CN1328657A - 光学转接台 - Google Patents

Abstract

一种光学转接台(110)包括光学框架(112)和可拆卸的虚像显示组件(10)。显示组件(10)包括诸如发光两极管(14)等低功率光源、一个或多个分束器(20,22)、偏振器(18,26)、LCD板(24)和成像透镜(34)。当把显示组件从光学框架上拆卸下来时,发光两极管(14)为由LCD板(24)形成的像提供主要照明。所形成的像是LCD板(24)的放大虚像。当把显示组件(10)与投影仪框架(112)固定时,更强的光源(102)提供主要照明,因而形成LCD板(24)的实像,该实像能被投影到屏幕(120)上。

Description

光学转接台

本发明的背景

本发明涉及到一种用于投影由液晶显示器产生的图像的投影仪。

必须向用户显示信息的便携设备，诸如膝上型计算机等，在过去已经有利地将大的液晶显示(LCD)屏用作主要的信息显示装置。在单位显示面积占用的体积以及操作显示器本身的功耗方面，大的LCD板比其它的大显示装置有明显的优势。但是，大的LCD板需要照明，所以一般需要消耗大功率的冷阴极灯，以及复杂的光导，以提供合理均匀的照明。

曾经建议，用虚像显示器来取代较大的直观式LCD板，以便大大节约下一代膝上型计算机的功率和成本。通过使用光学元件，虚像显示器可以把小LCD板的放大虚像直接投影到使用者的眼中。由于该种类型的虚像显示器存在固有的光学效率，所以用一个功耗为5-10毫瓦的发光发两极管就可以照明整个像，而传统的大LCD背部光照设备的功耗达1-2瓦。另外，因为虚像显示器使用了相对容易制造的小LCD板，所以比起技术上复杂的大直观式LCD板，可以明显节约成本。该虚像显示器的小尺寸也可供高度轻便的设备仪器使用。最后，因为虚像显示器只能供一位使用者观看，所以当使用者在诸如飞机等公共场所工作时，虚像显示器的使用还能防止其它人的偷看。

但是，一个潜在的缺点是，因为虚像显示器每次仅供一人观看，所以装备这类显示器的计算机或其它设备不能同时为同时需要信息的二个人或更多人显示信息。在这种情况下，就需要常规的直观式显示屏。而且，有些使用者能发现，把虚像显示器带在眼前或固定在眼前很不舒适。因此，除非节能的利大于佩带虚像显示器不舒适的弊，用护目镜来遮护一位使用者，即使个人使用，用户也宁愿用直观式显示器。尽管可以利用具有单独阴极射线管(CRT)显示器或大面板LCD的常规膝上型转接台，但是，这种方法必然会给完全相同的显示器带来相当大的附加成本。

需要一种转接台，它能够将虚像显示器所产生的图像转换成实像，但不复制LCD板，驱动电子设备和其它有源元件已包含到虚像显示器中。

发明内容

按照本发明，一种光学转接台包括一个光学框架和一个可拆卸虚像显示组件。显示组件包括诸如发光两极管等低功率光源、一个或多个分束器、偏振器、液晶显示板以及成像透镜，它们被光学耦合，以产生图像(如这里所用的，光学耦合是指，无论材料的折射率是否匹配，均沿一光路放置)。当显示组件从光学框架上拆下来时，发光两极管提供主要照明。来自发光两极管的一部分光通过分束器，按要求照射液晶显示板，而液晶显示板有选择地转动通过液晶显示器各象素的光的偏振轴。在有选择旋转的光通过偏转器(检偏器)时，形成一个图像。然后，如此形成的图像通过一成像透镜，形成液晶显示板的放大虚像。但是，当把显示组件与投影仪框架固定时，安装在光学框架上的更大功率的光源提供主要照明。来自该光源的一部分光通过显示组件上的一个孔经，通过分束器照射液晶显示板。由更强光源照明的液晶显示板形成一个图像，这个图像通过成像透镜形成了一个可以投影到屏幕上的实像。根据应用上的像差容限，可用校正透镜组件来代替或放置在成像透镜和屏幕之间。

