CN1087079C - 反射型投影仪 - Google Patents

Abstract

一种反射型投影仪，其包括：一个二向色光束分光器，用以透射或反射一种由光源发出并由偏振光束分光器分离而成三种色光的偏振光；第一、第二和第三图像单元，分别位于二向色光束分光器的相应的光输出面的位置上，用以形成图像并反射之；第四图像单元用以形成来自光源发出的并由偏振光束分光器分离的另一偏振光的图像并反射之；一色滤光片，其位于偏振光束分光器和第四图像单元之间，并可以转动，用以确定光色。由于利用了所有由光源发出的光线并根据偏振方向予以分光，所以投影在屏幕上的光的强度得以增强。

Description

反射型投影仪

本发明涉及一种应用反射型图像形成装置的反射型投影仪，更具体地说，涉及的反射型投影仪利用从光源发出的所有光线，根据偏振方向分解发射光以使投影在屏幕上的光的强度得以提高。

通常所说的投影仪是这样一种展示由图像形成装置形成图像的装置，它使用附加光源把形成的图像投影在屏幕上。投影仪根据形成图像的方式通常可以分为投影型投影仪与反射型投影仪。

图1显示的是常规反射型投影仪的光学系统。如图所示，反射型投影仪包括发出光线的光源10，选择透射输入光中诸如红、绿或蓝色光中某一预定光色的色滤光盘20，把具有不同强度输入光的光线混合以成为均匀光束的搅频器30，聚焦透镜32，准直透镜34，改变输入光前进路径的偏振光束分光器40，通过选择反射输入光而形成图像的显示装置50，以及在屏幕上(图中未示)投影输入光的投影透镜单元60。

光源10包括发光灯泡11，诸如金属卤素灯泡或氙弧灯泡，以及反射由灯泡11发出的光的反射镜13。在光源10与搅频器30之间沿光的光学路径设置色滤光盘20，它可以由驱动电机21驱动旋转。色滤光盘20由红(R)，绿(G)，和蓝(B)三块相等面积组成。根据显示装置50的响应速度，色滤光盘20中任何一块R、G和B的面积都可旋转而位于其光线的光学路径上。于是，当R，G和B三色光依次重叠时就形成图像。

搅频器30通过漫反射输入光而把输入光的光线混合，从而使输入光改变成为均匀光。聚焦透镜32把通过搅频器30的光聚焦及发散以放大透射过来的光的宽度。准直透镜34把发散光变成平行光束。

沿着光的光学路径，在准直透镜34和显示装置50之间设置偏振光束分光器40，根据镜面41的偏振分量，有选择地透射或反射在镜面41上的输入光，以改变输入光的行经路径。也就是说从光源10一侧送来的光根据光的偏振分量是P-偏振光束还是S-偏振光束有选择地透射或反射。

图1显示的是由偏振光束分光器40透射出来的光用作有效光的一个实例。显示超级响应速度二维数组结构的铁电液晶显示器(FLCD)用作显示装置50。显示装置50具有一组二维数组结构的反射小区，每个反射小区独立驱动，形成由调制输入光的偏振方向而成的图像。

输入到显示装置50上的光再一次被反射又复进入偏振光束分光器40。这时复入偏振光束分光器40的光束有了它自己被显示装置50改变了90°的偏振方向。于是光束再由偏振光束分光器40的镜面41全反射地进入投影透镜单元60。光束透过投影透镜单元60投影在屏幕上(图中未示出)。

另外，数字镜面装置(DMD)也可以用作显示装置50。DMD也是二维数组结构且由一组反射镜组成，每个反射镜都是铰连接且可以单独转动。每个反射镜根据图像的相应像素有选择地驱动以改变光的反射角。在这种情况下使用DMD作为显示装置50时，就不再需要偏振光束分光器40了。

根据常规反射型投影仪，图像的色彩借助于设置在光的光学路径上的色滤光盘20来体现，也就是说，图像是由在屏幕上依次投影的三种光色(R，G与B)来显示。由于光的总量理论上减少到由光源原发出的光量的三分之一，所以光的强度降低了，光效率也减小了。

为了解决上述问题，本发明的一个目的就是提供一种反射型投影仪，其中由光源发出的光分离成具有两条光学路径，在一条光学路径上设置色滤光盘，而在另一条光学路径上则有附加图像装置，这样就改进了光效率。

