CN1700055A - 投影显示器 - Google Patents

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Abstract

一种投影显示器，包括：第一至第三光源单元，用于分别辐射不同颜色的光束；光路组合单元，用于组合第一至第三光束的光路；光学调制器，用于根据图像信息顺序地调制第一至第三光束；和投影透镜单元，用于将调制的光束放大并将其投射到屏幕上。该光路组合单元包括第一棱镜和第二棱镜。第一棱镜包括：第一和第二入射表面，第一和第二光束分别通过其入射；第一出射表面；和第一选择反射表面，用于将第二光束透射到第一出射表面上。第二棱镜包括：第三入射表面，第三光束从其入射；第四入射表面，从第一出射表面出射的第一和第二光束从该表面入射；第二出射表面；和第二选择反射表面，用于反射第三光束，并将第一和第二光束透射到第二出射表面上。

Description

投影显示器
本申请要求于2004年5月22日在韩国知识产权局提交的第10-2004-0036638号韩国专利申请的利益，该申请公开于此，以资参考。
                         技术领域
本发明总体构思涉及一种投影显示器，其调制具有不同颜色的多个光束以适合于图像信息、放大并投影调制的光束以显示彩色图像。
                         背景技术
投影显示器包括用于调制光以适合于图像信息的光学调制器和用于照亮光学调制器的照明单元。金属卤化物灯、超高压汞灯等已经用于照明单元。然而，这些灯具有较短的寿命，最多几千小时。因此，当使用包括这些灯的传统的投影显示器时，必须频繁地用新的灯更换这些灯。此外，照明单元需要色转轮来将从这些灯发射的白光分成红(R)、绿(G)、和蓝(B)光束，从而放大照明单元。
近来，正在开发采用紧凑光源如发光二极管(LED)的投影显示器。第2001-305658号和2003-186110号日本专利公开披露了使用LED的投影显示器。LED发射比金属卤化物灯或超高压汞灯相对少的光。因此，LED阵列被用作投影显示器的光源。为了增加入射到屏幕上的有效光的量，在从LED发出的光投射到光学调制器之前，光被准直。在这种情况下，由于必须包括在会聚光学系统中的透镜，因此聚光效率降低。
                         发明内容
本发明总体构思提供一种包括具有长寿命的紧凑照明光学系统的投影显示器。
将在下面的描述中部分阐述本发明总体构思的另外的方面和优点，另外的部分，通过该描述将是清楚的，或者通过实施本发明总体构思来了解。
本发明总体构思的上述和/或其他方面和优点可通过提供一种投影显示器来实现，该投影显示器包括：第一至第三光源单元，用于分别辐射具有不同颜色的第一至第三光束；光路组合单元，用于将第一至第三光束的光路组合；光学调制器，用于根据图像信息顺序地调制第一至第三光束；和投影透镜单元，用于放大调制的光束并将其投射到屏幕上。光路组合单元包括第一和第二棱镜。第一棱镜包括：第一和第二入射表面，第一和第二光束分别通过这些表面入射；第一出射表面；和第一选择反射表面，用于将第二光束透射到第一出射表面上。第二棱镜包括：第三入射表面，第三光束通过该表面入射；第四入射表面，通过第一出射表面出射的第一和第二光束通过该表面入射；第二出射表面；和第二选择反射表面，用于反射第三光束并将第一和第二光束透射到第二出射表面。
用于改变光的传播方向的偏转棱镜可以置于下列位置中定位至少一个上：第一光源单元和第一入射表面之间、第二光源单元和第二入射表面之间、以及第三光源单元和第三入射表面之间。气隙可形成在偏转棱镜的入射侧和出射侧的每个上。
