CN1300997A - 彩色显示装置 - Google Patents

Abstract

一种新型彩色投影显示装置或者彩色微型显示装置,该装置中至少包括单色显示器件、第一光学透镜系统、彩色或双色发光屏、第二光学透镜系统等。单色显示器件中产生的隐含有彩色图像的单色图像经第一光学透镜系统投射在彩色或双色发光屏上,激发发光材料而转换成彩色图像,此彩色图像再经第二光学透镜系统放大,形成尺寸更大的彩色图像。本装置具有色纯好、亮度高、对比度好、图像清晰和成本低等优点,可用于投影显示和虚拟显示。

Description

彩色显示装置

本发明是关于彩色投影显示装置和彩色微型显示装置的改进。

随着HDTV的发展，彩色投影显示技术及其装置正发挥十分重要的作用。彩色投影显示装置是利用光学系统和投影空间将由信息控制的彩色发光图像放大并显示在投影屏幕上的装置。彩色显示投影装置通常由显示彩色发光图像的显示器件、光学透镜系统和投影屏幕等组成。其中显示器件可仅由一个彩色显示器件或红、绿、蓝三个单色显示器件或一组彩色显示器件或数组红、绿、蓝单色显示器件构成。目前主要的彩色投影显示方式有PRT(投影管)式、LCD(液晶显示屏)式和DMD(数字微镜器件)式。PRT彩色投影显示方式又分为单管式和三管式，目前几乎全采用三管式。LCD彩色投影显示方式又分为单屏式和三屏式，DMD彩色投影显示方式又分为单DMD式和三DMD式。投影屏幕的作用是提供一个光学传输表面，使显示器件上发光图像经光学透镜系统投射在投影屏幕上，形成画面尺寸更大的彩色图像。

近几年来微显示技术正突飞猛进地发展，彩色微型显示装置在计算机、通讯和娱乐等应用领域起着越来越重要的作用。由于肉眼无法分辨彩色微型显示器件上极小的像素，因此需用一光学放大系统放大图像。用于放大图像的方法有投影成像和虚拟成像，虚拟成像可简单地对彩色微型显示器件放大而进行，使用者直接通过透镜观看。用于虚拟显示的彩色微型显示器件主要是AMLCD，特别是CMOS-AMLCD，其次是p-SiAMLCD，它们也分成单屏式和三屏式，另外还有DMD等，DMD也分成单DMD式和三DMD式。

但现有结构的彩色投影显示装置和彩色微型显示装置(以下有时统称为显示装置)有以下缺点：对于三PRT式、三液晶屏式和三DMD式显示装置而言，光学系统较复杂，成本高，同时红、绿、蓝三色发光图像的会聚较难，图像质量易受影响。对于单液晶屏式显示装置而言，虽然装置简化，但需要通过分色镜等将红、绿、蓝光进行分色，并且要分别使其以一定角度正确照射在液晶屏中相应的红、绿、蓝色像素上，对光学系统的要求更加严格。对于单DMD式显示装置而言，装置也简化，但是需要采用机械方法使滤色轮保持恒定的转速高速转动，并且亮度显著降低，图像质量较差。

本发明的目的在于解决现有的显示装置中存在的上述缺点。本发明的单屏式和单DMD式显示装置中采取以下方法：1．用显示单色图像的单色显示器件代替现有显示装置中显示彩色图像的显示器件，在单色图像中隐含有彩色图像，2．在投影屏幕前增加一个彩色或双色发光屏和一个光学透镜系统，可实现这一目的。

下面进行详细说明。

 LCD彩色投影显示方式分为三屏式和单屏式，三屏式原理是把来自光源的白色光通过分色镜分成红、绿、蓝三色光，分别照射到各自对应的液晶屏上，在三块液晶屏中像素分别经红、绿、蓝三种基色信号调制，产生红、绿、蓝单色图像，经会聚和合成，最后投射到投影屏幕上，形成尺寸更大的彩色图像。三屏式彩色投影显示装置复杂，图像会聚较难。单屏式原理是把来自光源的白色光通过三个倾斜排列的分色镜等分成红、绿、蓝三色光，分别使其以一定角度正确照射在液晶屏中相应的红、绿、蓝三类像素上，经红、绿、蓝三种基色信号调制后，产生彩色图像，此彩色图像再投射到投影屏幕上，形成尺寸更大的彩色图像。单屏式彩色投影显示装置虽然简单，但对分色光学系统的要求更复杂和更严格。

