投影型显示装置的制作方法

本发明涉及具有检测功能的投影型显示装置。

背景技术：

近年来，智能电话、平板终端等可使用触摸屏，由此可允许通过直观的点击操作对屏幕上所显示的图像进行翻页、放大或缩小。另一方面，作为通过在屏幕上投影图像来进行显示的显示单元，投影仪(投影型显示装置)已是众所周知的。举例来说，如专利文献1和2所公开的，提出一种在这种投影仪中增加如触摸屏之类的检测功能的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本未审专利申请公开no.2007-52218

专利文献2：日本未审专利申请公开no.2003-44839

技术实现要素：

在专利文献1所描述的投影仪中，利用单个投影透镜实现投影光学系统所进行的图像投影以及检测光学系统所进行的检测光接收。此外，产生图像的光阀和接收检测光的成像元件被布置于光学共轭的位置。这样的装置构造可允许准确地检测物体，并且不需要进行例如校准之类的复杂处理。利用简单的构造就能实现交互装置。

但是，专利文献1中所描述的上述构造不能在投影面上保证足够的检测区域(可检测区域，检测范围)，因此有进一步改进的空间。因此，需要实现一种能基本上在整个投影区域中进行物体检测的装置。

因此，需要提供一种利用简单的构造实现物体检测、并能在整个投影区域中检测物体的投影型显示装置。

根据本发明的一个实施方式的投影型显示装置包括投影光学系统、偏振分离元件和成像元件。投影光学系统包括照明部、投影透镜和光阀。所述光阀基于图像信号调制从所述照明部提供的照明光，并向所述投影透镜射出调制后的照明光。所述偏振分离元件布置在所述光阀和所述投影透镜之间，用于将入射的光分离为第一偏振分量和第二偏振分量，并分别向互不相同的方向射出所述第一偏振分量和所述第二偏振分量。所述成像元件被布置在与所述光阀光学共轭的位置，并且经由所述投影透镜和所述偏振分离元件，基于沿投影面附近的平面照射的不可见光的光被入射到所述成像元件。所述投影型显示装置满足以下条件式，

d1<β×d2(1)

其中，d1为光阀的对角线尺寸，d2为成像元件的对角线尺寸，β为检测光学系统的光学倍率，当检测光学系统为缩小光学系统时β大于1，当检测光学系统为放大光学系统时β小于1，且当检测光学系统为等倍光学系统时β等于1。

要注意的是，本文所使用的“对角线尺寸”是指光阀的有效区域(绘图区域，或有效显示区域)和成像元件的有效区域(有效成像区域)之一的对角线的长度。

在根据本发明的一个实施方式的投影型显示装置中，成像元件布置在与光阀光学共轭的位置，并且经由投影透镜和偏振分离元件，基于沿投影面附近的平面照射的不可见光的光(被物体反射的不可见光的一部分)被入射到所述成像元件。由此，可以与投影区域内的位置和检测区域内的位置相对应地检测物体，而不需要执行诸如校准之类的复杂信号处理。此外，通过满足条件式(1)，可允许在基本上整个投影区域中检测物体。

根据本发明的一个实施方式的投影型显示装置，成像元件被布置与光阀光学共轭的位置，并且经由投影透镜和偏振分离元件，基于沿投影面附近的平面照射的不可见光的光被入射到所述成像元件。由此可以检测物体，而无需执行复杂的信号处理。此外，通过满足条件式(1)的结构，可以在基本上整个投影区域中检测物体。因此，可以利用简单的结构实现物体检测，并能够在整个投影区域中检测物体。

要注意的是，上述描述仅仅是本发明的示例。本发明的效果不限于上述效果，也可以不同于上述效果，或者可进一步包括任意其他效果。

附图说明

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施方式的投影型显示装置的外观及其使用状态。

图2为显示图1所示的投影型显示装置的功能构造的框图。

图3为图1所示的状态的示意性侧视图。

图4显示了图1所示的近红外光源的构造示例。

图5a为柱面阵列透镜的第一构造示例的透视图。

图5b为柱面阵列透镜的第二构造示例的透视图。

图6显示了图1所示的投影型显示装置的主要部分的构造。

图7示意性地显示了偏振分离元件的一个构造示例以及入射光和射出光的状态。

图8a示意性地显示了接收检测光的概念。

图8b示意性地描述了依据检测位置不同而导致的入射角差别。

图8c示意性地显示了检测位置坐标的一个示例。

图9示意性地描述了检测光的反射点和假想发光点之间的差别。

图10描述了成像元件的对角线尺寸。

图11示意性地显示了投影透镜的像圈以及光阀的尺寸和成像元件的尺寸。

图12为图11的局部放大图。

图13示意性地描述了像圈的详细条件。

图14示意性地显示了图1所示的投影型显示装置的图像显示和物体检测的概念。

图15a示意性地显示了根据比较例的投影透镜的像圈。

图15b示意性地显示了根据比较例的投影透镜的像圈以及成像元件的尺寸。

具体实施方式

下文参照附图详细描述了本发明的若干实施方式。要注意的是，按以下顺序进行描述。

实施方式(成像元件的对角线尺寸被设置为满足预定条件式、且投影透镜所提供的像圈(imagecircle)半径被最优化的投影型显示装置的示例)

