CN1187637C - 液晶投影仪的光学*** - Google Patents

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Abstract

一种能减小包括三种反射型液晶显示屏板的光学***全长的液晶投影仪光学***。该***中，一个照明单元使产生自光源的白光具有任一线性极化光和一致的光分布。一个分色器按照波长带分离来自照明单元的白光以获得第一色光，并按照波长带极化转换剩余光且随之根据它们的极化分量将其分成第二和第三色光。第一至第三液晶显示屏板使用来自分色器的第一至第三色光以分别实现第一至第三色图象。一个图象组合单元组合具有从第一至第三液晶显示屏板获得的图象信息的第一至第三色光。一个投影镜头单元将来自图象组合单元的组合图象以放大的比例投射到屏幕上。因此，该光学***能够减少光学元件的数量。

Description

液晶投影仪的光学***
                           技术领域
本发明涉及一种液晶投影仪，且特别涉及一种液晶投影仪的光学***，其能够使用三个反射液晶显示屏而最小化光学***的尺寸和光学元件的数量。
                           背景技术
现在，已经对能够取代具有屏幕和大***尺寸限度的阴极射线管显示器并且能够实现薄厚度和大比例屏幕的平板显示器加以关注。平板显示器包括将小范围图象以放大的比例投射到大屏幕上的投影仪。
投影仪采用阴极射线管或液晶显示器(LCD)作为实现小范围图象的显示设备。近来，主要使用LCD以跟上投影仪较薄厚度的发展趋势。通常，液晶投影仪采用透射型或反射型LCD。液晶投影仪的发展意向是获得小体积、低重量及高亮度，而LCD屏板的发展意向是获得高孔径比率和高分辨率。因此，使用反射LCD屏板以跟上朝向实现高分辨率、小体积和低成本的液晶投影仪的新趋势。
液晶投影仪利用发自光源的光来实现LCD屏板上的图象。液晶投影仪用投影光学***将LCD屏板图象映在屏幕上观察映在屏幕上的图象。当投影仪通过直接投影LCD屏板图象于后面屏幕上来实现时，应确保在屏幕与投影光学***之间的投影距离。相应地，由于屏幕后侧需要比较大的空间而增大了投影仪厚度，获得投影仪的较薄厚度是困难的。
为解决这个问题，反射镜被引入屏幕与投影光学***之间以改变光的路径，从而减少投影仪的厚度。但是，因为反射镜的配置角度不得不大于其临界角以在无失真的情况下将图象投射到背面屏幕上，所以减少***厚度受限。而且，由于投影仪的照明***、LCD及投影仪的投影镜头***所构成的光学***的固有全长，而对减少***厚度存在限制。
参照图1，示出了一个传统的液晶投影仪的光学***。液晶投影仪包括第一和第二蝇眼透镜(FEL′s)6和8、一个偏振分光镜(PBS)阵列10和一个置于光源4与全反射镜14之间的第一聚光透镜12，以及一个置于全反射镜14与第一分色镜18之间的第二聚光透镜16。
一束发自光源4的灯的白色光被一抛物柱面镜反射而向着第一FEL6前进。第一FEL6将入射光分成小单元并使它们聚焦于第二FEL8的每个镜头单元上。第二FEL8将入射光转换为特定部分的平行光并将其透射到PBS阵列10。PBS阵列10将入射光分成具有任一光轴的线偏振光，也就是，P偏振光和S偏振光。随后，一个局部固定到PBS阵列10后侧的半波长板(未示出)将透射的P偏振光转换为S偏振光。由此，所有入射光通过PBS阵列10被转换为S偏振光，从而允许发自光源4的大部分光被入射到LCD屏板的图象实现单元26R、26G和26B。
第一聚光透镜12把来自PBS阵列10的入射光聚焦在全反射镜14之上。全反射镜14完全反射来自第一聚光透镜12的入射光并使其向着第二聚光透镜16前进。第二聚光透镜16把来自全反射镜14的入射光聚焦在第一分色镜18之上。第一分色镜18透射入射光蓝色区域的光同时反射比蓝光波长长的绿光区域和红光区域的光。
