专利名称：带光学扫描器的图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明与一种图像显示装置有关，特别是一种采用单个显示器件的单板彩色图像显示装置有关，该装置按照输入的图像信号生成图像，可达到与使用三个显示器件的三板彩色显示装置同样的光学效率和分辨率。
背景技术：
图1是现有单板彩色图像显示装置的例子，图2显示图1中的微透镜阵列中的光通道以及液晶显示片(LCD)。参照图1和图2，在现有单板彩色显示装置中包括照明光学系统；三个分光镜4R，4G及4B，其互相倾斜设置；微透镜阵列10和液晶20。照明光学系统包括白色光源灯1，环绕设置于灯1一侧的球面反射镜2，以及聚光镜3，该镜用于汇集灯1发出的散射光及由球面镜2反射的散射光并使之转化为准直光。
照明光学系统发出的白光被三个分光镜4R，4G和4B分离为三元色红光(R)，绿光(G)，和兰光(B)。分光镜4R反射由照明光学系统发出的白光中的红光而让其他颜色的光通过。分光镜4G反射透过分光镜4R的绿光(G)而让剩下的光，即兰光(B)通过。分光镜4B则反射兰光(B)。
三个分光镜4R，4G和4B互相倾斜一个角度θ，构成扇形。换言之，分光镜4R、4B相对4G的位置应分别以-θ和+θ标注。此处+号与-号分别表示顺时针方向和逆时针方向。
这样，红(R)与兰主光线(B)以相对于绿主光线(G)的角度-θ和+θ入射微透镜阵列10。微透镜阵列10由沿水平方向排列的多个圆柱形微透镜单元10a构成。微透镜阵列10将红光(R)，绿光(G)与兰光(B)以不同角度分别汇聚入射到带状液晶20的信号电极21R，21G和21B上。
液晶20由夹在两片透明的玻璃基底24和25中间的液晶层23构成。液晶层23含有透明的导电层22和信号电极21R，21G和21B，其按矩阵结构设置在导电层22两面中的一面。
在上述结构的现有单板彩色显示装置中，照明光学系统发出的白光被三个分光镜4R，4G和4B分离为三基色光并被分别会聚到液晶20的信号电极21R，21G和21B上。信号电极21R，21G和21B分别按水平方向排列，依红光(R)，绿光(G)和兰光(B)入射角的不同而保持规则的间距。信号电极21R，21G和21B合成为单一图像像素，每一个作为子像素。
依上所述，每个微透镜单元如10a，与红(R)，绿(G)和兰(B)基色光的三个像素对应。此三个子像素在屏幕7上显示为单一图像像素，观察者可以在屏幕上观看到由多个图像像素构成的一幅彩色图像。
然而，如上所述现有单板彩色图像显示装置设置为使用三个子像素构成一个单一像素，从而使液晶20的分辨率降低1/3。为了达到使用了美国专利第5,633,755号或5,159,485号中公布的色轮(COLOR WHEEL)技术的投影式单板显示装置的分辨率，液晶20需要具备三倍于其实际值的物理分辨率。
如上所述，若将液晶20的物理分辨率提高三倍，其孔径率就会降低，从而使光效率下降。光效率下降导致光收率降低并增加制造成本。而且，为使其物理分辨率提高三倍，液晶20的尺寸也将增大，然而随着LCD20的的尺寸增大聚光镜3、场镜5和投射镜6的尺寸也要增大，从而提高制造成本。
发明内容
本发明提出一种比三板彩色图像显示装置结构紧凑，价格低，亮度高，分辨率高，光学效率也高的投影式单板彩色图像显示装置。
本发明提出的图像显示装置，其中照明光学系统，其可发射光线；分光仪，其在相对于转轴按预定角度往复摆动的同时，通过按光线波长的不同并以不同的衍射角进行反射和衍射，以分离从所述照明光学系统发出的光线；中继透镜系统，其将被所述分光仪分离的光线转变为平行光线；图像光学系统，其将从所述中继透镜系统入射的光线生成图像；投影光学系统，其将所述图像光学系统反射的光线投影到屏幕上。
此处的分光仪实际上是一个光学扫描器，它按光线波长将照明光学系统发出的光进行反射和衍射。或者，分光仪的构成为，将多个光学扫描器排成阵列并用垂直同步信号顺序进行驱动。
可以在光学扫描器表面设置一个全息图层，它可将照明光学系统发出的光线按波长的不同进行反射和衍射来加以分离。最好采用反射型全息图层。
