路。该光路偏转元件(2)高速移动投影在屏幕(4)上的图像的光路，从而明显增加像素数量。光路偏转元件(2)位于投影光学系统中。

Description

图像显示设备和投影光学系统
技术领域
本发明涉及成像设备，尤其涉及观察通过透镜放大的图像的成像设备，该成像在小的图像显示元件上，该显示元件具有能够根据图像信息控制光的多个像素，该成像设备可应用于如投影显示装置之类的电子显示设备。
背景技术
广泛使用称为前投影仪或后投影仪的图像显示设备，该图像显示设备显示通过投影透镜放大在图像显示元件上显示的图像所产生的图像，该图像显示元件具有能够根据图像信息控制光的多个像素。作为这类显示元件，已经开发并使用CRT、液晶面板、DMD(数字微镜装置(注册商标)：由Texas Instruments Incorporated制造)。另外，正在研究无机EL、无机LED、有机LED等。
而且，作为不显示放大图像而且显示原始尺寸图像的图像显示设备，已经发展和使用了除了上述CRT、液晶面板、无机EL、无机LED、有机LED之外的等离子显示和荧光显示管。另外，正在研究场致发射显示(FED)、等离子寻址显示器(PALC)等。尽管它们大致分成两类，自发射型和空间光调制器型，但是每类都具有能够控制光的多个像素。
上述成像设备共同的需要是，获得高分辨率，也就是增加像素数。用于广播使用的具有大约一千扫描线的HDTV的显示设备已经上市。另外，随着使用液晶面板技术增强分辨率，已经宣布进行具有大约两千扫描线的显示设备的开发，用于工作站计算机。然而，增大像素数可能降低液晶面板的生产率，并可能降低开口面积比(open area ratio)。从而，具有成本增大，亮度和对比度降低，并且能耗增大的问题。
为了解决上述问题，日本专利No.2939826和日本未审公开专利申请No.6-197297公开了进行隔行扫描显示的图像显示设备，该设备使用单个图像显示元件，具有两倍像素数。日本未审公开专利申请No.7-36054公开了使用单个图像显示元件具有四倍以上像素数的显示设备。这些显示设备属于所谓的像素移动型，它是通过用时间分隔高速偏转从图像显示元件投影的光的光路来增大像素可见数量的方法。日本未审公开专利申请公开了通过用光路偏转装置增大整个图像来增大分辨率的技术。
尤其是，日本专利No.2939826中公开的投影显示设备包括能够转动透射光的偏转方向的至少一个光学元件，和在从显示元件到屏幕的光路中间具有双折射效果的至少一个透明元件，其中在投影光路中具有用于移动由显示元件形成的图像的装置。另外，该投影显示设备还包括用于通过有效减小显示元件的开口面积比，从而试图提高对比度，将显示元件的像素的投影区域离散投影的装置。
日本未审公开专利申请No.6-197297中公开的液晶投影仪构造和设置成，通过控制电路的控制改变可变棱镜的玻璃板的倾斜度，其中当玻璃板向上倾斜时，光轴通过穿过可变棱镜向下折射预定角度，并且当玻璃板向下倾斜时，光轴通过穿过可变棱镜向上折射预定角度。也就是，通过改变棱镜的楔形构造，投影光学系统的入射角偏转微小角度，从而获得图像移动。
通过与垂直同步信号等同步重复进行控制电路的控制，提高了投影到屏幕上的图像的分辨率。在日本未审公开专利申请No.2002-139792中公开的图像显示设备中，在由光偏转装置进行偏转之前和之后，屏幕和光轴之间交点(intersection)的移动量设置成等于作为在穿过每个交点的线上投影的图像的图像片的宽度，使得通过由光偏转装置在预定时间间隔偏转光来显示多个图像片，即，由光学调制元件形成的图像的像素数由光偏转装置增加。
图1示出了传统图像显示设备的投影光学系统的基本结构，它通过使用光路偏转元件高速移动像素，从而明显增加像素数。图2示出了光阀和投影透镜之间的位置关系。
在图1中，光路偏转元件2位于光阀1和具有投影透镜5和6的投影光学系统之间。穿过光路偏转元件的光投影到屏幕4上。光路偏转元件2具有将光路偏转与所显示像素间距的一半相对应的角度的功能。在这种情况下，BF是投影光学系统3的投影透镜的后焦点，D是液晶面板(光阀1)和光路偏转元件2之间的间隔(D＜BF)，并且P是光阀1的图像像素间距。
由于光路偏转角与间隔D相比非常小，所以如果光路偏转元件2所获得的偏转角为Δθ，则建立如下关系。
TanΔθ≈sinΔθ≈P/2D
