专利名称：投影显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种投影显示装置，特别是涉及一种用来显示图像的投影显示装置。
目前的反射式投影显示装置常用数字式微型镜面装置(Digital Micro-mirror Device)作为图像模组件，来将图像以反射的方式产生并投射出去。在这种投影显示装置中，由于图像模组件的照明光束与投影光束十分接近，因此需要有相当长的光程，才能使这两束光线不会互相干扰。
请参阅
图1，其为一现有反射式投影显示装置10，其包括有一反射式图像模组件12，其包括有多个可控制的反射面(未显示)用来以反射的方式调变一照明光束11，由此产生一内含有图像的投影光束13，一全反射棱镜14用来避免入射至图像模组件12的照明光束11与从图像模组件12反射出来的投影光束13互相干扰，光学元件16如变色镜或是变色棱镜，以及一投影镜头18用来将内含有图像的投影光束聚焦并输出成像。
由于投影显示装置10是利用全反射棱镜14来避免入射至图像模组件12的照明光束11与从图像模组件12反射出来的投影光束13互相干扰，因此投影镜头18需要相当长的后焦距19，这会使投影显示装置10的结构变得相当大而复杂，成本也会因此而提高。棱镜14虽然可缩短照明光束11及投影光束13的光程，但会因为玻璃色散的现象引起色像差，而造成投影的成像质量不佳。棱镜14也会将图像模组件12所产生的一部分，不需使用的杂散光反射至投影镜头18，因而造成图像的对比度降低。此外，全反射棱镜14的组装要求十分严格，这也会使机构的复杂度及成本增加。
本发明的目的在于提供一种体积小且具有高光效率、高图像质量的投影显示装置，来解决现有显示装置10的问题。
本发明的目的是这样实现的，即提供一种投影显示装置，包括有一光源，用来产生一照明光束；一反射式图像模组件，其包括有多个可控制的反射面，用来以反射方式调变该照明光束，以产生一内含有图像的投影光束；一第一透镜组；一反射镜，用来将该入射光束反射并通过该第一透镜组聚集在该图像模组件上；以及一第二透镜组，设于该光源与该反射镜之间，用来减少该光源至该反射镜的光程；其中，该图像模组件反射面的法线并与该第一透镜组的光轴及该第二透镜组的光轴所确定出的平面不相重合。
下面结合附图，详细说明本发明的实施例，其中图1为现有利用全反射棱镜的反射式投影显示装置；图2为本发明投影显示装置的示意图；图3为图2光束的光径图；图4为第一及第二透镜组相对摆置的示意图。
请参考图2，其为本发明投影显示装置20的示意图。投影显示装置20包括有一光源21，第三透镜组26，彩色滤光转轮模组件40，第二透镜组28，反射镜30，第一透镜组32，反射式图像模组件34，投影模组件36，以及控制模组件38用来将图像控制信号输出到图像模组件34。
光源21包括有一灯泡22以及一曲面反射镜24用来产生一第一照明光束46，第三透镜组26是设于光源21与彩色滤光转轮模组件40之间，用来将光源21所产生的第一照明光束46聚焦于彩色滤光转轮模组件40上，彩色滤光转轮模组件40是以转动的方式来调变第一照明光束46的颜色，依序产生红光、绿光以及蓝光，第二透镜组28是用来将调变过的第一照明光束46通过反射镜30反射，而后再经第一透镜组32形成第二照明光束48聚集于图像模组件34上。图像模组件34可为一反射式液晶显示器(liquidcrystal display)，或是使用数字式微镜面装置(Digital Micro-mirrorDevice)，其包括有多个可个别控制且依矩阵形式排列的微镜面，用来根据控制模组件38所传来的图像控制信号来调变第二照明光束48，以产生一内含有图像的投影光束50。投影模组件36是用来将调变后的投影光束50聚集并输出成像。
彩色滤光转轮模组件40包括有一圆形转轮41，以及多个可透光的彩色滤光片43设于圆形转轮41一预定半径的圆周位置42上。圆形转轮41彩色滤光片43含有红、绿、蓝三色，在使用时圆形转轮41会沿着它的圆心轴45以固定的转速来轮流调变入射光束46的颜色。这种轮流调变的红、绿、蓝颜色在投影光束50输出时，会在使用者的眼中因视觉暂留的作用而产生具有真实色彩的图像。
投影显示装置20的第一及第二透镜组32、28均具有正光焦度，这两透镜组是用来减少第一照明光束46由光源21至图像模组件34的光程，并将经彩色滤光片43调变过的第一照明光束46聚集于图像模组件34上，使其像的大小刚好足以涵盖整个图像模组件34的反射面，以达到最大光的使用效率；而反射镜30及图像模组件34反射角度的安排则使第二照明光束48及投影光束50可与第一照明光束46在三维空间中形成一曲折的光程，这种将光程缩短并予以曲折化的设计，使投影显示装置20的体积可因此而大幅减小。
