CN1144076C

CN1144076C - 反射型投影仪

Info

Publication number: CN1144076C
Application number: CNB001178709A
Authority: CN
Inventors: 全基郁
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1999-04-26
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2004-03-31
Anticipated expiration: 2020-04-26
Also published as: GB2349481A; CN1273370A; GB0010011D0; DE10020458A1; US6450645B1; GB2349481B; KR20000067242A; KR100584534B1; JP2001013584A

Abstract

两种反射型投影仪，其中通过使用板型PBS来校正象差。第一种反射型投影仪包括光源；板型PBS；反射型显示装置；中转透镜单元；用来校正入射光象差的装置、设置在板型PBS和屏幕之间的光路中的一个校正板，以便在板型PBS倾斜的方向或相反方向以预定角度倾斜；投影透镜单元。第二种反射型投影仪包括：光源；照明单元；中转透镜单元；偏振转换器；光分离的装置；板型PBS，它设置在由光分离装置分离的每束光的传播光路中，用来根据入射光的偏振方向转换光的传播路线；反射型显示装置；彩色棱镜；用来校正入射光象差的装置；和投影透镜单元。

Description

反射型投影仪

技术领域

本发明涉及一种使用板型偏振光分束器的反射型投影仪，尤其是涉及一种具有改进的结构以校正板型偏振光分束器象差的反射型投影仪。

背景技术

通常，反射型投影仪通过把一个使用附加光源的显示装置产生的图像投影到屏幕上来提供图像。参考图1，一个传统的反射型投影仪包括一个光源10、一个光学装置20、一个立方形偏振光分束器30(PBS)、一个反射型显示装置40和一个投影透镜单元50。光学装置20用来使从光源10发出的光变成均匀平行的光束；立方形光分束器30根据偏振状态来透射或反射输入光以改变该光的传播路线；反射型显示装置40用来从经立方形PBS30输入的偏振输入光产生图像；投影透镜单元50用来放大和投影从显示装置40产生和经立方形PBS30输入的光。

光源10包括产生光的灯11和反射灯11所发出的光并导向光的传播路线的反射镜13。光学装置20包括用来发射均匀光的玻璃杆21和用来聚焦输入的发散光和将聚焦的光转化成平行光的聚焦透镜23和准直透镜25。

立方形PBS30包括用于反射输入光的S偏振光和透射输入光的P偏振光的镜面31。即，从光源10发出的光的S偏振光向显示装置40反射，并透射P偏振光。因此，只有从光源10输入的光的S偏振光被用作有效光。显示装置40的每个象素被独立驱动，以便根据视频信号有选择地对输入光进行偏振调制。由显示装置40反射的光再次输入到立方形分束器30，该再次输入的光透过立方形PBS30的光量根据对P偏振光偏振调制的程度而改变，以形成对应于视频信号的图像。投影透镜单元50将透过立方形PBS30的图像放大和投影到屏幕上。

在具有上述结构的反射型投影仪中，由于透过立方形PBS30的光关于光轴对称，所以可以形成对称光学系统。然而，根据目前的技术水平，和板型PBS相比立方形PBS30对于入射光的允许入射角低。因此，当使用立方形PBS时，由于低的允许入射角降低了光的使用效率。

为了将立方形PBS中光的使用效率提高到大约与板型PBS相等，需要一种用来发射显示低发散角和聚焦角的准直光的光学装置。这时，光源尺寸较大，不利于形成小型光学系统。

另外，在使用板型PBS以改变光的传播路线的情况下，由于有大的允许入射角，容易配置光源和光学装置，同时产生了象差，使得通过板型PBS透射的光偏离了光轴。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种使用板型PBS以增大允许的输入角和具有改进结构以便能够校正板型PBS的象差的反射型投影仪。

相应地，为了实现上述目的，提供一种反射型投影仪包括：一个光源；一个板型PBS、它被设置成相对于光源所发出的光的传播路线上的光轴倾斜；一个反射型显示装置、用来从通过所述板型PBS的一个方向偏振的入射光产生图像并且向所述板型PBS反射所产生的图像；一个中转透镜单元、它设置在光路中通过聚焦和/或散射入射光来导向入射光；一个用来校正入射光象差的装置，设置在所述板型PBS和屏幕之间的光路中的一个校正板，以便在所述板型PBS倾斜的方向或相反方向以预定角度倾斜；和一个投影透镜单元、用来向该屏幕放大和投影透过所述校正装置的光。