例如，如果P＝14μm并且D＝30mm，则Δθ＝48.1秒，即Δθ＝0.01336度。相反，如果Δθ确定，则移动量ΔS由P/2＝D-sinΔθ计算。
应当认识到P/2的值与D的值成比例。也就是，应当认识到，光阀1和光路偏转元件2之间的位置关系影响移动量ΔS。
另一方面，通过在常规成像设备的组装过程中将光阀、各个棱镜和投影透镜组装到投影设备的外壳中时使部件公差和装配公差紧凑，而取消调节过程，可能保持性能。然而，仅仅通过将部件集合起来分配公差获得性能可能增加部件成本和装配成本，这是不实际的。
实际上，通过所谓的焦点调节保持用于将图像投影到屏幕上的性能，其中各类部件的精度和定位精度具有一定公差，并且最终与目标面相对应的光阀在光轴方向微小移动。在这种情况下，对光路偏转元件2位于投影透镜5和光阀1之间的情况进行考虑。
例如，当设置具有D＝30mm、P＝14μm并且Δθ＝48.1秒的偏转元件时，板具有所有焦点调节范围，从而偏转元件的位置设定误差为大约±0.5mm。±0.5mm对应于30mm的3.4％的值。
因此，如果在偏转元件固定的状态下进行板在光轴方向的位置调节，则产生7μm的移动误差的3.2％的误差，也就是0.22μm的误差。尽管该值非常小，但是当显示具有关于在线和空间显示中奇数点是ON还是偶数点是ON的微小差别宽度的线时，出现问题。
在图2中，为了解释上述问题，为了易于识别，增大了移动量。光阀1上“O”位置处的像素以用实线表示的光通量朝光路偏转元件2移动，并高速朝着由实线和虚线表示的两个方向转换，并且好像位置“O’”处的像素的图像由目标透镜投影到屏幕上。移动量等于图2中所示的距离A。
然而，如果通过光阀1的焦点位置对准将光阀1调节到由虚线表示的位置处，则从目标透镜5观察到的光阀1上的像素移动量为A+Δ，并且可以认识到像素的移动量产生波动。而且，由于移动像素的时间周期取决于光路偏转元件2的驱动周期，所以总是在时间周期中具有显示泄漏，并且泄漏的光产生影响，降低了分辨率。尽管光在传统设备中受到切割，从而防止分辨率下降，但是从有效使用光的角度来看还需要进一步改进，并且还有改进空间。
应当注意到，图3是示出传统结构的图，其中光路偏转元件位于投影光学系统和空间光调制元件之间。
发明内容
本发明的基本目的是，提供一种改进的和有用的图像显示设备，其中消除了上述问题。
本发明的更加具体的目的是，提供一种图像显示设备和投影光学系统，它们能通过抑制投影点因光路偏转元件的位置偏移而位置波动，获得高质量图像。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种图像显示设备，包括：照明光源；显示图像的空间光调制元件；投影光学系统，它将形成在空间光调制元件上的图像放大并投影；光路偏转元件，它设置在所述空间光调制元件和由投影光学系统形成在屏幕上的图像之间，从而根据屏幕帧周期偏转投影在屏幕上的图像的光路，所述光路偏转元件高速移动投影在屏幕上的图像的光路，从而明显增加像素的数量，其中，所述光路偏转元件位于所述投影光学系统中。
根据上述本发明，可以进行光轴方向聚焦，同时保持空间光调制元件和光路偏转元件之间的关系。于是可以消除屏幕上像素的移动量波动，这获得了更加精细的图像显示。
在本发明的图像显示设备中，光路偏转元件可以位于投影光学系统的光圈位置处或其附近。因此，由于光路偏转元件的面内(in-plane)变化，所以偏转角面内变化。另外，光路偏转元件可以是反射型光路偏转元件。或者，光路偏转元件可以是检流计式反射镜。或者，光路偏转元件可以是反射镜阵列，该反射镜阵列具有二维布置的可机械移动的反射镜。
在本发明的图像显示设备中，通过将光路偏转元件获得的像素移动量增大到大于像素在像素移动方向上的设置宽度，进行多屏幕显示。
在本发明的图像显示设备中，光路偏转元件包括至少两组元件，每组元件都在一个方向上移动像素，从而像素在彼此垂直的方向上高速移动。
在本发明所述图像显示设备中，光路偏转元件包括第一和第二光路偏转元件，该第一光路偏转元件将像素偏转小于像素间距的移动量，该第二光路偏转元件将像素偏转与有效像素区域相对应的移动量，从而增大所显示的像素的可见数量，并增大显示区域。
