CN1166881A - 液晶显示设备 - Google Patents

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铃木幸夫
中村英贵
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Abstract

从一个用来产生白光的灯(1)发射并被一个反射镜(2)反射的平行光射入一个第一全息光学元件(5)。第一全息光学元件(5)把该平行光分离成多个不同波长段的彩色光成分，并出射这些光成分。从第一全息光学元件(5)出射的各个光成分以随波长的不同而不同的入射角射向一个第二全息光学元件(6)。第二全息光学元件(6)使各个不同波长段的光入射到一个液晶器件(7)的各个相应的象素上。

Description

液晶显示设备
本发明涉及一种液晶显示设备，较具体地，涉及一种利用象全息光学元件这样的光学器件的彩色液晶显示设备。
已知有一种液晶显示(LCD)设备，它将从一个背部光源发出的光照射到一个液晶(LC)器件上，由此显示出彩色图象。这种LCD设备利用了对应于LC器件各个象素的红(R)、绿(G)和蓝(B)色滤光片。当来自背部的光源的光穿越了各个彩色滤光片之后变成了有颜色的光，这种LCD设备就是利用这一点来显示彩色图象的。
然而，当来自背部光源的光穿越这种LCD设备的彩色滤光片时，彩色滤光片要吸收补色成分的光。因此这种LCD设备在利用背部光源的光的效率方面是差的，并且有颜色显示暗淡的缺点。
考虑到上述情况，近来又开发了一种LCD设备，它通过利用全息光学元件而改善了光的利用效率。这种LCD设备在光源和LC器件之间设置有一个全息光学元件。这种全息光学元件把来自背部光源的平行光分离成具有R、G、B波长的光成分。分离的光被分别会聚到LC器件的相应颜色的象素上。于是，各个波长的光可以无浪费地进入LC器件的各个相应象素。
这种LCD设备的全息光学元件的多个衍射光栅中的每个光栅都将衍射以某个入射角度(入射角)入射的平行光中的每种波长的光。由于对于光的不同的波长，衍射角也将不同，所以各个波长的光能够进入LC器件的各相应象素。
这种全息光学元件对各个波长的光的衍射角和衍射效率由光对全息光学元件的入射角确定。因此，入射到LC器件各个象素上的光强度不是固定的，而是随波长的不同而不同。通常使用的全息光学元件在R、G、B波长成分中对G波长成分有最高的衍射效率。因此，要获得R、G、B三色平衡的优良彩色特性是困难的。
因此，本发明的一个目的是提供这样一种LCD设备，它能够得到R、G、B三色平衡的优良彩色特性。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面的一种LCD设备包括：
一个光源(1，2)，用来提供一个基本平行的光束；
一个LC器件(7)，它含有许多象素；
一个第一全息光学元件(5，15)，用来把来自光源(1，2)以基本平行的光束分离成多个不同波长段的光束，并分别以各自不同的方向出射这些分离的光束；以及
一个第二全息光学元件(6，16)，用来把自第一全息光学元件(5，15)出射的多个不同波长段的光束按照不同的波段引导到LC器件(7)的各预定象素上。
由第一全息光学元件分离的多个不同波长段的光束以不同的入射角射向第二全息学光元件。因此，第二全息光学元件能够使入射到LC器件各个象素上的各种光成分的强度对各个波长段基本相同。
于是，这种LCD设备能够得到R、G、B三色平衡的极佳的颜色特性。
根据本发明另一个方面的一种LCD设备包括：
一个光源(1，2)，用来提供一种基本平行的光束；
一个LC器件(7)，它有许多象素；
一个棱镜(20，25)，用来把来自光源(1，2)的基本平行的光束分离成多个不同波长段的光束，并分别以各自不同的方向出射这些分离的光束；以及
一个全息光学元件(21，26)，用来把自棱镜(20，25)出射的多个不同波长段的光束按照不同的波长段引导到LC器件(7)的各个预定象素上。
由棱镜分离的多个不同波长段的光束以不同的入射角射向全息光学元件。因此，全息光学元件能够使入射到LC器件的各个象素上的各相应波长段的光成分的强度基本相同。
于是，这种LCD设备能够得到R、G、B三色平衡的极佳的彩色特性。
根据本发明的再一个方面的一种LCD设备包括：
一个光源(1，2)，用来提供一个基本平行的光束；
一个LC器件(7)，它有许多象素；
一个全息光学元件(51)，用来把来自光源(1，2)的基本平行的光束分离成多个不同波长段的光束，并分别以不同的方向出射这些分离的光束；以及
一个透镜(50)，用来把自全息光学元件(51)出射的多个不同波长段的光束按照不同的波长段引导到LC器件(7)的各个预定象素上。
由全息光学元件分离的多个不同波长段的光束以各种不同的入射角进入透镜。因此，该透镜能够使入射到LC器件各个象素上的各相应波长段的光成分的强度基本相同。
于是，这种LCD器件能够得至R、G、B三色平衡的极佳的颜色特性。
