液晶投影儀的光學系統的製作方法
2023-06-23 06:55:26 5
專利名稱：液晶投影儀的光學系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種液晶投影儀，且特別涉及一種液晶投影儀的光學系統，其能夠使用三個反射液晶顯示屏而最小化光學系統的尺寸和光學元件的數量。
背景技術：
現在，已經對能夠取代具有屏幕和大系統尺寸限度的陰極射線管顯示器並且能夠實現薄厚度和大比例屏幕的平板顯示器加以關注。平板顯示器包括將小範圍圖象以放大的比例投射到大屏幕上的投影儀。
投影儀採用陰極射線管或液晶顯示器(LCD)作為實現小範圍圖象的顯示設備。近來，主要使用LCD以跟上投影儀較薄厚度的發展趨勢。通常，液晶投影儀採用透射型或反射型LCD。液晶投影儀的發展意向是獲得小體積、低重量及高亮度，而LCD屏板的發展意向是獲得高孔徑比率和高解析度。因此，使用反射LCD屏板以跟上朝向實現高解析度、小體積和低成本的液晶投影儀的新趨勢。
液晶投影儀利用發自光源的光來實現LCD屏板上的圖象。液晶投影儀用投影光學系統將LCD屏板圖象映在屏幕上觀察映在屏幕上的圖象。當投影儀通過直接投影LCD屏板圖象於後面屏幕上來實現時，應確保在屏幕與投影光學系統之間的投影距離。相應地，由於屏幕後側需要比較大的空間而增大了投影儀厚度，獲得投影儀的較薄厚度是困難的。
為解決這個問題，反射鏡被引入屏幕與投影光學系統之間以改變光的路徑，從而減少投影儀的厚度。但是，因為反射鏡的配置角度不得不大於其臨界角以在無失真的情況下將圖象投射到背面屏幕上，所以減少系統厚度受限。而且，由於投影儀的照明系統、LCD及投影儀的投影鏡頭系統所構成的光學系統的固有全長，而對減少系統厚度存在限制。
參照圖1，示出了一個傳統的液晶投影儀的光學系統。液晶投影儀包括第一和第二蠅眼透鏡(FEL′s)6和8、一個極化分光鏡(PBS)陣列10和一個置於光源4與全反射鏡14之間的第一聚光透鏡12，以及一個置於全反射鏡14與第一分色鏡18之間的第二聚光透鏡16。
一束髮自光源4的燈的白色光被一泡物柱面鏡反射而向著第一FEL6前進。第一FEL6將入射光分成小單元並使它們聚焦於第二FEL8的每個鏡頭單元上。第二FEL8將入射光轉換為特定部分的平行光並將其透射到PBS陣列10。PBS陣列10將入射光分成具有任一光軸的線性極化光，也就是，P極化光和S極化光。隨後，一個局部固定到PBS陣列10後側的半波長板(未示出)將透射的P極化光轉換為S極化光。由此，所有入射光通過PBS陣列10被轉換為S極化光，從而允許發自光源4的大部分光被入射到LCD屏板的圖象實現單元26R、26G和26B。
第一聚光透鏡12把來自PBS陣列10的入射光聚焦在全反射鏡14之上。全反射鏡14完全反射來自第一聚光透鏡12的入射光並使其向著第二聚光透鏡16前進。第二聚光透鏡16把來自全反射鏡14的入射光聚焦在第一分色鏡18之上。第一分色鏡18透射入射光藍色區域的光同時反射比藍光波長長的綠光區域和紅光區域的光。
此外，圖1所示液晶投影儀的光學系統包括一個第二分色鏡20、配置在第一分色鏡18與紅色LCD屏板26R之間的第一極化膜22R和第一極化分色器稜鏡(PBSP)24R、配置在第二分色鏡20與綠色LCD屏板26G之間的第二極化膜22G和第二PBSP24G、一個第一中繼透鏡27、一個第二全反射鏡28、一個第二中繼透鏡29、配置在第一分色鏡18與藍色LCD屏板26B之間的第三極化膜22B和第三PBSP24B、配置在第一至第三PBSP24R、24G、24B之中的分色稜鏡30，以及相對分色稜鏡30光輸出表面安裝的投影鏡頭32。