根据本发明的另一方面，提供一种图像显示设备，包括：照明光源；显示图像的空间光调制元件；投影光学系统，它将形成在空间光调制元件上的图像放大并投影；光路偏转元件，它设置在所述空间光调制元件和由投影光学系统形成在屏幕上的图像之间，并根据屏幕帧周期偏转投影在屏幕上的图像的光路，光路偏转元件高速移动投影在屏幕上的图像的光路，从而明显增加像素的数量，其中，通过将光路偏转元件获得的移动量设置成等于或大于与垂直方向和水平方向之一上的像素数相对应的量，并小于与垂直方向和水平方向的另一个方向上像素数相对应的量，改变屏幕的长宽比。根据上述发明，空间光调制元件的有效像素显示区域增加，由此形成高质量图像。
在上述本发明所述图像显示设备中，在图像明显彼此重叠的屏幕的中央部分中，像素的移动量增大等于或小于像素间距的量，从而明显增大中央部分中的像素密度。
另外，在上述本发明的图像显示设备中，通过将光路偏转元件获得的像素移动量增大到大于像素移动方向上像素的设置宽度，进行多屏幕显示。
在上述本发明所述图像显示设备中，光路偏转元件包括至少两组元件，每组元件都在一个方向上移动像素，从而像素在彼此垂直的方向上高速移动。
在上述本发明所述图像显示设备中，光路偏转元件可以包括第一和第二光路偏转元件，该第一光路偏转元件将像素偏转小于像素间距的移动量，该第二光路偏转元件将像素偏转与有效像素区域相对应的移动量，从而增大所显示的像素的可见数量，并增大显示区域。
另外，根据本发明的另一方面，提供了一种用于将由空间光调制元件调制的光投影在投影表面上的投影光学系统，包括：多个透镜；光路偏转元件；及驱动光路偏转元件的驱动部件，其中，光路偏转元件设置在所述空间光调制元件一侧上的透镜和所述投影表面一侧上的透镜之间。根据本发明，反射型光路偏转元件可以设置在光学系统中，它获得了适合于光路进行折叠的结构的紧凑结构。
上述本发明所述投影光学系统可以还包括光圈构件，其中，光路偏转元件位于光圈构件附近。或者，上述本发明所述投影光学系统可以还包括光圈构件，其中，所述光路偏转元件连接到所述光圈构件上。
在上述本发明所述投影光学系统中，光路偏转元件包括反射镜和驱动该反射镜的驱动部分，并且驱动部分改变光轴和反射镜的镜表面之间的倾斜角度，从而偏转光的投影方向。反射镜的倾斜角度至少在两个轴向上变化。
在上述本发明所述投影光学系统中，光路偏转元件包括两个光路偏转元件，它们设置成使得两个光路偏转元件偏转光路的方向彼此垂直。
另外，根据本发明的另一方面，提供了一种图像显示设备，包括：如上所述的投影光学系统；及将光投影到空间光调制元件的照明光源。
附图说明
从下面结合附图的详细描述中，本发明的其他目的、特征和优点将变得更加明确。
图1是示出传统图像显示设备的投影光学系统的基本结构的视图；
图2是示出光阀和投影透镜之间位置关系的视图；
图3是示出传统结构的视图，其中光路偏转元件位于投影光学系统和空间光调制元件之间；
图4A是设置在本发明的第一实施例所述光学显示设备中的投影光学系统的视图；
图4B是示出光路偏转元件偏转光路的情况的视图；
图5是本发明第二实施例所述图像显示设备的光学系统的视图；
图6是从光轴方向观察的光圈构件(aperture member)和光路偏转元件的视图；
图7是示出用于通过等于或小于像素间距的移动量进行明显高分辨率显示的光路的情况的视图；
图8是示出用于通过移动等于或大于移动方向上屏幕尺寸的量增大屏幕尺寸的光路的情况的视图；
图9是用于解释在本发明第四实施例所述图像显示设备中进行的移动操作的视图；
图10是用于解释在本发明第五实施例所述图像显示设备中进行的移动操作的视图；
图11是用于解释在本发明第六实施例所述图像显示设备中进行的移动操作的视图；
图12是示出检流计式反射镜将反射光的偏转方向在两个方向之间转换的状态的视图；
图13是用于解释在本发明第九实施例所述图像显示设备中进行的移动操作的视图；
图14A是用于解释在本发明第十一实施例所述图像显示设备中进行的移动操作的视图；
图14B是图14A中由虚线包围部分的放大视图；
图15A是用于解释在本发明第十二实施例所述图像显示设备中进行的移动操作的视图；
图15B是图15A中由虚线包围部分的放大视图；
图16A是用于解释在本发明第十三实施例所述图像显示设备中进行的移动操作的视图；
图16B是图16A中由虚线包围部分的放大视图；
图17是用于解释在本发明第十四实施例所述图像显示设备中进行的移动操作的视图；及
图18是本发明第五实施例所述图像显示设备的光学系统的视图。
具体实施方式
现在，将参照图4A和4B，对本发明第一实施例所述图像显示设备进行描述。应当注意的是，与图1至3中所示部件相同的部件用相同的附图标记表示。
