專利名稱：圖象投影裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖象的投射。
參見

圖1，采用了光投影裝置在例如電影或電視的屏幕等大的表面顯示圖象。在一種前投影系統(tǒng)20中，象束24從象源21投射到反射型角轉(zhuǎn)換屏的“前”側(cè)上，從那兒再被反射向位于屏前的觀眾。在后投影系統(tǒng)中，象束被投射到透射型角轉(zhuǎn)換屏26的“后”側(cè)并再向位于屏前的觀眾29透射。
由于光的物理特性，象束到達(dá)屏26的尺寸大于依賴于象源21的放大率和屏22與象源22的距離。為了有效地利用屏幕26，象束24應(yīng)正好填滿屏26的整個(gè)高度S和寬度(未標(biāo)出)。在圖1中，當(dāng)象源22距屏幕26為一適當(dāng)?shù)木嚯xD，即當(dāng)象束24的中心延續(xù)一長(zhǎng)度為D的光路時(shí)，象束占滿屏幕26。光路長(zhǎng)D依據(jù)于屏幕的高度S和象源的放大率。擺放在象束24路徑中的任何非透明物體將阻擋象束24并在屏幕26上形成一個(gè)陰影。
參見圖2，設(shè)計(jì)者通過(guò)“折合”被投射象束的光路以減少系統(tǒng)30的表觀投影長(zhǎng)度L來(lái)減少典型的圖象投影系統(tǒng)30的尺寸大小?！罢酆稀钡南到y(tǒng)30包括一或多個(gè)反射鏡34、36，這些反射鏡沿光路放置在一些關(guān)鍵點(diǎn)，改變被投影象束的方向并形成多個(gè)次級(jí)光路D1、D2、D3。在此光學(xué)系統(tǒng)30中的整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比圖1的錐型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為直線性。
在折合的圖象投影系統(tǒng)30中，假設(shè)象源40和屏幕32類似于圖1中的情形，當(dāng)反射鏡34、36的定位使得次級(jí)光路D1、D2和D3的結(jié)合長(zhǎng)度等于圖1中的光路長(zhǎng)D時(shí)，即使表觀投影長(zhǎng)度L小于D，圖象38也將充滿屏幕32的全部。
“超折合”投影顯示系統(tǒng)包括一個(gè)緊放在系統(tǒng)的圖象顯示屏幕之后的可選擇的反射材料(如一種線性反射偏振器)。顯示系統(tǒng)包括一個(gè)圖象投影器，它向成象屏幕投射包含預(yù)定的線性偏振光的象束。線性反射偏振器將象束中的光從屏幕上反射。被反射的象束然后遇到1/4波長(zhǎng)的消色差延遲器，后者將線偏振光轉(zhuǎn)化成圓偏振光。象束接著又入射到反射鏡上，被反射通過(guò)1/4波長(zhǎng)消色差延遲器，后者將半圓偏振光轉(zhuǎn)換成線偏振光，偏振導(dǎo)向器從最初的偏振導(dǎo)向器方向旋轉(zhuǎn)90°。然后，線性反射偏振器才允許光束透向圖象屏幕。
本發(fā)明的實(shí)施例包括下列特征。系統(tǒng)包括一個(gè)動(dòng)力光學(xué)元件，以進(jìn)一步增加象束的“折合”，改變放大率，提供畸變校正或優(yōu)化組裝。甚至還通過(guò)使象束從反射鏡兩次反射并四次穿過(guò)消色差延遲器而折合象束。反射鏡可定位于象源和象屏之間。
本發(fā)明包括下述一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。緊放在屏幕之后的光學(xué)元件在投影成象系統(tǒng)中可作為“反射鏡”，增加光束進(jìn)行折合的折合量并因此更大程度地減小系統(tǒng)的表觀投影長(zhǎng)度或深度。象源可置于顯示系統(tǒng)中所有光學(xué)元件之后，以進(jìn)一步減小系統(tǒng)的尺寸。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)及特點(diǎn)將通過(guò)以下的描述和權(quán)利要求變得更為明顯。
圖1是現(xiàn)有的投影顯示系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖2是現(xiàn)有的折合的投影顯示系統(tǒng)側(cè)視圖。
