专利名称：包含一个自由式反射器和一个自由式透镜的投影系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液晶显示(LCD)投影仪照射系统，它使得透过液晶屏幕和系统物镜孔阑的光照达到最优。
液晶显示投影系统通常包括一个金属卤素灯丝型弧光灯或氙型弧光灯，此灯放置于带有聚光镜的抛物面或椭圆面反射器的焦点上。光源发出的白光被反射器反射后，透过向场透镜射向液晶屏幕(或电-光调制器)，液晶屏幕起调光阀的作用。一般地，这些调光器具有主动矩阵结构，由薄膜晶体管驱动。从液晶显示屏透射出的图象，由一个物镜投影到一个屏幕上。为获得彩色图像，将三个液晶屏幕合放在一起，放置在蓝、绿和红光的光程上，另外一种办法是只采用一个液晶屏幕，配以彩色滤光片。T.S.Mckechnie等人在美国专利5084807中对这一系统作了详细描述。
现有技术的这种投影仪光效率低，典型地，仅为1％到2％。这主要是因为，光在反射器内部有损失；光源未被极化，导致70％以上的光通量损耗；液晶屏幕为矩形布局，造成约46％的光通量损失；光源的白光谱的分光效率差，造成约50％到60％的光通量损失。
图1表示出了光在调制器周围的散射问题。可以看出，在图中虚线所示的抛物面反射器1的情况下，虚线所示的弧光灯3发出的光线2投射到屏幕4以外的区域。这种几何损失占系统照度的50％以上。另外，采用球面向场透镜后，光源的图象放大，故需要很开阔的投影物镜。因入射到球面透镜上的光线在整个透镜上不是互相平行的，所以光源的图象很大，这意味着投影物镜的孔阑很大。
由于本发明中采用较好形式的反射器、向场透镜和角校正透镜，可以去掉这些已知手段的不足之处，并大大提高屏幕的照射效率。这些透镜使光源和屏幕之间的光损失降到最小，使得末端投影屏幕的照明品质大大地提高。
本发明涉及一种用于照射表面的反射器，它特别适合于通过液晶屏幕投影的系统使用。它包括一个光源和一个反射器，反射器用于将来自光源的光线反射到一表面上，如液晶屏幕。反射器的特征在于，其形状Zr，β由表面元ds的集合来描述，每个表面元和一个函数Z(ρ)相关联，每个函数对应一个被照射的中性平面(medianplane)(r，β)，中性平面由r和β来定义，r为所述表面的中心至边缘的距离，β为水平面和此中性平面之间的夹角。每个表面元ds的倾角由函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)进行插值计算得到。
由图1中反射器反射的实线看出，采用本发明可实现矩形投射，可以很好地覆盖投影系统的液晶屏幕的表面。
最好每个所述函数Z(ρ)为带圆锥曲面方程的多项式，或纯粹为多项式。同样地，所述插值函数Z(x，y)可以是多项式或圆锥多项式加上多项式，或样条函数。
由距离r和角β可以定义一个如同屏幕的矩形平面，或一个近似圆形的区域，其中心和屏幕的中心重合，平均直径介于矩形屏幕的较大尺寸和较小尺寸之间。
反射器最好分成若干段，每一段由相对于光轴的半径来定义。每一个函数Z(ρ)和一段相关联，用函数Z(x，y)对各函数Z(ρ)插值可以得到反射器的连续曲面。
本发明的第二个应用实例涉及一种向场透镜，其特征在于，其形状Zβ，ρ0由表面元ds的集合来描述，每个表面元和函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于光轴(OZ)上被照射的点P0和水平面与过P0点的中性平面的夹角β。用函数Z(x，y)对函数Z(ρ)进行插值，可以得到表面元的倾角。这使得平均入射光线聚焦于物镜的中心，优化了物镜的孔阑，也就是说，减小了光瞳的开口。
本发明的第三个实施例涉及一个角校正透镜，其特征在于，其形状Z(β，∞)由表面元ds的集合来描述，每个表面元和函数Z(ρ)相关联，每一个函数对应于被照射点P和夹角β，点P描述了位于与角校正透镜距离为d处的透镜的表面，夹角β为过每一点P的中性平面和水平面之间的夹角，用函数Z(x，y)对这些函数Z(ρ)进行插值计算，可得到所有这些表面元的顷角。