换言之，根据本发明的LCD设备包括：
一个光源(1，2)，用来提供一个基本平行的光束；
一个LC器件(7)，它有许多象素；
第一光学装置(5，15；20，25；51)，用来把来自光源(1，2)的基本平行的光束分离成多个不同波长段的光束，并分别以不同的方向出射这些分离的光束；以及
第二光学装置(6，16；21，26，50)，用来把自第一光学装置(5，15；20，25；51)出射的多个不同波长段的光束按照不同的波长段引导到LC器件(7)的各个预定象素上。
图1是说明根据本发明的第一实施例的一个LC投影器的结构的横截面图；图2是示出图1的LC投影器中的绿(G)光波长成分的光路的图；图3是示出图1的LC投影器中的红(R)光波长成分的光路的图；图4是示出图1的LC投影器中的蓝(B)光波长成分光路的图；图5是画出图1的LC投影器的第二全息光学元件的衍射效率的图；图6是示出根据本发明的第一实施例的LC投影器的第一种改型的图；图7是示出根据本发明的第一实施例的LC投影器的第二种改型的图；图8是说明根据本发明的第二实施例的LC投影器的结构的横截面图；图9是示出根据本发明的第二实施例的LC投影器的第一种改型的图；图10是示出根据本发明的第二实施例的LC投影器的第二种改型的图；图11是说明根据本发明的第三实施例的LC投影器的结构的横截面图；图12是示出图11的LC投影器中的绿(G)光波长成分的光路的图；图13是示出图11的LC投影器中的红(R)光波长成分的光路的图；图14是示出图11的LC投影器中的蓝(B)光波长成分的光路的图；图15是说明根据本发明的第四实施例的LC投影器的结构的横截面图；图16是说明根据本发明的第五实施例的LC投影器的结构的横截面图；图17是示出从图16的灯到LC器件的各象素的光路的图；图18是示出与各个单元象素相相应的各个微透镜的形状的图；
图19是示出与各个单元象素相对应的各个微透镜的另外的形状的图。
第一实施例
图1说明根据本发明的第一实施例的LCD投影器的结构。
在该LC投影器中，一个发出白光的灯1位在一个抛和面反射镜2的焦点处。反射镜2把来自灯1的光反射成平行于一个光轴3的平行光。在反射镜2的反射光一侧垂直于光轴3设置有一个能透射规定的偏振光成分的偏振片4。(这个偏振片4以下将称为“入射方偏振片。”)入射方偏振片4的出射光一侧布置有一个相对于光轴3按预定角度倾斜的第一全息光学元件5。于是，一个通过了入射方偏振片4的具有规定偏振光成分的平行光以预定的入射角射入第一全息光学元件5。在第一全息光学元件5的出射光一侧，设置有一个平行于第一全息光学元件5的第二全息光学元件6。在第二全息光学元件6的出射光一侧，设置有一个平行于第二全息光学元件6的LC器件7。在LC器件7的出射光一侧，设置有一个平行于LC器件7并且能通过规定偏振光成分的偏振片8(以下称为“出射方偏振片”)。位在出射方偏振片8的出射光一侧的是一个投影透镜9，它用来把通过了出射方偏振片8的光投影成一个图象。
LC器件7含有密封在一对透明基底之间的液晶，在透明基底上形成了点阵形式的电极，从而许多个象素也以点阵形式排列。在光入射的那个基底上在各个象素之间设置有一个黑色阵列BM，用来防止漏光。LC器件7有许多单元象素，每个单元象素由一组三色(R、G、B)象素组成。每个象素的一条边长为54μm，象素之间的间距为88μm。该LC器件7还配置有R、G、B彩色滤光器。不过该LC器件也可以没有彩色滤光器。
入射方偏振片4让含在发射自灯1并经过反射镜2反射的平行光之中的某种规定的偏振光成分(例如，或者是线偏振S光成分，或者是线偏振P光成分)通过。出射方偏振片8让自LC器件7射出的光中的某种规定的偏振光成分通过。
第一全息光学元件5用其上的各个衍射光栅衍射各种波长的光。被第一全息光学元件5衍射的光的衍射角随波长的不同而不同。第一全息光学元件5的各个衍射光栅具有均匀的光栅栅距d(＝2.182mm)。
第一全息光学元件5相对于灯1的光轴3的倾斜角为23°，其目的是使R、G、B三个波长成分的光(以下称作“R波长成分光”、“G波长成分光”和“B波长成分光”)分别以不同的规定入射角入射到第二全息光学元件6上。结果，对于第一全息光学元件5光的入射角变为23°。第一全息光学元件5对入射角为23°的入射光衍射，得到具有各种随波长的不同而不同的角度的出射光。从第一全息光学元件5出射的R波长成分光(λ＝640nm)的角度为43°。从第一全息光学元件5出射的G波长成分光(λ＝550nm)的角度为40°。从第一全息光学元件5出射的B波长成分光(λ＝460nm)的角度为37°。
