專(zhuān)利名稱(chēng)：變角透鏡組、光源組件及應(yīng)用光源組件的液晶投影機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種透鏡組、應(yīng)用透鏡組的光源組件及應(yīng)用光源組件的液晶投影機(jī)。
(2)背景技術(shù)液晶分子因只能容許光束中電場(chǎng)具有特定震蕩方向的分量通過(guò)，垂直于所述特定震蕩方向者則被反射或吸收。所以當(dāng)眾多液晶分子隨機(jī)排列時(shí)，光無(wú)法輕易穿透，需待施加電壓使其規(guī)則排列始能透光。以往向列扭轉(zhuǎn)式液晶顯示裝置，便是將液晶分子注入兩片大致平行的電極板間，且區(qū)分為數(shù)晶胞而構(gòu)成一液晶片。為說(shuō)明起見(jiàn)，如圖1所示，假設(shè)光束90沿X軸正向行進(jìn)，則將液晶片81設(shè)置于Y-Z平面，于X坐標(biāo)為負(fù)值處設(shè)置平行于液晶片81的一偏振片(polarizer)80，容許電場(chǎng)沿例如Z方向的預(yù)定方向震蕩的分量入射至液晶片81，同時(shí)施加不同電壓于橫跨各晶胞相對(duì)側(cè)面的對(duì)應(yīng)電極(未圖示)上，使介于各電極間對(duì)應(yīng)晶胞中的液晶分子依施加電壓大小產(chǎn)生不同程度扭轉(zhuǎn)，每一晶胞位置透射(或反射)出的光束的線偏極化方向從而產(chǎn)生不同程度的扭轉(zhuǎn)，電場(chǎng)沿Z方向震蕩的分量減少、沿Y方向震蕩分量增多，最后由同樣平行于液晶片81設(shè)置、且X坐標(biāo)為正的極化分析片(analyzer)82將未被扭轉(zhuǎn)、電場(chǎng)沿Z方向震蕩的分量全數(shù)濾除，濾留電場(chǎng)沿Y方向震蕩的分量，從而調(diào)制由液晶裝置各晶胞射出光的強(qiáng)弱。
然而，上述結(jié)果是由線偏極化光的電場(chǎng)震蕩方向(Z軸)、磁場(chǎng)震蕩方向(Y軸)與行進(jìn)方向(X軸)垂直的前提假設(shè)推導(dǎo)而來(lái)。一旦如圖2所示，入射光或射出的光相對(duì)偏振片80、液晶片81、或極化分析片82呈一傾斜角度而偏離坐標(biāo)X軸方向，將違反原先垂直入射的前提假設(shè)，光束90’進(jìn)入前述光路組件時(shí)，將出現(xiàn)電場(chǎng)沿Z軸方向震蕩而保持垂直于光路組件的分量、以及電場(chǎng)沿X軸方向震蕩而平行于光路組件的分量。
這樣，偏振片80及極化分光片82均無(wú)法將電場(chǎng)沿X軸方向震蕩的分量排除，所以即便在全無(wú)信號(hào)時(shí)，仍保持有部分無(wú)法濾除的光束漏出。尤其，因前述光路組件均針對(duì)垂直入射光設(shè)計(jì)，如圖3所示，以相同能量的入射光，其與前述光路組件表面所夾立體角愈小、經(jīng)所述組件射出的光能量愈少，即光能量的運(yùn)用效率相對(duì)降低。
不幸的是目前最常被用于液晶投影機(jī)的高壓汞燈，由于是借施加高電壓迫使介于二高壓電極間的一段含汞蒸汽的氣體導(dǎo)通而形成一電弧而發(fā)光，發(fā)光位置并非單一點(diǎn)，所以如圖4，位于高壓汞燈91后方的一(近似)拋物面鏡92，只能勉強(qiáng)將汞燈91向后釋放的光線90″以一角度范圍反射向前。至于高壓汞燈91原本即向前方四散的光線，更非拋物面鏡92所能約束，致在高壓汞燈91前方的其它元件，必須無(wú)謂地吸收所述逃逸的光線而發(fā)熱，不但浪費(fèi)有限的寶貴光能、還造成組件散熱及組件使用壽命減短的問(wèn)題。即便繪圖時(shí)可單獨(dú)繪制主光線沿光路組件光軸前進(jìn)加以示意，但在實(shí)際進(jìn)入前述光路組件組成的光機(jī)構(gòu)中運(yùn)作時(shí)，來(lái)自此種光源的大角度光束，將因其實(shí)際涵蓋角度太大，再度造成無(wú)謂的光能吸收與發(fā)熱問(wèn)題。
