CN1074549C - 背面投影型图象显示设备的光学系统 - Google Patents

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Abstract

提供用于背面投影型图象显示设备的光学系统,该系统籍助于平面镜使光路弯折来减小机壳内的空间。
在一种光学系统中,使用两块平面镜。在投影透镜一侧的第一平面镜用反射偏振器做成,它位于第二平面镜与屏幕之间的光路上,用于透射P偏振光和反射S偏振光。如此放置第一和第二平面镜,从而使光由投影透镜向第一平面镜的人射角要比光由第二平面镜向第一平面镜的入射角大得多。在屏幕的背侧贴有偏振片,用于吸收P偏振光。

Description

背面投影型图象显示设备的光学系统
本发明涉及背面投影型图象显示设备的光学系统,该设备采用投影透镜把显示在图象显示单元上的图象投影到屏幕上而显示大幅图象。
具有高分辨率和大屏幕的图象显示设备已有商业上的需要(诸如High Vision“海维申”显示器)以及工业上的需要(诸如高级计算机显示器)。由于有上述需要,在市场上到处都有投影型图象显示设备出售。
投影型图象显示设备分为两种类型。一种是两单元型,它把图象投影在与投影单元分开的屏幕上。另一种是一单元型,它把投影单元和屏幕做在一个机壳内。后一种称为背面投影型。
前者就单元本身可做得相当小,它对投影距离限制很小,因而在投影尺寸方面是任意的,然而当有外部光照在屏幕上时,在投影的图象上会伴有浮动黑影。因此,必需在暗房间或在接近于暗房间的环境下使用。由于没有来自投影器一侧的外部光照到屏幕上,后者(一单元设备)即使在明亮的环境下也能显示出好的图象。但是由于该设备必须提供与投影距离相应的空间,因此,设备的机壳很大。这种机壳大的设备不合家用需要。
为缩小背面投影型图象显示设备的尺寸,曾经考虑了两种做法。一种做法是采用短焦距投影透镜并缩短投影距离。另一种做法是缩小投影管、投影透镜等等的尺寸。迄今为止已经作了许多尝试,虽然可能提出一些小的改进,但难于取得更大的进展。
在日本公开特许公报第2-140792号中提出了一种缩小设备尺寸的尝试。按照现有技术的一台背面投影型图象显示设备的光学系统示于图1。该设备包括一图象显示单元(图中未示出),一用于使入射光部分反射和部分透射的分束器2,一用于把由分束器2反射的光再折回分束器2的镜子3,一置于分束器2后表面的遮光栅格(它使得当光线对于分束器2垂直线的入射角在预定范围之内时,能够透过分束器2)以及一屏幕5。
藉助于上述结构,由于用镜子弯折光路而使空间缩小。
然而,由于遮光栅格4按入射角来分开透过的光和透不过的光,而入射角在屏幕中间和在屏幕边缘是不同的,因而除非对于任何入射角透过的光量恒定,否则会产生亮度的不均匀。此外,由于栅格4有多条光路,透射系数减小,可能出现与被显示图象互相关连而造成的波纹而使图象质量变坏。
为解决上面提到的问题,提出两种解决方式。如图2所示,第一种解决方式的背面投影型图象显示设备的光学系统包括:图象显示单元,用以产生相应于输入视频信号的图象;投影透镜,用以放大和投射图象以产生放大图象;第一平面镜,用于接收和反射经放大的图象以产生经反射的放大图象;第二平面镜,用于接收和反射经反射的放大图象以产生经再次反射的放大图象;以及屏幕,用于显示经再次反射的放大图象,其中,第一平面镜位于第二平面镜和屏幕之间;光路由第一光轴、第二光轴和第三光轴构成,其中第一光轴是投影透镜的光轴,并且所有的第一光轴、第二光轴和第三光轴都在入射面内,第一光轴和第二光轴关于第一平面镜的法线相互镜象对称,而第二光轴和第三光轴关于第二平面镜的法线相互镜象对称;在投影透镜一侧的第一平面镜用反射偏振器做成,并提供了这样的特性,对于入射至第一平面镜的光,振动方向平行于入射面的光(称为P偏振光)能够透射,而振动方向垂直于入射面的光(称为S偏振光)被反射;第一平面镜位于第二平面镜和屏幕之间;第一平面镜被固定在这样的位置上,以遮蔽在屏幕一侧的第二平面镜和要显示图象的屏幕之间的光,这样来设置第一平面镜,使得从投影透镜到第一平面镜的光的入射角要比经过第二平面镜反射后再射至第一平面镜的光的入射角大得多。
