CN1260668A - 投影显示设备 - Google Patents

Abstract

在通过把由光源发射的光束输入到空间的光调制器件而进行投影图像的投影式显示设备中,打算提供透镜阵列作为照射光学系统的部件,该部件制造成本低,提供高的屏幕亮度,以及使得投影式显示设备能够小型化。第二透镜阵列的透镜单元的尺寸在行方向和列方向中的一个方向上是不均匀的。由于透镜单元在从前面看时是矩形,所以第二透镜阵列可以用具有简单形状的金属铸模来制造。在透镜单元之间的边界线是直线,边界线之间的水平差别很小,第二透镜阵列的缩凹斑点很小,以及光束的利用效率很高。而且,由于透镜单元的尺寸在行方向和列方向中的另一个方向上是不均匀的,所以第二透镜阵列的相应的尺寸可以减小。

Description

投影显示设备

本发明涉及能通过把由光源发射的光束输入到也被称为光阀的空间的光调制器件而投影图象的投影式显示设备。

近年来，使用液晶显示板(也就是空间光调制器件)的投影式电视接收机，投影仪，计算机显示装置等已经广泛流行。在这些设备中间，图1A和1B显示了使用液晶显示板的后向投影式电视接收机。这种后向投影式电视接收机11采用了在机箱12中的投影式显示设备13，反射镜14，屏幕15等。从投影式显示设备13输出的光束16由反射镜反射，并照射在屏幕15的背面，由此在屏幕上显示彩色或黑白图象。所以，观察者从屏幕15的前面看到在屏幕15上的图象。

图2和3显示了彩色投影式显示设备13。在这种投影式显示设备13中，光源18以可拆卸的方式固定在照射光学系统17上，直角-棱镜-形状的二分色棱镜21也被固定在照射光学系统17上。红色、绿色、和蓝色液晶显示板22-24分别与二分色棱镜21的三个侧面相对。在每个液晶显示板22-24中，在液晶单元的入射面和出口面上放置有极化器和分析器。空间光调制是这样地实现的，以使得液晶单元的每个象素按照图象信号选择性地旋转入射光的极化面。

与二分色棱镜21的其余侧面相对的投影棱镜25以可拆卸的方式固定在照射光学系统17上。投影棱镜25和二分色棱镜21具有作为共轭点的液晶显示板22-24和屏幕15。光源18具有抛物面反射镜18a和被放置在抛物面反射镜18a的焦点位置的灯18b。金属卤化灯，卤素灯等都可用作为灯18b。

滤光镜28，透镜阵列29，和极化转换装置32接连地放置在光源18的光轴上。滤光镜28只允许传送通过可见光范围内的光束27，而不能传送通过由光源18发射的光束26的红外和紫外线范围内的不必要的光束。透镜阵列29被做成使得多个凸透镜单元29a排列成矩阵的形式。例如，极化转换装置32传送通过把S-波转换成P-波，而把从透镜阵列29输出的和总的包括混合的P-波和S-波的光束27转换成只具有P-波的波束31。

在极化转换装置32中，极化的波束分离器可传送通过P-波而反射S-波，以及半波片把发射的S-波转换成P-波。如果包括混合的P-波和S-波的光束27输入到液晶显示板22-24的极化器，则光束27的S-波被极化器中断，所以光束27将不被有效地利用。相反地，如果只具有P-波的光束31输入到液晶显示板22-24的极化器，则所有的光束31传送通过极化器，所以光束31被有效地利用。

棱镜33的入射面被放置在透镜阵列29的图象空间的焦面附近。棱镜33的入射面由透镜阵列34形成为使得把多个凸透镜单元34a排列成对应于各自的透镜单元29a。透镜33的出口面由会聚镜35形成，该会聚镜具有单个凸面形状，它把传送通过透镜阵列34的光束31会聚到液晶显示板22-24上。反射红色光R和传送通过绿色光G与蓝色光B的二分色反射镜36，反射绿色光G和传送通过蓝色光B的二分色反射镜37，中继透镜38，以及反射镜41接连地放置在透镜33的下游。

