專利名稱：投影顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種投影顯示器，其將放大的圖像投影到屏幕上。
背景技術(shù)：
近年來，將通過由例如液晶板的光學(xué)調(diào)制器調(diào)制的放大圖像投影到屏幕上的投影顯示器已經(jīng)變得普及。
圖1為說明傳統(tǒng)投影顯示器的結(jié)構(gòu)的示意圖。
參考圖1，傳統(tǒng)的投影顯示器包括作為光學(xué)調(diào)制器的液晶板20R、20G和20B；用于提供光到液晶板20R、20G和20B的一照明模塊10；以及用于放大地投影調(diào)制過的圖像的一投影透鏡40。
投影顯示器包括分別對應(yīng)于紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)圖像的三個液晶板20R、20G和20B。合成棱鏡30合成已經(jīng)被液晶板20R、20G和20B調(diào)制了的分別對應(yīng)所述的彩色圖像的光，并把光照射到投影透鏡40。
照明模塊10包括一光源1；一合成器(integrator)3；一聚光透鏡4；多個鏡子5R、5G、5B和6；以及多個旋轉(zhuǎn)透鏡7和8。
金屬鹵化物燈、高壓汞燈、或者類似的燈用作光源1。該光源1設(shè)置在具有拋物面表面的反射鏡2的焦點(diǎn)上用來提供平行光。合成器3用于均勻地照射液晶板20R、20G和20B。特別地，以二維微透鏡陣列方式形成的兩個蠅眼透鏡(fly-eye lens)用作合成器3。通過合成器3的光被聚光透鏡4聚焦。鏡子5R、5G、5B為分別反射紅色、綠色和藍(lán)色光的并且透過其它顏色的光的選擇反射鏡。因此，當(dāng)通過鏡子5R、5G、5B時，光被分成紅色、綠色和藍(lán)色成分。該些紅色、綠色和藍(lán)色成分隨后通過旋轉(zhuǎn)透鏡7和8，并且分別入射到液晶板20R、20G和20B上。該液晶板20R、20G和20B調(diào)制入射光并且輸出紅色、綠色和藍(lán)色圖像。該圖像隨后被合成棱鏡30合成并且通過投影透鏡40被放大地投影。
用作傳統(tǒng)投影顯示器的光源的燈的使用壽命最多為幾千小時。因此，一個缺點(diǎn)為當(dāng)傳統(tǒng)投影顯示器經(jīng)常使用時，該燈必須經(jīng)常更換。傳統(tǒng)投影顯示器的另一個缺點(diǎn)為照明模塊相當(dāng)大。
為了解決這些問題，日本專利公開第2001-42431號使用發(fā)光二極管(LED)來延長光源的使用壽命。但是，不利的是，當(dāng)LED用作光源時，因?yàn)槭褂猛哥R的照明光學(xué)系統(tǒng)的限制光收集效率降低。這將參考圖2A和2B進(jìn)一步解釋。
通過將圖像尺寸乘以其角度得到的值保存在近軸區(qū)域中。因此，通過將從LED發(fā)射的光的面積乘以所發(fā)射的光的立體弧度得到的值為保存量(conserved quantity)，稱為集光率(etendue)。當(dāng)保存量小于通過將液晶板面積乘以利用投影透鏡的光圈數(shù)計(jì)算得到的立體弧度而得到的值時，光收集效率增加。
如圖2A所示，當(dāng)使用一個LED時，通過將面積ΦL乘以LED發(fā)射的光的立體弧度UL得到的值可以與通過將面積ΦP乘以液晶板發(fā)射的光的立體弧度UP得到的值相同。
但是，由于當(dāng)只有一個LED時光發(fā)射的數(shù)量不充分，日本專利公開第2001-42431號公開了一種LED陣列。這樣，如圖2B所示，從LED陣列發(fā)射的光的面積∑ΦL比從一個LED發(fā)射的光的面積ΦL大。這里，從所述的LED發(fā)射的光的立體弧度UL與從所述LED陣列發(fā)射的光的立體弧度UL相同，并且在所述LED中從液晶板中發(fā)射的光的面積ΦP與在所述LED陣列中從液晶板中發(fā)射的光的面積ΦP相同。因此，為了保持集光率，當(dāng)使用LED陣列時從液晶板發(fā)射的光的立體弧度UP’變得比使用一個LED的情況下的立體弧度UP大。因此，如圖2B所示產(chǎn)生損耗，導(dǎo)致光收集效率的降低。結(jié)果，投影顯示器的亮度下降。
在此，該光收集效率不是簡單地指照射一個光學(xué)調(diào)制器的效率。該光學(xué)收集效率在此指可以使得從光學(xué)調(diào)制器輸出的光的角度處于光可以有效地被投影透鏡投影的預(yù)定范圍內(nèi)的照射光學(xué)調(diào)制器的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種包括具有長的使用壽命的小的光源以及具有高光收集效率的照明模塊的投影顯示器。
依照本發(fā)明的一個方面，提供一種投影顯示器，包括一照明模塊；用于依照圖像數(shù)據(jù)調(diào)制從照明模塊入射的光的一光學(xué)調(diào)制器；以及用于放大地投影從光學(xué)調(diào)制器發(fā)射的光的一投影光學(xué)系統(tǒng)，其中照明模塊包括至少一個光源；以及一光再生單元，其使從光源發(fā)射的并且具有超出光可以被投影光學(xué)系統(tǒng)有效地投影的預(yù)定范圍的發(fā)射角的光“再生”，從而其被反射并在所述預(yù)定范圍內(nèi)傳播。
該光源可以包括其上設(shè)置有多個發(fā)光二極管的一發(fā)光二極管陣列，或者一有機(jī)電發(fā)光裝置。
該光再生單元可以包括用于引導(dǎo)從光源入射的光到光學(xué)調(diào)制器并且包括改變光的角度的一光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器的一合成器；以及設(shè)置在合成器輸出一側(cè)用于根據(jù)于光的入射角度選擇性地透射或反射光的一光學(xué)角度選擇器。