此外，图1所示液晶投影仪的光学***包括一个第二分色镜20、配置在第一分色镜18与红色LCD屏板26R之间的第一偏振膜22R和第一偏振分色器棱镜(PBSP)24R、配置在第二分色镜20与绿色LCD屏板26G之间的第二偏振膜22G和第二PBSP24G、一个第一中继透镜27、一个第二全反射镜28、一个第二中继透镜29、配置在第一分色镜18与蓝色LCD屏板26B之间的第三偏振膜22B和第三PBSP24B、配置在第一至第三PBSP24R、24G、24B之中的分色棱镜30，以及相对分色棱镜30光输出表面安装的投影镜头32。
第二分色镜20反射被第一分色镜18反射且入射其上的蓝色区域光以使其向着第二偏振膜22G前进同时透射红色区域光以使其向着第一偏振膜22R前进。第二全反射镜28反射自第一分色镜18透射且入射其上的蓝色区域光以使其向着第三偏振膜22B前进。
第一和第二中继透镜27和29是向场透镜，其中继蓝色区域光的映像点以在蓝色LCD屏板26B上重映象蓝光。第一至第三偏振膜22R、22G和22B的每一个只透射入射光中平行于光轴的S偏振光并使其分别向着第一至第三PBSP24R、24G和24B前进。
第一至第三PBSP24R、24G和24B反射自第一至第三偏振膜22R、22G和22B透射且入射其上的红色、绿色和蓝色S偏振光并使它们分别前进到红色、绿色和蓝色LCD屏板26R、26G和26B。此外，第一至第三PBSP24R、24G和24B获得来自红色、绿色和蓝色LCD屏板26R、26G和26B的图象信息以分别透射被转换为P偏振光的红色、绿色和蓝色光并使它们向着分色棱镜30前进。
红色、绿色和蓝色LCD屏板26R、26G和26B的每一个都是反射型LCD屏板，其将由第一至第三PBSP24R、24G和24B每一个反射且入射其上的S偏振光转换为P偏振光从而实现图象。
分色棱镜30获得来自红色、绿色和蓝色LCD屏板26R、26G和26B的图象信息以组合入射的红色、绿色和蓝色光并输出组合光到投影镜头32。用于把来自第一和第三PBSP24R和24B的P偏振光转换为S偏振光的第一和第二偏振转换膜(未示出)被分别配置在第一及第三PBSP24R和24B与分色棱镜30之间。相应地，分色棱镜30反射通过第一和第二偏振转换膜被输入到投影镜头32的具有S偏振分量的红色和蓝色光。同时，分色棱镜30透射通过第二PBSP24G被输入到投影镜头32的具有P偏振分量的红色光，从而组合红色、绿色和蓝色光。投影镜头32放大从分色棱镜30输入的图象并将其投射到屏幕上。
如上所述的传统液晶投影仪因为采用了三种LCD屏板，而需要多个分色镜以把来自光源的白光分成红色、绿色和蓝色。而且，由于传统的液晶投影仪使用反射型LCD屏板，它需要基于反射型LCD屏板的多个输入和输出光的PBSP区分路径。因为使用三种反射型LCD屏板的传统液晶投影仪的光学***需要大量光学元件，所以光学***的尺寸被增大了。特别是，由于光学***具有一个固有的全长L，其在减少与所述固有全长L成比例的厚度上受限。这样，实现光学***的较薄厚度变得困难。
于是，提出一种具有两层结构的光学***，其中分色器被配置在色光组合部分与投影镜头***的上层以减少光学***的全长L。但是，两层结构光学***也使用大量的光学元件而限制了减小其尺寸。
                        发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能减少光学元件数量和光学***尺寸的液晶投影仪的光学***。
