CN1181860A - 单板彩色投影图像显示的光学扫描方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明为单板投影机所提供的投射具有一组色彩分量的图像的方法和设备包括一个使光线偏向一组方向的致偏机构和一个接收受致偏机构致偏的光线的光板。致偏机构包括一个厚度不均匀的透明光媒体,各光束经媒体的中央开口进入,而从媒体侧面的一些区域穿出。

Description

单板彩色投影图像显示的光学扫描方法及设备

背景

领域

本发明与光学扫描的方法和设备有关，具体地说，与依次使一组(如三个)彩条扫描单个光板(阀)的方法和设备有关。

相关技术描述

对于典型的彩色投影显示电视接收机来说，利用三个分别涂有红、绿、蓝荧光粉的独立阴极射线管(CRT)来投射相应的红、绿蓝电视画面。这三个CRT画面用投影透镜投射到同一个显示屏幕上，叠加后形成一幅投射的彩色电视画面。

在另一种称为“三光阀板彩色投影显示器”的现有彩色投影显示系统中，用三个光阀来代替三个CRT。白色光分裂为分别载有三种基色(红、绿、蓝)的三个光束，分别由三个光阀调制后重新合并成一幅投影图像。光阀板通常是薄膜晶体管(TFT)阵列液晶显示(LCD)板。然而，三光阀板相当昂贵，并具有复杂的光路。

在第三种现有系统中，例如如在授予本发明受让方、列作本发明参考的美国专利US-A5,532,763中所揭示的那样，利用了一种单光阀板，用一个旋转的棱镜使红、绿、蓝光带扫描。

在传统的投影系统中，利用旋转棱镜使三个光线偏离它们原来的轴线对光阀装置进行扫描。光阀装置的各像素元以适当的视频信息(红、绿或蓝)编程控制，以使相应色彩的光线通过。人们的眼睛将这三幅分开依次显示的红、绿、蓝图像积累成单幅的彩色图像。

然而，上述这种传统的采用棱镜的方法有着两个主要缺点。第一，输出光线的扫描运动是非线性的，而光阀要求扫描光带以等速运动。由于这个矛盾，扫描全程中只有部分可以利用，因此过扫描大，从而光损耗也大。所以，这种系统的效率比较低，也不易获得良好的线性扫描。

第二，棱镜所用的玻璃具有较高的折射率，从而增加了材料成本。

因此，本发明的一个目的是提供一种可克服常规投影系统和方法的上述问题的方法和设备。

本发明的另一个目的是提供一种使单板投影系统不采用旋转棱镜来使一组(例如三束)光线偏离它们原来的轴线对光阀装置进行扫描的方法和设备。

本发明的又一目的是提供一种不会导致大的过扫描和光损耗的方法和设备。

本发明的再一个目的是提供一种成本相当低廉的系统。

在本发明的第一种形式中，可提供的在单板投影机中用来投射具有多个光彩分量的图像的扫描方法和设备包括一个使光线偏向多个方向的致偏机构和一个接收受致偏机构致偏的光线的光阀板。致偏机构包括一个厚度不均匀的透明光媒体，各光束经媒体的中央开口进入，又分别从媒体侧面的一些区域穿出。

因此，对于本发明的结构和方法来说，本发明不用传统的旋转棱镜，而用一个厚度不均匀的透明光媒体，各光束经媒体的中央开口进入，而分别从媒体侧面不同的点穿出。媒体可以具有圆形、卵圆形或螺旋形这些优选形状，当然也可以具有任何适合设计者要求的形状。

这样，就防止了有大的过扫描和光损耗。此外，与传统的棱镜致偏系统相比，这种系统成本较低。

另一个优点是，透明光媒体的材料不必是玻璃，可以是普通可用的塑料之类，因此就将透明光媒体设计成使扫描范围增大而言，具有更大的自由度。

此外，这种光媒体可以很方便地做成与光学系统匹配的形状，有利于补偿系统光路中其他的非线性。

上述和其他目的、情况和优点通过以下结合附图对本发明的优选实施例的详细说明将得到更深入的理解。在这些附图中：

图1示出了本发明的基本原理，具体示出了光线通过光媒体1的情况；

图2例示了本发明所提出的致偏器2的截面图和侧视图；

图3例示了光线以预定角度α经中央开口进入光媒体本体的情况；

图4a、4b和4c分别例示了扫描模式6、7和8，以及相应的致偏器9、10和11的截面；

图5A和5B分别例示了致偏器15的侧视图和截面图，示出了按照本发明使三个光束偏移的情况，具体示出了致偏器外径与三个光束致偏量之间的不同情况；以及

图6为采用本发明所提出的致偏器时的光路配置示意图。

下面结合这些附图，特别是图1，说明本发明所依据的物理原理。

如上所述，在典型的单光阀板投影系统中通常使用一个旋转棱镜。虽然扫描方法与通常在单板投影机所使用的旋转棱镜有关，但本发明不用旋转棱镜，而用一个厚度不均匀的透明光媒体，各光束经柱形媒体的央开口进入，而分别从媒体侧面上的各点穿出。媒体最好具有圆柱形、卵圆形或螺旋形那样的形状。