1.构造

2.作用和效果

<实施方式>

[构造]

图1显示了根据本发明的一个实施方式的投影型显示装置(投影型显示装置1)的外观及其使用状态。图2显示了投影型显示装置1的功能构造。举例来说，投影型显示装置1可以为一种投影仪(所谓的超短焦型(ultra-shortthrow))，当将该投影仪放在例如桌面等平坦表面上时(或者安装在例如墙面上时)，将图像投影在装置附近。除了图像显示功能以外，所述投影型显示装置1还具有主动进行物体检测的功能。如图1所示，通过在投影有图像的投影区域(投影区域s11)中用手指(指示物71)对所显示的图像执行触摸等任意动作，可以进行预定的输入操作，这将在下文中进行详细描述。

参照图2，投影型显示装置1可包括照明部11、光阀12、成像元件13、缩小光学系统14、偏振分离元件15、投影透镜16和信号处理部17。在上述组件之中，举例来说，照明部11、光阀12以及投影透镜16可构成投影光学系统10a。此外，举例来说，成像元件13和缩小光学系统14可构成检测光学系统10b。要注意的是，举例来说，照明部11、光阀12、成像元件13和信号处理部17可由系统控制器(未示出)按照预定时序进行驱动控制。

所述投影型显示装置1可包括具有近红外光源40的外壳。近红外光源40可射出近红外(nir)光作为用于检测的不可见光，并沿投影面110附近的平面照射近红外光。也就是说，近红外光源40可以在投影面110的附近提供近红外光的光栅膜(barrier)(用于检测的光平面110a)，从而使该近红外光的光栅膜(用于检测的光平面110a)覆盖投影区域s11。参照图3，用于检测的光平面110a可位于离投影面110预定高度“h”的平面中。所述预定高度“h”可以与通过投影透镜16的光轴的高度不同。

作为举例，用于检测的光平面110a在约数毫米到约数十毫米的高度“h”的位置处的厚度(高度方向上的宽度)为2mm到3mm。此外，用于检测的光平面110a可在面内方向上覆盖投影区域s11。一般而言，投影面110是平坦的。因此，在未出现遮蔽物或例如手指或指示棒之类的指示物71时，用于检测的光平面110a是不被遮挡的。也就是说，监控投影面110的成像元件13没有捕捉到任何东西。在该状态下，当指示物71接近投影面110时，或当指示物71执行例如触摸投影面110之类的操作时，用于检测的光平面110a的近红外光被指示物71遮挡，从而在所述遮挡位置处被漫射和反射。到达指示物71且被指示物71反射的光向多个方向射出，其中一部分反射光被投影透镜16的孔径接收。被接收的所述一部分反射光经由投影透镜16和偏振分离元件15到达成像元件13。此时，在投影面110上以点状产生的光斑扩散点会在成像元件13上聚焦，并在与投影图像中的位置相对应的位置处聚焦。这是因为提供图像的光阀12和成像元件13被布置于光学共轭的位置处。通过这样的方式，可以检测物体的位置。此外，超短焦型具有操作时屏幕可见的优点。这是因为超短焦型的投影光线向投影面110的附近发射，这些光线难以被执行操作的人的部分躯体遮挡。

要注意的是，如图所示，近红外光源40例如位于投影型显示装置1的外壳的下方；但是，近红外光源40也可以布置为与投影型显示装置1相邻，或可布置为不与投影型显示装置1相邻。近红外光源40可布置在远离投影型显示装置1的位置，只要将用于检测的光平面110a形成为覆盖投影区域s11。可选的是，近红外光源40可布置于投影型显示装置1的外壳(壳体)的内部。在本发明中，近红外光源40可以根据下文将要描述的光学设计而布置在与投影面110相距较远的高度，从而易于使近红外光源40与投影型显示装置1形成为一体。

所述用于检测的光平面110a可以实现以下机制：当物体(指示物71)接触或接近投影面110a时，近红外光被指示物71反射(漫射和反射)，且所述反射光中的一部分作为检测光被投影型显示装置1接收。