反射镜42和会聚透镜43放置在二分色反射镜36与液晶显示板22之间的光径上。会聚透镜44放置在二分色反射镜37与液晶显示板23之间的光径上。中继透镜45，反射镜46，和会聚透镜47放置在反射镜41与液晶显示板24之间的光径上。液晶显示板22-24放置在透镜阵列34的图象空间的聚焦面上。会聚透镜43，44，和47放置在各自的液晶显示板22-24附近。

二分色棱镜21被做成使得由塑料或玻璃制成的三角形-棱镜-形状的棱镜21A-21D通过光学薄膜21a和21b结合在一起。光学薄膜21a反射红色光R和传送通过绿色光G与蓝色光B。光学薄膜21b反射蓝色光B和传送通过红色光R与绿色光G。所以，二分色透镜21输出光束16，其中红色图象，绿色图象，和蓝色图象被组合在一起。光束16传送通过投影透镜25照射在屏幕15的背面，由此在屏幕上显示了彩色图象。

图4和5显示了传送通过滤光镜28的光束27的绿色光G是如何行进的。红色光R与蓝色光B以与绿色光相同的方式行进通过它们的与蓝色光G的光路径不同的光路径。在光源18中，灯18b被放置在抛物面反射镜18a的焦点位置。然而，由于灯18b的光发射部分具有一定的有限的尺寸，所以灯18b不是完全的点光源，不单图4所示的平行于光轴的光束27，而且图5所示的相对于光轴倾斜的光束27都照射在透镜阵列29上。

如图4所示，从光源18发射平行于光轴和照射到透镜阵列29的光束27被各自的透镜单元29a聚合在它们的焦点位置。

然而，透镜阵列34被放置在透镜阵列29的图象空间的焦面附近，以及透镜阵列34的透镜单元34a相应于透镜阵列29的各自的透镜单元29a。所以，从光源18发射的互相平行的和照射到透镜阵列29的光束27被聚合在各自的透镜单元34a的中心位置，然后由会聚透镜35会聚到液晶显示板23，而同时几乎没有接收来自透镜单元34a的透镜动作。光束27由被放置在液晶显示板23附近的会聚透镜44会聚到投影透镜25的输入的入射光口E。

另一方面，如图5所示，透镜阵列具有位于用光源18照射的透镜阵列29附近的作为物体面的平面，透镜阵列34把这个物体面映射到液晶显示板23上。照射到液晶显示板23的光束在照射到液晶显示板23以前进入会聚透镜44。然而，由于会聚透镜44放置在液晶显示板23附近，会聚透镜44对于以上的描述的映射关系几乎没有贡献。会聚透镜35把由各自的透镜单元形成的图象互相叠加在液晶显示板23上。

液晶显示板23和屏幕15是共轭的关系，具有作为图象光学系统的投影透镜25与二分色棱镜21。所以，从光源18发射和传送通过透镜阵列，透镜33，与会聚透镜44的光束在受到液晶显示板23的空间的光调制作用后照射到屏幕15的背面，由此使得图象显示在屏幕15上。

偶而地，从光源18发射的的光束26的强度在光轴上最高，并随着位置远离光轴而降低。所以，只用会聚透镜35，43，44，47等，每个具有单个凸面形状，即使给出会聚的光束也是非均匀的强度图案，所以屏幕15上的照射图案是非均匀的。然而，在上述的投影式显示设备13中，因为被透镜阵列29和34的透镜单元29a和34a会聚的光束被叠加在屏幕15上，屏幕15上的亮度图案的非均匀性得以改进。

图6A显示了透镜阵列29。如上所述，透镜阵列29被做成使得每个具有凸面形状的多个透镜单元29a被排列成矩阵形式。每个透镜单元29a的外面的形状近似地类似于每个液晶显示板22-24和屏幕15的有效开口。每个透镜单元29a的水平边的长度与其垂直边的长度的比值是，例如，16∶9。