本发明的第四个实施例涉及一种自由式透镜，它可由任意反射器照射。其特征在于，其形状Zr，β由表面元ds的集合来描述，每个表面元和函数Z(ρ)相关，每个函数对应于被照射的中性平面(r，β)，该平面由屏幕中心至边缘的距离r和中性平面与水平面的夹角β来定义。每个表面元ds的倾角用函数Z(x，y)对函数Z(ρ)进行插值计算获得。
本发明还涉及一种装置，该装置将透过液晶屏幕的光线聚焦，其特征在于，它包括一个角校正透镜；水平光线照射的垂直放置的微透镜组Li，每个微透镜在屏幕的一个像素Pi的中心聚焦。
这些光学装置中的每一种都可提高照射效率。本专利申请还包括将所有这些不同的部件组合在一起应用的投影系统。
通过参看附图阅读下列说明，可以更好地了解本发明，并对其它优点有更清楚的了解。其中图1已描述过，为表示采用现有技术反射器和采用本发明反射器照射的合在一起的示意图。
图2a、2b和2c示出了本发明在自由式反射器上的应用实例1。
图3示出了本发明在自由式透镜上的应用实例2。
图4示出了本发明在角校正透镜和微透镜组上的应用实例3。
图5示出了本发明在任意反射器和自由式照射透镜组合上的应用实例4。
按照本发明，反射器5的自由式形状可通过定义图2a中示出的系统的参数而得到。反射器5的每个表面元ds的倾角都要进行测算，以使来自光源的极端光线进入半径为r的光阑。反射器5的形状Zr，β由一组函数Z(ρ)来描述，每个Z(ρ)都定义在被照射的中性平面(r，β)上。每个中性平面由r和β来定义，r为调光阀的中心至边缘的距离，β为中性平面和水平面之间的夹角；也就是，中性平面和水平面的交线为光轴(OZ)。这些函数可有多种形式，如圆锥曲面函数加多项式，或纯粹是多项式构成。本发明给出的实例中考虑用下面的函数Z(ρ,β)=c.r21+1-(1+e)c2ρ2+a2ρ2a4ρ4+a6ρ6+...+anρn----(1)]]>右边第一项是绕光轴OZ的回转圆锥曲面方程，将n阶多项式附加上以后，该式表示为圆锥面的变形形式。计算反射器5的每个表面元ds的倾角，以使来自光源3的外部光线进入光阑。
理论上，对大量的平面(r，β)作这样优化后，可以得到自由式反射器。其实，每一个中性平面都可由角度β和相应的半径r来表征。这里r描述了调光阀的边界，图2b中所示的调光阀为一规格为16/9的液晶屏幕。对每一个中性平面(r，β)，前面的每一个多项式都可通过方程式(1)计算得出。
为获得本发明反射器的最优形状，需要用如下的(x，y)多项式等对前面所有的多项式进行插值。Z(x,y)=c.ρ21+1-(1+ϵ)c2ρ2+Σi=1nΣj=0jbijxi-jyj,----(2)]]>这里C是外凸圆锥曲面的曲率半径，ε为圆锥曲面的扁率。当n＝4时，可以得到Z(ρ,β)=ρ24.f+Σi=14Σj=0ibijxi-jyj]]>=ρ24.f+b10x+b11y+b20x2+b21xy+b22y2]]>+b30x3+b31x2y+b32xy2+b33y3(3)+b40x4+b41x3y+b42x2y2+b43xy3+b44y4可见n＝4时，有14个系数需要进行计算。这种计算是以已知的方式用由方程(1)产生的一组数据进行二维多项式插值，并对方程(2)中的各系数进行变换。这样，可以得到反射器5的曲面方程，从此曲面可发出类似液晶显示屏幕4格式的照射光8。这样，透过液晶显示屏幕4的照射光线被优化。
本发明的一个实施例采用下面的参数抛物面焦距11mm半径50mm灯弧长5.0mm弧径1.5mm16/9规格液晶显示器尺寸2.2″/48.7×27.4mm2照射平面至光源的距离20mm向场透镜至液晶显示屏的距离20mm向场透镜至入射光瞳的距离150mm由于液晶显示屏幕和向场透镜之间有一定距离，照射平面必须比液晶显示屏幕尺寸大，这里此平面尺寸为56.2×36.6mm2。
这样被定义的自由式反射器以矩形投射方式照射向场透镜。入射光线以不同的角度入射到透镜上。
为了更好地分配光通量，以提高投影系统照明的效率和均匀性，可借助一种曲线布局而不是液晶屏幕的矩形布局形状来定义反射器的形状。该曲线大致呈圆形，可由距离r和角度β来描述。其实，在尺寸较小的液晶屏幕上，反射器所引起的角度β常常太大，并导致照射不均匀，因而按照前面所述的方法推算反射器的形状可能是较为有利的，但是为提高光通量，可以近似圆形表面来进行推算，其平均直径大小最好介于屏幕的较大尺寸和较小尺寸(major andminor dimensions)之间。