第一至第三光源单元的每一个包括至少一个光学模块。该光学模块包括：准直仪，具有抛物面形状的第一反射表面；和紧凑光源，位于第一反射表面的焦点附近。该准直仪还可包括平面形状的第二反射表面，该表面与第一反射表面相对地设置，并具有窗口，从紧凑光源发射的光通过该窗口进入。准直仪还包括在窗口边缘的相对于第二反射表面倾斜的第三反射表面。第二反射表面可相对于第一反射表面的主轴倾斜。紧凑光源可被放置为使紧凑光源的光轴相对于与主轴垂直的方向倾斜，其倾斜的角度与第二反射表面相对于主轴倾斜的角度相同。
本发明总体构思的上述和/或其他方面也可通过提供一种投影显示器来实现，该投影显示器包括：第一至第三光源单元，用于分别辐射具有不同颜色的第一至第三光束；光路组合单元，将第一至第三光束的光路组合；积分器，置于光路组合单元的出射侧，以形成具有均匀光强度的平面光；光学调制器，用于根据图像信息顺序地调制从积分器发射的第一至第三光束；和投影透镜单元，用于将调制的光束放大并将其投射到屏幕上。第一至第三光源单元的每一个包括至少一个光学模块。该光学模块包括具有抛物面形状的第一反射表面的准直仪、和位于第一反射表面的焦点附近的紧凑光源。
光路组合单元包括第一分色滤光器和第二分色滤光器，它们以V形放置，并分别反射第一光束和第三光束。第一和第二光源单元分别置于第一分色滤光器的反射侧和透射侧。第三光源单元置于第二分色滤光器的反射侧。
                         附图说明
通过下面结合的附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：
图1是根据本发明总体构思的实施例的投影显示器的示意图；
图2是根据本发明总体构思的实施例的光学模块的透视图；
图3是图2的侧视图；
图4是根据本发明总体构思的另一实施例的光学模块的侧视图；
图5是根据本发明总体构思的又一实施例的光学模块的透视图；
图6是图5的侧视图；
图7是光源单元即光学模块阵列的透视图；
图8是根据本发明总体构思的实施例的光路组合单元的结构的示图；
图9A和9B是示出气隙的操作的示图；
图10是根据本发明总体构思的另一实施例的投影显示器的示意图；
图11是根据本发明总体构思的又一实施例的投影显示器的示意图；和
图12A和12B是示出使用透镜的光学系统的聚光效率的降低的示图。
                       具体实施方式
现在，将详细描述本发明总体构思的实施例，其例子列举在附图中，其中相同的标号始终表示相同的部件。下面参照附图描述实施例以解释本发明总体构思。
参照图1，根据本发明总体构思的实施例的投影显示器包括：第一至第三光源单元110R、110G、和110B，用于分别发射第一至第三光束R、G、和B；光路组合单元120，用于组合第一至第三光束R、G、和B的光路；光学调制器170，用于根据图像信息顺序地调制第一至第三光束R、G、和B；和投影透镜单元180，用于将调制的第一至第三光束R、G、和B放大并将其投射到屏幕S上。该投影显示器是使用单个光学调制器170的单面板投影显示器。本实施例中的光学调制器170是数字微镜装置(DMD)。如图7所示，第一至第三光源单元110R、110G、和110B的每一个是图2中的多个光学模块101阵列或图5中的光学模块102阵列。
图2是根据本发明总体构思的实施例的光学模块101的透视图。图3是图2的侧视图。参照图2和图3，光学模块101包括准直仪30和紧凑光源10。紧凑光源10包括至少一个LED、激光器等。准直仪30包括抛物面形状的第一反射表面21。紧凑光源10位于第一反射表面21的焦点(F)附近。在本实施例中，通过处理六面体玻璃棒24的一端以使其具有抛物面形状的表面并在抛物面表面的外部进行反射涂覆来形成第一反射表面21。准直仪30还可包括平面形的第二反射表面22。该第二反射表面22与第一反射表面21面对形成。第二反射表面22具有窗口G，来自紧凑光源10的光线通过该窗口入射。第二反射表面22可通过对除了窗口G之外的与玻璃棒24的第一反射表面21面对的平面进行反射处理来形成。在本实施例中，放置紧凑光源10以使得其光轴11垂直于主轴26。然而，这不限制本发明总体构思的范围。在图4中示出的另一实施例中，准直仪30还可以包括在窗口G边缘的第三反射表面23。该第三反射表面23相对于第二反射表面22是倾斜的。