在此，該合成器可以包括具有全內(nèi)反射角的平板形式的一光導(dǎo)，并且光源可以設(shè)置成使得投影光到該光導(dǎo)的至少一個端表面上。這里，該光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器可以包括設(shè)置在該光導(dǎo)的發(fā)光表面和與所述發(fā)光表面相對的表面中的至少一個表面上的一散射圖案或一衍射圖案。
此外，該光導(dǎo)可以包括具有在其內(nèi)壁形成光反射表面的中空矩形管道形式的一光通道、或者具有由透明材料制成的中空矩形管道形式的一光棒(light rod)，以代替光通道。這樣，光源可以設(shè)置成使得發(fā)射光到光通道或者光棒一側(cè)的一端。此外，光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器可以設(shè)置在光通道或者光棒的一端使得位于與光源相對的一側(cè)。
該光學(xué)角度選擇器可以包括一選擇透射元件，其透射具有光可以被投影光學(xué)系統(tǒng)有效地投影的預(yù)定范圍內(nèi)的發(fā)射角的從合成器發(fā)射的光并且反射具有預(yù)定范圍之外的發(fā)射角的光。該光學(xué)選擇器還可以包括其上形成有頂點(diǎn)指向光學(xué)調(diào)制器的微棱鏡圖案的一棱鏡片。這樣，該棱鏡片可以置于合成器和選擇透射元件之間并且該光學(xué)角度選擇器還可以包括置于合成器和棱鏡片之間的用來散射并透射具有大約0度的入射角的光而只透射其它角度的入射光的一各向異性散射元件。
當(dāng)光學(xué)調(diào)制器為透射式光學(xué)裝置時，其只允許具有預(yù)定偏振的光通過，則光學(xué)選擇器還可以包括一偏振元件。該偏振元件僅透射具有可以通過光學(xué)調(diào)制器的偏振的光而反射其它偏振的光。這里，該偏振元件可以設(shè)置在選擇透射元件的輸出一側(cè)。
這里，該光學(xué)角度選擇器可以包括其上形成有頂點(diǎn)指向光學(xué)調(diào)制器的微棱鏡圖案的一棱鏡片。該光學(xué)角度選擇器還可以包括置于合成器和棱鏡片之間的用來散射并透射具有大約0度的入射角的光而只透射其它角度的入射光的一各向異性散射元件。
依照本發(fā)明的另一個方面，提供一種投影顯示器，包括一照明模塊；用于依照圖像數(shù)據(jù)調(diào)制從照明模塊入射的光的一透射式光學(xué)調(diào)制器；以及用于放大地投影從透射式光學(xué)調(diào)制器發(fā)射的光的一投影光學(xué)系統(tǒng)。該照明模塊包括一光導(dǎo)；用于投影光到光導(dǎo)的至少一個端表面的至少一個光源；以及一選擇透射元件，其透射具有光可以被投影光學(xué)系統(tǒng)有效地投影的預(yù)定范圍內(nèi)的角度的從光導(dǎo)發(fā)射的光并且反射具有預(yù)定范圍之外的發(fā)射角的光。該光導(dǎo)傳播通過全內(nèi)反射的光并且包括設(shè)置在發(fā)光表面和與發(fā)光表面相對的一表面中的至少一個表面上、用于改變通過該光導(dǎo)的光傳播角度的一光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器。
依照本發(fā)明的另一個方面，提供一種投影顯示器，包括一照明模塊；用于依照圖像數(shù)據(jù)調(diào)制從照明模塊入射的光的一透射式光學(xué)調(diào)制器；以及用于放大地投影從透射式光學(xué)調(diào)制器發(fā)射的光的一投影光學(xué)系統(tǒng)。該照明模塊包括一光導(dǎo)、一光源、以及一選擇透射元件。光通過全內(nèi)反射利用光導(dǎo)傳播。該光導(dǎo)包括用于改變通過光導(dǎo)的光傳播角度的光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器。該光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器設(shè)置在發(fā)光表面和與發(fā)光表面相對的一表面中的至少一個表面上。該光源投影光到光導(dǎo)的至少一個端表面上。該選擇透射元件透射具有光可以被投影光學(xué)系統(tǒng)有效地投影的預(yù)定范圍內(nèi)的角度的從光導(dǎo)發(fā)射的光并且反射具有預(yù)定范圍之外的發(fā)射角的光。
依然依照本發(fā)明的另一個方面，提供一種投影顯示器，包括一照明模塊；一反射式光學(xué)調(diào)制器，用于依照圖像數(shù)據(jù)調(diào)制從照明模塊入射的光；一照明光學(xué)系統(tǒng)，用于收集從照明模塊入射到該發(fā)射式光學(xué)調(diào)制器上的光；以及一投影光學(xué)系統(tǒng)，用于放大地投影從反射式光學(xué)調(diào)制器發(fā)射的光。該照明模塊包括至少一個光源；用于引導(dǎo)從光源入射的光到反射式光學(xué)調(diào)制器上的一合成器；以及其上形成有頂點(diǎn)指向光學(xué)調(diào)制器的微棱鏡圖案的一棱鏡片。該合成器引導(dǎo)從光源入射的光到反射式光學(xué)調(diào)制器上，并且包括轉(zhuǎn)變光的傳播角度的一光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器。