第二全息光学元件6对各种波长的光衍射。被第二全息光学元件6所衍射的光的衍射角随波长的不同而不同。第二全息光学元件6使以相应于各个波长成分的规定入射角从第一全息光学元件5射来的入射光进入到LC器件7中对应于各个颜色的各相应象素上。如图2至4所示，第二全息光学元件6含有许多以与LC器件7的各单元象素(每个单元象素由一组三种颜色(R、G、B)的象素所组成)相对应的方式排列的单元全息光学元素。这些单元全息光学元素在图2至4中的H A点处对R波长有最大的衍射效率，在图2至4中的HB点处对G波长有最大的衍射效率，在图2至4中的HC点处对B波长有最大的衍射效率。因此，HA点外的衍射光栅栅距dA设定为1.006nm，HB点外的衍射光栅栅距dB设定为0.848nm，HC点处的衍射光栅栅距dC设定为0.733nm。如图5所示，第二全息光学元件6的特性是，当各个波长成分的光以入射角40°入射时G波长成分光的衍射效率是高的，当各个波长成分的光以入射角43°入射时R波长成分光的衍射效率是高的，当各个波长成分的光以入射角37°入射时B波长成分光的衍射效率是高的。
第二全息光学元件6与第一全息光学元件5的间隔约为10μm。第二全息光学元件6与LC器件7的光入射表面的间距的为1100μm。
现在将说明这种LC投影器的工作过程。
在这种LC投影器中，如图1所示，来自灯1的光被反射镜2反射，变成平行于光轴3的平行光。该平行光垂直地入射到入射方偏振片4上，该偏振片4有选择地让规定偏振光成分的光通过。由入射方偏振片4选出的规定偏振光成分的光以入射角23°射入第一全息光学元件5。如图2至4所示，入射到第一全息光学元件5上的R、G、B波长成分的光被第一全息光学元件5以不同的衍射角衍射，分别以不同的出射角从中射出。对于各个波长成分的光来说，它们离开第一全息光学元件5后分别以最优的入射角射入第二全息光学元件6。入射到第二全息光学元件6的各个波长成分的光被会聚到LC器件7中对应于各个颜色的相应象素上。
下面将分别对R、G、B波长成分具体讨论上述情况。
如图2所示，以入射角23°射入到第一全息光学元件5上的G波长成分光受到衍射，并以出射角40°自第一全息光学元件5射出。离开第一全息光学元件5的光以入射角40°射入第二全息光学元件6。入射到第二全息光学元件6的HB点的光基本上垂直地离开第二全息光学元件6，并射向LC器件7的关于G的相应象素上。入射到第二全息光学元件6的HA点的光以预定的出射角离开第二全息光学元件6，并射向LC器件7的关于G的相应象素上。入射到第二全息光学元件6的HC点的光以预定的出射角离开第二全息光学元件6，并射向LC器件7的关于G的相应象素上。
如图3所示，以入射角23°射入到第一全息光学元件5上的R波长成分光受到衍射，并以出射角43°从第一全息光学元件5射出。离开第一全息光学元件5的光以入射角43°射入第二全息光学元件6。入射到第二全息光学元件6的HA点的光基本上垂直地离开第二全息光学元件6，并射向LC器件7的关于R的相应象素上。入射到第二全息光学元件6的HB点的光以预定的出射角离开第二全息光学元件6，并射向LC器件7的关于R的相应象素上。入射到第二全息光学元件6的HC点的光以预定的出射角离开第二全息光学元件6，并射向LC器件7的关于R的相应象素上。
如图4所示，以入射角23°射入到第一全息光学元件5上的B波长成分光受到衍射，并以出射角37°自第一全息光学元件5射出。离开第一全息光学元件5的光以入射角37°射入第二全息光学元件6，入射到第二全息光学元件6的HC点的光基本垂直地离开第二全息光学元件6，并射向LC器件7的关于B的相应象素上。入射到第二全息光学元件6的HB点的光以预定的出射角离开第二全息光学元件6，并射向LC器件7的关于B的相应象素上。入射到第二全息光学元件6的HA点的光以预定的出射角离开第二全息光学元件6，并射向LC器件7的关于B的相应象素上。
如上所述，根据这种LC投影器，自灯1射出的并被反射镜2反射的平行光被第一全息光学元件5按不同的波长以不同的衍射角衍射。也就是说，从第一全息光学元件5出射的各个波长成分的光分别以它们最优的入射角射入第二全息光学元件6。因此有可能改善第二全息光学元件6对各个波长成分的光的衍射效率。也就是说，第二全息光学元件6能够有效地把各个波长成分的光会聚到LC器件的对应颜色的相应象素上。通过了LC器件7和出射方偏振片8的各个波长成分的光被投影透镜9投影成一个图象。其结果是能够获得一个鲜艳明亮的投影图象。
在上述的说明中，仅仅讨论了R波长成分(λ＝640nm)、G波长成分(λ＝550nm)和B波长成分(λ＝460nm)的光路。不过自灯1发射的光的波长并不限于这三种。
例如，位在R和G波长成分之间的一个波长成分的光以出射角40°至43°自第一全息光学元件5射出。第一全息光学元件5的出射光被第二全息光学元件6衍射。第二全息光学元件6的出射光按照其波长的不同而射向LC器件7的一个R象素、黑色阵列BM、和LC器件7的一个G象素。换言之，R波长成分附近的一个给定波长段的光射入LC器件7的一个R象素，G波长成分附近的一个给定波长段的光射入LC器件7的一个G象素。
不属于上两个波长段中任一个波长段的黄光被黑色阵列BM吸收。因此，尽管LC器件7不带有彩色滤光片，离开LC器件7的光的颜色也不会变得不鲜艳。