来自投影透镜射向第一平面镜的光中的S偏振光在第一平面镜处被反射。在第一平面镜处被反射的S偏振光在第二平面镜处向屏幕反射并保持其振动方向不变。
第一平面镜位于第二平面镜和屏幕之间,但是由于第一平面镜是用反射偏振器做的,以及这样来设置第一平面镜和第二平面镜之间的角度关系,使得由图象显示单元射至第一平面镜的光的入射角是这样一个角度,使得第一平面镜能充分地显示其作为偏振器的性能,而在经第二平面镜反射后再射向第一平面镜的光的入射角却又是这样一个角度,使得第一平面镜不能充分地显示其作为偏振器的性能,虽然第一平面镜放置得能遮蔽由第二平面镜射向屏幕的光,但在第二平面镜处被反射的光仍能透过第一平面镜并到达屏幕。
藉助于在屏幕和第一平面镜之间设置一块偏振片来吸收由投影透镜射向第一平面镜的光中的沿平行于入射面方向振动的P偏振光而消除有害的光,这样可以防止图象质量变坏。
因此,用第一平面镜使光路弯折所必需的机壳内的空间可以比通常的采用表面涂覆镜子或背面涂覆镜子作第一和第二平面镜的背面投影型图象显示设备的空间更小,因而能缩小整个设备的尺寸。
如图4所示,第二种解决方式的背面投影型图象显示设备包括:图象显示单元,用于产生相应于输入视频信号的图象;投影透镜,用于放大和投射所述图象以产生放大图象;第一平面镜,用于接收和反射所述经放大的图象以产生经反射的放大图象;第二平面镜,用于接收和反射所述经反射的放大图象以产生经再次反射的放大图象;以及屏幕,用于显示所述经再次反射的放大图象,其中,光路由第一光轴、第二光轴和第三光轴构成,其中第一光轴是投影透镜的光轴,并且所有的第一光轴、第二光轴和第三光轴都在入射面内,第一光轴和第二光轴关于第一平面镜的法线相互镜象对称,而第二光轴和第三光轴关于第二平面镜的法线相互镜象对称;在投影透镜一侧的第一平面镜是用反射偏振器做的,并提供这样的特性,在入射至第一平面镜的光中,振动方向与入射面平行的P偏振光能透过,而沿垂直于入射面方向振动的S偏振光被反射;第一平面镜位于第二平面镜和屏幕之间,并把该第一平面镜固定在这样的位置上,使其能遮蔽在屏幕一侧的第二平面镜和要显示图象的屏幕之间的光;以及四分之一波片紧贴在第二平面镜的反射面上,用于把沿第二光轴射向第二平面镜的S偏振光在第二平面镜处反射时转过90°变为沿第三光轴行进的P偏振光,它能透过第一平面镜并能到达屏幕。
此外,有一块偏振片挡在第一平面镜与屏幕之间来吸收射至第一平面镜的入射光中的P偏振光。这样,可以消除有害光而避免图象质量变坏。
在图象显示单元与第一平面镜之间放一个消除振动方向平行于第一平面镜入射面的光的装置也将增加设计的自由度。
这里,与第一种解决方式相似,第一平面镜是用反射偏振器做的,但是不需要对于光由图象显示单元射向第一平面镜的入射角与光被第二平面镜反射后再射向第一平面镜的入射角之间的关系加限制。
按照第二种解决方式,由于类似于第一种解决方式,采用了第一平面镜使光路弯折来减小机壳内的空间,因此可以缩小整台设备的尺寸。
在上述第一种和第二种解决办法中,一种能限制出射光的振动方向在一特定方向的图象显示装置(例如液晶显示板)可用作图象显示单元,而它不会带来亮度减小。