如图4A中所示，本发明第一实施例所述图像显示设备10包括：用于照明的光源(附图中未示出)；显示图像的作为空间光调制元件的光阀1；光路偏转元件2，该光路偏转元件根据形成在光阀1上的图像的信号偏转光路；及投影光学系统3。该光路偏转元件2设置在投影光学系统3中。
该投影光学系统3将经如液晶装置、反射型点阵液晶装置、数字微镜装置等之类的空间光调制元件调制的光投射到如屏幕之类的投射表面上。投影光学系统3包括多个透镜、光圈、反射镜(mirror)、棱镜(prism)、偏振光学系统、照明光学系统等。应当注意的是，投影光学系统3的结构不仅局限于图4A和4B中所示结构，并且包括一般称之为投影光学系统的系统。尤其是，已知折叠型投影光学系统，它用于投影显示等，并且这种投影光学系统包括在本发明所述投影光学系统中。
将参照图4A和4B，描述本发明所述图像显示设备的操作。投影光学系统3以颠倒的模式将光阀1上的每个图像位置f1、f2和f3投射到屏幕表面4上f1’、f2’、f3’位置处。在本实施例中，透镜布置成投影光学系统3在屏幕表面4上不形成立体图像，而是形成倒转图像。
尽管取决于设计，但是在多数情况下，投影光学系统3在物侧(objectside)(光阀1侧)使用称之为远心光学系统的光学系统，从而有效地接收反射光，在投射的屏幕表面上获得均匀的照明。在远心光学系统中，来自光阀1上图像位置的主光彼此平行。在这种光学系统中，曾经分叉扩散的光由第一阶段光学系统汇集，并通过透镜系统中的光路，该光路被折射一角度，该角度小于来自光阀1的反射分叉光，从而从光学系统的最终平面射出的光在屏幕表面4上形成图像。也就是，在投影设备中使用的传统远心投影光学系统中，在光学系统中移动光的角度与(光阀1上的)物平面上的图像信息(像素位置信息)相对应。
图4A示出了投影光学系统3的示意图，该投影光学系统描述了系统中彼此平行的光路。图4B示出了光路偏转元件2偏转光路的情况。
光路在光学系统中偏转微小角度，从而在屏幕表面4上获得期望的像素移动(移动量ΔS)。像素移动的方向可以是水平方向、垂直方向、水平方向和垂直方向的组合方向和倾斜方向中的一个。通过像素的移动试图获得高分辨率。
在将远心光学系统用作投影光学系统3的多种投影型显示设备中，光阀1上的像素位置信息可以与光路中主光的角度信息相关。通过将传统光路偏转元件2设置在光学系统中，从而使用传统驱动方法，可以很容易实现像素移动，这提供了精细的和高分辨率的图像。这具有一优点，即其中因光阀1的位置调整而引起的像素移动量变化比传统技术中小。当光路偏转元件2位于光路在投影光学系统3中基本彼此平行的位置处时，该优点最大化。
尽管在附图中未示出，但是图像显示设备10还包括有效地将照明光导入到光阀1中的照明光学系统，以及用于获得彩色图像的成像系统。可以使用所谓的色彩序贯法(color sequential method)，其中以视觉无法分辨R、G、B转换的较高转换速度，R、G、B彩色照明光按时间顺序投射到单个面板(光阀1)上，从而形成彩色图像。
而且，可以使用投射图像的方法，该图像通过将RGB光投射到与RGB的每种色彩相对应的光阀1上由二向棱镜等进行合成，并通过移动像素进行放大。作为可应用到本实施例所述图像显示设备10的照明光源，可以使用卤素灯、氙气灯、金属卤素灯、超高压汞灯等。而且，也可以应用如LED灯或LD等之类的单色光。具有较高亮度的白LED可以用作照明光源。
照明光学系统可以安装成使得获得较高照明效率。作为照明光学系统的特定例子，可以使用具有位于光源附近(与光源整体形成)的反射镜的超高压汞灯。
可以安装这样的照明光学系统，它通过使用如称之为整体光学系统(蝇眼透镜对)的照明均匀化装置在面板表面上提供均匀的照明分布，该照明均匀化装置处理经反射镜反射而具有方向性的光。另外，可以将透射式液晶面板、数字微镜装置(DMD；商标；由Texas InstrumentsIncorporated制造)等用作可以应用到光阀1上的光阀。尽管在附图中未示出，但是当使用反射型液晶光阀时，可以使用一分离装置，以获得高效的照明，该分离装置与偏振光分束器(polarization beam splitter)组合，用于将照明光路与投射光路分离。
