CN100523941C - 投影仪系统 - Google Patents

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Abstract

用于显示图像的基于激光器的图像投影系统，其包括LCD装置和投影光学系统。通过在LCD装置和投影光学系统之间引入漫射体，提高了投射图像的质量。现在，还降低了光束路径中的材料缺陷的可视性，而先前在系统的大深度场的作用下能够从投射图像中看到这些材料缺陷。

Description

投影仪系统
技术领域
本发明总体上涉及用于显示图像的图像投影系统，更具体而言，涉及包括以激光器为基础的照明源的图像投影系统。
背景技术
既可以将投影仪用于背面图像投影系统，又可以将其用于正面图像投影系统。在背面投影系统中，投影仪将表现电视或数据图形信息的图像投射在透明漫射屏的背面，该屏幕的正面面向观众。在正面投影系统中，投影仪将表现电视或数据图形信息的图像投射在反射屏的正面，该屏幕的正面面向观众。
为了满足对投影仪的商业需求，一个一成不变的追求目标在于生产出这样的系统，其体积更小，使用寿命更长，并且能够以更高的对比度投射出更为明亮的画面。
下文给出了对常规正面LCD投影仪的梗概描述，所述投影仪以灯作为照明源。除了LCD装置外，也可以采用诸如微反射镜装置(DMD)的其他空间光调制器(SLM)对光进行图像信息调制。
在所述投影仪中具有光源和集光系统，后者由抛物面反射器和透镜板构成，用于使光沿预期方向传输。所述光源通常为UHP灯。此外，还具有一系列积分器(integrator)和透镜，用于将射束修整为具有正确的尺寸和几何形状，并在射束的横截面上获得均匀的光强分布。所述投影仪还包括诸如偏振转换系统(PCS)的预偏振光学系统，例如其可以由平坦多偏振分束器构成。所述PCS基本上能够将非偏振光转化为偏振光。与在大多数透射型正面投影仪中一样，此后通过分色光学系统或二向色镜将白光分割为红、绿、蓝三原色。通过三个不同的光阀传输三种不同颜色的光束。每一光阀包括偏振器、LCD屏板和检偏器。所述光阀能够透射或阻挡光，即被布置为处于暗状态或亮状态。通过改变LCD屏板内的LC分子的取向，有可能在亮状态和暗状态之间切换，改变取向可以通过改变作用于LC层上的电场完成。此后，通过二向色立方体或类似装置将三种不同的颜色组合成单幅全色图像，最后通过图像投影光学系统投射该图像。
近来，有人希望采用一组激光器替代弧光灯。要想这样做，必须解决很多困难才能在获得良好的画面性能的同时获得经济有效的小型投影系统。下面举出此列问题中的三个例子：i)散斑，激光为相干光，因而导致扰动散斑和干涉图案；ii)大焦深，其使缺陷在图像中变为光学可视的；iii)如何在不牺牲照明光的情况下使系统小型化的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的光学装置，其用于具有低集光率(etendue)照明系统的图像投影系统当中，尤其用于基于激光器的投影系统当中。
在本说明中，低集光率照明系统是指具有从光源或光源系统，例如从基于激光器的光源发射的受限制的窄光束的系统。
小集光率将在光学系统中引发大深度场(field of depth)。因此，能够在所投射的图像中清晰地看到光路中的缺陷，例如灰尘粒子、划痕、阻塞物和材料缺陷等。如果采用质量非常高的光学材料来解决这一问题将导致非常高的成本。
本发明基于这样一种体悟，即利用设置于图像投影系统的LCD屏板的光输出侧的漫射体能够提高投射图像的质量，其中，所述图像投影系统包括基于激光的照明源。有利地，所述漫射体展宽了细小的、得到了良好聚焦的调制激光束，从而使投射图像具有更为均匀的强度分布，并使光路中的缺陷变得不那么明显。换言之，总体的思路是在对光束调制之后并且在光束穿过投影光学系统之前将其展宽。由于这种做法将光束局限在了调制操作上，因而易于调制，并且能够减少与大深度场相关的问题。
尽管对本发明的描述是针对包括基于激光器的光源和LCD屏板的投影仪进行的，但是本领域技术人员显然能够认识到，本发明适用于任何其他具有小集光率的光调制投影系统，而且所述漫射体可以是任何类型的光集光率变换元件。