图6B显示了第一个传统实例的投影式显示设备13的透镜阵列。这个透镜阵列34具有与透镜阵列29相同的形状。在这个透镜阵列34中，由光源18发射的和传送通过透镜阵列29的透镜单元29a照射到透镜阵列34的光束31所载送的弧形图象48与各个透镜单元34a有关，并且互相隔离。

图6C显示了第二个传统实例的投影式显示设备13的透镜阵列。在这个透镜阵列34中，透镜单元34a是从透镜单元29a在行和列方向上尺寸减小的，这样，入射的弧形图象48与各个透镜单元34a有关，并且互相更接近。

然而，图6B所示的使用透镜阵列的第一个传统实例的投影式显示设备13很难小型化，因为透镜阵列34具有与透镜阵列29相同的形状，所以尺寸很大。相反地，图6C所示的使用透镜阵列的第二个传统实例的投影式显示设备13可以小型化，因为透镜单元34a是从透镜单元29a在行和列方向上尺寸减小的，所以透镜阵列34尺寸很小。

然而，图6C所示的使用透镜阵列的第二个传统实例的投影式显示设备13生产成本很高，因为透镜阵列34具有复杂的形状，所以用于制造透镜阵列34和极化转换装置32的金属铸模需要具有复杂的形状。而且，如从图6C看到的，在透镜阵列34的透镜单元34a之间的边界线具有弯曲部分。此外，有一段边界线包围一个透镜单元34a，其一侧与多个相邻的透镜单元34a的边界线的侧接触。这样的边界线具有大的差值水平。结果，透镜阵列34的形成性能很差，所以容易出现大的缩凹斑点。由于光束31在透镜阵列34中的利用效率很低，屏幕15上的亮度也很低。

为了避免由于透镜阵列34的缩凹斑点造成的光束利用效率的降低，可以想到的是增加各个透镜单元34a的尺寸，以使得缩凹斑点形成在各个透镜单元34a的有效部分以外。然而，这样的措施不单增加透镜阵列的尺寸，这又使得投影式显示设备难以小型化，而且也阻止提高光束31的利用效率。

克服上述的相关技术中的缺点的希望促使提出本发明。

                  发明概要

本发明的一个目的是提供一种制造成本低的投影式显示设备，它提供高的屏幕亮度，以及可以被小型化。

按照本发明的投影式显示设备，第二透镜阵列的透镜单元的尺寸在行方向和列方向中的一个方向上是均匀的，而在行方向和列方向中的另一个方向上是非均匀的。所以，第二透镜阵列的透镜单元从前面看时具有矩形的形状，所以可以用具有简单形状的金属铸模来制造。而且，第二透镜阵列的透镜单元之间的边界线是直线，以及在那些边界线处的水平差值很小。第二透镜阵列的最终的高形成性能使得缩凹斑点很小，所以在第二透镜阵列中光束的利用效率很高。

由于第二透镜阵列的透镜单元的尺寸在行方向和列方向中的一个方向上是均匀的，而在另一个方向上是非均匀的，所以第二透镜阵列的尺寸在其中第二透镜阵列的透镜单元的尺寸出现非均匀的那个行方向或列方向上可被减小。

在按照本发明的投影式显示设备中，极化转换装置被放置成以使得极化转换装置和第二透镜阵列或第一会聚透镜被接连地放置在光轴方向上，以及空间的光调制器件按照其调制状态调制光束。这使得可能把从光源发射的光束只以P-波或S-波的形式输入到空间的光调制器件，以及允许由第一透镜阵列会聚的光束被输入到第二透镜阵列或第一会聚透镜，由此减小光束的遮蔽程度。所以，从光源发射的光束的利用效率可得以提高。

由于在第二透镜阵列的透镜单元之间的边界线是直线，所以，即使极化转换装置和第二透镜阵列被接连地安排在光轴方向上，极化转换装置在结构上也可以制作简单。

在按照本发明的投影式显示设备中，第一透镜阵列的透镜单元是偏心的。所以，即使第二透镜阵列的尺寸在行方向或列方向上是小的，传送通过第一透镜阵列的光束可有效地被输入到第二透镜阵列。