为了达到以上目的，提供的反射型投影仪包括：光源；接受来自所述光源的光并根据输入光的偏振分量透射或反射输入光的偏振光束分光器；接受来自所述偏振光束分光器的光并将输入光放大并使之在屏幕上聚焦投影的投影透镜单元；具有第一和第二二向色反射面的二向色光束分光器，接受由所述光源发出并由所述偏振光束分光器分离的一种偏振光的光线，用以透射或反射由光源发出的，经偏振光束分光器分光的所述一种偏振光的光线，二向色光束分光器把光分成三种颜色，第一第二和第三图像单元，分别位于二向色光束分离器的相应光输出面的位置上，形成从光源来的图像并反射该形成的图像，第四图像单元，接受从所述光源发出并由所述偏振光束分光器分离的另一偏振光的光线，用以形成由光源发出的，由偏振光束分光器分光的所述另一偏振光的光线的图像，并反射该形成的图像；以及位于偏振光束分光器与第四图像单元之间的色滤光片，它可以旋转用以确定通向第四图像单元的光线的颜色。

本发明的上述目的与优点通过它的优选的实施例的详尽介绍以及参阅附图会更加清楚，附图中：

图1是常规反射型投影仪光学系统的示意图；

图2是根据本发明的一个优选实施例的反射型投影仪的光学系统的示意图；

图3是说明图2系统中蝇眼透镜的示意图；

图4是说明本发明中用作光混合装置的搅频器的透视图；

图5是根据本发明的另一个优选实施例的反射型投影仪的光学系统的示意图。

参阅图2，根据本发明的一个优选实施例的反射型投影仪包括：产生和发出光的光源110；根据输入光的偏振分量把输入光分离的偏振光束分光器130；具有第一和第二二向色反射面141和143的二向色光束分光器140；第一，第二，第三和第四图像单元151，155，161和165；位于沿偏振光束分光器130与第四图像单元165之间的光学路径，用以确定通向第四图像单元165的光的颜色的色滤光盘170，以及通过放大把输入光投影在屏幕上(图中未示出)的投影透镜单元180。

光源110包括发光灯泡111以及反射发光灯泡111发出光的反射镜113。反射镜113可以是椭圆镜，一个焦点在灯泡111位置上，另一个焦点在反射光聚焦位置上，也可以是聚焦在灯泡111位置上的抛物面镜，它使灯泡发出的光经镜面反射成平行光束。

沿着在光源110与偏振光束分光器130之间的光学路径上相宜地设置光混合单元120以使得光源110发出的光经发射/收敛或漫反射而成为均匀光。参阅图2，光混合单元120包括彼此相邻的第一和第二蝇眼透镜121和122，以及将来自第二蝇眼透镜122的光进行聚焦的聚焦透镜123。在这种情况下就最好采用抛物面镜作为反射镜113。每一个第一和第二蝇眼透镜121与122，在其输入和输出面上都形成众多的矩形凸镜用以分别聚焦输入光。各个凸镜部分的宽长比121a(122a)与铁电液晶显示器(FLCD)或下面还要介绍的数字镜面装置的宽长比成比例。通过第一和第二蝇眼透镜121和122的各自凸镜部分121a的光线，在通过聚焦透镜123以后，以发散状态输入到偏振光束分光器130中去。因而由光源110发出的不规则强度的光线被第一和第二蝇眼透镜121和122混合后成为具有规则强度的均匀光。

另外，由图5所示，搅频器125也可以把输入光通过将其漫反射而成为均匀光，同时聚焦透镜126也可以用作光混合单元120。参阅图4和图5，搅频器125是一根具有都与光的光学路径垂直的输入面和输出面的玻璃棒。搅频器125输出面125a的宽长比也是与FLCD或下面还要介绍的数字镜面装置的宽长比成比例。当搅频器125用于光混合单元120中时，最好反射镜113采用椭圆面镜。用以对输入光聚焦的聚焦透镜126设置在搅频器125与偏振光束分光器130之间的光学路径上。