在第一反射表面21的定义中，使用了术语“抛物面形状”，这并不仅仅表示二次曲线系数(K)为-1的抛物面。至少在这里使用的术语“抛物面形状”表示具有-0.4至-2.5的K值的非球面，并且最好是-0.7至-1.6。第一反射表面21的二次曲线系数K可以从上述的范围中适当地选择，从而在能用光线有效地照亮物体的辐射角范围内准直从紧凑光源10发射的光。下面，将描述第一反射表面21，其包括主轴26的截面形状是K值为-1的抛物面形状。
紧凑光源10辐射辐射角A约在0度和180度之间的光束。第一反射表面21是抛物面，并且紧凑光源10位于焦点F附近。因此，以大于第一反射表面21的孔径角B的辐射角A辐射的光束L1被第一反射表面21反射从而与主轴26平行。由于第一反射表面21的全反射，第一光束L1在玻璃棒24中传播并且穿过光出射表面25而出射。以小于孔径角B的辐射角A从紧凑光源10发射的光束L2未入射到第一反射表面21上，而是直接传播到玻璃棒24中。因此，以0度和180之间的辐射角A从紧凑光源10辐射的光束被准直仪30准直，从而以0度和孔径角B之间的发射角发射。
紧凑光源10不能被放置为辐射点准确地位于焦点F上。因此，从紧凑光源10辐射的一些光束可以被第一反射表面21向着第二反射表面22但不向着玻璃棒24反射。第二反射表面22然后将入射光束L3向着光出射表面25反射，从而提高光效率。第三反射表面23将辐射角小于孔径角B的光束L4向着第一反射表面21反射，从而提高准直效率。
将参照图12A和12B详细地描述使用透镜的光学系统的效率降低，在图12A和图12B中分别使用单个LED和LED阵列。在近轴区，图像的尺寸和角度的乘积(product)守恒。因此，LED的发射面积和LED的发射角度的立体角(steradian)的乘积是被称为“通量照度比(etendue)”的守恒值。当通量照度比小于光学调制器的发射面积和从投影透镜单元的F值计算的立体角的乘积时，聚光效率增加。
如图12A所示，当使用单个LED时，LED的发射面积ΦL和立体角UL的乘积可等于光学调制器的发射面积ΦP和立体角UP的乘积。如图12B所示，当使用LED阵列时，LED阵列的发射面积∑ΦL大于图12A的单个LED的发射面积ΦL。这里，LED的发射角的立体角UL等于LED阵列的立体角UL，并且图12B的光学调制器的发射面积ΦP等于图12A的光学调制器的发射面积ΦP。因此，为了将集光率守恒，图12B的光学调制器的发射角的立体角UP′大于图12A的光学调制器的立体角UP。因此，当使用如图12B所示的LED阵列时，光被损失，导致聚光效率和投影显示器的亮度降低。
不使用透镜，光学模块101使用第一反射表面21，以将从紧凑光源10发射的光束准直。因此，光束可以被高效率地准直，而不存在由于透镜导致的效率降低。由于光学模块101可被设计为具有很小的尺寸，因此即使布置多个光学模块101，光源单元110R、110G、和110B也比传统的灯小。由于光的准直，可被投影透镜单元180有效地投射的光的量增加，从而提高光效率。
图5是根据本发明总体构思的另一实施例的光学模块102的透视图。图6是图5的侧视图。参照图5和图6，光学模块102具有第二反射表面22，该表面相对于第一反射表面21的主轴26倾斜角度D。安装紧凑光源以使得光轴11与第二反射表面22基本垂直或几乎垂直。结果，紧凑光源10的光轴11相对于与第一反射表面21的主轴26垂直的方向倾斜角度D。由于这种结构，光学模块102的孔径的尺寸可被减小。参照图6，符号AP1表示图2至图4中所示的光学模块101的孔径的尺寸，在这些模块中第二反射面22与主轴26平行。符号AP2表示光学模块102的孔径的尺寸。如图6所示，显然，光学模块102的孔径的尺寸AP2小于光学模块101的孔径的尺寸AP1。孔径尺寸的减小具有这样的优点：可使用多个紧凑光学模块101(或102)的阵列。换句话说，由于许多光学模块102可以排列在狭窄的空间中，因此可以增加从第一至第三光源单元110R、110G、和110B的每一个发射的光的量。此外，当具有相同的光量时，第一至第三光源单元110R、110G、和110B的尺寸可以减小。图7所示的第一至第三光源单元110R、110G、和110B的每一个都是光学模块102的阵列。