图1示出按照现有技术的一种背面投影型图象显示设备的光学系统。
图2示出按照本发明第一个实施例的一种背面投射型图象显示设备的光学系统。
图3示出在按照本发明第一个实施例的一种背面投影型图象显示设备中使用的一块反射偏振器的特性对入射角的依赖关系。
图4示出按照本发明第二个实施例的一种背面投影型图象显示设备的光学系统。
图5示出按照本发明第三个实施例的一种背面投影型图象显示设备的光学系统。
(第一个实施例)按照本发明第一个实施例的一种背面投影型图象显示设备的光学系统如图2所示。
阴极射线管10在其涂有磷光体的萤光屏上显示出图象。图中没有示出视频处理电路、偏转电路等等。在阴极射线管10的萤光屏的前面设有投影透镜11,它把在阴极射线管萤光屏上的图象投影并放大到规定的大小。透过投影透镜11的光射向第一平面镜13,该平面镜相对于光轴12固定倾斜的。第一平面镜13用反射偏振器做成,而沿光轴14反射的光是S偏振光,其振动方向垂直于入射面。振动方向平行于入射面的P偏振光透过第一平面镜13。沿光轴14反射的光在射向第二平面镜(该平面镜相对于光轴14固定倾斜)后沿光轴16反射,并射向屏幕17,透过屏幕17并由投影透镜11对在屏幕17上的放大图象调节焦距。阴极射线管10、投影透镜11、第一平面镜13以及第二平面镜15都固定在机壳18内,而屏幕17在机壳18的开口处。
在按照本发明第一个实施例的一种背面投影型图象显示设备的光学系统中用作第一平面镜13的反射偏振器依赖于入射角的特性示于图3。光轴12直接射向第一平面镜13的入射角定义为θ1,而光轴12射向第一平面镜的入射角在光线经第二平面镜15反射后定义为θ2。入射角θ1比起入射角θ2来要选得足够大,并在示于图3的第一平面镜(反射偏振器)依赖于入射角的特性方面具有最大的消光比,亦即这样来选择θ1,使得P偏振光(它具有与入射面平行的振动方向)的透射系数除以S偏振光(它具有与入射面垂直的振动方向)的透射系数的商为最大值或与之接近的值。这样来选择θ2,使得对于S偏振光(它的振动方向垂直于入射面)来说,在示于图3的与第一平面镜13的入射角的依赖关系特性中具有高的透射系数。因此,在图2中,在第二平面镜15处反射的光射向第一平面镜13并透过第一平面镜而到达屏幕17。
来自投影透镜11,透过第一平面镜(反射偏振器)13并且平行于入射面振动的光射向位于第一平面镜13背面一侧的屏幕17。由于直接由投影透镜11射向屏幕17的入射角不同于从第二平面镜15反射而到屏幕17的光的入射角,而且前者足够大,因此透过屏幕17的光不射向观察者。因此,没有有害光。此外,由于在屏幕17的背面一侧设置了偏振片19(即设置在屏幕17和第一平面镜13之间)来吸收经第一平面镜13的泄漏的P偏振光并让沿光轴16传播的S偏振光透过,因而可以减少对观察者有害的光而显示出良好的图象。可以把漫射体(diffuser)涂在屏幕17的表面上或者把它复合在屏幕17内。
按照本发明的这一实施例,由于从投影透镜射出的光在平面镜之间反射并沿着一条曲折的路线行进,因此可以缩小背面投影型图象显示设备的尺寸,而图象质量不变坏。
第一平面镜13的上部可以去掉,换句话说,可以用一块较小的反射偏振器来作为第一平面镜13,该反射偏振器的大小刚好能把来自投影透镜的入射光反射到第二平面镜。虽然对于屏幕17的下部,在第二平面镜处反射并到达屏幕17的光还要再次透过第一平面镜,而对于屏幕17的上部,光直接透过,使得在图象亮度方面稍为有些不均匀,但是由于反射偏振器价格很贵,用小一些的反射偏振器来降低成本还是有效的。
(第二个实施例)按照本发明第二个实施例的一种背面投影型图象显示设备的光学系统如图4所示。
