專(zhuān)利名稱(chēng)：投影顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用光源產(chǎn)生的光線(xiàn)將顯示在圖象顯示元件上的象投影到顯示屏上的一種改進(jìn)的投影顯示器。
一種所謂的利用光源所產(chǎn)生的光線(xiàn)將顯示在圖象顯示元件上的象投射到顯示屏上的投影顯示器例如已在日本待批專(zhuān)利Hei-2-253247和Hei5-19209中作出公開(kāi)。在前一文件所披露的投影顯示器中采用一種棱鏡型偏振器，在后一文件所披露的投影顯示器中采用多個(gè)具有布儒斯特角玻璃片所組成的偏振器。棱鏡型偏振器和利用布儒斯特角制成的偏振器均適用于去除在投影顯示中欲吸收的光分量，由此降低由光源所產(chǎn)生的光線(xiàn)給與光學(xué)系統(tǒng)的熱負(fù)載，增加由偏振轉(zhuǎn)換不必要偏振的波成為必要的偏振波的光效率。
然而，利用棱鏡型偏振器(前一文件公開(kāi)的)的投影顯示器有一個(gè)問(wèn)題，即棱鏡型偏振器的尺寸大而且昂貴。而，利用玻璃片(后一文件公開(kāi)的)的投影顯示器的問(wèn)題是，光的分離特性受到布儒斯特角的具體限制，這是不希望的。所以需要利用許多玻璃片來(lái)獲取所需的特性。
本發(fā)明的目的在于提供一種可以小型化和低成本的投影顯示器。
為取得上述目的，根據(jù)本發(fā)明，一種利用光源產(chǎn)生的光線(xiàn)將顯示在圖象顯示元件上的象投射到顯示屏上的投影顯示器包括一個(gè)片型偏振分光鏡，它的鏡面相對(duì)于光源的光軸以10°-30°的角度傾斜，分光鏡設(shè)置在圖象顯示元件和光源之間，用于將第一偏振光分量和第二偏光分量互相分離，并且或者轉(zhuǎn)換第一偏振光分量，或者轉(zhuǎn)換第二偏振光分量，于是將兩種偏振光分量統(tǒng)一成或者是第一偏振光分量，或者是第二偏振光分量。
根據(jù)本發(fā)明，在利用光源產(chǎn)生的光將圖象顯示元件上顯示的象投射到顯示屏上的投影顯示器中，其鏡面相對(duì)于光源的光軸具有10°-30°傾斜的片型偏振分光鏡設(shè)置在圖象顯示元件和光源之間。于是，片型偏振分光鏡能夠去除在投影顯示器中欲吸收的光分量，由此降低從光源所產(chǎn)生的光線(xiàn)加到光學(xué)系統(tǒng)的熱負(fù)載。這種片型偏振分光鏡可以用低于棱鏡型偏振器的成本來(lái)制取，并且由于其鏡面相對(duì)于光源的光軸成比較小的10°-30°的傾斜角，所以可以小型化。
如果鏡面的傾角小于10°，或者大于30°，這將很難充分地使第一和第二偏振光分量互相分離開(kāi)。


圖1表示作為一個(gè)實(shí)施例將本發(fā)明投影顯示器加到電視機(jī)的透視圖；圖2表示沿圖1的A-A線(xiàn)剖視的電視機(jī)剖視圖；圖3表示圖2所示本發(fā)明投影顯示器的優(yōu)選實(shí)施例的透視圖；圖4表示由圖3的箭頭A1所示方向觀示的投影顯示器平面示圖；圖5表示圖4所示投影顯示器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示圖；圖6表示圖5所示投影顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖7表示圖5和6所示的一個(gè)PS轉(zhuǎn)換單元示例的透視圖；圖8表示圖7所示的PS轉(zhuǎn)換單元的光學(xué)系統(tǒng)和光源之間位置關(guān)系的示圖；圖9表示偏振分光鏡與光源之間位置關(guān)系的示圖；圖10表示一個(gè)偏振分光鏡的分離特性示例的圖表；圖11表示一種第一復(fù)眼透鏡示例的示圖；圖12表示一種第二復(fù)眼透鏡示例的示圖；圖13表示另一種第二復(fù)眼透鏡示例的示圖；圖14表示本發(fā)明其它投影顯示器實(shí)施例的示圖；圖15表示本發(fā)明的一個(gè)投影顯示器實(shí)施例示圖；圖16表示本發(fā)明的一個(gè)投影顯示器實(shí)施例示圖；圖17表示本發(fā)明的一個(gè)投影顯示器實(shí)施例示圖。
