专利名称：反射型投影仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种反射型投影仪，尤其涉及一种应用双折射棱镜晶柱的反射型投影仪，借以提高光的使用效率。
投影仪通常被认为是应用附加照明光源，借助于图像形成装置形成的图像而予以投影的一种装置。
图1显示的是常规的反射型投影仪。常规的反射型投影仪包括发光光源10，有选择地透射入射光的预定色光，诸如红、绿或蓝色光的色滤光盘20，把具有不同强度的入射光的光线混合以成为均匀光束的搅频器30，聚焦透镜32，准直透镜34，改变入射光束行经路径的偏振光束分光器(PBS)40，借助于有选择地反射入射光束形成图像的显示装置50，把入射光束投影在屏幕上(图中未示出)的投影透镜单元60。
光源10包括产生光线的灯泡11，诸如金属卤素灯泡或氙弧灯泡，以及在行经路径中反射由灯泡11发出的光的反射镜13。色滤光盘20沿着光的光学路径安装在光源10与搅频器30之间，并可以由驱动电机21转动。红(R)，绿(G)和蓝(B)色滤光片分别安装在色滤光盘20的相等面积上。色滤光盘20根据显示装置的响应速度转动。色滤光盘20的任何一个R，G与B的位置与光的光学路径彼此相合。
搅频器30将入射光束通过将其漫反射而使之混合，并将入射光束的光线改变成为均匀光束强度的光线。聚焦透镜32将通过搅频器30的光束聚焦后发散，以使透射后光束的直径放大。准直透镜34将发散光束变成并行光束。
偏振光束分光器40沿着光的光学路径位于准直透镜34与显示装置50之间，根据入射光束偏振分量，通过有选择地在镜面41上透射或反射入射光束而改变其行经路径。也就是说从光源侧10传来的光是有选择地透射还是反射取决于光束的偏振分量是P-偏振光束还是S-偏振光束。
图1显示一实例，其中通过偏振光束分光器40的光束被用作有效光。显示出超级响应速度的二维数组结构的铁电液晶显示器(FLCD)被用作显示装置50。显示装置50具有众多二维数组结构的反射小区。可以单独驱动的反射小区通过入射光束的光线偏振方向的调制一起形成图像。
入射在显示装置50上的光束再次被反射并重新进入偏振光束分光器40。这里，重新进入偏振光束分光器40的光束的偏振方向由显示装置50的作用有了90°的改变。于是，光束由偏振光束分光器40的镜面41的作用全部反射，并射向投影透镜单元60。通过投影透镜单元60，光束被投影在屏幕上。
然而，在常规反射型投影仪中，由于根据入射光束的偏振方向将入射光束一分为二，而入射光束的一个偏振方向的光束被用作有效光，因而光的使用效率减低了。而且，减低了的光使用效率也成为实现需要高亮度反射型投影仪的一大障碍。
为了解决以上问题，本发明的目的就是提供一种反射型投影仪，它应用一对双折射棱镜晶柱代替偏振光束分光器，以使从光源发出的光的使用效率得以提高。
因此为了达到上述目的，提供一种反射型投影仪，它包括发光光源；由从光源发出的光线形成图像并反射该形成图像的第一和第二图像单元；放大由第一和第二图像单元形成的图像并将放大的图像投影在屏幕上的投影透镜单元；相面对地沿着光的光学路径安置的第一和第二棱镜晶柱，用以将入射光分离为普通光线与异常光线，并改变光的行经路径，以使普通光线与异常光线具有不同的光学路径；在第一和第二双折射棱镜晶柱与第一和第二图像单元之间沿光的光学路径设置第一和第二相位延迟片，用以延迟入射光的相位以改变其偏振特性。
本发明中还优选在光源与投影透镜单元之间沿光学路径进一步设置彩色选择单元，根据入射光的波长通过选择透射的入射光束选定光色。
本发明的上述目的与优点将随着对其优选实施例的详尽介绍并参阅附图会更加清楚，附图中图1是常规反射型投影仪的光学系统的示意图；图2是根据本发明一个优选实施例的反射型投影仪光学系统的示意图；图3是根据本发明另一个优选实施例的反射型投影仪光学系统的示意图。
参阅图2，根据本发明优选实施例的反射型投影仪包括光源10；第一和第二双折射棱镜晶柱120和130，用以改变由光源110发出的光的行经路径；第一和第二图像装置140和150，用以形成从入射光来的图像并有选择地将其反射；第一和第二相位延迟片160和170，其位于光的光学路径上，用以延迟入射光的相位；以及投影透镜单元180，用以放大入射光并将其投影在屏幕上(图中未示出)。