当将上述DMD板(商标：Texas Instruments Incorporated)安装成光阀时，使用斜入射光学系统、使用全反射棱镜的光路分离器等。当使用不具有偏振依赖性的光阀时，从光学使用效率的角度来看，适合将检流计式反射镜、微镜阵列等用作光路偏转元件2。于是，可以根据光阀1的种类使用合适的光学系统。
现在，将描述本发明第二实施例所述图像显示设备。在第二实施例中，除了第一实施例的结构之外，光路偏转元件2设置在透射光学系统3的光圈位置处或其附近，如图5中所示。
图6示出了位于透射光学系统中光圈位置处的光圈构件8。通过使用图6中所示的光圈构件8，光圈位置与设置光路偏转元件2的位置重合。应当注意的是，图6中所示光圈的形式仅仅是例子，并且光圈不仅局限于圆形。例如，光圈可以是与屏幕尺寸相对应的方形，或者可以是椭圆形。
由于来自光阀1上的所有像素的光都通过光路偏转元件2的透射平面的有效区域，所以在光路偏转元件2的平面变化影响较小(光路偏转角的位置中的变化)。根据传统技术，其中光路偏转元件位于投影透镜和光阀之间，如图4A中所示的光阀1上的像素f1和f2的光在从光阀1穿出之后不马上彼此空间重合，并且定位在光路偏转元件2中，在该光路偏转元件处，从像素穿出的光彼此不同。
也就是，在光路偏转元件2位于投影透镜和光阀之间的传统方法中存在的问题在于，穿过光路偏转元件2的光往往受到光路偏转元件2的面内变动影响。然而，将光路偏转元件2设置在光圈位置处或其附近提供使变动均匀的效果，从而使得像素的移动量均匀。
现在，将参照图7描述本发明第三实施例所述图像显示设备。在本发明所述第三实施例中，偏转角可以形成为使得提高设置的自由度并获得紧凑的光学系统。在本实施例中，除了光路偏转元件2位于投影光学系统3中的设置之外，光路偏转元件2为反射型。
随着操作进行，反射光路由光路偏转元件偏转微小角度，从而在屏幕表面4上产生期望的像素移动。通过在人无法识别的时间周期中进行高速移动，可以获得明显的高分辨率。在图7中，出于解释像素移动的目的，将偏转角度放大。
在图3中所示的传统结构中，其中光路偏转元件2位于投影光学系统3和光阀1之间，在光路偏转元件2和投影光学系统3之间需要用于折叠光的空间。于是，如果光路偏转元件2如图3中那样定位，则极大地减少了用于定位其它光学部件的空间，所述光学部件如用于将照明光与成像光分离的棱镜，或用于色彩合成的棱镜。因此，需要具有较长后焦点的光学系统。
于是，如果后焦点足够长，则反射型光路偏转元件2可以定位在传统结构中，其中光路偏转元件2定位在投影光学系统3和光阀1之间。然而，实际上投影透镜的空间由如光路分离的PBS或二向棱镜之类的光学部件占据，从而不可能将反射型光路偏转元件定位在光阀1和投影光学系统3之间。
另一方面，如果，反射型光路偏转元件2象本实施例中那样定位在光学系统中，则可以马上解决包括设置的问题在内的所有问题。另外，由于折叠光学系统用于投影光学系统3，所以投影光学系统3可以制作得较紧凑。
而且，如果光路偏转元件2设置在投影光学系统3中，则还具有下述优点。如图8中所示，当在有效像素区域中进行像素移动时，像素移动量增大，使得位置帧的顶线(head line)(屏幕4上用虚线表示的最低端的线)顺利连接到位置帧的端线(屏幕4上用实线表示的最上端的线)上，并且需要获得高准确性。也就是，像素必须设置成使得图像的连接部分无法视觉分辨。于是，通过将光路偏转元件2定位在光学系统中，可以消除光路偏转元件2的面内变动的影响，这能够在连接部分处获得准确的移动量。
现在，将参照附图9描述本发明第四实施例所述的图像显示设备。在本实施例中，显示区域可放大，并且有效地使用显示在光阀1上的像素，从而可以在不降低分辨率的情况下改变长宽比。为了获得上述特征，光路偏转元件2移动像素的量设置成等于多个像素，从而明显改变显示尺寸。
图9示出了不具有像素移动的屏幕(1)和经过像素移动的屏幕(2)。两种屏幕都彼此重叠(3)所表示的移动量ΔS。在附图中，每个小方形□都对应于象素。应注意的是，由于空间光调制元件调制的光被微透镜等减少，所以附图中方形□的一侧是空间光调制元件的一侧的一半。
图9示出了像素移动方向设置成屏幕的横向，并且图像在横向上移动，从而光阀1的长宽比从4(横向)∶3(纵向)转变为16(横向)∶9(纵向)的状态。结果，尽管产生了屏幕(1)和屏幕(2)彼此重叠的部分(5)，但是通过根据图像处理转换光阀1上的显示，对图像进行显示，使得图像显示成好像它们是同一图像。