请参考图3，其为光束46、48、50于一由X、Y、Z三种所构成的三维空间内行进的光路径图，其显示光源21所产生的第一照明光束46，会沿着第三及第二透镜组光轴的方向，通过由第三及第二透镜组26、28前进，其中，前述的光轴与X轴的夹角为0至15度，前述的光束46通过反射镜30反射后，形成第二照明光束48，前述的光束48沿第一透镜组32的光轴前进，经过第一透镜组32投射到在X-Y平面上的图像模组件34，前述的光束48通过图像模组件34调变后形成投影光束50，最后投影光束50会经过投影模组件36而射出。由图3可知，图像模组件34放置位置的角度是使其反射面的法线51(在此也就是Z轴的正向)与第二透镜组28的光轴(第一照明光束46)及第一透镜组32的光轴(第二照明光束48)所决定出的平面不相重合。图像模组件34所在的Y轴位置比反射镜30以及光源21所在的Y轴位置要高，而投影模组件36所在的Y轴位置又比图像模组件34所在的Y轴位置高。
在此投影光束50与图像模组件34的法线51(Z轴的正向)的夹角α为2至18度，沿第一透镜组光轴前进的第二照明光束48与法线51的夹角θ为21至35度，而前述的第一透镜组32的光轴投影至X-Y平面所形成的投影线53和X轴的夹角φ为-48至-68度。上述的各透镜组26、28、32，通过前述的反射镜30，可适当安排各透镜组之间光轴的方向及距离，在三维空间中形成一转折的光路径46、48，而形成一照明模组件。这种三维空间的立体设计，可使投影显示装置的体积大幅度地减小。
在本投影显示装置中，其中，第一透镜组32可选择为一非球面平凸或变凸的正透镜，前述的正透镜其一凸面为非球面，且此非球面系数(CONIC)须介于-1.2到-0.45之间，此外，为要将投影显示装置20的高度缩小且不减低光效率，在考虑图像模组件34所产生的投影光束50的大小不要受到第一透镜组32的遮挡而产生干扰现象下，将其未被第二照明光束48所涵盖的区域切除，使其不至于遮挡到投影光束50，并可缩小第二照明光束48与投影光束50的夹角，使两者彼此更加靠近，以再度缩小投影显示装置20的体积。
在本投影显示装置中，其中，第二透镜组28一般可为两片正透镜所组成，由于图像模组件34可能随着解析度的改进而变化尺寸，但若使前述两透镜组28、32符合下列的条件，可将图像模组件34因尺寸变化而减少对本发明投影装置的影响，而达到本发明投影系统的极小体积及高效的光效率目的1.1≤|FA+FB|FA≤1.7,----(1)]]>0.5≤|FAFAB|≤1.1,----(2)]]>其中，FA是第一透镜组32的焦距，FB是第二透镜组28的焦距；FAB表示前述两透镜组28、32所组成的焦距。
请参考图4，其为第一及第二透镜组32，28相对摆置的示意图。第二透镜组28包括有第一透镜27及第二透镜29，第一透镜27、第二透镜29及第一透镜组32的非球面透镜都包括有一正面及一背面，入射光束46从彩色滤光转轮模组件40的彩色滤光片43沿着光径，依次接触到第一透镜27的正面52、第一透镜27的背面54、第二透镜29的正面56、第二透镜29的背面58、第一透镜组32的正面60及第一透镜组32的背面62后，形成第二照明光束48照射到图像模组件34。
请参考表1至表4，第一透镜27、第二透镜29以及第一透镜组32的折射率和其正面、背面的曲率半径与其间相关距离的放置，实际上可以有各种不同的设计变化，此处则以表1至表4的四种设计为实施例，其中，第一透镜27的厚度(d2)为6mm，第一透镜27至第二透镜29的距离(d3)为1mm，第二透镜29的厚度(d4)为6mm，第二透镜29至第一透镜组32的距离(d5)为70mm，第一透镜组32的厚度(d6)为17mm，各透镜的折射率是以波长0.587μm的光波计算得出，除表2中第一透镜组32的非球面系数为-1.00外，表1、表3及表4中第一透镜组32的非球面系数皆为-0.97；其他相关光学数据则直接显示于表1至表4中。
与现有显示装置10相比较，本发明投影显示装置20利用透镜组28、32以及反射镜30的特殊设计以将光程曲折化并缩短光程，使投影显示装置20的体积能大幅缩小。此外，由于投影显示装置20不需使用任何的棱镜，因此不会因为玻璃的色散现象而引起色像差，并且组装效率以及制造成本均可因此而比现有显示装置10为佳。
权利要求
