投影顯示器的製作方法
2023-09-18 23:40:30
專利名稱：投影顯示器的製作方法
技術領域：
本發明總體構思涉及這樣一種投影顯示器，其調製具有不同顏色的多個光束以適合圖像信息，並且放大和投影該調製的光束以顯示彩色圖像。
背景技術：
投影顯示器包括光調製器，用於調製光以適合圖像信息；和照明單元，用於照明光調製器。金屬滷化物燈、超高壓汞燈等已經被使用作為照明單元。然而，這些燈至多具有幾千小時的壽命。因此，當包括這些燈的傳統投影顯示器被使用時，由於短壽命導致這些燈需要被頻繁地由新燈替換。另外，由於照明單元需要色轉輪以將從這些燈射出的白光分割成紅(R)、綠(G)、和藍(B)光束，所以照明單元被擴大。
近來，採用小巧光源如發光二極體(LED)的投影顯示器正在開發中。日本專利公開號2001-305658和2003-186110公開了使用LED的投影顯示器。相對來講，LED射出的光要少於金屬滷化物燈或超高壓汞燈。因此，LED陣列被用作投影顯示器的光源。為了增加入射到屏幕上的有效光量，在從LED射出的光被投影到光調製器之前，該光被準直。在這種情況下，由於必須被包括在會聚光學系統中的透鏡的特徵導致光會聚效率被降低。
發明內容
本發明總體構思提供了一種包括具有長壽命的小巧照明光學系統的投影顯示器。
將在接下來的描述中部分闡述本發明另外的方面和/或優點，還有一部分通過描述將是清楚的，或者可以經過本發明的實施而得知。
可以通過提供一種投影顯示器來實現本發明總體構思的上述和/或其它方面和優點，該投影顯示器包括第一到第三光源單元，彼此並列放置，用於順序地在相同方向輻射具有不同顏色的第一到第三光束；光調製器，用於根據圖像信息來順序地調製第一到第三光束；和投影透鏡單元，用於將調製的光束放大並投影到屏幕。第一到第三光源單元的每個包括至少一個光學模塊。光學模塊包括具有拋物面形狀的第一反射表面的準直器、和位於第一反射表面的焦點的附近的小巧光源。
可以通過提供一種投影顯示器來實現本發明總體構思的上述和/或其它方面和優點，該投影顯示器包括第一到第三光源單元，用於分別輻射具有不同顏色的第一到第三光束；X立方體稜鏡，用於將第一到第三光束的路徑組合；光調製器，用於根據圖像信息順序地調製第一到第三光束；和投影透鏡單元，用於將調製的光束放大並投影到屏幕。第一到第三光源單元的每個包括至少一個光學模塊。光學模塊包括具有拋物面形狀的第一反射表面的準直器、和位於第一反射表面的焦點的附近的小巧光源。
可以通過提供一種投影顯示器來實現本發明總體構思的上述和/或其它方面和優點，該投影顯示器包括第一到第三光源單元，用於分別輻射具有不同顏色的第一到第三光束；三色稜鏡，用於將第一到第三光束的路徑組合；光調製器，用於根據圖像信息順序地調製第一到第三光束；和投影透鏡單元，用於將調製的光束放大並投影到屏幕。第一到第三光源單元的每個包括至少一個光學模塊。光學模塊包括具有拋物面形狀的第一反射表面的準直器、和位於第一反射表面的焦點的附近的小巧光源。
通過結合附圖對實施例進行下面的描述，本發明總體構思的這些和/或其他方面和優點將會變得清楚和更易於理解，其中圖1是示出根據本發明總體構思的實施例的投影顯示器的示意圖；圖2是示出用於根據本發明總體構思的另一個實施例的投影顯示器的光學模塊的透視圖；圖3是圖2中的光學模塊的側視圖；圖4是示出用於根據本發明總體構思的另一個實施例的投影顯示器的光學模塊的側視圖；圖5是示出用於根據本發明總體構思的另一個實施例的投影顯示器的光學模塊的透視圖；圖6是圖5中的光學模塊的側視圖；圖7是示出作為光學模塊的陣列的光源單元的透視圖；圖8是示出根據本發明總體構思的另一個實施例的投影顯示器的示意圖；圖9是示出圖8示出的投影顯示器的X立方體稜鏡的示圖；圖10是示出根據本發明總體構思的另一個實施例的投影顯示器的示意圖；圖11是示出圖10示出的投影顯示器的三色稜鏡的示圖；和圖12A和12B是示出使用透鏡的光學系統的光會聚效率的降低的示圖。