本发明的单屏式彩色投影显示装置中主要采用蓝色光源、一个液晶屏、第一光学投影系统、双色发光屏、第二光学投影系统和投影屏幕等。蓝色光源和一个液晶屏构成蓝色显示器件。在液晶屏中像素分为红、绿、蓝三类，它们分别对应于红、绿、蓝三种基色信号，在双色发光屏上涂复有红、绿色发光粉点，它们在蓝光激发下分别发出红、绿光，并分别对应于液晶屏中红、绿两类像素。其工作原理如下：当光源发出的蓝色光照射在液晶屏上时，红、绿、蓝三类像素分别受到红、绿、蓝基色信号调制，产生隐含有彩色图像的蓝色图像，蓝色图像通过第一光学投影系统投射到双色发光屏上，蓝色图像中受到红、绿基色信号调制的蓝色光分别激发双色发光屏上相应的红、绿色发光粉点，发出红、绿色光，而蓝色图像中受到蓝信号调制的蓝色光直接反射或者透射，从而使蓝色图像转换为彩色图像，此彩色图像再通过第二光学投影系统投射到投影屏幕上，形成尺寸更大的彩色图像。由于不需要分色镜等光学系统对红、绿、蓝三色光进行分色和合成，显示装置大为简化，成本显著下降，并且不存在彩色会聚的问题，彩色图像质量得到显著改善。与现有的单屏式彩色投影显示装置相比，本发明的单屏式彩色投影显示装置中液晶屏不仅可采用透射式，还可采用反射式，包括LCOS等。

DMD是最近出现并迅速发展的一种极有前途的新型显示器件，DMD彩色投影显示方式分为三DMD式和单DMD式。三DMD式原理类似于三屏式，即它把来自光源的白色光也通过分色镜分成红、绿、蓝三色光，再分别照射到各自对应的DMD上，在三个DMD中微镜(即像素)分别经红、绿、蓝基色信号调制后，产生红、绿、蓝单色图像，再经会聚、合成，最后投射到投影屏幕上形成画面尺寸更大的彩色图像。三DMD式结构与三屏式类似，主要区别是三块液晶屏被三个DMD代替。但在三屏式中液晶屏可用透射方式，也可用反射方式，在三DMD式中DMD只可用反射方式。三DMD式缺点和三液晶屏式大致相同。单DMD式采用一个DMD和具有红、绿、蓝光谱的白色光源，在光源和DMD间加入一个高速转动的滤色轮。当滤色轮转动时，它依次将白光转换为红、绿、蓝色光。当滤色轮转到红色区域时，显示红色图像，转到绿色区域时，显示绿色图像，转到蓝色区域时，显示蓝色图像。在滤色轮转速足够快的情况下，因人眼视觉暂留特性，形成彩色图像。单DMD式采用场顺序方法进行彩色显示，因此亮度显著降低，同时需要采用机械方法保证滤色轮以恒定的转速高速转动，图像质量容易受到影响。与三DMD式相比，单DMD式图像质量较差。

本发明的一种单DMD式彩色投影显示装置中主要采用一个DMD、紫外光源、第一光学投影系统、彩色发光屏、第二光学投影系统和投影屏幕等。紫外光源和DMD构成紫外色显示器件。在DMD中微镜分为红、绿、蓝三类，并分别对应于红、绿、蓝三种基色信号。彩色发光屏上涂复有红、绿、蓝色发光粉点，它们在紫外光激发下分别发出红、绿、蓝光，并分别对应于DMD中红、绿、蓝微镜。其工作原理如下：当光源发出的紫外光照射在DMD时，红、绿、蓝微镜分别受到红、绿、蓝三种基色信号调制，产生隐含有彩色图像的紫外色图像，当紫外色图像通过第一光学投影系统投射到彩色发光屏上时，在紫外色图像中受到红、绿、蓝信号调制的紫外光分别激发彩色发光屏上相应的红、绿、蓝色发光粉点，使紫外色图像转换为彩色图像，此彩色图像再通过第二光学投影系统投射到投影屏幕上，形成尺寸更大的彩色图像。由于不需要分色镜或滤色轮等光学部件对红、绿、蓝三色光进行分色和合成，显示装置大为简化，成本显著下降，并且不存在彩色会聚问题，发光效率又高，因此彩色图像质量获得了显著改善。