参照图4，举例来说，近红外光源40可包括近红外激光器42、准直透镜43和柱面阵列透镜44。从柱面阵列透镜44射出的近红外光41可形成用于检测的光平面110a。参照图5a，柱面阵列透镜44可包括由多个凸柱面透镜组成的阵列。柱面阵列透镜44可布置为使每个柱面透镜的母线44a与垂直于投影面110的平面相对。要注意的是，也可以使用图5b所示的具有由多个凹柱面透镜组成的阵列的柱面阵列透镜45来代替凸柱面阵列透镜44。

照明部11可经由偏振分离元件15向光阀12射出照明光l1。所述照明部11没有特别限制，只要照明部11射出可见光作为照明光l1。举例来说，照明部11可包括蓝色激光器、绿色激光器和红色激光器(图中均未示出)。

下文将参照图2和图6至13，描述投影型显示装置1的主要部分的构造。

(投影光学系统10a)

光阀12可以是反射型液晶元件，例如硅基液晶(lcos)。举例来说，光阀12可基于图像数据对照明光l1中所包含的第一偏振分量(例如下文所描述的s偏振分量ls1)进行调制。由光阀12调制后的光的偏振状态被旋转，转换为第二偏振分量(例如，下文描述的p偏振分量lp1)。调制后的光经由偏振分离元件15，向投影透镜16射出。要注意的是，通过在不改变其偏振状态的情况下使入射光(s偏振分量ls1)返回偏振分离元件15，光阀12可以执行黑色显示。举例来说，所述光阀12的有效区域的平面形状可以为矩形形状。

投影透镜16可以在投影面110上投影从光阀12经由偏振分离元件15入射的光(图像光l2)。举例来说，投影透镜16可以是超短焦型透镜，其投射比(throwratio)为0.38或更小。此处，投射比表示为l/h，其中l为从投影透镜16到投影面110的距离，h为投影区域s11的宽度。参照图2和6，来自于与调制光的行进方向相反的方向的检测光(近红外光la1)可入射至所述投影透镜16。按上文所述的方式，在本实施方式中，可经由投影光学系统10a的投影透镜16接收检测光，并引导至检测光学系统10b。此外，可以不利用光阀12的尺寸、而是利用成像元件13的尺寸作为基准，设置所述投影透镜16提供的像圈的半径，这将在下文中进行详细描述。

(偏振分离元件15)

偏振分离元件15将入射的光分离为第一偏振分量(例如s偏振分量)和第二偏振分量(例如p偏振分量)，并分别向互不相同的方向射出第一偏振分量和第二偏振分量。举例来说，所述偏振分离元件15包括偏振波束分光器(pbs)。偏振分离元件15可选择性地反射第一偏振分量(在偏振分离面150处反射)、并选择性地透过第二偏振分量(透过偏振分离面150)。在本实施方式中，根据将偏振波束分光器用作偏振分离元件15的示例进行描述。但是，偏振分离元件15不限于偏振波束分光器，可以包括线栅(wiregrid)。在该情况中，线栅具有与偏振波束分光器不同的特性，因此能够选择性地反射作为入射光中的第一偏振分量的p偏振分量，并允许选择性地透过作为第二偏振分量的s偏振分量。

参照图6，举例来说，所述偏振分离元件15具有四个光学面(第一面15a，第二面15b，第三面15c和第四面15d)以及偏振分离面150。第一面15a和第三面15c在一个轴方向(图中的左右方向)上彼此相对，第二面15b和第四面15d在一个轴方向(图中的上下方向)上彼此相对。在这样的构造中，照明光l1入射在第一面15a上，第二面15b与光阀12相对。第三面15c与检测光学系统10b相对。第四面15d与投影透镜16相对。

图7显示了偏振分离元件15的一个构造示例。如图所示，偏振分离元件15可以反射从第一面15a入射的照明光l1中的第一偏振分离(s偏振分量ls1)，并从第二面15b射出。另一方面，照明光l1中的第二偏振分离(p偏振分量lp1)从第三面15c射出。此外，从第二面15b入射的光(由光阀12调制后的光)中的第二偏振分量(p偏振分量lp2)从第四面15d射出。这样，投影光学系统10a可以投影图像。而另一方面，从第四面15d入射的光(近红外光la1)中的第一偏振分量(s偏振分量ls3)被反射，并从第三面15c射出。成像元件13可基于所述s偏振分量ls3接收光。因此，可在成像元件13中获得成像信号d0。

(检测光学系统10b)