下面將參照附圖介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
需指出，雖然下述實(shí)施例采用特定的條件予以說(shuō)明，但這種說(shuō)明只是舉例說(shuō)明，需知本發(fā)明的范圍不限于實(shí)施例，除非對(duì)本發(fā)明的限定方面另有說(shuō)明的內(nèi)容除外。
圖1是采用本發(fā)明的投影顯示器1的優(yōu)選實(shí)施例的外部構(gòu)形示意圖，而圖2只是沿圖1的A-A成截面圖，表示包含圖1所示投影顯示器1的液晶型背面投影電視機(jī)100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
首先說(shuō)明電視機(jī)100的示意結(jié)構(gòu)。參見(jiàn)圖1和2。其中，電視機(jī)100裝有一個(gè)機(jī)柜101，顯示屏102，反光鏡103和投影顯示器1。投射光線(xiàn)5，它是由光源3的光線(xiàn)形成，由投影顯示器1射出，再經(jīng)反光鏡103反射，然后投射到顯示屏102的背面104。需指出，在以下描述中術(shù)語(yǔ)“投射”一詞等效于“入射”。
投射到屏102上的圖象可由觀看者V以黑白圖象或彩色圖象觀看。
在下面介紹的實(shí)施例中，假設(shè)在屏102上顯示彩色圖象。
下面參見(jiàn)圖3-5來(lái)描述圖1所示的優(yōu)選的投影顯示器1的實(shí)施例。
圖3是投影顯示器1的外貌示意圖；圖4是由圖3的投影顯示器1的箭頭A1方向觀看時(shí)的側(cè)視圖；圖5是投影顯示器1的一個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示例。另，圖6是圖解表示圖5的光學(xué)系統(tǒng)。
如圖3和4所示，投影顯示器1包括一個(gè)主體11，投影透鏡筒13，PS轉(zhuǎn)換件15和光源3。
主體11與投影透鏡筒13為一整體，透鏡筒為圖5所示包括具有不同種類(lèi)透鏡17a至17i的投影透鏡組17。投影透鏡筒13具有一個(gè)能把投影光線(xiàn)5(圖象光線(xiàn))聚焦到圖1和圖2所示的屏102的背面104上的聚焦機(jī)構(gòu)。
主體11可移動(dòng)地架持PS轉(zhuǎn)換件15并且有下述部件。第一復(fù)眼透鏡21和第二復(fù)眼透鏡23被靠近PS轉(zhuǎn)換件15安置，安置方式是互相平行并有間隔。沿著從第二復(fù)眼透鏡23到投影透鏡組17的光軸OP安排下列光學(xué)元件，即，雙色鏡25和27，轉(zhuǎn)象透鏡29，平面反光鏡31，轉(zhuǎn)象透鏡33和反光鏡35，按照自第二復(fù)眼透鏡23起的次序設(shè)置。
沿著垂直于光軸OP的光軸OP1，靠近雙色鏡25設(shè)置另一反光鏡37。在由雙色鏡27和反光鏡35和37圍繞的區(qū)域內(nèi)，設(shè)置一個(gè)立方體雙色鏡41。用于藍(lán)(B)色的液晶顯示器(LCD圖象顯示元件)安置在立方體雙色鏡41和聚光透鏡43之間；用于綠(G)色的液晶顯示器(LCD圖象顯示元件)設(shè)置在立方體雙色鏡41和聚光透鏡47之間；用于紅(R)色的液晶顯示器(LCD圖象顯示元件)設(shè)置在立方體雙色鏡和聚光透鏡51之間。雙色鏡允許特定波長(zhǎng)范圍的光通過(guò)，并允許其它波長(zhǎng)范圍的光受到反射。