本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點(diǎn)以及上文參考附圖通過在其的詳細(xì)的典型的實(shí)施例中的描述將更為清楚，在附圖中圖1為說明傳統(tǒng)投影顯示器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2A和2B為用于解釋使用透鏡的照明光學(xué)系統(tǒng)的光收集效率的圖；圖3為說明依照本發(fā)明的第一實(shí)施例的投影顯示器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4為在圖3中的投影顯示器的照明模塊的剖視圖；圖5為說明分光光學(xué)系統(tǒng)的光透射和反射性質(zhì)的圖；圖6為在圖4中的照明模塊的改進(jìn)的剖視圖；圖7為說明棱鏡片工作的圖；圖8為說明微棱鏡的透射角度和入射角之間的關(guān)系的圖；圖9為說明依照本發(fā)明的第二實(shí)施例的投影顯示器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖10為在圖9中的投影顯示器的照明模塊的剖視圖；以及圖11為在圖10中的照明模塊的改進(jìn)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考附圖，更完整地描述本發(fā)明，并其中顯示本發(fā)明的說明性的、非限制的實(shí)施例。
圖3為說明依照本發(fā)明的第一實(shí)施例的投影顯示器結(jié)構(gòu)的示意圖。依照本實(shí)施例的該投影顯示器為使用調(diào)制從照明模塊發(fā)射的光并且輸出光的透射式光學(xué)調(diào)制器的彩色顯示器。
參考圖3，依照本發(fā)明的第一實(shí)施例的投影顯示器包括液晶板200R、200G以及200B，其為透射式光學(xué)調(diào)制器三個照明模塊100，用于照明液晶板200R、200G以及200B合成棱鏡300，用于合成分別被液晶板200R、200G以及200B調(diào)制的三種顏色的光束以及投影光學(xué)系統(tǒng)400，用于放大地投影合成了的光。該三個液晶板200R、200G以及200B分別調(diào)制三種顏色的光束，即，紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)顏色光束。在該投影顯示器中使用的液晶板可以為大約1英寸寬和1英寸長的小液晶板。
圖4為在圖3中的投影顯示器的照明模塊的剖視圖。
參考圖4，該照明模塊100包括一光源110以及一光再生單元。該光再生單元包括具有光導(dǎo)120和光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器130的一合成器150，以及一選擇透射元件140。該合成器還可以包括反射板131。
光源11可以包括一發(fā)光二極管(LED)、在其上設(shè)置多個LED的一發(fā)光LED陣列、或者一有機(jī)電發(fā)光裝置或類似物。該光導(dǎo)120引導(dǎo)光通過全內(nèi)反射傳播。例如，該光導(dǎo)120以由透明材料制成的平板的形式構(gòu)造。該光源110發(fā)射光到光導(dǎo)120的至少一個端表面。當(dāng)光源110在光導(dǎo)120的兩端表面都安裝了時，其僅僅為說明性的并且確定不限制本發(fā)明的范圍。反射板112可以設(shè)置在光源110的周圍。該反射板112反射從光源110發(fā)射的光入射到光導(dǎo)120。此外，該反射板112允許從光導(dǎo)120出射的光反射回光導(dǎo)120。光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器130可以設(shè)置在光導(dǎo)120的底部表面用于轉(zhuǎn)變透射到光導(dǎo)120內(nèi)部的光的角度。該光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器130可以為散射入射光的散射圖案或衍射光的衍射圖案。當(dāng)光角度轉(zhuǎn)換器130與光源110越靠近時，則圖案分布可以越稀疏，而當(dāng)光角度轉(zhuǎn)換器130與光源110越遠(yuǎn)時，則圖案分布可以越稠密。該光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器可以設(shè)置在光導(dǎo)120的底部表面121上，或者既在頂部表面122又在底部表面121上。在本實(shí)施例中，該光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器130設(shè)置在光導(dǎo)120的底部表面121。另外，反射板131可以設(shè)置在光導(dǎo)120之下用以反射在被光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器130散射或衍射之后的從光導(dǎo)的底部表面121發(fā)射出的光并且允許所述光再次進(jìn)入光導(dǎo)120。該反射板131反射具有在預(yù)定范圍內(nèi)的入射角的光，并且散射和隨后反射超出預(yù)定范圍的入射角的光。
該選擇透射元件140設(shè)置在光導(dǎo)120的頂部表面的上方。在從光導(dǎo)面板120發(fā)射的光中，該選擇透射元件140透射在預(yù)定發(fā)射角范圍內(nèi)傳播的光而反射所有其它光使其再次入射到光導(dǎo)中。即，選擇透射元件140為能夠根據(jù)光的入射角選擇性地反射或透射光的光學(xué)裝置。該選擇透射元件140為選擇性地透射具有光可以被投影透鏡401有效地投影的預(yù)定范圍之內(nèi)的角度的光的光學(xué)角度選擇器的一個例子。
