CN1231789C - 投影型显示装置 - Google Patents

Abstract

一种可以长期保持高对比度并且能够简单而低成本地生产的投影型显示装置。该投影型显示装置包括：发射光通量的照明光学系统；将发射光通量分解为红、绿和蓝色光的分解光学系统；上述颜色的液晶光阀，用于接收分解后的彩色光；合成光学系统，用于合成从液晶光阀射出的上述颜色的图像光束；和将合成的图像光束投影在屏幕上的投影光学系统。从照明光学系统通过分解光学系统到达一种预定颜色的液晶光阀的第一光学路径长于到达其它两种颜色的液晶光阀的第二光学路径。在白光源和分解光学系统之间，在与光通量中心交叉且彼此相对的位置中的一个位置上设置滤光器，以减弱或阻断与通过所述位置中另一位置的光的波长范围不同的光。

Description

投影型显示装置

技术领域

本发明涉及一种通常称为液晶投影器的投影型显示装置，其中使用了液晶光阀。

背景技术

使用液晶光阀的投影型显示装置传统上采用如图11所示的结构。

参照图11，所示投影型显示装置90包括照明单元(照明光学系统)10，其中来自白光源11的非偏振白光的一部分直接通过成对彼此相对设置的多透镜阵列13和14，而该非偏振白光的其余部分首先由反射器12反射，然后通过该多透镜阵列13和14，从而使它们转变为在垂直于光通量中心轴的平面上的固定区域内具有均匀强度分布的光通量。进一步地，该光通量通过偏振转换元件15从非偏振光转变为线性偏振光，并且通过聚光透镜16从该照明单元10射出。

从照明单元10射出的光通量由二向色镜21分解为红色光3R、绿和蓝色光3GB，且红色光3R通过镜22反射，并通过聚光镜28R被引入红色液晶光阀30R。

同时，绿和蓝色光3GB通过二向色镜23分解为绿色光3G和蓝色光3B，且绿色光3G通过聚光透镜28G进入绿色液晶光阀30G，而蓝色光3B通过中继透镜24、反射镜25、另一个中继透镜26、另一个反射镜27和聚光透镜28B进入蓝色液晶光阀3B。

液晶光阀30R、30G、30B均由透射型液晶板形成，并且用红、绿和蓝色信号分别将图像写入液晶光阀30R、30G、30B。

分解出的红色，绿色和蓝色光3R、3G、3B分别通过液晶光阀30R、30G、30B调制并转换为红、绿和蓝色图像光束4R、4G、4B。红、绿和蓝图像光束4R、4G、4B通过二向色棱镜40合成，合成后的图像光束5通过投影透镜50以放大的尺寸投影在屏幕110上。

图11示出前投影型显示装置，其中从照明单元10到投影透镜50的光学单元形成与屏幕110分离的投影型显示装置90，同时，背投影型显示装置的光学单元可以按照类似于图11中的投影型显示装置90中的光学单元制成，其中从照明单元到投影透镜的光学单元和屏幕安装在一个柜子中。

但是，利用上述的传统投影型显示装置，屏幕的对比度不可能高于从如下所述构成每个液晶光阀的液晶板的视角的某一固定值。

图12示出一种模式，其中从图11的投影型显示装置90中的照明单元10输出的光通量，原则上通过省略的分解光学系统引入液晶光阀30。这里，液晶光阀30是红、绿或蓝液晶光阀30R、30G或30B。

但是应该注意到，在图11的投影型显示装置90中，从照明单元10到液晶光阀30R、30G和30B的光学路径的长度如下设置：红色光3R和绿色光3G的光学路径相等，而蓝色光3B的光学路径长于红色光3R和绿色光3G，因此对于蓝色光长度是不相等的，在图12当中，为了便于描述，假定从照明单元10到液晶光阀30的光学路径长度对于红、绿和蓝色光都是相等的。

通常，照明单元10的光出口尺寸相对大于液晶光阀30的孔径。因此，从照明单元10发出的光在会聚的同时被引入液晶光阀30，如同从液晶光阀30所看到的，该光在相对于法线32的一定角度范围内从各个方向进入液晶光阀30。