本发明的目的是通过根据权利要求1、9和12所述的图像投影系统、光学元件和方法实现的。在相关权利要求内限定了优选实施例。
根据其第一个方面，本发明提供了一种图像投影系统，其包括：用于提供照明光束的激光源；用于采用图像信息调制所述照明光束的调制屏板，以及用于将经调制的照明光束投射到屏幕上的投影光学系统。此外，其还包括用于展宽所述照明光束的集光率变换机构，其中，在从光源到屏幕的光路中将所述集光率变换机构布置在所述调制屏板之后。
根据其第二方面，本发明提供了一种光学元件，其用于如上所述的图像投影系统中。所述元件包括设有光调制LCD层和集光率变换层的基板，其中，优选将所述层布置在所述基板的相对侧。
根据其第三方面，本发明提供了一种投影仪的图像投影方法，其包括的顺序步骤有：发射由激光构成的照明光束；以图像信息调制所述照明光束；对所述经调制的照明光束进行集光率变换，从而展宽其光束直径；以及将所述集光率受到了变换的照明光束投射到屏幕上。
与上述三个方面相关的一个优点在于，由于(例如)降低了光学系统中的缺陷的可视性而提供了更高的投射图像视觉品质，并且能够在不损失图像信息的情况下提供更高的透射图像均匀性。通过已调制光的漫射能够降低投射图像中的缺陷的可视性。进一步设置使光漫射的漫射体或集光率变换元件，从而使图像中的每一像素清晰可见。
有利地，将所述集光率变换元件设置为使集光率得到了变换的照明光束具有基本均匀的远场强度分布或角分布。这一点可以通过，例如，衍射光束整形元件实现。换言之，集光率得到了变换的照明光束优选具有大礼帽(top hat)状散射分布，更优选具有矩形角分布。这一点可以通过，例如，光束整形元件实现。换言之，能够在基本上不损失任何光量的情况下改善投射图像，并使之更为匀质。此外，从有利的角度，集光率变换元件可以是全息漫射体，因为能够对其定制，从而以经济有效的方式满足具体的光学特性要求。
有利地，可以通过引入所述机构降低投射图像中散斑的可视性。这一点可以通过以高于眼睛响应时间的速度调制光路中的元件实现。例如，这一点可以通过使元件以高于70Hz左右的频率振荡实现，可以使其穿过照明光束的路径来回移动，或在其所在的平面内旋转。这样可以叠加不同的散斑图案，从而使人眼看不到投射图像中可能存在的散斑。相反，观察者将感觉所述图像具有均匀的强度分布。优选地，所述受调制的元件为集光率变换元件。
通过在具有粗糙漫射面的集光率变换元件上提供液晶层也能够降低散斑的可视性。对液晶层进行电-光调制，使得透射光在漫射状态和非漫射状态或较弱漫射状态之间切换。这样的装置是本领域公知的。例如，在偏振相关漫射体的面向下游的粗糙侧面上设置可切换液晶层。可以通过施加或去除电场使液晶层在有源状态和无源状态之间切换，所述电场旋转LC材料中的晶体，所述旋转影响液晶材料的折射率。在无源状态下，将液晶层的折射率设定为使光在基本不受影响的情况下简单地通过所述可切换层透射。在有源状态下，液晶层的折射率对应于集光率变换元件的折射率。由此消除或减弱了光的展宽，因为液晶层被布置在了漫射体的粗糙漫射层上，并且具有匹配折射率。所述可切换集光率变换元件优选与普通或不可切换集光率变换元件结合，以避免在有源状态下出现高同直线透射。这一电-光调制的优点在于不采用活动部分。
有利地，将微透镜阵列布置在图像屏板的光入射侧面上，从而使照明光束更好地聚焦到图像屏板的各像素上。这样能够采用具有更小的像素的图像屏板，即可以在不损失任何光的情况下使两个像素之间的中心距缩小。换言之，能够采用在几何外形上更小的图像屏板。
上文中已经描述了通过本发明的实施例获得的一些优点。通过所述光学元件和所述方法的对应实施例也能够获得类似的优点。
本发明的宗旨在于在对光束进行调制之后使其扩展，并保持低集光率(受限)光束，以便于调制。在抵达投影光学系统之前光束的扩展降低了焦深，从而使系统不易受到投影光学系统的缺陷的影响。
通过参考下文所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得到阐释。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的投影仪。
图2示意性地示出了根据本发明的光学部件。
具体实施方式