圖5為說明選擇透射元件的光透射和反射性質(zhì)的圖。參考圖5，反射曲線R和投射曲線T相互交叉在一個特殊入射角度θ。當(dāng)光入射到選擇透射元件140的入射角小于該特殊的入射角θ時，大部分的光透射。當(dāng)光進(jìn)入到選擇透射元件140的入射角大于該特殊的入射角θ時，大部分的光反射。因此，當(dāng)該特殊的入射角θ與光可以被投影光學(xué)系統(tǒng)400有效地投影的光的入射角相同時，從光導(dǎo)120發(fā)射的大部分的、具有傳播的光可以被投影光學(xué)系統(tǒng)400有效地投影的預(yù)定范圍之內(nèi)的角度的光通過選擇投射部分140，而余下的光反射回光導(dǎo)120。當(dāng)發(fā)射白光的發(fā)光二極管(LED)用作光源110時，優(yōu)選具有分光特性的選擇透射元件140可以用來通過紅的、藍(lán)的或綠的顏色光束之一。
依照本實(shí)施例的該光再生單元還可以包括偏振元件180。該偏振元件180可以設(shè)置在選擇透射元件140的輸出一側(cè)。通常，液晶板200僅使用在一個特殊方向偏振的光。該偏振元件180僅透射從光導(dǎo)120發(fā)射的具有可用的偏振方向的一部分光，而把余下的光反射回光導(dǎo)120。
以下解釋如上在圖3-4中所構(gòu)造的照明模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)。
首先，從光源110發(fā)射的光入射到光導(dǎo)120的一端表面。光隨后通過光導(dǎo)120傳播。在直接朝向光導(dǎo)120的頂部表面122的入射光中，具有比光導(dǎo)120的全反射角，即從光導(dǎo)120的折射率計(jì)算的臨界角度，大的相對于頂部表面122的入射角的光全內(nèi)部反射并且因此通過光導(dǎo)120的內(nèi)側(cè)傳播。具有比全內(nèi)反射角小的入射角的光通過光導(dǎo)面板并且因此通過作為光導(dǎo)120的發(fā)光表面的頂部表面122發(fā)射。入射到光導(dǎo)120的底部表面121的光被光角度轉(zhuǎn)換器130散射或衍射，從而其的傳播角度改變。這些光隨后根據(jù)入射到頂部表面122的角度，透射通過頂部表面122或全內(nèi)反射并且通過光導(dǎo)120的內(nèi)側(cè)傳播。通過光導(dǎo)120的底部表面121的光被反射，或者被散射并且隨后被反射板131反射再次入射到光導(dǎo)120的內(nèi)部。這樣，因?yàn)閭鞑ソ嵌鹊母淖円约爸貜?fù)全反射，具有比臨界角小的相對于頂部表面122的入射角的光透射通過光導(dǎo)120的頂部表面122并且發(fā)射。
從光導(dǎo)120的頂部表面122發(fā)射的光入射到選擇透射元件140。根據(jù)在選擇透射元件140上的入射角度一部分光通過選擇透射元件140而一部分反射。依照本實(shí)施例的一個結(jié)構(gòu)，選擇透射元件140可以包括分光光學(xué)系統(tǒng)。參考圖5，可以被投影光學(xué)系統(tǒng)400有效地投影的一部分光沒有通過透射部分140，而被反射。同樣，不能被投影光學(xué)系統(tǒng)400有效地投影的一部分光通過透射部分140。但是，基本上，選擇透射元件透射了具有可以被投影光學(xué)系統(tǒng)400有效地投影的預(yù)定范圍內(nèi)的角度的光而反射了余下的光。
被分光光學(xué)系統(tǒng)140反射的光再次入射到光導(dǎo)120上并且在內(nèi)部反射，從而光的傳播角度改變并且因此光可以再次進(jìn)入選擇透射元件140。當(dāng)該光再生過程重復(fù)時，被投影透鏡401有效地投影的該源110發(fā)射的光的百分比變?yōu)閹缀?00％。使用這個系統(tǒng)，從光源110發(fā)射的沒有被投影透鏡401有效地投影的光通過系統(tǒng)反射返回，從而光丟失的數(shù)量徹底地減少并且光收集效率增加。因此，圖像亮度也增加。
當(dāng)偏振元件180設(shè)置在選擇透射元件140的輸出一側(cè)時，偏振在不能通過液晶板200的一個方向的光反射回到光導(dǎo)120。再次進(jìn)入光導(dǎo)120的光被光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器130散射或衍射，使得光的偏振方向改變并且因此光從光導(dǎo)120通過光再生過程發(fā)射。事實(shí)上，當(dāng)安裝了偏振元件180，入射到液晶板200的入射光的數(shù)量為當(dāng)沒有安裝偏振元件180時的大約1.6倍。
圖6為在圖4中的照明模塊的改進(jìn)的剖視圖。以下，與圖3和4相同的部分給予相同的參考數(shù)字。
參考圖6棱鏡片160設(shè)置作為光學(xué)角度選擇器，并且選擇透射元件140進(jìn)一步設(shè)置在棱鏡片160的輸出的一側(cè)上。偏振元件180可以進(jìn)一步設(shè)置在選擇透射元件140的輸出一側(cè)上。該棱鏡片160，在其上形成多個微棱鏡，設(shè)置在光導(dǎo)120的上方，并且具有比空氣大的折射率大的折射率。
圖7為說明棱鏡片160工作的圖。同樣參考圖6，從光導(dǎo)120的頂部表面122發(fā)射的光透射通過微棱鏡161的底部一側(cè)162，并且發(fā)生折射。由于棱鏡片160的折射率比空氣的大，透射角θ2比入射角θ1小。已經(jīng)在微棱鏡161中傳播的并且透射通過傾斜的一側(cè)163的光被再次折射。這里相對于傾斜一側(cè)的透射角θ4比相對于傾斜一側(cè)的入射角θ3大。因此，相對于直線164表示的垂直方向的透射角θ5比相對于垂直方向的入射角θ1小。結(jié)果，當(dāng)從光導(dǎo)120發(fā)射的光通過棱鏡片160時，光被收集，從而可以被投影光學(xué)系統(tǒng)400有效地投影的光的數(shù)量增加。
