CN1098601C - 光路扩展器及扩展方法和大面积激光投影显示系统 - Google Patents

Abstract

用于具有较小的小型光学系统的大面积激光投影显示系统的光路扩展器包括入射平面；第一全反射平面；第二全反射平面；n个第三全反射平面(n＝0，1，2，……)；出射平面。这种光路扩展器设置在大面积激光投影显示系统中的聚焦透镜装置和调制器之间和/或调制器和准直透镜装置之间。

Description

光路扩展器及扩展方法和大面积激光投影显示系统

                        技术领域

本发明为用于把图像信息投影到屏幕上的激光投影显示系统，涉及一种小型(compacted)的光路扩展器，一种扩展光路的方法和一种具有较小的小型光学系统的大面积激光投影显示系统。特别是，根据本发明，光路扩展器插入聚焦透镜与声-光调制器之间，或声-光调制器与准直透镜之间，或聚焦透镜与声-光调制器之间以及声-光调制器与准直透镜装置之间。

                        背景技术

传统的激光投影显示系统，如图1所示，包括作为光源10的激光光束和光学系统20，该光学系统包括改变激光光路的强反射镜21，能将含有修正光路的激光束变为平行光束的准直透镜装置22，和为减小修正为平行光束的激光束的光度的缩小透镜装置23，24。该系统还包括光学分离子系统25，它包括将减弱的激光束分离为单色的红，绿和蓝光束(R、G、B)的分色镜67a，68a和强反射镜69a，以及将分离为R、G、B的单色光束的激光束分别聚焦在各声-光调制器61、62、63上的聚焦透镜64a、65a、66a。声-光调制器61，62，63依据图像信号调制聚焦的激光束。准直透镜64b，65b，66b使调制后的激光束恢复为平行光的形式。该系统还包括延迟透镜系统31和32。包括分色镜67b，68b和强反射镜69b的光学集成子系统65集成已恢复为平行光形式的激光束。多角镜80水平地扫描来自光学集成子系统集成的激光。检流计70设置用于垂直地扫描，fθ透镜装置34被置放在多角镜80和投影到屏幕90上的图像之间。

根据一实施例，在缩小透镜装置23，24中前缩小透镜23有长焦距，而后缩小透镜24有短焦距。

分色镜装置67a，68a和强反射镜69a在将白色光分离为R、G、B光和改变各单色光束的光路中起作用。

分色镜装置67b，68b和强反射镜69b在把分离为R、G、B分量的光束再集成为白色光和改变白色光光路中起作用。

总地来说，映射图像的传统装置是平面型元件，例如阴极射线管(CRTs)或液晶设备(LCDs)。然而，越多诸如CRTs或LCDs的装置制成大面积显示型装置，则制造的困难就越多而分辨率越低。因此，将CRTs或LCDs用作大面积显示型装置受到限制。

制造大面积显示器的传统方法是用透镜放大图像并把它投影到屏幕上。然而，这种方法缺点在于：由于显示装置的温度特性限制了光源输出，被投影到屏幕上的显示质量不清晰，而且亮度低。

作为一个备选的方案，开发了使用激光的显示投影系统。在激光显示投影系统中，如上所述，水平扫描角度决定了图1中示出的激光投影显示系统中的屏幕尺寸，同时根据下列公式1，镜面数或多角镜的边数决定了水平扫描的角度(θ)。[公式1]

θ＝720°/多角镜的镜面数

例，在24面多角镜的情况下，根据公式1，水平扫描角度定为30°。

另一方面只要检流计上下运动，就可任意调节垂直扫描角度。

因此，要实现具有构成屏幕比率为4/3的显示器，只要调节垂直扫描角度就能获得这个比率。

为了通过NTSC(国家电视系统委员会)显示信号实现运动的画面，通过525条扫描线必须达到每秒30屏。这意味着每秒钟处理15,750条扫描线，而频率值是15.75KHz。在制备24面多角镜而以所需的速度处理扫描线的情况下，要求每一转24条扫描线，所以需要39,375RPM(每分钟转数)的转动速度来执行每秒钟656.25转以每秒钟处理15,750条扫描线。

然而，如上所述的传统投影显示系统存在的问题是它必须用具有很长的焦距的聚焦透镜64a，65a，66a聚焦，以维持声-光调制器61，62，63处理的光信号的足够速度。在这样的情况下，声-光调制器调制的激光束又必须与准直透镜装置64b，65b，66b保持大约等于焦距的间隔。