光源110包括发光的灯泡111和反射镜113，反射镜113用以反射在光的行经路径上由灯泡111发出的光的光线。反射镜113可以是一个椭圆镜，一个焦点在灯泡111处，另一个焦点在光线聚焦处，或者是一个抛物面镜，其在灯泡111处聚焦，并使从其反射面上反射后的光成为并行光束。图2中用了椭圆镜作为反射镜113，其中还包括了准直透镜115，它使由光源110发出的光经过椭圆镜的反射通过它后成为平行光束。
第一和第二双折射棱镜晶柱120和130沿着光的光学路径面对面地安置，并改变入射光1的行经路径，并根据其结晶方向，将入射光双折射并分解成普通光线3和异常光线5。这里，普通光线3不管第一和第二双折射棱镜晶柱120和130的晶体光轴的方向如何，都有相同的折射率和同一的光的行经速度。反之，异常光线5根据第一和第二双折射棱镜晶柱120和130的晶体光轴方向，具有不同的行经速度，所以光的折射率也随着入射光的方向相对于晶体光轴的方向而变化。
在光源110与第一图像装置140之间沿着光学路径安置第一双折射棱镜晶柱120，它具有入射面121，第一临界面123以及第一入射/出射面125。在入射面121上，从光源110来的并被双折射的入射光1被分解为普通光线3和异常光线5，并具有不同的光学路径。当异常光线5通过第一临界面123时，而入射普通光线3则从第一临界面123上被反射出。第一入射/出射面125的安装使其与第一图像装置140之间成一角度，这样使得入射光折射地通过它。第一双折射棱镜晶柱120最好是以第一临界面123作为底面的梯形块。
这里入射面121和第一入射/出射面125的倾角根据普通光线3和异常光线5各自的折射角和第一临界面123的临界角来确定。也就是说入射在第一临界面123上并超出它的临界角的普通光线3在第一临界面123上被全部反射。反之，以小于第一临界面123临界角的角度入射的异常光线5则折射地通过第一临界面123。普通光线3和异常光线5两者都是彼此相互垂直的线性偏振光线。
第二双折射棱镜晶柱130也具有第二临界面133，第二入射/出射面131以及出射面135。最好，第二折射棱镜晶柱130是以第二临界面133为其底面的梯形块。第二临界面133与第一临界面123相对安置。透过第一双折射棱镜晶柱120的入射异常光线5折射进入第二临界面133。而入射普通光线3，由于当其透过第二相位延迟片170和第二图像装置150后，它的双折射特性发生变化，而被从第二临界面133上反射回来。第二入射/出射面131的安装与第二图像装置150成一角度，所以根据它的双折射特性，入射光线以不同的折射角透过其中，出射面135也是以与出射光束的光轴成某个角度地安装，所以入射光线当其由第一和第二图像装置140和150反射后，在通常第一和第二入射/出射面125和131以及第一和第二临界面123和133后，被折射透过并射向投影透镜单元180。
当通过第一和第二双折射棱镜晶柱120和130后，普通光线由第一和第二临界面123和133反射，而异常光线则通过如上临界面。然而也可换以另一种机理，也就是异常光线被第一和第二临界面123和133反射，而普通光线则由以上临界面透过。第一和第二双折射棱镜晶柱120和130各自的双折射特性由它们的材料所决定。
第一相位延迟片160沿光学路径位于第一入射/出射面125和第一图像装置140之间，而第二相位延迟片170沿光学路径位于第二入射/出射面131和第二图像装置150之间。第一和第二相位延迟片160和170每一个通过延迟入射光线的相位而改变偏振方向。第一和第二相位延迟片160和170最好是λ/4片，这样就可以把线性偏振的入射光线变为环状偏振光线，或把环状偏振的入射光线变成线性偏振光线。
第一图像装置140把从第一入射/出射面125折射透过并通过第一相位延迟片160的入射光线形成图像，并再次将其反射回第一入射/出射面125。而第二图像装置150把从第二入射/出射面131折射透过并通过第二相位延迟片170的入射光线形成图像，也再次将其反射。