圖3、4、5是“超折合”投影顯示系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖6A和6B是可用于圖3、4、5系統(tǒng)中的“拼湊的”偏振器。
圖7A、7B和7C是可用于圖3、4、5系統(tǒng)中的特殊的消色差延遲器。
圖8、9、10是另一種“超折合”投影視頻系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖11A和11B是圖8的多個(gè)投影視頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的側(cè)視和前視圖。
圖12A和12B是圖9的多個(gè)投影視頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的側(cè)視和前視圖。
圖13、14A和14B是另一種帶有動(dòng)力光學(xué)裝置的“超折合”投影視頻系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖15是一個(gè)具有“超折合”投影視頻顯示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
參見圖3，它是一個(gè)“超折合”投影視頻系統(tǒng)50，如投影電視，包括一個(gè)具有被選取的反射或透射材料覆蓋的表面54的散射屏52。選取的反射或透射面54使屏52充當(dāng)數(shù)次反射鏡和數(shù)次透射成象屏。其結(jié)果是，包含在被圖象投影器58投射的象束56中的象55，在第一次遇到面54時(shí)，從屏的后表面54反射。然后，象束56射向位于屏52之后的反射鏡60，由反射鏡60反過(guò)來(lái)，再將光56反射向屏52。當(dāng)象束56中的象55第二次遇到屏52的反表面54時(shí)，象55穿過(guò)屏52導(dǎo)向觀眾62。
在這種方式中，屏幕52實(shí)際上充當(dāng)一個(gè)置于觀眾62和后反射鏡60之間的反射鏡。屏52將象束56反射遠(yuǎn)離觀眾，但并不能阻擋光束56或嚴(yán)重地?fù)p害觀眾看到的圖像55的質(zhì)量。因?yàn)椤胺瓷溏R”放置在已前不具有這些設(shè)置的光路中的某一處，象源58投射的象束56為“超折合”，即比現(xiàn)可能存在的系統(tǒng)，折疊的更多，遠(yuǎn)小于線性距離L’。
投影系統(tǒng)50通過(guò)輸入電纜51接收電信號(hào)并將其提供給信號(hào)分解器53。信號(hào)分解器53將電信號(hào)分解成視頻信號(hào)和音頻信號(hào)，并分別將這些信號(hào)提供給象源58和聲音系統(tǒng)57。象源58將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成光并投射光做為一象束56。象源58可以是任意一種類型的投影機(jī)械，如液晶顯示(“LCD”)投影器。電信號(hào)可以是任意一種包含視頻信息的信號(hào)，如通過(guò)天線或電纜線接收到的電視信號(hào)或通過(guò)計(jì)算機(jī)視頻光纜接收的計(jì)算機(jī)視頻信號(hào)。音頻信號(hào)和聲音系統(tǒng)57可自由選擇。
參見圖4，屏52可充當(dāng)一定次數(shù)的反射鏡和剩余次數(shù)的成象屏，因?yàn)樗暮蟊砻?4被一種線性反射偏振材料覆蓋，如Minnesota Mining &Manufacturing Company的雙透增強(qiáng)膜(DBDF)材料。線性反射偏振材料形成一個(gè)偏振器64，透過(guò)所有在一個(gè)方向(透射方向)的線性偏振光；并反射所有垂直于透射方向的線性偏振光。例如，如果線性反射偏振器64取向?yàn)橥干銹偏振光，則它實(shí)際上將反射所有的S偏振光，因?yàn)镾偏振光垂直于最大透射率的偏振器方向。相反，當(dāng)P偏振光遇到偏振器64時(shí)，所有的光穿過(guò)偏振器64和散射屏52指向觀眾，因?yàn)镻偏振光對(duì)準(zhǔn)在偏振器的最大透射率的方向。