为了实现上述目的其他方面，提供一种反射型投影仪包括：一个光源；一个用来把光源发出的光转换成均匀光的照明单元；一个设置在光路中通过聚焦和/或散射入射光来将来自双色反射镜的入射光导向反射镜的中转透镜单元；一个偏振转换器，将透过所述照明单元的光转换成向一个方向偏振的光；一个根据其波长范围使向透过偏振转换器方向偏振的光分离的装置；一个板型PBS，它设置在由光分离装置分离的每束光的传播光路中，用来根据入射光的偏振方向转换光的传播路线；一个反射型显示装置，用来从通过所述板型PBS的一个方向偏振的入射光产生图像；一个彩色棱镜，用来有选择地透过或反射反射型显示装置所产生的入射光，并根据其波长通过板型PBS；一个用来校正入射光象差的装置，设置在所述板型PBS和屏幕之间的光路中的一个校正板，以便在所述板型PBS倾斜的方向或相反方向以预定角度倾斜；和一个投影透镜单元，用来向屏幕放大和投影由所述彩色棱镜输入的光。

附图说明

本发明的上述目的和优点将参考附图通过详细描述一个优选实施例变得更加明显，其中：

图1是一个传统的反射型投影仪的光学设置图；

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设置图；

图3是关于图2的Y-Z平面的板型PBS的光学设置图；

图4是关于图2的X-Z平面的板型PBS的光学设置图；

图5是根据本发明优选实施例的校正板的光学设置图；

图6是根据本发明优选实施例的楔型透镜的光学设置图；

图7是根据本发明优选实施例设置了偏离光轴的透镜的光学设置图；

图8是根据本发明的反射型彩色投影仪的光学设置图；

图9是根据本发明优选实施例的偏振转换器的光学设置的分解透视图；

图10是根据本发明的偏振转换器的光学设置图；

图11是用来解释图9所示的偏振转换器的操作视图；

图12是图8的光学系统的部分光学设置图。

具体实施方式

参考图2，根据本发明的反射型投影仪包括一个光源110；一个用来根据偏振状态透射或反射输入光的板型偏振光分束器(PBS)150；一个用来产生图像和反射所产生图像的反射型显示装置160；一个用来聚焦和/或发散输入光以导向输入光的传播路线的中转透镜单元140；一个用来校正板型PBS150象差的校正装置170；和一个用来向屏幕(未示出)放大和透射输入光的投影透镜单元180。

光源110包括一个用来产生光的灯111，和一个用来反射从灯111发出的光以导向光的传播路线的反射镜113。反射镜113可以是有一个焦点为灯111的位置和另外的焦点是光聚焦位置的一个椭圆反射镜，或具有在灯111位置的一个焦点的抛物线反射镜，这样从灯111发出并由反射镜113反射的光能变成平行光。

最好是，反射型投影仪还包括一个照明单元130，它设置在光源110和板型PBS150之间的光轴上、用来使从光源110发出的光成为均匀光。如图中所示的蝇眼透镜或玻璃杆(未示出)可用作照明单元130。

并且，最好是还包括在光源110和板型PBS之间的光轴上设置的一个频带滤波器120，用来仅透射从光源110发出的光中在可见光波长范围的光。即，频带滤波器120除去了从灯111发出的红外光和紫外光。

将板型PBS150安排成相对于照明单元130、反射型显示装置160和投影透镜单元180之间光路的光轴倾斜。板型PBS150通过根据偏振状态透射或反射入射光来改变光的传播路线。例如，输入光的S偏振光被反射向反射型显示装置160，而P偏振光被透射，这样，从反射型显示装置160入射的P偏振光向投影透镜单元180传播。这里，输入光的P偏振光透过板型PBS150传播，而S偏振光被反射，这样，从反射型显示装置160输入的S偏振光可以向投影透镜单元180传播。