图1示出了本发明的基本原理。具体地说，本发明是基于光线在穿过具有两个平行界面的光媒体1(例如是用玻璃之类制成的)时并不改变它的方向这个基本原理。但是，光线穿出媒体1时平移了一个量S，它是媒体的厚度d、折射率n和入射角α的函数。具体地说，S的改变量Δs为

▲s＝d·sin(a)[1-cos(a)(1/(√(n²-sin²(a)))]    (1)

由上式可见s的改变量与d成正比。因此，改变s的一种方法就是以某种可控方式改变厚度d。一种适当的方案是用一个用玻璃制成的具有下面将要说明的特性(例如图2所示那样用于线性致偏)的物体(以下称为致偏器)。除了玻璃，也可以用常用的透明塑料材料。

下面将详细说明本发明的结构和方法。图2a-4c示出了例如用于投影电视系统的扫描机构2(例如是一个致偏器2)。扫描机构使一个或几个光束平行偏离各自轴线，对例如一个光阀板进行扫描。所得到的扫描运动可以是线性的，也可以是非线性的。

首先，致偏器2的截面最好是圆形、卵圆形或螺旋形的，中心有个圆孔，几何形状分别由r(o)和i(i)给定。高度h并不是关键参数，只要不损害致偏器的基本功能即可。因此，这种扫描机构的形状可以按设计者的限制和要求而定。r(i)是一个常数，而r(o)是转角的函数。描述r(o)的数学函数可以是线性、非线性、周期的、单调的、非连续的等等函数。

致偏器的材料的折射率只要大于1即可，但大折射率将使总尺寸较小，似乎更为可取。致偏器的厚度可根据设计者的要求和限制而定。但是，由于折射率越低，光的通透率越高，因此通常要在系统的总光路、总尺寸和光通透率之间加以折衷。

如图3所示，经中央开口以角度α进入本体4的光线3受到致偏，致偏量5取决于致偏器的有效厚度，而有效厚度由致偏器的转角确定。

保持光线3位置不变而旋转致偏器可周期性地对光线致偏。如果r(o)选择成与转角成正比，就可得到线性扫描模式，从而克服了传统的棱镜方法的缺点。然而，本发明的原理并不局限于完成这样狭窄的功能，可以预料有许多修改和扩展的应用。

例如，图4a-4c分别例示了按本发明得出的扫描模式6、7、8及所用的相应致偏器的截面9、10、11。可以相当自由地设计致偏器的内径r(i)和外径r(o)使得扫描运动适合光阀的光路和整个系统。因此，很容易补偿系统的改变。

在上面提到的投影系统中，需要对三束光线(例如红、绿、蓝(R、G、B))而不是只对一束光线进行致偏。一种方法是用三个致偏器，由例如一个已知的诸如传动箱之类的机械装置加以同步。

然而，一种更为紧凑的方法是只用一个致偏器15，如图5a和5b所示。由图所见，分别表示红、绿、蓝的三束光线12、13、14从各侧进入致偏器15的中央开口，因而相应的转角是不同的，所以偏离各自的入射角的程度也不同。因此，例如如图5a和5b所示，光束15(例如为蓝色)偏离最大，其次是光束12(例如为红色)，而光束13(例如绿色)偏离量最小。

分别穿出致偏器的发散光束16、17和18相应需用适当的反射装置(如反射镜27、29)和重组光学系统30会聚在一起。

重组光学系统30包括例如一些相互交叠的分色镜(如，一个所谓的“三维合光器”)。

图6例示了图5a和5b所示创造性结构的光路按排情况。

具体地说，白色光19入射到三维分光器20上。分光器20有一组分色镜(或滤光镜)，使入射光的红、绿、蓝部分21、2、23射出分光器20时与入射光轴线垂直，并相互之间成预定夹角(例如为120度)。

这三束光线分别由三个分色镜反射。为简明起见，图6中只示出其中的两个分色镜24和25。第三个分色镜(未示出)位于分光器20后，被分光镜20挡住。各光线以与转轴成相同的角度进入致偏器26的中央开口。穿出致偏器26的三束光线受到了不同的致偏，因为这三束光线所通过的光媒体26的厚度是不同的。所以光媒体的厚度使各光线受到不同的致偏。

反射镜27、28、29分别将各光束射向三维合光器30。射出合光器30的分离光线31、32、33与入射分光器20的光线19的轴线垂直。旋转致偏器26，各光线的Z位置也就随着按照所要求的扫描运动而改变。要指出的是，镜面上可以涂以专用的涂层，如分别滤除红外线或紫外线的红外涂层或紫外涂层。

上述结构比较容易构成，而且克服了传统的旋转棱镜方案的缺点，相当优越。

因此，对于本发明的结构和方法而言，并不使用使三束光线偏离它们原来的轴线的旋转棱镜使这些光线对光阀装置进行扫描。这种有创造必的方法和设备防止了有大的过扫描和光损耗。此外，所构成的系统成本也比较低。