第二分色鏡20反射被第一分色鏡18反射且入射其上的藍色區域光以使其向著第二極化膜22G前進同時透射紅色區域光以使其向著第一極化膜22R前進。第二全反射鏡28反射自第一分色鏡18透射且入射其上的藍色區域光以使其向著第三極化膜22B前進。
第一和第二中繼透鏡27和29是向場透鏡，其中繼藍色區域光的映像點以在藍色LCD屏板26B上重映象藍光。第一至第三極化膜22R、22G和22B的每一個只透射入射光中平行於光軸的S極化光並使其分別向著第一至第三PBSP24R、24G和24B前進。
第一至第三PBSP24R、24G和24B反射自第一至第三極化膜22R、22G和22B透射且入射其上的紅色、綠色和藍色S極化光並使它們分別前進到紅色、綠色和藍色LCD屏板26R、26G和26B。此外，第一至第三PBSP24R、24G和24B獲得來自紅色、綠色和藍色LCD屏板26R、26G和26B的圖象信息以分別透射被轉換為P極化光的紅色、綠色和藍色光並使它們向著分色稜鏡30前進。
紅色、綠色和藍色LCD屏板26R、26G和26B的每一個都是反射型LCD屏板，其將由第一至第三PBSP24R、24G和24B每一個反射且入射其上的S極化光轉換為P極化光從而實現圖象。
分色稜鏡30獲得來自紅色、綠色和藍色LCD屏板26R、26G和26B的圖象信息以組合入射的紅色、綠色和藍色光並輸出組合光到投影鏡頭32。用於把來自第一和第三PBSP24R和24B的P極化光轉換為S極化光的第一和第二極化轉換膜(未示出)被分別配置在第一及第三PBSP24R和24B與分色稜鏡30之間。相應地，分色稜鏡30反射通過第一和第二極化轉換膜被輸入到投影鏡頭32的具有S極化分量的紅色和藍色光。同時，分色稜鏡30透射通過第二PBSP24G被輸入到投影鏡頭32的具有P極化分量的紅色光，從而組合紅色、綠色和藍色光。投影鏡頭32放大從分色稜鏡30輸入的圖象並將其投射到屏幕上。
如上所述的傳統液晶投影儀因為採用了三種LCD屏板，而需要多個分色鏡以把來自光源的白光分成紅色、綠色和藍色。而且，由於傳統的液晶投影儀使用反射型LCD屏板，它需要基於反射型LCD屏板的多個輸入和輸出光的PBSP區分路徑。因為使用三種反射型LCD屏板的傳統液晶投影儀的光學系統需要大量光學元件，所以光學系統的尺寸被增大了。特別是，由於光學系統具有一個固有的全長L，其在減少與所述固有全長L成比例的厚度上受限。這樣，實現光學系統的較薄厚度變得困難。
於是，提出一種具有兩層結構的光學系統，其中分色器被配置在色光組合部分與投影鏡頭系統的上層以減少光學系統的全長L。但是，兩層結構光學系統也使用大量的光學元件而限制了減小其尺寸。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種能減少光學元件數量和光學系統尺寸的液晶投影儀的光學系統。
為了達到本發明的這些和其它目的，按照本發明一個實施例的液晶投影儀的光學系統包括一個照明單元，用於使產生自光源的白光具有任一線性極化光和一致的光分布；一個分色器，用於按照波長帶分離來自照明單元的白光以獲得第一色光並用於按照波長帶極化轉換剩餘的光且隨後根據其極化分量將它們分離為第二和第三色光；使用來自分色器的第一至第三色光以分別實現第一至第三色圖象的第一至第三液晶顯示屏板；一個圖象組合單元，用於組合具有自第一至第三液晶顯示屏板獲得的圖象信息的第一至第三色光；以及一個投影鏡頭單元，用於將來自圖象組合單元的組合圖象以放大的比例投射在屏幕上。
在光學系統中，分色器包括一個第一分色鏡，用於按照波長帶分離白光並使被分離的第一色光向第一液晶顯示屏板前進；以及一個第一選色器，用於按照波長帶極化轉換來自第一分色鏡的剩餘光以區分第二和第三色光的極化分量。光學系統還包括一個第一極化光分離稜鏡，用於按照極化方向分離來自第一選色器的第二和第三色光並使它們分別向第二和第三液晶顯示屏板前進。