紫外光源可以是短波紫外光源，也可以是长波紫外光源，紫外光源还可以用紫色光源代替，相应地在彩色发光屏上要涂复不同发光材料的红、绿、蓝色发光粉点，以保证它们在不同波长的紫外光或紫色光激发下具有较高发光亮度。另外紫外光源也可用蓝色光源代替，此时取代彩色发光屏而采用涂复有红、绿色发光粉点的双色发光屏。液晶屏通常由偏振片、液晶等材料组成，偏振片、液晶都是高分子材料。如果采用蓝色光源，可以避免它们在紫外线作用下发生老化，增加寿命。液晶屏可用透射方式，也可用反射方式，为了增加开口率，在透射式液晶屏前可设置微透镜阵列(MLA)。DMD只可用反射方式。

为了提高对比度，改进色纯，在彩色或双色发光屏上红、绿、蓝光透射或反射的位置上可相应地设置红、绿、蓝色微滤光膜。在彩色或双色发光屏上涂复的红、绿、蓝色发光粉点中发光材料可以是无机发光材料，也可是有机发光材料。对于短波紫外光源，发光材料主要选用无机发光材料，例如三基色荧光灯用红、绿、蓝色发光材料。而对于长波紫外光源，无机发光材料主要选用荧光水银灯用红、绿、蓝发光材料，有机发光材料主要选用红、绿、蓝荧光色素。对于蓝色光源，红、绿色发光材料主要选用有机发光材料，例如红、绿荧光色素。

以上说明也适用于彩色微型显示装置，但在彩色微型显示装置中投影屏幕不再需要，第一投影光学系统的主要作用仍然是将在单色显示器件中产生的隐含有彩色图像的单色图像投射在彩色或双色发光屏上，而第二投影光学系统的作用也不再是通过投影来放大图像，而仅仅是放大图像，即通过它直接观看图像而获得一个放大的虚拟彩色图像。因此彩色投影显示装置中的第二投影光学系统在彩色微型显示装置中应称作光学放大系统，相应地彩色投影装置中的第一投影光学系统在微型彩色显示装置中应称作投影光学系统。为了叙述方便，可分别将其统称作第一光学透镜系统和第二光学透镜系统。

根据以上的分析可知：(1)单色显示器件的作用是产生隐含有彩色图像的单色图像，如果使单色图像激发发光材料，则它将转换成彩色图像。单色显示器件可以是紫外色显示器件，它发出紫外色光，产生不可见的紫外色图像，单色显示器件也可以是紫色或蓝色显示器件，它发出紫色或蓝色光，产生可见的紫色图像或蓝色图像。(2)第一光学透镜系统的主要作用是将在单色显示器件中产生的隐含有彩色图像的单色图像投射在彩色或双色发光屏上。根据需要，它可起放大图像的作用。(3)彩色或双色发光屏的作用是通过发光粉点中发光材料的光致发光将投射在其上的单色图像转换成彩色图像。(4)第二光学透镜系统的作用是放大图像，在彩色投影显示装置中它起投影放大成像的作用，即将彩色或者双色发光屏上彩色图像投射在投影屏幕上，形成尺寸更大的彩色图像。它在微型彩色显示装置中起虚拟放大成像的作用，即通过它直接观看彩色或双色发光屏上彩色图像而获得一个放大的虚拟彩色图像。