成像元件13布置在与光阀12的光学共轭的位置。更具体而言，当光阀12为反射型液晶元件时，成像元件13可布置为使产生图像的显示面(液晶面)和成像元件13的成像面处于光学共轭的关系。成像元件13可包括固态成像元件，例如互补金属氧化物半导体(cmos)和电荷耦合器件(ccd)等。举例来说，成像元件13的有效区域的平面形状可以为矩形形状。在本实施方式中，所述成像元件13的对角线尺寸被设计为满足预定条件式，这将在下文中进行详细描述。

参照图6，举例来说，包括所述成像元件13的检测光学系统10b的一个示例包括从共轭平面50侧依次布置的可见光阻断滤光器17a、带通滤光器17b、缩小光学系统14(中继透镜组14a和14b)、偏振器18和成像元件13。

可见光阻断滤光器17a可减少入射光中的可见光分量。通过提供所述可见光阻断滤光器17a，在将偏振波束分光器用作偏振分离元件15时，可以在不关闭照明部11的光源的情况下阻止大量照明光l1射入成像元件13。这样，可以在成像元件13侧几乎只让检测光射入，从而增大s/n比，以改善检测精度。要注意的是，在本示例中，可提供一个可见光阻断滤光器17a；但是，可见光阻断滤光器17a的数量不限于一个，也可以为两个或多个。此外，在本示例中，可见光阻断滤光器17a可布置在共轭面50和缩小光学系统14之间的位置；但是，可见光阻断滤光器17a也可以布置在其他位置，例如，在缩小光学系统14和成像元件13之间的位置。

带通滤光器17b可选择性地透过特定波长(近红外光)，并减少其他波长。

偏振器18可以是减少照明光l1所包含的第二偏振分量的光学组件。在本示例中，上述偏振分离元件15允许照明光l1中的第二偏振分量(如p偏振分量)透过，从而允许所述p偏振分量射入检测光学系统10b。这样会影响成像元件13中所获得的成像信号的s/n比。在本实施方式中，提供偏振器18可以阻挡照明光l1所包含的第二偏振分量(如p偏振分量)，从而增大s/n比。要注意的是，偏振器18的位置不限于图中所示的缩小光学系统14和成像元件13之间的位置。偏振器18可布置于其他位置，例如，共轭面50和缩小光学系统14之间的位置。

缩小光学系统14包括一个或多个中继透镜组(在本示例中为两个中继透镜组14a和14b)。中继透镜组14a和14b均具有正的光焦度(positivepower)，且包括至少一个透镜。中继透镜组14b的焦距fi可设置为小于中继透镜组14a的焦距fb。例如，在2fi等于fb(2fi＝fb)的条件下，中继透镜组14a可布置在与光阀12的共轭面50相距焦距fb的位置，中继透镜组14b可布置在与中继透镜组14a的位置相距(fb+fi)的位置，且成像元件13可布置在与中继透镜组14b相距焦距fi的位置。通过中继透镜组14a和14b的上述布置，可实现缩小光学系统，等效于将成像元件13布置在共轭面50上的情况。也就是说，在保持与光阀12的共轭位置关系的同时，可以减小成像元件13的尺寸。要注意的是，本实施方式是参照检测光学系统10b包括缩小光学系统14的示例进行描述。但是，也可以不提供所述缩小光学系统14。具体而言，检测光学系统10b可包括放大光学系统或等倍光学系统。

利用上述缩小光学系统10b检测物体有利于降低成本。成像元件13的成本受成像元件13的尺寸的影响非常大。在构造投影仪的成本中，作为半导体组件的光阀12和成像元件13的比重很大。因此，减小这些组件的尺寸有利于降低成本。此外，由于利用中继光学系统延长了共轭点，因此利用上述缩小光学系统检测物体还有利于提高配置自由度。例如，通过在组件之间提供间隙，可以通过在间隙中提供反射镜等来实现曲折光学系统。

按照本实施方式，上述检测光学系统10b中的成像元件13的对角线尺寸满足以下条件式(1)，其中d1为光阀12的对角线尺寸，d2为成像元件13的对角线尺寸，β为检测光学系统的光学倍率。当检测光学系统为缩小光学系统时β大于1，当检测光学系统为放大光学系统时β小于1，检测光学系统为等倍光学系统时β等于1。要注意的是，在本实施方式中，检测光学系统10b包括缩小光学系统，因此所述β是缩小光学系统14的缩小倍率，并且大于1(β>1)。还要注意的是，对角线尺寸d1是光阀12的有效区域的对角线尺寸，对角线尺寸d2是成像元件13的有效区域的对角线尺寸。

d1<β×d2(1)