如圖4至6所示，光源3安裝在主體11上，如圖5所示，光源3具有拋物面的反光器55，將光源發(fā)生的光變?yōu)榛旧掀叫械墓饩€(xiàn)LP，這部分光被送到PS轉(zhuǎn)換件15一側(cè)。
參見(jiàn)圖6至9描述PS轉(zhuǎn)換件15。
PS轉(zhuǎn)換件15用作PS偏振器件，用于接收由光源3的反射器55所形成的平行光線(xiàn)LP，并使他們分開(kāi)，例如圖8所示只分成一種S波(S偏振光分量第一偏振光分量)。平行的光線(xiàn)LP含有一種P波(P偏振光分量第二偏振光分量)。當(dāng)P和S波通過(guò)PS轉(zhuǎn)換件15時(shí)，只有一種波，例如S波由PS轉(zhuǎn)換件15分開(kāi)。然后這種S波饋送到第一復(fù)眼透鏡21側(cè)，見(jiàn)圖5。
PS轉(zhuǎn)換單元15，如圖7、8所示，具有外殼61，二個(gè)片型偏振分光鏡63(第一片型偏振分光鏡和第二片型偏振分光鏡)，二個(gè)1/4波片鏡65和一個(gè)1/2波片67。
二個(gè)偏振分光鏡63設(shè)置成，每個(gè)鏡面相對(duì)于圖5的光軸OP2成θ角度傾斜，如從箭頭A2所示方向看，即處于圖5和6所示的平行于投影透鏡筒13的光軸OP2的方向。這就是說(shuō)，二個(gè)偏振分光鏡63相對(duì)于光軸OP對(duì)稱(chēng)設(shè)置，鏡子的每個(gè)面相對(duì)于光軸OP以θ角傾斜。該角度θ最好在10°-30°范圍內(nèi)，尤其在20°左右為更好。
如果偏振光分光鏡63的角度θ小于10°，則對(duì)于偏振分光鏡63的S波的透過(guò)率為圖8所示。變得較小，使P波的必需的透過(guò)量變小。這是不希望的，因?yàn)橐筆和S波互相之間足夠的分開(kāi)是很困難的。
如果θ角大于30°，則S波的透過(guò)率變大，而P波的透過(guò)量變得較小。這也是不希望的，因?yàn)槭筆和S波互相足夠地分開(kāi)是很難的。
1/2波片67安裝到偏振分光鏡63的敞開(kāi)的前沿端部，使它垂直于光軸OP。
圖8所示的PS轉(zhuǎn)換件15從平行光線(xiàn)LP(包括含P和S波)分出所要求的波，例如S波，即，只偏振轉(zhuǎn)換被分離光分量中的一個(gè)。在圖8所示例中，在基本上平行的光線(xiàn)LP進(jìn)入雙偏振光分鏡60(入射角90°-θ，例如70°)時(shí)，P波通過(guò)偏振光分鏡63，而S波從偏振分光鏡63反射，并到達(dá)1/4波片鏡65。S波從1/4波片鏡65反射，再以平行于光軸OP傳送。另一方面，P波，通過(guò)偏振分光鏡63被1/2波片偏振轉(zhuǎn)換成S波，再作為S波沿平行于光軸OP傳送。
因此，從平行光線(xiàn)LP只有S波受到偏振分離，并被傳送到之后的第一復(fù)眼透鏡21一側(cè)。在該例中，利用去除不需的偏振光分量(P波)僅有S波被使用，所以可以降低由光源3產(chǎn)生的光線(xiàn)加到入射側(cè)偏振片上的熱負(fù)載，從而可以增加S波的光照效率。這就是說(shuō)，縱然光源3的燈的光量予以加倍，也可能將偏振分光鏡63，1/4波片鏡65，1/2波片67以及從復(fù)眼透鏡至投影透鏡系統(tǒng)設(shè)置的相繼元件抑制在低值的溫度下。
每個(gè)偏振分光鏡63最好用單層TiO2膜涂層。采用這種構(gòu)型，可以用低于棱鏡型偏振分光元件的費(fèi)用來(lái)制取偏振分光鏡63，同時(shí)也可使入射角(90°-θ)設(shè)置在一個(gè)大的數(shù)值，例如約70°。