具體實施例方式
現在將詳細地描述本發明總體構思的實施例，其例子顯示在附圖中，其中，相同的標號始終表示相同的部件。以下，通過參考附圖來描述實施例以解釋本發明總體構思。
參考圖1，根據本發明總體構思的實施例的投影顯示器包括第一到第三光源單元110R、110G、和110B，用於分別射出第一到第三光束R、G、和B；光調製器170，用於根據圖像信息來順序地調製第一到第三光束R、G、和B；和投影透鏡單元180，用於放大調製的第一到第三光束R、G、和B並將其投影到屏幕S。該投影顯示器還可以包括至少一個會聚透鏡130、積分器140、中繼透鏡單元150、和全內反射(TIR)稜鏡160。這個投影顯示器是使用單一光調製器170的單片投影顯示器。在這個實施例中的光調製器170是數字微鏡裝置(DMD)。如圖7所示，第一到第三光源單元110R、110G、和110B中的每個可以包括多個圖2中的光學模塊101(或圖5中的102)的陣列。更具體地講，第一和第三光源單元110R和110B中的每個可以包括四個光學模塊101(或102)的陣列，第二光源單元110G可以包括八個光學模塊101(或102)的陣列。
圖2是示出使用在根據本發明總體構思的投影顯示器中的光學模塊101的透視圖。圖3是圖2中的光學模塊101的側視圖。參考圖2和圖3，光學模塊101包括準直器30和小巧光源10。小巧光源10包括至少一個LED、雷射器等。準直器30包括具有拋物面形狀的第一反射表面21。小巧光源10位於第一反射表面21的焦點(F)的附近。在這個實施例中，通過將作為六面體的玻璃杆24的一端處理成具有拋物面表面並且然後將拋物面表面的內部反射鍍膜來形成第一反射表面21。準直器30還可以包括具有平面形狀的第二反射表面22。第二反射表面22被形成以面對第一反射表面21。第二反射表面22具有窗口G，通過該窗口G，光從小巧光源10引入。可以通過對面對玻璃杆24的第一反射表面21的除了窗口G之外的平面執行反射處理來形成第二反射表面22。在這個實施例中，小巧光源10被定位，從而其光軸11與主軸26垂直。然而，這並不限制本發明總體構思的範圍。在圖4示出的光學模塊101的另一個實施例中，準直器30還可包括在窗口G的邊緣的第三反射表面23。第三反射表面23相對於第二反射表面22傾斜。
儘管術語「拋物面形狀」被用於定義第一反射表面21，但是這個術語不僅僅表示具有-1二次曲線係數(K)的拋物面。至少於此使用的術語「拋物面形狀」可以表示具有-0.4到-2.5的K的非球面。K可以是-0.7到-1.6。可以從上述範圍內恰當地選擇第一反射表面21的二次曲線係數K，以將在物體被光有效地照明的輻射角度範圍內從小巧光源10射出的光準直。以下，將描述其包括主軸26的橫截面形狀是具有-1二次曲線係數K的拋物面形狀的第一反射表面21作為例子。
小巧光源10以大約0°和180°之間的輻射角度A輻射光束。第一反射表面21是拋物面形狀，小巧光源10位於焦點F的附近。因此，以大於第一反射表面21的孔徑角度B的輻射角度A輻射的光束L1被第一反射表面21反射以與主軸26平行。由於通過第一反射表面21的全反射，第一光束L1在玻璃杆24內傳播並且通過光出射表面25被射出。以小於孔徑角度B的輻射角度A從小巧光源10輻射的光束L2沒有入射到第一反射表面21上而是直接傳播進入玻璃杆24。因此，準直器30準直以0°和180°之間的輻射角度A從小巧光源10輻射的光束，從而以0°和孔徑角度B之間的出射角度被射出。
