CN1147891A - Lcd投影仪用五棱镜光线合成器 - Google Patents

Abstract

一种应用于LCD投影电视系统的光线合成器，利用五棱镜把三种分离光线聚焦于显示屏幕。应用五棱镜作为光线合成器能实现紧凑的光路、简单的制作工艺和作为五棱镜的一部分，成本合理的分色镜配置。在五棱镜内部，三种光源的光路构成一个直角三角形，这提供了上面所述的优点。

Description

LCD投影仪用五棱镜光线合成器

发明领域：

本发明涉及视频彩色投影系统，包括前投影和后投影，更具体地，涉及到一种使用五棱镜的光线合成器，它应用于LCD投影电视系统。

发明背景

各种类型的投影电视系统在近些年得到发展并已经商品化。尽管这些投影电视系统提供的显示屏幕大，但是，它们一般比标准CRT系统更昂贵，更笨重。而且，最重要的是，它们在显示屏幕上提供相对模糊的图象。产生的图象，以及投影电视系统的成本、尺寸，通常直接依赖于该系统中使用的光学系统。

一个现有技术系统中的光学系统的例子可见于美国专利No.5,084,807，1992年1月28日授予Thomas S.Mckechnie。描述于美国专利No.5,084,807的现有工艺系统由该专利的图1表示，它描述了这样一种配置，即，发自三个卤钨灯的光经过透射和反射穿过一对交叉分色镜，一个分色棱镜，并穿过三块液晶显示器(LCD)。三块LCD调制三条通道产生电视画面的红、绿和蓝部分。

交叉分色镜把白光分成光谱中的红、蓝和绿部分。然后，这三种彩色光经分色棱镜合成，合成光经投影透镜投射到投影屏幕。

尽管这种现有系统有许多优点，但是，第一组交叉分色镜和第二分色棱镜的使用增加了设备的复杂性和尺寸，当然，也增加了整个投影电视系统的成本。

另一种现有技术的系统参见于美国专利No.4,687,301，1987年8月18日授与Ledebuhr。该专利描述了一种基于氧化铅(plumicon)棱镜的LCD投影仪。该类型的系统使用大量的玻璃，使得棱镜的结构庞大，十分昂贵，当然，这是投影电视系统的缺点。

另一种现有技术的LCD投影电视系统参见美国专利No.5,012,274，1991年4月30日授与E.Dolgoff。描述于该专利的系统利用三块LCD，一块显示红色画面数据，一块显示绿色画面数据，一块显示蓝色画面数据。每一块LCD都由适当颜色的光照明，即，红光、蓝光和绿光。发自红、绿和蓝光源的光由聚光镜收集，经准直光学仪器准直，穿过一系列分色镜，在屏幕上形成完整的彩色图象。

尽管描述于该专利的系统已经广泛应用，但是它仍有一些缺点。特别是投影透镜的后焦距比其它棱镜设计的后焦距大得多。这使得该系统的设计和制作十分昂贵。从本质上讲，投影透镜的后焦距长导致这样的问题，即难于制作经济、可靠的投影电视系统。

因此，本发明的目的是提供一种用于LCD投影仪的光线合成器，它可应用于前投影和后投影，且具有紧凑的光路，易于制作。

本发明的进一步目的是制作LCD彩色投影电视系统，它具有成本合理的分色镜系统。

本发明的更进一步目的是提供一种用于投影电视系统的光线合成器，它简单、便宜、易于制作，将产生消费者可以接受的箱子大小的商业投影电视系统。

另一种现有技术的光学系统描述于1994年9月的国际光学工程协会进展，第33卷第9册(Journal of the International Society of OpticalEngineering，September1994，Vol.33，No.9)，该技术与投影电视领域关系不大。该系统不涉及投影电视系统，但描述了适用于高速摄影的单轴、三色光源系统。

