投影機用的液晶投影光學系統的製作方法

2023-06-04 21:20:01 2

專利名稱：投影機用的液晶投影光學系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光譜合成裝置，具體地說，涉及一種投影機用的液晶投影光學系統。
投影光學系統用於大型會場的圖象和文字顯示。以此為基礎的現代電視投影系統更是廣泛用於公共場所如車站、廣場、娛樂場所乃至深入家庭。眾所周知，這類投影光學裝置存在的共性問題在於屏幕的尺寸與成象解析度之間的矛盾，即隨著屏幕尺寸的日漸增大，努力提高其圖象解析度，以及增大圖象的畫面亮度、對比度及色度等，已成為急待解決的問題。
中國發明專利CN 94112930.6公開一種液晶投影機的投影光學系統。它有多個透鏡，及被順序地安置在圖象平面最前方的凹凸鏡，和第一凹透鏡、凸透鏡以及第二凹透鏡的前鏡頭部分。還設置後鏡頭部分，它包括兩個安放在前鏡頭部分與圖象平面之間的平凹透鏡，並且該平凹透鏡的平面向著所述圖象平面。該投影系統能將圖象從液晶顯示裝置投影到屏幕上。
以上述專利為代表的現有技術的投影成象裝置究其原理，僅屬三原色單色成象過程。如

圖1所示。光源通過彩色增透鏡5、7、10。分別透射三種單色光，即將入射信號分成紅、綠、藍三種原色信號，分別入射到液晶光閥LCD1、LCD2和LCD3上，經合像器還原成彩色圖像。這種分色-合像的方式只能利用三種原色組分的極窄頻段，濾掉了約70％以上的其它光譜成分，不能充分開啟液晶光閥，以致全面降低合成圖像的亮度、色彩還原性及圖像解析度等特性。由於圖像顏色組分過於單調，使最終的畫面生硬，合成圖像的色彩飽和度差。此外，眾所周知的是液晶器件的工作溫度不得高於50℃，而上述現有技術的光譜成像系統並未考慮控制被傳輸的光束中攜帶熱能，因而，這類系統不能連續工作。
本發明的目的在於提出一種液晶投影機用的投影光學系統，能夠充分利用光譜成分，提高畫面亮度並提高色彩飽和度，色彩還原性好，並能連續工作。
為實現上述目的，本發明提出一種投影機用的液晶投影光學系統，由光源、分光-會聚分配器、三組透/反器件、三個光諧振腔、三個液晶光閥、合像器和投射-放大鏡頭組成，其中所述光源發出的光束依次經過冰洲石晶片製成的阻尼分光鏡、會聚鏡組和光闌組成的分光-聚光器，得到強度均勻且被吸收了熱量的出射光；所述出射光先後入射到「R」、「G」、「B」透/反器件，分別被分光成為紅、綠和藍灰色帶，它們分別通過由平凹透鏡和平面鏡組成的紅色帶光諧振腔、由兩個平凸透鏡組成的綠色帶光諧振腔、由平凹透鏡和平面鏡組成的藍色帶光諧振腔，分別形成紅色光帶疤、綠色光帶疤和藍色光帶疤；所述三種顏色光帶疤分別入射到被置於所述三種色帶光諧振腔光焦面處的液晶光閥上，並通過各液晶光閥，分別入射到組成合像器的直角稜鏡入射面上；所述合像器的出射面位於投射-放大鏡頭的後焦平面處，三種色帶的光像在合像器的出射面處複合成像，並經所述投射-放大鏡頭得到放大的投影圖像。
所述「R」、「G」、「B」透/反器件均為在光學玻璃基片經真空鍍膜，製成多層膜系。所述合像器由四塊幾何尺寸相同的直角稜鏡膠合而成，並有正方形截面，其中在所述三種顏色光帶疤的入射面上分別鍍有增透膜，用以調節相應的合像稜鏡的折射率，使三個合像稜鏡的相對摺射率相等。
採用本發明的投影機用液晶投影光學系統，因所述「R」、「G」、「B」透/反器件的光學玻璃基片上都鍍有多層膜，使得它們分別能夠透射具有所需寬度頻譜成分的光，即實質上透射的是一組顏色的色帶，而不再像同類現有技術裝置那樣只能透射頻帶極窄的「單色光」，因而可使最終合成的圖像包括極為豐富的光譜成分，使光譜的利用率從現有技術的簡單三原色單色方式的60％提高到80％，從而，可大大提高合成圖像的色彩飽和度，使圖像色彩還原逼真。
另外，由於使三種色帶分別在相應的光諧振腔內多次反射，可大大減少光束傳輸過程中的能量損失。計算表明，採用這種光諧振腔結構，可使透過「R」、「G」透/反器件和「B」反射器件的光束能量的95％得以被約束在諧振腔內，併入射到液晶光閥上，這可大大提高液晶光閥的開啟程度，使液晶光閥透光率從現有技術的35％提高到55％，即接近其理論極限，從而使最終圖像的亮度相應提高40％，並使對比度提高30％。