现在，将参照图10描述本发明第五实施例。在本实施例中，显示区域增大，并且中央部分的可见分辨率(apparent resolution)增强，从而获得较高质量的图像显示。
通过在上述第四实施例中图9中所示的重叠区域(5)上进一步进行1/2像素移动，可以使图10中重叠区域(6)中的像素密度加倍。该技术能够增强中央部分的分辨率，尤其是在电视等中。
现在，将描述本发明的第六实施例。在本实施例中，显示区域加倍，从而增大了分辨率，并能够独立进行两个屏幕的显示，从而提高图像显示设备的使用方便性。
尽管上述第五实施例的结构中要求像素准确对准，但是在显示区域完全分离之前，可以进行像素移动。也就是，如图11中所示，屏幕(1)和屏幕(2)在横向上完全彼此分离。在这种情况下，偏转角设置成将显示区域完全分离的值，如图11中所示。分离的方向可以是垂直方向或水平方向或倾斜方向。
由于获得了双倍屏幕显示，所以图像显示设备可以应用于各种装置。另外，每个屏幕都能够单独显示不同图像。而且，通过使用左右屏幕之间的视差，可以将该技术应用于3维图像显示。于是，如果试图仅仅提供两个单独屏幕，则不需要在像素级别将两个屏幕的连接部分匹配。
现在，将参照图7、8和12描述本发明的第七实施例。在第七实施例中，消除了偏振光的处理，从而提高了光的使用效率。
在上述第五和第六实施例的结构中，检流计式反射镜用作光路偏转元件2。由于在传统光路偏转元件中使用液晶构件进行利用偏振依赖性的转换，所以适合于将与液晶面板组合的结构用作光阀。另一方面，通过使用本实施例的结构，变得易于使用反射型光阀，该光阀使用微镜装置(DMD：注册商标；由Texas Instruments Incorporated制造)。也就是，不需要使用偏振光转换光学系统或用于将照明光与投影成像光分离的偏振光分离元件，这获得了更加简化的光学系统。
图12说明了作为光路偏转元件的检流计式反射镜7以高转换速度将来自光阀1的反射光的偏转方向在两个方向之间转换的状态。两个方向中的光路用实线和虚线表示。如图中所示，反射点在检流计式反射镜7的支承点附近的位置和远离支承点的位置之间有所不同。也就是，光学系统为偏心系统，并且在微小角度变化情况下不是问题的图像恶化变成使高分辨率图像显示设备中投影性能下降的原因，该高分辨率图像显示设备在需要将偏转角度设置较大的情况下进行基于帧单元的像素移动。
通过将微镜装置(DMD：注册商标；由Texas Instruments Incorporated制造)用作消除光路中的这种差的装置，可以基于每个微小区域分配反射角。于是，如用图12中所示实线和虚线所表示的，反射点不会变化，由于投影光学系统的作用，所以这能够防止图像降质。
该微镜装置(DMD：注册商标；由Texas Instruments Incorporated制造)提供高速机械转换速度，如几微秒到几十微秒，并且可以几乎忽略图像在像素移动期间的状态。在使用液晶的光路偏转元件中，通过不显示偏转期间的图像，即通过中断光(以高速度中断照明侧上的光或者用光阀中断光)进行像素移动，可以防止可视分辨率的降低。
另一方面，使用微镜装置(DMD：注册商标；由Texas InstrumentsIncorporated制造)能够消除这种光的中断。另外，该微镜装置(DMD：注册商标；由Texas Instruments Incorporated制造)能够提供几度到几十度的反射镜偏转角度，该装置适合于移动整个帧。
图7说明了用于通过等于或小于象素间距的移动量进行可视高分辨率显示的光路的情况。图8说明了用于通过在移动方向上移动等于或大于屏幕尺寸的量增大屏幕尺寸的光路情况。
现在，将描述本发明的第八实施例。在本实施例中，防止了反射位置的变化，从而提供高质量图像，反射位置的变化是具有较大直径反射镜的光路偏转元件的问题。另外，通过用微镜制作光路偏转元件实现高速驱动，从而增大了像素移动速度。而且，消除了在传统技术中所需要的光的中断，从而试图提高光的使用效率。
尤其是，在本实施例中，将反射镜阵列用作上述第五和第六实施例的光路偏转元件2，该反射镜组具有二维模式的可机械移动的反射镜。作为反射镜阵列，其中以二维模式设置可机械移动的反射镜，该微镜装置(DMD：注册商标；由Texas Instruments Incorporated制造)为典型装置，并在本实施例中用作光路偏转元件。