1.一种投影显示装置，其特征在于，包括有一光源，用来产生一照明光束；一反射式图像模组件，其包括有多个可控制的反射面，用来以反射方式调变该照明光束，以产生一内含有图像的投影光束；一第一透镜组；一反射镜，用来将该入射光束反射并通过该第一透镜组聚集在该图像模组件上；以及一第二透镜组，设于该光源与该反射镜之间，用来减少该光源至该反射镜的光程；其中，该图像模组件反射面的法线并与该第一透镜组的光轴及该第二透镜组的光轴所确定出的平面不相重合。
2.如权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，该第一透镜组为一非球面平凸或双凸的正透镜，前述的正透镜其一凸面为非球面且此非球面系数(CONIC)须介于-1.2到-0.45之间。
3.如权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，该第二透镜组由两片正透镜所组成，且该第一及第二透镜组须符合下列的条件1.1≤|FA+FB|FA≤1.7,]]>0.5≤|FAFAB|≤1.1,]]>其中，FA为该第一透镜组的焦距，FB为该第二透镜组的焦距，FAB为前述两透镜组所组成的焦距。
4.如权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，该光源所产生的照明光束先经过该第二透镜组，而后再经过该第一透镜组而聚集于该图像模组件上以减少该光源至该图像模组件的光程。
5.如权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，该光源包括有一曲面反射镜用来反射该光源所产生的光线，以形成该光源的照明光束。
6.如权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，该图像模组件可个别控制其多个反射面的反射角度，以产生该内含有图像的投影光束。
7.如权利要求6所述的投影显示装置，其特征在于，该图像模组件为一数字式微镜面装置(Digital Micro-mirror Device)。
8.如权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，该图像模组件为一反射式液晶显示器(liquid crystal display)。
9.如权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，另包括有一彩色滤光转轮模组件设于该光源与该第二透镜组之间，用来调变该光源的入射光束的颜色。
10.如权利要求9所述的投影显示装置，其特征在于，该彩色滤光转轮模组件包括有一圆形转轮，多个透明的彩色滤光片设于该圆形转轮的一预定半径的圆周位置上，该圆形转轮的多个彩色滤光片以转动的方式来轮流调变该光源入射光束的颜色。
11.如权利要求10所述的投影显示装置，其特征在于，该多个彩色滤光片中含有红、绿、蓝三色滤光片，用来将该光源的入射光束调变成红、绿、蓝色入射光束。
12.如权利要求11所述的投影显示装置，其特征在于，该多个红、绿、蓝三色滤光片依序设置，并依序产生红、绿、蓝色入射光束。
13.如权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，另包括有一第三透镜组，设于该光源与该彩色滤光转轮模组件之间，用来将该光源的照明光束聚焦于该圆形转轮的一预定位置上，以使该多个彩色滤光片得以于该圆形转轮转动时调变该光源的照明光束。
14.如权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，该第一及第二透镜组都为具有正光焦度(positive refractive power)的镜组。
15.如权利要求14所述的投影显示装置，其特征在于，该第一透镜组为一非球面透镜，该第二透镜组包括有一第一透镜及一第二透镜，该第一透镜、第二透镜及第一透镜组都包括有一正面及一背面，来自该光源的入射光束沿着光径依次至少接触到该第一透镜的正面、该第一透镜的背面、该第二透镜的正面、该第二透镜的背面、该第一透镜组的正面及该第一透镜组的背面。