为了提供对本发明的更好的理解，将对根据本发明的优选实施例予以说明。结合附图阅读本说明将促进对内容的理解。在附图中，所有的图示均采用类似的附图标记表示类似的或对应的部分。附图并非按比例绘制。图中所示的投影仪系统适当地包括用于操作，例如，光源和图像屏板的常规电子线路，所述电子线路是本领域公知的，因而不再对其详细描述。
尽管将针对透射型LCD投影仪系统对本发明进行说明，但是应当理解，本发明还适用于其他类型的光调制投影仪，例如，包括反射型液晶硅(LCOS)显示屏板的投影仪。
图1是根据本发明的图像投影系统的示意图。投影仪10包括绿色调制通道110，绿色调制通道110依次包括绿光激光器111、照明光学系统101和诸如LCD装置的调制屏板102。由绿光激光器111发射的绿色照明光束112抵达照明光学系统101，照明光学系统101将该光束转化为具有预期光斑尺寸的准直光束。所述绿色准直照明光束112沿光轴1穿越光学系统直到其抵达透射型LCD装置102，检偏器或偏振器103从光学的角度设置于所述透射型LCD装置102之后。
透射型LCD装置102包括由LCD元件构成的阵列，其中，可以通过(例如)施加或去除电场使每一元件切换至亮状态或暗状态。两个状态的区别在于，在亮状态下，发射光具有第一偏振方向，在暗状态下，发射光具有与所述第一方向不同的第二偏振方向。所述第一和第二偏振方向优选相互正交。
将所述偏振器103设置为，当所述LCD元件处于亮状态下时，从LCD元件发射的光能够穿过偏振器。此外，将所述偏振器设置为，当LCD元件处于暗状态下时，所发射的光受到偏振器的阻挡。可以将一些LCD元件设置为处于两种状态当中的一种状态下，将其他LCD元件设置为处于另一种状态下，并照射所述LCD阵列，由此能够生成图像。之后，由偏振器透射的光将携带图像信息，即，以图像信息对照明光束进行了调制，如果将经过调制的照明光束投射到，例如，屏幕105上，就能够看到。
投影仪10共包括三种颜色的调制通道，即，除了绿色通道110之外，还包括红色调制通道120和蓝色调制通道130。分别按照相对于绿色通道110描述的方式设置红色通道120和蓝色通道130，其区别仅在于，位于红色调制通道120中的激光器121沿第二光轴2发射红色照明光束，位于蓝色调制通道130中的激光器131沿第三光轴3发射蓝色照明光束。将三个光轴1、2、3设置为使它们指向公共的交叉点。第二和第三轴2和3处于一条直线上，并且彼此相对，而第一轴1则与其他两个轴2和3正交。
在光轴1、2和3的交叉点设置诸如X立方体或二向色棱镜的彩色合成元件106，从而将通过各调制板102透射的每一调制照明射束112、122和132合成为沿单个光输出轴4传输的多色调制光束。此后，通过诸如投影透镜的投影光学系统106将其投射到(例如)屏幕105上。
为了提高投射图像的质量，沿从光源到投影光学系统的光束路径，将集光率(etendue)变换元件(ETE)104设置在调制屏板102的下游。优选将ETE104设置在每一彩色调制通道中的每一调制板102之后和彩色合成元件106之前。或者，从光学的角度，将一个ETE放置在彩色合成元件106之后和投影透镜106之前。这要求将所显示的图像投射到漫射体上。
在本说明书中，漫射体是指具有对穿过其的光进行多重散射的特征的元件。这种散射基本上是在大于光的波长的结构上引起的折射和反射的混合。所述散射的特征取决于传输光的结构(随机或有序)和漫射体的特征尺寸。投影仪中采用的漫射体优选将光散射到界限分明的锥体内。具有界限分明的出口孔径和锥角的散射体材料可以从市场上买到，例如可以从美国公司Physical Optics Corporation买到。可以对这些定制，以满足某一应用的需要。
在本说明书中，“集光率变换元件(ETE)”一词包括所有能够展宽入射光束的元件，即，不仅包括预先说明的漫射体，还包括基于衍射的元件，例如衍射光栅和全息光学元件(HOE)。这些部件的特征尺寸通常处于光波长的量级。HOE可以是通过对感光膜的激光照射生成的，乃至可以是通过光刻和复制技术通过计算机生成和制造的。散射漫射体和HOE之间的区别从某种程度上讲只是理论上的，实际的装置往往处于二者之间。