将参照图13描述本发明的第九实施例。在本实施例中，除了第七实施例的结构之外，还试图以低成本实现增加有效像素的数量，和改进图像的精细度(fineness)。
在本实施例中，增加像素数量的方向设置成两个彼此垂直的方向。尤其是，如图13中所示，像素数量在每个垂直和水平方向上都加倍，从而像素总数变为四倍。应当注意的是，图13说明了投影屏幕上的放大显示区域。通过在垂直方向上移动与(垂直方向上有效像素数量)×(垂直方向上象素间距)相对应的量，并在水平方向上也移动与(水平方向上有效像素数量)×(水平方向上象素间距)相对应的量，该显示区域放大四倍，并且像素数量也增大四倍。
当不进行像素移动时，只显示与位置(1)相对应的像素。然而，在本实施例中，通过高速重复像素移动，操作光阀，从而通过驱动光阀，和像素移动同步输出与位置(2)至(4)相对应的图像信号，增大显示区域。
现在，将描述本发明的第十实施例。在本实施例中，除了第七实施例的目的之外，还试图以低成本实现增加有效像素的数量和改进图像的精细度。
尤其是，通过光路偏转元件2将像素移动小于像素间距的移动量使像素数量加倍，增大像素的可见数量，该光路偏转元件进行微小角度的偏转，并且还通过与光阀1的有效像素相对应的像素移动将显示区域加倍。如果光路偏转元件2A移动像素的半个间距，并且光路偏转元件2B移动与光阀1的有效像素相对应的量，则认为有8种组合，即，两个光路偏转元件2A和2B都位于光阀1和投影光学系统3之间的结构，无论每个光路偏转元件2A和2B是反射型或透射型，光路偏转元件2A和2B的其中一个位于投影光学系统3中的结构。这对于将光路偏转元件2A定位在投影光学系统3之前，并将光路偏转元件2B定位在投影光学系统3中的布局具有优点。
图14A说明了整个屏幕。图14B说明了图14A中用虚线环绕的放大部分11。面板尺寸具有与垂直伸长的显示区域相对应的长宽比，该显示区域由光路偏转元件2分成左右两半，从而获得具有期望长宽比的显示尺寸。在水平方向上，像素的间距P的一半以高速移动，从而显示总共四倍的像素数量(第十一实施例)。
每个上述实施例都是一个例子，并且垂直方向和水平方向之间的关系可以颠倒。另外，即使是同一方向，也具有效果。
图10说明了本发明的第十二实施例，其中显示区域在垂直方向上移动，并且像素移动间距P的一半的量。
图16A和16B说明了本发明的第十三实施例。在第十三实施例中，通过在水平方向上移动等于或大于屏幕尺寸的量获得两个屏幕显示，通过1/2像素移动的组合同时获得高分辨率和显示尺寸增大。
图17说明了用于解释本发明的第十四实施例的屏幕。在第十四实施例中，在长宽比将发生变化方向上的移动量与多个像素相对应，并且在长宽比将发生变化的方向上移动1/2间距。尽管未在图中说明，但是像素密度可以通过移动光路偏转元件2而加倍，该光路偏转元件在倾斜方向上将光偏转微小角度。
尽管光路偏转元件使用反射镜阵列在一方向上进行角度偏转，但是本发明不仅局限于这种在一维方向上的驱动，其中可机械移动的反射镜以二维模式设置在该反射镜阵列中，如微镜装置(DMD；商标；由TexasInstruments Incorporated制造)。如果反射镜阵列可以在彼此垂直的两个方向上受到驱动，则变得可能进行这样的显示，即，通过单个反射镜阵列在垂直方向和水平方向上将像素数量加倍。
图18说明了本发明第十五实施例所述的光学系统。在本实施例中，包括反射镜的光路偏转元件设置在投影光学系统中。
从空间光调制元件(图中未示出)出射的光在附图中从左侧入射到投影光学系统15上。入射到投影光学系统15上的光通过投影透镜，并由包含反射镜的光路偏转元件16反射。然后，光通过投影透镜(投影光学系统17)，该投影透镜设置在与光入射轴倾斜的方向上，并且光在如屏幕之类的投影表面18上形成图像。
此处，包含反射镜的光路偏转元件16设置有如驱动器之类的驱动部分，从而改变相对光路偏转元件16的光入射轴的倾斜角度。通过高速改变光路偏转元件16的倾斜角度，由光路偏转元件16反射的反射光的方向以高速改变。于是，人眼可以将从一个像素出射的光看作从两个像素出射的光。
作为具体驱动机构，压电元件用作用于驱动光路偏转元件16的驱动器，其中压电元件连接到光路偏转元件16的反射镜的一侧上，并且该反射镜的相对侧受到支承，从而压电元件所产生的位移转换成反射镜的角度变化。通过控制施加到压电元件上的电压，可以控制光路的偏转角度。另外，可以利用使用电磁驱动的驱动器机构，它通常在拾取器光学系统中使用。而且反射镜的支承部分可以制作成基本一个点，从而获得双驱动轴。图18中所示的投影光学系统是所谓的投影透镜，它使用常规折射光学系统，并且本发明不仅局限于这种透镜构造。
