CN100343722C - 投影显示系统 - Google Patents
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Abstract
一种投影显示系统，包括：一照明装置、一反射式光阀、一设置于该照明装置与该反射式光阀之间的棱镜组，及一准直装置，是设于该棱镜组与该反射式光阀间，可将入射于该棱镜组的非平行光束转换为平行光束；该光束是入射该棱镜组，透过棱镜组的光束选择面反射后穿过该准直装置，再入射于该反射式光阀上，经该反射式光阀处理后产生该调变光束，最后，该调变光束穿过该准直装置及该光束选择面而投射至一投影镜头内。本发明的投影显示系统，可以缩小系统后焦距及投影镜头体积。
Description
[技术领域]
本发明是关于一种投影显示系统，特别是关于一种具有反射式光阀的投影显示系统。
[背景技术]
习知投影显示系统是利用光源发出的光束，聚集到一个或数个光阀上，使光束带有影像的讯号，再经由镜头投影成像到萤幕上；然而由于多媒体简报的盛行，为达到携带方便，投影系统及设备上朝向轻薄短小的目标设计，因此，一般简报用途的显示装置多采用单片反射式光阀。
而有关单片反射式光阀的投影显示系统10，如美国专利笫5,552,922号所揭示，请参阅图1所示，该系统具有一光源11、棱镜12、光阀13及一镜头14，棱镜12具有两相互平行的表面121、122，光阀13及一镜头14是邻近该表面121、122设置，光阀13为数位微镜装置(Digital Micro-mirror Device，DMD)，光源11提供的照明光束先入射棱镜(Prism)12，后利用全反射将光束投射于光阀13上，之后由光阀13反射的光束再穿过棱镜12，最后，光束进入镜头14投影成像至萤幕(图未示)上；然而系统的后焦距(Back Focal Length，BFL)是指一透镜系统的最后的表面至其成像面的距离，上述系统中光阀13(即成像面)与镜头14(即透镜系统)间设置有棱镜12，造成系统的后焦距大，而后焦距愈大会使成像于镜头14的影像其像差大且需使用尺寸较大的镜头14，故整个系统的体积无法精简。
而另一单片反射式光阀的投影显示系统20，如美国专利第5,309,188号所揭示，请参阅图2所示，一耦合棱镜组(Coupling prismassembly)22是设于光阀(light valve)23与镜头24之间，且耦合棱镜组22包含一等腰直角棱镜(Right angle prism)221及一楔形棱镜(Wedge prism)222，楔形棱镜222的一侧边是与等腰直角棱镜221的斜边相邻，光阀23是邻近直角棱镜221的一侧边设置，光源21提供的光线是穿过耦合棱镜组22后入射于光阀23，后光线由光阀23反射后，经直角棱镜221的斜边反射后投射于镜头24内，最后，将影像呈现于萤幕(图未式)上；然上述的系统虽将光阀23与镜头24变更为垂直设置，但耦合棱镜组22仍会造成后焦距长度无法有效地缩短。
综上所述，现有的单片反射式光阀的投影显示系统其仍存在后焦距长及投影镜头体积大的问题，而有待相关研发人员提出解决之道。
[发明内容]
本发明的目的是在于提供一种投影显示系统，利用设置一准直装置于反射式光阀与棱镜组之间，以缩小系统后焦距及投影镜头体积。
本发明的另一目的，是提供一种投影显示系统，利用将曲面棱镜组其一出光面设置为光学曲面，以缩小系统后焦距及投影镜头体积。
本发明的又一目的，是提供一种投影显示系统，利用将曲面棱镜组其邻近成像组的出光面设为光学曲面，藉以简化成像组。
本发明的再一目的，是提供一种投影显示系统，利用将棱镜组其邻近照明装置的入射面设为光学曲面，藉以简化照明装置。
为达上述目的，本发明的一种投影显示系统，是包括：
一照明装置，是提供一非平行的照明光束；一反射式光阀，是用以产生一调变光束；一棱镜组，是设置于该照明装置与该反射式光阀之间，且其具有一光束选择面，该光束选择面是反射由该照明装置入射该棱镜组的该非平行的照明光束，并使由该反射式光阀反射的调变光束穿透；其特征在于：还包括一准直装置，是设于该棱镜组与该反射式光阀间，以将入射于该棱镜组的非平行的照明光束转换为一平行照明光束；
该非平行的照明光束是入射该棱镜组，经该光束选择面反射后穿过该准直装置而转换为该平行照明光束，该平行照明光束再入射于该反射式光阀上，经该反射式光阀处理后产生该调变光束，最后，该调变光束穿过该准直装置及该光束选择面而投射至一投影镜头内。