圖8為當(dāng)微棱鏡161的頂角θ6為45度并且微棱鏡161的折射率為1.5時的說明微棱鏡的透射角θ5和入射角θ1之間的關(guān)系的圖。參考圖8，具有從0到5度的范圍的入射角θ1的光被全內(nèi)反射并且返回光導(dǎo)120。在較大的入射角，光通常以相對于入射角θ1減小的角度θ5透射。返回到光導(dǎo)120的光在光導(dǎo)中散射并且衍射，改變其傳播角度。結(jié)果，光再次進(jìn)入棱鏡片160，重復(fù)光再生過程。這樣，可以被投影光學(xué)系統(tǒng)400有效地投影的光的數(shù)量增加。
當(dāng)使用具有光圈數(shù)為2.5的投影光學(xué)系統(tǒng)400，有效投影角度為大約±12度。參考圖8，具有大約12度的透射角θ5的光的入射角θ1為從15到38度的范圍。
如圖6所示，各向異性的起光學(xué)角度選擇器的功能的散射元件170可以置于光導(dǎo)120和棱鏡片160之間。各向異性散射元件170根據(jù)光的入射角透射或散射光。入射角θ1為大約0度的入射到棱鏡片160的光被全發(fā)射。當(dāng)各向異性散射元件170安裝在光導(dǎo)120和棱鏡片160之間時，具有大約0度角的從光導(dǎo)120發(fā)射的光被散射和透射，并且具有不同的入射角的光透射而不散射。照這樣，從棱鏡片160反射的光的總的數(shù)量減小。結(jié)果，透射通過棱鏡片160并且可以被投影棱鏡401有效地投影的光的數(shù)量進(jìn)一步增加。實(shí)際上，當(dāng)設(shè)置了各向異性的散射元件170時，具有當(dāng)通過棱鏡片160時的透射角θ5為大約±12度的光的數(shù)量與當(dāng)沒有設(shè)置各向異性散射元件170時的情況相比增加大約1.5倍。
當(dāng)棱鏡片160作為光學(xué)選擇器描述，嚴(yán)格地說，該棱鏡片160同樣起光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器的功能。
選擇透射元件140在透射角θ5在光可以被投影光學(xué)系統(tǒng)400有效地投影的范圍內(nèi)時通過棱鏡片160透射光，并且反射余下的光再次入射到光導(dǎo)120。重新進(jìn)入光導(dǎo)120的光經(jīng)過上述的光再生過程隨后再次透射通過棱鏡片160并且最終透射到選擇透射元件140。
當(dāng)偏振元件180設(shè)置在選擇透射元件140的輸出一側(cè)時，具有偏振性的不能透射通過液晶板200(見圖3)的光被反射并且因此通過光再生過程再次入射光導(dǎo)120。
當(dāng)如以上構(gòu)造實(shí)現(xiàn)照明模塊時，從光源發(fā)射的全部的光中，可以被投影透鏡401有效地投影的光的數(shù)量當(dāng)與僅使用選擇透射元件140的情況相比進(jìn)一步增加。
圖9為說明依照本發(fā)明的第二實(shí)施例的投影顯示器結(jié)構(gòu)的示意圖。依照該第二實(shí)施例的該投影顯示器為使用反射式光學(xué)調(diào)制器的彩色顯示器，該反射式光學(xué)調(diào)制器調(diào)制從照明模塊發(fā)射的光。
參考圖9，依照本實(shí)施例的該投影顯示器包括作為反射式光學(xué)調(diào)制器的一數(shù)字微鏡裝置(digital micromirror device)(DMD)201、用于照明DMD 201的一照明模塊101、用于收集由照明模塊101發(fā)射到DMD 201的光的一照明透鏡組190、一全內(nèi)反射(TIR)棱鏡301、以及用于放大地投影被DMD 201調(diào)制的光的一投影光學(xué)系統(tǒng)400。該DMD 201為反射式光學(xué)調(diào)制器的一個例子，并可以被反射式液晶板代替。
該TIR棱鏡301全反射從照明模塊101入射在分界面302上的光到DMD 201，并且其通過界面302透射通過DMD 201調(diào)制的反射的光到投影光學(xué)系統(tǒng)400。
圖10為在圖9中的投影顯示器的照明模塊的剖視圖。
參考圖10，照明模塊101包括光源110和光再生單元。該光再生單元包括一合成器151和一棱鏡片160。
該合成器151引導(dǎo)光，并且可以包括在其內(nèi)壁具有中空的矩形管道形式的一光通道126，該光通道具有發(fā)光表面125。該合成器151還可以包括由玻璃或塑料制成的具有中空矩形管道形式的一光棒(未示出)，其具有高光透射率，替代光通道126。
該光源110安裝在光通道126的一端用以發(fā)射光到該光通道126。一反射板112可以圍繞光源110設(shè)置。
一光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器130設(shè)置在光通道126對著光源110的一端。該光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器130可以如上所述為散射圖案或衍射圖案。
一棱鏡片160設(shè)置在光通道126輸出的一側(cè)。一各向異性散射元件170可以置于光通道126和棱鏡片160之間用以根據(jù)光的入射角保持原樣地透射光或者散射并且隨后透射光。棱鏡片160和各向異性散射元件170已經(jīng)在圖6中描述，因此將不再描述。