                       发明内容

为解决传统的问题，本发明旨在提供一种激光投影显示系统，其在聚焦透镜和声-光调制器之间或声-光调制器和准直透镜之间，或聚焦透镜和声-光调制器之间及声-光调制器和准直透镜之间插入光路扩展器。

本发明的一个目的是提供一种用于实现本发明的小型的激光投影显示系统的光路扩展器。

本发明的另一个目的是提供一种用于在光学系统中扩展光路的方法，从而减小包括该光学系统在内的显示系统中的光路。

本发明的再一个目的是提供具有较小的小型光学系统的大面积激光投影显示系统。

为达到上述目的，本发明的光路扩展器的优选实施例包括：

形成抗反射平面的入射平面，以使具有特定波长的光无反射地进入具有任意折射率的介质中；

第一全反射平面，其在全反射角的位置切取出来以构成光路扩展器，全反射角由介质的折射率决定，用于全反射从入射平面射入介质中的光；

第二全反射平面，其在全反射角的位置切取出来以构成光路扩展器，用于在介质中全反射从第一全反射平面以全反射角反射的光；

n个第三全反射平面(n＝0，1，2......)，其在全反射角的位置切取出来构成光路扩展器，用于通过全反射从第二全反射平面反射进入介质的光而形成特定光路；和

形成抗反射平面的出射平面，使从第三全反射平面反射的光离开介质。

入射平面和出射平面最好分别垂直于入射光和出射光。

本发明用于扩展光路的方法的一个实施例包括以下步骤：

使具有特定波长的光无反射地进入介质中；

以由介质的折射率决定的全反射角在介质中第一次反射进入的光；

在介质中以全反射角第二次反射第一次反射的光；

以全反射角朝向与光进入介质的方向相反的方向第三次反射第二次反射的光；

重复例如第二次反射和第三次反射的全反射以形成特别的光路；及

使反射光离开介质。

根据本发明的一个实施例，大面积激光投影显示系统包括激光光源；使来自光源的光变为任意平行光的光学系统；把来自光学系统的平行光分离为具有特定的波长的光的光学分离子系统；声-光调制器，把来自光学分离子系统的光聚焦到声-光调制器上的聚焦透镜装置；使来自声-光调制器的光变为平行光的准直透镜装置；把来自准直透镜装置的光集成为一个光束的光学集成子系统；及水平和垂直地扫描来自光学集成子系统的光束的光学系统。具有根据本发明的较小的小型的光学系统的大面积激光投影显示系统的一个实施例包括光路扩展器，设置在聚焦透镜装置和声-光调制器之间，或声-光调制器与准直透镜装置之间，或聚焦透镜装置与声-光调制器之间以及各声-光调制器与准直透镜装置之间。

根据本发明的一个实施例，激光光源是白光。

根据本发明的一个实施例，声-光调制器，各聚焦透镜装置和各准直透镜装置包括分别对应于红色的，绿色的和蓝色的激光光束的三个装置。

                        附图说明

阅读下列的详细的描述并参考附图之后本发明的其他一些目的和优点将变得更清楚，其中：

图1示出传统的激光投影显示系统的结构；

图2示出本发明的激光投影显示系统的结构；

图3示出一种小型的光路扩展器的详细视图。

                      具体实施方式

由于本发明可进行各种变形和替换，具体的实施例做为例子被展示在图中，同时将被详细地描述。必须明白，无论如何，本发明并不限于公开的特定的形式，相反地，本发明覆盖包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的各种变形、等效物和替换物。

本发明将通过附图详细地说明。

本发明的激光投影显示系统在图2中示出。在放大透镜装置230，240中，前放大透镜230具有短焦距而后放大透镜240具有长焦距。这样，各调制器61，62，63的处理信号的能力保持在最大值。根据一实施例，调制器61，62，63是声-光调制器。然而，各调制器61，62，63可以配置为普通技术人员所知的任何等效的调制器。

分色镜装置67a，68a和强反射镜69a将白光分为红、绿和蓝单色光，同时改变单色光的光路。分色镜装置67b，68b和强反射镜69b将被分为红，绿和蓝组分的光集成为白色光并改变白色光的光路。