也有可能采用微透镜阵列，例如来自英国公司Microsharp的透镜结构，或者采用由聚合物膜内的小玻璃球构成的漫射体作为ETE。
此外，ETE 104可以设有，例如，可切换液晶层107，使得透射光束能够在受到展宽的状态和不受展宽或受到较小的展宽的状态之间切换。尽管在图示中将ETE 104和可切换液晶层107作为两个独立的装置，但是优选将LC成设置在所述ETE的粗糙表面上。
优选将ETE设置为将得到了良好的准直的具有第一高f数f#1的光束转化为具有第二低f数f#2的均匀(或平滑变化)发散光束。此外，漫射体应当具有低的同直线透射(in-line transmission)，以避免透射具有高f数f#1的光束。此外，所述漫射体应当是非Lambertian的，其意义在于，将入射光尽可能收集到具有指定的低f数f#2的前向射束内，而不是被散射到该光束之外。此外，应当将总能量中的相当大的部分散射到对应于低f数f#2的更大的角度内。理想的散射特性应当是均匀的远场分布。在市场上可买到处于0.5°到80°的角度范围内、具有椭圆或矩形锥并跨越低f数f#2的样本表面结构。
图2是光学部件20的实施例的示意图，光学部件20包括LCD层202和集光率变换层或ETE 204。可以将这种结构应用于参考图1描述的投影仪系统10中，以替代所描述的调制屏板102、偏振器103和ETE结构104。在第一玻璃基板205和第二玻璃基板206之间插入包括LCD元件或像素的LCD层202。与所述LCD层202相比，在所述第二玻璃基板205的相对侧设置微透镜阵列201。与所述LCD层202相比，在所述第一玻璃基板206的相对侧设置检偏器层203。此外，在LCD层和检偏器层203之间设置ETE 204，因为ETE很可能对透射光去偏振。
微透镜阵列201中的每一微透镜都具有与LCD 202中的单像素间距大致相同的尺寸，并将入射光聚焦到像素的几何开口内。采用系统的高深度场引导入射光穿过LCD层202中的孔隙，使得所述光不会射到电极和光遮板等阻塞结构上。就像素间距为5μm左右，玻璃厚度为500μm左右的情况而言，与基于UHP灯的投影仪相比，基于激光器的投影仪要求因子为500的更好的准直。可以通过标准的高质量激光器容易地满足这一要求。
穿越像素的光束穿过检偏器层203，并在LCD单元的相对表面处射到ETE 204上。采取这样的像素尺寸，使得入射到微透镜阵列201中的第一微透镜元件上的所有光均能穿越像素孔隙，并以小于等于像素间距的面积射到ETE 204上。如上所述，所述ETE只具有轻微漫射的特性，其改变图像中的低集光率光区域，并向投影透镜发射具有低f数，例如，f#＝4.0的焦阑(telecentric)光束。由于LCD屏板与投影透镜之间的光束是焦阑光束，因此设置于光束路径的下游的射束合成元件(未示出)不会引起色漂移和非均匀性。
所述光学元件可以进一步设有可切换液晶层207，其在从光源到屏幕的光路中设置于集光率变换元件的下游。将所述可切换液晶层设置于集光率变换元件之上。通过施加或去除电场能够使所述液晶层在第一有源态和第二无源态之间切换。在所述可切换液晶层的无源态中，将其折射率设定为允许已经受到了集光率变换层的漫射或展宽的光径直通过。反之，在可切换液晶层的有源态中，将其折射率设定为对已经受到了集光率变换层的漫射或展宽的光准直，或使之不那么发散。通过在至少70Hz的频率下使液晶层在其有源态和无源态之间切换，降低了投射图像中散斑的可视性。
总之，描述了一种用于显示图像的基于激光器的图像投影系统，其包括LCD装置和投影光学系统。通过在LCD装置和反射偏振器之间引入漫射体，提高了投射图像的质量。此外，还减少了光束路径中的材料缺陷，而先前在系统的大深度场(large field-of-depth)的作用下能够从投射图像中看到这些材料缺陷。这是由于将LCD屏板与投影透镜之间的光束变成了具有更宽孔径的光束，因而能够急剧降低划痕、材料缺陷以及其他阻塞物(灰尘等)的可视性。此外，由于光束在射到漫射体上之前具有低集光率，因而能够采用非常小的LCD屏板。类似地，可以通过仍然可能获得高对比度的液晶光学效果的限定条件确定屏板的尺寸，例如，具有5μm的像素和2μm的单元缝隙。更小的LCD屏板能够在相同程度的系统复杂性上降低漫射体与投影透镜之间的f数，由此能够在LCD部件之后采用更小的光学部件(更小的彩色合成装置和更小的投影透镜)，同时降低防止在图像路径中出现表面缺陷、粒子夹杂物和灰尘的必要性。