所述的投影显示系统，其特征在于：该反射式光阀可为一液晶硅基面板，且该棱镜组是具有一偏极化分光镜。
本发明还提供一种投影显示系统，是包括：一照明装置，是提供一非平行的照明光束；一反射式光阀，是用以产生一调变光束；一棱镜组，是设置于该照明装置与该反射式光阀之间，且其具有一光束选择面，该光束选择面是使由该照明装置入射该棱镜组的该非平行的照明光束穿透，并使由该反射式光阀反射的调变光束反射；
其特征在于：还包括一准直装置，是设于该棱镜组与该反射式光阀间，以将入射于该棱镜组的非平行的照明光束转换为一平行照明光束；该非平行的照明光束是入射该棱镜组，并穿过该光束选择面及该准直装置而转换为该平行照明光束，该平行照明光束再入射于该反射式光阀上，经该反射式光阀处理后产生该调变光束，最后，该调变光束穿过该准直装置及经由该光束选择面反射而投射至一投影镜头内。
本发明还提供一种投影显示系统，其特征在于：是包括：一照明装置，是提供一照明光束；一曲面棱镜组，是设于该照明光束的光路径上，且其具有一入射面及具有至少一第一出光面和第二出光面，且该第一出光面和第二出光面中至少有一出光面为一光学曲面；一投影镜头，是邻近该第二出光面设置；以及一反射式光阀，是邻近该第一出光面设置，并用以处理该照明光束以产生一调变光束；
该照明光束是由该入射面进入该曲面棱镜组后入射于该反射式光阀上，经该反射式光阀处理后产生该调变光束，最后，该调变光束再经由该曲面棱镜组投射于该投影镜头内。
本发明的投影显示系统，可以缩小系统后焦距及投影镜头的体积，并可以简化成像组，简化照明装置。
[附图说明]
图1是习知投影显示系统的光学系统示意图。
图2是习知另一投影显示系统的光学系统示意图。
图3A、图3B、图3C及图3D是本发明第一实施例的投影显示系统的光学示意图。
图4是本发明第二出光面为透镜表面的投影显示系统的光学示意图。
图5是本发明第一入射面为透镜表面的投影显示系统的光学示意图。
图6是本发明第一实施例衍生的投影显示系统的光学示意图。
图7是本发明第二实施例的投影显示系统的光学示意图。
图8是本发明第一出光面及第二出光面为透镜表面的投影显示系统的光学示意图。
图9是本发明第一出光面及第一入射面为透镜表面的投影显示系统的光学示意图。
图10是本发明第二实施例衍生的投影显示系统的光学示意图。
图11是本发明第三实施例的投影显示系统的光学示意图。
图12是本发明第四实施例的投影显示系统的光学示意图。
[具体实施方式]
有关本发明为达到上述目的，所采用的技术手段及其余功效，兹举四较佳实施例，并配合附图加以说明如下：
第一实施例：
请参阅图3A所示，本发明投影显示系统30，是包括一照明装置(图未示)、一反射式光阀32、一棱镜组33、一准直装置(Collimatingmeans)34及一投影镜头35；其中照明装置是提供一非平行的照明光束31；棱镜组33是设置于照明装置与反射式光阀32之间，且具有一光束选择面331、第一入射面332、一第一出光面333及一第二出光面334，光束选择面331是可反射由照明装置入射棱镜组33的照明光束31，并可使由反射式光阀32反射的调变光束36穿透；准直装置34是设于棱镜组33与反射式光阀32之间，以将入射于棱镜组33的非平行照明光束31转换为平行照明光束31A，准直装置34可为一透镜或绕射元件(Diffactive Optical Element，DOE)；投影镜头35是邻近第二出光面334设置，且投影镜头35的主平面平行于反射式光阀32；反射式光阀32是邻近第一出光面333设置，并用以处理照明光束31A以产生一调变光束36，光阀32是为一数位微镜装置(Digital micromirror device，DMD)；
而上述的棱镜组33更可包括一第一棱镜335及一第二棱镜336，第一入射面332、第一出光面333及光束选择面331是相连接以构成第一棱镜335，光束选择面331及第二出光面334是位于第二棱镜336其相邻的表面上，而光束选择面331是由第一棱镜335与第二棱镜336的两表面具有一空气间隙相贴合而形成，且光束选择面331可为平面(如图3A)或曲面(如图3B)；
