CN1451240A - 液晶彩色显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液晶彩色显示器件，包括：一个白色光源(1)；用于形成补色光束B、G、R的装置；至少一个液晶矩阵，液晶矩阵配有光学装置，用于向对于每一种基色指定的液晶聚焦光束B、G、R，并且改变由这些液晶发出的光；和一个光学系统(15)，用于向屏幕投影液晶图像，并且通过基本光点来合并这些图像。所说的器件包括：分光装置(S)，用于形成包含三基色B、G、R的混合光的两个基本光源(1a、1b)，这些基本光源(1a、1b)是分隔开的；和至少两个光通道(Cg、Crb)，每个光通道都包括一个LCD矩阵(Mg、Mrb)，一个光通道(Cg)分配给单个基色G，其它的光通道(一个或多个)分配给另外两个基色B和R。

Description

液晶彩色显示器件

本发明涉及一种液晶彩色显示器件，这种液晶彩色显示器件包括：

一个多色光源，尤其是白色的光源；

用于从这个光源形成补色光束的装置，这些补色光束的波长范围不同并且分别对应于三基色蓝色B、绿色G和红色R；

至少一个液晶矩阵，所说的液晶矩阵配备有光学装置，用于向分别分配给每一种三基色的液晶聚焦对应的补色光束，提供电子装置以便作用在液晶上并且按照期望的强度改变由液晶发出的光；和

一个光学系统，用于向屏幕投射液晶图像，通过基本光点来组合液晶图像。

这种类型的彩色显示器件是公知的，通常称之为“空间彩色投影仪”，其中使由光源发出的白光形成为指向三个分色滤光器的平行光束，所说的三个分色滤光器相对于白光光束的平均方向倾斜不同的角度。使用三个分色滤光器是为了产生对应于三基色B、G、R的三个补色光束。这三个补色光束在液晶矩阵上的入射角略有不同，所以每个基本光束聚焦在定位分配给三基色的液晶的不同点。可以回顾一下，液晶不是自我照明的，为了构成光点必须对它们进行照明。

因此，在这种器件中，液晶矩阵的每个水平线包括分配给B、G、R、B、G、R、如此等等的一系列的液晶，也称之为像素。在发生投影的屏幕上，单个基本光点对应于三个基本像素B、G、R，光点的颜色取决于每个对应的基本像素B、G、R的强度。

因此很明显，在投影到屏幕的图像的水平方向的清晰度下降了。例如，如果液晶矩阵包括沿水平方向的999个像素，则在投影到屏幕的水平线上只有999/3＝333个彩色光点。

可以想像，通过增加每个液晶矩阵的水平线的像素数目就可以改进水平清晰度。然而，这样作可能导致垂直/水平的不平衡以及与为了在像素上形成光束图像而提供有液晶矩阵的装置有关的光学孔径问题。

此外，众所周知，人眼的感光度不是对于所有的频率都是均匀的，人眼的感光度对于绿色光是最大的。

因此期望考虑到这一事实以改进彩色再现性。

于是，本发明的一个目的是提供一种液晶彩色显示器件，这种液晶彩色显示器件使改进投影到屏幕的图像的分辨率和彩色再现性成为可能，但又不会使液晶矩阵的制造过程复杂化。

按照本发明，上述定义的液晶彩色显示器件的特征在于它包括：

分光装置，用于从多色光源形成至少两个具有不同波长范围的基本光源，但这些波长范围包含三基色B、G、R的混合，这些基本光源的几何位置是相互分开的；和

至少两个光通道，每个光通路都包括一个液晶矩阵，一个光通道分配给单个基色G，其它的光通道(一个或多个)分配给其它的两个基色B和R。

优选地，只提供两个光通道，并且分配给每个光通道的液晶矩阵都是相同的，具有相同的像素数目，因此在G(绿)光通道的分辨率是两个其它基色B和R的分辨率的两倍，两个其它基色B和R共享其它矩阵的像素的。

有益地，用于形成两个基本光源的分光装置包括用于按照波长偏转光的装置，具体来说是一个光栅，并且优选的是一个校准棱镜，它设置在白光光源的出口。两个光波导接收一部分光束，每个光波导给出波长范围不同于另一个基本光源的波长范围的一个基本光源作为输出。第一基本光源可以对应于一个较小的波长范围，例如从420nm到550nm的可见光谱的下端，另一个基本光源对应于较大的波长范围，例如从550nm到680nm的可见光谱的上端。

在两个光波导的出口提供分光器，以便产生两个光通道，一个光通道分配给单个绿色G，另一个分配给蓝色B和红色R。分光器可以由反射B和R并且透射G的一个分色滤光器组成，或者相反，由透射B和R并且反射G的一个分色滤光器组成。