特別是，所述第一至第三液晶顯示屏板的每一個是根據圖象信息轉換並輸出入射光極化分量的反射型液晶顯示屏板；而所述第一極化光分離稜鏡使通過自第二和第三液晶顯示屏板獲得的圖象信息而極化轉換的第二和第三色光前進到圖象組合單元。光學系統還包括一個第二極化光分離稜鏡，用於使來自分色鏡的第一色光被入射到第一液晶顯示屏板並使通過自第一液晶顯示屏板獲得的圖象信息而極化轉換的第一色光向圖象組合單元前進。
在光學系統中，圖象組合單元還包括第三極化光分離稜鏡和分色稜鏡中的任何一個，以用於從第一至第三液晶顯示屏板獲得圖象信息，來組合通過第一和第二極化光分離稜鏡而入射其上的第一至第三色光並輸出組合光。
圖象組合單元還包括一個第二選色器，用於按照波長帶選擇性地轉換由第一極化稜鏡輸出的第二和第三色光的極化分量並使它按原樣的線性極化狀態向第三極化光分離稜鏡和分色稜鏡中的任何一個前進。
在光學系統中，第一和第二選色器進行紅光的極化轉換同時按原樣透射其它波長帶的光。
光學系統還包括一個半波長板，用於轉換具有自第二極化稜鏡獲得的圖象信息的第一色光的線性極化光並使它向第三極化光分離稜鏡和分色稜鏡中的任何一個前進。
光學系統還包括一個第三選色器，用於按照波長帶極化轉換來自圖象組合單元的組合圖象並使它向投影鏡頭前進。
這裡，若僅用於透射P極化光的P極化屏幕用作所述屏幕，則第三選色器使所有光進入圖象組合單元和投影鏡頭單元之間以被轉換為P極化光。
在另一系統的示例中，圖象組合單元包括一個第二分色鏡，用於按照波長帶選擇地反射及透射來自第一和第二極化光分離稜鏡的第一至第三色光以組合成一個圖象。
光學系統還包括分別配置在第二和第三液晶顯示屏板與第一極化光分離稜鏡之間的第一和第二色光過濾器，以增強色純度。
本發明的這些和其它目的將從以下參考附圖詳細描述的本發明實施例中變得清楚，其中圖1是表示一個傳統液晶投影儀光學系統構造的平面圖；圖2是表示根據本發明一個實施例的液晶投影儀光學系統構造的平面圖；圖3是表示圖2所示第一選色器的透射特性圖；以及圖4是表示根據本發明另一個實施例的液晶投影儀光學系統構造的平面圖。
具體實施例方式
參照圖2，示出了按照本發明一個實施例的液晶投影儀光學系統。
光學系統包括三個用於顯示圖象的反射型LCD屏板46R、46G和46B，一個照明單元，用於使來自光源30的白光均勻有效地照射到LCD屏板46R、46G和46B上，一個分色器，用於把來自照明單元的白光空間上分離為紅色、綠色和藍色光並使被分離的色光到達反射型LCD屏板46R、46G和46B，一個光組合單元，用於組合獲得來自反射LCD屏板46R、46G和46B的圖象信息的三種色光，以及一個用於放大並投射組合圖象的投影鏡頭50。
照明單元由光源30、第一和第二FEL32A和32B以及PBS陣列34組成。分色器包括一個分色鏡38，一個第一選色極化轉換裝置42，在下文中被稱為「選色器」，用於按照波長區域進行極化轉換，和一個第一PBSP44A。光組合單元由所述第一PBSP44A、一個第二PBSP44B、一個第二選色器42B和一個第三PBSP44C組成。
一束髮自光源30的白光向著第一FEL32A前進。第一FEL32A將入射光分成小單元並使它們被聚焦到第二FEL32B的每一個透鏡單元上。第二FEL32B將入射光轉換為特定部分的平行光。PBS陣列34與第二FEL32B為一體以將入射光分成P極化光和S極化光。隨後，部分固定到PBS陣列34後側的半波長(λ/2)板(未示出)將被透射的P極化光轉換為S極化光。第一聚光透鏡36A聚焦入射光。這樣一個照明單元將所有入射光轉換為任一方向上的線性極化光，也就是，S極化光以此方式被均勻入射到LCD屏板46A、46B和46C，從而提高了光效率。