小巧光源10可能被不正確定位，從而輻射點不能被準確地放置在焦點F。因此，從小巧光源10輻射的一些光束可以被第一反射表面21向第二反射表面22反射而不向玻璃杆24反射。第二反射表面22然後將入射光束L3反射向光出射表面25以提高光效率。圖4中的第三反射表面23將具有小於孔徑角度B的輻射角度的光束L4反射向第一反射表面21以提高準直效率。
現在將參考圖12A和12B來更加詳細地描述使用透鏡的光學系統的效率降低，其中，分別使用了單一LED和LED陣列。在近軸區域，圖像的尺寸和角度的乘積是守恆的。因此，LED的射出面積和LED的出射角度的球面度(steradian)的乘積是被稱作「集光率(etendue)」的守恆值。當集光率小於光調製器的射出面積和從投影透鏡單元的F值計算的球面度的乘積時，光會聚效率增加。
如圖12A所示，當單一LED被使用時，LED的射出面積ΦL和球面度UL的乘積可以等於光調製器的射出面積ΦP和球面度UP的乘積。如圖12B所示，當使用LED陣列時，LED陣列的射出面積∑ΦL大於圖12A的單一LED的射出面積ΦL。這裡，LED的出射角度的球面度UL等於LED陣列的球面度UL，圖12B中的光調製器的射出面積ΦL等於圖12A的光調製器的射出面積ΦP。因此，為了守恆集光率，圖12B的光調製器的出射角度的球面度UP′大於圖12A的光調製器的球面度UP。因此，當使用如圖12B示出的LED陣列時，至少一部分光丟失，導致投影顯示器的光會聚效率和亮度的降低。
不使用透鏡，光學模塊101使用第一反射表面21以準直從小巧光源10射出的光束。因此，光束可被高效準直而沒有由於透鏡導致的效率降低。由於光學模塊101可以被設計為具有很小尺寸，所以即使多個光學模塊101被布置，光源單元110R、110G、和110B也小於傳統燈。由於光的準直，可以由投影透鏡單元180有效地投影的光量被增加，從而提高光效率。
圖5是示出使用在根據本發明總體構思的另一個實施例的顯示裝置中的光學模塊102的透視圖。圖6是圖5中的光學模塊102的側視圖。參考圖5和圖6，光學模塊102具有相對於第一反射表面21的主軸26傾斜成角度D的第二反射表面22。小巧光源10被安裝，從而光軸11基本上或幾乎與第二反射表面22垂直。結果，小巧光源10的光軸11與第一反射表面21的主軸26成角度D。由於這種結構，光學模塊102的孔徑的尺寸可以被減小。參考圖6，參考字符AP1表示在其中第二反射表面22與主軸26平行的圖2到圖4示出的光學模塊101的孔徑的尺寸。參考字符AP2表示光學模塊102的孔徑的尺寸。如圖6所示，很顯然，光學模塊102的孔徑的尺寸AP2小於光學模塊101的孔徑的尺寸AP1。孔徑的尺寸的減少有利於多個小巧光學模塊101(或102)的排列。換言之，由於在窄空間內可以排列很多光學模塊102，所以從第一到第三光源單元110R、110G、和110B中的每個射出的光量可以被增加。另外，當保持相同的光量時，第一到第三光源單元110R、110G、和110B的尺寸可以被減少。圖7中示出的第一到第三光源單元110R、110G、和110B中的每個可以是光學模塊102的陣列。
在上述的實施例中，光學模塊101和102的每個使用玻璃杆24。儘管沒有示出，但是通過在中空光管的一端形成拋物面表面並且然後將拋物面表面的內部反射鍍膜來形成第一和第二反射表面21和22。
參考圖1，順序地從第一到第三光源單元110R、110G、和110B射出的第一到第三光束R、G、和B入射到積分器140。積分器140形成具有均勻光強度的平面光。積分器140可以是具有矩形橫截面的玻璃杆或具有內反射表面的光管。該投影顯示器還包括至少一個會聚透鏡130以會聚從第一到第三光源單元110R、110G、和110B射出的第一到第三光束R、G、和B，並且將會聚的光束傳播到積分器140。從積分器140射出的光束經由全內反射稜鏡(TIR)160入射到光調製器170。中繼透鏡單元150根據光調製器170的孔徑按比例擴大或縮小從積分器140射出的光束。光調製器170順序地調製第一到第三光束R、G、和B以相應於圖像信息。調製的光束由TIR稜鏡160導向投影透鏡單元180。投影透鏡單元180將調製的光放大並投影到屏幕S。