線性反射偏振器應(yīng)至少有99％的透射率，使得逃逸投影系統(tǒng)的S偏振光小于1％，除1％之外的所有P偏振光被投向觀眾。線性吸收偏振器68可用于對(duì)不合適的象束中的偏振光濾光。反射偏振器64和吸收偏振器68可被連接于屏52或被懸于顯示系統(tǒng)(即通過(guò)一或多個(gè)連接系統(tǒng)腔體的框架)。
參見圖5，穿過(guò)象源58和象屏52之間的光偏振被位于象屏52和后反射鏡60之間的1/4波長(zhǎng)消色差延退器70改變。延遲器70可連接于反射鏡60的前表面或通過(guò)其它方式置于系統(tǒng)中。
1/4波長(zhǎng)消色差延遲器70包括由一種材料組成，它將穿過(guò)延遲器70的光波的線性成份延遲1/4波長(zhǎng)。這種材料由日本的Nitto DenkoCorporation制造，以WB-1/4命名，類似的材料可從其它的來(lái)源得到。因此，延遲器70將線性偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光，并將圓偏振光轉(zhuǎn)換成線性偏振光。另外，兩次穿過(guò)延遲器70的光將相同的線性成份延遲兩次，或1/2波長(zhǎng)。因此，穿過(guò)延遲器70兩次的線性偏振光出現(xiàn)一個(gè)垂直于其初始時(shí)的偏振光。
例如，沿次級(jí)光路D2’傳遞的S偏振光，當(dāng)其穿過(guò)消色差延遲器70時(shí)，轉(zhuǎn)換成圓偏振光74。從第二反射鏡60反射后，當(dāng)其又穿過(guò)延遲器70時(shí)，圓偏振光74變成P偏振光76。然后，P偏振光76沿次級(jí)光路D3’穿行并終于穿過(guò)線性反射偏振器64，入射到漫散射成象屏52上。
參見圖6A和圖6B，“超折合”投影系統(tǒng)可包括一個(gè)“拼湊”的偏振器90或92，用于補(bǔ)償當(dāng)圖像在系統(tǒng)中被反射時(shí)產(chǎn)生的梯形畸變。線性反射偏振材料64對(duì)光的入射角不太敏感。也就是，反射的偏振光可能不是完美的S偏振光，而可能是稍有一點(diǎn)圓偏振光。“拼湊的”偏振器90或92對(duì)這種潛在的情況進(jìn)行補(bǔ)償。“拼湊的”偏振器90或92可位于系統(tǒng)中象源58和最后的反射元件之間的任何地方。
圖6A的“拼湊的”偏振器90可放在象源(圖3所示)之內(nèi)，如位于形成LCD投影器最后一級(jí)的透鏡的表面。圓偏振器90實(shí)際上是一個(gè)具有幾個(gè)不同透射比例的區(qū)域90a-90f的線性吸收偏振器。每一對(duì)相鄰的區(qū)域被一個(gè)沿偏振器90延伸的邊界線91a-91e劃分。圖6B的偏振器92可放在顯示系統(tǒng)中的一個(gè)反射面上，并最好結(jié)合到系統(tǒng)的顯示屏52上的線性反射偏振器64(圖4)的DBEF材料中。所述“拼湊的”偏振器90或92的每個(gè)區(qū)域中的透射特性、大小和形狀由顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，尤其是由系統(tǒng)所賦于的梯形畸變決定。
參見圖7A、7B和7C，消色差延遲器70可制作成容許入射光以不同角度入射的結(jié)構(gòu)。由此，從象源58發(fā)出的光入射到延遲器70上。如果象源位于記錄面的下方并向著讀者，則從象源發(fā)出的光以較高的入射角入射到記錄面的上半部，以較低的入射角入射到記錄面的下半部。同樣地，如果象源位于記錄面中心的下方，從象源發(fā)出的光將以較高的角度入射到記錄面的中心，以較低的角度入射到記錄面的左邊和右邊。因?yàn)閭€(gè)別光線的延遲效應(yīng)可依賴于光線入射到延遲器上的角度，所以延遲器70可由幾個(gè)具有不同延遲特性的區(qū)域組成。