下面参照图8a至11描述上述条件式(1)的推导根据。

首先，概略描述检测光的接收。如图8a所示，当例如手指之类的指示物71触摸或接近投影面110时，位于投影面110附近的用于检测的光平面110a中的近红外光la到达指示物71，并朝各个方向漫射和反射。这些漫射反射光(散乱光)中的一部分(近红外光la1)被投影透镜16聚光，聚集的光入射到检测光学系统10b的射出瞳e1。

下面对上文所述的检测光学系统10b经由投影透镜16接收的近红外光la1进行详细描述。参照图8b，当检测投影面110上的物体的位置时，近红外光la1的入射角(入射到检测光学系统10b的射出瞳e1的近红外光la1与投影面110所形成的角度θ)可根据检测位置而不同。具体而言，当从最接近射出瞳e1的位置p1看时，射出瞳e1位于上方。入射角θ因此在位置p1处最大。此外，在依次远离射出瞳e1的位置p2和p3处，入射角θ依次逐渐减小。入射角θ在离射出瞳e1最远的位置p4处最小。

图8c和下表1至3描述了一个示例。表1描述了投影条件。要注意的是，射出瞳e1位于与例如屏幕或地板之类的投影面100相距100mm的高度处。图8c描述了基于所述投影条件形成的投影区域s11中的位置p1至p4的位置坐标(x,y,z)。此外。表2描述了离射出瞳r1的距离以及每个位置p1至p4的位置坐标(x,y,z)。此外，表3描述了每个位置p1至p4中的由射出瞳e1和投影面110形成的角度(入射角θ)。可以理解的是，入射角θ可根据离射出瞳e1的距离而变化。入射角θ在位置p1处最大(θ＝33.7°)，在位置p4处最小(θ＝10.5°)。此外，入射角θ在位置p2处为17.6°，在位置p3处为12.2°。

[表1]

[表2]

[表3]

从上文可以理解的是，离射出瞳e1的距离和入射角θ可依据检测位置不同而变化。这些参数的值本身依据投影区域s11的尺寸或超短焦型透镜的设计等而不同。但是，依据上述检测位置的不同，入射角θ的相对大小关系不会变化。因此该关系可用于识别指示物71的位置。

下面，详细考虑入射到射出瞳e1的近红外光la1。图9示意性地显示了指示物71附近的反射状态。要注意的是，示意图的上部显示了位置p1处的反射，示意图的下部显示了位置p4处的反射。如图9所示，用于检测的光平面110中的近红外光la到达指示物71，并被指示物71反射。此时，会发生以下现象。即在本实施方式中，从射出瞳e1(投影透镜16)的角度来看，近红外光la1可以被看作不是从近红外光实际到达指示物71的反射点(实照射点)pa1和pa2发出的光，而是从高度为“h”的倾斜部分在投影面110上的更远的点(假想发光点pb1和pb2)发出的光。也就是说，在与指示物71的实际位置对应的反射点pa1、和假想发光点pb1之间存在差异t1。类似的是，在反射点pa2和假想发光点pb2之间存在差异t2。此外，这些差异(检测位置的延伸量)受到检测位置(即入射角θ)的影响。入射角θ越小，这些差异越显著。在本示例中，位置p4处的入射角θ最小。因此，位置p4处的差异t2具有最大值。要注意的是，位置p1处的入射角θ最大，因此位置p1处的差异t1具有最小值。

图10显示了用于描述投影光学系统10a的投影区域s11和放大倍率α之间、以及检测光学系统10b的光接收对象区域s12和缩小倍率β之间的关系的构造。如图所示，投影面110上的投影区域s11的尺寸，是光阀12的对角线尺寸d1被投影透镜16放大α倍后的相应尺寸(α×d1)。

另一方面，成像元件13的光接收对象区域s12受反射点(实照射点)和假想发光点之间的差异的影响。为此，为了能在尺寸为(α×d1)的整个投影区域s11中进行检测，理想的是将上述差异纳入考虑，将光接收对象区域s12的尺寸设置为大于投影区域的尺寸(α×d1)。换言之，优选满足上述条件式(1)。要注意的是，放大倍率α与缩小倍率β同样大于1。

(像圈的优化)

一般来说，“像圈”是指通过透镜的光聚焦的圆形范围。在例如投影仪之类的投影系统中，像圈被设计在确保使光阀的有效区域的位置处。也就是说，像圈被设计为在投影透镜中确保从光阀的有效区域射出的光线的通过区域。而另一方面，在例如照相机之类的成像系统的方案中，像圈被设计为在成像透镜中确保入射到成像元件的有效区域的光线的通过区域。在本实施方式中，利用单个投影透镜16执行图像投影和接收检测光(近红外光)。因此优选为将像圈(像圈c1)设置为确保通过具有最高图像高度的高部的光线。