板型PBS150比图1所示的立方形PBS30有更大的允许输入角。因此，包含在允许输入角的可用光量变大，便相应地提高了光学系统中光的利用率。

一种显示出高响应速度，即液晶的开/关时间比其他的LCD装置短的铁电液晶显示器(FLCD)被用作反射型显示装置160。反射型显示装置160具有二维阵列结构的象素。每个象素被单独驱动并可选择地改变偏振方向。因此，在反射型显示装置160中，每个象素被选择地驱动以对应输入的视频信号来调制偏振方向，因而产生预定的图像。

中转透镜单元140用来通过聚焦和散射输入光来获得光的传播路线，它包括多个透镜141、142和143。透镜143减小了相对于反射型显示装置160所反射的光束的发散角，以减小投影透镜单元180的直径或彩色棱镜(未示出)的尺寸。透镜143作为投影透镜单元180的一部分设置在板型PBS150和投影透镜单元180之间的光路中。这里可以省略透镜143。形成中转透镜单元140的每个透镜设置在光源110和板型PBS150之间。这里，因板型PBS设置成向一个方向倾斜，便相对于倾斜方向产生象散。

图3说明相对于图2的Y-Z平面的板型PBS150、形成投影单元190的透镜143和反射型显示装置160的光学设置。图4说明相对于图2的X-Z平面的板型PBS150、透镜143和反射型显示装置160的光学设置。

参考图3，当板型PBS150在Y-Z平面倾斜时，在如A、B和C所示部分向反射型显示装置160传播光时产生象差。如图4所示，对于设置在垂直于光轴的X-Z平面的板型PBS150时不产生象差。并且Y-Z平面上的聚焦位置与X-Z平面上的聚焦位置不同。相对于两个平面不同地产生的象差，即，象散不能通过一个普通的透镜校正，因而成为应用板型PBS150的障碍。

最好是，如图2所示，校正装置170包括一个校正板171，它设置成与板型PBS150向相同方向以预定的角度倾斜，或在前半投影透镜单元181和后半投影透镜单元182之间的光轴上向其相反的方向倾斜。校正板171是具有预定厚度的透明板，它设置成相对于Y-Z平面向光轴倾斜、并相对于X-Z平面垂直于光轴。通过将校正板171设置成向光轴倾斜，可校正由于板型PBS150而在Y-Z平面引起的象差。由于校正板171的厚度和倾斜程度是根据板型PBS150的厚度和倾斜角度而改变的设计因素，因此省略了对它的详细描述。

另外，如图5所示，校正板171′最好是有入射表面171a′和透射表面171b′，且具有楔形结构，这样由光轴和入射表面171a′所夹的角(θ+α)不同于由光轴和透射表面171b′所夹的角θ，以增进象差校正功能。这里，θ大约45°，而α大约0.25°。

参考图2和图6，校正装置170可进一步包括一个楔形透镜143′。楔形透镜143′是投影单元190的一个元件，它是通过改变设置在投影透镜单元180和板型PBS150之间光轴上透镜143的形状，或者通过改变投影透镜单元180的一些透镜而形成的。将楔形透镜143′设置成使入射表面的曲率中心C和/或透射表面的曲率中心C′可以偏离光轴(Z方向)。

另外，如图2和7所示，除了校正板171外，与校正装置170一样，至少有一个透镜143设置在投影透镜单元180和板型PBS150之间的光路中，或将投影透镜单元180的一些透镜设置成偏离板型PBS所倾斜的Y-Z平面的入射光轴一段距离d，以增进象差的校正性能。

参考图8，在根据本发明的另一个优选实施例的反射型彩色投影仪的操作中，反射型彩色投影仪包括一个光源210，一个用于将光源210发出的光转换成均匀光的照明单元230，一个用于把从光源210发出的非偏振的光转换成向一个方向偏振的光的偏振转换器240，一个通过聚焦和/或散射入射光来导向入射光的传播路线的中转透镜单元250，一个根据其波长范围使入射光分离的光分离装置，多个用来转换各个分离光束的传播路线的板型PBS260，多个用于通过板型PBS260的一个方向所偏振的入射光产生图像的反射型显示装置270，用来将反射型显示装置270所产生的图像向一条光路投影的彩色棱镜280，一个用来校正由于使用了板型PBS260而引起的象差的校正装置290，和用来放大和透射彩色棱镜280所入射的光的投影透镜单元300。这里，由于光源210和照明单元230的作用基本与图2所示的光源110和照明单元130的作用相同，这里省略对它的详细描述。