在本文中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”不排除复数，并且单个部件可能完成权利要求中列举的几个机构的功能。

Claims (18)

1.一种图像投影系统，包括：
用于提供照明光束(112、122、132)的激光源(111、121、131)；
用于采用图像信息调制所述照明光束的调制屏板(102)，
用于将经过调制的照明光束投射到屏幕上的投影光学系统(106)，以及
用于展宽所述经调制的照明光束的集光率变换机构(104)，在从所述光源到所述屏幕的光路中，将所述集光率变换机构布置在所述调制屏板之后。
2.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中，在从所述光源(111)到所述屏幕的光路中，将所述集光率变换机构(104)布置在所述投影光学系统(106)之前。
3.根据权利要求2所述的图像投影系统，其中，所述集光率变换机构(104)为光束整形装置，布置其的目的在于使集光率得到了变换的照明光束具有基本均匀的角分布。
4.根据权利要求3所述的图像投影系统，其中使集光率得到了变换的照明光束具有圆形或矩形截面光束形状的角分布。
5.根据权利要求3所述的图像投影系统，其中，所述集光率变换机构(104)为漫射体。
6.根据权利要求5所述的图像投影系统，其中，所述集光率变换机构(104)为全息漫射体。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的图像投影系统，其中，将所述集光率变换装置(104)设置为以至少70Hz的频率对其进行调制，以降低投射图像中的散斑的可视性。
8.根据权利要求5所述的图像投影系统，其中，所述漫射体设有可切换液晶层(107)，这样布置的目的在于使穿过所述漫射体和所述可切换液晶层透射的照明光束能够在展宽状态和较小展宽态之间切换，从而降低投射图像中散斑的可视性。
9.根据权利要求1至6和8中任意一项所述的图像投影系统，其中，所述调制屏板(102)为LCD装置。
10.一种光学元件，其用于由前述权利要求中的任何一项界定的图像投影系统中，所述光学元件包括设有光调制层(202)和集光率变换层(204)的第一基板(205)，其中，所述各层优选布置在所述基板的相对侧上。
11.根据权利要求10所述的光学元件，其中，所述基板还设有偏振层(203)。
12.根据权利要求11所述的光学元件，其中，所述基板的偏振层(203)布置在所述光调制层(202)和所述集光率变换层(204)之间。
13.根据权利要求11所述的光学元件，其中，该光学元件中，可切换液晶层(207)设在集光率变化层(204)的下游，其用于降低投射图像中的散斑的可视性。
14.根据权利要求13所述的光学元件，还包括第二基板(206)和透镜阵列(201)，其中，将所述调制层布置在所述第一基板(205)和所述第二基板(206)之间，此外，将所述第二基板(206)布置在所述透镜阵列(201)和所述调制层(202)之间。
15.一种图像投影法，其包括的顺序步骤有：
发射激光照明光束；
以图像信息调制所述照明光束；
对所述经调制的照明光束进行集光率变换，从而展宽其光束直径；以及
将所述集光率受到了变换的照明光束投射到屏幕上。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述集光率变换为所述照明光束提供了均匀角分布。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括使所述集光率受到了变换的照明光束在被投射到屏幕上之前在展宽状态和非展宽状态之间切换的步骤，从而降低投射图像中的散斑的可视性。
18.根据权利要求17所述的方法，其中以至少为70Hz的频率执行所述切换。
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