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)一長度為D的光路時，象束占滿屏幕26。光路長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上形成一個陰影。
參見圖2，設(shè)計者通過“折合”被投射象束的光路以減少系統(tǒng)30的表觀投影長度L來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包括一或多個反射鏡34、36，這些反射鏡沿光路放置在一些關(guān)鍵點，改變被投影象束的方向并形成多個次級光路D1、D2、D3。在此光學(xué)系統(tǒng)30中的整個系統(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的定位使得次級光路D1、D2和D3的結(jié)合長度等于圖1中的光路長D時，即使表觀投影長度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1/4波長消色差延遲器，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)明的實施例包括下列特征。系統(tǒng)包括一個動力光學(xué)元件，以進一步增加象束的“折合”，改變放大率，提供畸變校正或優(yōu)化組裝。甚至還通過使象束從反射鏡兩次反射并四次穿過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)明包括下述一個或多個優(yōu)點。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，以進一步減小系統(tǒng)的尺寸。
本發(fā)明的其它優(yōu)點及特點將通過以下的描述和權(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是一個具有“超折合”投影視頻顯示的計算機系統(tǒng)。
參見圖3，它是一個“超折合”投影視頻系統(tǒng)50，如投影電視，包括一個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，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反過來，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，象55穿過屏52導(dǎo)向觀眾62。
在這種方式中，屏幕52實際上充當(dāng)一個置于觀眾62和后反射鏡60之間的反射鏡。屏52將象束56反射遠離觀眾，但并不能阻擋光束56或嚴(yán)重地損害觀眾看到的圖像55的質(zhì)量。因為“反射鏡”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，遠小于線性距離L’。
投影系統(tǒng)50通過輸入電纜51接收電信號并將其提供給信號分解器53。信號分解器53將電信號分解成視頻信號和音頻信號，并分別將這些信號提供給象源58和聲音系統(tǒng)57。象源58將視頻信號轉(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械，如液晶顯示(“LCD”)投影器。電信號可以是任意一種包含視頻信息的信號，如通過天線或電纜線接收到的電視信號或通過計算機視頻光纜接收的計算機視頻信號。音頻信號和聲音系統(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，因為它的后表面54被一種線性反射偏振材料覆蓋，如Minnesota Mining &Manufacturing Company的雙透增強膜(DBDF)材料。線性反射偏振材料形成一個偏振器64，透過所有在一個方向(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取向為透射P偏振光，則它實際上將反射所有的S偏振光，因為S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，所有的光穿過偏振器64和散射屏52指向觀眾，因為P偏振光對準(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)(即通過一或多個連接系統(tǒng)腔體的框架)。
參見圖5，穿過象源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的前表面或通過其它方式置于系統(tǒng)中。
1/4波長消色差延遲器70包括由一種材料組成，它將穿過延遲器70的光波的線性成份延遲1/4波長。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，兩次穿過延遲器70的光將相同的線性成份延遲兩次，或1/2波長。因此，穿過延遲器70兩次的線性偏振光出現(xiàn)一個垂直于其初始時的偏振光。
例如，沿次級光路D2’傳遞的S偏振光，當(dāng)其穿過消色差延遲器70時，轉(zhuǎn)換成圓偏振光74。從第二反射鏡60反射后，當(dāng)其又穿過延遲器70時，圓偏振光74變成P偏振光76。然后，P偏振光76沿次級光路D3’穿行并終于穿過線性反射偏振器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“拼湊”的偏振器90或92，用于補償當(dāng)圖像在系統(tǒng)中被反射時產(chǎn)生的梯形畸變。線性反射偏振材料64對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，而可能是稍有一點圓偏振光。“拼湊的”偏振器90或92對這種潛在的情況進行補償?！捌礈惖摹逼衿?0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投影器最后一級的透鏡的表面。圓偏振器90實際上是一個具有幾個不同透射比例的區(qū)域90a-90f的線性吸收偏振器。每一對相鄰的區(qū)域被一個沿偏振器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。因為個別光線的延遲效應(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延遲器70的光線，區(qū)域69b容納以較高入射角穿過延遲器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∝有兩個延遲值∝1和∝2，沿水平軸β有三個延遲值β1、β2和β3。延遲器70被分為六個部分71a-71b，每個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延遲器70的光束，最外端區(qū)域73h容納以最低入射角通過延遲器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，在那兒光穿過線性反射偏振器在成象屏52上形成圖象，象束此時又含有P偏振光。
圖11A是圖8中投影顯示系統(tǒng)50的多個單元的裝配側(cè)視圖。每個單元250a、250b包括一個外殼體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?。外殼體200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的多個單元的裝配側(cè)視圖。每個單元260a、260b包括一個外殼體210。在此例中，外殼體實際上是個長方體，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實際上四邊延伸到外殼體210的邊端，沒有外殼體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)計是折衷選擇圖8有關(guān)深度和基底直徑的設(shè)計，以及最終的使用效果的設(shè)計選擇。
參見圖13所示的另一個實施例，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之間過于迅速的擴散，象源58僅以輕微的發(fā)散(或放大)來投射象束。結(jié)果是，較低的反射鏡104是一個“動力”光學(xué)元件，當(dāng)其將象束反射向線性反射偏振器64時對象束進行放大。較低的反射鏡104對象束的放大，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“動力”光學(xué)元件，如圖14A所示。另外，上反射102可以是一個“負動力”光學(xué)元件，使象束會聚，直到象束到達較低反射鏡104，如圖14B所示。
參見圖15，“超折合”圖象投影系統(tǒng)可組裝到計算機顯示器106中，其體積之小，足以用到臺式計算機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，通過一標(biāo)準(zhǔn)的視頻電纜114給投影顯示次級系統(tǒng)106提供視頻數(shù)據(jù)。因為屏116用作“反射鏡”，將視頻圖象“折合”到一個很小的區(qū)域，投影顯示次級系統(tǒng)106將平面屏幕技術(shù)和臺式計算機所需要的小面積投影視頻的優(yōu)點結(jié)合到一起。
其它的實施例在從屬的權(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，折疊式和臺式計算機，高架式投影機、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，包括一個成象表面；一個光學(xué)裝置；和一條在通向成象表面的途中兩次到達光學(xué)裝置的成象光路，光學(xué)裝置在一個時刻反射圖象，在另一不同的時刻允許圖象通過光學(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，其還包括一個第二光學(xué)裝置，使圖象的偏振旋轉(zhuǎn)通過第二光學(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，圖象光路在到達光學(xué)裝置之前到達第二光學(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動力光學(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動力光學(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，象源接收電信號形式的視頻信號。
19 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其還包括一個包含向象源提供視頻數(shù)據(jù)的視頻控制器的計算機。
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，對其進行偏振。
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1/4波長延遲器，該延遲器將圓偏振光又轉(zhuǎn)變成線偏振光，同時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導(dǎo)向象屏。
文檔編號G09F13/04GK1165963SQ9612397
公開日1997年11月26日 申請日期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 申請人:康帕克電腦公司