虽然上述的LC投影器含有两个互相并列的带全息光学元件5和第二全息光学元件6，但光路布局并不局限于这种特定的形式，而是可以采用如图6或图7所示的形式。
在图6所示的第一种改型中，在入射方偏振片4的出射光一侧布置了一个玻璃材料或类似材料的透明板10，它相对于光轴3以预定的角度(23°)倾斜。第一全息光学元件5设置在该透明板10的光入射表面上，第二全息光学元件6设置在该透明板10的光出射表面上。
在图7所示的第二种改型中，在入射方偏振片4的出射光的一侧布置了一个玻璃材料或类似材料的透明板10，它相对于光轴3以预定的角度(23°)倾斜。第一全息光学元件5设置在该透明板10的光出射表面上，第二全息光学元件6设置在第一全息光学元件5的光出射表面上。
根据第一种和第二种改型的LC投影器具有与第一实施例的LC投影器相当一致的功能和优点。
第二实施例
图8是说明根据本发明的第二实施例的LCD投影器的结构的横截面图。为了避免多余的说明，本实施例中与第一实施例的相应元部件相同的那些元部件用相似或相同的代号表示。
入射方偏振片4设置于反射镜2的反射光一侧，垂直于光轴3，其中的反射镜2把来自灯1的光反射成平行于光轴3的平行光。在入射方偏振片4的出射光一侧布置了一个垂直于光轴3的第一全息光学元件15，作为一个偏转光学元件。于是，通过了入射方偏振片4的具有规定偏振光成分的平行光垂直地射入第一全息光学元件15。在第一全息光学元件15的出射光一侧设置有一个平行于第一全息光学元件15的第二全息光学元件16。在第二全息光学元件16的出射光一侧依次地设置了垂直于光轴3的LC器件7、出射方偏振片8和投影透镜9。
第一全息光学元件15以其上的各个衍射光栅去衍射各种波长的光。被第一全息光学元件15衍射的光的衍射角随波长的不同而不同。第一全息光学元件15的各个衍射光栅具有均匀一致的栅距d(＝0.856nm)。第一全息光学元件15使R、G、B三个波长成分的光以不同的角度出射。R、G、B波长成分的光分别以它们的规定的入射角射入第二全息光学元件16。具有地说，R波长成分光(λ＝640nm)以48.4°的角度从第一全息光学元件15射出。G波长成分光(λ＝550nm)以40°的角度从第一全息光学元件15射出。B波长成分光(λ＝460nm)以32.5°的角度从第一全息光学元件15射出。
第二全息光学元件16衍射所有波长的光。被第二衍射元件16衍射的光的衍射角随波长的不同而不同。第二衍射光学元件16使以各自的规定入射角入射的光分别进入到LC器件7的各个相应颜色的象素上。第二全息光学元件16含有许多单元全息光学元素，它们的排列与LC器件7的各个单元象素相对应，其中每个单元象素均由一组三色(R、G、B)的象素所组成。这些单元全息光学元素具有许多以与第一实施例中的单元全息光学元素相同的方式形成的衍射光栅。在第二全息光学元件16中，HA点处的衍射光栅栅距dA设定为3.141nm，HB点处的衍射光栅栅距dB，设定为2.182nm，HC点处的衍射光栅栅距dC设定为1.624nm。
从上面的讨论可以清楚地看出，根据这种LC投影器，自灯1射出并被反射镜2反射的平行光被第一全息光学元件15按照不同的波长以不同的衍射角衍射。也就是说，第一全息光学元件15的各种不同波长成分的出射光以各自的最优入射角射入第二全息光学元件16。因此有可能改善第二全息光学元件16对各个波长成分的光的衍射效率。也就是说，第二全息光学元件16能够有效地把各个波长成分的光聚集到LC器件7的各种对应颜色的相应象素上。其结果是能够获得鲜艳明亮的投影图象。
由于光是垂直地入射到第一全息光学元件15上的，所以如果入射光是一种S偏振光成分，则第一全息光学元件15上的反射可以被最小化。由于是一种规定的偏振光成分的光垂直地射入到第一全息光学元件15上，所以在第一全息光学元件15的背面反射所产生的椭圆偏振光比较少。于是有可能有效地并且较少浪费地利用入射到第一全息光学元件15上的光。
再有，因为灯1、反射镜2、和入射方偏振片4以一直线的方式排列，所以这种LC投影器可以做得比第一实施例中的LC投影器更为紧凑。
虽然上述的LC投影器具有两个并列的第一和第二全息光学元件15和16，但布局方式并不局限于这种特定的形式，而是也可以做成为如图9或图10所示那样的形式。
在图9所示的第一种改型中，在入射方偏振片4的出射光一侧，布置了一垂直于光轴3的玻璃的或类似材料的透明板10。第一全息光学元件15设置在该透明板10的光入射表面上，第二全息光学元件16设置在第一全息光学元件15的光出射表面上。
在图10所示的第二种改型中，在入射方偏振片4的出射光一侧布置了垂直于光轴3的透明板10。第一全息光学元件15设置在该透明板10的光出射表面上，第二全息光学元件16设置在第一全息光学元件15的光出射表面上。
根据第一种改型的第二种改型的LC投影器具有与第二实施例的LC投影器相当一致的功能和优点。
与第一实施例的LC投影器中的入射光相比，在根据第二实施例的LC投影器中射向LC器件7的光是倾斜的。因此投影透镜9最好布置得相对于LC器件7的位置有一定的移动。