将描述本发明的第十六实施例。在本实施例中，使用能够在一个轴的方向上偏转光路的两个光路偏转元件，并且这两个光路偏转元件设置使得它们两个的偏转方向彼此垂直，从而在四个不同方向上改变光路的偏转方向。
根据上述结构，由于视觉的持续性，所以人眼可以将从一个像素出射的光看作从四个像素出射的光。当然，根据透镜设计布局，可以在光学系统中设置两个折叠部分，并且可以进行两组光路偏转。或者，至少在一个轴的方向上进行光路偏转的其中一个光路偏转元件可以设置在光学系统中，并且另一个可以设置在面板和投影光学系统之间。根据两组光路偏转元件设置在面板和投影光学系统之间的结构，可以减小板和投影透镜之间的距离，这提高了布局设计的自由度。
本发明不仅局限于具体公开的实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以进行变化和修改。

Claims (13)

1.一种图像显示设备，包括：
照明光源；
显示图像的空间光调制元件；
投影光学系统，它将形成在空间光调制元件上的图像颠倒、放大并投影；
光路偏转元件，它设置在所述空间光调制元件和由投影光学系统形成在屏幕上的图像之间，从而根据屏幕帧周期偏转投影在屏幕上的图像的光路，所述光路偏转元件高速移动投影在屏幕上的图像的光路，从而明显增加像素的数量，
其中，所述光路偏转元件位于所述投影光学系统中，且
其中，所述光路偏转元件包括反射镜和驱动该反射镜的驱动部分，并且所述驱动部分改变光轴和所述反射镜的镜表面之间的倾斜角度，从而偏转光的投影方向；且
所述光路偏转元件包括第一和第二光路偏转元件，该第一光路偏转元件将像素偏转小于像素间距的移动量，而该第二光路偏转元件将像素偏转与有效像素区域相对应的移动量，从而增大所显示的像素的可见数量，并增大显示区域。
2.如权利要求1所述的图像显示设备，其中，所述光路偏转元件位于所述投影光学系统的光圈位置处或其附近。
3.如权利要求1所述的图像显示设备，其中，所述光路偏转元件为反射型光路偏转元件。
4.如权利要求3所述的图像显示设备，其中，所述光路偏转元件为检流计式反射镜。
5.如权利要求3所述的图像显示设备，其中，所述光路偏转元件为反射镜阵列，该反射镜阵列具有以二维模式设置的可机械移动的反射镜。
6.如权利要求1所述的图像显示设备，其中，通过将由所述光路偏转元件获得的像素移动量增大到大于像素在像素移动方向上的设置宽度，进行多屏幕显示。
7.如权利要求1所述的图像显示设备，其中，所述第一和第二光路偏转元件各自包括一组元件，每组元件都在一个方向上移动像素，从而像素在彼此垂直的方向上高速移动。
8.一种用于将由空间光调制元件调制的光投影在投影表面上的投影光学系统，包括：
多个透镜；
光路偏转元件；及
驱动光路偏转元件的驱动部件，其中，所述光路偏转元件设置在所述空间光调制元件一侧上的透镜和所述投影表面一侧上的透镜之间，并且由经所述空间光调制元件调制的光所形成的图像被所述空间光调制元件一侧上的透镜和所述投影表面一侧上的透镜颠倒，
其中，所述光路偏转元件包括反射镜和驱动该反射镜的驱动部分，并且所述驱动部分改变光轴和所述反射镜的镜表面之间的倾斜角度，从而偏转光的投影方向；且
所述光路偏转元件包括第一和第二光路偏转元件，该第一光路偏转元件将像素偏转小于像素间距的移动量，而该第二光路偏转元件将像素偏转与有效像素区域相对应的移动量，从而增大所显示的像素的可见数量，并增大显示区域。
9.如权利要求8所述的投影光学系统，还包括光圈构件，其中，所述光路偏转元件位于所述光圈构件附近。
10.如权利要求8所述的投影光学系统，还包括光圈构件，其中，所述光路偏转元件连接到所述光圈构件上。
11.如权利要求8所述的投影光学系统，其中，所述反射镜的倾斜角度至少在两个轴向上变化。
12.如权利要求8所述的投影光学系统，其中，所述第一和第二光路偏转元件设置成使得两个光路偏转元件偏转光路的方向彼此垂直。
13.一种图像显示设备，包括：
如权利要求8所述的投影光学系统；及
将光投影到空间光调制元件的照明光源。
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