而且，由于第一二透镜阵列的透镜单元也是偏心的，即使从光轴入射的光束输入到第二透镜阵列，平行于光轴的光束也可从第二透镜阵列输出，所以，传送通过第二透镜阵列的光束可被有效地输入到第一会聚透镜。

在按照本发明的投影式显示设备中，第一透镜阵列的各个透镜单元的偏心数值被确定为使得由第一透镜阵列的各个透镜单元形成的光束图象变成为互相紧密靠近。所以，即使在把传送通过第二透镜阵列的光束输入到彩色分离的二分色反射镜的情况下，可以减小由那些光束与彩色分离二分色反射镜形成的入射角中的散射。

在按照本发明的投影式显示设备中，由于提供有彩色分离二分色反射镜，其上有光束在其中第二透镜阵列的透镜单元的尺寸为非均匀的那个方向上输入，由那些光束与彩色分离二分色反射镜形成的入射角上的散射可被减小。

                   附图简述

图1A和1B分别是使用投影式显示设备的后向投影式电视接收机的透视图和示意性侧视图，该投影式显示设备上是可以实施本发明的；

图2是其上可以实施本发明的投影式显示设备的透视图；

图3是图2的投影式显示设备的示意性平面图；

图4是主要地显示图2的投影式显示设备的第一透镜阵列的会聚作用的侧视图；

图5是主要地显示图2的投影式显示设备的第二透镜阵列的会聚作用的侧视图；

图6A是图2的投影式显示设备的第一透镜阵列的正视图；

图6B是第一传统实例的投影式显示设备的第二透镜阵列的正视图；

图6C是第二传统实例的投影式显示设备的第二透镜阵列的正视图；以及

图7是按照本发明的实施例的第二透镜阵列的正视图。

            优选实施例的详细描述

下面将参照图7描述在后向投影式电视接收机中使用的按照本发明的实施例的彩色投影式显示设备。图7显示了按照该实施例的投影式显示设备13中的透镜阵列。按照该实施例的投影式显示设备13具有与第一和第二传统实例的投影式显示设备13相同的结构，除了透镜阵列34不同以外。

按照实施例的投影式显示设备13的透镜阵列34中，在透镜单元34a的排列的行和列方向中的一个方向上，透镜单元34a的尺寸是均匀的，它等于正如在图6B所示的第一传统实例的投影式显示设备13的透镜阵列的情形中透镜单元29a的尺寸。然而，在透镜单元34a的排列的的行和列方向中的另一个方向上，透镜单元34a的尺寸是非均匀的，它被设置为小于透镜单元29a的尺寸，这样，入射的弧形图象48互相靠得更近，并且那些最接近的弧形图象48变成为互相紧密靠近。

所希望的是，在其上透镜单元34a的尺寸被减小的方向是光束入射到二分色反射镜36和37的方向。例如，如果光束入射到二分色反射镜36和37的方向是屏幕15的纵方向，则所希望的是在其上透镜单元34a的尺寸被减小的方向是屏幕15的纵方向。通过这个措施，不管每个二分色反射镜36和37的彩色分离特性取决于光束入射角的事实，通过小的入射角扩散，具有高的色彩均匀性的图象可被显示在屏幕15上。

所希望的是，透镜阵列29的透镜单元29a是偏心的，以使得入射到透镜阵列34的弧形图象48互相靠近，以及那些最接近的弧形图象变成为互相紧密靠近。在这种情况下，光束31斜向照射到透镜阵列34的透镜单元34a。所以，为了使得光束31从透镜阵列34平行于光轴发射出，所希望的是，透镜阵列34的透镜单元34a也是偏心的。

虽然在上述的实施例的投影式显示设备13中使用极化转换装置，但极化转换装置32不总是必须的。而且，虽然在以上的实施例的投影式显示设备13中，透镜阵列34和会聚透镜35形成一体式的透镜33，但可以互相分开地提供透镜阵列34和会聚透镜35。在这种情况下，极化转换装置32可放置在透镜阵列34与会聚透镜35之间。