而非平行的照明光束31是由第一入射面332入射棱镜组33的第一棱镜335后，透过光束选择面331将照明光束31反射后，穿过准直装置34转成平行的照明光束31A，再入射于反射式光阀32上，经反射式光阀32处理后产生调变光束36，之后，调变光束36穿过准直装置34、第一出光面333、光束选择面331、及第二出光面334投射于投影镜头35内，最后由投影镜头35将影像呈现于一萤幕(图未示)上。
由于设置一透镜的准直装置34于反射式光阀32与棱镜组33之间，使得系统的后焦距a为由准直装置34(即透镜表面)至光阀33(即成像面)表面间距离，致使系统的后焦距a缩短及投影镜头35的尺寸得以缩小，另由光阀32反射的调变光束36，可透过准直装置34将光束会聚后再投射于投影镜头35，亦可达到缩小投影镜头35的尺寸而降低元件成本，而且准直装置34可用来取代投影镜头35或照明装置中的透镜功能，故可达到简化投影镜头35或照明装置。
请参阅图3C所示，准直装置是可与第一棱镜335一体成型，或利用贴设一透镜于第一出光面333上而形成(如图3D)；
棱镜组33及准直装置34亦与投影镜头35形成一模块，藉以可简化系统零件数且可透过投影镜头35的壳体来固定棱镜组33及准直装置34；
另外，本实施例中亦可将第二出光面334是设为一光学曲面(如图4所示)以简化投影镜头35的透镜数目，或者将第一入射面332设为一光学曲面(如图5所示)以简化照明装置的透镜数目，藉以使投影镜头及照明装置达到精简的效益。
再者，请参阅图6所示，是将图3C中的第一出光面333设为平面，而第二出光面334设为光学曲面，使得系统的光学曲面(即透镜表面)可更接近光阀32表面(即成像面)，故后焦距b为由光学曲面至光阀32(即成像面)表面间距离，致使系统的后焦距b缩短及投影镜头的尺寸与透镜数得以缩减。
第二实施例：
请参阅图7所示，本发明投影显示系统40，是包括一照明装置(图未示)、曲面棱镜组422、一投影镜头42及一光阀43；其中照明装置是提供一照明光束41；曲面棱镜组422是具有一第一入射面4221、一第一出光面4222及一第二出光面4223，且第一出光面4222是为一光学曲面，第一出光面4222及第二出光面4223是相连接且相互垂直设置，而棱镜组422可设于投影镜头42的内部或外部，当棱镜组422设于投影镜头42内部时则可简化零件数；投影镜头42是邻近第二出光面4223设置；光阀43是邻近该第一出光面4222设置，并用以处理照明光束41以产生一调变光束44，光阀43是为一数位微镜装置(Digital Micromirror device，DMD)；
而上述的棱镜组422更包括一直角棱镜4224、一楔形棱镜4225、第三出光面4226及第二全反射面4227，第一入射面4221及第三出光面4226是位于楔形棱镜4225相对的两侧边上，第一出光面4222、第二出光面4223及第二全反射面4227是相连接以构成直角棱镜4224，且第二全反射面4227是为直角棱镜4224的斜边，而第三出光面4226与第二全反射面4227是相连接且其间具有一空气层4228(即形成光束选择面)。
而照明光束41是由第一入射面4221进入棱镜组422的楔形棱镜4225后，穿过第三出光面4226、第二全反射面4227及第一出光面4222将照明光束41投射至于光阀43上，经光阀43处理后产生调变光束44，调变光束44穿过第一出光面4222入射于直角棱镜4224，经第二全反射面4227反射调变光束44，之后调变光束44穿过第二出光面4223投射于成像组421内，最后由成像组421将影像呈现于一萤幕(图未示)上。
由于将棱镜组422的第一出光面4222设置为光学曲面，使得系统的后焦距为由第一出光面4222(即透镜表面)至光阀43(即成像面)表面间距离，致使系统的后焦距缩短及投影镜头42的尺寸得以缩小。
另外，本实施例中亦可将第二出光面4223A是设为一光学曲面(如图8所示)以简化成像组421的透镜数目，且第二出光面4223A可与第一出光面4222相连接形成一半球面，藉以可利用制程简易的球面加工方式来制造棱镜组。
再者，亦可将第一入射面4221A设为一光学曲面(如图9所示)以简化照明装置的透镜数目，藉以使照明装置达到精简的效益。
此外，请参阅图10所示，是将图7中的第一出光面4222设为平面4222A，而第二出光面4223设为光学曲面4223B，使得系统的光学曲面(即透镜表面)可更接近光阀43表面(即成像面)，故可达到缩短后焦距。
第三实施例：