这样，本发明不用传统的旋转棱镜，而用一个厚度不均匀的透明光媒体来代替，各光线经这个媒体的中央开口进入，而分别从媒质侧面的不同点穿出。

此外，采用本发明的结构，光路较为简单，各器件的配置也不复杂。

虽然本发明是通过一个优选实施例加以说明的，但熟悉本技术领域的人员将认识到本发明可以用所附权利要求的精神和范围内的修改型式实现。

例如，虽然图中所示光媒体具有圆柱形、卵圆形或螺旋形的形状，但根据系统配置、系统性能要求和尺寸限制也可以是其他诸如多边形之类的形状，或许更为合适。

Claims (19)

1.一种投射具有多个色彩分量的图像的单板投影系统，所述系统包括：

一个致偏装置，用来使光在多个方向上发生偏移；以及

一个光板，用来接收受到所述致偏装置致偏的所述光，

所述致偏装置包括一个厚度不均衡的透明光媒体，

各光束经所述媒体的一个开口进入，而分别从所述媒体的侧面上的一些区域穿出。

2.一种按权利要求1所述的投影系统，其中所述媒体呈圆柱形或卵圆形或螺旋形。

3.一种按权利要求1所述的投影系统，其中所述致偏装置使至少一个光束平行偏离各自轴线，从而使光束对所述光板进行扫描，而扫描运动可以是线性的，也可以是非线性的。

4.一种按权利要求1所述的投影系统，其中中所述致偏装置由透明的塑料或玻璃制成。

5.一种按权利要求1所述的投影系统，其中所述致偏装置具有呈螺旋形、半螺旋形、卵圆形和圆形中的一个形状的截面，并带有一个开口。

6.一种按权利要求5所述的投影系统，其中所述开口呈圆形，并在所述致偏装置的中央，而所述致偏装置的尺寸定为r(o)和r(i)，

其中r(i)为常数，而r(o)是转角的函数。

7.一种按权利要求6所述的投影系统，其中r(o)选为与转角成正比，从而得到线性扫描模式。

8.一种按权利要求1所述的投影系统，其中所述致偏装置同时对一组光线进行致偏。

9.一种按权利要求1所述的投影系统，其中配置有单一个致偏器，同时对多个光束进行致偏，而所述这组光束中的每个光束分别具有各自的转角。

10.一种按权利要求1所述的投影系统，所述系统还包括一个会聚以发散形式射出的各光线的装置和一个重组光学系统，所述重组光学系统包括一些相互交叠的分色镜。

11.一种光学系统，所述系统包括：

一个三维分光器，包括多个分光镜，用来接收入射光束，使入射光束的各部分射出分光器时与入射光线的轴线垂直，并且相互之间成预定的夹角；

一组反射镜，用来分别反射相应部分的光束；

一个致偏器，用来接收所述各部分的光束，使所述各部分光束偏离不同角度；

多个第一反射镜，用来分别使各部分光束改变方向；以及

一个合光系统，用来接收经所述第二反射镜改变方向的各部分光束，

其中所述各部分光束射出所述合光系统时与进入所述分光器的入射光线的轴线垂直，而所述致偏器的旋转使各部分光束的预定位置按所要求的扫描运动而改变。

12.一种配合单板投影系统用来投射是有一组色彩分量的图像的方法，所述方法包括下列步骤：

为所述单板投影系统配置一个厚度不均匀的透明光媒体；

用所述透明光媒体使光线偏向多个方向；以及

由所述单板投影系统的一个光板接收经致偏的所述光线，

其中各光束经所述媒体的一个中央开口进入，而分别从所述媒体的侧面上的一些区域穿出。

13.一种按权利要求12所述的方法，其中所述配置透明光媒体的步骤包括配置圆柱形媒体、卵圆形媒体和螺旋形媒体中的一个媒体的步骤。

14.一种按权利要求12所述的方法，其中所述致偏步骤包括使至少一个光束平行偏离各自轴线的步骤，从而使所述光束对所述光板进行扫描，而扫描运动可以是线性的，也可以是非线性的。

15.一种按权利要求12所述的方法，其中所述配置透明光媒体的步骤包括配置一个用透明塑料和玻璃中的一种材料制成的透明光媒体的步骤。

16.一种按权利要求12所述的方法，其中所述配置透明光媒体的步骤包括配置一个截面呈螺旋形、卵圆形和圆形中的一种形状的透明光媒体的步骤，所述透明光媒体中央开有一个圆形开口，而尺寸定为r(o)和r(i)，

其中r(i)为常数，而r(o)是转角的函数。

17.一种按权利要求16所述的方法，其中r(o)选为与转角成正比，从而得到线性扫描模式。

18.一种按权利要求12所述的方法，其中所述致偏步骤包括用所述透明光媒体同时对多束光线进行致偏的步骤。

19.一种按权利要求12所述的方法，其中所述致偏步骤包括只用单个所述透明光媒体同时对多束光线进行致偏的步骤，而所述多束光线中的每束光线分别具有各自的转角，所述方法还包括会聚以发散形式射出的各光线的步骤。

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