一方面高壓汞燈所發(fā)光能有其極限，更因?yàn)樗l(fā)的光角度分布過(guò)廣，部分已超過(guò)一般光學(xué)組件的適用范圍，而在進(jìn)入光機(jī)構(gòu)前因發(fā)散而逸失，所以構(gòu)成的液晶投影機(jī)往往受限于受調(diào)制攜帶圖像資料的投射光強(qiáng)度不足，必須額外搭配一投影屏幕，或限制觀賞時(shí)不能開(kāi)燈。而高壓汞燈既不能無(wú)限制增加電壓而提高發(fā)光強(qiáng)度，甚至因其四散而浪費(fèi)的光能反而構(gòu)成產(chǎn)品品質(zhì)劣化、使用壽命減短的困擾因素。
另方面，即便將光源更換為例如發(fā)光二極管，一則單個(gè)發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度仍不敷使用所需，再者發(fā)光二極管的主要發(fā)光立體角仍約為正負(fù)八度，尚不夠理想。然而，一般在設(shè)計(jì)諸如液晶投影機(jī)的光機(jī)構(gòu)時(shí)，卻只繪示主光線的行經(jīng)路線而將實(shí)際發(fā)光時(shí)的立體角忽略不表，不但過(guò)度簡(jiǎn)化實(shí)際面臨問(wèn)題，還可能造成大量誤差而使光機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者無(wú)法正確定量計(jì)算。所以若能將光源發(fā)光局限于較窄的立體角，將可大幅降低上述問(wèn)題的不利影響。
(3)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的在于提供一種變化光源主要發(fā)光張角度大小的變角透鏡組。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用所述變角透鏡組并主要發(fā)光角度極度集中而窄化的光源組件。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種應(yīng)用所述光源組件且構(gòu)造極其簡(jiǎn)單的液晶投影機(jī)。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種易于排除光學(xué)機(jī)構(gòu)中光路元件吸收光所放熱能的液晶投影機(jī)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用組件化光源、使發(fā)光強(qiáng)度可輕易選擇調(diào)整的液晶投影機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明一方面提供一種變角透鏡組，其特點(diǎn)是，包括三群鏡片，所述鏡片是沿同一光軸循序串行，其中所述第一及第三群鏡片焦距為正、所述第二群鏡片焦距為負(fù)，且所述變角透鏡組的焦距是所述透鏡組后焦距的數(shù)倍。
根據(jù)本發(fā)明另一方面提供一種光源組件，其特點(diǎn)是，包括一供以一立體發(fā)散角射出光束的光源；一變角透鏡組，它包括三群鏡片，所述鏡片是沿同一光軸循序串行，其中所述第一及第三群鏡片焦距為正、所述第二群鏡片焦距為負(fù)，且所述變角透鏡組的焦距是所述透鏡組后焦距的數(shù)倍；其中所述變角透鏡組連接至所述光源，以改變所述光源輸出光束的立體發(fā)散角。