为了达到本发明的这些和其它目的，按照本发明一个实施例的液晶投影仪的光学***包括一个照明单元，用于使产生自光源的白光具有任一线偏振光和均匀的光分布；一个分色器，用于按照波长带分离来自照明单元的白光以获得第一色光并用于按照波长带偏振转换剩余的光且随后根据其偏振分量将它们分离为第二和第三色光；使用来自分色器的第一至第三色光以分别实现第一至第三色图象的第一至第三液晶显示屏板；一个图象组合单元，用于组合具有自第一至第三液晶显示屏板获得的图象信息的第一至第三色光；以及一个投影镜头单元，用于将来自图象组合单元的组合图象以放大的比例投射在屏幕上。
在光学***中，分色器包括：一个第一分色镜，用于按照波长带分离白光并使被分离的第一色光向第一液晶显示屏板前进；以及一个第一选色器，用于按照波长带偏振转换来自第一分色镜的剩余光以区分第二和第三色光的偏振分量。光学***还包括一个第一偏振光分离棱镜，用于按照偏振方向分离来自第一选色器的第二和第三色光并使它们分别向第二和第三液晶显示屏板前进。
特别是，所述第一至第三液晶显示屏板的每一个是根据图象信息转换并输出入射光偏振分量的反射型液晶显示屏板；而所述第一偏振光分离棱镜使通过自第二和第三液晶显示屏板获得的图象信息而偏振转换的第二和第三色光前进到图象组合单元。光学***还包括一个第二偏振光分离棱镜，用于使来自分色镜的第一色光被入射到第一液晶显示屏板并使通过自第一液晶显示屏板获得的图象信息而偏振转换的第一色光向图象组合单元前进。
在光学***中，图象组合单元还包括第三偏振光分离棱镜和分色棱镜中的任何一个，以用于从第一至第三液晶显示屏板获得图象信息，来组合通过第一和第二偏振光分离棱镜而入射其上的第一至第三色光并输出组合光。
图象组合单元还包括一个第二选色器，用于按照波长带选择性地转换由第一偏振棱镜输出的第二和第三色光的偏振分量并使它按原样的线性偏振状态向第三偏振光分离棱镜和分色棱镜中的任何一个前进。
在光学***中，第一和第二选色器进行红光的偏振转换同时按原样透射其它波长带的光。
光学***还包括一个半波长板，用于转换具有自第二偏振棱镜获得的图象信息的第一色光的线偏振光并使它向第三偏振光分离棱镜和分色棱镜中的任何一个前进。
光学***还包括一个第三选色器，用于按照波长带偏振转换来自图象组合单元的组合图象并使它向投影镜头前进。
这里，若仅用于透射P偏振光的P偏振屏幕用作所述屏幕，则第三选色器使所有光进入图象组合单元和投影镜头单元之间以被转换为P偏振光。
在另一***的示例中，图象组合单元包括一个第二分色镜，用于按照波长带选择地反射及透射来自第一和第二偏振光分离棱镜的第一至第三色光以组合成一个图象。
光学***还包括分别配置在第二和第三液晶显示屏板与第一偏振光分离棱镜之间的第一和第二色光过滤器，以增强色纯度。
                        附图说明
本发明的这些和其它目的将从以下参考附图详细描述的本发明实施例中变得清楚，其中：
图1是表示一个传统液晶投影仪光学***构造的平面图；
图2是表示根据本发明一个实施例的液晶投影仪光学***构造的平面图；
图3是表示图2所示第一选色器的透射特性图；以及
图4是表示根据本发明另一个实施例的液晶投影仪光学***构造的平面图。
                        具体实施方式
参照图2，示出了按照本发明一个实施例的液晶投影仪光学***。
光学***包括三个用于显示图象的反射型LCD屏板46R、46G和46B，一个照明单元，用于使来自光源30的白光均匀有效地照射到LCD屏板46R、46G和46B上，一个分色器，用于把来自照明单元的白光空间上分离为红色、绿色和蓝色光并使被分离的色光到达反射型LCD屏板46R、46G和46B，一个光组合单元，用于组合获得来自反射LCD屏板46R、46G和46B的图象信息的三种色光，以及一个用于放大并投射组合图象的投影镜头50。