如圖7A所示，延遲器70可被分成兩個(gè)具有不同延遲值α1和α2的區(qū)域。區(qū)域69a容納以較低入射角穿過(guò)延遲器70的光線，區(qū)域69b容納以較高入射角穿過(guò)延遲器70的光線。參見圖7B，替換的延遲器可被分成線性柵格，沿垂直軸∝有兩個(gè)延遲值∝1和∝2，沿水平軸β有三個(gè)延遲值β1、β2和β3。延遲器70被分為六個(gè)部分71a-71b，每個(gè)部分的延遲值由相應(yīng)的垂直值α1或α2及相應(yīng)的水平值β1、β2或β3決定。另一種情況，如圖7C所示，延遲器70可劃分為幾個(gè)圓或橢圓區(qū)域73a-73h，在延遲器底端77的中心75相交。最內(nèi)端的區(qū)域73a容納以最高入射角穿過(guò)延遲器70的光束，最外端區(qū)域73h容納以最低入射角通過(guò)延遲器70的光束。延遲器制造廠家(如Nitto Denko Corporation of Japan)可依據(jù)投影顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和大小生產(chǎn)適當(dāng)尺寸的延遲器。
參見圖8和9，“超折合”投影顯示系統(tǒng)50可構(gòu)造成各種不同的形狀。在圖8的系統(tǒng)中，象源58投射一直接導(dǎo)向線性反射偏振器64的象束，偏振器64首先將象束反射射向消色差延遲器70，然后再使反射的象束穿過(guò)成象屏幕52。在圖9的系統(tǒng)中，象源58位于反射鏡60之后。象源58向下投射一象束到較小的反射鏡100上，反射鏡100接著將象束反射向線性反射偏振器64。線性反射偏振器64然后將象束反射向消色差延遲器70和后反射鏡60，并使反射的P偏振光通向顯示面52。
參見圖10，“超折合”投影顯示系統(tǒng)50甚至還通過(guò)使以象束從后反射鏡60反射兩次(或稱四射)取代圖3所示的一次回射而被折合。在此實(shí)施例中，象源58直接向后反射鏡60投射P偏振光。從反射鏡60反射并穿過(guò)消色差延遲器兩次之后，在象束56中的光有S偏振光。然后，S偏振光從線性反射偏振器反射到背向后反射鏡60的屏幕52上。另外，從反射鏡60反射并另外兩次穿過(guò)消色差延遲器的光導(dǎo)引象束又回到屏幕52，在那兒光穿過(guò)線性反射偏振器在成象屏52上形成圖象，象束此時(shí)又含有P偏振光。
圖11A是圖8中投影顯示系統(tǒng)50的多個(gè)單元的裝配側(cè)視圖。每個(gè)單元250a、250b包括一個(gè)外殼體200、外殼體200將屏52、反射鏡60和圖象投影器58安置在一適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｍ鈿んw200的前端表面202凹陷到屏52之下以能夠堆置，如圖11A所示，使得單元250a、250b的屏幕52實(shí)際上共面。設(shè)置在較低單元250b后表面上的支撐體204將較高單元250a固持在其位置上。參見圖11B，它是裝置的前視圖。正如圖示的，屏52大約是單元250a的寬度，因此有非常小的邊緣。結(jié)果是多個(gè)單元250a-250d可以彼此以很小的間隙排成陣列或“傾斜”的結(jié)構(gòu)。
圖12A是圖9中投影顯示系統(tǒng)50的多個(gè)單元的裝配側(cè)視圖。每個(gè)單元260a、260b包括一個(gè)外殼體210。在此例中，外殼體實(shí)際上是個(gè)長(zhǎng)方體，不象圖11A中的外殼體200的帶凹槽和成一角度的形狀。然而，成象屏52實(shí)際上四邊延伸到外殼體210的邊端，沒(méi)有外殼體200中的凹陷的表面202(圖11A和11B)。圖12B是圖12A裝置的前視圖。圖9的設(shè)計(jì)是折衷選擇圖8有關(guān)深度和基底直徑的設(shè)計(jì)，以及最終的使用效果的設(shè)計(jì)選擇。
參見圖13所示的另一個(gè)實(shí)施例，象源58置于接近投影系統(tǒng)頂端位置的后反射鏡60之后。在這種布置中，象源58投射象束到位于投影系統(tǒng)頂部的小反射鏡102上。接著小反射鏡102將象束向下反射到位于投射系統(tǒng)底端的大反射鏡104上。為避免象束在象源58和較低反射鏡104之間過(guò)于迅速的擴(kuò)散，象源58僅以輕微的發(fā)散(或放大)來(lái)投射象束。結(jié)果是，較低的反射鏡104是一個(gè)“動(dòng)力”光學(xué)元件，當(dāng)其將象束反射向線性反射偏振器64時(shí)對(duì)象束進(jìn)行放大。較低的反射鏡104對(duì)象束的放大，在象束從線性反射起偏器64反射一次，并從后反射鏡60反射一次之后能夠充滿成象屏的全表面。上反射鏡102也是一個(gè)“動(dòng)力”光學(xué)元件，如圖14A所示。另外，上反射102可以是一個(gè)“負(fù)動(dòng)力”光學(xué)元件，使象束會(huì)聚，直到象束到達(dá)較低反射鏡104，如圖14B所示。