偏振光束分光器130根据输入光的偏振方向，通过透射或反射输入光，改变光源110发出的光的行经路径。也就是说，根据它们的偏振分量是P-偏振分量还是S-偏振分量有选择地透射或反射光源发出的光。图2显示一个例子，其中由偏振光束分光器130反射的一个偏振分量的光束射向二向色光束分光器140，而透过偏振光束分光器130的另一个偏振分量的光束则射向色滤光盘170。这里也可以是通过偏振光束分光器130的光束射向二向色光分光器140，而由偏振光束分光器140反射的光束射向色滤光盘170。

具有第一和第二二向色反射面141与143的二向色光束分光器140把由偏振光束分光器130反射来的，例如S-偏振分量的一个偏振分量的光束分离，并根据它们各自的波长依靠透射或反射射向每一个第一、第二和第三图像单元151，155和161。

例如，第一二向色反射面141反射相应于红色(R)光束并透射相应于蓝色(B)和绿色(G)的光束，这样红色光的光束就可以输入到第一图像单元151中去。第二二向色反射面143反射相应于蓝色(B)光束并透射相应于红色(R)和绿色(G)的光束，这样蓝色光的光束就可以输入到第三图像单元161中去。透射过第一和第二二向色反射面141和143的绿色(G)光束就同时被输入到第二图像单元155中。

第一、第二和第三图像单元151，155和161分别包括FLCD 152，156和162。每个FLCD 152，156和162都包括众多的二维数组结构的像素，每一个都可以单独被驱动，形成图像并将之反射。从已驱动的FLCD像素上反射的光和没有被驱动的像素上反射的光彼此之间都有不同的偏振分量。例如，当从偏振光束分光器130上反射出来的S-偏振分量光输入到FLCD152，156和162中时从驱动像素反射过来的光就有P-偏振分量，其中偏振方向已改变了90°。而反过来从没有被驱动的像素上反射过来的光就有S-偏振分量，它们在偏振方向没有变化。这样，从驱动像素反射过来的光仅仅透过二向色光束分光器140和偏振光束分光器130并把光射向投影透镜单元180。

色滤光盘170和第四图像产生单元165利用通过偏振光束分光器130的光，例如P-偏振分量的光体现了光色。

色滤光盘170位于偏振光束分光器130和第四图像单元165之间，它包括色滤光片173和转动色滤光片173的驱动源171。色滤光片173由三种颜色组成，诸如红(R)，绿(G)和蓝(B)，或黄(Y)，宝石蓝(C)和绛红(M)。色滤光片的每一种颜色有选择地设置在光的光学路径上，使得从光源110输入的光根据其波长能予以有选择地透射。色滤光片173分布在整个色滤光盘上并覆盖同样的面积。最好第四图像单元165也是FLCD 166。

这里，第一、第二和第三图像单元151，155和161各自独立地相应于同时在屏幕上(图中未示出)聚焦的每一种颜色形成图像。第四图像单元165代表了依次在屏幕上聚焦的三种颜色。这样第四图像单元165的响应速度大于第一、第二和第三图像单元151，155和161各自的响应速度。

下面介绍根据本发明实施例的反射型投影仪的操作。

参阅图2，由光源110发射的光经过光混合单元120诸如第一和第二蝇眼透镜121和122以及聚焦透镜123以后成为均匀光，并射向偏振光束分光器130。输入到偏振光束分光器130的光根据偏振分量或透射或反射。由偏振光束分光器130反射的光通过二向色光束分光器140输入到第一、第二和第三图像单元151，155和161，它们相应各自光色分别产生图像。产生的图像再一次被反射并通过二向色光束分光器140输入到偏振光束分光器130中。由于在第一、第二和第三图像单元151，155和161中光的偏振状态发生变化，从第一、第二和第三图像单元151，155和161各自输入的光通过偏振光束分光器130并由投影透镜单元180聚焦在屏幕上。

当由光源110输入的光，在通过偏振光束分光器130后透过色滤光盘170，光色依次被选定并由第四图像单元165形成图像。第四图像单元165改变输入光的偏振方向，并把输入光反射射向偏振光束分光器130。输入到偏振光束分光器130的光被反射并在透过投影透镜单元180后聚焦在屏幕上。

这里，由第一、第二和第三图像单元151，155和161形成的图像，是由在一个图帧上同时重叠三种光色而形成的。由第四图像单元165形成的图像则是依次重叠各自的光色而形成的。

