CN100432834C - 投影显示光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种投影显示光学系统，其包括有光源、分束反射镜、折射分光镜、反射式色轮、成像器及投影镜头，其中分束反射镜具有若干个反射面，用来将照射光束分组，并形成若干个相互平行并具有一定宽度及间隔的照射光束；折射分光镜是用来将上述具有一定宽度及间隔的照射光束分离成若干个不同波段的色彩光束；反射式色轮设置有多个位于不同光轴距离处的反射区，以交替反射从折射分光镜分离出来的彩色光；成像器是用来调制色彩光束以输出具有影像图案的彩色光；及投影镜头是用来将具有影像图案的彩色光投射在所需区域上。

Description

投影显示光学系统

【技术领域】

本发明涉及一种投影显示光学系统，尤指一种光利用率高的投影显示光学系统。

【背景技术】

投影机是利用光学投影的方式，将影像投射在大尺寸的屏幕上，其主要包括核心投影成像部件、光学引擎，以及电气控制和接口三大主要部分，按照核心投影成像部件的不同，投影机主要可分为CRT(Cathode Ray Tube，阴极射线管)投影机、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示)投影机、DLP(Digital Light Processing，数字光处理)投影机及LCoS(Liquid Crystal onSilicon，硅基液晶显示)投影机，而其中的液晶投影机(LCD Projector)为目前的主流产品。

液晶投影机按内部液晶面板的片数可以分为单片式和三片式两种，单片式液晶投影机仅需一片LCD面板，系统架构比较简单，但因其光利用率低，为了保证投影品质，就必须提高用作光源的灯泡功率，从而导致灯泡寿命缩短，投影机的成本增加。

现在的液晶投影机大都采用三片式LCD面板，三片式液晶投影机的投影原理是光学系统把光源发射的强光通过分光镜形成R、G、B三束光，分别透射过R、G、B三色液晶面板；控制信号源经过A/D(模拟/数字)转换调制后，加到液晶板上，通过控制液晶面板上的液晶单元的开启或闭合，从而控制R、G、B三色光路的通断，然后三色光经过合色光路，在合色棱镜中汇聚，最后经透镜投射后，在屏幕上形成彩色图像。

三片式液晶投影机比单片式液晶投影机具有更高的图像质量和更高的亮度。但是三片式液晶投影机需要三片面板，并需要结合多项的分光、合光光学系统，因此具有结构复杂、光学构件多、体积大及成本高等一是列的缺点。

因此，有必要对现有投影装置的投影显示光学系统作进一步改进。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种具有光学构件少、光利用率高的特点的投影显示光学系统，具有此光学系统的投影装置不但具有良好的影像品质，而且其体积小、重量轻，从而便于使用，并可降低成本。

依据本发明的上述目的，本发明提供一种投影显示光学系统，其包括有照射模组、分光模组、成像器及投影镜头，其中照射模组可以提供宽度为d且间隔距离为D的若干条准直光束；分光模组至少具有一折射分光棱镜，用来将若干条准直光束分离成n个不同波段且宽度为d+D的色彩光束；及反射式色轮具有n个不同厚度的反射区，可以交替反射从折射分光镜分离出来的色彩光束；成像器是用来接受来自于分光模组的色彩光束并将这些光束进行调制以输出具有影像图案的彩色光；及投影镜头是用来将具有影像图案的彩色光投射在所需区域上。

在上述反射式色轮上至少有一部分反射区是位于不同的光轴距离处，而由位于不同光轴距离的反射区所反射的色彩光束投射于成像器上的色彩光带的位置也不相同。

上述照射模组包括提供一准直光束的一光源，及分裂该准直光束成为宽度为d且间隔距离为D的若干条准直光束的分束反射镜。

上述分束反射镜具有若干个相互平行并具间隔D的反射面，而上述宽度为d且间隔距离为D的若干条准直光束都是由这些反射面反射形成的。

上述分束反射镜是呈阶梯状，其反射面是以错位排布的方式设置在此分束反射镜的阶梯面上。

上述折射分光棱镜是由高折射率材料制成。

上述折射分光棱镜具有一入射端面及与入射端面平行的一发射端面，这些准直光束以既定入射角度入射该入射端面。

上述成像器可以采用反射式显示器，也可以采用穿透式显示器。

相较于现有技术，本发明投影显示光学系统是采用了折射分光原理以简化光路，相较于现有的采用三片式LCD面板或三片式LCoS面板的投影装置，可以减少到仅利用一片LCD或一片LCoS面板即可达到提高光利用率的目的，而且还可以减少所使用的光学构件数量，例如双色镜、合色棱镜等。因此，本发明具有光学构件少、光利用率高的特点，而且具有本发明投影显示光学系统的投影装置的体积小、重量轻、成本低，从而便于推广使用。