图11显示了像圈c1与对应于光阀12的有效区域的面形状(矩形形状a1)、以及对应于成像元件13的有效区域的平面形状(矩形形状a2)之间的关系。要注意的是，图12是对图11的局部进行了放大。此外，具体而言，矩形形状a1和a2对应于投影透镜的大致焦距位置处的平面形状。对于本实施方式的超短焦型而言，像圈c1被设计为确保图像高度沿着一个方向(在本示例中为图11的y方向)极大地移位(偏移)的光线的通过区域。在此，对于只进行图像投影的投影仪而言，像圈(像圈c100)被设计为在光阀12的矩形形状a1的一部分的顶点处外接。具体而言，像圈c100被设计为与共用矩形形状a1的一条长边的一对顶点a11和a12相接。将像圈c100设计为与矩形形状a1外接的一个原因是，由于像圈半径本身非常大，投影透镜的尺寸也很大，因此为了维持特性和成本，像圈的半径优选为尽可能小。

但是，在本实施方式中，在投影光学系统10a和检测光学系统10b共用投影透镜16的情况中，在反射点和假想发光点之间可能存在差异(延伸量)。因此在设计像圈c1时最好考虑到上述问题，即考虑成像元件13的矩形形状a2。

具体而言，像圈c1被设计为像圈c1不接触矩形形状a1，且包围矩形形状a1。也就是说，像圈c1被设计为半径大于与矩形形状a1的顶点a11和a12相接的圆(像圈c100)的半径，且小于或等于与共用成像元件13的矩形形状a2的一条长边的一对顶点a21和a22相接的圆的半径。成像元件13的矩形形状a2的中心位置与矩形形状a1的中心位置基本相同，且在尺寸上大于矩形形状a1。具体而言，矩形形状a2包括矩形形状a1以及考虑到上述差异而形成的覆盖区域a2a。此外，更优选的是，如图11所示，像圈c1的半径等于与矩形形状a2的顶点a21和a22相接的圆的半径。要注意的是，像圈c1的半径不限于与矩形形状a2的顶点a21和a22相接的圆的半径完全一致的情形。具体而言，例如，在加工透镜时产生的误差，在贴装透镜时因透镜移位产生的误差，或因其他情况产生的误差都是可接受的。此外，由于预先考虑到这些误差，因此像圈c1也可被设计为尺寸上稍微偏大。

下面进一步描述像圈c1的详细条件。参照图13，考虑到上述差异而形成的覆盖区域a2a的宽度“t”可以通过用于检测的光平面110a的高度“h”和入射角θ来表示(t＝h/tanθ)。相应的，为了使成像元件13接收从与矩形形状a1(投影区域s11)的端部位置对应的反射点pa(假想发光点pb)射入的近红外光la1，像圈c1的半径r1优选为满足以下条件式(2)。

r1≥r0+h/α×tanθmin(2)

其中，r0是与光阀12的矩形形状a1的顶点a11和a12相接的圆的半径(像圈c100的半径)，如图10所示，α是的投影倍率(投影尺寸与光阀的有效区域尺寸之比)，“h”是用于检测的光平面110a离投影面110的高度，θmin是入射到检测光学系统10b的近红外光la1与投影面110形成的角度(入射角)θ的最小值。

此外，最好进一步满足以下条件式(3)。通过同时满足条件式(2)和(3)，可以将像圈c1设计为包括光阀12的有效区域所需的光路，且包括与光阀12同轴布置的成像元件13所需且足够的光路。

β×d2≥d1+2h/α×tanθmin(3)

举例来说，信号处理部17可基于来自成像元件13的成像信号，检测指示物(物体)71(例如人的手指和指针)的特征点的位置在例如投影面110上的投影区域s11中的对应坐标。特征点的示例包括人的指尖的形状，手指的重心，以及手的重心等等。

[作用和效果]

参照图14，投影型显示装置1可利用投影透镜16将光阀12处形成的图像信息v1投影在投影面110上，并放大显示为投影图像v2。举例来说，投影面110可以是桌面。而另一方面，投影型显示装置1可利用从成像元件13获得的成像信号d0，检测物体在投影面110上的位置。物体位置的示例包括指示物(物体)71(例如人的手指和指针)的特征点的位置pt1。