照明单元由光源30、第一和第二FEL32A和32B以及PBS阵列34组成。分色器包括一个分色镜38，一个第一选色偏振转换装置42，在下文中被称为“选色器”，用于按照波长区域进行偏振转换，和一个第一PBSP44A。光组合单元由所述第一PBSP44A、一个第二PBSP44B、一个第二选色器42B和一个第三PBSP44C组成。
一束发自光源30的白光向着第一FEL32A前进。第一FEL32A将入射光分成小单元并使它们被聚焦到第二FEL32B的每一个透镜单元上。第二FEL32B将入射光转换为特定部分的平行光。PBS阵列34与第二FEL32B为一体以将入射光分成P偏振光和S偏振光。随后，部分固定到PBS阵列34后侧的半波长(λ/2)板(未示出)将被透射的P偏振光转换为S偏振光。第一聚光透镜36A聚焦入射光。这样一个照明单元将所有入射光转换为任一方向上的线偏振光，也就是，S偏振光以此方式被均匀入射到LCD屏板46A、46B和46C，从而提高了光效率。
第一分色镜38以波长区域选择性地反射或者透射来自照明单元的入射光。例如，第一分色镜38透射入射光中蓝色区域的光线同时反射具有比所述蓝色区域光更长波长的绿色和红色区域的光线。
第一选色器42A按照波长区域对透射过第一分色镜38且入射其上的红色和绿色区域的光进行选择性偏振转换。例如，第一选色器42A将蓝色区域的光旋转90°以将S偏振光转换为P偏振光同时保持S偏振光状态透射红色区域光。第一选色器42A优选地是被设计成在偏振转换之后进行具有良好透射特性的红光R的偏振转换，这可以从图3所示选色器透射特性图中看出。这样一种按照波长区域进行选择性偏振转换的第一选色器42A已被公开于美国专利5,990,996中。
分色镜38的透射光输出侧和反射光输出侧进一步分别设置有聚光透镜36B和36C以及S偏振器40A和40B。聚光透镜36B和36C聚焦光，且S偏振器40A和40B从而增强S偏振光的纯度。
第一PBSP44A将通过第一选色器42A偏振转换并入射其上的红色区域的P偏振光透射到红色LCD屏板46R，同时反射入射其上的绿色区域的S偏振光到红色LCD屏板46G。而且，第一PBSP44A反射通过自红色LCD屏板46R获得的图象信息而偏振转换并入射其上的红色区域的S偏振光到第三PBSP44C上，同时将通过自绿色LCD屏板46G获得的图象信息而偏振转换并入射其上的绿色区域的P偏振光透射到第三PBSP44C。
第二PBSP44B反射由分色镜38反射并入射其上的蓝色区域的S偏振光到蓝色LCD屏板46B，同时向着第三PBSP44C透射通过自蓝色LCD屏板46B获得的图象信息而转换为P偏振光的蓝色光。
红色、绿色和蓝色LCD屏板46R、46G和46B的每一个都是反射LCD屏板，其偏振转换并输出入射其上的线偏振光以实现相应颜色的图象。
第二PBSP44B的透射光输出侧进一步设置有P偏振器40C和半波长(λ/2)板48。P偏振器40C只透射P偏振光以增强获得绿色图象信息的P偏振光的纯度。半波长板48将入射的P偏振光转换为S偏振光。
第二选色器42B与前述第一选色器42A相似，根据波长区域选择地偏振转换来自第一PBSP44A的入射光。更特别地，第二选色器42B透射获得图象信息的绿色P偏振光，同时将获得图象信息的红色S偏振光旋转90°以作为P偏振光输出。
第三PBSP44C组合获得图象信息的入射的红色、绿色和蓝色光并将它们输出到投影镜头单元50。换言之，第三PBSP44C将通过半波长板48转换为S偏振光并入射其上的蓝色光反射到投影镜头50，同时向着投影镜头50透射通过第二选色器42B被转换为P偏振光且入射其上的红色光以及未经任何偏振转换入射其上的绿色光。第三PBSP44C能够被分色棱镜所替代。投影镜头50将由第三PBSP44C输入的组合图象以放大的比例投射到屏幕上。