为达到上述目的，第一和第二图像装置140和150最好采用含有二维数据结构且每个都能单独驱动的像素的铁电液晶显示器(FLCD)。
在FLCD中，由可以驱动的像素和没有驱动的像素反射的光线对应于具有同一偏振方向的入射光线来说，可以有不同的偏振方向。例如，当去向第一入射/出射面125并透过λ/4片后的普通光线落在FLCD上时，由驱动像素反射的光线就是异常光线，而由没有驱动像素反射的光线就是其偏振方向没有发生变化的普通光线。
此外，具有二维数组结构的镜面的数字镜面装置(DMD)也可以用来代替FLCD而作为第一和第二图像装置140和150。在这种情况下，每一个镜面都是单独驱动，而图像则是由对于入射光线的反射角的微分来形成。
由于DMD和FLCD都是众所周知的，所以对其介绍就予以简略。
投影透镜单元180位于第二双折射棱镜晶柱130的出射面135与屏幕之间，并把由第一和第二图像装置140和150所形成的并在通过第一和第二双折射棱镜晶柱160和170后加以放大的图像投向屏幕。
图3显示的是根据本发明另一实施例的反射型投影仪。由于相同或相似的元件已在上一个实施例中用同一标号标识，所以有关它们的一些介绍就从略了。
根据本实施例的特点，在光源110和投影透镜单元180之间沿光学路径设置了依次选择光色的光色选择装置190，用以体现彩色图像。
光色选择装置190根据入射光的波长有选择地透射入射光来确定光色。为此光色选择装置190包括一个色滤光片191和转动色滤光片191的驱动部件193。色滤光片191位于光学路径上，其上安置有等同面积的红(R)，绿(G)，蓝(B)，或黄(Y)，宝石蓝(C)，绛红(M)三种颜色。色滤光片191由驱动部件193转动，以使每一个三种颜色都能与光学路径相重合。光色选择装置190也可沿光学路径设置在光源110与第一双折射棱镜晶柱120之间。
下面介绍根据本发明上述实施例反射型投影仪的工作。
由灯泡111发出的并经反射镜113反射的光在透过准直透镜115后成为平行光束。在第一双折射棱镜晶柱120的入射面121上光线1被双折射从而分离为具有不同行经路径的普通光线3和异常光线5。
折射透过入射面121的普通光线3以大于其临界角的角度入射在第一临界面123上并被反射，而以小于其临界角角度入射在第一临界面123上的异常光线5则折射透过。反射的普通光线3又折射透过第一入射/出射面135。折射透过的线性偏振光线在透过第一相位延迟片160后变为环状偏振光线。根据第一图像装置140的各个像素驱动与否，由第一图像装置140反射的光线就具有选择的偏振方向。反射的光线在通过第一相位延迟片160后再一次变为线性偏振光线。其中由第一图像装置140驱动像素反射的光线变为其偏振方向发生90°变化的异常光线，而由未驱动像素反射的光线则成为偏振方向未变化的异常光线。这样再次进入第一入射/出射面125的普通光线与异常光线都具有不同的光学路径。普通光线由第一临界面123反射，而异常光线则透过第一和第二临界面123和133，以及出射面135投向投影透镜单元180。
同时，透过入射面121和第一临界面123的异常光线进一步透过第二临界面133，第二入射/出射面131以及第二相位延迟片170，入射在第二图像装置150上。由第二图像装置150反射的光的偏振方向则取决于它的各个像素是否驱动。由第二图像装置150反射并通过第二相位延迟片170的光线再次进入第二入射/出射面131，由驱动像素反射的光线则具有90°变化的偏振方向，同时成为普通光线，而由未驱动像素反射的光线保持原来的异常光线。这样再次进入第二入射/出射面131的普通与异常光线沿着不同的光学路径运行并被折射透过。由第二临界面133反射的普通光线，在通过出射面135后投向投影透镜单元180。异常光线则透过第二临界面133，第一临界面123以及入射面121。
如上所述，在根据本发明的实施例的反射型投影仪中，由光源发出的光被全部利用，从而提高了光的利用效率。而且在排除了对光的入射角很敏感的偏振光束分光器后，使本装置更为有用。