虽然在以上的实施例中，本发明可被应用到彩色投影式显示设备13中，但本发明也可应用到黑白投影式显示设备。在这种情况下，二分色棱镜21，二分色反射镜36和37等是不必要的。而且，虽然在以上的实施例中，本发明可被应用到在后向投影式电视接收机中使用的投影式显示设备13中，但本发明也可应用到在前向投影式电视接收机，投影仪，计算机显示设备等中使用的投影式显示设备。

如上所述，在按照本发明的投影式显示设备中，由于第二透镜阵列可以用具有简单的形状的金属铸模制造，所以它的制造成本可以减少。在第二透镜阵列中，光束的利用效率是高的，所以屏幕上的亮度可得以提高。而且，由于第二透镜阵列的尺寸可以减小，所以投影式显示设备可以小型化。

在按照本发明的投影式显示设备中，从光源发射的光束可以只以P-波或S-波的形式被输入到空间的光调制器件，从光源发射的光束的利用效率是高的。所以，屏幕上的亮度可进一步提高。而且，由于极化转换装置在结构上可以做得简单，制造成本的相关的增加是小的，而屏幕上的亮度得以提高。

在按照本发明的投影式显示设备中，通过第一透镜阵列的光源可有效地输入到第二透镜阵列，以及传送通过第二透镜阵列的光源可有效地输入到第一会聚透镜。所以，屏幕上的亮度可进一步提高。

在按照本发明的投影式显示设备中，即使在传送通过第二透镜阵列的光束输入到彩色分离二分色反射镜的情况下，那些光束与彩色分离二分色反射镜形成的入射角中的散射也可被减小。这使得有可能显示色彩均匀度高的图象。

在按照本发明的投影式显示设备中，由于光束与彩色分离二分色反射镜形成的入射角中的散射是小的，所以，可以显示色彩均匀度高的图象。

Claims (7)

1.投影式显示设备，包括：

光源，用于发射光束；

空间的光调制器件；

照射光学系统，从光源发射的光束输入到这个照射光学系统，照射光学系统包括：

第一透镜阵列，具有多个以矩阵形式排列的透镜单元；

第二透镜阵列，放置在第一透镜阵列的图象侧，具有多个以矩阵形式排列的透镜单元，以便于响应第一透镜阵列的各个透镜单元，以及其中透镜单元的行方向尺寸和列方向尺寸中的一个尺寸是均匀的，而另一个尺寸是非均匀的；

第一会聚透镜，用于把传送通过第二透镜阵列的光束会聚到空间的光调制器件上；以及

第二会聚透镜，放置在空间的光调制器件的物体侧；以及

投影透镜，由空间的光调制器件调制的光束被输入到这个投影透镜上。

2.按照权利要求1的投影式显示设备，其特征在于，还包括极化转换装置，被放置成使得极化转换装置和第二透镜阵列或第一会聚透镜接连地排列在光轴方向，其中空间的光调制器件按照光束的极化状态调制传送通过照射光学系统的光束。

3.按照权利要求2的投影式显示设备，其特征在于，其中极化转换装置放置在第二透镜阵列与第一会聚透镜之间。

4.按照权利要求1的投影式显示设备，其特征在于，其中第一和第二透镜阵列的每个透镜阵列的透镜单元是偏心的。

5.按照权利要求1的投影式显示设备，其特征在于，其中第一透镜阵列的各个透镜单元的偏心值被确定为使得由第一透镜阵列的各个透镜单元形成的光束图象变成为互相紧密靠近。

6.按照权利要求1的投影式显示设备，其特征在于，还包括彩色分离二分色反射镜，光束是以这样的方向入射到这个二分色反射镜的，在这个方向上，第二透镜阵列的透镜单元的行方向尺寸或列方向尺寸是非均匀的；

7.按照权利要求1的投影式显示设备，其特征在于，其中第二透镜阵列和第一会聚透镜被互相整体地形成。

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