在以上構(gòu)造的照明模塊中，從光源110照射的光在反射表面125受到重復(fù)的反射使得光通過光通道126傳播并且入射到光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器130。光被光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器散射或衍射，從而光的傳播角度改變并且散射了或衍射了的光隨后入射到各向異性散射元件170上。該各向異性散射元件170散射并透射具有入射角為大約0度的光而僅透射其它所有角度入射的光。通過各向異性170的光透射到棱鏡片160并且通過照明透鏡組190和TIR棱鏡301對準(zhǔn)DMD 201。被DMD 201調(diào)制的光透射通過TIR棱鏡301并且利用投影光學(xué)系統(tǒng)400放大地投影。沒有通過棱鏡片160的光回到光通道126來經(jīng)歷光再生過程并且重復(fù)上述的步驟。通過光再生過程，可以被投影光學(xué)系統(tǒng)400有效地投影的光的數(shù)量與傳統(tǒng)投影顯示器相比增加。
解釋當(dāng)設(shè)置棱鏡片160時達(dá)到的光收集效率。當(dāng)投影光學(xué)系統(tǒng)200的光圈數(shù)為2.4，DMD的尺寸為0.79，縱橫比為16∶9，以及照明區(qū)域的固定(resting)區(qū)域?yàn)?％時，在投影一側(cè)的集光率為25.1。當(dāng)從照明模塊101發(fā)射的光的角度為大約40度并且光通道126的截面積為4.5mm×7.8mm時，在照明模塊101一側(cè)的集光率為24.5。這些結(jié)果顯示本實(shí)施例可以以非常高的效率收集光。當(dāng)還使用各向異性散射元件170時，光收集效率進(jìn)一步提高。
圖11為在圖9中所示的照明模塊的改進(jìn)的剖視圖。參考圖11，一選擇透射元件140進(jìn)一步設(shè)置在棱鏡片160的輸出一側(cè)。該選擇透射元件140已經(jīng)在圖4中以前描述過所以將不再次描述。依照如以上構(gòu)造的照明模塊，透射通過棱鏡片160的超出可以被投影光學(xué)系統(tǒng)400有效地投影的角度的光被反射并且經(jīng)歷光再生過程。因此，可以被投影光學(xué)系統(tǒng)400有效地投影的光的數(shù)量進(jìn)一步增加。當(dāng)反射式液晶板用作反射式調(diào)制器時，如果偏振元件180進(jìn)一步設(shè)置，可以被投影光學(xué)系統(tǒng)400有效地投影的光的數(shù)量更多地增加。
當(dāng)在上述的實(shí)施例中分別使用透射式光學(xué)調(diào)制器和反射式光學(xué)調(diào)制器時，其為說明性的并且確定不限制本發(fā)明的范圍。該照明模塊100既可以在如圖10所示使用反射式光學(xué)調(diào)制器的投影顯示器中使用也可以在如圖3所示的使用透射式光學(xué)裝置的投影顯示器中使用。
如上所述，依照本發(fā)明的投影顯示器具有以下效果。
首先，從光源發(fā)射的所有光中，不能被投影光學(xué)系統(tǒng)有效地投影的光通過光再生過程被再生，因此徹底地減少光的丟失，提供光收集效率，并且得到更明亮的圖像。
第二，防止因?yàn)槭褂猛哥R的照明光學(xué)系統(tǒng)的缺陷造成的光收集效率的降低，并且因此，小的光源，例如LED、LED陣列、有機(jī)電發(fā)光裝置或者類似物，可以被用作光源。因此，減少了經(jīng)常替換光源的麻煩。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參考典型的實(shí)施例加以具體顯示和描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的改動。
權(quán)利要求
1.一種投影顯示器，包括一照明模塊；一光學(xué)調(diào)制器，用于依照圖像數(shù)據(jù)調(diào)制從該照明模塊入射的光；以及一投影光學(xué)系統(tǒng)，用于放大地投影從光學(xué)調(diào)制器發(fā)射的光，其中所述的照明模塊包括至少一個光源；以及一光再生單元，其使得從所述光源發(fā)射的具有超出一光可以被所述投影光學(xué)系統(tǒng)有效地投影的預(yù)定范圍的發(fā)射角度的光在所述預(yù)定范圍內(nèi)傳播。
2.如權(quán)利要求1所述的投影顯示器，其中所述光源包括一發(fā)光二極管。
3.如權(quán)利要求2所述的投影顯示器，其中所述光源包括其上設(shè)置有多個發(fā)光二極管的一發(fā)光二極管陣列。
4.如權(quán)利要求1所述的投影顯示器，其中所述光源包括一有機(jī)電發(fā)光裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的投影顯示器，其中所述光再生單元包括一合成器，用于引導(dǎo)從所述光源入射的光到所述光學(xué)調(diào)制器上并且包括改變光的傳播角度的一光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器；以及一光學(xué)角度選擇器，設(shè)置在所述合成器的輸出一側(cè)并用于根據(jù)光的入射角度選擇性地透射或反射所述光。
6.如權(quán)利要求5所述的投影顯示器，其中所述合成器包括一平板形式的光導(dǎo)，利用全反射光通過其傳播，并且所述光源投射光到所述光導(dǎo)的至少一個端表面上。
7.如權(quán)利要求6所述的投影顯示器，其中所述光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器包括一散射圖案，該散射圖案設(shè)置在所述光導(dǎo)的所述發(fā)光表面和與所述發(fā)光表面相對的一表面中的至少一個表面上。
8.如權(quán)利要求6所述的投影顯示器，其中所述光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器包括一衍射圖案，該衍射圖案設(shè)置在所述光導(dǎo)的所述發(fā)光表面和與所述發(fā)光表面相對的一表面中的至少一個表面上。