根據(jù)本發(fā)明又一方面提供一種液晶投影機(jī)，其特點(diǎn)是，它由一光源組件、一液晶面板組件及一投射鏡頭組組成；所述光源組件包括一供以一立體發(fā)散角射出光束的光源；一變角透鏡組，它包括三群鏡片，所述鏡片是沿同一光軸循序串行，其中所述第一及第三群鏡片焦距為正、所述第二群鏡片焦距為負(fù)，且所述變角透鏡組的焦距是所述透鏡組后焦距的數(shù)倍；其中所述變角透鏡組連接至所述光源，以改變所述光源輸出光束的立體發(fā)散角；所述光源組件輸出光束至少包括紅綠藍(lán)三不同波長(zhǎng)范圍的成分。
采用上述方案，由于依序?qū)⒔咕酁檎?負(fù)-正的三群鏡片組合，并調(diào)制透鏡組的焦距與后焦距比，使穿透射出光束與入射光束的立體角產(chǎn)生顯著變化，借以調(diào)變射出光束發(fā)散角，尤其搭配如發(fā)光二極管等發(fā)散角較小的發(fā)光組件，更可將發(fā)光角度限制到相當(dāng)狹窄的范圍，使光能被有效射入下游的光機(jī)構(gòu)中，特別是對(duì)入射光角度極敏感的光學(xué)組件如液晶面板，從而提高效率、減少發(fā)熱、簡(jiǎn)化液晶投影機(jī)構(gòu)造、降低成本。
為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的上述目的、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和效果，以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
(4)


圖1是線偏極化光束行經(jīng)偏振片、液晶片及極化分析片的偏極化方向變化示意圖。
圖2是以往離軸式液晶投影機(jī)光學(xué)機(jī)構(gòu)中，以?xún)A斜角度入射的實(shí)際光束與偏振片及液晶片作用時(shí)，光束偏極化方向示意圖。
圖3是顯示入射至光路組件表面光束于組件表面所夾立體角、及經(jīng)所述組件射出的等能量曲線分布示意圖。
圖4是繪示一般液晶投影機(jī)所用高壓汞燈與反射鏡相關(guān)位置側(cè)視示意圖。
圖5是繪示光源、及行經(jīng)本發(fā)明較佳實(shí)施例變角透鏡組的光束途徑相對(duì)關(guān)系示意圖。
圖6是本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的光源示意圖。
圖7是本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的液晶投影機(jī)光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是本發(fā)明第二較佳實(shí)施例的液晶投影機(jī)光學(xué)機(jī)構(gòu)示意圖。
圖9是圖8所采用光源的晶粒配置示意圖。
圖10是本發(fā)明第三較佳實(shí)施例的液晶投影機(jī)光學(xué)機(jī)構(gòu)示意圖。
圖11是本發(fā)明第四較佳實(shí)施例的液晶投影機(jī)光學(xué)機(jī)構(gòu)示意圖。
圖12是圖11所用各光源組件發(fā)光的波長(zhǎng)分布示意圖。
(5)具體實(shí)施方式
參閱圖5所示，由本發(fā)明所揭露的一較佳實(shí)施例的變角透鏡組2，包括依同一光軸而循序串行設(shè)置的第一、第二、及第三群鏡片21、22、23，其中所述第一及第三群鏡片21、23焦距為正、所述第二群鏡片22焦距為負(fù)，且在本實(shí)施例中為說(shuō)明起見(jiàn)，所述變角透鏡組2的焦距是所述透鏡組2后焦距的十倍。這樣，當(dāng)光源9發(fā)出具有一立體發(fā)散角的光束93射入所述變角透鏡組2并輸出時(shí)，在本實(shí)施例中，輸出光束93’的立體發(fā)散角遠(yuǎn)小于射入光束的立體發(fā)散角。