附图简述

结合附图阅读下面详细描述，可对本发明有更好的理解。在这些图中，相同的标号表示相同的元件，其中：

图1是一示意图，示出了包含本发明特征的虚像显示模块；

图2A是一示意图，示出了包含本发明特征的光学转接台，其中，主光源和次光源的光路大体上是共线的；

图2B是一示意图，示出了包含本发明特征的光学转接台，其中，主光源和次光源的光路是部分发散的；

图3是一示意图，示出了包含本发明特征的光学转接台的另一实施例；

图4是是一示意图，示出了与包含本发明特征的光学转接台一起使用的虚像显示组件的离轴照明实施例；以及

图5是一示意图，示出了与包含本发明特征的光学转接台一起使用的虚像显示组件的枢轴反射镜实施例。

详细叙述

附图是想要说明结构的一般方式，不按比例。在说明书和权利要求书中，术语左、右、前、后等用于说明的目的，然而，应该理解，本文描述的本发明实施例可以在非显示的其它方向操作，并且如此所用的术语用于描述相对位置，并且在适当环境下可以互换。

图1示意地示出了虚像显示组件10，它适于显示例如来自诸如膝上型计算机(未图示)等便携式图像/信息产生设备的视频信号。按照本发明的原理，视频图像显示组件10包括一外壳12，外壳中装有一主光源，而主光源包括单个白色发光两极管(LED)14、聚光透镜16、第一线偏振器18、第一分束20、第二分束器22、反射LCD板24，和第二线偏振器26。组件10的显示控制电子设备40最好通过供应联系缆30与图像/信息产生设备相连，其中供应联系缆30将电能和显示指令提供给显示组件中的各元件。供应联系缆30最好包括一条常规的多带状扭绞电缆。

从LED 14发出的光经聚光透镜16聚光，并由第一线偏振器18起偏。一部分偏振光由第一分束器20反射到吸收板32中。吸收板32包括一交叉的偏振器、黑体，或其它用于吸收由第一分束器20反射来的偏振光的装置。其余的偏振光通过第一分束器20，其中剩余光中的一部分被反射到LCD板24。LCD板24在常规方式下有选择地转动通过屏24中的各象素的偏振光的偏振轴，并反射该光，使其经过第二分束器22，以便当经选择偏振的光通过第二偏振器26时，产生一个图像。由选择偏振光产生的图像通过成像透镜34，形成关于LCD板24的一个放大的虚像“I1”，这个虚像在眼睛的近点处呈现给用户(一般相对于使用者的眼睛36，在LCD 24的实际位置之外约250-1000毫米)。组件10还包括一辅助光输入端口或孔径38，它包括常闭快门、可变光圈或相似的用于有选择地开启以便允许来自辅助光源来的光进入的防光装置，下文将对此作更详细的描述。

参照2A，使用本发明特性的一种光学转接台100包括光源102、背反射器104、集成透镜组件106、红外线/紫外线滤光器108，以及由光学框架112固定的辅助线偏振器110。光源102最好是金属卤素灯，它产生的光强基本上大于由LED14产生的光强。根据所需屏幕的大小，光源102产生300流明或更多的光输出量。光源102产生的光被集成透镜106直接集成/准直，或者经反射器104反射后被集成/准直，然后由辅助线偏振器110进行线性偏振，以形成基本上均匀的线偏振光柱，从而通过辅助光输入38进入组件10。最好，沿光路安装一个红外线/紫外线滤光器108，以滤去红外和紫外辐射，这些辐射可能使LCD板24和其它诸如偏振器和任何塑性光学镜片等敏感性元件恶化。输入组件10的偏振光通过辅助的光输入端38，然后第一分束器20将其传播到吸收板26中，并在此吸收。射出辅助线偏振器110的剩余光由分束器20反射到分束器22，分束器22将一部分光反射到LCD板24。LCD板24再用常规方式有选择地转动通过LCD板24中各象素的偏振光的偏振轴，并将光反射，使其通过第二分束器22，以便当有选择偏振的光通过第二偏振器26时，产生一图像。由有选择偏振的光产生的这个图像通过成像透镜34，形成LCD板24的一个放大实像“I2”，投影在屏幕120上。

如图2B所示，组件11的另一实施例具有辅助光输入端39，它大体上位于主LED14的后面。在图2B的实施例中，通过辅助光输入端39输入的光，通过聚光透镜16、第一线偏振器18传播到第二分束器22。如上所述，被反射到LCD24屏中的一部分光被LCD板24有选择地转动，以形成一个图像。最好，把诸如全息散射器等扩散器41安装在光路中，以把因存在LED14而引起的遮蔽减到最小。