本发明的一个实施例提供发射白光的激光光源。然而，可以使用普通的技术人员所知的任何等效的光源。

根据本发明的一个实施例，调制器，聚焦透镜装置和准直透镜装置分别包括与红、绿和蓝频率激光束的相对应的三个装置。

依据本发明，用于扩展光束路径的光路扩展器100的组成及方法将参照图3进行详细说明。

在光学分离子系统25中分离的光束在进入各声-光调制器61，62，63之前在光路扩展器100中折叠数次。因此在传统的系统中已经拥有的小型的光学系统的空间被减小同时它的减小使得激光投影显示系统更小。

依据本发明的光路扩展器100的特征是包括低反射处理的入射平面101，低反射处理的出射平面102和n个全反射平面105，106，107。激光光束经过入射平面101，并进入形成光路扩展器的介质中。进入的激光光束继续笔直地传输然后被全反射平面105，106，107......，n次重复地反射，最后通过出射平面102离开介质。

也就是说，传统的聚焦透镜装置具有直线光路。相反，依据本发明，通过由于激光束在光路扩展器100中通过n个全反射平面的重复反射，使用更短的小型的光学系统来延长光路是可能的。在现有技术中聚焦透镜装置64a，65a，66a和声-光调制器61，62，63之间的间隔要求30cm。可是本发明仅使用大约5cm的间隔就能获得相同的功效。

参照图3，激光束穿过入射平面101并进入光路扩展器的介质。全反射平面105，106和107反射进入的激光束。全反射平面107包括平面107-1和107-2。由反射平面105，106和107反射后的激光束以其通过入射平面进入光路扩展器同样的方向穿过出射平面102，而离开介质，然后激光束进入调制器61，62，63。

总的光路可表示为3次(折叠次数)×5cm(L)×(n(光路扩展器的折射率+n(全反射平面的折射率))×2d(各折叠光束之间的间隔)。如果折叠的次数增加，可以进一步减小光路扩展器100的长度(L)。因此，在制造小尺寸的激光投影显示系统时，折射次数能起到很重要的作用。

本发明的光路扩展器包括：

形成抗反射平面的入射平面101，以使具有特定的波长的光无反射地进入具有任意折射率的介质中；

第一全反射平面105，其在由介质的折射率决定的全反射角的位置切取以构成光路扩展器，用于全反射从入射平面射入介质中的光；

第二全反射平面106，在全反射角的位置切取以构成光路扩展器，用于全反射从第一全反射平面在介质中以全反射角反射的光；

n个第三全反射平面107(n＝0，1，2，......)，在全反射角的位置切取以构成光路扩展器，用于通过全反射从第二全反射平面反射进入介质中的光而形成特定的光路；和

形成抗反射平面的出射平面102，使从第三全反射平面反射的光离开介质。

用如上所述构成的光路扩展器来扩展光路的方法包括如下步骤：

使具有特定波长的光无反射地进入介质中；

第一次以由介质折射率决定的全反射角反射进入介质的光；

第二次以全反射角在介质中反射第一次反射的光；

第三次以全反射角向前反射第二次反射的光，从而使光沿着与光进入介质的方向相反的方向穿行；

重复全反射例如第二次反射和第三次反射，形成特定的光路；及

反射光从介质中离去。

因为如上所述的本发明的光路扩展器插入聚焦透镜装置与调制器之间，或调制器与准直透镜装置之间，或聚焦透镜装置与调制器之间及调制器与准直透镜装置之间，并且设计为激光束在光路扩展器中重复地反射，因此减小激光投影显示系统的尺寸是可能的。

Claims (11)