此外，本發明採用冰洲石製成的阻尼分光鏡代替同類現有技術中的複眼鏡，可吸收光束中所含熱量的70％，從而大大減少光譜中所含的熱量，這就充分保證液晶光閥的正常工作溫度，使本發明的投影機可連續工作10小時以上。又由於光的總利用率極高，與現有的同類裝置相比，本技術使用的光源(即燈泡)功率也只為原來的1/3。這不僅可以降低能耗，並可進一步降低液晶光閥的工作溫度。
又因使用了折射率補償膜，使各合像稜鏡的相對摺射率相等，這就確保了三種色帶圖像相位的同步合成，從而保證了合成圖像的清晰效果，大大提高合成圖像的色彩還原性，使所得到的合成圖像不產生失真和畸變。
通過以下結合附圖對實施例的詳細描述，可使本發明投影機用的液晶投影光學系統的其它結構和特點愈為清晰，其中圖1以示意的方式說明現有技術投影機的光路圖；圖2表示本發明一種實施例投影機用液晶投影光學系統的光路結構圖；圖3a和3b以比較的方式說明現有技術投影機與本發明投影機用的液晶投影光學系統光譜合成原理的區別；圖4示意地說明圖2實施例中所用分光-會聚分配器對通過的光束的處理過程。
參照圖2，它表示本發明投影機用的液晶投影光學系統一種實施例的光路結構。其中光源S發出的光，經過阻尼分光鏡1，使該光束中50％的熱量被吸收，並使光束被分光成多束強度均勻的光，如圖4所示。再經前焦距聚光鏡2和後焦距聚光鏡3，將光束會聚整理為所需的強度均勻的光，經出射光闌4出射到光譜合成部分。
所述阻尼分光鏡1由冰洲石晶片製成，它代替了同類現有技術中使用的複眼鏡。一般的複眼鏡是將面對光入射方向的表面製成36個微小的凸透鏡，因而只能分出36束小光點，而本發明的冰洲石阻尼分光鏡1可以得到上千束小光點，使出射光束強度分布的均勻性大大提高。另外，現有技術的複眼鏡加工難度大，而且不具有吸收光束中所含熱量的功能，它需要另設降溫機構，使整機機構複雜，體積增大。
前述阻尼分光鏡1、前焦距聚光鏡2、後焦距聚光鏡3和出射光闌4組成分光-會聚分配器。來自該分光-會聚分配器的出射光首先入射到「R」透/反器件5，該器件表面鍍敷透紅反藍膜系，成為「透紅反藍」透/反器件，它可透過入射光中85％的波長範圍在660-780nm之間的紅色組分，並使其餘組分被反射至「G」透/反器件10。所述「G」透/反器件10鍍敷透藍反綠膜系，成為「透藍反綠」的透/反器件，它可反射90％的波長範圍在570-650nm之間的綠色組分，入射到諧振腔B，並使其餘的主要為藍色和灰色組分的光透射至「B」反射器件13。經上述「R」、「G」、「B」透/反器件，使前述入射光被分光成為紅、綠和藍色等三段色帶。
上述紅色帶包含6種顏色組分，它們透過平凸透鏡6、平凹透鏡7和平面鏡8組成的光諧振腔A，在該諧振腔A內的平凹透鏡7的凹面和平面鏡9的表面之間多次反射，該區域內的紅色帶中的95％的光能最終被平面鏡8反射，透過平凸透鏡9，形成紅色光帶疤，入射到位於其焦平面上的液晶光閥LCD1上。由於進入LCD1的光能遠較普通單色光情況下大大增多，可使光閥LCD1開啟近55％，即幾乎全部進入LCD1的紅色光系都能入射到合像器18的合像稜鏡。所述平凸透鏡9的凸面上也鍍敷「透紅反藍」膜系。
類似地，被R透/反器件5反射的所述紅色帶以外的光通過「G」透/反器件10，光束中的綠色組分被反射進入平凸透鏡11、12組成的光諧振腔B，並在平凸透鏡11的平面表面和平凸透鏡12的凸面表面之間多次反射。具體地說，所述「G」透/反器件10表面鍍敷透藍反綠膜系，可將入射光中90％的波長範圍在570-650nm之間的綠色組分反射到諧振腔B，也就是使幾乎全部綠色組分的光最終穿過鍍有「透綠反灰」膜系的平凸透鏡12，形成綠色光帶疤，經液晶光閥LCD2入射於合像器18的合像稜鏡。
透過所述「G」透/反器件10的藍灰色組分的光在「B」反射器件13的表面上被反射，射入平凸透鏡14、平凹透鏡15和平面鏡16組成的光諧振腔C，在該諧振腔C內的平凹透鏡15的凹面和平面鏡16的表面之間多次反射。所述「B」反射器件13表面鍍敷藍色反射膜系，可將入射光中85％的波長範圍在360-470nm之間的藍灰色組分反射到諧振腔C，最後經平面鏡16反射到平凸透鏡17，透過平凸透鏡17的光形成藍色光帶疤，入射到液晶光閥LCD3。所述平凸透鏡17的凸表面鍍有透藍反紅膜系。這裡的情況與前述紅色帶的情況相似。透過LCD3的藍色帶的光入射到合像稜鏡18。