第三实施例
图11是说明根据本发明第三实施例的一种LCD投影器的结构的横截面图。为了避免多余的说明，本实施例中与第一实施例的相应元部件相同的那些元部件用相同或相似的代号表示。
在反射镜2的反射光的一侧设置了一个垂直于光轴3的入射方偏振片4，其中反射镜2把来自灯1的光反射成平行于光轴3的平行光。在入射方偏振片4的出射光一侧设置了一个光学元件棱镜20。棱镜20有一个倾斜于光轴3的光入射表面和一个垂直于光轴3的光出射表面。在棱镜20的出射光一侧布置了一个垂直于光轴3的全息光学元件21。在全息光学元件21的出射光一侧依次地布置了垂直于光轴3的LC器件7、出射方偏振片8和投影透镜9。
棱镜20使通过了入射方偏振片4的具有规定偏振光成分的平行光按其不同的波长以不同的角度发生折射，并让这些折射的光离开。棱镜20的光入射表面相对于光出射表面的倾斜角约为38.2°，如图12至14所示。所以，光对棱镜20的入射角约为38.2°棱镜20的折射率为1.962。R波长成分光(λ＝640nm)约以41.7°的角度从棱镜20射出。G波长成分光(λ＝550nm)约以40°的角度从棱镜20射出。B波长成分光(λ＝460nm)约以39°的角度从棱镜20射出。
全息光学元件21对所有波长的光衍射。被全息光学元件21衍射的光的衍射角随波长的不同而不同。全息光学元件21使各自以规定的入射角入射的光分别射入到LC器件7的各个对应颜色的相应象素上。该全息光学元件21有许多单元全息光学元素，它们的排列与LC器件7的各个单元象素相对应，其中每个单元象素由一组三色(R、G、B)的象素组成。这些单元全息光学元素具有其形成方法与第一实施例的单元全息光学元素相同的衍射光栅。在全息光学元件21中，HA点的衍射光栅栅距dA设定为1.006nm，HB点的衍射光栅栅距dB设定为0.848nm，HC点的衍射光栅栅距dC设定为0.733nm。
全息光学元件21位在距棱镜20的光出射表面约10μm，距LC器件7的光入射表面约1100μm处。
下面将讨论这种LC投影器的工作过程。
在该LC投影器中，如图11所示，来自灯1的光被反射镜2反射成平行于光轴3的平行光。该平行光垂直地射入入射方偏振片4，后者有选择地让一种规定的偏振光成分通过。被入射方偏振片4选出的具有规定偏振光成分的光以入射角38.2°射入棱镜20。射入棱镜20的R、G、B波长成分的光被棱镜20以不同的折射角折射，并分别以不同的出射角从棱镜20射出，如图12-14所示。离开棱镜20的各个波长成分的光分别以各自的最优入射角射入全息光学元件21。射入全息光学元件21的各个波长成分的光被会聚到LC器件7的各个对应颜色的相应象素上。
下面将分别对R、G、B波长成分具体讨论上述情况。
如图12所示，以入射角38.2°射入棱镜20的G波长成分光受到折射，并以出射角40°离开棱镜20。离开棱镜20的光以入射角40°射入全息光学元件21。入射到全息光学元件21的HB点的光基本垂直地离开全息光学元件21，并射到LC器件7的关于G的相应象素上。入射到全息光学元件21的HA点的光以预定的出射角离开全息光学元件21，并射到LC器件7的关于G的相应象素上。入射到全息光学元件21的HC点的光以预定的出射角离开全息光学元件21，并射到LC器件7的关于G的相应象素上。
如图13所示，以入射角38.2°射入棱镜20的R波长成分光受到折射，并以出射角41.7°离开棱镜20。离开棱镜20的光以入射角41.7°射入全息光学元件21。入射到全息光学元件21的HA点的光基本垂直地离开全息光学元件21，并射到LC器件7的关于R的相应象素上。入射到全息光学元件21的HB点的光以预定的出射角离开全息光学元件21，并射到LC器件7的关于R的相应象素上。入射到全息光学元件21的HC点的光以预定的出射角离开全息光学元件21，并射到LC器件7的关于R的相应象素上。
如图14所示，以入射角38.2°射入棱镜20的B波长成分光受到折射，并以出射角39°离开棱镜20。离开棱镜20的光以入射角39°射入全息光学元件21。入射到全息光学元件的HC点的光基本垂直地离开全息光学元件21，并射到LC器件7的关于B的相应象素上。入射到全息光学元件21的HB点的光以预定的出射角离开全息光学元件21，并射到LC器件7的关于B的相应象素上。入射到全息光学元件21的HA点的光以预定的出射角离开全息光学元件21，并射到LC器件7的关于B的相应象素上。
如上所述，根据这种LC投影器，自灯1射出并被反射镜2反射的平行光被第一全息光学元件5按不同波长以不同的衍射角衍射。也就是说，从棱镜20射出的各个波长成分的出射光分别以各自的最优入射角射入全息光学元件21。因此有可能改善全息光学元件21的对各个波长成分光的衍射效率，使得各个波长的光能够被全息光学元件21有效地衍射并有效地会聚到LC器件7的各个对应颜色的相应象素上。从而，能够获得鲜艳明亮的投影图象。
第四实施例