并且，本发明最好包括一个用来阻止将入射光的红外光和紫外光范围内的光照射在光轴上的带通滤波器220。偏振转换器240是一种用来将光源210发出的非偏振光转换成向一个方向偏振的光的光学元件。

参考图9至图11，偏振转换器240包括一个柱面透镜阵列241，PBS243，一个反射元件245和一个相位延迟板247。在保证反射元件245的安装空间的情况下，为使入射光损失最小，柱面透镜阵列241通过聚焦和散射平行发出的入射光将平行发出的入射光转换成具有缩小截面尺寸的平行光。提供多个PBS243，且每个分束器有一个镜面243a，安装成面对柱面透镜阵列241的光透射表面，用来根据偏振状态将入射光分离成第一和第二光束。即，镜面243a透射预定偏振状态的第一束光和反射其它偏振状态的第二束光。

在对应于PBS243的位置设置多个反射元件245，且每个元件具有用来反射第二束光的反射表面245a，以使第二束光向平行于第一束光的方向传输。反射元件245设置在由柱面透镜阵列241所限定的位置。PBS243的工作情况如下。如图11所示，非偏振入射光(P+S)在PBS243的镜面243a处分离成第一P偏振光和第二S偏振光。被镜面243a反射的第二S偏振光再次被反射表面245a反射成向平行于第一束光的方向传播。第二束光在通过相位延迟板247时，它的相位延迟，且大多数偏振方向的光由于转化成P偏振光而发出。因此，从光源210发出的非偏振光在通过偏振转换器240透射时以小的光损失被转换成一种偏振的光。

光分离装置根据其波长范围通过颜色选择地透射或反射入射光来转换光的传播路线。即，一种偏振的白光被分离成红、蓝和绿光。因此，光分离装置包括根据其波长范围分离入射光的第一个双色反射镜DM1，和根据其波长范围分离由第一双色反射镜DM1分离的光的第二个双色反射镜DM2。例如，通过绝缘材料涂覆的手段制造第一双色反射镜DM1，并将它设置在偏振转换器240和板型PBS260之间的光轴上以反射入射光的蓝光和透射红光和绿光。通过第一双色反射镜DM1透射的光路由于被反射镜M1反射而改变。由第一双色反射镜DM1反射的光路由于被反射镜M2和M3反射而改变。第二双色反射镜DM2设置在由反射镜M1反射的光路中，并将入射的红光和绿光分离。即，反射红光，透射绿光。

板型PBS260设置成面对着彩色棱镜280的三个入射表面的每一个表面，并反射由光分离装置所分离的入射光，和透射由反射型显示装置270向双色棱镜280反射的入射光。

反射型显示装置270从通过板型PBS260的入射光产生图像并反射所产生的图像。反射型显示装置270最好由一个FLCD形成。

这里，用于仅使在入射光的一个方向偏振的光向板型PBS260传输的第一、第二和第三偏振器275、277和279最好设置在偏振转换器240和板型PBS260之间的光路中。

彩色棱镜280有三个入射表面和一个透射表面。三个入射表面的每个表面对着每个板型PBS260并转换入射光的传播路线，使得入射光向透射表面传播。这样，彩色棱镜280有根据其波长范围选择地透射或反射光的镜面。涂覆该镜面以根据波长范围透射或反射。

如图3和图4所示，校正装置290是用来校正由于使用板型偏振光分束器260而产生的象差。如图8所示，校正装置290包括一个设置在板型PBS260和投影透镜单元300之间的光路中的一个校正板291，以便以与板型PBS260相同或相反的方向倾斜预定角度。

校正板291是具有预定厚度的透明板，它设置成相对于板型PBS260被倾斜的平面向光轴倾斜，同时设置成相对于板型PBS260不倾斜的平面向光轴垂直。当校正板291设置成相对于光轴倾斜时，能校正由于板型PBS260所产生的象差。由于校正板260的厚度和倾斜程度是根据板型PBS260的厚度和倾斜角度而改变的相关设计因素，因此这里省略了对它的详细描述。