如圖6所示，考慮以諸如八十一個(gè)置于同一平面基板94上、以數(shù)組形式配置的發(fā)光二極管晶粒95作為光源9時(shí)，每一晶粒95輻射的光束大致分布于正負(fù)八度的立體角范圍，但經(jīng)圖4所示變角透鏡組2輸出后，無(wú)論來(lái)自八十一個(gè)晶粒95的何者，輸出光束93’半徑擴(kuò)大、光線被均勻化，而光束93’中各光線間所張的立體角約二度。換句話說(shuō)，所有晶粒95所發(fā)的光不但被均勻散開(kāi)至一范圍，以擴(kuò)大光束涵蓋的面積，并且整體光束繼續(xù)行進(jìn)時(shí)，將只以一狹小的立體角發(fā)散，使得歷經(jīng)一段距離后，光束仍可保持在半徑大小相近的范圍內(nèi)。當(dāng)然，熟悉本技術(shù)的人員可輕易理解到，所述晶粒95前也可如以往那樣先設(shè)置單純的凸透鏡，借以將每一發(fā)光晶粒的輸出先行窄化。一旦以本發(fā)明所揭示的變角透鏡組2與發(fā)光二極管光源9結(jié)合成光源組件，并與包括諸如P-S轉(zhuǎn)換器、偏振片、液晶片、及極化分析片的一液晶片組件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)液晶片)3搭配使用，將因光源組件輻射至液晶片3的光束被有效聚集在與液晶片3垂直的預(yù)定光軸相距正負(fù)二度內(nèi)，即光束的操作范圍在圖3所示的中央部分，使得入射光在行經(jīng)各光路組件時(shí)，均可以高效率透射并受調(diào)制，大幅改善以往光源因入射立體角度過(guò)大所導(dǎo)致的無(wú)謂衰減。所以如圖7所示，以紅色發(fā)光二極管晶粒組成的紅色光源9R、變角透鏡組2、液晶片3構(gòu)成一紅色光源組件4R，并同樣通過(guò)綠色光源9G、藍(lán)色光源9G設(shè)置綠色及藍(lán)色光源組件4G、4B，各光源組件分別發(fā)出各色的受調(diào)制光束93R、93G、93B，分別經(jīng)由透射紅光反射綠光、及透射紅綠光反射藍(lán)光的分色鏡96、97將三束光匯整，便可由以往投射鏡頭組99投出，構(gòu)成一液晶投影機(jī)。其中，高價(jià)光學(xué)組件被排除，使得光學(xué)組件的單價(jià)下降，而光能運(yùn)用效率提高，使得能源運(yùn)用節(jié)約、圖像重建效果更佳，再者整體光學(xué)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、無(wú)謂發(fā)熱情況減少，使得機(jī)構(gòu)的使用壽命延長(zhǎng)、可靠度提升，無(wú)疑將成為業(yè)界水準(zhǔn)的一大突破。
進(jìn)一步言，如熟悉本技術(shù)的人員所能輕易理解的那樣，單一光源組件及單一液晶面板的結(jié)合，可如圖8及圖9所示，采用光源9’中同時(shí)配置紅、綠、藍(lán)三色晶粒95R、95G、95B，由一定時(shí)控制裝置(未圖示)輸入電信號(hào)控制各色晶粒輪流發(fā)光，直接經(jīng)由P-S轉(zhuǎn)換器41、S-方向偏振片42、極化分光鏡43(由于P-方向偏振分量極微，在此以虛線標(biāo)示，并忽略不計(jì))、及1/4波片44后，入射至單一液晶片3’調(diào)制，再返回經(jīng)1/4波片44、與極化分光鏡43后，經(jīng)極化分析片45共同構(gòu)成一反射式光源組件4’，再將光源組件4’射出的調(diào)制后光束經(jīng)一組投射鏡頭組99投射至諸如一屏幕，從而使紅綠藍(lán)三色圖像信號(hào)依定時(shí)被重建，并利用人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象自動(dòng)疊加而實(shí)現(xiàn)顯示彩色圖像的效果。當(dāng)然，如熟悉本技術(shù)的人員所能輕易理解的那樣，也可在液晶片3’的一側(cè)設(shè)置紅綠藍(lán)三色濾色片，使液晶片3’上例如相鄰的三個(gè)像素為一組，分別對(duì)應(yīng)紅綠藍(lán)色圖像資料，光源則單純采用輻射出白色光的晶粒，通過(guò)空間方面的疊合而實(shí)現(xiàn)顯示彩色圖像的效果。