參見圖15，“超折合”圖象投影系統(tǒng)可組裝到計(jì)算機(jī)顯示器106中，其體積之小，足以用到臺(tái)式計(jì)算機(jī)108中。類似于傳統(tǒng)的CRT或LCD面板顯示器，投影顯示系統(tǒng)106可用傳統(tǒng)的CPU112和視頻控制器113驅(qū)動(dòng)，通過(guò)一標(biāo)準(zhǔn)的視頻電纜114給投影顯示次級(jí)系統(tǒng)106提供視頻數(shù)據(jù)。因?yàn)槠?16用作“反射鏡”，將視頻圖象“折合”到一個(gè)很小的區(qū)域，投影顯示次級(jí)系統(tǒng)106將平面屏幕技術(shù)和臺(tái)式計(jì)算機(jī)所需要的小面積投影視頻的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起。
其它的實(shí)施例在從屬的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。例如，視頻投影系統(tǒng)可組裝到多種類型的視頻顯示系統(tǒng)中，如小屏幕和大屏幕電視，折疊式和臺(tái)式計(jì)算機(jī)，高架式投影機(jī)、電影院和全息照相系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1 一種圖象投影裝置，包括一個(gè)成象表面；一個(gè)光學(xué)裝置；和一條在通向成象表面的途中兩次到達(dá)光學(xué)裝置的成象光路，光學(xué)裝置在一個(gè)時(shí)刻反射圖象，在另一不同的時(shí)刻允許圖象通過(guò)光學(xué)裝置。
2 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，光學(xué)裝置包括一個(gè)反射偏振器。
3 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的裝置，其還包括一個(gè)第二光學(xué)裝置，使圖象的偏振旋轉(zhuǎn)通過(guò)第二光學(xué)裝置，其位置處于接收從光學(xué)裝置反射的象束并將偏振旋轉(zhuǎn)的象束提供給光學(xué)裝置。
4 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，第二光學(xué)裝置包括一個(gè)消色差延遲器。
5 根據(jù)權(quán)利要求3和4所述的裝置，其特征在于，第二光學(xué)裝置包括一種反射材料。
6 根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的裝置，其特征在于，光學(xué)裝置實(shí)質(zhì)上平行于成象表面。
7 根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的裝置，其特征在于，光學(xué)裝置接近成象表面。
8 根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的裝置，其特征在于，光學(xué)裝置被放置到成象表面。
9 根據(jù)權(quán)利要求1-8所述的裝置，還包括一個(gè)插入在光路中的線性吸收偏振器。
10 根據(jù)權(quán)利要求1-8所述的裝置，還包括一個(gè)投射圖象的象源。
11 根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，還包括一個(gè)插入在象源和光學(xué)裝置之間的光路上的偏振器。
12 根據(jù)權(quán)利要求3-5所述的裝置，其特征在于，圖象光路在到達(dá)光學(xué)裝置之前到達(dá)第二光學(xué)裝置。