也可以在光学扫描器表面设置一个衍射光栅层，它也可将照明系统发出的光线按波长的不同进行反射和衍射来加以分离。可将照明光学系统的驱动方式设置为在分光仪返回到其初始位置的返回过程中停止发光。分光仪的返回到其初始位置的返回时间可大约设置为周期T的十分之一(1/10)。
照明光学系统包括多个光源，其发射出多种包括红、绿和兰的色光；滤色器，其设置在所述多个光源前面，使多种色光沿共同光轴传递以生成白光；聚光镜，其使白光会聚至所述分光仪上。
上述多个光源中的每个单元可以是发光二极管(LED)，激光二极管(LD)或弧光灯。
中继透镜系统由下列部件构成所述中继透镜系统包括准直透镜，其对被分光仪反射的光线进行准直以平行于光轴；蝇眼透镜，其使通过所述准直透镜的光线在一对一的基础上与所述图像光学系统相对应；以及场镜，其将通过所述蝇眼透镜的光线转变成平行光线。蝇眼透镜具有为每个光学扫描器设置了两个小透镜。图像光学系统包括板，其对通过所述中继透镜系统的光线进行调制并生成图像；以及光路分离器单元，其设置在所述中继透镜系统与所述板的光路之间，以便将来自所述中继透镜系统的光线导至所述板的同时，将所述板反射的光线导至所述投影光学系统。
本发明所述的图像显示装置中设置了将照明光学系统与中继透镜系统之间的光线按照其光线波长进行反射并衍射的分光仪。白光被分光仪分离为不同的色光，这些色光被一一对应地映射到单板上以生成整幅彩色图像。本发明使提供一种低价，高亮度和高分辨率的单板彩色图像投影装置成为可能。
上述关于本发明的概况及其优点，通过对附图中所示具体实施例的描述将会看得更清楚。
图1是一个现有单板彩色图像显示装置的示例；图2是图1在微透镜阵列和液晶显示元件(LCD)中的光路；图3是本发明实施例的图像显示装置的结构；
图4是用于本发明实施例的图3的图像显示装置的光学扫描器立体图；图5A是本发明的实施例的驱动光学扫描器的第一种方法的曲线说明图；图5B表示在本发明实施例的驱动光学扫描器的第一种方法的垂直扫描过程；图6A是本发明的实施例的驱动光学扫描器的第二种方法的曲线说明图；图6B表示在本发明实施例的驱动光学扫描器的第二种方法的垂直扫描过程；图7是本发明的另一实施例的图像显示装置的结构。
具体实施例方式
参见图3，一种按本发明实施例的单板彩色显示装置包括照明光学系统31，其发射光束；分光仪33，其在相对于转轴按预定角度作往复的周期性摆动同时，将照明光学系统31发出的光线按其光线波长以不同的衍射角度进行反射和衍射，以进行分离；中继透镜系统35，其将分光仪33分离的光线转变为平行光线；图像光学系统37，其将中继透镜35入射来的光线进行调制并生成图像；光学投影系统39，其将图像光学系统37反射的光线投射至屏幕(未示出)上。
照明光学系统31包括多个光源31-1以产生包括红，绿和兰光在内的彩色光；在多个光源31-1前面设有滤色器31-2，使彩色光线沿一条共同轴线传播并结合生成白光；聚光镜31-3将白光会聚到分光仪33上。在多个光源31-1中最好使用发光二极管(LEDs)或激光二极管(LDs)这类独立的发光器件32a，32b和32c。
滤色器31-2将沿不同光路互相平行入射的红，绿和兰色光中的两种光的路径，改变为剩余一种光的路径以生成白光，使三种色光沿同一光路传播。分色仪X、正交棱镜(CROSS LENS)或称为全内反射镜(TIR)与滤色器31-2的作用相同，可取代滤色器31-2作为色光分离/合并系统。
汇聚透镜31-3将滤色器31-2传来的白光会聚至分光仪33。分光仪33由光学扫描器34构成，该光学扫描器34表面上有一个全息图层或衍射光栅层，使由聚光镜31-3入射的光线按光线波长进行反射并衍射。光学扫描器34在驱动信号作用下按预定角度作周期性往复摆动，同时反射并衍射该光，使光按照不同波长进行分离。
图4是用于本发明实施例的彩色图像显示装置的光学扫描器34。由图可知，光学扫描器可以包括一个基底45；装在基底45上面的台面41a；以及与台面41a两侧中的一侧连接的一对转轴42；梳状驱动电极43，其平行排列在台面41a的底部，固定梳状电极44与驱动电极互相平行而交错地排列在基底45上。全息图层41设置在台面41a上。也可以用表面有大量沟槽或切缝的衍射光栅层代替上述的全息图层41。