第一分色鏡38以波長區域選擇性地反射或者透射來自照明單元的入射光。例如，第一分色鏡38透射入射光中藍色區域的光線同時反射具有比所述藍色區域光更長波長的綠色和紅色區域的光線。
第一選色器42A按照波長區域對透射過第一分色鏡38且入射其上的紅色和綠色區域的光進行選擇性極化轉換。例如，第一選色器42A將藍色區域的光旋轉90°以將S極化光轉換為P極化光同時保持S極化光狀態透射紅色區域光。第一選色器42A優選地是被設計成在極化轉換之後進行具有良好透射特性的紅光R的極化轉換，這可以從圖3所示選色器透射特性圖中看出。這樣一種按照波長區域進行選擇性極化轉換的第一選色器42A已被公開於美國專利5,990,996中。
分色鏡38的透射光輸出側和反射光輸出側進一步分別設置有聚光透鏡36B和36C以及S極化器40A和40B。聚光透鏡36B和36C聚焦光，且S極化器40A和40B從而增強S極化光的純度。
第一PBSP44A將通過第一選色器42A極化轉換併入射其上的紅色區域的P極化光透射到紅色LCD屏板46R，同時反射入射其上的綠色區域的S極化光到紅色LCD屏板46G。而且，第一PBSP44A反射通過自紅色LCD屏板46R獲得的圖象信息而極化轉換併入射其上的紅色區域的S極化光到第三PBSP44C上，同時將通過自紅色LCD屏板46G獲得的圖象信息而極化轉換併入射其上均綠色區域的P極化光透射到第三PBSP44C。
第二PBSP44B反射由分色鏡38反射併入射其上的藍色區域的S極化光到藍色LCD屏板46B，同時向著第三PBSP44C透射通過自藍色LCD屏板46B獲得均圖象信息而轉換為P極化光的藍色光。
紅色、綠色和藍色LCD屏板46R、46G和46B的每一個都是反射LCD屏板，其極化轉換並輸出入射其上的線性極化光以實現相應顏色的圖象。
第二PBSP44B的透射光輸出側進一步設置有P極化器40C和半波長(λ/2)板48。P極化器40C只透射P極化光以增強獲得綠色圖象信息的P極化光的純度。半波長板48將入射的P極化光轉換為S極化光。
第二選色器42B與前述第一選色器42A相似，根據波長區域選擇地極化轉換來自第一PBSP44A的入射光。更特別地，第二選色器42B透射獲得圖象信息的綠色P極化光，同時將獲得圖象信息的紅色S極化光以輸出P極化光旋轉90°。
第三PBSP44C組合獲得圖象信息的入射的紅色、綠色和藍色光並將它們輸出到投影鏡頭單元50。換言之，第三PBSP44C將通過半波長板48轉換為S極化光併入射其上的藍色光反射到投影鏡頭50，同時向著投影鏡頭50透射通過第二選色器42B被轉換為P極化光且入射其上的紅色光以及未經任何極化轉換入射其上的綠色光。第三PBSP44C能夠被分色稜鏡所替代。投影鏡頭50將由第三PBSP44C輸入的組合圖象以放大的比例投射到屏幕上。
如上所述，按照本發明實施例的液晶投影儀光學系統使用了根據波長區域進行選擇性極化轉換的選色器，從而減少了用以光分離的分色鏡和LCD屏板輸入及輸出光PBSP區分路徑的數量。因此，它能夠減少光學元件的數量和光學系統的尺寸。尤其是，該光學系統與圖1所示的傳統光學系統全長L相比能夠大大減小光學系統的全長L，從而減小液晶投影儀的厚度。
按照本發明實施例的液晶投影儀光學系統還包括第三PBSP44C與投影鏡頭50之間的第三選色器42C以使所有入射到投影鏡頭單元50的光極化分量為P波。第三選色器42C只將由第三PBSP44C反射且入射其上的藍色S極化光旋轉90°以將其轉換為P波，同時將穿過第三PBSP44C的紅色和綠色P極化光透射。