在本实施方式中，投影透镜16可以被投影光学系统10a和检测光学系统10b共用，且成像元件13被布置在与光阀12光学共轭的位置。这样，就可以在与投影区域s11基本相同的检测区域(可检测区域)中检测物体。此外，通过上述光学共轭的位置关系，能监控在投影面110上的指示物71的特征点的位置pt1经由投影透镜16而与投影图像v2重叠。此外，举例来说，利用信号处理部17对指示物71的形状进行图像处理，以检测指示物71的特征点的位置pt1的坐标，由此可以在投影图像v2上进行指向操作。在该情况中，投影区域s11内的任意坐标位置一一对应于检测区域内的坐标位置。因此，成像元件13侧的检测位置pt2的坐标对应于指示物71的特征点的位置pt1的坐标。也就是说，可以与投影区域s11内的位置和检测区域内的位置相对应地检测物体，而不需要执行例如校准之类的复杂信号处理。要注意的是，指示物71的数量可以是两个或多个。例如，可以检测两只手的指尖的坐标。利用以该方式检测到的指示物71的特征点的位置，可以进行直观的操作，就好像触摸屏集成在投影仪的投影图像v2中一样。

此外，通过构造为满足上述条件式(1)，可以在利用用于检测的光平面110a检测近红外光时，减少反射点和假想发光点之间的差异的影响，从而可以形成基本上覆盖整个投影区域s11的检测区域。

此外，如图11所示，像圈c1优选为大于以光阀12的矩形形状a1为基准而设计的圆的半径(像圈c100的半径)。也就是说，像圈c1优选为不接触矩形形状a1，且包围矩形形状a1。此外，像圈c1优选为其中包围成像元件13的矩形形状a2。假设如图15a所示，在以光阀12的矩形形状a1为基准而设计的像圈c100中，如15b所示，产生无法覆盖入射到成像元件13的矩形形状a2的成为光接收对象的一部分入射光线的区域(图15b中的斜线部分120)。也就是说，在投影区域s11的一部分中，无法检测物体。相反，在本实施方式中，通过像圈c1的设计，在投影区域s11的角部等局部区域中也可以检测物体。

按照上文所述，在本实施方式，通过在与光阀12光学共轭的位置处提供成像元件13，并使得基于沿投影面110附近的平面照射的近红外光的光经由投影透镜16和偏振分离元件15入射到所述成像元件13，可以在不执行复杂的信号处理的情况下实现物体检测。此外，通过满足条件式(1)，可以基本上在整个投影区域s11中实现物体检测。因此，可以利用简单的构造实现物体检测，并能够在整个投影区域检测物体。

本发明不限于上述实施方式的描述，而是可以以各种方式进行修改。例如，上述实施方式是参照光阀12和成像元件13具有彼此基本相同的孔径比的示例来进行描述。但是光阀12和成像元件13并非必须具有相同的孔径比。具体而言，只要光阀12和成像元件13的各自对角线尺寸满足上述的预定条件式，光阀12和成像元件13的有效区域的平面形状可以不同。

此外，在上述实施方式中，是使用反射型液晶元件作为本发明的光阀。但是，本发明的光阀不限于此，也可以是其他光阀。例如，也可使用数字镜像装置(dmd)作为光阀。在该情况下，光阀可以是不利用光的偏振特性的镜像型。因此，一般不使用偏振光学系统。但是，也可以提供如上述实施方式那样在光路中设置诸如偏振光束分光器等偏振分离元件的光学系统，来实现利用dmd的图像显示。

此外，上述实施方式是参照超短焦型作为本发明的投影型显示装置的一个示例。但是，本发明的投影型显示装置并非必须受限于此。本发明的投影型显示装置可以具有其中投影光学系统和检测光学系统共用投影透镜、且成像元件被布置在与光阀光学共轭的位置的任意构造。当具有这种构造时，由于在检测光被物体表面反射的反射光中，在反射点和假想发光点之间发生差异，因此，考虑到上述差异的上述光学设计是有效的。但是，这种效果对于超短焦型而言特别有效。要注意的是，上述实施方式中所描述的效果仅仅是举例。也可以提供或进一步包含任意其他效果。

例如，本发明可实现以下构造。

[1]一种投影型显示装置，包括：

投影光学系统，包括：

照明部，

投影透镜，和

光阀，所述光阀基于图像信号调制从所述照明部提供的照明光，并向所述投影透镜射出调制后的照明光；

偏振分离元件，所述偏振分离元件布置在所述光阀和所述投影透镜之间，用于将入射的光分离为第一偏振分量和第二偏振分量，并分别向互不相同的方向射出所述第一偏振分量和所述第二偏振分量；以及

检测光学系统，所述检测光学系统具有成像元件，所述成像元件被布置在与所述光阀光学共轭的位置，

经由所述投影透镜和所述偏振分离元件，基于沿投影面附近的平面照射的不可见光的光被入射到所述成像元件，其中

所述投影型显示装置满足以下条件式，

d1<β×d2(1)