所描述的系统具有这样一种光学配置，包括三个白光源，一些准直透镜和三个装在五边形夹具上的分色滤光器。发自第一光源的光透过第一准直透镜，形成平行光束。该光束然后透过分色滤光器，该滤光器只允许红光透射，反射蓝光和绿光。透射的红色被第二分色滤光器的内表面反射，该滤光器只允许绿光透射，反射红光和蓝光。最后，红光被第三滤光器反射，该滤波器只允许蓝光透射。合成的红、绿和蓝光传播出五边配置，在该处被准直透镜聚焦。

该系统需要特殊制作的分色滤光器，因为它们的特性对光线的入射角十分敏感。另外，该参考文献描述的五边形夹具必须用不锈钢块十分精确地加工，要求苛刻的零件和光源固定于拧在不锈钢块上的棒上。因此，尽管该系统介绍了一种对于投影电视系统富有吸引力的光学配置，但是很明显，它十分昂贵，需要专门的加工工艺，所有这些都不适用于商品化投影电视系统。发明概述

根据本发明，提供了一种基于五棱镜的光线合成器，它可应用于LCD投影电视系统。

该设备用于在显示屏幕上投射复杂的彩色视频画面，  包括，

多个液晶显示(LCD)器，具有按矩阵排列的多个像素，用于形成图象。

多个光源，各个光源使准直光束指向各个LCD器件的第一面，和

分色合成器，配置成五棱镜形状，用于接收来自各个LCD器件第二面的准直光束，和使发自各个光源的合成光束指向显示屏幕。

三种准直光源，红、绿和蓝，透过三块LCD显示器，作用在构成五棱镜三条边的三个分色镜上。

红光透过第一分色镜，经第二、第三分色镜以45°角反射，然后，指向显示屏幕。绿光透过第二分色镜，由第三分色镜以45°角反射，然后，指向显示屏幕。类似地，蓝光透过第三分色镜，指向显示屏幕。

本发明的优点和特点是从红、绿和蓝光源发出光形成的光路在五棱镜内形成一个直角三角形。

本发明的进一步特点是使用五棱镜作为光线合成器，为投影电视系统提供了紧凑的光路，这易于制作并具有成本合理的分色镜配置。

本发明的另一特点是第一红分色镜在本发明的投影电视系统的结构中是任选的，因为它仅作为红光滤光器使用，这可以被安置在第二绿分色镜上。

本发明的这些和其它目的及特点是将通过下面详细的描述，并结合附图，得到更加充分的理解，其中：

附图简述

图1说明五棱镜在投影电视系统中被用作光线合成器；

图2说明使用五棱镜的具体几何结构；

图3A-3C说明用于本发明的分色镜的透射特性。

发明详述

参见图1，根据本发明，图示了一种应用于LCD投影电视系统的基于使用五棱镜的光线合成器。

图1所示的在基本上应理解为应用于投影电视系统的分色合成器，该设备将在下面详细解释。投影电视系统的其余部分是众所周知的，将不在这里进一步解释。

该系统包括3个光源10、11和12。这些光源可以是应用于投影电视系统的任何标准光源，但优选的光源是具有1-3mm弧长的金属卤化物弧灯。该光源可发射白光，或者例如，可以作为红光源，绿光源和蓝光源，可以这样理解，红光源包括光源10，蓝光源包括光源11，绿光源包括光源12。发自三个光源的光线分别由准直透镜13，14和15准直。光线经准直后，作用于分别用16，17和18表示的三块LCD。三块LCD调制三个通道产生最终电视画面的红、绿和蓝部分。

光线穿过三块LCD16、17和18之后，作用于分色镜19、20和21上。分色镜19透射红光，为红光边缘滤光器。分色镜21反射红光，透射绿光。相似地，分色镜20反射红和绿光，透射蓝光。

发自光源10的红光因此透过LCD16和分色镜19，经分色镜21和20的反射，然后指向投影透镜22。类似地，发自光源11的蓝光穿过分色镜20，指向投影透镜22，分色镜20反射红光和绿色。同样地，发自光源12的绿光，透过LCD18，和分色镜21，然后经分色镜20反射，最后指向投影透镜22。图中23所示的是观看者，他将能够在适当的显示屏幕上看到电视画面。