如果只透射P極化光的P極化屏幕被用作投影屏幕，用於使所有入射到投影鏡頭50的光極化分量因此成為P極化光且映出被投影鏡頭50放大的圖象，則有可能提高圖像對比度，這是由於適於投影屏幕的P極化器能夠吸收外部光線。
參照圖4，示出了根據本發明另一個實施例的液晶投影儀光學系統。
當與圖2所示的光學系統相比較時，圖4的光學系統使用了一個第二分色鏡38B代替第三PBSP44C作為組合單元，並進一步包括置於紅色和綠色LCD屏板46R和46G與第二PBSP44B之間的綠色和紅色濾光器54A和54B以增強色光純度以及置於光源30與第一分色鏡38A之間的全反射鏡52以改變光路徑。而且，圖4所示的光學系統排除了極化濾光器40A、40B和40C，但可以另外包括它們。在這裡，關於與圖2所示光學系統相同的圖4光學系統元件的詳細說明將被省略。
第一和第二FEL32A和32B、PBS陣列34以及第一和第二聚光透鏡36A和36B使來自光源30的白光均勻有效地照射到紅色、綠色和藍色LCD屏板46R、46G和46B上。全反射鏡52全反射來自第一聚光透鏡36A的入射光以使其向第二聚光透鏡36B前進。
第一分色鏡38A反射藍色區域的S極化光以使其通過第三聚光透鏡36C和第一PBSP44A被照射到藍色LCD屏板46B上。而且，第一分色鏡38A透射具有比所述藍色光更長波長的紅色和綠色區域S極化光並使它們通過第一選色器42A、第四聚光透鏡36D和第二PBSP44B入射到紅色和綠色LCD屏板46R和46G上。
第一選色器42A如上所述90°旋轉藍色區域S極化光以將其轉換為P極化光，從而使其透射到第二PBSP44B及入射到紅色LCD屏板46R。進一步地，第一選色器42A保持S極化光狀態透射綠色區域光，從而使其被第二PBSP44B反射且入射到綠色LCD屏板46G上。
相對於紅色和綠色LCD屏板46R和46G安置在第二PBSP44B處的紅色和綠色濾光器54A和54B分別提高了紅色和綠色光的純度。
第二分色鏡38B向投影鏡頭50發送通過由紅色LCD屏板46R獲得圖象信息而轉換為S極化光併入射其上的紅色光以及通過由綠色LCD屏板46G獲得圖象信息而轉換為P極化光併入射其上的綠色光。此外，第二分色鏡38B將通過由藍色LCD屏板46B獲得圖象信息而轉換為P極化光併入射其上的藍色光反射入投影鏡頭50。如上所述，第二分色鏡38B組合獲得圖象信息的紅色、綠色和藍色光並使組合的光向投影鏡頭50前進。
投影鏡頭單元50將由第二分色鏡38B輸入的組合圖象以放大的比例投射到屏幕上。
如上所述，按照本發明另一個實施例的液晶投影儀光學系統使用了根據波長區域進行選擇性極化轉換的選色器，從而減少了用於光分離的分色鏡數量和用於光組合的PBSP數量。因此，它能夠減少光學元件的數量和光學系統的尺寸。尤其是，該光學系統與圖1所示的傳統光學系統全長L相比能夠大大減小光學系統的全長L，從而減小液晶投影儀的厚度。
如上所述，按照本發明，根據波長進行極化轉換的選色器被用於諸如分色鏡和PBSP的光元件，因而可能簡化光學系統並由此減小光學系統尺寸。特別是，液晶投影儀光學系統的全長能夠被減小以獲得具有較薄厚度的投影儀。
另外，按照本發明，採用P極化屏幕並且選色器將所有入射到投影鏡頭單元的光轉換為P極化光，所以有可能提高對比度。
儘管本發明已被上述附圖所示實施例說明，本領域技術人員應理解本發明不限於實施例，而在不脫離發明精神的前提下各種變化或修正都是可能的。相應地，本發明範圍將僅由所附權利要求及其等價物限定。
權利要求