台面41a相对于设置在台面两侧中的一侧的一对转轴42按预定的角度φ作往复摆动。角度φ代表由梳状驱动电极43与固定梳状电极44之间的静电吸引力(或称库仑力)导致的最大偏转角。这就是说，若相对一对转轴42左方设置的梳状驱动电极43与固定梳状电极44之间作用一个吸引力，台面41a将向左方倾斜。相反地，若对设置在右方的梳状驱动电极43与固定梳状电极44之间作用一个吸引力，台面41a将向右方倾斜。为产生重复不断的往复摆动，应向安装在左右两侧的梳状驱动电极43和固定梳状电极44重复施加电压以产生静电吸引力。在此情况下，台面41a被驱动的最大倾斜角大约为8-10度，而光学扫描器的垂直扫描速率为60Hz。
图5A表示施加到光学扫描器34上的一个垂直扫描信号例子的曲线图，图5B中表示了光学扫描器34根据图5A图示的垂直扫描信号进行的垂直扫描规律。按图5A和图5B所示，对光学扫描器34提供周期为T的垂直扫描信号，而光学扫描器34在0至9度的范围内往复摆动。首先，如图5A所示，当施加一个延续时间为9/10T的垂直扫描信号时，如图5A实线所示，台面41a从左(0度)向右(9度)倾斜，以及，如图5B所示光线从顶部至底部沿实线扫描至板37-1中。按图5A中虚线所示，当垂直扫描信号以返回时间为1/10T施加时，如图5B所示，台面41a从右(9度)向左(0度)返回。在回程时间内，照明光学系统31不发光。通过连续重复从左到右的往复摆动，光学扫描器34生成一幅图像。
然而，光学扫描器34的往复摆动效率不高，因为在返程中没有光线被扫描到板37-1上。因此期待采用一种在返程中也能扫描光线的驱动方法。
在图6A上表示了向光学扫描器施加垂直扫描信号另一个曲线图的例子，图6B是光学扫描器34根据图6A所示的垂直扫描信号的图示所进行的扫描方法。参照图6A与图6B，首先，当一个垂直扫描信号在1/2T时间内按照图6A上的上升实线施加于光学扫描器34上时，台面41a从左(0度)向右(9度)倾斜，如图6B所示，光线从顶部向底部扫描板37-1。然后，在回程时间1/2T内，按图6A上实线所示施加一个垂直扫描信号，台面41a从右(9度)向左(0度)倾斜，如图6B所示，并且光线从底部向顶部扫描过板37-1。这一方法克服图5A中所述的方法在回程中因无光线输入而对光学扫描器34驱动速度的限制。
按照本发明彩色图像显示装置中，按图5A和6A所示方法驱动光学扫描器34，使白光按波长以不同的衍射角度(？θ)衍射到形成于台面41a上的全息图层41上，从而将白光分离为红，绿和兰色光，并被沿水平方向扫描至板37-1上。其中，白光可以按每一波长用大约5度的差别的衍射角进行衍射。
全息图层41被制成反射型全息图，由参考光束和物光束干涉产生的结果而被记录在全息图上，该全息图再现是利用与参考光束具有相同入射角的再现光束照射该全息图，该参考光束由全息图反射和衍射。把表面刻制了大量沟槽或切缝的铝(Al)或铅(Pb)金属层的衍射光栅层贴在台面41a以代替全息图层41。然而，在台面41a上装置分光仪的方法并不局限于此，各种能将彩色光按每一色光波长进行分离的装置均可采用。
这就是说，按照本发明实施例的图像显示装置，在光学扫描器34顶部上的分光仪只利用板37-1作为光学调制器，就能提高分辨率和光学效率。
由照明光学系统31发出的光按其波长被分光仪33反射、衍射，并被分离到不同的光路上。被分离的各光束入射到中继透镜系统35。
参照图3，中继透镜系统包括准直透镜35-1，其使从光学扫描器34以不同角度反射的光平行于光轴38；第一蝇眼透镜35-2和第二蝇眼透镜35-3，其使通过准直透镜35-1的每种色光与基本覆盖板37-1的整个表面保持一对一关系；以及第一、第二场镜35-4和35-5，其将通过第一、第二蝇眼透镜35-2和35-3的光转变为平行光并将之传输到板37-1。在第一、第二蝇眼透镜35-2和35-3上分别装有二个小透镜30a和30b，并且为每个扫描器设置了两个小透镜。
准直透镜35设置在远离光学扫描器34中心焦距处，使按预定角度入射的每一彩色光束都与光轴38保持平行。顺序通过准直透镜35-1、第一和第二聚光镜35-2和35-3、以及第一和第二场镜35-4和35-5的光线射入图像光学系统37，该图像光学系统37对光线进行光学调制以生成图像。