图3示意地示出了光学转接台200的另一实施例，它包括光源202、背反射器204、集成透镜组件206、红外线/紫外线滤光器208，和由光学框架212固定的辅助线偏振器210。由光源202产生的光被集成透镜206直接集成/准直，和/或经背反射器204反射后集成/准直。然后，辅助线偏振器210使光线偏振，以形成基本上均匀的线偏振的光柱，从而通过辅助光输入端口38进入组件10。最好，沿光路安装一红外线/紫外线滤光器208，以滤去红外和紫外辐射。正如图2实施例那样，通过辅助光输入口38进入组件10的光被辅助偏振器210偏振。射出辅助偏振器210的一部分光由第一分束器20传播到吸收板32中，被吸收掉。射出辅助偏振器40的剩余光由分束器20朝分束器22反射，分束器22将其中的一部分反射到LCD24。LCD24再用常规方式有选择地转动通过LCD板24之各象素的偏振光的偏振轴，并反射该光，使其通过第二分束器22，以便在有选择偏振的光通过第二偏振器26时，产生一个图像。由有选择偏振的光产生的这个图像通过成像透镜34和校正透镜218，形成LCD板24的一个放大实像“I3”，投影在屏幕220上。校正透镜218在成像透镜34和屏幕220之间提供一可变焦距。在图3的实施例中，屏幕220可以是前投式屏幕或后投式屏幕，这取决于校正透镜220是否也倒置图像。

如图4所示，本发明的原理同样适用于利用LCD板之离轴照明的虚像显示组件。当使用离轴照明时，省略了第二分束器22，而使LCD板124与外壳12成一个角度，使得通过第一分束器20的偏振光部分直接射到LCD板124上，并被反射到成像透镜134中。成像透镜134适于补偿由LCD板124的角取向所产生的梯形失真或其它失真。

图5示出了另一实施例，在该实施例中，消除了第一分束器22，这有利于可移动的反射镜120。可移动反射镜120可绕轴121在第一位置120A和第二位置120B之间旋转，在第一位置120A上，反射镜120大体上与光从LED14射向第二分束器22的视线相平行。在第一位置120A上，可移动反射镜120基本上与视线相平行，但不在形成图像I1的光路上。当不容易移动可移动反射镜使其完全处于光路之外时，可在光路上放置一扩散器(未图示)，使遮蔽最少。可移动反射镜可绕轴121从第一位置120A旋转到第二位置120B。在位置120B时，可移动反射镜120阻挡了从LED14来的光路，并同时提供一反射面，该反射面的反射率大体上大于用于引导照明通过辅助光孔径38分束器20。诸如常规的机械、电子，或光学传感器等传感器(未示出)检测虚像显示组件10是否放置在光学转接台100之中且相应地移动可移动反射镜120。用可移动反射镜代替第一分束器20为高强度光源提供了更有效的光路，换以一些附加的机械复杂性。

虽然某些较佳的实施例和方法已在这里揭示，但对那些精于本行的人们来说，通过前面的揭示，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下，对这些实施例和方法做些变化和修改。例如，在想要彩色显示的情况下，可用一常规的双色性分束器结合三个互补的LCD板，或者用单个按顺序彩色模式运行的常规板，来取代LCD板24。相似地，在对光效率的要求超过成本要求的情况下，可以用一偏振分束器来取代单独的偏振器和分束器。因此，本发明打算仅受限至由后附权利要求书及可应用规程的规则和原理所要求的程度。

Claims (17)

1.一种投影仪，它包括：

框架；

可拆卸的组件，该组件可卸脱地与所述框架固定，所述可拆卸的组件包括：

主光源；

第一分束器，它沿第一光路与所述主光源光学耦合；

液晶显示器，它与所述第一分束器光学耦合；以及

成像透镜，它与所述液晶显示器光学耦合，当所述可拆卸组件从所述框架上拆卸下来时并且用所述主光源照射所述液晶显示器时，所述成像透镜能够将所述液晶显示器的虚像投影到观察者的眼中；