但是，由于构成液晶光阀30的液晶板通常采用扭曲光模式的TN(扭曲向列)液晶，其中液晶分子的主轴在液晶层的顶和底之间扭曲90°，所以光闸特性随着视角而变化。

关于视角，如图13所示，将入射光33a入射到液晶板31而产生的从液晶板31射出的光33b相对于液晶板31的射出面34上的参考方位的夹角定义为方位角，将射出光33b相对于液晶板31的法线的夹角θ定义为极角。如同在射出面34上的显示屏所看到的，＝0°对应于向右的方向，＝90°对应于向上的方向，＝180°对应于向左的方向，＝270°对应于向下的方向。

图14示出当某一液晶板处于全黑状态时进行的光阻断率(light cutoffrate)的视角相关性的测量结果。同心圆的中心对应于θ＝0°，数字5指代的圆对应于θ＝5°，数字10指代的圆对应于θ＝10°，数字15指代的圆对应于θ＝15°。

标注为“99％～”的区域指示是少于1％的光透射的视角范围，标注为“90％～”的区域指示是少于10％的光透射的视角范围，标注为“80％～”并被粗黑线环绕的区域是少于20％的光透射的视角范围，标注为“70％～”并被虚线所环绕的区域是少于30％的光透射的视角范围。

相应地，采用所示的液晶板，当如同从图13所示的射出面34所看到的，以如图12中箭头符号35所指向的从上向下注视液晶板时，对于任何从下向上透过液晶板的光通量37都表现出足够的光闸功能和足够高的对比度。但是，当以如图12中箭头符号36所指向的从下向上注视该液晶板时，对于任何从上向下透过液晶板的光通量38，光闸功能很差，对比度也很低。

采用以上述的传统投影型显示装置，由于屏幕的对比度是进入液晶光阀30的光通量对比度的算术平均值，因此屏幕的对比度不能提高到高于一定的固定值。

为了解决上述问题，在日本公开的专利No.222213中公开了采用一种具有光学各向异性的光学膜。但是，该光学各向异性的光学膜的缺点在于它的生产方法复杂、昂贵，如果在强光照射下，光学各向异性会发生变化。

发明内容

本发明的一个目的是提供能够长期保持高对比度并且能够简单、低成本地生产的投影型显示装置。

为了达到上述目的，根据本发明提供了一种投影型显示装置，包括：照明光学系统，用于从白光源发射作为强度分布均匀的光通量的光；将发射的光通量分解为红、绿和蓝色光的分解光学系统；多个上述颜色的液晶光阀，上述颜色的分解彩色光分别被引入这些液晶光阀；合成光学系统，用于合成从上述颜色的液晶光阀射出的上述颜色的图像光束；以及投影光学系统，将合成的图像光束投影在屏幕上，其中从照明光学系统通过分解光学系统到达一预定颜色的一个液晶光阀的第一光学路径长于到达其它两种颜色的液晶光阀的第二光学路径，并且在所述白光源和所述分解光学系统之间，在跨过光通量中心轴彼此相对的两个位置中的一个位置上设置滤光器，以减弱或者阻断红、绿和蓝色光中一种或两种波长范围的光。

该投影型显示装置的优点在于可以长期地保持高的对比度，能够简单而低成本地生产。

本发明的上述和其它目的、特点和优点将通过结合附图说明的说明书和所附权利要求变得更为明显，在附图中相似的部件和元件以相同的附图标记标注。

附图说明

图1示出应用本发明的投影型显示装置的示意图；

图2是说明图1中投影型显示装置的工作的示意图和曲线图；

图3示出另一应用本发明的投影型显示装置的示意图；

图4是说明图3中投影型显示装置的工作的示意图和曲线图；

图5示出对图1和3中投影型显示装置的改进；

图6和7示出图5的投影型显示装置中滤光器的光谱特性的不同例子。

图8是示出图5中投影型显示装置的工作的示意图；

图9是示出前投影型投影型显示装置的例子的示意图；

图10是示出后投影型投影型显示装置的例子的示意图；

图11是示出传统投影型显示装置的例子的示意图；

图12示出图11中投影型显示装置的工作；

图13是说明视角定义的示意图；

图14是示出液晶板的视角特性的一例子的曲线图。

具体实施方式

[第一个实施例：图1和2]