1.一種液晶投影儀的光學系統，包括照明單元，用於使產生自光源的白光具有任一線性極化光和一致的光分布；分色器，用於按照波長帶分離來自照明單元的白光以獲得第一色光並用於按照波長帶極化轉換剩餘的光且隨後根據其極化分量將它們分離為第二和第三色光；使用來自分色器的第一至第三色光以分別實現第一至第三色圖象的第一至第三液晶顯示屏板；圖象組合單元，用於組合具有自第一至第三液晶顯示屏板獲得的圖像信息的第一至第三色光；以及投影鏡頭單元，用於將來自圖象組合單元的組合圖象以放大的比例投射在屏幕上。
2.如權利要求1所述的光學系統，其中，分色器包括第一分色鏡，用於按照波長帶分離白光並使分離的第一色光向第一液晶顯示屏板前進；第一選色器，用於按照波長帶極化轉換來自第一分色鏡的剩餘光以區分第二和第三色光的極化分量；以及第一極化光分離稜鏡，用於按照極化方向分離來自第一選色器的第二和第三色光並使它們分別向第二和第三液晶顯示屏板前進。
3.如權利要求2所述的光學系統，其中，所述第一至第三液晶顯示屏板的每一個是用於根據圖象信息轉換並輸出入射光極化分量的反射型液晶顯示屏板；以及所述第一極化光分離稜鏡使通過自第二和第三液晶顯示屏板獲得的圖象信息而極化轉換的第一和第二色光前進到圖象組合單元，且還包括第二極化光分離稜鏡，使來自分色鏡的第一色光入射到第一液晶顯示屏板並使通過自第一液晶顯示屏板獲得的圖象信息而極化轉換的第三色光向圖象組合單元前進。
4.如權利要求1所述的光學系統，其中，圖象組合單元還包括第三極化光分離稜鏡和分色稜鏡中的任一個用於自第一至第三液晶顯示屏板獲得圖象信息以組合通過第一和第二極化光分離稜鏡而入射其上的第一至第三色光並輸出組合光。
5.如權利要求4所述的光學系統，其中，圖象組合單元還包括第二選色器，用於按照波長帶選擇地轉換由第一極化稜鏡輸出的第二和第三色光的極化分量並使它以相同的線性極化狀態向第三極化光分離稜鏡和分色稜鏡中的任一個前進。
6.如權利要求5所述的光學系統，其中，第一和第二選色器進行紅光的極化轉換，同時按原樣透射其它波長帶的光。
7.如權利要求5所述的光學系統，還包括半波長板，用於轉換具有自第二極化稜鏡獲得的圖象信息的第一色光的線性極化光並使它向第三極化光分離稜鏡和分色稜鏡中的任何一個前進。
8.如權利要求7所述的光學系統，還包括第三選色器，用於按照波長帶極化轉換來自圖象組合單元的組合圖象並使它向投影鏡頭前進。
9.如權利要求8所述的光學系統，其中，若僅透射P極化光的P極化屏幕用作所述屏幕，則第三選色器使所有光進入圖象組合單元和投影鏡頭單元之間以被轉換為P極化光。
10.如權利要求1所述的光學系統，其中，圖象組合單元包括第二分色鏡，用於按照波長帶選擇地反射及透射來自第一和第二極化光分離稜鏡的第一至第三色光以組合成一個圖象。
11.如權利要求1所述的光學系統，還包括分別配置在第二和第三液晶顯示屏板與第一極化光分離稜鏡之間的第一和第二色光過濾器，以增強色純度。
全文摘要
一種能減小包括三種反射型液晶顯示屏板的光學系統全長的液晶投影儀光學系統。該系統中，一個照明單元使產生自光源的白光具有任一線性極化光和一致的光分布。一個分色器按照波長帶分離來自照明單元的白光以獲得第一色光，並按照波長帶極化轉換剩餘光且隨之根據它們的極化分量將其分成第二和第三色光。第一至第三液晶顯示屏板使用來自分色器的第一至第三色光以分別實現第一至第三色圖象。一個圖象組合單元組合具有從第一至第三液晶顯示屏板獲得的圖象信息的第一至第三色光。一個投影鏡頭單元將來自圖象組合單元的組合圖象以放大的比例投射到屏幕上。因此，該光學系統能夠減少光學元件的數量。
文檔編號H04N9/31GK1397818SQ0114240
公開日2003年2月19日 申請日期2001年10月26日 優先權日2000年10月26日
發明者權純炯, 羅萬湖 申請人:Lg電子株式會社