总之，本发明的彩色投影显示装置或彩色微型显示装置中至少包括单色显示器件、第一光学透镜系统、彩色或双色发光屏、第二光学透镜系统，在单色显示器件中产生的隐含有彩色图像的单色图像经第一光学透镜系统投射在彩色或双色发光屏上，激发发光材料而转换成彩色图像，此彩色图像再经第二光学透镜系统放大，形成尺寸更大的彩色图像。对于紫外色或紫色显示器件，在彩色发光屏上涂复有红、绿、蓝色发光粉点，它们在紫外光或紫色光激发下分别发出红、绿、蓝色光。对于蓝色显示器件，在双色发光屏上涂复有红、绿色发光粉点，它们在蓝色光激发下分别发出红、绿色光。单色显示器件由具有相同颜色的光源和液晶屏或数字微镜器件组成。在彩色或双色发光屏上涂复的发光粉点中发光材料可以是无机发光材料，也可以是有机发光材料。

本发明的显示装置仅使用一个单色显示器件，光学系统简单，不需要对红、绿、蓝三色光分色和合成，成本低，并且不存在会聚问题，亮度较高，图像质量获得较大改善，它不仅适用于背投式，而且适用于前投式。

图1、图2、图4和图5是本发明的显示装置结构图。1A是铅-汞囟化物灯，1B是碘化铟灯，1C是带有蓝色冷阴极荧光灯的背光源，2A是DMD，2B是反射式TFT-液晶屏，2C是透射式低温多晶硅TFT-液晶屏，3A是第一投影透镜系统，3B是投影透镜系统，4A是彩色发光屏，4B是双色发光屏，5A是第二投影透镜系统，5B是放大透镜系统，6是投影屏幕，⑥是虚拟图像，F是滤光镜，R、G、B分别是红、绿、蓝色发光粉点，R-CF、G-CF、B-CF分别是蓝色微滤光膜，E是观看者。图3是现有的单DMD式彩色投影显示装置结构图，1是白色金属囟化物灯，4是投影屏幕，FW是滤色轮，M是马达，其余同上。图6是现有的单屏式彩色投影显示装置结构图，2是非晶硅TFT-液晶屏，MLA是微透镜阵列，M1、M2和M3是分色镜，I是集光器，L是准直透镜，R是反射镜，其余同上。图7是现有三屏式彩色投影显示装置结构图，2R、2G、2B分别是红、绿、蓝多晶硅TFT-液晶屏，M1、M2、M3和M4是分色镜，R1、R2是反射镜。

下面以实例具体说明。

实例1

在图1的彩色投影显示装置中1A是铅-汞囟化物灯，2A是DMD，3A是第一投影透镜系统，4A是彩色发光屏，5A是第二投影透镜系统，6是投影屏幕。DMD上有307200组微镜，每组微镜由红、绿、蓝各一个微镜构成，红、绿、蓝微镜按品字形排列，它们分别对应于红、绿、蓝基色信号。在彩色发光屏上涂复有307200组按品字形排列的红、绿、蓝色发光粉点(R、G、B)，它们分别与DMD上红、绿、蓝微镜相对应。当铅-汞囟化物灯发出的紫外光投射在DMD上时，红、绿、蓝微镜受到红、绿、蓝基色信号调制，产生隐含有彩色图像的紫外色图像，紫外色图像经第一投影透镜系统投射到彩色发光屏上，在紫外色图像中经红、绿、蓝基色信号调制的紫外光分别激发彩色发光屏上相应的红、绿、蓝色发光粉点，从而将隐含的彩色图像转换为可见的彩色发光图像，此彩色发光图像再经第二投影透镜系统投射到投影屏幕上，形成尺寸更大的彩色图像。

实例2

在图2的彩色投影显示装置中1B是碘化铟灯，4B是双色发光屏。在双色发光屏上涂复有307200组按照品字形排列的红色发光粉点(R)、绿色发光粉点(G)和蓝色微滤光膜(B-CF)，它们分别与DMD上红、绿、蓝微镜相对应。其余同实例1。当碘化铟灯发出的蓝色光投射在DMD上时，红、绿、蓝微镜分别受到红、绿、蓝基色信号调制，产生隐含有彩色图像的蓝色图像，此蓝色图像经第一投影透镜系统投射到双色发光屏上，蓝色图像中经红、绿信号调制的蓝色光分别激发双色发光屏上相应的红、绿色发光粉点，发出红、绿光，而蓝色图像中经蓝色信号调制的蓝光直接通过蓝色微滤光膜，这样隐含有彩色图像的蓝色图像转换为彩色图像，此彩色图像再经第二投影透镜系统投射到投影屏幕上，形成尺寸更大的彩色图像。