图15是说明根据本发明的第四实施例的一种LCD投影器的结构的横截面图。为了避免多余的说明，本实施例中与第三实施例中相应元部件相同的那些元部件用相似或相同的代号表示。
在反射镜2的反射光一侧垂直于光轴3设置有一个入射方偏振片4，其中反射镜2把来自灯1的光反射成平行于光轴3的平行光。在入射方偏振片4的出射光一侧垂直于光轴3布置有一个光学元件棱镜透镜25。在棱镜透镜25的出射光一侧垂直于光轴3设置有一个全息光学元件26。在全息光学元件26的出射光一侧依次地布置了垂直于光轴3的LC器件7、出射方偏振片8、和投影透镜9。
棱镜透镜25以随着波长的不同而不同的角度衍射通过了入射方偏振片4的具有规定偏振光成分的平行光，并让被衍射的光离开。棱镜透镜25的光入射表面是锯齿状的透镜表面。棱镜透镜25的出射光表面是一个垂直于光轴3的平面。棱镜透镜25含有许多微棱镜透镜25a，它们对应于LC器件7的各个单元象素，其中每个单元象素由三个颜色(R、G、B)的象素组成。在该情形中，每个微棱镜透镜25都有一个相对于光出射平面倾斜38.2°角度的光入射透镜表面。每个微棱镜透镜25a的折射率都是1.926。R波长成分光(λ＝640nm)以角度41.7°离开棱镜透镜25。G波长成分光(λ＝550nm)以角度40°离开棱镜透镜25。B波长成分光(λ＝460nm)以角度39°离开棱镜透镜25。
全息光学元件26和第三实施例中的相同，它把R波长成分光、G波长成分光和B波长成分光分别会聚到各相应象素上。
如上所述，根据这种LC投影器，自灯1发射并被反射镜2反射的平行光被棱镜透镜25以随波长的不同而不同的衍射角衍射，也就是说，从棱镜透镜25出射的各个波长成分的光以它们各自的最佳入射角射入全息光学元件26。因此有可能改善全息光学元件26对各个波长成分的光的衍射效率，从而可以利用全息光学元件26把各个波长成分的光有效地衍射并会聚到LC器件7的各个对应颜色的相应象素上。这能够给出一个鲜艳明亮的投影图象。
第四实施例中组成棱镜透镜25的各个微棱镜透镜25a与LC器件7的各个单元象素相对应，其中每个单元象素均由三种颜色(R、G、B)的象素所组成。不过，微棱镜透镜25a也可以分别与LC器件7的各个象素相对应。
第五实施例
图16是说明根据本发明的第五实施例的一种LCD投影器的结构的横截面图。
为了避免多余的说明，该实施例中与第一实施例的相应元部件相同的那些元部件用相似或相同的代号表示。
在该LC投影器中，灯1位在一个具有抛物面表面的反射镜2的焦点上。反射镜2把灯1所产生的光反射成平行于光轴3的平行光。在反射镜2的反射光一侧设置有一个全息光学元件51，它相对于光轴3倾斜一个预定的角度。在全息光学元件51的出射光一侧设置有一个平行于全息光学元件51的入射方偏振片4，它有选择地让一种规定的偏振光成分通过。在该入射方偏振片4的出射光一侧设置有一个平行于入射方偏振片4的平板型聚光透镜50。在聚光透镜50的出射光一侧设置有一个平行于聚光透镜50的LC器件7。在LC器件7的出射光一侧设置有一个平行于LC器件7的出射方偏振片8，它有选择地让通过了LC器件7的光中的一种规定的偏振光成分通过。位在出射方偏振片8的出射光一侧的是投影透镜9，它用来把通过了出射方偏振片8的光投影成一个图象。
LC器件7含有密封在一对透明基底之间的液晶，在透明基底上以点阵的形式形成了许多电极，从而许多象素以点阵的形式排列。在光入射的那个基底上在各个象素之间设置了一个用来防止漏光的黑色阵列BM。如图18所示，LC器件7有许多循环排列的单元象素，每个单元象素都由一组三色(R、G、B)的象素组成。R、G、B各个象素沿着下面将讨论的全息光学元件51的分光方向以B、G、R的顺序排列(图18中从到右)。这种LC器件7设置有R、G、B彩色滤光片。然而LC器件7也可以不设置彩色滤光片。
全息光学元件51用其各个衍射光栅衍射所有波长的光。被全息光学元件51衍射的光的衍射角随波长的不同而不同。如图17所示，自灯1发射并被反射镜2反射的平行光以预定的入射角射入全息光学元件51。全息光学元件51把各个波长段的入射光分离成一些平行光。也就是说，全息光学元件51的衍射光栅是制作得具有均匀的栅距的。全息光学元件51把G波长段的光衍射得基本上朝向法线方向，并使光沿该方向离开。全息光学元件51对R波长段的光的衍射角大于对G波长段光的衍射角，并使R波长段的光沿相应的方向离开。全息光学元件51对B波长段的光的衍射角小于对G波长段光的衍射角，并使B波长段的光沿相应的方向离开。
在图18中，全息光学元件51的光分离方向(分解方向)是按自左至右的方向设定的。