如图3所示，图像光学系统37中包括板37-1，其按一种图像信号对通过中继透镜系统35的光线进行调制并生成一个图像；光路分离器单元37-2，其安装在中继透镜系统35和板37-1之间，使来自中继透镜系统35的光通往板37-1，同时使由板37-1反射出的光通向投影光学系统39。在此处，一个DMD装置和一个TIR棱镜可分别用以替换板37-1和光路分离器单元37-2。或者，也可使用一个硅基液晶(LCOS)和一个偏振光分离器来达到同样目的。
投影光学系统39中的投影透镜36将从板37-1反射的光和通过光路分单元离器37-2发出的光投射至屏幕(未示出)上，并重建由板37-1生成的图像。
现在说明图像的再现过程。从照明光学系统31发出的光被分光仪33按其波长被反射，以不同衍射角度衍射，并被分离为不同颜色的色光。被分离的色光在通过中继透镜系统35后被转变为平行光并入射至图像光学系统37。图像光学系统37对每一颜色入射的光进行调制，并将调制后的光束导入投影光学系统39，投影光学系统39将生成的图像投影至屏幕上并放大。
图7上表示按本发明第二实施例的彩色图像显示装置结构。参照图7，该装置包括照明光学系统51，其发射白光；分光仪53，具有按阵列布置的多个光学扫描器54a-54e以形成被发射白光覆盖的区域；中继透镜系统55，使每束经分光仪53反射、衍射并分离过的色光转变为平行光；图像光学系统57，对通过中继透镜系统55的光束进行调制并生成图像；投影光学系统59将图像光学系统57发射的光线投影至屏幕(未示出)上并再现成图像。
照明光学系统51由弧光灯51-1作为发射白光的灯泡型光源。弧光灯51-1的结构为发射光源52a被弧形反射面52b包围在中间，以使光源52a发出的光线被直接变为平行光或被反射镜52b反射而成为平行光线。在弧光灯51-1的前面更可安置一个预先设定好的光学单元51-2以使入射光变为均匀的平行光线。此预先设定的光学单元可采用聚焦镜阵列、聚光镜等构成。
分光仪53按照所施加的垂直同步信号顺序驱动光学扫描器54a-54e按预定角度作重复的往复摆动，同时按波长分离光线。光学扫描器54a-54e在结构和使用垂直扫描信号驱动的方法上与按本发明前一种实施例的彩色图像显示器中的光学扫描器34相同，故不再作详细描述。
唯一的差别在于光学扫描器的驱动。按本具体实施例的彩色图像显示器中，垂直扫描信号驱动光学扫描器54a-54e的是顺序施加的。
中继透镜系统55包括准直透镜55-1；第一和第二蝇眼透镜55-2和55-3；第一和第二场镜55-4和55-5。这些透镜的功能与本发明前一种实施例中的中继透镜系统35的功能是相同的。其区别在于在第一和第二聚光镜55-4和55-5上分别装有十个小透镜50a，因此为54a-54e中的每个光学扫描器配置两个小透镜，即50a透镜数量是光学扫描器54a-54e数量的二倍。因而随着光学扫描器数量增加，小透镜50a的数量将为扫描器数量的二倍那样地增加。
图像光学系统57中具有对入射光进行调制并生成图像的板57-1和分离来自出射光的入射光的光路分离器单元57-2。投影透镜系统59具有一个投影透镜56。板57-1、光路分离器单元57-2和投影透镜56的功能与按本发明前一种具体实施例的彩色图像显示器中所描述的相同。
如上所述，按照本发明具体实施例的单板彩色图像显示装置具有一个光分离层例如全息图层，它将光学扫描器表面上的光进行分离，该光学扫描器按预定角度作重复性周期摆动。全息图层的作用是依照不同波长以不同的衍射角将白光进行反射和衍射，以得到的光束与板上的每一水平扫描线一一对应起来，从而使用单板就能获得高亮度和高分辨率的图像。因此，按本发明的图像显示装置具有制造成本低和结构紧凑的优点。
尽管已通过一些具体实施例对本发明作了专门的展示和说明，但不应认为本发明的具体实施方案仅限于此几种。例如，本领域的技术人员知道，凡符合本发明的精神及其应用范围的各种分光仪皆可被采用。因此，本发明的应用范围应由下列附加权利要求确定，而非取决于上述几种优选实施例。