【附图说明】

图1是本发明投影显示光学系统的基本光学构件及其光路示意图。

图2A是本发明投影显示光学系统的分束反射镜的构造示意图。

图2B是本发明投影显示光学系统的反射式色轮的构造示意图。

图3是表示照射光束从折射分光镜透射出去之后，所形成的交错排列的色彩光带。

图4A是当色彩光束被反射式色轮的第一反射区反射之后，其投射于成像器上所得到的色彩光带。

图4B是当色彩光束被反射式色轮的第二反射区反射之后，其投射于成像器上所得到的色彩光带。

图4C是当色彩光束被反射式色轮的第三反射区反射之后，其投射于成像器上所得到的色彩光带。

图5是当本发明投影显示光学系统采用LCoS成像器时的光路示意图。

【具体实施方式】

请参照图1所示，本发明投影显示光学系统1可应用于投影装置上，其主要包括有照射模组、分光模组及影像显示模组，其中照射模组包括有一可提供准直光束的光源，及可将该准直光束分裂成为宽度为d且间隔距离为D的若干条准直光束的分束反射镜30，在本实施例中，该准直光束主要是通过一个照明器具10及聚束透镜20来提供的，其中照明器具10可以由灯泡及反射器组成，灯泡是用来提供一发散光源，而反射器则可以使得发散光源呈汇聚状，且为了提高光利用率及缩小整个光学系统的构件尺寸，由照明器具10所提供的光源还必须要经过一聚束透镜20，用来将照射光束的光照面积缩小并形成一准直光束。

请配合参照图2A所示，上述照射模组的分束反射镜30的其中一表面是呈阶梯状，其上加工有若干个相互平行并具间隔为D的反射面31，这些反射面31的水平宽度均为d，并且以错位排布的方式设置于该分束反射镜30的阶梯面上，因每一反射面31均倾斜设置于准直光束的光传输路径上，从而可以将该准直光束分裂成为宽度为d且间隔距离为D的若干条准直光束。在本实施例中，由照射模组所提供的准直光束是以水平方向入射于分束反射镜30的三个反射面31上，并被三个反射面31同时垂直反射出去，而形成三条等宽的光束，且三条光束的间距相当于两倍的光束宽度。在实际应用中，我们可以依据照射光束的光照面积的大小，来决定所需要的反射面的数量，这样可以提高光利用率，或者是直接调整照射光束的光照面积的大小，以防止各光学构件的尺寸过大及成本增加。

本发明投影显示光学系统1的分光模组是采用折射的方法使得照射光束分离成若干个不同波段且以不同光路径行进的色彩光束并照射于成像器60上，其主要包括有折射分光镜40及反射式色轮50，其中折射分光镜40是由透明材料制成，其倾斜设置于由分束反射镜30所提供的若干条准直光束的光传输路径上，这些准直光束将以既定的入射角度入射到折射分光镜40的入射端面41，并从发射端面42透射出去，利用折射分光镜40的折射原理，每条准直光束均可被分离为n个不同波段且宽度为d+D的色彩光束。在本实施例中，由分束反射镜30所提供的三条准直光束均被分离为红(R)、绿(G)、蓝(B)三色光，从而形成红(R)、绿(G)、蓝(B)交错排列的九条色彩光束，如图3所示。

上述分光模组的反射式色轮50是由一具有n个不同厚度的反射镜所构成，用来反射由折射分光镜40所分离的n个不同波段的色彩光束，并使得这些色彩光束反射至成像器60上。在本实施例中，反射式色轮50是呈圆盘状，其转轴设置于圆心，请参图2B所示，该反射式色轮50是由一具有三个不同厚度的反射镜所构成，该反射镜具有一平整的底面54及对应设置于距离该底面不同厚度处的多个反射区51、52及53，依照这些反射区距离底面厚度的不同，从薄至厚可以依次分为第一反射区51、第二反射区52及第三反射区53。当该反射式色轮50被设置于光学系统中时，这些反射区51、52及53将位于不同的光轴距离处，从而致使同样的色彩光束当被不同的反射面反射之后，形成于成像器上的光带位置也会略有差异。例如，当由R、G、B交错排列的色彩光束被该反射式色轮的第一反射区51反射之后，其形成于成像器60上的色彩光带，如图4A所示；随着反射式色轮50的旋转，色彩光束将紧接着被该反射式色轮50的第二反射区52反射，此时形成于成像器60上的色彩光带，如图4B所示；当反射式色轮50继续旋转，色彩光束将会被该反射式色轮50的第三反射区53反射，并也在成像器60上形成色彩光带，如图4C所示。对比图4A至图4C所示的成像器60上的色彩光带，不难发现，三者之间仅是色彩光带的位置发生了变化，这样就可以使得R、G、B三色光交替照射于成像器60上。

本发明投影显示光学系统1的影像显示模组是用来将成像器60上的影像图案投射在屏幕上，在本实施例中，其主要包括有LCD成像器60及投影镜头70，其中LCD成像器60是通过液晶的电光效应，并通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而可以产生所需的影像图案。投影镜头70是用来放大影像图案并将其投射到显示屏幕(未图示)上，通过这种方式得到所需的影像。

上述成像器60除了可以采用穿透式LCD显示器外，还可以采用反射式显示器，如硅基液晶显示器(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)或数字微镜装置(Digital Micromirror Device，DMD)，在具体使用时，只需要根据各自的特点对该光学系统的光路进行相应的调整即可。例如当采用LCoS成像器80时，需要在光路中设置偏极化转换器81及偏极化分光镜82，如图5所示。