所述合像器18由四塊幾何尺寸相同的直角稜鏡膠合而成，並有正方形截面。其中在所述紅、綠和藍色光帶疤的入射面上分別鍍有補償膜19，比如氟化鎂製成的增透膜，用以調節相應的合像稜鏡的折射率，使三個合像稜鏡的相對摺射率相等。
所述合像器18的出射面位於投射-放大鏡頭GW的後焦平面處，合成圖像為正立實像，經鏡頭GW放大後，投射在該鏡頭前約7米遠的屏幕上，可得清晰的、色彩豐富且亮度較現有技術同類設備提高40％的投影圖像。
本實施例投影光學系統參與彩色成像的光譜由現有技術「三原色」方式的簡單的單色紅、綠、藍3種顏色增多到13種顏色，即紅、桔、黃、綠、黑、白、赤、橙、青、藍、灰、紫色、紅外等顏色。
權利要求
1.一種用於液晶投影機的投影光學系統，由光源、分光-會聚分配器、透/反器件、光諧振腔、液晶光閥、合像器和投射-放大鏡頭組成，其特徵在於所述光源發出的光束依次經過冰洲石晶片製成的阻尼分光鏡、會聚鏡組和光闌組成的分光-聚光器，得到強度均勻且被吸收了熱量的出射光；所述出射光先後入射到「R」、「G」、「B」透/反器件，分別被分光成為紅、綠和藍灰色帶，它們分別通過由平凹透鏡和平面鏡組成的紅色帶光諧振腔、由兩個平凸透鏡組成的綠色帶光諧振腔、由平凹透鏡和平面鏡組成的藍色帶光諧振腔，分別形成紅色光帶疤、綠色光帶疤和藍色光帶疤；所述三種顏色光帶疤分別入射到被置於所述三種色帶光諧振腔光焦面處的液晶光閥上，並通過各液晶光閥，分別入射到組成合像器的直角稜鏡入射面上；所述合像器的出射面位於投射-放大鏡頭的後焦平面處，三種色帶的光像在合像器的出射面處複合成像，並經所述投射-放大鏡頭得到放大的投影圖像。
2.一種如權利要求1所述的用於液晶投影機的投影光學系統，其特徵在於，所述「R」、「G」、「B」透/反器件均為在光學玻璃基片經真空鍍膜，製成多層膜系。
3.一種如權利要求1或2所述的用於液晶投影機的投影光學系統，其特徵在於，所述「R」、「G」、「B」透/反器件均為在光學玻璃基片經真空鍍膜，製成多層膜系。
4.一種如權利要求1或2所述的用於液晶投影機的投影光學系統，其特徵在於，所述合像器由四塊幾何尺寸相同的直角稜鏡膠合而成，並有正方形截面，並在所述三種顏色光帶疤的入射面上分別鍍敷補償膜，使三個合像稜鏡的相對摺射率相等。
5.一種如權利要求1或2所述的用於液晶投影機的投影光學系統，其特徵在於，所述「R」透/反器件(5)表面鍍敷透紅反藍膜系，可透過入射光中85％的波長範圍在660-780nm之間的紅色組分。
6.一種如權利要求1或2所述的用於液晶投影機的投影光學系統，其特徵在於，所述「G」透/反器件(10)表面鍍敷透藍反綠膜系，可透過入射光中90％的波長範圍在570-650nm之間的綠色組分。
7.一種如權利要求1或2所述的用於液晶投影機的投影光學系統，其特徵在於，所述「B」透/反器件(13)表面鍍敷藍灰色增透膜系，可透過入射光中85％的波長範圍在360-470nm之間的藍灰色組分。
8.一種如權利要求4所述的用於液晶投影機的投影光學系統，其特徵在於，所述合像稜鏡折射率補償膜(19)是氟化鎂增透膜。
全文摘要
投影機用的液晶投影光學系統,其中冰洲石阻尼分光鏡等組成分光－會聚分配器,使光束成為強度均勻且被吸收熱量的光。「R」、「G」、「B」透/反器件將光束分成紅、綠和藍色帶後,分別通過光諧振腔形成紅、綠及藍色光帶疤。三種光帶疤分別經液晶光閥射入合像器,複合成像,經投射－放大鏡頭放大出射。合像器的入射面鍍敷折射率補償膜。本投影系統還可用於投影電視設備,具有合成圖像色彩還原性高,亮度高且色彩飽和度高的優點。本機可連續工作10小時以上。
文檔編號G02B1/02GK1349124SQ0012997
公開日2002年5月15日 申請日期2000年10月16日 優先權日2000年10月16日
發明者史義武 申請人:陝西凱創光電產業有限公司