专利名称：用于背投显示器的具有折叠光路的分束器的制作方法
技术领域：
本发明涉及投影电视和投影显示器，尤其涉及紧凑的背投显示器。
屏幕背面投影电视显示器由于图像尺寸大已经受到很多消费者青睐。主要的缺点是放置的体积和厚度。急切希望减小其放置尺寸，但作为一个实际问题这是十分困难的而且对于目前基于CRT的投影系统来讲成本很高。
基于，例如液晶显示器(LCD)系统的微显示器、数字微反射镜设备(DMD)或者硅上液晶(LCoS)可以实现比CRT投影显示器小得多的系统体积。其原因在于更小的机器尺寸以及从单一透镜投影，而不是像CRT显示器那样从三组射线管和透镜投影。已经对这些微显示器系统公布了非常有吸引力的系统尺寸。近来的产品公告包含例如55英寸对角线的宽屏幕装置，其系统厚度为18英寸，以及50英寸对角线的宽屏幕装置，其系统厚度为35cm。这些装置利用了单一大反射镜，在本领域中称作折叠式反射镜。
利用广角投影透镜可以获得狭窄的厚度。为了实现这一点，来自投影透镜的光必须导向位于该单元上方的折叠式反射镜，以及导向该单元的背面。获得所需指定方向的一种方法是将折叠式反射镜与投影透镜一体化，将该投影透镜制作到所谓的折叠式投影透镜中。利用折叠式投影透镜构建的紧凑背投系统的实施例包含Sony的GRAND WEGA和Sharp的LC-R60HDU。这两种系统都使用了三个透射型LCD板。对于这些系统，必须使用折叠式投影透镜，以便将该光引擎平行对准机柜的底部。然而，将折叠式反射镜添加到投影透镜使得成本增加、性能降低或者两者均存在。
因此，减少背投显示器的厚度同时保持制造成本尽可能的低是有利的。相应地，利用棱镜或其它分束器，例如LCoS投影显示器中出现的偏振分束器(PBS)会比折叠式投影透镜更具有优势。
相应地，在本发明的第一方面中，一种背投显示系统包括光引擎；接收来自光引擎的光的分束器；接收来自分束器的图像的投影透镜；背投屏幕；以及接收来自投影透镜的图像并将其反射到屏幕上的反射镜。该分束器具有反射元件，其接收图像并将该图像以基本上不等于45度的入射角在该反射元件处反射。
在本发明的第二方面中，一种背投显示系统包括光引擎；接收来自光引擎的光的分束装置，其接收图像并将该图像以基本上不等于45度的入射角反射；设置为用于接收来自分束装置的图像的投影透镜；设置为用于接收来自投影透镜的图像的反射镜；以及设置为用于接收来自该反射镜的图像的背投屏幕。
在本发明的第三方面中，一种背投显示方法包括利用来自光引擎的光来形成图像；将该图像从反射元件反射到投影透镜；将该图像投影到反射镜上；并且将该图像从反射镜反射到背投屏幕。该图像以基本上不等于45度的入射角从反射元件反射。
参照以下附图可以理解本发明，这些附图不必按比例画出，其中
图1示出了具有折叠式投影透镜的背投显示系统的几何形状；图2示出了根据本发明一个实施例采用的偏振分束器的背投显示系统的几何形状；图1给出了使用折叠式投影透镜的系统几何形状的实施例，其可以应用于LCoS背投系统。在本实施例中，该背投系统1包含光引擎3，其将光引入到折叠式投影透镜5中。该折叠式投影透镜5将光投影到折叠式反射镜7上，而光从该处反射到屏幕9上。
图2示出了使用本发明的背投系统11的一个实施例。这个特定的实施例是用于单板LCoS系统的。在这个系统中，光引擎13通过位于LCoS成像器16和投影透镜18之间的偏振分束器(PBS)15引入光，其中该投影透镜将光投射到折叠式反射镜21上，而光从该处反射到屏幕23上。根据本发明所使用的实施例，可以改变精确的投影路径。例如，在一些实施例中，所述投影路径可以通过PBS来透射。在其它实施例中，所述投影路径可以是从PBS的界面反射的。
典型地，在单板LCoS背投系统中，所设计的PBS具有45度角的斜边，以便将路径折叠90度。换句话说，该图像的中心光线以45度的入射角反射出该PBS的界面。这种设置保持了光路是直角的，并可以获得最小的PBS尺寸。但是当光直角出射时，必须使整个光引擎倾斜来将光对准折叠式反射镜。光引擎的倾斜需要底部的额外空间，这就增加了系统的厚度和体积。
本申请人已经发现，优选使用以大于45角倾斜的界面17来代替使用PBS15。例如，图2所示的实施例的系统几何结构可以具有56度的PBS斜边。换句话说，来自LCoS板16的图像的中心光线将以大约56度的入射角反射出PBS界面17。这个角度使该图像的光在机柜(未示出)中向后对准折叠式反射镜21。可以使用直接投影透镜18，并且该光引擎13与该单元的底部成直角。
PBS15可以是诸如以下的类型，即使用例如美国专利第2403731号和第5453859号中描述的“MacNielle”型玻璃棱镜。使用MacNiellePBS，选择与棱镜基底一起的涂层材料，使得光以布儒斯特(Brewster)偏振角或接近布儒斯特偏振角射到涂层上。低折射率nL、高折射率nH、棱镜玻璃折射率nG和偏振角θ之间的关系由以下公式给出sin2(θ)=nH2nL2nG2(nH2+nL2)]]>对于体现本发明的一个实施例，如先前所述的，偏振角大于45度，且更为优选的是大于约50度。普通的涂层材料是例如TiO2(nH＝2.3)和SiO2(nL＝1.46)。普通的玻璃基底是BK7，n＝1.52，因此其偏振角为54度。这是一种好的选择。然而，应力双折射性质可以证明一种不同的选择。对于SF2，n＝1.65，偏振角将为48度。该角度可以随着涂层材料的不同而增加。例如，使用Al2O3(nH＝1.62)，则偏振角会增加到53度。可选择地，利用最初的这两种材料给出了51度的偏振角，也可以使用低折射率的玻璃，例如SK5，n＝1.59。最后，可以将棱镜的斜边角度设定为大于偏振角的角度，仍然获得了良好的性能。