图5将介绍本发明的另一优选实施例。与图2相同的元件将用同一标号标识，同时对其详尽的介绍也予以简略。

根据本发明另一实施例的特点，由输入光形成图像的第一至第四图像单元151，155，161和165各自使用了相位延迟片153，157，163和167以及数字镜面装置(以下简称DMDs)154，158，164和168。各个相位延迟片153，157，163和167位于光学路径上以延迟输入光的相位。相位延迟片153，157，163和167最好采用1/4波长片，它可以改变输入光的偏振方向。这样当由偏振光束分光器130反射过来的S-偏振光经过1/4波长片和DMDs 154，158，164和168又再度进入，把光的偏振分量改变为P-偏振光，并使之通过偏振光束分光器130并射向投影透镜单元180。同样，当通过偏振光束分光器130的P-偏振光经过1/4波长片和DMDs 154，158，164和168又再度进入时，光的偏振也改变为S-偏振，由偏振光束分光器130反射过来的光也射向投影透镜单元180。

由于它的运行与第一实施例的运行非常相同，所以根据本发明的另一实施例的反射型投影仪的运行介绍就予以简略。

如上所述，在根据本发明的反射型投影仪中，它包含了一种在一个图帧的图像上依次重叠各自的光色的结构和一种同时重叠各自光色的结构，根据光的偏振分量将输入光分离使之具有不同光学路径的两种光，通过利用这两种光，就可以提高了由光源发出的光的使用效率。因而屏幕的亮度也能大大地改进。

应该指出，本发明不仅限于上面介绍的优选实施例，本领域的技术人员清楚地了解，在不超出和不违背由权利要求所限定的本发明的范围和精神实质的情况下，是可以进行修改和补充或替代的。

Claims (7)

1.一种反射型投影仪，其具有光源，接受来自所述光源的光并根据输入光的偏振分量透射或反射输入光的偏振光束分光器，以及接受来自所述偏振光束分光器的光并将输入光放大并使之在屏幕上聚焦投影的投影透镜单元，其特征在于该反射型投影仪还包括：

二向色光束分光器，它具有第一和第二二向色反射面，接受由所述光源发出并由所述偏振光束分光器分离的一种偏振光的光线，用于透射或反射所述一种偏振光的光线，而形成三种色光；

第一、第二、和第三图像单元，分别位于所述二向色光束分光器的相应的光输出面的位置上，用于形成来自输入光的图像并反射形成的图像；

第四图像单元，接受从所述光源发出并由所述偏振光束分光器分离的另一偏振光的光线，用于形成来自所述另一偏振光的光线的图像，并反射该形成的图像；以及

色滤光片，位于所述偏振光束分光器和所述第四图像单元之间，并可以旋转，用于确定射向所述第四图像单元的光线的光色。

2.根据权利要求1所述的反射型投影仪，其中所述的第一、第二、第三和第四图像单元每一个都包括具有二维数组结构的像素的铁电液晶显示器，用于使输入光具有根据每一个像素独立选定的偏振方向并将其反射。

3.根据权利要求1所述的反射型投影仪，其中所述的第一、第二、第三和第四图像单元每一个都包括一个位于光的光学路径上用以延迟输入光相位的相位延迟片以及一个具有众多二维数据结构的反射小镜的数字镜面装置，每个反射小镜都能独立驱动，输入光从所述反射小镜反射后形成一个图像。

4.根据权利要求3所述的反射型投影仪，其中所述相位延迟片是1/4波长片，它使输入光的相位延迟90°。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的反射型投影仪，还进一步包括位于所述光源和所述偏振光束分光器之间并沿光的光学路径设置的光混合单元，用于通过对输入光的发散/收敛或漫反射而将从所述光源发出的光变成均匀光。

6.根据权利要求5所述的反射型投影仪，其中所述的光混合单元包括位置彼此相邻的第一和第二蝇眼透镜，并各自在其输入和/或输出面上具有众多的小凸镜，每一所述小凸镜将输入光聚焦，以及包括将通过所述第二蝇眼透镜的光使之聚焦成为平行光束的聚焦透镜。

7.根据权利要求5所述的反射型投影仪，其中所述光混合单元是具有玻璃块的搅频器，所述玻璃块的输入面和输出面都与所述光源和所述偏振光束分光器之间的光学路径相垂直。

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