在第二个实施例中,用液晶显示板代替阴极射线管作为图象显示单元。由光源21发出的光经过设置在光源一侧的第一偏振片22后,把光的振动方向限制在一个方向。透过液晶板20的各个单元的光的振动方向随视频信号而变化,而在透过设置在投影透镜一侧的第二偏振片23后就得到了图象。视频处理电路、驱动电路等等未在图4中示出。设置在液晶板20前面的投影透镜11把图象放大到规定尺寸并投影在屏幕17上。由投影透镜11射出的光被对于光轴24倾斜的第三平面镜25反射,从光轴24到光轴26,然后再射向对于光轴26倾斜的第一平面镜27。第一平面镜27是用反射偏振器做的。沿垂直于入射面方向振动的S偏振光沿光轴28被第一平面镜27反射。与此同时,沿平行于入射面方向振动的P偏振光透过第一平面镜27。
沿光轴28被反射的S偏振光射向对于光轴28倾斜的第二平面镜29,并在该平面镜处沿光轴30被反射,透过屏幕17并在屏幕17的表面上聚焦。这样,可以向观察者提供一幅投影图象。所有部件都装在外壳18内,在外壳18的开口处有一屏幕17,而外壳防止了外部光进入。在屏幕17的后面设置一块第三偏振片31以吸收经第二偏振片23的泄漏的P偏振光,并使沿光轴30传播的S偏振光得以透过,这与本发明第一个实施例相仿。
光轴26对于第一平面镜27的入射角定义为θ1而光轴30相对于第一平面镜27的入射角定义为θ2,而用类似于第一个实施例中的方法来选取θ1与θ2之间的关系。
与第一个实施例的不同之处在于图象显示单元。在第二个实施例中,图象显示单元是液晶型的,而从图象显示单元发出的光的振动方向与第一平面镜27(反射偏振器)垂直。这就是说,透出第二偏振片23的光是S偏振光。即使它不是S偏振光,也能采用改变振动方向的装置来替代,例如可用放在第二偏振片23和投影透镜11之间或者在投影透镜11和第一平面镜27之间的半波片。在第二个实施例中,亮度不减小,而且它可以大大减少沿光轴26传播,透过第一平面镜27并成为屏幕17处有害光的光线。这样就能得到高质量的图象。
在第二个实施例中,虽然用了透射型液晶显示板,当然,用反射型液晶显示板也能得到类似的效果。
(第三个实施例)按照本发明第三个实施例的一种背面投影型图象显示设备的光学系统如图5所示。
按照视频信号,阴极射线管10在它的涂有磷光体的屏幕上显示出图象。设置在阴极射管10前面的投影透镜11把图象投影和放大到规定的尺寸。由投影透镜11射出的光在透过设置在光轴32上的偏振方向限制装置33之后,就射向对于光轴32倾斜的第一平面镜34。第一平面镜34是用反射偏振器做的。设置了偏振方向限制装置33,从而只让S偏振光沿光轴32射向第一平面镜34。S偏振光在第一平面镜34处沿光轴35被反射。第二平面镜38对于光轴35固定倾斜,而一块四分之一波片36紧贴在第二平面镜38的反射表面37上。沿光轴35被反射的S偏振光透过四分之一波片36,在第二平面镜38的表面37处被反射,再透过四分之一波片36,使振动方向转过90°,而S偏振光变为P偏振光,它沿光轴39传播,透过第一平面镜34并到达屏幕17。用投影透镜11把屏幕17上的图象聚焦,并向观察者提供一幅图象。
外壳18在它的开口处设有屏幕17,它可避免外部光进入,并在其内安装诸如平面镜34和38、偏振方向限制装置33、投影透镜11、阴极射线管10、视频处理器等等。
由于沿光轴32的光是S偏振光,它在第一平面镜34处被反射,但由于沿光轴39的光是P偏振光,它可以透过用反射偏振器做成的第一平面镜34。
因此,按照本发明第三个实施例,象第一个和第二个实施例那样,可以缩小整个设备的尺寸,除此之外,当光再射向第一平面镜32时,在对相对于第一平面镜32的入射角方面没有限制,因此与第一个和第二个实施例相比,设计的自由度增加了。