其中，

d1为光阀的对角线尺寸，

d2为成像元件的对角线尺寸，

β为检测光学系统的光学倍率，当检测光学系统为缩小光学系统时β大于1，当检测光学系统为放大光学系统时β小于1，且当检测光学系统为等倍光学系统时β等于1。

[2]根据[1]所述的投影型显示装置，其中，

在所述投影透镜的大致焦距位置处，

与所述光阀的有效区域相对应的平面形状为第一矩形形状，且

所述投影透镜的像圈不接触所述第一矩形形状，且包围所述第一矩形形状。

[3]根据[2]所述的投影型显示装置，其中，

在所述投影透镜的大致焦距位置处、或与所述投影透镜的大致焦距位置光学共轭的位置处，

与所述成像元件的有效区域相对应的平面形状为第二矩形形状，所述第二矩形形状的中心位置与所述第一矩形形状的中心位置基本相同，且尺寸大于所述第一矩形形状，且

所述投影透镜的像圈包围所述第二矩形形状。

[4]根据[3]所述的投影型显示装置，其中，

所述成像元件接收所述不可见光之中的被物体反射的光的一部分，且

所述像圈的半径满足以下条件式，

r1≥r0+h/α×tanθmin(2)

其中，

r1是投影透镜的像圈半径，

r0是与光阀的有效区域的一对顶点相接的圆的半径，

h是不可见光照射的平面离投影面的高度，

α是投影倍率，

θmin是入射到检测光学系统的反射光的一部分与投影面形成的角度的最小值。

[5]根据[4]所述的投影型显示装置，其中，进一步满足以下条件式：

β×d2≥d1+2h/α×tanθmin(3)。

[6]根据[1]至[5]之一所述的投影型显示装置，其中，所述检测光学系统包括位于所述偏振分离元件和所述成像元件之间的缩小光学系统，且

所述缩小光学系统具有一个或多个中继透镜组。

[7]根据[1]至[6]之一所述的投影型显示装置，其中，所述检测光学系统包括位于所述偏振分离元件和所述成像元件之间的可见光阻断滤光器，所述可见光阻断滤光器减少可见光分量。

[8]根据[1]至[7]之一所述的投影型显示装置，其中，所述检测光学系统包括位于所述偏振分离元件和所述成像元件之间的偏振器，所述偏振器选择性地去除所述第一偏振分量和所述第二偏振分量之一。

[9]根据[1]至[8]之一所述的投影型显示装置，进一步包括信号处理部，所述信号处理部基于从所述成像元件获得的成像信号，检测所述投影面上的物体的位置。

[10]根据[1]至[9]之一所述的投影型显示装置，其中，所述投影透镜为短焦透镜。

[11]根据[10]所述的投影型显示装置，进一步包括光源，所述光源设置在外壳上，用于射出所述不可见光。

[12]根据[1]至[11]之一所述的投影型显示装置，其中，所述不可见光为近红外光。

[13]根据[1]至[12]之一所述的投影型显示装置，其中，所述偏振分离元件为偏振光束分光器。

[14]根据[13]所述的投影型显示装置，其中，所述光阀为反射型液晶显示元件。

[15]根据[14]所述的投影型显示装置，其中，

所述偏振分离元件具有分别用作光入射面或光射出面的第一面、第二面、第三面和第四面，且

所述偏振分离元件从所述第二面射出从所述第一面射入所述偏振分离元件的光中的所述第一偏振分量，从所述第三面射出从所述第一面射入所述偏振分离元件的光中的所述第二偏振分量，从所述第四面射出从所述第二面射入所述偏振分离元件的光中的所述第二偏振分量，以及从所述第三面射出从所述第四面射入所述偏振分离元件的光中的所述第一偏振分量。

[16]根据[15]所述的投影型显示装置，其中，

在所述投影光学系统中，

所述照明部向所述偏振分离元件的所述第一面射出所述照明光，

所述光阀对所述照明光之中的从所述偏振分离元件的所述第二面射出的所述第一偏振分量进行调制，并向所述偏振分离元件的所述第二面射出调制后的光，且

所述投影透镜向所述投影面投影所述调制后的光之中的从所述偏振分离元件的所述第四面射出的光。

[17]根据[16]所述的投影型显示装置，其中，

在所述检测光学系统中，

用于物体检测的光经由所述投影透镜、以及所述偏振分离元件的所述第四面和所述第三面，入射到所述缩小光学系统，且

从所述缩小光学系统射出的光入射到所述成像元件。

本申请以2014年7月29日向日本专利局申请的日本专利申请no.2014-153659为基础，并要求其优先权，通过引用已将所述申请的全部内容结合于本文中。

本领域技术人员应当理解的是，在不脱离权利要求极其等同物的范围的情况下，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变形。