图1示出应用本发明的投影型显示装置。

参照图1，本实施例的投影型显示装置100除了滤光器17如下述方式设置外，其结构类似于图11中所示的投影型显示装置90。特别地，该投影型显示装置100包括照明单元10，其中来自白光源11的非偏振白光的一部分直接通过，而该非偏振光的其余部分首先由反射器12反射然后通过，二者作为光通量1穿过成对彼此相对设置的多透镜阵列13和14，从而将该光通量1转换为在垂直于光通量中心轴1a的平面上的固定区域内具有均匀强度分布的光通量。另外，该光通量通过偏振转换元件15从非偏振光转换为线性偏振光，并且经过聚光透镜16从照明单元10射出。

从照明单元10射出的光通量2通过二向色镜21分解为红色光3R、绿和蓝色光3GB，且红色光3R由镜22反射，经过聚光透镜28R进入红色液晶光阀30R。

同时，绿和蓝色光3GB通过二向色镜23分解为绿色光3G和蓝色光3B，并且绿色光3G经过聚光透镜28G进入绿色液晶光阀30G，而蓝色光3B经过中继透镜24、反射镜25、另一个中继透镜26、另一个反射镜27和聚光透镜28B进入蓝色液晶光阀30B。

分解出的红色，绿色和蓝色光3R、3G、3B分别经过液晶光阀30R、30G、30B调制并转换为红、绿和蓝色图像光束4R、4G、4B。红、绿和蓝图像光束4R、4G、4B通过二向色棱镜40合成，合成后的图像光束5通过投影透镜50以放大的尺寸投影在屏幕110上。

当从上向下注视液晶板时，组成每个液晶光阀30R、30G、30B的液晶板，对于任何从下向上透过该液晶板的光通量，都表现出足够的光闸功能，但是从下向上注视该液晶板时，如图14中的视角特性，对于任何从上向下透过液晶板的光通量，表现出的光闸功能较差。

在本实施例投影型显示装置100中，将一滤光器作为滤光器17安置在邻近照明单元10的光出口的下部位置，如图2中光谱特性7B所示，该滤光器阻断不等长度的蓝色波长范围λb，而使绿色波长范围λg和红色波长范围λr透过。这里，滤光器17还可使蓝色波长范围λb的一部分衰减，而不是阻断蓝色波长范围λb。

图2说明一种模式，其中来自图1的投影型显示装置100中的照明单元10的光通量，原则上通过省略的分解光学系统进入液晶光阀30R、30G或30B。透镜29对应于图1的中继透镜24和26。而且，透镜29(中继透镜24和26)从照明单元10引入光，液晶光阀30B被照明单元10照亮的范围可基本上等于液晶光阀30R和30G被照亮的范围。

如图2所示，在图1所示的投影型显示装置100中，将从照明单元10的光出口的上部位置发射的光通量，作为从上向下透过的光通量3Rd和3Gd引入红色和绿色液晶光阀30R和30G，并作为具有相反的垂直关系的从下向上透过的光通量3Bu引入蓝色液晶光阀30B。同时，将从照明单元10的光出口的下部位置发射的光通量，作为从下向上透过的光通量3Ru和3Gu引入红色和绿色液晶光阀30R和30G，且如果滤光器17不存在，作为具有相反的垂直关系的从上向下透过的光通量3Bd引入蓝色液晶光阀30B。

但是，将只阻断蓝色波长范围λb的滤光器17安置在邻近照明单元10的光出口的下部位置。

因此，从照明单元10的光出口下部位置发射的光通量中的蓝光分量被阻断，从而防止了蓝色光3B作为从上向下透过并引起对比度下降的光通量3Bd进入蓝色液晶光阀30B。

由于滤光器17不会阻断从照明单元10的光出口上部位置发射的光通量中的蓝色分量，因此将蓝色光3B作为从下向上透过、并提高对比度的光通量3Bu引入蓝色液晶光阀30B。

相应地，作为进入液晶光阀30B的光通量的对比度的算术平均值，屏幕上的蓝色对比度得到提高。在这个情况下，尽管进入液晶光阀30B的入射光量减少，但减少量可以被压缩到最小。

