专利名称：图象投影装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及图象的投射。
参见
图1，采用了光投影装置在例如电影或电视的屏幕等大的表面显示图象。在一种前投影系统20中，象束24从象源21投射到反射型角转换屏的“前”侧上，从那儿再被反射向位于屏前的观众。在后投影系统中，象束被投射到透射型角转换屏26的“后”侧并再向位于屏前的观众29透射。
由于光的物理特性，象束到达屏26的尺寸大于依赖于象源21的放大率和屏22与象源22的距离。为了有效地利用屏幕26，象束24应正好填满屏26的整个高度S和宽度(未标出)。在图1中，当象源22距屏幕26为一适当的距离D，即当象束24的中心延续一长度为D的光路时，象束占满屏幕26。光路长D依据于屏幕的高度S和象源的放大率。摆放在象束24路径中的任何非透明物体将阻挡象束24并在屏幕26上形成一个阴影。
参见图2，设计者通过“折合”被投射象束的光路以减少系统30的表观投影长度L来减少典型的图象投影系统30的尺寸大小。“折合”的系统30包括一或多个反射镜34、36，这些反射镜沿光路放置在一些关键点，改变被投影象束的方向并形成多个次级光路D1、D2、D3。在此光学系统30中的整个系统的结构比图1的锥型系统结构更为直线性。
在折合的图象投影系统30中，假设象源40和屏幕32类似于图1中的情形，当反射镜34、36的定位使得次级光路D1、D2和D3的结合长度等于图1中的光路长D时，即使表观投影长度L小于D，图象38也将充满屏幕32的全部。
“超折合”投影显示系统包括一个紧放在系统的图象显示屏幕之后的可选择的反射材料(如一种线性反射偏振器)。显示系统包括一个图象投影器，它向成象屏幕投射包含预定的线性偏振光的象束。线性反射偏振器将象束中的光从屏幕上反射。被反射的象束然后遇到1/4波长的消色差延迟器，后者将线偏振光转化成圆偏振光。象束接着又入射到反射镜上，被反射通过1/4波长消色差延迟器，后者将半圆偏振光转换成线偏振光，偏振导向器从最初的偏振导向器方向旋转90°。然后，线性反射偏振器才允许光束透向图象屏幕。
本发明的实施例包括下列特征。系统包括一个动力光学元件，以进一步增加象束的“折合”，改变放大率，提供畸变校正或优化组装。甚至还通过使象束从反射镜两次反射并四次穿过消色差延迟器而折合象束。反射镜可定位于象源和象屏之间。
本发明包括下述一个或多个优点。紧放在屏幕之后的光学元件在投影成象系统中可作为“反射镜”，增加光束进行折合的折合量并因此更大程度地减小系统的表观投影长度或深度。象源可置于显示系统中所有光学元件之后，以进一步减小系统的尺寸。
本发明的其它优点及特点将通过以下的描述和权利要求变得更为明显。
图1是现有的投影显示系统的侧视图。
图2是现有的折合的投影显示系统侧视图。
图3、4、5是“超折合”投影显示系统的侧视图。
图6A和6B是可用于图3、4、5系统中的“拼凑的”偏振器。
图7A、7B和7C是可用于图3、4、5系统中的特殊的消色差延迟器。
图8、9、10是另一种“超折合”投影视频系统的侧视图。
图11A和11B是图8的多个投影视频系统的结构的侧视和前视图。
图12A和12B是图9的多个投影视频系统的结构的侧视和前视图。
图13、14A和14B是另一种带有动力光学装置的“超折合”投影视频系统的侧视图。
图15是一个具有“超折合”投影视频显示的计算机系统。
参见图3，它是一个“超折合”投影视频系统50，如投影电视，包括一个具有被选取的反射或透射材料覆盖的表面54的散射屏52。选取的反射或透射面54使屏52充当数次反射镜和数次透射成象屏。其结果是，包含在被图象投影器58投射的象束56中的象55，在第一次遇到面54时，从屏的后表面54反射。然后，象束56射向位于屏52之后的反射镜60，由反射镜60反过来，再将光56反射向屏52。当象束56中的象55第二次遇到屏52的反表面54时，象55穿过屏52导向观众62。
在这种方式中，屏幕52实际上充当一个置于观众62和后反射镜60之间的反射镜。屏52将象束56反射远离观众，但并不能阻挡光束56或严重地损害观众看到的图像55的质量。因为“反射镜”放置在已前不具有这些设置的光路中的某一处，象源58投射的象束56为“超折合”，即比现可能存在的系统，折叠的更多，远小于线性距离L’。