如前面所解释的那样,沿与入射面垂直方向振动的入射光的大部分在第一平面镜34处被反射,然而由于入射光不是平行光,取决于阴极射线管10与投影透镜11之间的关系,将有一小部分入射光透过第一平面镜34。透过第一平面镜34的P偏振光射向位于第一平面镜34背面一侧的屏幕17,然而与第一个实施例相似,该入射角与沿着光轴39为观察者所观察的光的入射角相比要大得多,光不射向观察者,因而是无害的。这样,图象没有变坏。
再者,与本发明的第一个和第二个实施例相似,在屏幕17与第一平面镜34之间提供一块偏振片来吸收透过偏振方向限制装置33泄漏的P偏振光,而使沿光轴39传播的P偏振光透过,它有去除对观察者有害的光的作用。在图5中未示出这块偏振片。也与本发明第一个和第二个实施例相似,可以把漫射体涂覆在屏幕17的表面上或者组合在屏幕17之中。
在第三个实施例中,偏振方向限制装置33可以用这样一种材料来实现,它只让具有某一振动方向的光透过而吸收具有其他振动方向的光(诸如偏振片)也可以用这样一种材料来实现,它只反射具有某一振动方向的光而让具有其他振动方向的光透过(诸如反射偏振器)。
很显然,阴极射线管10和偏振方向限制装置33的组合可以用液晶板20、光源21、第一偏振片22和第二偏振片23的组合来替代。
按照本发明第一个实施例的一种背面投影型图象显示设备包括:按照视频信号而显示图象的图象显示单元;把显示在图象显示单元上的图象加以放大和投影的投影透镜;在其上显示被投影图象的屏幕以及在投影透镜和屏幕之间的光路上的两块平面镜。这两块平面镜中的第一平面镜位于投影透镜一侧,在屏幕和另一块第二平面镜之间,第一平面镜是用反射偏振器做的,它具有透过P偏振光而反射S偏振光的特性。
此外,它有这样的特点,由于装有第一平面镜,因而由图象显示单元射至第一平面镜的光的入射角比起在第二平面镜处反射后再射向第一平面镜的光的入射角要大得多。
按照本发明第三个实施例的一种背面投影型图象显示设备包括:按照视频信号而显示图象的图象显示单元;把显示在图象显示单元上的图象加以放大和投影的投影透镜;在其上显示被投影图象的屏幕以及在投影透镜和屏幕之间的光路上的两块平面镜。这两块平面镜中的第一平面镜位于投影透镜一侧,在屏幕和另一块第二平面镜之间。第一平面镜是用反射偏振器做的,它具有透过P偏振光而反射S偏振光的特性。设备还有这样的特点,即把一块四分之一波片贴在另一块第二平面镜的反射表面上,使入射光的偏振方向转过90°而作为反射光射出。
按照上述结构,在第一和第二平面镜处射入和反射的一部分光路能与其他光路相重叠而可以缩小外壳的空间,因此可以缩小整个设备的尺寸。
在第一个实施例中,把一块偏振片贴在屏幕的背面一侧来吸收透过第一平面镜的光。在第三个实施例中,在图象显示单元和第一平面镜之间设置了在第一平面镜处消除P偏振光的装置。采用这种装置,可以扩展应用范围。此外,在屏幕的背面一侧设置一块偏振片,用以吸收在第一平面镜处被反射的偏振光,可以改进图象质量。
此外,当采用上述装置时,由于在图象显示单元中采用了把射出光的振动方向限制在规定方向的图象显示器件(如液晶板),因而可以缩小整个设备的尺寸而亮度很少减小。
本发明可以用其他特别的形式来实施而不偏离它的精神和基本特征。因此在所有方面应把本实施例考虑为描述性的而不是限制性的,本发明的范围不是用上面的描述来指明,而是由所附的权利要求来指明,并且要包括在权利要求等价性意义和范围内的所有变更。

Claims (6)