9.如權(quán)利要求5所述的投影顯示器，其中所述合成器包括一光通道，該光通道具有在其內(nèi)壁形成具有光反射表面的中空矩形管道形式，并且所述光源發(fā)射光到所述光通道的一端。
10.如權(quán)利要求9所述的投影顯示器，其中所述光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器設(shè)置在與所述光源相對一側(cè)的所述光通道的一端處。
11.如權(quán)利要求5所述的投影顯示器，其中所述合成器包括一光棒，該光棒具有由透明材料制成的中空矩形管道的形式，并且所述光源發(fā)射光到所述光棒的一側(cè)的一端處。
12.如權(quán)利要求11所述的投影顯示器，其中所述光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器設(shè)置在與所述光源相對一側(cè)的所述光通道的一端處。
13.如權(quán)利要求5所述的投影顯示器，其中所述光學(xué)角度選擇器包括一選擇透射元件，其透射從所述合成器發(fā)射的具有一光可以被所述投影光學(xué)系統(tǒng)有效地投影的預(yù)定范圍內(nèi)的發(fā)射角度的光并且反射具有所述預(yù)定范圍之外的發(fā)射角度的光。
14.如權(quán)利要求13所述的投影顯示器，其中所述光學(xué)角度選擇器包括一偏振元件，其只傳播具有能夠通過所述光學(xué)調(diào)制器的偏振的光并且反射具有其它偏振的光，當(dāng)所述光學(xué)調(diào)制器為透射式光學(xué)裝置時其僅允許具有一預(yù)定偏振的光通過。
15.如權(quán)利要求14所述的投影顯示器，其中所述偏振元件設(shè)置在所述選擇透射元件的輸出一側(cè)。
16.如權(quán)利要求13所述的投影顯示器，其中所述光學(xué)角度選擇器還包括一棱鏡片，在其上形成頂點(diǎn)指向所述光學(xué)調(diào)制器的微棱鏡圖案。
17.如權(quán)利要求16所述的投影顯示器，其中所述棱鏡片置于所述合成器和所述選擇透射元件之間。
18.如權(quán)利要求16所述的投影顯示器，其中所述光學(xué)角度選擇器包括一各向異性散射元件，該散射元件置于所述合成器和所述棱鏡片之間并且適于散射并且隨后透射具有大約0度的入射角的光而僅透射以其它角度入射的光。
19.如權(quán)利要求5所述的投影顯示器，其中所述光學(xué)角度選擇器包括一棱鏡片，在其上形成頂點(diǎn)指向所述光學(xué)調(diào)制器的微棱鏡圖案。
20.如權(quán)利要求19所述的投影顯示器，其中所述光學(xué)角度選擇器還包括一各向異性散射元件，該散射元件置于所述合成器和所述棱鏡片之間并且適于散射并且隨后透射具有大約0度的入射角的光而僅透射以其它角度入射的光。
21.如權(quán)利要求19所述的投影顯示器，其中所述光學(xué)角度選擇器還包括一偏振元件，其僅傳播具有能夠通過所述光學(xué)調(diào)制器的偏振的光并且反射具有其它偏振的光，當(dāng)所述光學(xué)調(diào)制器為透射式光學(xué)裝置時其僅允許具有一預(yù)定偏振的光通過。
22.一種投影顯示器，包括一照明模塊；一透射式光學(xué)調(diào)制器，用于依照圖像數(shù)據(jù)調(diào)制從所述照明模塊入射的光；以及一投影光學(xué)系統(tǒng)，用于放大地投影從所述透射式光學(xué)調(diào)制器發(fā)射的光，其中所述照明模塊包括一光導(dǎo)，利用全反射光通過其傳播，并且其包括一光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器，該光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器設(shè)置在所述光導(dǎo)的發(fā)光表面和與所述發(fā)光表面相對的一表面中的至少一個表面上用以改變通過所述光導(dǎo)的光傳播角度；至少一個光源，用于投射光到所述光導(dǎo)的至少一個端表面上；以及一選擇透射元件，其透射從所述光導(dǎo)發(fā)射的具有一光可以被所述投影光學(xué)系統(tǒng)有效地投影的預(yù)定范圍內(nèi)的角度的光并且反射具有預(yù)定范圍之外發(fā)射角度的光回到所述光導(dǎo)。
23.如權(quán)利要求22所述的投影顯示器，其中所述光源包括其上設(shè)置有多個發(fā)光二極管的一發(fā)光二極管陣列。
24.如權(quán)利要求22所述的投影顯示器，其中所述照明模塊還包括一棱鏡片，在其上形成頂點(diǎn)指向所述透射式光學(xué)調(diào)制器的微棱鏡圖案，所述棱鏡片置于所述光導(dǎo)和所述選擇透射元件之間。
25.如權(quán)利要求24所述的投影顯示器，其中所述照明模塊還包括一各向異性散射元件，該散射元件置于所述光導(dǎo)和所述棱鏡片之間并用于散射并且隨后透射具有在所述棱鏡片的全反射臨界角度內(nèi)的入射角的光而僅透射具有所述全反射臨界角之外的入射角的光。
26.如權(quán)利要求22所述的投影顯示器，其中所述照明模塊還包括一偏振元件，該偏振元件設(shè)置在所述選擇透射元件的輸出一側(cè)上，用于透射具有能夠透射通過所述光學(xué)調(diào)制器的偏振的光并且反射具有其它偏振的光。