从照明单元10的光出口下部位置发射的光通量中的红光分量和绿光分量不受滤光器17的影响，因而屏幕上的红色和绿色对比度不发生变化。

滤光器17可以形成为多层结构，包括交替形成在透明基底上的低折射率材料层和高折射率材料层，并且能够简单而低成本地制造。另外，光学滤光器10的材料可以使用稳定阻光的无机材料，如SiO2、TiO2，即使强光长时间地照射在光学滤光器17上，光学滤光器17的光谱特性也不会发生变化。

相应地，采用本实施例的投影型显示装置，可以长期地保持高对比度，并且投影型显示装置100可以简单而低成本地制造出来。

[第二实施例：图3和4]

图3示出应用本发明的另一投影型显示装置。

本实施例的投影型显示装置100的结构与图1中的投影型显示装置100相似，除了用滤光器18替换图1中的滤光器17。

在本实施例的投影型显示装置100中，在邻近照明单元10的光出口的上部位置安装作为滤光器18的滤光器，该滤光器为如图4中光谱特性曲线8G所示阻断绿色波长范围λg而透射蓝色波长范围λb和红光波长范围λr的滤光器，或者为如图4中的光谱特性线8R所示阻断红色波长范围λr而透射蓝色波长范围λb和绿色波长范围λg的另一滤光器。这里，用来如光谱特性曲线8G所示阻断绿色波长范围λg的滤光器，可以由减弱部分绿色波长范围λg的滤光器所代替。进一步地，如光谱特性曲线8R所示阻断红色波长范围λr的滤光器，可以由减弱部分红色波长范围λr的滤光器所代替。

与图2类似，图4说明一种模式，其中原则上利用省略的分解光学系统将来自图3所示投影型显示装置100中的照明单元10的光通量引入液晶光阀30R、30G和30B。

如图4所示，在图3的投影型显示装置100中，将从照明单元10的光出口下部位置发射的光通量，作为从下向上透过的光通量3Ru和3Gu引入到红色和绿色液晶光阀30R和30G，且作为具有相反的垂直关系的从上向下透过的光通量3Bd引入蓝色液晶光阀30B。同时，将从照明单元10的光出口上部位置发射的光通量，作为从上向下透过的光通量3Rd和3Gd引入红色和绿色液晶光阀30R和30G，且作为具有相反的垂直关系的从下向上透过的光通量3Bu引入蓝色液晶光阀30B。

但是，将只阻断绿色波长范围λg或红色波长范围λr的滤光器18安置在邻近照明单元10光出口的上部位置。

因此，设置只阻断绿色波长范围λg的滤光器作为滤光器18，从而阻断从照明单元10的光出口上部位置发射的光通量中的绿光分量，这样，防止将绿色光3G作为从上向下透过并引起对比度下降的光通量3Gd引入绿色液晶光阀30G。

由于滤光器18不会阻断从照明单元10的光出口下部位置发射的光通量中的绿光分量，因此可将绿色光3G作为从下向上透过并提高对比度的光通量3Gu引入绿色液晶光阀30G。

因此，作为进入液晶光阀30G的光通量的对比度算术平均值，屏幕上的绿色对比度得到提高。且在这个情况下，进入液晶光阀30G的入射光量的减少量可以被抑制到最小。

从照明单元10光出口上部位置发射的光通量中的蓝光分量和红光分量不受滤光器18的影响，因而屏幕的蓝色和红色对比度不发生变化。

如果将只阻断红色波长范围λr的滤光器作为滤光器18而设置，则类似于以上描述的情况，屏幕的红色对比度得到提高。

可以对本实施例的投影型显示装置进行改进，从而使阻断绿色波长范围λg和红色波长范围λr而透过蓝色波长范围λb的滤光器作为滤光器18被安置。在这一情况下，根据前面所述显而易见，屏幕的绿色和红色对比度得到提高。

[第3实施例：图5至8]

图5示出应用本发明的又一投影型显示装置。

参照图5，该投影型显示装置100是参照图1和3的上述第一和第二实施例的投影型显示装置的改进。更特别地，本实例的投影型显示装置100是第一和第二实施例的投影型显示装置的结合，其中将滤光器17安置在邻近照明单元10的光出口的下部位置，将滤光器18安置在邻近照明单元10的光出口的上部位置。