权利要求
1.一种图像显示装置，其中照明光学系统，其发射光线；分光仪，其在相对于转轴按预定角度往复摆动的同时，通过按光线波长的不同并以不同的衍射角进行反射和衍射，以分离从所述照明光学系统发出的光线；中继透镜系统，其将被所述分光仪分离的光线转变为平行光线；图像光学系统，其将从所述中继透镜系统入射的光线生成图像；投影光学系统，其将所述图像光学系统反射的光线投影到屏幕上。
2.按照权利要求1所述的图像显示装置，其中，所述分光仪是光学扫描仪，它按光线的波长对来自所述照明光学系统的光线进行反射和衍射。
3.按照权利要求2所述的图像显示装置，其中，所述分光仪由排成阵列的多个光学扫描器构成，并受垂直同步信号驱动。
4.按照权利要求2和3所述的图像显示装置，其中，所述光学扫描器的表面上具有全息图层，其通过按光线波长进行反射和衍射以分离来自所述照明光学系统的光线。
5.按照权利要求4所述的图像显示装置，其中，所述全息图层是反射型全息图层。
6.按照权利要求2和3所述的图像显示装置，其中，所述光学扫描器的表面具有衍射光栅层，其通过按光线波长进行反射和衍射以分离来自所述照明光学系统的光线。
7.按照权利要求4所述的图像显示装置，其中，所述照明光学系统在所述分光仪返回到初始位置时的返回过程中不发光。
8.按照权利要求6所述的图像显示装置，其中，所述照明光学系统在所述分光仪返回到初始位置时的返回过程中不发光。
9.按照权利要求7或8所述的图像显示装置中，所述分光仪在大约十分之一(1/10)周期T的时间内返回到其初始位置。
10.按照权利要求4所述的图像显示装置中，所述分光仪在大约半个(1/2)周期T的时间内返回到其初始位置。
11.按照权利要求6所述的图像显示装置，其中，所述分光仪在大约半个(1/2)周期T的时间内返回到其初始位置。
12.按照权利要求1或2所述的图像显示装置中，其中，所述照明光学系统包括多个光源，其发射出多种包括红、绿和兰的色光；滤色器，其设置在所述多个光源前面，使多种色光沿共同光轴传递以生成白光；以及聚光镜，其使白光会聚至所述分光仪上。
13.按照权利要求12所述的图像显示装置，其中，多个光源中的每一个为发光二极管(LED)。
14.按照权利要求1或2所述的图像显示装置，其中，多个光源中的每一个为弧光灯。
15.按照权利要求1所述的图像显示装置，其中，所述中继透镜系统包括准直透镜，其使所述分光仪反射的光线与光轴平行；蝇眼透镜，其使通过所述准直透镜的光线在一对一的基础上与所述图像光学系统相对应；以及场镜，其将通过所述蝇眼透镜的光线转变成准直光线。
16.按照权利要求2所述的图像显示装置，其中，所述中继透镜系统包括准直透镜，其对被分光仪反射的光线进行准直以平行于光轴；蝇眼透镜，其使通过所述准直透镜的光线在一对一的基础上与所述图像光学系统相对应；以及场镜，其将通过所述蝇眼透镜的光线转变成平行光线。
17.按照权利要求16所述的图像显示装置，其中，所述蝇眼透镜具有为每个光学扫描器设置了两个小透镜。
18.按照权利要求1所述的图像显示装置，其中，所述图像光学系统包括板，其对通过所述中继透镜系统的光线进行调制并生成图像；以及光路分离器单元，其设置在所述中继透镜系统与所述板的光路之间，以便将来自所述中继透镜系统的光线导至所述板的同时，将所述板反射的光线导至所述投影光学系统。
全文摘要
本发明提供了一种图像显示装置。该图像显示装置包括照明光学系统，其发射光线；分光仪，其在相对于转轴按预定角度作周期性往复摆动时，根据光线波长将光线按一定角度反射和衍射对照明光学系统发出的光线进行分离；中继透镜系统，其将分光仪分离的光线转变为平行光线；图像光学系统，其将由中继透镜入射的光线生成图像；投影光学系统，其将图像光学系统反射的光线投射至屏幕。在本装置中，光线被按不同角度反射和衍射，使各条光线在一对一的基础上与板上的相关扫描线对应，从而用单板实现了全尺寸、高亮度和高分辨率的图像显示。
文档编号G03B21/14GK1467533SQ0310819
公开日2004年1月14日 申请日期2003年3月31日 优先权日2002年6月20日
发明者黄主性 申请人:三星电子株式会社