CN100592138C - 液晶投影仪的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液晶投影仪的光学系统，其包括沿光路依次同轴设置的光源、起偏器、环状转偏器、分光装置、液晶光阀、合光器及投影镜头。该光学系统通过转动该环状转偏器调节远轴的第一线偏振光在光学系统的参与率，从而调节液晶投影仪的亮度。由于远轴第一线偏振光在后续的各种偏振元件中具有较大入射角，其消光比小，会劣化投影画面的对比度。故，该环状转偏器可在调低液晶投影仪亮度的同时，可提高投影画面的对比度。即，该光学系统可实现液晶投影仪的低亮度、高对比度显示。

Description

液晶投影仪的光学系统
技术领域
本发明涉及投影技术，特别涉及一种液晶投影仪的光学系统。
背景技术
液晶投影仪包括采用透射型液晶光阀(light valve)的液晶显示(Liquid CrystalDisplay，LCD)投影仪及采用反射型液晶光阀的硅晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)投影仪。液晶投影仪具有色彩还原真实鲜艳、层次丰富、饱和度高等优点，深受消费者欢迎，广泛应用于生活娱乐、学术讲演、商务展示等场合。
对于不同的应用场合，往往要求液晶投影仪具有适合对应场合的亮度表现特性。如，空旷、高亮的环境，往往要求液晶投影仪具有高亮度呈现能力；而狭小、暗黑空间则要求液晶投影仪低亮显示，避免高亮显示造成使用者眼部不适，损害使用者视力。
现有液晶投影仪的光学系统大多通过调整光源的功率来调节液晶投影仪的亮度呈现能力，然而，熟知地，采用该种亮度调节方法调低亮度将劣化投影画面的对比度(对比度变小)。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可实现液晶投影仪低亮度、高对比度显示的光学系统。
一种液晶投影仪的光学系统，其包括沿光路依次同轴设置的光源、起偏器、环状转偏器、分光装置、液晶光阀、合光器及投影镜头。该起偏器用于将该光源发出的自然光转变为第一线偏振光。该环状转偏器转动设置，用于将部分第一线偏振光转变为第二线偏振光。该分光装置用于将该第一线偏振光及第二线偏振光分离为方向各异的第一色光、第二色光及第三色光。该液晶光阀用于依据投影图像信号将该第一色光、第二色光及第三色光分别调制成第一信号光、第二信号光及第三信号光。该合光器用于将该第一信号光、第二信号光及第三信号光混合成投影信号光。该投影镜头用于将该投影信号光成像为投影图像。
该光学系统通过转动该环状转偏器调节远轴的第一线偏振光在光学系统的参与率，从而调节液晶投影仪的亮度。由于远轴第一线偏振光在后续的各种偏振元件中具有较大入射角，其消光比(extinction ratio)小，会劣化投影画面的对比度。故，该环状转偏器可在调低液晶投影仪亮度的同时，可提高投影画面的对比度。即，该光学系统可实现液晶投影仪的低亮度、高对比度显示。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的光学系统的平面示意图。
具体实施方式
较佳实施例的光学系统用于LCD投影仪。请参阅图1，本实施例的光学系统100包括沿光路依次同轴设置的光源10、起偏器20、环状转偏器30、分光装置40、三个液晶光阀50r，50b，50g、合光器60及投影镜头70。起偏器20用于将光源10发出的自然光转变为s偏振光99(s-polarized light)。环状转偏器30转动设置，用于将部分s偏振光99转变为转偏振光98。分光装置40用于将s偏振光99及转偏振光98分离为方向各异的红色光97r、绿色光97g及蓝色光97b。三个液晶光阀50r，50b，50g用于依据投影图像信号(图未示)将红色光97r、绿色光97g及蓝色光97b分别调制成红色信号光96r、绿色信号光96g及蓝色信号光96b。合光器60用于将红色信号光96r、绿色信号光96g及蓝色信号光96b混合成投影信号光95。投影镜头70用于将投影光信号光95成像为投影图像(图未示)。
光源10包括灯泡11及椭圆形灯罩12，灯泡11收容于椭圆形灯罩12内。优选地，椭圆形灯罩12的出口设置有可见光带通滤光片13，以滤掉灯泡11发出的自然光中的紫外光及红外光，避免紫外光及红外光损害投影品质。