例如，将如图6的光谱特性曲线7B所示只阻断蓝色波长范围λb的滤光器作为滤光器17安装，同时将如图6的光谱特性曲线8G或8R所示只阻断绿色波长范围λg或红色波长范围λr的另一滤光器作为滤光器18安装。

作为另一例子，将如图7的光谱特性曲线7B所示只阻断蓝色波长范围λb的滤光器作为滤光器17安装，同时将如图7的光谱特性曲线8GR所示阻断绿色波长范围λg和红色波长范围λr的另一滤光器作为滤光器18安装。

与图2和4类似，图8说明一种模式，其中原则上用省略的分解光学系统将从图5所示投影型显示装置100的照明单元10射出的光通量引入液晶光阀30R、30G和30B。

采用本实施例的投影型显示装置100，屏幕的蓝色对比度类似于图1实施例中的投影型显示装置100得到了提高。并且，根据滤光器18的光谱特性曲线，屏幕的绿色或红色对比度、或者绿色和红色的对比度与图3实施例的投影型显示装置100相类似得到了提高。

特别地，当将阻断绿色波长范围λg和红色波长范围λr的滤光器作为滤光器18安装的情况下，对于蓝、绿和红色，屏幕的对比度都得到提高。

[其它实施例]

滤光器17或18可以不设置在邻近于照明单元10的光出口处，而是作为如上所述在聚光透镜16的光发射面上形成的多层膜而安置，或者设置在多透镜阵列13的光入射侧，在多透镜阵列13和多透镜阵列14之间，在多透镜阵列14和偏振转换元件15之间，或者在偏振转换元件15和聚光透镜16之间等等。

这里的滤光器17和18以图5的实施例中投影型显示装置100中的模式安置时，它们可以沿与光通量中心轴1a倾斜相交的方向彼此相对安装，从而使它们中的一个邻近照明单元10的光出口安置，而另一个安置在多透镜阵列13的光入射侧。

当构成每个液晶光阀30R、30G和30B的液晶板具有与上述实施例的投影型显示装置100相反的视角特性时，当从下向上注视该液晶板时，对于任何从上向下透过液晶板的光通量，该液晶板具有足够高的光闸功能，但是当从上向下注视该液晶板时，对于任何从下向上透过液晶板的光通量，具有较差的光闸功能，与上述实施例中投影型显示装置100的情况相反，滤光器17被设置在高于光通量中心轴1a的位置，如邻近照明单元10的光出口的上部位置，而滤光器18被设置在低于光通量中心轴1a的位置，如邻近照明单元10的光出口的下部位置。另一方面，当从光发射面注视液晶板时，且构成每个液晶光阀30R、30G和30B的液晶板具有的视角特性使得当从左向右注视液晶板，对于任何从右向左透过液晶板的光通量表现出足够的光闸功能，但当从右向左注视液晶板，对于任何从左向右透过液晶板的光通量表现出较差的光闸功能，或者该液晶板具有相反的视角特性时，光学滤光器17被设置在相对于光通量中心轴1a向左的位置或者向右位置，同时光学滤光器18相反地被设置在相对于光通量中心轴1a的向右的位置或者向左的位置。

当上述实施例的投影型显示装置100对于蓝色光学路径具有不等长度时，可选地对于绿色或者红色光学路径可以具有不等长度。

另外，当如图9所示，将所述实施例应用于投影型显示装置100和屏幕是互相独立构造的前投影型显示装置时，本发明还可以应用于背投影型显示装置，其中作为如图10所示的投影型显示装置，对应于图9所示的投影型显示装置100的显示装置单元102、反射镜103和屏幕104安置在柜子101中。

对本发明的验证

根据图1、3或5所示投影型显示装置100中不设置光学滤光器17和光学滤光器18的比较例和在图1、3和5中投影型显示装置设置滤光器17或18、或光学滤光器17和18的实施例测量屏幕的对比度，以证实本发明的效果。

为了对比度的测量，将信号输入到液晶光阀30R、30G和30B，以在屏幕上投射出全白状态图像和全黑状态图像，利用亮度计在屏幕的中心位置测量全白状态亮度Yw和全黑状态亮度Yk，以确定对比率(Yw∶Yk)来计算出对比度值(Yw/Yk)。可以确定的是，对比度值越高，对比度越高，图像质量越好。