并且，校正装置290可进一步包括一个如图6中的楔形透镜143′。楔形透镜143′是通过改变设置在板型PBS260之前光路上的透镜254的形状或通过改变投影透镜单元300的一些透镜的形状而形成的。由于楔形透镜143′是参考上面图6描述的，故这里省略了对其的详细描述。

另外，除了校正板291外，如校正装置290一样，至少一个设置在投影透镜300和板型PBS260之间的光路中的透镜254，或投影透镜单元300的一些透镜被设置成偏离板型PBS260所倾斜的平面上的入射光轴一段距离d，从而增进了象差的校正性能。

投影透镜单元300放大透过校正装置290的且象差得到校正的光，并将光投影到屏幕上(未显示)。图12详细说明了光学设置和图8所示的反射型彩色投影装置的光学设置中的反射型显示装置和投影透镜单元之间的光的传播路线。

当由显示装置270反射，通过板型PBS260，并透过彩色棱镜280的光通过光阑(STOP)观看时，可能看到光中产生了象差。且透过校正板291后的光的象差没有得到校正。

参考附图，在根据本发明的优选实施例的反射型彩色投影仪的操作中，从光源210发出的光中的可见光，在通过频带滤波器220除去红外和紫外光的同时，照射到照明单元230上。入射的可见光当透过照明单元230时被转换成均匀光同时保持非偏振状态。该均匀光通过偏振转换器240透射并以很小的光损失转换成向一个方向偏振的光，例如P偏振光。

向一个方向偏振的入射光根据其波长被第一双色反射镜DM1透射或反射以分离到其它的光路。即，通过第一双色反射镜DM1透射的光根据其波长被第二双色反射镜DM2分离。也就是，透过第二双色反射镜DM2的光通过偏振器277透射，被反射型PBS263反射，并输入到反射型液晶显示装置273上。

反射型显示装置273通过对应于图像信号的像素调制预定颜色的入射光。即，根据图像信号可选择地改变偏振方向。因此，由反射型显示装置273所反射的，经过调制的偏振光，仅通过板型PBS263透射而入射到彩色棱镜280。这里，由于对应于从其它路径入射的预定颜色的形成图像的操作与上述的相同，这里省略了对其的详细描述。

通过上述三个路径入射到彩色棱镜280的光透过校正板291，从而校正了由板型PBS260引起的象差。校正彩色图像的象差的光通过投影透镜单元300被放大并投影到屏幕上。

如上所述，在根据本发明的优选实施例的反射型投影仪中，由于使用了板型PBS，增大了允许的输入角，并同时校正了板型PBS的象差，从而与使用传统的立方形PBS的投影仪相比提高了光的效率。并且，上述校正装置不仅能适用于使用板型PBS的光学仪器，而且可用于使用如半反射镜的倾斜平板玻璃的不同类型的光学仪器，用于象差的校正。

Claims

1.一种反射型投影仪包括：

一个光源；

一个板型PBS、它被设置成相对于光源所发出的光的传播路线上的光轴倾斜；

一个反射型显示装置、用来从通过所述板型PBS的一个方向偏振的入射光产生图像并且向所述板型PBS反射所产生的图像；

一个中转透镜单元、它设置在光路中通过聚焦和/或散射入射光来导向入射光；

一个用来校正入射光象差的装置，设置在所述板型PBS和屏幕之间的光路中的一个校正板，以便在所述板型PBS倾斜的方向或相反方向以预定角度倾斜；和

一个投影透镜单元、用来向该屏幕放大和投影透过所述校正装置的光。

2.根据权利要求1所述的反射型投影仪，其中所述校正板具有一个光入射表面和一个光透射表面，其中光轴和所述光入射表面之间的夹角不同于光轴和所述光透射表面之间的夹角。

3.根据权利要求1或2所述的反射型投影仪，其中所述象差校正装置由至少一个设置在所述板型PBS和投影透镜单元之间的光路中的透镜，或投影透镜单元的一些透镜形成，所述的透镜的光入射表面和/或光透射表面的曲率中心设置成偏离光轴。