下面將介紹圖5所示的作為光學(xué)積分器的第一和第二復(fù)眼透鏡21和22。
圖11表示第一復(fù)眼透鏡21，圖12表示第二復(fù)眼透鏡23。通過(guò)將許多矩形透鏡21a匯集在一個(gè)平面上構(gòu)成第一復(fù)眼透鏡。通過(guò)將四個(gè)大尺寸的中心透鏡23a和尺寸不同于透鏡23a的多個(gè)外圍透鏡23b，23c，23d和23e匯集在一個(gè)平面上形成第二復(fù)眼透鏡23。第一和第二復(fù)眼透鏡21和23設(shè)置在圖5所示的PS轉(zhuǎn)換件的后面，用于平衡例如由PS轉(zhuǎn)換件15所形成的S波的強(qiáng)度分布。然后將受到平衡的光線(xiàn)傳送到圖5所示的雙色鏡5和后面的部件。
在第二復(fù)眼透鏡23中，位于中心部位的四個(gè)透鏡中的每一個(gè)均被設(shè)置成大于每個(gè)周?chē)耐哥R，以便最有效地接收來(lái)自光源3的燈弧象。最好，中心部位被分成四部分，在每部分上設(shè)置四個(gè)大尺寸的透鏡23a。在光源3發(fā)出的平行光線(xiàn)LP的入射角是大的情況下(例如圖12所示的X2)，即，在第二復(fù)眼透鏡23的中心部位，平行光線(xiàn)LP的象形成是大的，大尺寸透鏡允許接收這種光線(xiàn)LP。相反，由于在第二復(fù)眼透鏡23的周?chē)糠制叫泄饩€(xiàn)LP的入射角相對(duì)來(lái)說(shuō)是小的，由此例如可在周?chē)糠职仓眯〕叽缤哥R23c,23d和23e。
圖13表示圖11和12所示第一和第二復(fù)眼透鏡21和23的其它例子。如本例所示，每個(gè)復(fù)眼透鏡21和23可以用具有尺寸相等的透鏡121a的復(fù)眼透鏡121來(lái)替代。
圖10表示由光源3的燈獲得的平行光線(xiàn)LP的波長(zhǎng)作為參數(shù)時(shí)每個(gè)片型的PS轉(zhuǎn)換件15的偏振分光鏡的透過(guò)率改變(對(duì)P波或S波)。在這種情況下，為圖9所示，P波和S波的入射角設(shè)定為(90°-θ)。從圖10所示的偏振分光鏡63的分光特性可見(jiàn)，顯然希望將偏振分光鏡63的平面相對(duì)于光軸OP的傾角θ設(shè)置成，為上所述，在10°-30°范圍內(nèi)。需指出，呈現(xiàn)上述特性的偏振分光鏡最好用TiO2膜涂層。
下面，將介紹操作放置在上述電視機(jī)內(nèi)的投影顯示器1的例子。
參見(jiàn)圖5，光源3的燈57產(chǎn)生光線(xiàn)，基本上形成平行的光線(xiàn)LP。平行光線(xiàn)LP進(jìn)入圖8所示的PS轉(zhuǎn)換件15的偏振分光鏡63。同時(shí)，包含在平行光線(xiàn)LP內(nèi)的P波通過(guò)偏振分光鏡63，而S波從偏振分光鏡63反射，到達(dá)1/4波片鏡65，再由其反射，作為平行于光軸OP內(nèi)的S波行進(jìn)。
相反，P波出自偏振分光鏡63，它通過(guò)1/4波片67被轉(zhuǎn)換成S波。
由此，PS轉(zhuǎn)換件15起到PS轉(zhuǎn)換器的作用，從包含P和S波的平行光線(xiàn)LP中只導(dǎo)出S波，而將P波作為不需要的偏振光分量去除。結(jié)果，即使光源3的光量較大，也可降低它的熱量，從而有可能抑制偏振分光鏡63和后續(xù)光學(xué)元件的溫度在相當(dāng)?shù)偷闹瞪希⒃黾覵波的照光效率。
由于偏振分光鏡63相對(duì)于圖8所示的光軸OP傾斜相當(dāng)小的角度θ，因此圖7所示PS轉(zhuǎn)換件15的外殼61的尺寸可以減小，并且由于片型偏振分光鏡63其成本比棱鏡型偏振分光元件低很多，因此可使總的費(fèi)用下降。