如上所述，根據本發明實施例的投影顯示器使用小巧光源10從而實現延長小巧光源單元110R、110B、和110G的壽命。通過使用第一反射表面21替代使用透鏡將從光源單元110R、110B、和110G射出的光束準直可以提高光會聚效率。多個光學模塊101(或102)的陣列的使用可以增加圖像的亮度，並且還使得光源單元110R、110B、和110G緊湊。另外，可以獲得具有簡單結構的投影顯示器。
圖8是示出根據本發明總體構思的另一實施例的投影顯示器的示意圖。圖8中的投影顯示器是圖1中的先前實施例的變形。在圖1和圖8中，相同標號表示相同部件。圖8中的投影顯示器包括X立方體稜鏡120a，該X立方體稜鏡120a被使用作為組合單元，以將第一到第三光束R、G、和B的路徑組合成在相同(共有)方向上的相同(共有)路徑，從而通過在相同方向上的相同路徑第一到第三光束R、G、和B被發送到至少一個會聚透鏡130、積分器140、中繼透鏡單元150、TIR稜鏡160、和/或光調製器170。圖8中的第一到第三光源單元110R、110G、和110B中的每個以4×4配置形成有16個光學模塊102(圖2、圖4、或圖6)的兩維陣列。參考圖9，X立方體稜鏡120a包括第一到第三入射表面121、122、和123、出射表面124、以及第一和第二選擇反射表面125和126。以X配置放置第一和第二選擇反射表面125和126。第一到第三光源單元110R、110G、和110B順序地將第一到第三光束R、G、和B分別輻射到第一到第三入射表面121、122、和123。選擇反射層形成在第一選擇反射表面125上以反射第一光束R並且透射第二和第三光束G和B。另一個選擇反射層形成在第二選擇反射表面126上以反射第三光束B並且透射第一和第二光束R和G。通過第一到第三入射表面121、122、和123入射的第一到第三光束R、G、和B分別通過出射表面124被射出。在這個結構中，第一到第三光束R、G、和B的路徑被組合。
圖10是示出根據本發明總體構思的另一實施例的投影顯示器的示意圖。這個投影顯示器是圖1中的投影顯示器的變形。在圖1和圖10中，相同標號表示相同部件。圖10中的投影顯示器包括三色(trichroic)稜鏡120b，該三色稜鏡120b被用作組合單元以組合第一到第三光束R、G、和B的路徑。
圖11示出圖10中的投影顯示器的三色稜鏡120b的結構。參考圖11，該三色稜鏡120b包括三個稜鏡P1、P2、和P3。用於反射第一光和透射第二光的選擇反射層形成在稜鏡P1和P2之間的接合表面J1、和稜鏡P2和P3之間的接合表面J2的每個上。例如，接合表面J1反射第一光束R和透射第二光束G。接合表面J2反射第三光束B和透射第一和第二光束R和G。在這個結構中，進入稜鏡P2的第一光束R由與稜鏡P3相鄰的邊界表面127全部反射，並且入射到接合表面J1。因為用於反射第一光束R的選擇反射層形成在接合表面J1上，所以第一光束R由接合表面J1反射，進入稜鏡P3，並且然後通過出射表面124b射出。為了執行全反射，空氣間隙(AG)可以形成在稜鏡P2和P3之間。入射到稜鏡P1的第二光束G穿過第二稜鏡P2然後再穿過第三稜鏡P3，通過出射表面124b射出。入射到稜鏡P3的第三光束B由出射表面124b全部反射，並且入射到接合表面J2上。因為用於反射第三光束B的選擇反射層形成在接合表面J2上，所以第三光束B由接合表面J2反射，然後通過出射表面124b射出。在這個結構中，第一到第三光束R、G、和B的路徑被組合。