1.一种光路扩展器包括：

形成抗反射平面的入射平面，以使具有特定波长的光无反射地进入具有任意折射率的介质中；

第一全反射平面，其在全反射角的位置切取出来以构成光路扩展器，全反射角由介质的折射率决定，用于全反射从入射平面射入介质中的光；

第二全反射平面，其在全反射角的位置切取出来以构成光路扩展器，用于在介质中全反射从第一全反射平面以全反射角反射的光；

n个第三全反射平面(n＝0，1，2......)，其在全反射角的位置切取出来构成光路扩展器，用于通过全反射从第二全反射平面反射进入介质的光而形成特定光路；及

形成抗反射平面的出射平面，使从第三全反射平面反射的光离开介质。

2.如权利要求1所述的光路扩展器，其中，所述入射平面和出射平面分别垂直于所述的入射光和出射光。

3.用于缩减光路的方法中，扩展光路的方法包括以下步骤：

使具有特定波长的光无反射地进入介质中；

以由介质的折射率决定的全反射角在介质中第一次反射进入的光；

在介质中以全反射角第二次反射第一次反射的光；

以全反射角朝向与光进入介质的方向相反的方向第三次反射第二次反射的光；

重复例如第二次反射和第三次反射的全反射以形成特定的光路；及

使反射光离开介质。

4.在大面积激光投影显示系统中，包括激光光源；把所述光源发出的光变成一束任意的平行光的光学系统；把从光学系统射出的平行光分离为具有特定的波长的光的一个光学分离子系统；调制器装置；把从所述光学分离子系统射出的光聚焦在调制器装置上的聚焦透镜装置；把从所述各调制器装置射出的光变成平行光的准直透镜装置；把从所述准直透镜装置射出的光集成为一种光的光学集成子系统；和水平和垂直地扫描所述光学集成子系统射出的光的光学系统，具有较小的小型光学系统的大面积激光投影显示系统包括：

光路扩展器设置在所述聚焦透镜装置和所述的调制器装置之间，或在所述调制器装置和准直透镜装置之间，或在所述聚焦透镜装置和调制器装置之间及所述调制器装置和所述准直透镜装置之间。

5.如权利要求4所述的包括一个小的小型光学系统的大面积激光投影显示系统，其中，所述光路扩展器包括：

形成抗反射平面的入射平面，以使具有特定波长的光无反射地进入具有任意折射率的介质中；

第一全反射平面，其在全反射角的位置切取出来以构成光路扩展器，全反射角由介质的折射率决定，用于全反射从入射平面射入介质中的光；

第二全反射平面，其在全反射角的位置切取出来以构成光路扩展器，用于在介质中全反射从第一全反射平面以全反射角反射的光；

n个第三全反射平面(n＝0，1，2......)，其在全反射角的位置切取出来构成光路扩展器，用于通过全反射从第二全反射平面反射进入介质的光而形成特定光路；及

形成抗反射平面的出射平面，使从第三全反射平面反射的光离开介质。

6.如权利要求5所述的大面积激光投影显示系统，其中，所述入射平面和出射平面分别垂直于所述入射光和出射光。

7.如权利要求5或6所述的大面积激光投影显示系统，其中，所述激光光源是白光。

8.如权利要求7所述的大面积激光投影显示系统，其中，所述调制器装置，所述聚焦透镜装置和所述准直透镜装置各包括分别对应红，绿和蓝频率的激光光束的三个装置。

9.大面积激光投影显示系统包括：

激光光源；

使来自所述光源的光变成任意的平行光的光学系统；

使来自光学系统的平行光分离为具有特定波长的光的光学分离子系统；

调制装置；

使来自所述光学分离子系统的光聚焦在调制装置上的聚焦透镜装置；

使来自所述各调制装置的光变成平行光的准直透镜装置；

使来自所述准直透镜装置的光集成为一种光的光学集成子系统；

水平或垂直地扫描来自所述光学集成子系统的光的光学系统；和

设置在所述聚焦透镜装置和所述调制器装置之间的如权利要求1的光路扩展器。

10.一种大面积激光投影显示系统包括：

激光光源；

使来自所述光源的光变成任意的平行光的光学系统；

使来自光学系统的平行光分离为具有特定波长的光的光学分离子系统；

调制装置；

使来自所述光学分离子系统的光聚焦在调制装置上的聚焦透镜装置；

使来自所述各调制装置的光变成平行光的准直透镜装置；

使来自所述准直透镜装置的光集成为一种光的光学集成子系统；

水平或垂直地扫描来自所述光学集成子系统的光的光学系统；和

设置在所述的调制器装置和所述的准直透镜装置之间的如权利要求1的光路扩展器。

11.一种大面积激光投影显示系统包括：

激光光源；

使来自所述光源的光变成任意的平行光的光学系统；

使来自光学系统的平行光分离为具有特定波长的光的光学分离子系统；

调制装置；

使来自所述光学分离子系统的光聚焦在调制装置上的聚焦透镜装置；

使来自所述各调制装置的光变成平行光的准直透镜装置；

使来自所述准直透镜装置的光集成为一种光的光学集成子系统；

水平或垂直地扫描来自所述光学集成子系统的光的光学系统；和

设置在所述聚焦透镜装置和所述调制器装置之间以及所述调制器装置和所述准直透镜装置之间的如权利要求1的光路扩展器。