4.根据权利要求1或2所述的反射型投影仪，其中所述象差校正装置由至少一个设置在所述板型PBS和投影透镜单元之间的光路中的透镜、或所述投影透镜单元的一些透镜形成，所述透镜具有一个光入射表面和一个光透射表面，其中光轴和所述光入射表面之间的夹角不同于光轴和所述光透射表面之间的夹角。

5.根据权利要求1或2所述的反射型投影仪，其中所述象差校正装置由至少一个设置在所述板型PBS和投影透镜单元之间的光路中的透镜、或投影透镜单元的一些透镜形成，以便偏离倾斜地设置所述板型PBS的平面上的入射光轴。

6.一种反射型投影仪包括：

一个光源；

一个用来把光源发出的光转换成均匀光的照明单元；

一个设置在光路中通过聚焦和/或散射入射光来将来自双色反射镜的入射光导向反射镜的中转透镜单元；

一个偏振转换器，将透过所述照明单元的光转换成向一个方向偏振的光；

一个根据其波长范围使向透过偏振转换器方向偏振的光分离的装置；

一个板型PBS，它设置在由光分离装置分离的每束光的传播光路中，用来根据入射光的偏振方向转换光的传播路线；

一个反射型显示装置，用来从通过所述板型PBS的一个方向偏振的入射光产生图像；

一个彩色棱镜，用来有选择地透过或反射反射型显示装置所产生的入射光，并根据其波长通过板型PBS；

一个投影透镜单元，用来向屏幕放大和投影由所述彩色棱镜输入的光。

7.根据权利要求6所述的反射型投影仪，其中所述校正板具有一个光入射表面和一个光透射表面，其中光轴和所述光入射表面之间的夹角不同于光轴和所述光透射表面之间的夹角。

8.根据权利要求6所述的反射型投影仪，其中所述象差校正装置由至少一个设置在所述板型PBS和投影透镜单元之间的光路中的透镜、或所述投影透镜单元的一些透镜形成，透镜的所述光入射表面和/或光透射表面的曲率中心设置成偏离光轴。

9.根据权利要求6所述的反射型投影仪，其中所述象差校正装置由至少一个设置在所述板型PBS和投影透镜单元之间的光路中的透镜、或所述投影透镜单元的一些透镜形成，所述透镜具有一个光入射表面和一个光透射表面，其中光轴和所述光入射表面之间的夹角不同于光轴和所述光透射表面之间的夹角。

10.根据权利要求6所述的反射型投影仪，其中所述象差校正装置由至少一个设置在所述板型PBS和投影透镜单元之间的光路中的透镜、或投影透镜单元的一些透镜形成，以便偏离倾斜地设置所述板型PBS的平面上的入射光轴。

11.根据权利要求6或7中任一项所述的反射型投影仪，进一步包括一个设置在所述光源和照明单元之间的光路中的频带滤波器用来阻止光源所发出的红外线和紫外线范围内的光。

12.根据权利要求6至10所述的反射型投影仪，其中所述偏振转换器包括：

一个设置有用于聚焦和发散入射平行光的柱面透镜阵列，以便发出比入射光截面缩小的平行光束；

多个用于根据其波长范围将通过柱面透镜阵列后的输入光分离成第一和第二光束的PBS，并透过第一束光同时反射第二束光；

多个反射元件，设置在由没有光透过的柱面透镜阵列所限定的区域，以改变第二束光的光路使第二束光射向与第一束光平行的方向；和

一个延迟第一束光或通过所述反射镜的第二束光的相位的相位延迟板，使所述第一和第二束光具有相同的偏振状态。

13.根据权利要求6或7中任何一项所述的反射型投影仪，其中所述光分离装置包括：

一个设置在光路中根据其波长范围分离入射光的第一双色反射镜；

一个根据其波长分离由第一双色反射镜所分离的光的第二双色反射镜，使得预定偏振状态的入射的白光被分离成红、蓝和绿光束。

14.根据权利要求6或7中任一项所述的反射型投影仪，进一步包括一个设置在所述照明单元和板型PBS之间的偏振器，使得向入射光的一个方向偏振的光向所述板型PBS传播。