请参阅图11所示，本发明投影显示系统60，是包括一照明装置(图未示)、一反射式光阀62、一棱镜组63、一准直装置(Collimatingmeans)64及一投影镜头65；其中照明装置是提供一非平行的照明光束61；棱镜组63是设置于照明装置与反射式光阀62之间，且具有一光束选择面631、第一入射面632、一第一出光面633及一第二出光面634，光束选择面631是可由照明装置入射棱镜组63的照明光束61穿透，并可使由反射式光阀62反射的调变光束66反射；准直装置64是设于棱镜组63与反射式光阀62之间，以将入射于棱镜组63的非平行照明光束61转换为平行照明光束61A，准直装置64可为一透镜或绕射元件(Diffactive Optical Element，DOE)；投影镜头65是邻近第二出光面634设置，且投影镜头65的主平面是垂直于反射式光阀62；反射式光阀62是邻近第一出光面633设置，并用以处理照明光束61A以产生一调变光束66，光阀62是为一数位微镜装置(Digital micromirror device，DMD)；
而上述的棱镜组63更可包括一楔形棱镜635及一直角棱镜636，第一入射面632及光束选择面631是位于楔形棱镜635其非相邻的表面上，光束选择面631、第一出光面633及第二出光面634是构成直角棱镜636，而光束选择面631是由楔形棱镜635与直角棱镜636的两表面具有一空气间隙相贴合而形成；
而非平行的照明光束61是由第一入射面632入射棱镜组63的楔形棱镜635后，穿透光束选择面631、第一出光面633及准直装置64转成平行的照明光束61A，再入射于反射式光阀62上，经反射式光阀62处理后产生调变光束66，之后，调变光束66穿过准直装置64、第一出光面633，经光束选择面631反射穿过第二出光面634投射于投影镜头65内，最后由投影镜头65将影像呈现于一萤幕(图未示)上。
由于设置一透镜的准直装置64于反射式光阀62与棱镜组63之间，使得系统的后焦距缩短及投影镜头的尺寸得以缩小，另由光阀62反射的调变光束66，可透过准直装置64将光束会聚后再投射于投影镜头65，亦可达到缩小投影镜头65的尺寸而降低元件成本，而且准直装置64可用来取代投影镜头65或照明装置中的透镜功能，故可达到简化投影镜头65或照明装置。
第四实施例：
请参阅图12所示，本实施例是为一应用于单片式液晶硅基(LIQUID Crystal On Silicon，LCOS)面板的投影显示系统50，其是利用具有偏极化分光镜(Polarization Beam Splitter，PBS)的棱镜组将入射LCOS面板的光束与反射后的光束分离，该棱镜组522是由两个45度等腰直角棱镜5224、5225斜边相粘合而成，而直角棱镜5224的两侧边分别为第一入射面5221及第一出光面5222，直角棱镜5225之一与第一出光面5222相对的侧边是设为第二出光面5223，第一入射面5221、第一出光面5222及第二出光面5223是设为光学曲面，光阀53是邻近第一出光面5222设置，成像组521是邻近第二出光面5223设置，当非线性极化的照明光束51是由第一入射面5221入射棱镜组522，棱镜组522会反射入射光的S偏光(垂直入射线线平面)并且让P偏光(水平入射线线平面)通过，或者棱镜组522会反射入射光的P偏光(水平入射线线平面)并且让S偏光(垂直入射线线平面)通过，以得到偏振光，而通过光阀53的反射而将光束通过成像组521投影至萤幕(图未示)上。
由于本实施例中亦将棱镜组522的部分表面设为光学曲面，故可达到缩小后焦距、简化照明装置及成像组。
以上所述，仅用以方便说明本发明的较佳实施例，本发明的保护范围不限于该等较佳实施例，凡依本发明所做的任何变更，于不脱离本发明的精神下，皆属本发明的保护范围。
Claims (25)
1、一种投影显示系统，是包括：
一照明装置，是提供一非平行的照明光束；
一反射式光阀，是用以产生一调变光束；
一棱镜组，是设置于该照明装置与该反射式光阀之间，且其具有一光束选择面，该光束选择面是反射由该照明装置入射该棱镜组的该非平行的照明光束，并使由该反射式光阀反射的调变光束穿透；
其特征在于：还包括一准直装置，是设于该棱镜组与该反射式光阀间，以将入射于该棱镜组的非平行的照明光束转换为一平行照明光束；
该非平行的照明光束是入射该棱镜组，经该光束选择面反射后穿过该准直装置而转换为该平行照明光束，该平行照明光束再入射于该反射式光阀上，经该反射式光阀处理后产生该调变光束，最后，该调变光束穿过该准直装置及该光束选择面而投射至一投影镜头内。