由圖8所示獲得的S波，通過(guò)第一和第二復(fù)眼透鏡21和23受到平衡，并到達(dá)圖5所示的雙色鏡25。之后，部分光線(xiàn)(S波)被導(dǎo)至雙色鏡27，其部分被導(dǎo)至公共反光鏡37。
從反光鏡37反射的光線(xiàn)通過(guò)聚光鏡51，到達(dá)用于紅(R)色的液晶顯示器53。由光線(xiàn)從反光鏡37投射的顯示在液晶顯示器53上的圖象，從主體雙色鏡41的半透明膜層41a反射，并導(dǎo)向投影透鏡組17。
部分到達(dá)雙色鏡27的光線(xiàn)被傳送到轉(zhuǎn)象透鏡29，其余部分通過(guò)聚光透鏡47到達(dá)用于綠(G)色的液晶顯示器49。由通過(guò)主體雙色鏡41的半透膜41a的光線(xiàn)投影顯示在液晶顯示器49上的圖象被引導(dǎo)至投影透鏡組17。
由反光鏡31反射通過(guò)轉(zhuǎn)象透鏡29的光線(xiàn)，并沿著光軸OP3由反光鏡35再次受到反射。于是，從光軸OP到光軸OP3的光線(xiàn)受到約180°的彎曲，并通過(guò)聚光透鏡43波引導(dǎo)至用于藍(lán)(B)色的液晶顯示器45。顯示在液晶顯示器45上的圖象由光線(xiàn)投影，即受到立方體雙色鏡41的半透膜41b反射的光線(xiàn)的投影，并被導(dǎo)引至投影透鏡組17。
由此，R、G和B的象通過(guò)投影透鏡組17互相重疊，形成欲投影的光線(xiàn)5。光線(xiàn)5從圖2所示的反光鏡103反射，并投射至屏102的背面104上?？梢詮钠?02的前側(cè)，由觀看者觀示投射的彩色圖象。
下面介紹本發(fā)明的其它實(shí)施例。
圖15表示本發(fā)明投影顯示器的其它實(shí)施例。該投影顯示器101僅在PS轉(zhuǎn)換件115的結(jié)構(gòu)上不同于圖8所示的投影顯示器1，所以對(duì)其基本結(jié)構(gòu)的介紹從略。
圖15所示投影顯示器101的PS轉(zhuǎn)換件115有二個(gè)片型偏振分光鏡163，二個(gè)1/4波反光鏡165，和二個(gè)1/2波片167。類(lèi)似圖8所示的實(shí)施例，偏振分光鏡163相對(duì)于光軸OP對(duì)稱(chēng)設(shè)置，使每個(gè)鏡面相對(duì)于光軸OP傾斜θ角，1/4波片反光鏡165基本上平行于偏振分光鏡163設(shè)置。另一方面，不同于圖8所示實(shí)施例之處在于，每個(gè)1/2波片167被安置在偏振分光鏡163和1/4波片鏡165之間。
當(dāng)由光源3產(chǎn)生的基本上平行的光線(xiàn)LP進(jìn)入偏振分光鏡163時(shí)，P波通過(guò)偏振分光鏡163，而S波從分光鏡反射，到達(dá)1/4波片鏡165。S波從1/4波片鏡165反射，然由1/2波片167使它轉(zhuǎn)換成P波。即，PS轉(zhuǎn)換件115通過(guò)偏振一轉(zhuǎn)換S波只能從平行光線(xiàn)LP中的P波分開(kāi)。即使在利用P波的情況下，類(lèi)似于圖8所示的實(shí)施例，加到PS轉(zhuǎn)換件115的偏振分光鏡163上的熱量也可以大約降低二分之一，將光學(xué)元件的溫度抑制在低值上，并提高所用的偏振光分量的光效率。
在這種情況下，基于圖8所示實(shí)施例中所述的理由，最好將θ角設(shè)定在10°-30°范圍內(nèi)，取20°更好。此外，偏振分光鏡163安排在垂直于投影透鏡組17的光軸OP2的方向上(垂直于圖15的紙平面)。