投影系统50通过输入电缆51接收电信号并将其提供给信号分解器53。信号分解器53将电信号分解成视频信号和音频信号，并分别将这些信号提供给象源58和声音系统57。象源58将视频信号转换成光并投射光做为一象束56。象源58可以是任意一种类型的投影机械，如液晶显示(“LCD”)投影器。电信号可以是任意一种包含视频信息的信号，如通过天线或电缆线接收到的电视信号或通过计算机视频光缆接收的计算机视频信号。音频信号和声音系统57可自由选择。
参见图4，屏52可充当一定次数的反射镜和剩余次数的成象屏，因为它的后表面54被一种线性反射偏振材料覆盖，如Minnesota Mining &Manufacturing Company的双透增强膜(DBDF)材料。线性反射偏振材料形成一个偏振器64，透过所有在一个方向(透射方向)的线性偏振光；并反射所有垂直于透射方向的线性偏振光。例如，如果线性反射偏振器64取向为透射P偏振光，则它实际上将反射所有的S偏振光，因为S偏振光垂直于最大透射率的偏振器方向。相反，当P偏振光遇到偏振器64时，所有的光穿过偏振器64和散射屏52指向观众，因为P偏振光对准在偏振器的最大透射率的方向。
线性反射偏振器应至少有99％的透射率，使得逃逸投影系统的S偏振光小于1％，除1％之外的所有P偏振光被投向观众。线性吸收偏振器68可用于对不合适的象束中的偏振光滤光。反射偏振器64和吸收偏振器68可被连接于屏52或被悬于显示系统(即通过一或多个连接系统腔体的框架)。
参见图5，穿过象源58和象屏52之间的光偏振被位于象屏52和后反射镜60之间的1/4波长消色差延退器70改变。延迟器70可连接于反射镜60的前表面或通过其它方式置于系统中。
1/4波长消色差延迟器70包括由一种材料组成，它将穿过延迟器70的光波的线性成份延迟1/4波长。这种材料由日本的Nitto DenkoCorporation制造，以WB-1/4命名，类似的材料可从其它的来源得到。因此，延迟器70将线性偏振光转换成圆偏振光，并将圆偏振光转换成线性偏振光。另外，两次穿过延迟器70的光将相同的线性成份延迟两次，或1/2波长。因此，穿过延迟器70两次的线性偏振光出现一个垂直于其初始时的偏振光。
例如，沿次级光路D2’传递的S偏振光，当其穿过消色差延迟器70时，转换成圆偏振光74。从第二反射镜60反射后，当其又穿过延迟器70时，圆偏振光74变成P偏振光76。然后，P偏振光76沿次级光路D3’穿行并终于穿过线性反射偏振器64，入射到漫散射成象屏52上。
参见图6A和图6B，“超折合”投影系统可包括一个“拼凑”的偏振器90或92，用于补偿当图像在系统中被反射时产生的梯形畸变。线性反射偏振材料64对光的入射角不太敏感。也就是，反射的偏振光可能不是完美的S偏振光，而可能是稍有一点圆偏振光。“拼凑的”偏振器90或92对这种潜在的情况进行补偿。“拼凑的”偏振器90或92可位于系统中象源58和最后的反射元件之间的任何地方。
图6A的“拼凑的”偏振器90可放在象源(图3所示)之内，如位于形成LCD投影器最后一级的透镜的表面。圆偏振器90实际上是一个具有几个不同透射比例的区域90a-90f的线性吸收偏振器。每一对相邻的区域被一个沿偏振器90延伸的边界线91a-91e划分。图6B的偏振器92可放在显示系统中的一个反射面上，并最好结合到系统的显示屏52上的线性反射偏振器64(图4)的DBEF材料中。所述“拼凑的”偏振器90或92的每个区域中的透射特性、大小和形状由显示系统的结构，尤其是由系统所赋于的梯形畸变决定。
参见图7A、7B和7C，消色差延迟器70可制作成容许入射光以不同角度入射的结构。由此，从象源58发出的光入射到延迟器70上。如果象源位于记录面的下方并向着读者，则从象源发出的光以较高的入射角入射到记录面的上半部，以较低的入射角入射到记录面的下半部。同样地，如果象源位于记录面中心的下方，从象源发出的光将以较高的角度入射到记录面的中心，以较低的角度入射到记录面的左边和右边。因为个别光线的延迟效应可依赖于光线入射到延迟器上的角度，所以延迟器70可由几个具有不同延迟特性的区域组成。