2、如权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于：该准直装置为一透镜或绕射元件。
3、如权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于：该准直装置是设置于该棱镜组上。
4、如权利要求3所述的投影显示系统，其特征在于：该准直装置为一光学曲面。
5、如权利要求3所述的投影显示系统，其特征在于：该准直装置是与该棱镜组一体成型。
6、如权利要求3所述的投影显示系统，其特征在于：该准直装置为一球面。
7、如权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于：该反射式光阀与该投影镜头的主平面是呈平行设置。
8、如权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于：该棱镜组及该准直装置是设于该投影镜头内，而形成一模块。
9、如权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于：该光束选择面为一曲面。
10、如权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于：该反射式光阀可为一液晶硅基面板，且该棱镜组是具有一偏极化分光镜。
11、一种投影显示系统，是包括：
一照明装置，是提供—非平行的照明光束；
一反射式光阀，是用以产生一调变光束；
一棱镜组，是设置于该照明装置与该反射式光阀之间，且其具有一光束选择面，该光束选择面是使由该照明装置入射该棱镜组的该非平行的照明光束穿透，并使由该反射式光阀反射的调变光束反射；
其特征在于：还包括一准直装置，是设于该棱镜组与该反射式光阀间，以将入射于该棱镜组的非平行的照明光束转换为一平行照明光束；该非平行的照明光束是入射该棱镜组，并穿过该光束选择面及该准直装置而转换为该平行照明光束，该平行照明光束再入射于该反射式光阀上，经该反射式光阀处理后产生该调变光束，最后，该调变光束穿过该准直装置及经由该光束选择面反射而投射至一投影镜头内。
12、如权利要求11所述的投影显示系统，其特征在于：该准直装置为一透镜或绕射元件。
13、如权利要求11所述的投影显示系统，其特征在于：该准直装置是设置于该棱镜组上。
14、如权利要求13所述的投影显示系统，其特征在于：该准直装置为一光学曲面。
15、如权利要求13所述的投影显示系统，其特征在于：该准直装置与该棱镜组一体成型。
16、如权利要求13所述的投影显示系统，其特征在于：该准直装置为一球面。
17、如权利要求13所述的投影显示系统，其特征在于：该反射式光阀与该投影镜头的主平面是呈垂直设置。
18、如权利要求11所述的投影显示系统，其特征在于：该棱镜组及该准直装置是设于该投影镜头内，而形成一模块。
19、如权利要求11所述的投影显示系统，其特征在于：该光束选择面为一曲面。
20、一种投影显示系统，其特征在于：是包括：
一照明装置，是提供一照明光束；
一曲面棱镜组，是设于该照明光束的光路径上，且其具有一入射面及具有至少第一出光面和第二出光面，且该第一出光面和第二出光面中至少有一出光面为一光学曲面；
一投影镜头，是邻近该第二出光面设置；以及
一反射式光阀，是邻近该第一出光面设置，并用以处理该照明光束以产生一调变光束；
该照明光束是由该入射面进入该曲面棱镜组后入射于该反射式光阀上，经该反射式光阀处理后产生该调变光束，最后，该调变光束再经由该曲面棱镜组投射于该投影镜头内。
21、如权利要求20所述的投影显示系统，其特征在于：该光学曲面是设置于该反射式光阀邻近的该出光面上。
22、如权利要求20所述的投影显示系统，其特征在于：该光学曲面是设置于该投影镜头邻近的该出光面上。
23、如权利要求20所述的投影显示系统，其特征在于：该入射面为一光学曲面。
24、如权利要求20所述的投影显示系统，其特征在于：该反射式光阀与该投影镜头主平面是相互垂直或平行或成任意角度。
25、如权利要求20所述的投影显示系统，其特征在于：该曲面棱镜组是设于该投影镜头内，而形成一模块。
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