图1说明，图中所示的被称为镜19、镜20和镜21的分色镜构成五棱镜的三条边，这在制作投影电视系统时在尺寸、成本和复杂性上导致一些根本性的优点。分色镜的具体角度将参照图2在下面描述。

现参照图2，图中给出了分色镜19、20和21，它们与图1中相同标号的分色镜类似。如图所示，红光源与分色镜19成90°角。相似地，蓝光源与分色镜20成112.5°角。最后，绿光源与分色镜21成112.5°角。仍如上所述，红光透过分色镜20，经分色镜21和20以45°角反射，之后，向下指向图1中22所示的投影透镜。相似地，蓝光透过分色镜20指向投影透镜，而绿光透过分色镜21，经分色镜20以45°角反射，也指向投影透镜22。因此，图2中24所示的五棱镜配置组合利用三种光源产生完整的电视画面。

非常值得注意的是，红光在五棱镜内部的光路构成直角三角形的三条边，发自绿光源的光路构成直角三角形的二条边，而发自蓝光源的光路构成直角三角形的一条边。

利用五棱镜光线合成器的优点是它可以用于前投影或后投影系统中，具有直角三角形形状的十分紧凑的光路，简单易做，并利用了成本合理的分色镜。

还值得注意的是红分色镜是任选的，  因为它仅是红光滤光器，  因而，可以加上所述放在绿分色镜上。

优选地，分色镜的角度误差容限应在5～10弧分范围内，分色镜各面的光滑度应为10倍波长量级。

现参照图3，图中给出了如上参照图1和图2所述的分色镜的透射特性。更具体地说，图3A所示的分色镜19具有这样的特性，反射发自光源的蓝、绿光，透射红色。利用任选的红滤光器，分色镜21透射绿光，反射蓝光和红光。相似地，如图3C所示，分色镜20透射蓝光，反射绿光和红光。

前述的发明内容和发明描述是说明性的，解释性的，因此，在不偏离本发明宗旨的情况下，在权利要求的范围内，可以在尺寸，形状，材料以及图示结构的细节方面做各种改动。

Claims (10)

1.一种设备，用于在显示屏幕上投射合成的彩色视频图象，包括

多个液晶显示(LCD)器，具有按矩阵排列的多个像素，用于形成图象，

多个光源，各个光源使准直光束指向各个LCD器件的第一面，和

分色合成器，配置成五棱镜形状，用于接收发自各个所述LCD器件第二面的所述准直光束，并使合成光束从各个光源指向显示屏幕。

2.根据权利要求1的设备，其中所述多个光源包括红光源、绿光源和蓝光源。

3.根据权利要求2的设备，其中所述分色合成器包括透射红光的第一分色镜，反射红光、透射绿光的第二分色镜，和透射蓝光、反射红光和绿光的第三分色镜。

4.根据权利要求3的设备，其中发自所述红光源的光以90°角作用于所述第一分色镜，发自所述绿光源的光以112.5°角作用于所述第二分色镜，发自所述蓝光源的光以112.5°角作用于所述第三分色镜。

5.根据权利要求4的设备，其中发自所述红光源的光透过所述第一分色镜，被所述第二分色镜以45°角反射，被第三分色镜以45°角反射，并以90°角作用于显示屏幕上。

6.根据权利要求5的设备，其中发自所述蓝光源的光透过第三分色镜，以90°角作用于所述显示屏幕上。

7.根据权利要求6的设备，其中发自绿光源的光透过第二分色镜，被第三分色镜以45°角反射，以90°角作用于显示屏幕上。

8.根据权利要求7的设备，其中所述第一、第二和第三分色镜组成五棱镜的三条边。

9.根据权利要求8的设备，其中发自红光源的光透过第一分色镜，被第二分色镜反射，被第三分色镜反射，指向显示屏幕，该光线形成的光路构成直角三角形的三条边。

10.根据权利要求9的设备，其中绿光源的光透过第二分色镜，被第三分色镜反射，指向显示屏幕，该光线形成的光路构成直角三角形的二条边，同时，蓝光源的光穿过第三分色镜，指向显示屏幕，其光路构成直角三角形的一条边。

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