在上述的实施例中，光学模块101和102的每一个使用玻璃棒24。尽管未示出，但是第一反射表面21和第二反射表面22是通过在中空的光学管的一端形成抛物面表面并在抛物面表面的内部进行反射涂覆来形成的。
图8是更详细地示出光路组合单元120的结构的示图。光路组合单元120包括第一棱镜120a和第二棱镜120b。第一棱镜120a包括：第一入射表面121和第二入射表面122，第一光束R和第二光束G分别通过这些表面入射；第一出射表面124；和第一选择反射表面123，其反射第一光束R并透射第二光束G，从而第一光束R和第二光束G向着第一出射表面124传播。第二棱镜120b包括：第三入射表面125，第三光束B通过该表面入射；第四入射表面126，第一光束R和第二光束G通过该表面入射；第二出射表面128；和第二选择反射表面127，其反射第三光束B并透射第一光束R和第二光束G，从而，第一、第二、和第三光束R、G、和B向着第二出射表面128传播。
分别从第一至第三光源单元110R、110G、和110B发射的第一至第三光束R、G、和B分别入射到第一至第三入射表面121、122、和125上。参照图1，第一至第三光源单元110R、110G、和110B相互并列放置。用于改变光的传播方向从而使第一光束R入射到第一入射表面121上的偏转棱镜190被安装在第一光源单元110R和第一入射表面121之间。用于改变光的传播方向从而使第三光束B入射到第三入射表面125上的另一个偏转棱镜190安装在第三光源单元110B和第三入射表面125之间。气隙可在偏转棱镜190的入射侧和出射侧形成。参照图1，透明的光导构件191安装在偏转棱镜190和第一入射表面121之间以及另一个偏转棱镜190和第三入射表面125之间。在这种情况下，偏转棱镜190和光导构件191相互稍微隔开。最好是，光导构件191和第一入射表面121相互稍微隔开，并且另一个光导构件191和第三入射表面125相互稍微隔开。该气隙防止光损失。当如图9A所示没有气隙时，光束L5返回光源单元110R(110B)，并且光束L6穿透光导构件191并且投射到外面。当如图9B所示形成气隙时，由于气隙和偏转棱镜190之间的折射率的不同，全反射条件被建立，从而不泄漏光。
在这种结构中，第一光束R被第一选择反射表面123反射，穿过第二选择反射表面127，然后通过第二出射表面128出射。第二光束G穿过第一和第二选择反射表面123和127，然后通过第二出射表面128出射。第三光束B被第二选择反射表面127反射，然后通过第二出射表面128出射。这样，第一至第三光束R、G、和B的光路被组合。
从光路组合单元120发射的光束入射到积分器140上。积分器140形成具有均匀光强度的平面光。积分器140可以是具有矩形截面的玻璃棒或者是具有内反射表面的光学管。参照图1，投影显示器还包括至少一个会聚透镜130，用于会聚从光路组合单元120发射的光束并将会聚的光束传播到积分器140。从积分器140发射的光束经全内反射(TIR)棱镜160入射到光学调制器170上。中继镜150根据光学调制器170的孔径调整从积分器140发射的光束。光学调制器170顺序地调制第一至第三光束R、G、和B，以相应于图像信息。调制的光束被TIR棱镜160导向投影透镜单元180上。投影透镜单元180放大调制的光束并将其投射到屏幕S上。