順序地從第一到第三光源單元110R、110G、和110B射出的第一到第三光束R、G、和B通過X立方體稜鏡120a或三色稜鏡120b沿著相同路徑傳播，並且入射到會聚透鏡130。會聚透鏡130會聚第一到第三光束R、G、和B，並且將會聚的光束傳播到積分器140。積分器140形成具有均勻光強度的平面光。從積分器140射出的光束經由TIR稜鏡160入射到光調製器170。中繼透鏡單元150根據光調製器170的孔徑將從積分器140射出的光束按比例放大或縮小。光調製器170順序地調製第一到第三光束R、G、和B以相應於圖像信息。調製的光束由TIR稜鏡160導向投影透鏡單元180。投影透鏡單元180將調製的光束放大並投影到屏幕S。
如上所述，圖10的投影顯示器使用小巧光源10從而實現延長光源單元110R、110B、和110G的壽命。可以通過使用第一反射表面21替代使用透鏡將從光源單元110R、110B、和110G射出的光束準直來提高光會聚效率。多個光學模塊101(或102)的陣列的使用可以增加圖像的亮度並且還可以使得光源單元110R、110B、和110G小巧。另外，使用X立方體稜鏡120a或三色稜鏡120b的光束R、G、和B的路徑的組合有利於獲得具有簡單結構的投影顯示器。
根據本發明總體構思的上述的實施例的投影顯示器具有以下效果。首先，由於小巧光源的使用導致光源的壽命被延長。
第二，通過使用具有非球面反射表面的準直器來準直從小巧光源射出的光提高了光會聚效率。
第三，通過使用X立方體稜鏡或三色稜鏡來組合三種顏色光束的不同路徑可以獲得具有簡單結構的單面板投影顯示器。
儘管顯示和描述本發明總體構思的某些實施例，但本領域的技術人員應該理解，在不脫離本發明總體構思的原理、精神的情況下可以在這些實施例中做出改變，本發明總體構思的範圍由所附權利要求和其等同物所限定。
權利要求
1.一種投影顯示器，包括第一到第三光源單元，彼此並列放置，用於順序地在相同方向輻射具有不同顏色的第一到第三光束；光調製器，用於根據圖像信息來順序地調製第一到第三光束；和投影透鏡單元，用於將調製的光束放大並投影到屏幕，其中，第一到第三光源單元的每個包括一個或多個光學模塊，一個或多個光學模塊中的每個包括具有拋物面形狀的第一反射表面的準直器、和位於第一反射表面的焦點的附近的小巧光源。
2.如權利要求1所述的投影顯示器，其中，該準直器還包括第二反射表面，該第二反射表面具有平面形狀，與準直器的第一反射表面相對放置，具有通過其從小巧光源射出的光進入準直器的主體的窗口。
3.如權利要求2所述的投影顯示器，其中第二反射表面相對於第一反射表面的主軸傾斜，並且小巧光源被放置，從而小巧光源的光軸相對於與主軸垂直的方向傾斜，其傾斜角度與第二反射表面相對於主軸傾斜的角度相同。
4.如權利要求2所述的投影顯示器，其中，準直器還包括第三反射表面，該第三反射表面在窗口的邊緣向第一到第三光源單元中的相應的一個，相對於第二反射表面傾斜。
5.如權利要求1到4之一所述的投影顯示器，還包括積分器，位於一個或多個光調製器的入射側，用於形成具有均勻光強度的平面光。
6.如權利要求5所述的投影顯示器，還包括至少一個會聚透鏡，用於將第一到第三光束會聚並且將會聚的光束傳播到積分器。
7.如權利要求1所述的投影顯示器，其中，光調製器包括數字微鏡裝置(DMD)。
8.如權利要求1所述的投影顯示器，其中，該一個或多個光學模塊包括分別相應於第一到第三光源單元的該一個或多個光學模塊的第一陣列、該一個或多個光學模塊的第二陣列、和該一個或多個光學模塊的第三陣列。
9.如權利要求1所述的投影顯示器，其中，該一個或多個光學模塊的準直器彼此平行放置。