如上所述，按照本发明实施例的液晶投影仪光学***使用了根据波长区域进行选择性偏振转换的选色器，从而减少了用以光分离的分色镜和LCD屏板输入及输出光PBSP区分路径的数量。因此，它能够减少光学元件的数量和光学***的尺寸。尤其是，该光学***与图1所示的传统光学***全长L相比能够大大减小光学***的全长L，从而减小液晶投影仪的厚度。
按照本发明实施例的液晶投影仪光学***还包括第三PBSP44C与投影镜头50之间的第三选色器42C以使所有入射到投影镜头单元50的光偏振分量为P波。第三选色器42C只将由第三PBSP44C反射且入射其上的蓝色S偏振光旋转90°以将其转换为P波，同时将穿过第三PBSP44C的红色和绿色P偏振光透射。
如果只透射P偏振光的P偏振屏幕被用作投影屏幕，用于使所有入射到投影镜头50的光偏振分量因此成为P偏振光且映出被投影镜头50放大的图象，则有可能提高图像对比度，这是由于适于投影屏幕的P偏振器能够吸收外部光线。
参照图4，示出了根据本发明另一个实施例的液晶投影仪光学***。
当与图2所示的光学***相比较时，图4的光学***使用了一个第二分色镜38B代替第三PBSP44C作为组合单元，并进一步包括置于红色和绿色LCD屏板46R和46G与第二PBSP44B之间的绿色和红色滤光器54A和54B以增强色光纯度以及置于光源30与第一分色镜38A之间的全反射镜52以改变光路径。而且，图4所示的光学***排除了偏振滤光器40A、40B和40C，但可以另外包括它们。在这里，关于与图2所示光学***相同的图4光学***元件的详细说明将被省略。
第一和第二FEL32A和32B、PBS阵列34以及第一和第二聚光透镜36A和36B使来自光源30的白光均匀有效地照射到红色、绿色和蓝色LCD屏板46R、46G和46B上。全反射镜52全反射来自第一聚光透镜36A的入射光以使其向第二聚光透镜36B前进。
第一分色镜38A反射蓝色区域的S偏振光以使其通过第三聚光透镜36C和第一PBSP44A被照射到蓝色LCD屏板46B上。而且，第一分色镜38A透射具有比所述蓝色光更长波长的红色和绿色区域S偏振光并使它们通过第一选色器42A、第四聚光透镜36D和第二PBSP44B入射到红色和绿色LCD屏板46R和46G上。
第一选色器42A如上所述90°旋转蓝色区域S偏振光以将其转换为P偏振光，从而使其透射到第二PBSP44B及入射到红色LCD屏板46R。进一步地，第一选色器42A保持S偏振光状态透射绿色区域光，从而使其被第二PB SP44B反射且入射到绿色LCD屏板46G上。
相对于红色和绿色LCD屏板46R和46G安置在第二PBSP44B处的红色和绿色滤光器54A和54B分别提高了红色和绿色光的纯度。
第二分色镜38B向投影镜头50发送通过由红色LCD屏板46R获得图象信息而转换为S偏振光并入射其上的红色光以及通过由绿色LCD屏板46G获得图象信息而转换为P偏振光并入射其上的绿色光。此外，第二分色镜38B将通过由蓝色LCD屏板46B获得图象信息而转换为P偏振光并入射其上的蓝色光反射入投影镜头50。如上所述，第二分色镜38B组合获得图象信息的红色、绿色和蓝色光并使组合的光向投影镜头50前进。
投影镜头单元50将由第二分色镜38B输入的组合图象以放大的比例投射到屏幕上。
如上所述，按照本发明另一个实施例的液晶投影仪光学***使用了根据波长区域进行选择性偏振转换的选色器，从而减少了用于光分离的分色镜数量和用于光组合的PBSP数量。因此，它能够减少光学元件的数量和光学***的尺寸。尤其是，该光学***与图1所示的传统光学***全长L相比能够大大减小光学***的全长L，从而减小液晶投影仪的厚度。