优选地，两个光通道成90°设置，形成分配给每个光通道的两个矩阵。分色滤光器相对于光轴倾斜45°。然后，借助于倾斜45°的二色性复合镜或半透明的反光镜，实现两个光通道的合并。

两个光波导的输出对应于两个补色光源并分开几个毫米，这两个补色光源使得在两个不同的角度照明液晶矩阵从而使光束聚焦在两个相邻像素成为可能；对于绿色光通道，用两束绿光照亮两个相邻像素，而对于红一蓝光通道，将两个相邻像素分别地分配给红色和蓝色。

优选地，把一个菲涅尔透镜放在分光器和液晶矩阵之间。还是优选地，将一个简单的透镜放在菲涅尔透镜和液晶矩阵之间以折叠(即反射)光束，最好是90°。

与上述的安排不同，本发明有一系列不同的安排，下面将针对参照附图描述的实例对这些不同的安排进行详细说明，但这决不是限制。

图1是按照本发明的一个整体液晶彩色显示器件的示意图。

图2是带有绿色微透镜的液晶矩阵的部分放大的示意图。

图3以和图2类似的方式表示带有蓝和红色的微透镜的液晶矩阵。

图1表示的是一个液晶彩色显示器件A。

这个器件包括一个白光光源1，例如由电弧形成，白光光源1配备有一个椭圆形的反射器2。来自于光源1的光是三基色即蓝B、绿G、和红R的混合光。

提供分光装置S是为了从白光光源1形成具有不同波长范围的两个基本光源1a、1b。这两个基本光源1a、1b的几何位置是分开的。

分光装置S包括一个光栅3，例如光栅3具有220l/mm(线/毫米)，光栅3按照波长以不同的形式反射光。在距光栅S某个距离的一个平面P内，光在垂直于传播方向的方向传播。图中示意地并且简化地表示了三个区B、G、R。实际上，波长的分开不是突然的，而是渐进的，尤其是在连续光谱的情况下更是如此。

为了防止出现由光栅3产生的象差(慧形象差)最好提供一个棱镜4，将它放在光栅3和光源1之间，棱镜4可以提供一个良好的校正，并将光轴保持在灯1的轴上。

将两个并列的光波导5a、5b放在灯1的光轴的任一边，一个面在这个光轴上。每个光波导5a、5b可以由一个截头棱锥形成，截头棱锥由玻璃或透明塑料制成，截头棱锥的两个平行的底边垂直于光轴，小的底边转向光栅3。光波导5a、5b的入口面在平面P内。位于图1中所表示的上边的一个光波导5a基本上接收从绿到蓝例如从550nm到420nm的波长，而光波导5b基本上接收从绿到红例如从550nm到680nm的波长。

光波导5a、5b在出口都配有聚光器6a、6b，用于形成基本光源1a、1b。两个基本光源1a、1b的中心沿垂直于灯1的光轴的方向是分开的。每个基本光源1a、1b发出的光都包含各个基色的混合光。

在光波导5a、5b的后面放置一个梯度分色滤光器F1，该滤光器相对于光轴倾斜45°角。

在滤光器F1的一端的周围，从基本光源1a、1b发出的光线的平均方向与这个滤光器成角度α1，但在滤光器F1的另一端，光线的平均方向与滤光器F1的角度是α2。对于滤光器F1进行设计，以使在这个波长内对于两个角度α1和α2的截止波长是相同的，或者接近相同。

对于梯度分色滤光器F1进行设计，以使例如可以透过绿色G并且反射蓝色B和红色R。图1中的示意图对应于这样一种分色滤光器F1。

作为一种变形，可以将梯度分色滤光器设计为反射G并且透过B和R。

滤波光F1产生两个光通道Cg和Crb，每个光通道都包括一个液晶矩阵Mg和Mrb。具有液晶矩阵Mg的光通道Cg分配给单个基色G，而具有液晶矩阵Mrb的另一个光通道Crb分配给另外两个基色R和B。

光通道Cg在滤光器F1之后包括例如由塑料制成的一个菲涅尔透镜L，它垂直于光源1的光轴并且给出平行光束。

放在菲涅尔透镜L之后的是一个简单透镜7，它对于光轴倾斜45°，从而可以将光束偏转90°。

液晶矩阵Mg放在简单透镜7之后，和透镜L成直角。

如图2中可以看见的，液晶矩阵Mg包括透明的液晶或基本像素8a、8b、9a、9b，将它们放在垂直于光的平均方向的一个平面内。平行像素的行与图2中所示的类似，沿垂直于图2的平面的方向一个接一个地排列。这些像素都是成对关联的，8a、8b，如此等等，成对像素中的每个像素对于基本光源1a、1b之一。在对应的像素8a、9a；8b、9b等上，形成基本光源1a、1b的图像。