聚光透镜50把被全息光学元件51分离的各个波长的平行光会聚到LC器件7的各个对应颜色的相应象素上。聚光透镜50含有许多循环排列的微透镜50a，它们与LC器件7的各个单元象素相对应，其中每个单元象素都由三种颜色(R、G、B)的象素组成。如图18所示，每个微透镜50a都具有六角形形状，每个六角形的中央有一个LC器件7的关于G的象素，六角形的顶点连接着中央象素周围6个相邻R、B象素的中心。如图17所示，微透镜50a是凸表面面向全息光学元件51的凸透镜。微透镜50a把各个波长段的平行入射光按光的波长(入射角)会聚到LC器件7的各对应颜色的相应象素上。具体地说，G波长段光被会聚到LC器件7关于G的相应象素上，R波长段光被会聚到LC器件7关于R的相应象素上，B波长段光被会聚到LC器件7关于B的相应象素上。
现在将讨论该LC投影器的工作过程。
如图16所示，来自灯1的光被反射镜2反射成平行于光轴3的平行光。该平行光以预定的角度射入全息光学元件51。入射到全息光学元件51的平行光被全息光学元件51分别对R、G、B波长段以不同的衍射角衍射，被衍射的光分别以各个波长段的平行光离开全息光学元件51，如图17所示。具体地说，G波长段光被衍射得基本上沿着全息光学元件51的法线方向，并沿此方向离开全息光学元件51。R波长段光的衍射角大于G波长段光的衍射角，它以相对于全息光学元件51的法线方向的一个预定角度离开全息光学元件51。B波长段光的衍射角小于G波长段光的衍射角，它沿着相对于全息光学元件51的法线方向与R波长段光出射方向相反的方向，以一个预定的角度离开全息光学元件51。
从全息光学元件51射出的光进入入射方偏振片4，后者有选择地让规定的偏振光成分通过。通过了入射方偏振片4的不同波长的光分别以不同的入射角进入聚光透镜50的各个相应微透镜50a。以不同的入射角入射到各微透镜50a上的光被各微透镜50a会聚到LC器件7的各个对应颜色的相就象素上，如图17所示。具体地说，基本上垂直地射入对应微透镜50a的G波长段光被会聚到LC器件7关于G的相应象素上。以预定角度射入对应微透镜50a的R波长段光被会聚到LC器件7关于R的相应象素上。以与R波长段光相反方向上的预定角度射入对应微透镜50a的B波长段光被会聚到LC器件7关于B的相应象素上。
通过了LC器件7的具有规定偏振成分的光被出射方偏振片8有选择地通过。通过了该出射方偏振片8的光被投影透镜9投影成一个图象。
根据如上所述的这种LC投影器，自灯1发射并被反射镜2反射的平行光被全息光学元件51对R、G、B波长段分别以不同的衍射角衍射。对R、G、B波长段分别有不同入射角的平行光离开全息光学元件51。因此有可能使用较少的元部件把来自灯1的光分离成一些不同波长段的光成分。这个特点简化了LC投影器的结构。
再有，聚光透镜50的各个微透镜50a把被全息光学元件51分离的各个光按不同的波长段会聚到LC器件7的各对应象素上。这防止了各个补色光成分被彩色滤光片吸收，或者防止了来自灯1的光被黑色阵列BM遮挡。因此这种LC投影器能够防止光损失。从而有可能改善对灯1的光的利用效率，并得到鲜艳的彩色图象和明亮的投影图象。
改型
第一、第二、和第五实施例中所采用的全息光学元件5、15和51以各个衍射光栅衍射所有波长段的光，使不同波长段的光以不同的衍射角受到衍射。也就是说，虽然第一、第二、和第五实施例中所采用的各个全息光学元件都是单元件结构的，但这些全息光学元件的结构并不局限于这一类型。例如，可以采用一种三层结构，其中有能够分别有选择地通过R、G、B波长的光的三种类型的全息光学元件。
第一、第二和第五实施例中的全息光学元件和第二、第四实施例中的棱镜是用来作为分离来自灯1的平行光的手段的。然而，根据本发明，任何能够根据波长的不同来分离入射光，并根据波长的不同来出射这些被分离的光成分的光学装置都可以用来代替全息光学元件和棱镜。
在第一至第四实施例中，入射方偏振片是设置在这种光学装置(全息光学元件5和15，以及棱镜20和25)的入射光一侧的，然而在第五实施例中入射方偏振片是设置在这种光学装置的出射光一侧的。不过，入射方偏振片可以设置在任何一侧。
第一至第四实施例中的全息光学元件和第五实施例中的微透镜是用来作为把以不同的角度入射的各个波长段的光会聚到预定的对应象素上去手段的。然而，根据本发明，任何能够把以不同的角度入射的各个波长段的光会聚到预定的对应象素上去的光学装置都可以用来代替上述的全息光学元件和微透镜。
虽然第五实施例中的每个微透镜都具有六角形形状，但微透镜的结构并不局限于这种类型。例如，如图19所示，每个单元象素可以含有一直线排列的R、G、B三个象素，并且每个微透镜50b可以做成为与该单元象素相对应的长方形形状。聚光透镜由循环地排列这些微透镜50b而形成。
虽然前面对第一至第五实施例的说明是针对本发明应用于LC投影器的情形的，但本发明并不局限于这一特定的应用。本发明也可以适用于各种能让观看者直接观看显示在LC器件7上的图象的LCD设备。
根据第一至第五实施例的LCD设备应当被认为是本发明的某些适用形式。本发明能够适用于结合了两个光学装置的LCD设备。关于如何结合这两个光学装置以及这两个光学装置的特性可以通过实验来选择，以得到所希望的结果。

Claims (19)

1、一种液晶显示设备，它包括：
一个光源(1，2)，用来提供一个基本平行的光束；