<比较例>

对于对比例，对比度值是400。

<执行例1>

在执行例1中，图1实施例的投影型显示装置100中的滤光器17只阻断蓝色波长范围λb。在这一情况下，对比度值是450。

<执行例2>

在执行例2中，图3实施例的投影型显示装置100中的滤光器18只阻断绿色波长范围λg。在这一情况下，对比度值是500。

<执行例3>

在执行例3中，图3实施例的投影型显示装置100中的滤光器18只阻断红色波长范围λr。在这一情况下，对比度值是470。

<执行例4>

在执行例4中，图5实施例的投影型显示装置100中的滤光器17只阻断蓝色波长范围λb，滤光器18只阻断绿色波长范围λg，。在这一情况下，对比度值是550。

<执行例5>

在执行例5中，图5实施例的投影型显示装置100中的滤光器17只阻断蓝色波长范围λb，滤光器18阻断绿色波长范围λg和红色波长范围λr。在这一情况下，对比度值是600。

上面采用术语描述了本发明的优选实施例，但这些描述仅是示意性的，可以理解的是，可以在不超出权利要求的实质和范围的情况下进行修改和变化。

Claims (9)

1.一种投影型显示装置，包括：

照明光学系统，用于从白光源发射作为光通量的光，该光通量的强度分布均匀；

分解光学系统，用于将发射的光通量分解为红、绿和蓝色光；

多个上述颜色的液晶光阀，上述颜色的分解彩色光被分别引入所述液晶光阀；

合成光学系统，用于合成从上述颜色的液晶光阀射出的上述颜色的图像光束；和

投影光学系统，用于将合成的图像光束投影在屏幕上；

其中从所述照明光学系统通过所述分解光学系统到达预定一种颜色的一液晶光阀的第一光学路径长于到达其它两种颜色的液晶光阀的第二光学路径；且

在所述白光源和所述分解光学系统之间，在跨过光通量中心轴彼此相对的两个位置中的一个位置上设置滤光器，以减弱或者阻断红、绿和蓝色光中一种或两种波长范围的光。

2.根据权利要求1所述的投影型显示装置，其中所述位置中的所述一个位置是对应于从光闸功能较差一侧引入所述一种预定颜色液晶光阀的光的位置，且在该位置安置作为所述滤光器的第一滤光器，该第一滤光器用于减弱或阻断引入所述一种预定颜色液晶光阀的波长范围的光，而使引入所述其它两种颜色液晶光阀的波长范围的光透过。

3.根据权利要求2所述的投影型显示装置，其中所述第一滤光器减弱或阻断蓝色波长范围的光，而使红色和绿色波长范围的光透过。

4.根据权利要求2所述的投影型显示装置，其中所述位置中的另一位置是对应于从光闸功能较差一侧引入所述其它颜色液晶光阀的光的位置，且在该位置安置作为所述滤光器的第二滤光器，该第二滤光器用于减弱或阻断引入所述其它两种颜色液晶光阀的一个或两个波长范围的光，而使至少包括引入所述预定一种颜色的液晶光阀的波长范围的光透过。

5.根据权利要求4所述的投影型显示装置，其中所述第二滤光器减弱或阻断至少红色和/或绿色波长范围的光，而使其余波长范围的光透过。

6.根据权利要求1所述的投影型显示装置，其中还包括中继光学系统，该中继光学系统设置在引入光的所述第一光学路径上，因此来自于所述照明光学系统的光通量照亮所述预定一种颜色液晶光阀的范围等于来自于所述照明光学系统的光通量照亮所述第二光学路径上的所述其它两种颜色液晶光阀的范围。

7.如权利要求1所述的投影型显示装置，其中所述照明光学系统包括反射器，用于反射来自所述白光源的光以使该光以基本平行的光线射出，以及成对的多透镜阵列，用于将来自所述反射器的基本平行的光线以具有均匀强度分布的光通量射出。

8.根据权利要求7所述的投影型显示装置，其中所述滤光器安置在所述成对多透镜阵列的光通量的发射侧附近。

9.根据权利要求7所述的投影型显示装置，其中所述滤光器安置在所述成对多透镜阵列之间。

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