为此目的，为液晶矩阵(LCD矩阵)配备由塑料或玻璃制成的透明板10，在此板的一个面上形成多个微透镜11，这些微透镜都由垂直于图2的平面的圆柱形凸表面构成。任何一个微透镜11都在两个不同的角度接收从光源1a、1b发出的两个平行光束。入射角的差使光源1a、1b产生几何上的分离。不同入射角的每个光束都聚焦到一个对应的像素上。

对于液晶矩阵Mg，两个成对像素8a、8b由绿光G(但在平均波长略有差异)照明，这种情况在图2中由对于每个像素指定的字母G表示。

液晶矩阵Mrb最好和液晶矩阵Mg相同，具有相同数目的像素。蓝光B的平行光束从1a发出，它的倾斜角度不同于从1b发出的红光R的平行光束的倾斜角度。蓝光光束B例如聚焦到像素8a、9a等，这由字母B表示，而红光光束R聚焦到像素8b、9b，这由字母R表示。光点B和光点R的数目将是光点G的数目的一半。

提供电子装置是为了响应于由微透镜10提供的照明按照对这个像素期望的光强度来驱动每个基本像素8a、8b、9a、9b、等。

总之，使用由光波导5a、5b的输出形成的隔开几个毫米的两个补色光源1a、1b在两个不同的角度照明液晶，从而使从光源1a发出的能量聚焦在像素8a上，使从另一个光源1b发出的能量聚焦在相邻的像素8b上，每两个像素沿同一个行重复这个方案。

紧挨着液晶矩阵Mg或Mrb前边放置的是一个偏振滤光片12，用于减小寄生光干扰。在液晶矩阵的出口放置一个分析滤光片13。

通过滤光片F1将第二光通道Crb相对于光源1的光轴偏转90°。这个光通道Crb也包括一个菲涅尔透镜L，接下去是一个倾斜45°的简单透镜7，从而可以沿平行于光源1的轴的一个轴、向和矩阵Mg成直角放置的液晶矩阵Mrb发送光。

通过相对于两个液晶矩阵Mg和Mrb的平面的等分线倾斜45°的半透明反光镜14，可以将由矩阵Mg和Mrb的液晶发射的两个光束合并在一起。反光镜14可以与滤光器F1对齐。有益地，反光镜14还可以是一个二色性复合镜。

在反光镜14之后的是投射图像的基本光点的一个广角物镜15(例如，F/D约为1.6)，这个图像是通过在屏幕16上合并调制的像素G、B、R获得的。屏幕16可以是透明的，以便在物镜15的对侧可以观察到图像。

投影仪的操作来源于上述的说明。

主要由B和G构成的光束通过光波导5a传播，而主要由G和R构成的光束通过光波导5b传播。在几何上分开的两个基本光源1a和1b发射波长范围不同的光束。

分色滤光器F1让从光源1a和1b发出的光束的分量G通过。这些光束以两个略有不同的角度入射到液晶矩阵Mg上。每个光束都聚焦在一个相关的液晶上。

按这种方式照明的液晶矩阵Mg的每个液晶或像素8a、8b、9a、9b等发射或透过绿光，这个绿光的强度由控制信号调制，而这个控制信号是由和所关心的像素有关的电子装置E传递的。

由光源1a发出的光束的分量B由分色滤光器F1偏转。这个分量B加到从光源1b发出的光束的分量R上。这两个光束B和R以略有不同的角度引向液晶矩阵Mrb。光束B例如聚焦到液晶矩阵Mrb的液晶8a、9a等上，而光束R例如聚焦到液晶矩阵Mrb的液晶8b、9b等上。基本像素B和R的光强度取决于通过电子装置E传递的指令。

接下去，合并由液晶矩阵Mg的像素形成的光点和由液晶矩阵Mrb的像素形成的光点。物镜15将这样合并的基本光点投影到屏幕16上。

对整个系统进行设计，以使投影到屏幕16上的图像的每个彩色光点都来自于矩阵Mg的两个像素(例如8a、8b)、以及矩阵Mrb的一个像素B和一个像素R(例如分别是8a和8b)的合并。

优选地，两个矩阵Mg和Mrb是相同的，并且例如由XGA(1024×768)LCD矩阵组成，这就是说沿水平方向有1024个像素，沿垂直方向有768个像素。

该系统使用了两个光波导5a、5b，它们实现了光谱分裂和组合。光谱分裂是通过对于两个光波导的入口的物理限制实现的，一个光波导可透过可见光谱的低端，从550nm到420nm，另一个光波导可透过可见光谱的高端，从680nm到550nm。光波导5a、5b组合成所关心的光谱，光波导的输出实现了空间彩色效应所需要的角度分裂。