实例3

在图4的彩色投影显示装置中1B是碘化铟灯，2B是反射式TFT-液晶屏，4B是双色发光屏。在液晶屏上涂复有480000组像素，每组像素由按品字形排列的红、绿、蓝各一个像素构成，它们分别对应于红、绿、蓝基色信号。在双色发光屏上涂复有480000组按品字形排列的红色发光粉点(R)、绿色发光粉点(G)和蓝色微滤光膜(B-CF)，它们分别与液晶屏上红、绿、蓝像素相对应，在R、G上分别设置红色、绿色微滤光膜(R-CF、G-CF)。其余同实例1。当碘化铟灯发出的蓝色光投射在液晶屏上时，红、绿、蓝像素分别受到红、绿、蓝基色信号调制，产生隐含有彩色图像的蓝色图像，此蓝色图像经第一投影透镜系统投射到双色发光屏上，蓝色图像中经红、绿基色信号调制的蓝色光分别激发双色发光屏上相应的红、绿色发光粉点，发出红、绿光而通过红、绿色微滤光膜，蓝色图像中经蓝色信号调制的蓝光直接通过蓝色微滤光膜，这样隐含有彩色图像的蓝色图像转换为彩色图像，此彩色图像再经第二投影透镜系统投射到投影屏幕上，形成尺寸更大的彩色图像。

实例4

在图5的微型彩色显示装置中1C是带蓝色冷阴极荧光灯的背光源，2C是透射式低温多晶硅TFT-液晶屏，3B是投影透镜系统，4B是双色发光屏，5B是放大透镜系统，⑥是虚拟图像，E是观看者。在液晶屏上涂复有76800组按品字形排列的红、绿、蓝像素，它们分别对应于红、绿、蓝基色信号。在彩色发光屏上也涂复有76800组按品字形排列的红色发光粉点(R)、绿色发光粉点(G)和蓝色微滤光膜(B-CF)，它们分别与液晶屏上红、绿、蓝像素相对应。当蓝色冷阴极荧光灯发出的蓝色光投射在液晶屏上时，红、绿、蓝像素分别受到红、绿、蓝基色信号调制，产生隐含有彩色图像的蓝色图像，此蓝色图像经投影透镜系统投射到双色发光屏上，蓝色图像中经红、绿信号调制的蓝色光分别激发双色发光屏上相应的红、绿色发光粉点，发出红、绿光，蓝色图像中经蓝色信号调制的蓝光直接通过蓝色微滤光膜，这样隐含有彩色图像的蓝色图像转换为彩色图像，通过放大透镜系统观看此图像，就可看到一个放大的虚拟彩色图像。

Claims (5)

1．一种新型彩色投影显示装置或者彩色微型显示装置，其特征是该装置中至少包括单色显示器件、第一光学透镜系统、彩色或者双色发光屏、第二光学透镜系统，在单色显示器件中产生的隐含有彩色图像的单色图像经第一光学透镜系统投射在彩色或双色发光屏上，激发发光材料而转换成彩色图像，此彩色图像再经第二光学透镜系统放大，形成尺寸更大的彩色图像。

2．根据权利要求1的彩色投影显示装置或者彩色微型显示装置，其特征是单色显示器件是紫外色或紫色显示器件，在彩色发光屏上涂复有红、绿、蓝色发光粉点，它们在紫外光或紫色光激发下分别发出红、绿、蓝色光。

3．根据权利根要求1的彩色投影显示装置或者彩色微型显示装置，其特征是单 色显示器件是蓝色显示器件，在双色发光屏上涂复有红、绿色发光粉点，它们在 蓝色光激发下分别发出红、绿色光。

4．根据权利要求2至3的彩色投影显示装置或者彩色微型显示装置，其特征是单色显示器件由具有相同颜色的光源和液晶屏或数字微镜器件组成。

5．根据权利要求2至3的彩色投影显示装置或者彩色微型显示装置，其特征是彩色或双色发光屏上涂复的发光粉点中发光材料可以是无机发光材料，也可以是有机发光材料。

Images