应注意到本发明不只限于如上所述的优选实施例，应该清楚在不超出和不违背由权利要求所限定的本发明的范围和精神实质的情况下，是可以进行修改和补充或替代的。
权利要求
1.一种反射型投影仪，其具有发光光源，由所述光源发光形成图像并将形成图像反射的第一和第二图像装置，以及放大由所述第一和第二图像装置形成的图像并将此放大图像投影在屏幕上的投影透镜单元，其特征在于该反射型投影仪还包括第一和第二棱镜晶柱，沿着光的光学路径相面对地设置，用于将入射光分解为普通光线与异常光线，并改变光的行经路径以使普通光线和异常光线具有不同的光学路径；以及第一和第二相位延迟片，沿着光的光学路径位于所述第一和第二双折射棱镜晶柱和所述第一和第二图像装置之间，用于延迟入射光的相位从而改变其偏振特性。
2.根据权利要求1所述的反射型投影仪，其中所述光源包括灯泡，其面向所述第一双折射棱镜晶柱而设置，用于产生并发出光线；以及反射镜，用于反射由所述灯泡发出的光线，并以一个方向前进。
3.根据权利要求1所述的反射型投影仪，其中所述的第一双折射棱镜晶柱包括入射面，与入射光线的光轴成一角度，它将入射光折射后分解为各自具有不同光学路径的普通光线与异常光线，第一临界面，它将所述的普通光线和所述的异常光线中的一个透射，而将其另一个反射；以及第一入射/出射面，它与所述第一图像装置成某一个角度安置，用于折射透过入射光。
4.根据权利要求1所述的反射型投影仪，其中所述的第二双折射棱镜晶柱包括第二临界面，它与所述第一临界面相面对地安置，它将透过所述第一双折射棱镜晶柱的入射光折射通过，并将通过所述第二相位延迟片和所述第二图像装置后改变双折射特性的入射光反射；第二入射/出射面，它与所述第二图像装置成某一角度安置，它折射通过入射光；以及出射面，它与光轴成某一角度安置，用于将由所述第一和第二图像装置反射的并通过所述第一和第二入射/出射面及所述第一和第二临界面的入射光折射透过并投向所述投影透镜单元。
5.根据权利要求3和4中任一项所述的反射型投影仪，其中第二双折射棱镜晶柱是以所述第二临界面为底面的梯形块。
6.根据权利要求1所述的反射型投影仪，其中所述第一和第二相位延迟片每片都是λ/4片，借助于延迟入射光的相位把线性偏振光变成环状偏振光以及把环状偏振光变成线性偏振光，这样就可以根据所述各自第一和第二图像装置的各自像素小区有选择地改变入射光的双折射特性。
7.根据权利要求1所述的反射型投影仪，其中所述的第一和第二图像装置分别是铁电液晶显示器，面对所述第一和第二相位延迟片而设置，并包括二维数据结构的像素，每一个像素都可以单独驱动以选择偏振方向，藉以形成图像并把形成的图像反射投向所述第一和第二相位延迟片。
8.根据权利要求1所述的反射型投影仪，其中所述第一和第二图像装置是数字镜面装置，分别面对所述第一和第二相位延迟片而设置，并包括二维数据结构的反射镜，每一个反射镜都可以单独驱动以选择入射光的反射方向，并形成图像及将形成的图像予以反射。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的反射型投影仪，它还包括光色选择装置，它沿着光学路径位于所述光源与所述投影透镜单元之间，根据入射光的波长由选择透过的入射光选择光色。
10.根据权利要求9所述的反射型投影仪，其中所述的光色选择装置包括一组色滤光片有选择地安置在光学路径上，根据入射光的波长有选择地透过入射光；以及转动所述色滤光片的驱动源。
全文摘要
一种反射型投影仪,其除了包括发光光源,第一和第二图像装置以及投影透镜单元之外,为提高光的利用效率,它还包括面对面地位于光的光学路径上的第一和第二棱镜晶柱,用以将入射光分解为普通光线与异常光线,并改变光的行经路径从而使普通光线与异常光线具有不同的光学路径;以及第一和第二相位延迟片,沿着光的光学路径位于第一和第二双折射棱镜晶柱和第一和第二图像装置之间,用以延迟入射光的相位以改变入射光的偏振特性。
文档编号G02B27/08GK1202630SQ9810621
公开日1998年12月23日 申请日期1998年4月8日 优先权日1997年6月17日
发明者郑明烈 申请人:三星电子株式会社