另方面，將前述第二實(shí)施例中單一組反射式光源組件4’所用的光源9’改為單色，并使用三組分別具有對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三色光源9R’、9G’、9B’的反射式光源組件4R’、4G’、4B’，設(shè)置如同第一實(shí)施例的光學(xué)架構(gòu)，并匯整分別由三組光源組件4R’、4G’、4B’射出的調(diào)制光束，即可經(jīng)由一投射鏡頭組99’投射至一屏幕。
當(dāng)然，依目前技術(shù)，每一發(fā)光二極管晶粒95發(fā)光強(qiáng)度約為8至20燭光，本例中若以16燭光計(jì)算，則單片包括八十一個(gè)發(fā)光二極管晶粒95的光源組件是1,215燭光，而液晶投影機(jī)所需光源的光強(qiáng)度約為8,000燭光。換句話說(shuō)，每片光源組件只為所需光源強(qiáng)度的六分之一，所以要能順利組裝出合乎現(xiàn)今技術(shù)的液晶投影機(jī)，需如圖11所示，匯整例如六組上述光源組件4R’、4G1’、4G2’、4G3’、4B1’、4B2’共同構(gòu)成，為將各光源組件所發(fā)光匯整，可如圖12所示將各光源組件4R’、4G1’、4G2’、4G3’、4B1’、4B2’發(fā)光的波長(zhǎng)范圍預(yù)先區(qū)隔為R、G1、G2、G3、B1、B2，以對(duì)應(yīng)各所述光源組件發(fā)光的波長(zhǎng)范圍的分色鏡981、982、983、984、985分別與主要行進(jìn)光軸夾四十五度角配置，容許其它波長(zhǎng)的光透射、并單獨(dú)將所述對(duì)應(yīng)光源組件所發(fā)的色光反射匯入，最后經(jīng)由投射鏡頭組99″投射出。
當(dāng)然，所發(fā)光具有對(duì)應(yīng)人類(lèi)視覺(jué)紅、綠、及藍(lán)色波長(zhǎng)范圍的光源組件，也可各自先行匯整出一束紅光、綠光、藍(lán)光，并分別入射至對(duì)應(yīng)紅綠藍(lán)的液晶片而受調(diào)制，最后將三色的調(diào)制光束加以匯整，便可構(gòu)成重建圖像資料的輸出光束。而無(wú)論如何搭配光源組件及分色鏡，只要采用此種光源組件的液晶投影機(jī)，由于光源所發(fā)光束的立體角度甚小，均可大致符合一般光學(xué)組件的操作要求，不致產(chǎn)生以往光源的發(fā)散角度過(guò)大、發(fā)光效率不彰、發(fā)熱問(wèn)題待解的諸多弊病，并且可不斷以增多光源組件的方式，依設(shè)計(jì)時(shí)的需求而提升液晶投影機(jī)亮度。
當(dāng)然，如熟悉本技術(shù)的人員所能輕易理解的那樣，本發(fā)明的變角透鏡組也可逆向?qū)⒐馐陌l(fā)散角度擴(kuò)大，當(dāng)應(yīng)用于諸如室外看板等場(chǎng)合，一般發(fā)光二極管的強(qiáng)度雖夠，但受限于組件發(fā)光角度只約八度，使得可視角度受到局限時(shí)，也可反向利用本發(fā)明的變角透鏡組用來(lái)擴(kuò)大發(fā)散角度，使可視角度大幅放大至數(shù)十度的范圍。