如图7A所示，延迟器70可被分成两个具有不同延迟值α1和α2的区域。区域69a容纳以较低入射角穿过延迟器70的光线，区域69b容纳以较高入射角穿过延迟器70的光线。参见图7B，替换的延迟器可被分成线性栅格，沿垂直轴∝有两个延迟值∝1和∝2，沿水平轴β有三个延迟值β1、β2和β3。延迟器70被分为六个部分71a-71b，每个部分的延迟值由相应的垂直值α1或α2及相应的水平值β1、β2或β3决定。另一种情况，如图7C所示，延迟器70可划分为几个圆或椭圆区域73a-73h，在延迟器底端77的中心75相交。最内端的区域73a容纳以最高入射角穿过延迟器70的光束，最外端区域73h容纳以最低入射角通过延迟器70的光束。延迟器制造厂家(如Nitto Denko Corporation of Japan)可依据投影显示系统的结构和大小生产适当尺寸的延迟器。
参见图8和9，“超折合”投影显示系统50可构造成各种不同的形状。在图8的系统中，象源58投射一直接导向线性反射偏振器64的象束，偏振器64首先将象束反射射向消色差延迟器70，然后再使反射的象束穿过成象屏幕52。在图9的系统中，象源58位于反射镜60之后。象源58向下投射一象束到较小的反射镜100上，反射镜100接着将象束反射向线性反射偏振器64。线性反射偏振器64然后将象束反射向消色差延迟器70和后反射镜60，并使反射的P偏振光通向显示面52。
参见图10，“超折合”投影显示系统50甚至还通过使以象束从后反射镜60反射两次(或称四射)取代图3所示的一次回射而被折合。在此实施例中，象源58直接向后反射镜60投射P偏振光。从反射镜60反射并穿过消色差延迟器两次之后，在象束56中的光有S偏振光。然后，S偏振光从线性反射偏振器反射到背向后反射镜60的屏幕52上。另外，从反射镜60反射并另外两次穿过消色差延迟器的光导引象束又回到屏幕52，在那儿光穿过线性反射偏振器在成象屏52上形成图象，象束此时又含有P偏振光。
图11A是图8中投影显示系统50的多个单元的装配侧视图。每个单元250a、250b包括一个外壳体200、外壳体200将屏52、反射镜60和图象投影器58安置在一适当的位置。外壳体200的前端表面202凹陷到屏52之下以能够堆置，如图11A所示，使得单元250a、250b的屏幕52实际上共面。设置在较低单元250b后表面上的支撑体204将较高单元250a固持在其位置上。参见图11B，它是装置的前视图。正如图示的，屏52大约是单元250a的宽度，因此有非常小的边缘。结果是多个单元250a-250d可以彼此以很小的间隙排成阵列或“倾斜”的结构。
图12A是图9中投影显示系统50的多个单元的装配侧视图。每个单元260a、260b包括一个外壳体210。在此例中，外壳体实际上是个长方体，不象图11A中的外壳体200的带凹槽和成一角度的形状。然而，成象屏52实际上四边延伸到外壳体210的边端，没有外壳体200中的凹陷的表面202(图11A和11B)。图12B是图12A装置的前视图。图9的设计是折衷选择图8有关深度和基底直径的设计，以及最终的使用效果的设计选择。
参见图13所示的另一个实施例，象源58置于接近投影系统顶端位置的后反射镜60之后。在这种布置中，象源58投射象束到位于投影系统顶部的小反射镜102上。接着小反射镜102将象束向下反射到位于投射系统底端的大反射镜104上。为避免象束在象源58和较低反射镜104之间过于迅速的扩散，象源58仅以轻微的发散(或放大)来投射象束。结果是，较低的反射镜104是一个“动力”光学元件，当其将象束反射向线性反射偏振器64时对象束进行放大。较低的反射镜104对象束的放大，在象束从线性反射起偏器64反射一次，并从后反射镜60反射一次之后能够充满成象屏的全表面。上反射镜102也是一个“动力”光学元件，如图14A所示。另外，上反射102可以是一个“负动力”光学元件，使象束会聚，直到象束到达较低反射镜104，如图14B所示。
参见图15，“超折合”图象投影系统可组装到计算机显示器106中，其体积之小，足以用到台式计算机108中。类似于传统的CRT或LCD面板显示器，投影显示系统106可用传统的CPU112和视频控制器113驱动，通过一标准的视频电缆114给投影显示次级系统106提供视频数据。因为屏116用作“反射镜”，将视频图象“折合”到一个很小的区域，投影显示次级系统106将平面屏幕技术和台式计算机所需要的小面积投影视频的优点结合到一起。