圖16表示將PS轉(zhuǎn)換件放置在第一和第二復(fù)眼透鏡21和23之間的另一實(shí)施例。圖17表示將PS轉(zhuǎn)換件115放置在第二復(fù)眼透鏡23之后的又一實(shí)施例。
圖16和17所示的例子可以用于圖8所示的PS轉(zhuǎn)換單元15。
圖14表示在將液晶顯示器249安排在立方體雙色鏡241和聚光鏡247之間的又一實(shí)施例的投影顯示器201。液晶顯示器249是一個(gè)圖象顯示元件，用于同時(shí)投影三基色(R、G、B)的圖象。
采用這種安排，可以明顯減少光學(xué)系統(tǒng)的元件數(shù)目。同樣，也可將一個(gè)液晶顯示器249的投影顯示器201用于單色的顯示器。
本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例。
尤其，在上述實(shí)施例中液晶顯示器的種類(lèi)不受到限制時(shí)，例如也可用一種多晶Si-TFT(薄膜晶體菅)的液晶顯示平面來(lái)替代液晶顯示器。同樣，形成在圖8所示偏振分光鏡63上的TiO2膜等也可用其它的膜層，例如ZrO2，Ta2O5，以及具有折射率nd≥2.0的材料膜層替代。
在使用液晶顯示器作為實(shí)施例中圖象顯示元件時(shí)，本發(fā)明可以應(yīng)用到其它顯示元件，例如一種反射型液晶顯示器。
光源不限于采用金屬鹵化燈。例如其它光源可以是鹵素?zé)?，汞燈和氙燈?br> 本發(fā)明的投影顯示器不僅可應(yīng)用于圖象投射在圖1所示的屏背面的類(lèi)型，也可應(yīng)用于圖象直接投射在屏前面的類(lèi)型。
雖然實(shí)施例中的投影顯示器可應(yīng)用于電視機(jī)系統(tǒng)，但本發(fā)明也可用于其它的監(jiān)示器。
權(quán)利要求
1．一種投影顯示器，用光源產(chǎn)生的光線(xiàn)將圖象顯示元件上顯示的圖象投影到顯示屏上，它包括一個(gè)片型偏振分光鏡，它的鏡面相對(duì)于所述光源的光軸傾斜10°-30°的角度，所述的分光鏡設(shè)置在所述圖象顯示元件和所述光源之間，用于將第一偏振光分量和第二偏振光分量互相分開(kāi)，并或者使第一偏振光分量，或者使第二偏振光分量轉(zhuǎn)換，由此使兩個(gè)偏振光分量或者合并為第一偏振光分量，或者為第二偏振光分量。
2．如權(quán)利要求1的投影顯示器，其中所述的片型偏振分光鏡用單層TiO2膜涂層。
3．如權(quán)利要求1的投影顯示器，其中所述光源產(chǎn)生基本上平行的光線(xiàn)，所述偏振分光鏡安置在所述光源和光學(xué)積分器之間。
4．如權(quán)利要求1的投影顯示器，其中所述的片型偏振分光鏡由第一片型偏振分光鏡和第二片型偏振分光鏡組成，所述第一和第二片型偏振分光鏡相對(duì)于所述光源的光軸對(duì)稱(chēng)設(shè)置。
5．如權(quán)利要求1的投影顯示器，其中所述圖象顯示元件是液晶顯示器。
6．如權(quán)利要求1的投影顯示器，其中在圖象顯示元件上顯示的圖象從一反光鏡反射，然后投射到顯示屏的背面。
全文摘要
一種用于由光源產(chǎn)生的光線(xiàn)將圖象顯示單元上顯示的圖象投影到顯示屏上的投影顯示器,其中片型偏振分光鏡其鏡面相對(duì)于光源的光軸傾斜10°—30°角度,分光鏡設(shè)置在圖象顯示元件和光源之間,由此可使投影顯示器小型化并降低成本。
文檔編號(hào)G02F1/13GK1215874SQ98117570
公開(kāi)日1999年5月5日 申請(qǐng)日期1998年7月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月29日
發(fā)明者畠中正斗, 田川雄策, 桂川英樹(shù) 申請(qǐng)人:索尼公司