10.一種投影顯示器，包括第一到第三光源單元，用於分別輻射具有不同顏色的第一到第三光束；X立方體稜鏡，用於將第一到第三光束的路徑組合成相同路徑；光調製器，用於根據圖像信息順序地調製第一到第三光束；和投影透鏡單元，用於將調製的光束放大並投影到屏幕，其中，第一到第三光源單元的每個包括至少一個光學模塊，該至少一個光學模塊包括具有拋物面形狀的第一反射表面的準直器、和位於第一反射表面的焦點的附近的小巧光源。
11.如權利要求10所述的投影顯示器，其中，該準直器還包括第二反射表面，該第二反射表面具有平面形狀，與準直器的第一反射表面相對放置，具有通過其從小巧光源射出的光進入的窗口。
12.如權利要求11所述的投影顯示器，其中第二反射表面相對於第一反射表面的主軸傾斜，並且小巧光源被放置，從而小巧光源的光軸相對於與主軸垂直的方向傾斜，其傾斜角度與由第二反射表面和主軸形成的角度相同。
13.如權利要求11所述的投影顯示器，其中，準直器還包括第三反射表面，該第三反射表面在窗口的邊緣向第一到第三光源單元中的相應的一個，相對於第二反射表面傾斜。
14.如權利要求10到13之一所述的投影顯示器，還包括積分器，位於光調製器的入射側，用於形成具有均勻光強度的平面光。
15.如權利要求14所述的投影顯示器，還包括至少一個會聚透鏡，用於將第一到第三光束會聚並且將會聚的光束傳播到積分器。
16.如權利要求10所述的投影顯示器，其中，光調製器包括數字微鏡裝置(DMD)。
17.一種投影顯示器，包括第一到第三光源單元，用於分別輻射具有不同顏色的第一到第三光束；三色稜鏡，用於將第一到第三光束的路徑組合成相同路徑；光調製器，用於根據圖像信息順序地調製第一到第三光束；和投影透鏡單元，用於將調製的光束放大並投影到屏幕，其中，第一到第三光源單元的每個包括至少一個光學模塊，該至少一個光學模塊包括具有拋物面形狀的第一反射表面的準直器、和位於第一反射表面的焦點的附近的小巧光源。
18.如權利要求17所述的投影顯示器，其中，該準直器還包括第二反射表面，該第二反射表面具有平面形狀，與準直器的第一反射表面相對放置，具有通過其從小巧光源射出的光進入的窗口。
19.如權利要求18所述的投影顯示器，其中第二反射表面相對於第一反射表面的主軸傾斜，並且小巧光源被放置，從而小巧光源的光軸相對於與主軸垂直的方向傾斜，其傾斜角度與由第二反射表面和主軸形成的角度相同。
20.如權利要求18所述的投影顯示器，其中，準直器還包括第三反射表面，該第三反射表面在窗口的邊緣相對於第二反射表面傾斜向第一到第三光源單元中的相應的一個。
21.如權利要求17到20之一所述的投影顯示器，還包括積分器，位於光調製器的入射側以形成具有均勻光強度的平面光。
22.如權利要求21所述的投影顯示器，還包括至少一個會聚透鏡，用於將第一到第三光束會聚並且將會聚的光束傳播到積分器。
23.如權利要求17所述的投影顯示器，其中，光調製器包括數字微鏡裝置(DMD)。
全文摘要
一種投影顯示器，包括第一到第三光源單元，用於分別輻射具有不同顏色的第一到第三光束；X立方體稜鏡，用於將第一到第三光束的路徑組合；光調製器，用於根據圖像信息順序地調製第一到第三光束；和投影透鏡單元，用於將調製的光束放大並投影到屏幕。第一到第三光源單元的每個包括至少一個光學模塊。該光學模塊包括具有拋物面形狀的第一反射表面的準直器、和位於第一反射表面的焦點的附近的小巧光源。
文檔編號G03B21/26GK1700086SQ200510071020
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月20日 優先權日2004年5月22日
發明者李迎鐵, 李元鏞, 索科洛夫·基瑞爾, 李啟薰 申請人:三星電子株式會社