16.如权利要求15所述的投影显示装置，其特征在于，该第一透镜、第二透镜及第一透镜组的相关数据如下该第一透镜的折射率(波长为0.587μm)＝1.74，该第二透镜的折射率(波长为0.587μm)＝1.52，该第一透镜组的折射率(波长为0.587μm)＝1.52，该第一透镜组的非球面系数(CONIC)＝-0.97，该第一透镜正面的曲率半径＝无限，该第一透镜背面的曲率半径＝14mm，该第二透镜正面的曲率半径＝无限，该第二透镜背面的曲率半径＝16mm，该第一透镜组正面的曲率半径＝-21mm，该第一透镜组背面的曲率半径＝无限，该第一透镜的厚度＝6mm，该第一透镜背面至该第二透镜正面的距离＝1mm，该第二透镜的厚度＝6mm，该第二透镜背面至该第一透镜组正面的距离＝70mm，该第一透镜组的厚度＝17mm。
17.如权利要求15所述的投影显示装置，其特征在于，该第一透镜、第二透镜及第一透镜组的相关数据如下该第一透镜的折射率(波长为0.587μm)＝1.74，该第二透镜的折射率(波长为0.587μm)＝1.74，该第一透镜组的折射率(波长为0.587μm)＝1.52，该第一透镜组的非球面系数(CONIC)＝-1.00，该第一透镜正面的曲率半径＝60mm，该第一透镜背面的曲率半径＝12mm，该第二透镜正面的曲率半径＝无限，该第二透镜背面的曲率半径＝16mm，该第一透镜组正面的曲率半径＝-21mm，该第一透镜组背面的曲率半径＝无限，该第一透镜的厚度＝6mm，该第一透镜背面至该第二透镜正面的距离＝1mm，该第二透镜的厚度＝6mm，该第二透镜背面至该第一透镜组正面的距离＝70mm，该第一透镜组的厚度＝17mm。
18.如权利要求15所述的投影显示装置，其特征在于，该第一透镜、第二透镜及第一透镜组的相关数据如下该第一透镜的折射率(波长为0.587μm)＝1.74，该第二透镜的折射率(波长为0.587μm)＝1.52，该第一透镜组的折射率(波长为0.587μm)＝1.52，该第一透镜组的非球面系数(CONIC)＝-0.97，该第一透镜正面的曲率半径＝无限，该第一透镜背面的曲率半径＝15.5mm，该第二透镜正面的曲率半径＝无限，该第二透镜背面的曲率半径＝17mm，该第一透镜组正面的曲率半径＝-21mm，该第一透镜组背面的曲率半径＝无限，该第一透镜的厚度＝6mm，该第一透镜背面至该第二透镜正面的距离＝1mm，该第二透镜的厚度＝6mm，该第二透镜背面至该第一透镜组正面的距离＝70mm，该第一透镜组的厚度＝17mm。
19.如权利要求15所述的投影显示装置，其特征在于，该第一透镜、第二透镜及第一透镜组的相关数据如下该第一透镜的折射率(波长为0.587μm)＝1.74，该第二透镜的折射率(波长为0.587μm)＝1.52，该第一透镜组的折射率(波长为0.587μm)＝1.52，该第一透镜组的非球面系数(CONIC)＝-0.97，该第一透镜正面的曲率半径＝无限，该第一透镜背面的曲率半径＝18.5mm，该第二透镜正面的曲率半径＝无限，该第二透镜背面的曲率半径＝17mm，该第一透镜组正面的曲率半径＝-21mm，该第一透镜组背面的曲率半径＝无限，该第一透镜的厚度＝6mm，该第一透镜背面至该第二透镜正面的距离＝1mm，该第二透镜的厚度＝6mm，该第二透镜背面至该第一透镜组下面的距离＝70mm，该第一透镜组的厚度＝17mm。
20.如权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，还包括有一投影成像镜组，用来将该图像模组件所反射的投影光束输出成像。
21.如权利要求20所述的投影显示装置，其特征在于，该投影光束与该图像模组件法线的夹角为2至18度，该第一透镜组的光轴与该图像模组件法线的夹角为21至35度，该第一透镜组的光轴投影至该图像模组件所在平面而形成的投影线和该投影光束与该图像模组件法线所形成平面法线的夹角为-48至-68度。
22.如权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，该光源所产生的照明光束会沿着该第二透镜组光轴的方向前进，其中该第二透镜组光轴和该投影光束与该图像模组件的法线所形成平面法线的夹角为0至15度。
全文摘要
一种投影显示装置,包括一光源,用来产生第一照明光束;第一透镜组;一反射镜,用来将第一照明光束反射产生第二照明光束并由该第一透镜组聚集于图像模组件上;第二透镜组,设于光源与反射镜之间;一反射式图像模组件,包括多个可控的反射面,用来以反射方式调变第二照明光束;以及一投影镜组,用来将经第一透镜组含有图像的投影光束输出并成像于荧幕,图像模组件反射面法线与第一和第二透镜组光轴所确定的平面不重合。
文档编号H04N9/31GK1248718SQ9812071
公开日2000年3月29日 申请日期1998年9月23日 优先权日1998年9月23日
发明者张宗闵, 谢汉萍, 陈世宾 申请人:明碁电脑股份有限公司