如上所述，根据图1的实施例的投影显示器使用紧凑光源10，从而实现光源单元110R、110B、和110G的寿命的延长。通过不使用透镜而使用第一反射表面21将从光源单元110R、110B、和110G发射的光束准直，聚光效率可以被提高。使用多个光学模块101(或102)的阵列可以增加图像的亮度，并且使得光源单元110R、110B、和110G紧凑。由于光束R、B、和G的光路由两个棱镜120a和120b组合，所以可以得到具有简单结构的投影显示器。
图10是根据本发明总体构思的另一实施例的投影显示器的示意图。根据本实施例的投影显示器是图1的实施例的变型，因此本实施例的操作效果和前一实施例的操作效果几乎相同。除了包括了比图8中的第二棱镜120b稍微长一点的第二棱镜120c之外，图10的光路组合单元120与图8所示的光路组合单元相同。参照图10，第一光源单元110R被放置为将第一光束R直接发射到第一入射表面121上。第二光源单元110G将第二光束G直接发射到第二入射表面122上。第三光源单元110B经偏转棱镜190和光导构件191将第三光束B发射到第三入射表面125上。会聚透镜130置于第一光源单元110R和第一入射表面121之间、第二光源单元110G和第二入射表面122之间、以及第三光源单元110B和偏转棱镜190之间。在这种情况下，第一至第三光束R、G、和B从第一至第三光源单元110R、110G、和110B的发射侧到第二出射表面128的光路具有相同的长度，从而从第一至第三光源单元110R、110G、和110B发射的光束在积分器140的入口处会聚。由于在第三光源110B和第三入射表面125之间插入偏转透镜190和光导构件191并使用第二棱镜120c，所以第一至第三光束R、G、和B的光路可具有相同的长度。
图11是示出根据本发明总体构思的又一实施例的示意图。该投影显示器是图10的实施例的变形，因此，该实施例的操作效果和图1的实施例的操作效果几乎相同。参照图11，光路组合单元120包括第一分色滤光器120d和第二分色滤光器120e，它们被放置为V形。第一光源单元110R和第二光源单元110G分别置于第一分色滤光器120d的反射侧(RS)和透射侧(TS)，并且第三光源单元110B置于第二分色滤光器120e的反射侧(RS)。第一分色滤光器120d反射第一光束R并透射第二光束G。第二分色滤光器120e透射第一光束R和第二光束G并反射第三光束B。在光束R、G、和B以这种方式穿过光路组合单元120后，它们具有相同的光程。
根据本发明总体构思的上述实施例的投影显示器具有下面的效果。第一，由于使用紧凑光源，光源单元的寿命延长。
第二，通过使用具有非球面反射表面的准直仪将从紧凑光源发射的光准直，从而聚光效率提高。
第三，通过使用棱镜或分色滤光器组合三种颜色光束的不同路径，可获得具有简单结构的单板投影显示器。
尽管已经表示并描述了本发明总体构思的一些实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定范围的本发明总体构思的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行改变。

Claims (22)

1、一种投影显示器，包括：第一至第三光源单元，分别发射具有不同颜色的第一至第三光束；光路组合单元，组合第一至第三光束的光路；光学调制器，根据图像信息顺序地调制第一至第三光束；和投影透镜单元，用于将调制的光束放大并将其投射到屏幕上，该光路组合单元包括：
第一棱镜，该棱镜包括：第一和第二入射表面，第一和第二光束分别通过这些入射表面入射；第一出射表面；和第一选择反射表面，将第二光束透射到第一出射表面；和
第二棱镜，该棱镜包括：第三入射表面，第三光束通过该表面入射；第四入射表面，通过第一出射表面出射的第一和第二光束通过该表面入射；第二出射表面；和第二选择反射表面，将第三光束反射到第二出射表面并将第一和第二光束透射到第二出射表面。
2、如权利要求1所述的投影显示器，还包括置于光路组合单元的出射侧的积分器，用于形成具有均匀光强度的平面光。