在光波导的出口使用两个物镜或聚光器6a、6b，从而可以在LCD平面内形成这个输出的图像。

在具有两个透射型LCDMg和Mrb的投影仪中，期望其中之一用于绿色G，另一个用于蓝色B和红色R，光谱分裂是通过45°的反光镜或滤光器F1实现的，和也由反光镜14再组合，两个反光镜相互对齐，LCD相对于这些反光镜成45°，LCD相互之间成90°。

提供有足够大孔径的投影物镜15，以便接纳由照明系统产生的光束的光量。

与沿单个矩阵的单个像素行分解三基色B、G、R的投影仪相比，按照本发明的投影器件使得改进总的分辨率成为可能。进而，彩色再现性较好，因为眼睛最敏感的绿色从较高效率的系数中受益。

投影物镜15的孔径较小，因此这种物镜不太昂贵，并且容易制造。

光谱分裂得到了改进，并且在使用反光镜的情况下避免一个光通道被另一个光通道干扰。

相对于两个反光镜的空间彩色投影仪，损耗降低了，这是因为在透镜之后的出口距离缩短了。

Claims (15)

1.一种液晶彩色显示器件，包括：

一个多色的光源(1)，特别是白色的光源；

用于从这个光源形成补色光束的装置，补色光束的波长范围不同于并且分别对应于三基色：蓝B、绿G、红R；

至少一个液晶矩阵，液晶矩阵配有光学装置，用于向对于每一种基色指定的液晶分别聚焦对应的补色光束(B、G、R)，提供电子装置(E)以作用在各个液晶上并且按照期望的强度改变由这些液晶发出的光；和

一个光学系统(15)，用于向屏幕投影液晶图像，并且通过基本光点来合并这些图像；

其特征在于包括：

分光装置(S)，用于从多色度光源形成具有不同波长范围但包含三基色B、G、R的混合光的至少两个基本光源(1a、1b)，这些基本光源(1a、1b)在几何上是分隔开的；和

至少两个光通道(Cg、Crb)，每个光通道都包括一个液晶矩阵(Mg、Mrb)，一个光通道(Cg)分配给单个基色G，其它的一个或多个光通道分配给另外两个基色B和R。

2.根据权利要求1所述的显示器件，其特征在于只提供两个光通道(Cg、Crb)。

3.根据权利要求1所述的显示器件，其特征在于分配给每个光通道的液晶矩阵(Mg、Mrb)都是相同的，具有相同的像素数目，因此在G(绿)光通道的分辨率是两个其它基色B和R的分辨率的两倍，两个其它基色B和R分享另一个矩阵的像素。

4.根据前述的权利要求之一所述的显示器件，其特征在于分光装置(S)包括用于按照波长偏转光的装置，具体来说是一个光栅(3)。

5.根据权利要求4所述的显示器件，其特征在于校准棱镜(4)设置在光源(1)的出口。

6.根据权利要求4或5所述的显示器件，其特征在于两个光波导(5a、5b)接收一部分光束，每个光波导(5a、5b)给出波长范围不同于另一个基本光源的波长范围的一个基本光源(1a、1b)作为输出。

7.根据前述的权利要求之一所述的显示器件，其特征在于第一基本光源(1a)对应于一个较小的波长范围，另一个基本光源(1b)对应于较大的波长范围。

8.根据权利要求7所述的显示器件，其特征在于第一基本光源(1a)对应于可见光谱的下端，从420nm到550nm，另一个基本光源(1b)对应于可见光谱的上端，从550nm到680nm。

9.根据权利要求6所述的显示器件，其特征在于在两个光波导的出口提供分光器(F1)，以便产生两个光通道，一个光通道(Cg)分配给单个绿色G，另一个光通道(Crb)分配给蓝色B和红色R。

10.根据权利要求9所述的显示器件，其特征在于分光器由反射B和R并且透射G的一个分色滤光器组成，或者相反，由透射B和R并且反射G的一个分色滤光器组成。

11.根据前述的权利要求之一所述的显示器件，其特征在于两个光通道(Cg、Crb)成90°设置，形成分配给每个光通道的两个矩阵(Mg、Mrb)，借助于倾斜45°的二色性复合镜或半透明的反光镜(14)，实现两个光通道的合并。

12.根据前述的权利要求之一所述的显示器件，其特征在于：对于绿色光通道(Cg)，用两束绿光G照亮两个相邻像素(8a、8b)，而对于红一蓝光通道(Crb)，将两个相邻像素(8a、8b)分别地分配给红色R和蓝色B。

13.根据前述的权利要求之一所述的显示器件，其特征在于：把一个菲涅尔透镜(L)放在分光器(F1)和液晶矩阵之间。

14.根据权利要求13所述的显示器件，其特征在于将一个简单的透镜(7)放在菲涅尔透镜(L)和液晶矩阵(Mg、Mrb)之间以折叠光束，最好是90°。

15.根据前述的权利要求之一所述的显示器件，其特征在于：光源(1)配备有椭圆形的反射器(2)。

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