起偏器20包括沿光路依次设置的两微镜阵列21、偏振分光(Polarizing Beam Splitter，PBS)棱镜阵列22及多个附设于PBS棱镜阵列22的半波片23。光源10发出的自然光经两微镜阵列21后，不连续地会聚于PBS棱镜阵列22，半波片23对应自然光在PBS棱镜阵列22的会聚点分离设置。光源10发出的自然光会聚于PBS棱镜阵列22后，PBS棱镜阵列22透射自然光中的p偏振光(p-polarized light)、反射s偏振光。p偏振光自PBS棱镜阵列22透射后进入半波片23，并转变为s偏振光射出。s偏振光在PBS棱镜阵列22内经两次反射后由PBS棱镜阵列22未设半波片23的部分射出。如此，自然光经起偏器20后全部转变为s偏振光99。优选地，可在两微镜阵列21间设置一反光镜94改变光路，缩小光学系统100尺寸。
环状转偏器30采用偏振片或半波片，环状转偏器30的内径为s偏振光99在环状转偏器30投射斑(图未示)直径的1/4~1/2，而外径略大于s偏振光99投射斑的直径。由于转动设置，环状转偏器30可旋转透振方向，以改变透射光的偏振方向。通过环状转偏器30的部分s偏振光99转变成转偏振光98，而通过环状转偏器30中心孔的s偏振光99维持原有偏振方向，即，仍为s偏振光99。本实施例中，环状转偏器30的内径为s偏振光99在环状转偏器30投射斑(图未示)直径的1/3。
优选地，光学系统100还包括有致动器93，用于驱动环状转偏器30转动。本实施例的致动器93采用旋转马达，并通过传动齿轮92耦合于环状转偏器30外圆周。
分光装置40包括第一二向色镜41、第二二向色镜42及多个反射镜43。第一二向色镜41沿s偏振光99及转偏振光98的前进方向呈45度角倾斜设置，用于反射s偏振光99及转偏振光98的蓝色光97b(即蓝色s偏振光及蓝色转偏振光)、透射剩余光97m(s偏振光99及转偏振光98的红色光与绿色光)。第二二向色镜42沿剩余光97m的前进方向呈45度角倾斜设置，用于反射剩余光97m中的绿色光97g(即绿色s偏振光及绿色转偏振光)、透射剩余光97m中的红色光97r(即红色s偏振光及红色转偏振光)。多个反射镜43用于改变红色光97r、绿色光97g及蓝色光97b的前进方向以使红色光97r、绿色光97g及蓝色光97b沿对应的液晶光阀50r，50g，50b投射。
优选地，分光装置40还包括多个会聚透镜(图未示)，其设置于光程较长的光路上，以收拢光线，提高光利用率。
下面以用于调制红色光的液晶光阀50r为例，说明液晶光阀的构成。液晶光阀50r包括沿光路设置的第一偏振片51r、液晶面板52r及检偏偏振片53r。其中，第一偏振片51r的透振方向与s偏振光99的偏振方向相同。如此，红色转偏振光经第一偏振片51r后转变为红色s偏振光。此后，红色光97r经液晶面板52r调制及检偏偏振片53r后成为红色信号光96r。
熟知地，检偏偏振片53r的透振方向与p偏振光的偏振方向相同，故红色信号光51r为p偏振光。
同样地，液晶光阀50g及液晶光阀50b具有与液晶光阀50r类似的结构及功能。
合光器60采用合光棱镜(X-prism)，具体地，合光棱镜由四个PBS棱镜61，62，63，64构成。为混合沿PBS棱镜61，62，63的斜面入射的红色信号光96r、绿色信号光96g及蓝色信号光96b，合光棱镜需反射红色信号光96r及蓝色信号光96b，并透射绿色信号光96g。为此，合光棱镜在PBS棱镜62，63的斜面设有半波片92r，92b，以改变红色信号光96r及蓝色信号光96b的偏振方向。红色信号光96r、绿色信号光96g及蓝色信号光96b经合光器60后混合成投影信号光95。
投影镜头70将投影信号光95成像为投影图像(图未示)。
当然，分光装置40、液晶光阀50r，50g，50b、合光器60的配置并不限于本实施例，可采用其他熟知的LCD投影仪的分光-合光系统，或采用反射型液晶光阀，并采用对应的分光系统及合光器。
以下描述光学系统100(采用偏振片为环状转偏器30)的亮度调节原理：
若液晶投影仪需高亮显示，则转动环状转偏器30使其透振方向与s偏振光99的偏振方向相同，从起偏器20射出的s偏振光99可以完全通过环状转偏器30，并且可以完全通过液晶光阀50r，50g，50b的检偏偏振片。光源10发出的自然光在光学系统100的参与率高，液晶投影仪高亮显示。
若需降低液晶投影仪的亮度，则转动环状转偏器30使其透振方向与s偏振光99的偏振方向成一夹角，环状转偏器30将吸收部分s偏振光99并透射出转偏振光98。转偏振光98经分光装置40后的各色光在对应的第一偏振片中被部分吸收，并再次转变为s偏振光。由于经两次吸收，光源10发出的自然光在光学系统100的参与率低，液晶投影仪亮度降低。