一个具有许多象素的液晶器件(7)；
一个第一全息光学元件(5，15)，用来把来自上述光源(1，2)的上述基本平行的光束分离成多个不同波长段的光束，并且分别以不同的方向出射上述各分离的光束；以及
一个第二全息光学元件(6，16)，用来把从上述第一全息光学元件(5，15)出射的上述多个不同波长段的光束按各自的波长段分别引导到上述液晶器件(7)的各预定象素上。
2、根据权利要求1的液晶显示设备，其中上述第一全息光学元件(5，15)把来自上述光源(1，2)的基本平行的光束分离成多个不同波长段的平行光束，并分别以不同的方向出射上述各分离的平行光束。
3、根据权利要求1的液晶显示设备，其中入射到上述第二全息光学元件(6，16)上的上述多个不同波长段的光束的各自的入射角都落在各自的一个预定范围内，该范围包含一个能使上述第二全息光学元件(6，16)对上述各光束各自的波长段的衍射效率最大的入射角。
4、根据权利要求1的液晶显示设备，其中来自上述光源(1，2)的光倾斜地射向上述第一全息光学元件(5)。
5、根据权利要求4的液晶显示设备，它还包括一个设置在上述光源(1，2)和上述液晶器件(7)之间的偏振片(4)，其中来自上述光源(1，2)的光束垂直地射入上述偏振片(4)。
6、根据权利要求1的液晶显示设备，其中上述第一全息光学元件(5，15)和上述第二全息光学元件(6，16)分别设置在一个透明板(10)的两侧。
7、根据权利要求1的液晶显示设备，其中上述第一全息光学元件(5，15)和上述第二全息光学元件(6，16)堆叠在一个透明板(10)的一侧。
8、根据权利要求1的液晶显示设备，其中当来自上述光源(1，2)的光被上述第一全息光学元件(5，15)衍射时，其衍射角随着上述光的波长的增大而增大。
9、一种液晶显示设备，它包括：
一个光源(1，2)，用来提供一个基本平行的光束；
一个含有许多象素的液晶器件(7)；
一个棱镜(20，25)，用来把来自上述光源(1，2)的上述基本平行的光束分离成多个不同波长段的光束，并分别以不同的方向出射上述各分离的光束；以及
一个全息光学元件(21，26)用来把从上述棱镜(20，25)出射的上述多个不同波长段的光束按各自的波长段分别引导到上述液晶器件(7)的各预定象素上。
10、根据权利要求9的液晶显示设备，其中上述棱镜(20，25)把来自上述光源(1，2)的基本平行的光束分离成多个不同波长段的平行光束，并分别以不同的方向出射上述各分离的平行光束。
11、根据权利要求9的液晶显示设备，其中上述棱镜(25)是一个由多个微棱镜(25a)组成的组件。
12、根据权利要求9的液晶显示设备，其中上述棱镜(20，25)把来自上述光源(1，2)的基本平行的光束分离成多个不同波长段的基本平行的光束，并分别把上述各分离的平行光束出射到不同的方向上。
13、根据权利要求9的液晶显示设备，其中从上述棱镜(20，25)入射到上述全息光学元件(21，26)上的上述多个不同波长段的光束各自的入射角落在各自的一个预定范围内，该范围包含一个能使上述全息光学元件(21，26)对上述各光束各自的上述波长段的衍射效率最大的入射角。
14、一种液晶显示设备，它包括：
一个光源(1，2)，用来提供一个基本平行的光束；
一个含有许多象素的液晶器件(7)；
一个全息光学元件(51)，用来把来自上述光源(1，2)的上述基本平行的光束分离成多个不同波长段的光束，并分别以不同的方向出射上述分离的光束；以及
一个透镜(50)，用来把自上述全息光学元件(51)出射的上述多个不同波长段的光束按各自的波长段分别引导到上述液晶器件(7)的各预定象素上。
15、根据权利要求14的液晶显示设备，其中上述全息光学元件(51)把来自上述光源(1，2)的基本平行的光束分离成多个不同波长段的平行光束，并分别以不同的方向出射上述各分离的平行光束。
16、根据权利要求14的液晶显示设备，其中上述透镜(50)由多个分别对应于上述液晶器件(7)的多个象素的微透镜(50a)组成。
17、根据权利要求16的液晶显示设备，其中上述多个不同波长段的光束分别地射入上述多个微透镜(50a)。
18、根据权利要求14的液晶显示设备，其中自上述全息光学元件(51)的一个点上射出的多个不同波长段的光束按各自的波长分别射入上述液晶器件(7)的各个相应象素。
19、一种液晶显示设备，它包括：
一个光源(1，2)，用来提供一个基本平行的光束；
一个含有许多象素的液晶器件(7)；
第一光学装置(5，15；20，25；51)，用来把来自上述光源(1，2)的上述基本平行的光束分离成多个不同波长段的光束，并分别以不同的方向出射上述各分离的光束；以及
第二光学装置(6，16；21，26；50)用来把从上述第一光学装置(5，15；20，25；51)出射的上述多个不同波长段的光束按各自的波长段分别引导到上述液晶器件(7)的各预定的象素上。
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