3、如权利要求2所述的投影显示器，还包括至少一个会聚透镜，用于会聚第一至第三光束并将会聚的光束传播到积分器。
4、如权利要求3所述的投影显示器，其中，所述的至少一个会聚透镜置于第二出射表面和积分器之间。
5、如权利要求3所述的投影显示器，其中，所述的至少一个会聚透镜置于第一光源单元和第一入射表面之间、第二光源单元和第二入射表面之间、以及第三光源单元和第三入射表面之间的空间的每一个中。
6、如权利要求1所述的投影显示器，其中，改变光的传播方向的偏转棱镜置于第一光源单元和第一入射表面之间、第二光源单元和第二入射表面之间、以及第三光源单元和第三入射表面之间的空间中的至少一个中。
7、如权利要求6所述的投影显示器，其中，气隙形成在偏转棱镜的入射侧和出射侧的每个上。
8、如权利要求7所述的投影显示器，其中：
第一至第三光源单元并列放置；并
偏转透镜置于第一光源单元和第一入射表面之间以及第三光源单元和第三入射表面之间的空间的每一个中。
9、如权利要求1所述的投影显示器，其中，光学模块是数字微镜器件(DMD)。
10、如权利要求1所述的投影显示器，其中，第一至第三光源单元的每一个包括至少一个光学模块，该光学模块包括：
准直仪，具有抛物面形状的第一反射表面；和
紧凑光源，位于第一反射表面的焦点附近。
11、如权利要求1至10中任一项所述的投影显示器，其中，准直仪还包括与第一反射表面相对地设置的平面形状的第二反射表面，并具有窗口，从紧凑光源发射的光通过该窗口进入。
12、如权利要求11所述的投影显示器，其中：
第二反射表面相对于第一反射表面的主轴倾斜；和
紧凑光源被放置为使紧凑光源的光轴相对于与主轴垂直的方向倾斜，其倾斜角度与第二反射表面相对于主轴倾斜的角度相同。
13、如权利要求11所述的投影显示器，其中，准直仪还包括在窗口边缘的第三反射表面，该表面相对于第二反射表面是倾斜的。
14、如权利要求6所述的投影显示器，其中，透明的光导构件安装在第一偏转棱镜和第一入射表面之间、第二偏转棱镜和第三入射表面之间。
15、一种投影显示器，包括第一至第三光源单元，分别发射具有不同颜色的第一至第三光束；光路组合单元，将第一至第三光束的光路组合；积分器，置于光路组合单元的出射侧，以形成具有均匀光强度的平面光；光学调制器，根据图像信息顺序地调制从积分器出射的第一至第三光束；和投影透镜单元，将调制的光束放大并将其投射到屏幕上，第一至第三光源单元的每一个包括至少一个光学模块，
该光学模块包括：
准直仪，具有抛物面形状的第一反射表面；和
紧凑光源，位于第一反射表面的焦点附近。
16、如权利要求15所述的投影显示器，其中，准直仪还包括与第一反射表面相对地设置的平面形的第二反射表面，并具有窗口，紧凑光源发射的光通过该窗口进入。
17、如权利要求16所述的投影显示器，其中：
第二反射表面相对第一反射表面的主轴倾斜；和
紧凑光源被放置为使紧凑光源的光轴相对于与主轴垂直的方向倾斜，其倾斜角度与第二反射表面相对于主轴倾斜的角度相同。
18、如权利要求16所述的投影显示器，其中，准直仪还包括在窗口边缘的第三反射表面，该表面相对第二反射表面是倾斜的。
19、如权利要求15至18任一项所述的投影显示器，其中：
光路组合单元包括第一分色滤光器和第二分色滤光器，以V形放置，用于分别反射第一和第三光束；
第一和第二光源单元分别置于第一分色滤光器的反射侧和透射侧；并且
第三光源单元置于第二分色滤光器的反射侧。
20、如权利要求19所述的投影显示器，还包括至少一个会聚透镜，用于会聚第一至第三光束，并将会聚的光束传播到积分器。
21、如权利要求20所的投影显示器，其中，至少一个会聚透镜被置于第一光源单元和第一入射表面之间、第二光源单元和第二入射表面之间、以及第三光源单元和第三入射表面之间的空间的每一个中。
22、如权利要求15所述的投影显示器，其中，光学调制器是数字微镜器件(DMD)。
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