27.一種投影顯示器，包括一照明模塊；一反射式光學(xué)調(diào)制器，用于依照圖像數(shù)據(jù)調(diào)制從所述照明模塊入射的光；一照明光學(xué)系統(tǒng)，用于收集從所述照明模塊入射在所述反射式光學(xué)調(diào)制器上的光，以及一投影光學(xué)系統(tǒng)，用于放大地投影從光學(xué)反射式調(diào)制器發(fā)射的光，其中所述照明模塊包括至少一個光源；一合成器，用于引導(dǎo)從光源入射的光到所述反射式光學(xué)調(diào)制器并且包括一轉(zhuǎn)變光的傳播角度的光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器；以及一棱鏡片，在其上形成頂點(diǎn)指向所述光學(xué)調(diào)制器的微棱鏡圖案。
28.如權(quán)利要求27所述的投影顯示器，其中所述光源包括其上設(shè)置有多個發(fā)光二極管的一發(fā)光二極管陣列。
29.如權(quán)利要求27所述的投影顯示器，其中所述合成器包括一光通道，該光通道具有在其內(nèi)壁形成具有光反射表面的中空矩形管道的形式，并且所述光源發(fā)射光到所述光通道的一側(cè)的端部。
30.如權(quán)利要求27所述的投影顯示器，其中所述合成器包括一光棒，該光棒具有由透明材料制成的中空矩形管道的形式，并且所述光源發(fā)射光到所述光棒的一側(cè)的端部。
31.如權(quán)利要求27所述的投影顯示器，其中所述照明模塊還包括一各向異性散射元件，該散射元件置于所述合成器和所述棱鏡片之間，用于散射并且隨后透射具有在棱鏡片的全反射臨界角度內(nèi)的入射角的光而僅透射具有全反射臨界角之外的入射角的光。
32.如權(quán)利要求31所述的投影顯示器，其中所述照明模塊還包括一選擇透射元件，該選擇透射元件設(shè)置在所述棱鏡片的輸出一側(cè)，用于透射具有一光可以被所述投影光學(xué)系統(tǒng)有效地投影的預(yù)定范圍內(nèi)的角度的光并且反射具有所述預(yù)定范圍之外的角度的光回到所述合成器。
33.一種投影顯示器，包括a)一棱鏡；b)一投影光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)置得靠近所述棱鏡的第一側(cè)；c)多個液晶板，所述液晶板具有一第一側(cè)和一第二側(cè)，其中所述多個液晶板的第一側(cè)設(shè)置的靠近所述棱鏡的相反側(cè)；d)多個照明模塊，設(shè)置得靠近所述多個液晶板的第二側(cè)，并且其中所述多個照明模塊的每一個包括一光導(dǎo)；至少一個光源，設(shè)置用來發(fā)射光并入射到所述光導(dǎo)的一端；一光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器，設(shè)置在所述光導(dǎo)的底部表面上；一反射板，設(shè)置得靠近所述光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器；以及一選擇透射元件，設(shè)置得靠近所述光導(dǎo)的頂部表面。
34.如權(quán)利要求33所述的投影顯示器，其中所述多個照明模塊的每一個還包括至少一個反射板，所述至少一個反射板的每一個設(shè)置得靠近所述至少一個的光源中與所述光導(dǎo)相對的一個光源，由此所述至少一個反射板的每一個反射從所述至少一個光源中的一個發(fā)射的光到所述光導(dǎo)的一端。
35.如權(quán)利要求33所述的投影顯示器，其中所述至少一個光源的每一個包括一發(fā)光二極管。
36.如權(quán)利要求33所述的投影顯示器，其中所述至少一個光源的每一個包括多個發(fā)光二極管。
37.如權(quán)利要求33所述的投影顯示器，其中所述多個照明模塊的每一個還包括一偏振元件，設(shè)置得靠近所述選擇透射元件并與所述光導(dǎo)的頂部表面相對。
38.一種投影顯示器，包括a)一棱鏡；b)一投影光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)置得靠近所述棱鏡的第一側(cè)；c)多個液晶板，所述液晶板具有一第一側(cè)和一第二側(cè)，其中所述多個液晶板的第一側(cè)設(shè)置得靠近所述棱鏡的相反側(cè)；d)多個照明模塊，設(shè)置得靠近所述多個液晶板的第二側(cè)，并且其中所述多個照明模塊的每一個包括一光導(dǎo)；至少一個光源，設(shè)置用來發(fā)射光并入射到所述光導(dǎo)的一端；至少一個反射板，所述至少一個反射板的每一個設(shè)置的靠近所述至少一個光源中與所述光導(dǎo)相對的一個光源，由此所述至少一個反射板的每一個反射從所述至少一個光源的一個發(fā)射的光到所述光導(dǎo)的一端上。一光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器，設(shè)置在所述光導(dǎo)的底部表面上；一反射板，設(shè)置得靠近所述光學(xué)角度轉(zhuǎn)換器；一選擇透射元件，設(shè)置得靠近所述光導(dǎo)的頂部表面；以及一偏振元件，設(shè)置得靠近所述選擇透射元件并與所述光導(dǎo)的頂部表面相對。
全文摘要
一種投影顯示器，包括一照明模塊；一光學(xué)調(diào)制器，用于依照圖像數(shù)據(jù)調(diào)制從照明模塊入射的光；以及一投影光學(xué)系統(tǒng)，用于放大地投影從光學(xué)調(diào)制器發(fā)射的光，其中所述的照明模塊包括至少一個光源；以及一光再生單元，其使得從所述光源發(fā)射的具有超出一光可以被所述投影光學(xué)系統(tǒng)有效地投影的預(yù)定范圍的發(fā)射角度的光在所述預(yù)定范圍內(nèi)傳播。
文檔編號F21V8/00GK1542494SQ20041003158
公開日2004年11月3日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月25日
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