當(dāng)然，本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，而并非用作為對(duì)本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)所作出的對(duì)以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種變角透鏡組，其特征在于，包括三群鏡片，所述鏡片是沿同一光軸循序串行，其中所述第一及第三群鏡片焦距為正、所述第二群鏡片焦距為負(fù)，且所述變角透鏡組的焦距是所述透鏡組后焦距的數(shù)倍。
2.如權(quán)利要求1所述的變角透鏡組，其特征在于所述透鏡組的焦距是大于所述透鏡組后焦距的至少十倍，以當(dāng)具有一立體發(fā)散角的光束射入所述變角透鏡組并輸出時(shí)，所述輸出光束的立體發(fā)散角小于所述射入光束立體發(fā)散角的九成。
3.一種光源組件，其特征在于，包括一供以一立體發(fā)散角射出光束的光源；一變角透鏡組，它包括三群鏡片，所述鏡片是沿同一光軸循序串行，其中所述第一及第三群鏡片焦距為正、所述第二群鏡片焦距為負(fù)，且所述變角透鏡組的焦距是所述透鏡組后焦距的數(shù)倍；其中所述變角透鏡組連接至所述光源，以改變所述光源輸出光束的立體發(fā)散角。
4.如權(quán)利要求3所述的光源組件，其特征在于所述光源是數(shù)個(gè)發(fā)光二極管。
5.如權(quán)利要求4所述的光源組件，其特征在于所述發(fā)光二極管設(shè)置于一平面基板處，且各所述發(fā)光二極管的主光線均是以大致垂直所述平面基板的方向射出，并平行所述變角透鏡組的所述光軸方向。
6.一種液晶投影機(jī)，其特征在于，它由一光源組件、一液晶面板組件及一投射鏡頭組組成；所述光源組件包括一供以一立體發(fā)散角射出光束的光源；一變角透鏡組，它包括三群鏡片，所述鏡片是沿同一光軸循序串行，其中所述第一及第三群鏡片焦距為正、所述第二群鏡片焦距為負(fù)，且所述變角透鏡組的焦距是所述透鏡組后焦距的數(shù)倍；其中所述變角透鏡組連接至所述光源，以改變所述光源輸出光束的立體發(fā)散角；所述光源組件輸出光束至少包括紅綠藍(lán)三不同波長(zhǎng)范圍的成分。
7.如權(quán)利要求6所述的液晶投影機(jī)，其特征在于所述光源組件是依定時(shí)輪流射出紅綠藍(lán)三色光束。
8.如權(quán)利要求6所述的液晶投影機(jī)，其特征在于，包括數(shù)個(gè)所述光源組件、與至少分別對(duì)應(yīng)紅綠藍(lán)三色的三片液晶片組件、數(shù)個(gè)分色鏡及一投射鏡頭組，其中各所述光源組件分別具有彼此相異的波長(zhǎng)范圍，且各所述光源組件發(fā)光的波長(zhǎng)范圍分別對(duì)應(yīng)至紅綠藍(lán)三色中的一個(gè)，且各所述液晶片是設(shè)置于各所述對(duì)應(yīng)光源組件下游，而通過(guò)分色鏡匯整來(lái)自各所述光源組件的光束。
全文摘要
本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)一種變角透鏡組、應(yīng)用該透鏡組的光源組件、及應(yīng)用該光源組件的液晶投影機(jī)，其特征在于依序?qū)⒔咕酁檎?fù)－正的三群鏡片組合，并調(diào)制透鏡組的焦距與后焦距比，使穿透射出光束與入射光束的立體角產(chǎn)生顯著變化，借以調(diào)變射出光束發(fā)散角，尤其搭配如發(fā)光二極管等發(fā)散角較小的發(fā)光組件，更可將發(fā)光角度限制到相當(dāng)狹窄的范圍，使光能被有效射入下游的光機(jī)構(gòu)中。
文檔編號(hào)G02B9/18GK1431537SQ02101589
公開(kāi)日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2002年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月7日
發(fā)明者黃旭華 申請(qǐng)人:黃旭華