此外，本发明还可应用于其它具有分光、合光要求的系统中，而且可以根据所需的投影面积及效果来调整各光学构件的形状及尺寸。

Claims (20)

1.一种投影显示光学系统，其包括有照射模组、分光模组、成像器及投影镜头，其特征在于：照射模组可以提供宽度为d且间隔距离为D的若干条准直光束；分光模组可以将照射模组提供的若干条准直光束分离成n个不同波段的色彩光束；成像器是用来接受来自于分光模组的色彩光束并将这些光束进行调制以输出具有影像图案的彩色光；及投影镜头是用来将具有影像图案的彩色光投射在所需区域上；分光模组是借助至少一个折射分光棱镜将照射模组提供的若干条准直光束分离成n个不同波段且宽度为d+D的色彩光束，而且这些色彩光束还会被一反射式色轮反射出去，该反射式色轮具有n个不同厚度的反射区，可以交替反射这些从折射分光镜分离出来的色彩光束。

2.如权利要求1所述的投影显示光学系统，其特征在于：在反射式色轮上至少有一部分反射区是位于不同的光轴距离处，而由位于不同光轴距离的反射区所反射的色彩光束投射于成像器上的色彩光带的位置也不相同。

3.如权利要求1所述的投影显示光学系统，其特征在于：照射模组包括提供一准直光束的一光源，及分裂该准直光束成为宽度为d且间隔距离为D的若干条准直光束的分束反射镜。

4.如权利要求3所述的投影显示光学系统，其特征在于：分束反射镜具有若干个相互平行并具间隔D的反射面，而上述宽度为d且间隔距离为D的若干条准直光束都是由这些反射面反射形成的。

5.如权利要求4所述的投影显示光学系统，其特征在于：分束反射镜是呈阶梯状，其反射面是以错位排布的方式设置在此分束反射镜的阶梯面上。

6.如权利要求1或4所述的投影显示光学系统，其特征在于：折射分光棱镜是由高折射率材料制成。

7.如权利要求6所述的投影显示光学系统，其特征在于：折射分光棱镜具有一入射端面及与入射端面平行的一发射端面，这些准直光束可以既定入射角度入射至该入射端面上。

8.如权利要求1所述的投影显示光学系统，其特征在于：成像器可以采用反射式显示器。

9.如权利要求1所述的投影显示光学系统，其特征在于：成像器可以采用穿透式显示器。

10.一种投影显示光学系统，其特征在于：其包括有可以提供宽度为d且间隔距离为D的若干条准直光束的照射模组、可以输出影像的成像器及投影镜头，该投影显示光学系统还包括有一折射分光棱镜及一反射式色轮，该折射分光棱镜具有一入射端面，由照射模组提供的若干条准直光束是以既定角度入射至该入射端面，并被该入射端面分离成n个不同波段且宽度为d+D的色彩光束；反射式色轮具有n个位于不同光轴距离处的反射区，可以交替反射从折射分光棱镜分离出来的色彩光束；被反射式色轮反射出来的这些色彩光束将会被成像器接收，且由该反射式色轮的位于不同光轴距离处的不同反射区所反射至该成像器上的色彩光束的位置也不相同，而该成像器可以将这些色彩光束进行调制以输出具有影像图案的彩色光，并借助投影镜头投射在所需区域上。

11.如权利要求10所述的投影显示光学系统，其特征在于：照射模组包括提供一准直光束的一光源，及分裂该准直光束成为宽度为d且间隔距离为D的若干条准直光束的分束反射镜。

12.如权利要求11所述的投影显示光学系统，其特征在于：该分束反射镜包括相互平行并具间隔D的反射面。

13.如权利要求12所述的投影显示光学系统，其特征在于：分束反射镜是呈阶梯状，其反射面是以错位排布的方式设置于该反射镜的阶梯面上。

14.如权利要求10所述的投影显示光学系统，其特征在于：折射分光棱镜是由高折射率材料制成。

15.如权利要求10所述的投影显示光学系统，其特征在于：反射式色轮是由一具有不同厚度的反射镜构成，该反射镜具有一平整的底面及对应设置于距离该底面不同厚度处的多个反射区，因而当该反射式色轮被设置于光学系统中时，这些反射区将位于不同的光轴距离处。

16.如权利要求15所述的投影显示光学系统，其特征在于：该反射式色轮是呈圆形，可以绕其圆形的中心旋转。

17.如权利要求10至14中任意一项所述的投影显示光学系统，其特征在于：成像器可以是LCD成像器。

18.如权利要求10至14中任意一项所述的投影显示光学系统，其特征在于：成像器可以是DMD成像器。

19.如权利要求10至14中任意一项所述的投影显示光学系统，其特征在于：成像器可以是LCoS成像器。

20.如权利要求19所述的投影显示光学系统，其特征在于：该投影显示光学系统还包括有一偏极化转换器，其设置于光源与分束反射镜之间，能够提供偏极化的准直光束。

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