1.一种用于背面投影型图象显示设备的光学系统,其特征在于,包括:图象显示单元(10),用以产生相应于输入视频信号的图象;投影透镜(11),用以放大和投射所述图象以产生放大图象;第一平面镜(13),用于接收和反射所述经放大的图象以产生经反射的放大图象;第二平面镜(15),用于接收和反射所述经反射的放大图象以产生经再次反射的放大图象;以及屏幕(17),用于显示所述经再次反射的放大图象,其特征在于,所述第一平面镜(13)位于所述第二平面镜(15)和所述屏幕(17)之间;光路由第一光轴(12)、第二光轴(14)和第三光轴(16)构成,其中所述第一光轴(12)是所述投影透镜(11)的光轴,并且所有的所述第一光轴(12)、所述第二光轴(14)和所述第三光轴(16)都在入射面内,所述第一光轴(12)和所述第二光轴(14)关于所述第一平面镜(13)的法线相互镜象对称,而所述第二光轴(14)和所述第三光轴(16)关于所述第二平面镜(15)的法线相互镜象对称;由所述第一光轴(12)和所述第一平面镜(13)的法线确定的第一入射角大于由所述第三光轴(16)和所述第一平面镜(13)的法线确定的第二入射角;所述第一平面镜(13)由反射偏振器构成,因此在向所述第一平面镜(13)行进的光中,沿平行于所述入射面方向振动的P偏振光透过所述第一平面镜(13),而沿垂直于所述入射面方向振动的S偏振光在所述第一平面镜(13)处反射。
2.如权利要求1所述的背面投影型图象显示设备的光学系统,其特征在于,所述光学系统还包括:偏振片(19),设置在所述屏幕(17)背侧,用于吸收通过所述第一平面镜(13)泄漏的所述P偏振光。
3.如权利要求1所述的背面投影型图象显示设备的光学系统,其特征在于,所述图象显示单元包括图象显示器件,所述器件能把形成所述图象的射出光的振动方向限制在规定的方向。
4.一种用于背面投影型图象显示设备的光学系统,其特征在于,包括:图象显示单元(10),用以产生相应于输入视频信号的图象;投影透镜(11),用以放大和投射所述图象以产生放大图象;第一平面镜(34),用于接收和反射所述经放大的图象以产生经反射的放大图象;第二平面镜(38),用于接收和反射所述经反射的放大图象以产生经再次反射的放大图象;以及屏幕(17),用于显示所述经再次反射的放大图象,其特征在于,所述第一平面镜(34)位于所述第二平面镜(38)和所述屏幕(17)之间;光路由第一光轴(32)、第二光轴(35)和第三光轴(39)构成,其中所述第一光轴(32)是所述投影透镜(11)的光轴,并且所有的所述第一光轴(32)、所述第二光轴(35)和所述第三光轴(39)都在入射面内,所述第一光轴(32)和所述第二光轴(35)关于所述第一平面镜(34)的法线相互镜象对称,而所述第二光轴(35)和所述第三光轴(39)关于所述第二平面镜(38)的法线相互镜象对称;所述第一平面镜(34)由反射偏振器构成,因此在向所述第一平面镜(34)行进的光中,沿平行于所述入射面方向振动的P偏振光透过所述第一平面镜(34),而沿垂直于所述入射面方向振动的S偏振光在所述第一平面镜(34)处反射;以及四分之一波片(36)紧贴在所述第二平面镜(38)的反射面(37)上,用于把沿所述第二光轴(35)行进的S偏振光变为沿所述第三光轴(39)行进的P偏振光。
5.如权利要求4所述的背面投影型图象显示设备的光学系统,其特征在于,所述光学系统还包括:装置(34),它位于所述图象显示单元(10)与所述第一平面镜(34)之间,用于消除沿所述第一光轴(32)行进的P偏振光。
6.如权利要求4所述的背面投影型图象显示设备的光学系统,其特征在于,所述图象显示单元包括图象显示器件,所述器件能把形成所述图象的射出光的振动方向限制在规定的方向。
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