其它的实施例在从属的权利要求范围之内。例如，视频投影系统可组装到多种类型的视频显示系统中，如小屏幕和大屏幕电视，折叠式和台式计算机，高架式投影机、电影院和全息照相系统。
权利要求
1 一种图象投影装置，包括一个成象表面；一个光学装置；和一条在通向成象表面的途中两次到达光学装置的成象光路，光学装置在一个时刻反射图象，在另一不同的时刻允许图象通过光学装置。
2 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，光学装置包括一个反射偏振器。
3 根据权利要求1和2所述的装置，其还包括一个第二光学装置，使图象的偏振旋转通过第二光学装置，其位置处于接收从光学装置反射的象束并将偏振旋转的象束提供给光学装置。
4 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，第二光学装置包括一个消色差延迟器。
5 根据权利要求3和4所述的装置，其特征在于，第二光学装置包括一种反射材料。
6 根据权利要求1-5所述的装置，其特征在于，光学装置实质上平行于成象表面。
7 根据权利要求1-6所述的装置，其特征在于，光学装置接近成象表面。
8 根据权利要求1-7所述的装置，其特征在于，光学装置被放置到成象表面。
9 根据权利要求1-8所述的装置，还包括一个插入在光路中的线性吸收偏振器。
10 根据权利要求1-8所述的装置，还包括一个投射图象的象源。
11 根据权利要求10所述的装置，还包括一个插入在象源和光学装置之间的光路上的偏振器。
12 根据权利要求3-5所述的装置，其特征在于，图象光路在到达光学装置之前到达第二光学装置。
13 根据权利要求1-11所述的装置，其还包括一个位于光学装置之前光路中的反射装置。
14 根据权利要求13所述的装置，其特征在于反射装置是一个动力光学元件。
15 根据权利要求13所述的装置，其还包括一个位于光学装置之前光路中的反射装置。
16 根据权利要求15所述的装置，其特征在于，第二反射装置是一个动力光学元件。
17 根据权利要求1-16所述的装置，其特征在于，象表面有一个外边界和光学装置，光路和象源位于外边界之内、象表面之后。
18 根据权利要求1-17所述的装置，其特征在于，象源接收电信号形式的视频信号。
19 根据权利要求18所述的装置，其还包括一个包含向象源提供视频数据的视频控制器的计算机。
20 一种在投影显示系统中显示图象的方法，包括步骤投射图象；从光学装置上反射图象；和将从光学装置上反射的图象回穿过光学装置，入射到成象表面。
21 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，反射的图象和穿过的图象具有不同的偏振态。
22 根据权利要求20和21所述的方法，还包括步骤旋转从光学装置反射回的图象的偏振。
23 根据权利要求20-22所述的方法，还包括步骤在图象从光学装置反射之前，对其进行偏振。
24 根据权利要求23所述的方法，还包括步骤在图象从光学装置反射之前，旋转图象的偏振。
25 根据权利要求20-24所述的方洗还包括步骤在图象从光学装置反射之前反射图象。
26 根据权利要求25所述的方法，其特征在于，反射被辅以动力。
27 根据权利要求20-26所述的方法，还包括步骤在图象从光学装置反射之前第二次反射图象。
28 根据权利要求27所述的方法，其特征在于，第二次反射被辅以动力。
29 权利要求20-28所述的方法，还包括步骤把提供视频数据的电信号转换成投影的图象。
全文摘要
“超折合”投影显示系统包括一种紧挨着系统的成象屏之后放置的可选择的反射材料(如一种线性反射偏振器)。显示系统包括一个向成象屏投射包含预定线性偏振光束的象束的图象投影器。线性反射偏振器将象束中的光从屏幕反射。反射的象束再经1/4波长消色差延迟器，从线偏振转变成圆偏振。象束接着照射到一反射镜上，反射镜将光束反射通过1/4波长延迟器，该延迟器将圆偏振光又转变成线偏振光，同时偏振方向从初始的偏振方向旋转90°。然后，线性反射偏振器使光束通过导向象屏。
文档编号G09F13/04GK1165963SQ9612397
公开日1997年11月26日 申请日期1996年12月29日 优先权日1995年12月29日
发明者R·M·诺克斯, J·R·马斯特斯 申请人:康帕克电脑公司