次光源，它在操作上可以与所述框架固定，仅当所述可拆卸组件在操作上与所述框架固定时，所述次光源才与所述第一分束器耦合；和

校正透镜，它在操作上可以与所述框架固定，仅当所述可拆卸组件在操作上与所述框架固定时，所述校正透镜才与所述成像透镜光学耦合，所述校正透镜可以接收来自所述成像透镜的光线，并将所述液晶显示器的可聚焦实像投影到一屏幕上。

2.如权利要求1所述的投影仪，其特征在于，

所述次光源沿第二光路与所述分束器光学耦合，其中第二光路的视线基本上与所述第一光路相一致。

3.如权利要求1所述的投影仪，其特征在于，

所述次光源沿第二光路与所述分束器光学耦合，其中第二光路的视线至少相对所述第一光路部分发散。

4.如权利要求1所述的投影仪，其特征在于，

所述液晶显示器是用安装在所述第一光路中的第二分束器同轴照射的。

5.如权利要求1所述的投影仪，其特征在于，

所述液晶显示器被放置成，使得所述液晶显示器之前表面的法向与沿所述第一光路之视线入射到所述液晶显示器上的光成一角度，从而离轴地照射所述液晶显示器。

6.如权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述可拆卸组件还包括：

一快门，它沿光路放置在所述次光源和所述第一分束器之间。

7.如权利要求3所述的投影仪，其特征在于，所述可拆卸部件还包括：

一快门，它沿一光路放置在所述次光源和所述第一分束器之间。

8.如权利要求7所述的投影仪，其特征在于，所述可拆卸组件还包括：

第二分束器，它沿所述第二光路放装在所述次光源和所述第一分束器之间，并沿所述第一光路放置在所述主光源和所述第一分束器之间，所述第二分束器适用于将光线从所述主光源和所述次光源引导到所述第一分束器。

9.如权利要求7所述的投影仪，其特征在于，所述可拆卸组件还包括：

可移动反射器，它沿所述第二光路放置在所述次光源和所述第一分束器之间，所述可移动反射器适用于把光线从所述主光源引导至所述第一分束器。

10.如权利要求1所述的投影仪，其特征在于还包括：

一集成透镜，它被光学耦合在所述次光源和所述分束器之间。

11.一种图像投影仪，它包括：

框架；

可拆卸组件，它可拆卸地与所述框架固定，所述可拆卸组件包括：

主光源；

分束器，它与所述主光源光学耦合；

液晶显示器，它与所述分束器光学耦合；和

成像透镜，它与所述液晶显示器光学耦合，当所述可拆卸组件从所述

框架上拆卸下来时，所述成像透镜能把所述液晶显示器的虚像投影到观察

者的眼中；

次光源，它在操作上可与所述框架固定，仅当所述可拆卸组件在操作上与所述框架固定时，所述次光源才与所述分束器光学耦合，所述次光源的总光通量大于所述主光源的总光通量，致使当用所述次光源照射所述液晶显示器时，所述成像透镜能把一实像投影到一屏幕上。

12.如权利要求11所述的投影仪，其特征在于，

所述次光源的输出量至少为300流明。

13.如权利要求11所述的投影仪，其特征在于，

通过将第二分束器放在所述第一光路中，以同轴方式照射所述液晶显示器。

14.如权利要求11所述的投影仪，其特征在于，

通过放置所述液晶显示器，致使所述液晶显示器之前表面的法向与沿所述第一光路之视线入射到所述液晶显示器上的光成一角度，从而以离轴的方式照射所述液晶显示器。

15.如权利要求11所述的投影仪，其特征在于，还包括：

背投式屏幕，它与所述成像透镜光学耦合，用于把反转的实像转换到非反转的实像。

16.如权利要求11所述的投影仪，其特征在于，还包括：

校正透镜，它在操作上可与所述框架固定，仅当所述可拆卸组件在操作上与所述框架固定时，所述校正透镜才与所述成像透镜的输出端光学耦合，所述校正透镜适于把从所述成像透镜接收到的图像反转成非倒置图像，以投影到前投式屏幕上。

17.一种与具有辅助光输入端的LCD虚像投影仪一起使用的光学转接台，所述光学转接台包括：

框架；

光源，它在操作上可与所述框架固定；

用于将所述虚像显示器与所述框架可拆卸固定的装置；

透镜，它与所述光源光学耦合，用于把来自所述光源的光引导到LCD虚像投影仪的辅助光输入端；及

图像形成透镜，用于从通过所述LCD虚像投影仪的所述光中形成投影用的实像。

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