如上所述，按照本发明，根据波长进行偏振转换的选色器被用于诸如分色镜和PBSP的光元件，因而可能简化光学***并由此减小光学***尺寸。特别是，液晶投影仪光学***的全长能够被减小以获得具有较薄厚度的投影仪。
另外，按照本发明，采用P偏振屏幕并且选色器将所有入射到投影镜头单元的光转换为P偏振光，所以有可能提高对比度。
尽管本发明已被上述附图所示实施例说明，本领域技术人员应理解本发明不限于实施例，而在不脱离发明精神的前提下各种变化或修正都是可能的。相应地，本发明范围将仅由所附权利要求及其等价物限定。

Claims (10)

1.一种液晶投影仪的光学***，包括：
照明单元，用于使产生自光源的白光具有任一线偏振光和均匀的光分布；
分色器，用于按照波长带分离来自照明单元的白光以获得第一色光并用于按照波长带偏振转换剩余的光且随后根据其偏振分量将它们分离为第二和第三色光；
使用来自分色器的第一至第三色光以分别实现第一至第三色图象的第一至第三液晶显示屏板；
图象组合单元，用于组合具有自第一至第三液晶显示屏板获得的图像信息的第一至第三色光；以及
投影镜头单元，用于将来自图象组合单元的组合图象以放大的比例投射在屏幕上，
其中，分色器包括：
第一分色镜，用于按照波长带分离白光并使分离的第一色光向第一液晶显示屏板前进；
第一选色器，用于按照波长带偏振转换来自第一分色镜的剩余光以区分第二和第三色光的偏振分量；以及
第一偏振光分离棱镜，用于按照偏振方向分离来自第一选色器的第二和第三色光并使它们分别向第二和第三液晶显示屏板前进。
2.如权利要求1所述的光学***，其中，所述第一至第三液晶显示屏板的每一个是用于根据图象信息转换并输出入射光偏振分量的反射型液晶显示屏板；以及
所述第一偏振光分离棱镜使通过自第二和第三液晶显示屏板获得的图象信息而偏振转换的第二和第三色光前进到图象组合单元，且还包括：
第二偏振光分离棱镜，使来自第一分色镜的第一色光入射到第一液晶显示屏板并使通过自第一液晶显示屏板获得的图象信息而偏振转换的第一色光向图象组合单元前进。
3.如权利要求1所述的光学***，其中，图象组合单元还包括：
第三偏振光分离棱镜和分色棱镜中的任一个，用于组合第一至第三色光并输出组合光，该第一至第三色光自第一至第三液晶显示屏板获得图象信息并通过第一和第二偏振光分离棱镜而入射其上。
4.如权利要求3所述的光学***，其中，图象组合单元还包括：
第二选色器，用于按照波长带选择地转换由第一偏振棱镜输出的第二和第三色光的偏振分量并使它以相同的线性偏振状态向第三偏振光分离棱镜和分色棱镜中的任一个前进。
5.如权利要求4所述的光学***，其中，第一和第二选色器进行红光的偏振转换，同时按原样透射其它波长带的光。
6.如权利要求4所述的光学***，还包括：
半波长板，用于转换具有自第二偏振棱镜获得的图象信息的第一色光的线偏振光并使它向第三偏振光分离棱镜和分色棱镜中的任何一个前进。
7.如权利要求6所述的光学***，还包括：
第三选色器，用于按照波长带偏振转换来自图象组合单元的组合图象并使它向投影镜头前进。
8.如权利要求7所述的光学***，其中，若仅透射P偏振光的P偏振屏幕用作所述屏幕，则第三选色器使所有光进入图象组合单元和投影镜头单元之间以被转换为P偏振光。
9.如权利要求1所述的光学***，其中，图象组合单元还包括：
第二分色镜，用于按照波长带选择地反射及透射来自第一和第二偏振光分离棱镜的第一至第三色光以组合成一个图象。
10.如权利要求1所述的光学***，还包括：
分别配置在第二和第三液晶显示屏板与第一偏振光分离棱镜之间的第一和第二色光过滤器，以增强色纯度。
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