还有可以选择基于MacNielle PBS的玻璃，这些在选择偏振角方面提供了更大的灵活性。实施例包含线栅PBS或者聚合物薄膜广角PBS。这些类型都可以包括在斜边角度大于约50度的偏振分束器中，以便引导光。
本发明的其它实施例、实施例的变型和等价物，以及其它方面，目的和优点，对于本领域技术人员来讲是显而易见的，并且可以通过研究附图、说明书和所附权利要求来获得。
例如，不同于上述单板实施例的LCoS结构也可以使用本发明。还可以使用不只一个的PBS。此外，可以通过不同于所述实施例示出的多种方式来改变光路的几何形状以将光导向投影透镜。此外，其它基于微显示器的结构也可以采用所述的概念。例如，一种基于DLP的投影显示器(Texas Instruments)通常使用图像旁的分束棱镜。根据本发明可以配置这种分束器的几何结构来提供光束的方向。
同样，也可以将其它光学元件放置在光和/或图像路径的不同位置。例如，在权利要求中，“元件被设置来接收来自另一元件的光”，那么这包括将第三元件(例如反射镜或者折射透镜)插在前述的两个元件之间的情况。此外，实施例还可以是，其中光引擎位于PBS的另一侧上，这样反射的入射角将小于45度，而非大于45度。在又一实施例中，可以使用不同类型的分束器来取代PBS，和/或以不同于使用LCoS成像器的其它方式生成图像。
权利要求
1.一种背投显示系统，包括光引擎；分束器，其具有反射元件，该分束器设置为用于接收来自光引擎的光、接收图像并且用于将该图像在该反射元件处反射；投影透镜，其设置为用于接收来自分束器的图像；反射镜，其设置为用于接收来自投影透镜的图像；和背投屏幕，其设置为用于接收来自反射镜的图像，其中该图像以基本上不等于45度的入射角在分束器的反射元件处反射。
2.根据权利要求1所述的背投显示系统，其中入射角大于45。
3.根据权利要求1所述的背投显示系统，其中入射角从45度变化至少5度。
4.根据权利要求1所述的背投显示系统，其中入射角大于45度。
5.根据权利要求1所述的背投显示系统，其中入射角大于50度。
6.根据权利要求1所述的背投显示系统，其中该分束器是偏振分束器(PBS)。
7.根据权利要求6所述的背投显示系统，其中该PBS的偏振角大于50度。
8.根据权利要求6所述的背投显示系统，其中该PBS使用Al2O作为涂层材料。
9.根据权利要求6所述的背投显示系统，其中该PBS包括从包含BK7和SF2的组中选出的玻璃基底。
10.根据权利要求6所述的背投显示系统，其中该PBS使用了MacNielle型的玻璃棱镜。
11.根据权利要求6所述的背投显示系统，其中该PBS是线栅PBS和聚合物薄膜广角PBS之一。
12.一种背投显示系统，包括光引擎；分束装置，其用于接收来自光引擎的光、接收图像并将该图像以基本上不等于45度的入射角反射；投影透镜，其设置为用于接收来自分束装置的图像；反射镜，其设置为用于接收来自投影透镜的图像；和背投屏幕，其设置为用于接收来自反射镜的图像。
13.根据权利要求12所述的背投显示系统，其中入射角大于45。
14.根据权利要求12所述的背投显示系统，其中入射角从45度变化至少5度。
15.根据权利要求12所述的背投显示系统，其中入射角大于45度。
16.根据权利要求12所述的背投显示系统，其中入射角大于50度。
17.一种背投显示方法，包括将来自光引擎的光用于形成图像；将该图像从反射元件反射到投影透镜；将该图像投影到反射镜；并且将该图像从反射镜反射到背投屏幕，其中该图像以基本上不等于45度的入射角从该反射元件反射。
18.根据权利要求17所述的背投显示方法，其中该反射元件包括偏振分束器(PBS)。
19.根据权利要求18所述的背投显示方法，其中入射角大于48度。
20.根据权利要求18所述的背投显示方法，其中入射角从45度变化至少3度。
全文摘要
一种背投显示系统包括光引擎(13)、接收来自光引擎的光的分束器、接收来自分束器的图像的投影透镜(18)、背投屏幕(23)以及接收来自投影透镜(18)的图像并将其反射到屏幕(23)上的反射镜(21)。该分束器具有反射元件(17)，其接收图像并将该图像以基本上不等于45度的入射角在反射元件处反射(17)。
文档编号G03B21/10GK1666509SQ03815136
公开日2005年9月7日 申请日期2003年6月10日 优先权日2002年6月27日
发明者J·A·斯米祖 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司