熟知地，当夹角为90度时，经过环状转偏器的s偏振光99被完全吸收(即转偏振光98的光强近似零)，光源10发出的自然光在光学系统100的参与率最低，液晶显示器呈最暗显示状态
以下描述光学系统100(采用半波片为环状转偏器30)的亮度调节原理：
若液晶投影仪需高亮显示，则转动环状转偏器30使其主截面平行于s偏振光99的偏振方向，s偏振光99维持原偏振方向完全透过环状转偏器30及液晶光阀50r，50g，50b的检偏偏振片，光源10发出的自然光在光学系统100的参与率高，液晶投影仪高亮显示。
若需降低液晶投影仪的亮度，则转动环状转偏器30使其主截面与s偏振光99的偏振方向成一夹角，部分s偏振光99经环状转偏器30后，偏转方向旋转两倍夹角成为转偏转光98。转偏转光98的各色光在液晶光阀50r，50g，50b的检偏偏振片中被部分吸收，并再次转变为s偏振光，光源10发出的部分自然光在光学系统100中被吸收，参与率较低，液晶投影仪亮度降低。
熟知地，当夹角为45度时，转偏振光98的偏振方向垂直于s偏振光99的偏振方向，故，转偏振光98将被液晶光阀50r，50g，50b的检偏偏振片完全吸收，光源10发出的自然光在光学系统100的参与率最低，液晶显示器呈最暗显示状态。
即，液晶光阀只调制s偏振光(吸收非s偏振光)，光学系统100采用环状转偏器30转变s偏振光99的偏转方向，从而调节光源10发出的自然光在光学系统100中的参与率，调节液晶投影仪显示亮度。
环状转偏器30只转变远轴s偏振光99的偏转方向，而远轴的s偏振光99在后续的各种偏振元件(如PBS棱镜)中具有较大的入射角，其消光比较小，而消光比小的偏振光会劣化投影画面的对比度。故，环状转偏器30在调低液晶投影仪亮度的同时，可提高投影画面的对比度。即，光学系统100可实现液晶投影仪的低亮度、高对比度显示。
应该指出，上述实施例仅为本发明的较佳实施方式，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种液晶投影仪的光学系统，其特征在于，该光学系统包括沿光路依次同轴设置的：
光源；
起偏器，用于将该光源发出的自然光转变为第一线偏振光；
环状转偏器，该环状转偏器转动设置，用于将部分第一线偏振光转变为第二线偏振光；
分光装置，用于将该第一线偏振光及第二线偏振光分离为方向各异的第一色光、第二色光及第三色光；
三个液晶光阀，用于依据投影图像信号将该第一色光、第二色光及第三色光分别调制成第一信号光、第二信号光及第三信号光；
合光器，用于将该第一信号光、第二信号光及第三信号混合成投影信号光：及
投影镜头，用于将该投影信号光成像为投影图像。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该环状转偏器采用偏振片或半波片。
3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该环状转偏器的内径为该第一线偏振光在该环状转偏器投射斑直径的1/4～1/2，其外径大于该投射斑的直径。
4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该光学系统还包括致动器，用于驱动该环状转偏器转动。
5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该液晶光阀采用透射型液晶光阀。
6.如权利要求5所述的光学系统，其特征在于，该分光装置包括：
第一二向色镜，用于从该第一线偏振光及第二线偏振光分离出该第一色光及该第二色光与该第三色光的混色光，并反射该第一色光，透射该混色光；
第二二向色镜，用于将该混色光分离为第二色光及第三色光，并反射该第二色光，透射该第三色光；及
多个反射镜，用于转变该第一色光、第二色光及第三色光的前进方向，以使该第一色光、第二色光及第三色光沿对应的液晶光阀投射。
7.如权利要求5所述的光学系统，其特征在于，该液晶光阀包括沿光路设置的第一偏振片，液晶显示板及检偏偏振片，该第一偏振片的透振方向与第一线偏振光的偏振方向平行。
8.如权利要求5所述的光学系统，其特征在于，该合光器为合光棱镜。
9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该液晶光阀采用反射型液晶光阀。
10.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该光源包括设置于光路上的可见光带通滤光片。
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