13 根據(jù)權(quán)利要求1-11所述的裝置，其還包括一個(gè)位于光學(xué)裝置之前光路中的反射裝置。
14 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于反射裝置是一個(gè)動(dòng)力光學(xué)元件。
15 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其還包括一個(gè)位于光學(xué)裝置之前光路中的反射裝置。
16 根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，第二反射裝置是一個(gè)動(dòng)力光學(xué)元件。
17 根據(jù)權(quán)利要求1-16所述的裝置，其特征在于，象表面有一個(gè)外邊界和光學(xué)裝置，光路和象源位于外邊界之內(nèi)、象表面之后。
18 根據(jù)權(quán)利要求1-17所述的裝置，其特征在于，象源接收電信號(hào)形式的視頻信號(hào)。
19 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其還包括一個(gè)包含向象源提供視頻數(shù)據(jù)的視頻控制器的計(jì)算機(jī)。
20 一種在投影顯示系統(tǒng)中顯示圖象的方法，包括步驟投射圖象；從光學(xué)裝置上反射圖象；和將從光學(xué)裝置上反射的圖象回穿過(guò)光學(xué)裝置，入射到成象表面。
21 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，反射的圖象和穿過(guò)的圖象具有不同的偏振態(tài)。
22 根據(jù)權(quán)利要求20和21所述的方法，還包括步驟旋轉(zhuǎn)從光學(xué)裝置反射回的圖象的偏振。
23 根據(jù)權(quán)利要求20-22所述的方法，還包括步驟在圖象從光學(xué)裝置反射之前，對(duì)其進(jìn)行偏振。
24 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括步驟在圖象從光學(xué)裝置反射之前，旋轉(zhuǎn)圖象的偏振。
25 根據(jù)權(quán)利要求20-24所述的方洗還包括步驟在圖象從光學(xué)裝置反射之前反射圖象。
26 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，反射被輔以動(dòng)力。
27 根據(jù)權(quán)利要求20-26所述的方法，還包括步驟在圖象從光學(xué)裝置反射之前第二次反射圖象。
28 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，第二次反射被輔以動(dòng)力。
29 權(quán)利要求20-28所述的方法，還包括步驟把提供視頻數(shù)據(jù)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成投影的圖象。
全文摘要
“超折合”投影顯示系統(tǒng)包括一種緊挨著系統(tǒng)的成象屏之后放置的可選擇的反射材料(如一種線性反射偏振器)。顯示系統(tǒng)包括一個(gè)向成象屏投射包含預(yù)定線性偏振光束的象束的圖象投影器。線性反射偏振器將象束中的光從屏幕反射。反射的象束再經(jīng)1/4波長(zhǎng)消色差延遲器，從線偏振轉(zhuǎn)變成圓偏振。象束接著照射到一反射鏡上，反射鏡將光束反射通過(guò)1/4波長(zhǎng)延遲器，該延遲器將圓偏振光又轉(zhuǎn)變成線偏振光，同時(shí)偏振方向從初始的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°。然后，線性反射偏振器使光束通過(guò)導(dǎo)向象屏。
文檔編號(hào)G09F13/04GK1165963SQ9612397
公開日1997年11月26日 申請(qǐng)日期1996年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月29日
發(fā)明者R·M·諾克斯, J·R·馬斯特斯 申請(qǐng)人:康帕克電腦公司