另一种提高照度的方法是将反射器分成若干段a，b，c，d，e，f和g，如图2c的实施例所示。对某些段(或所有段)，可考虑采用不同形式的Z(ρ)函数。
通过计算向场透镜8上每一个点的曲率，可将上面描述的原理用在自由式透镜上，以此方法将平均入射光线聚焦于物镜的中心。方法和前述的并示于图3的方法相同，第一步取透镜8的表面元ds，计算透镜每个表面元ds的倾角，以便将平均入射光线聚焦在投影物镜10的入射光瞳的中心。同样地，为计算反射器的形状，考虑一组函数Z(ρ)，对每一个由角度β和P0定义的中性平面(β，P0)，给出一个Z(ρ)，β为每个中性平面和水平面的夹角，P0为物镜光瞳的中心。对每一个中性平面(β，P0)，可分别计算多项式a2r2+a4r4+a6r6+......+anrn如β为0°、15°、30°、45°、60°、90°。第二步，如按方程(2)利用(x，y)多项式对前述的多项式进行插值计算。
一个优化的透镜的实施例的参数如下抛物面焦距10mm直径75mm灯弧长5.0mm弧径1.5mm16/9规格液晶显示屏尺寸2.2″/48.7×27.4mm2光源至照射平面的距离320mm向场透镜至液晶显示屏的距离5mm向场透镜至入射光瞳的距离130mm本发明的另一个应用是将按照本发明原理制造的照射透镜(或聚光透镜)和任意类型的抛物面反射器组合在一起，如图5所示。光线15经反射器16的反射壁反射后，以与水平面成α角的角度投射到透镜17上，光线15投射到的透镜的表面元ds和垂直平面的夹角为γ。计算向场透镜的所有表面元ds的夹角γ，目的是用对应于表面元ds和角度γ的一组入射光线来描述调光阀10的边界。透镜的形状Zr，β用表面元的集合来描述，每一个表面元和函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于一个被照射的中性平面(r，β)。每个中性平面由距离r和角β来定义，r为屏幕中心至边缘的距离，β为中性平面和水平面之间的夹角。用函数Z(x，y)对函数Z(ρ)进行插值，可获得每个表面元的倾角。另外还可在自由式透镜和调光阀之间附加一复曲面透镜，用于将入射光聚焦在物镜光瞳的中心。
本发明的原理还可以用在角校正透镜上。图4示出了采用这种透镜11的投影系统的一个实例。该透镜为自由式型，按上面所述的原理制造，以使出射光束12和光轴(O，Z)平行，并和微透镜系统13耦合。屏幕4上的一个像素Pi和系统13的一个微透镜Li相对应。这样，如图所示，每条光线12可以聚焦在屏幕4的一个像素Pi的中心。放置一个可以在投影透镜的光瞳(图中未画出)处聚焦的向场透镜，系统的照度可得以改善。
本发明适用于所有类型的使用透镜的光学系统，特别适用于将视频图象投影到屏幕上的系统。
权利要求
1.一种用于照射一个表面的反射器， 其特征在于该反射器的形状Zr，β由一组表面元ds来描述，每个所述表面元和一个函数Z(ρ)相关联，每个所述函数对应一个被照射的中性平面(r，β)，所述中性平面由r和β来定义，r为所述表面的中心至边缘的距离，β为水平面和所述中性平面之间的夹角，每个表面元ds的倾角用一个函数Z(x，y)对所述函数z(ρ)插值计算得到。
2.如权利要求l所述的反射器，其特征在于，每个所述函数Z(ρ)为一个带圆锥曲面方程的多项式或纯粹多项式。
3.如权利要求1所述的反射器，其特征在于，所述插值函数Z(x，y)为一个多项式。
4.如权利要求1所述的反射器，其特征在于，所述距离r和所述角度β定丈一个矩形表面。
5.如权利要求l所述的反射器，其特征在于，所述距离r和所述角度β定义一个大致为圆形的表面，其直径大小介于所述表面的较大尺寸和较小尺寸之间。
6.如权利要求l所述的反射器，该反射器被分成若干段，每一段由相对于光轴的半径来定义，其形状用一函数Z(x，y)对函数Z(ρ)插值来计算，每个函数z(ρ)和某一所述段相关联。
7.一种向场透镜，其特征在于，该向场透镜的形状
由一组表面元ds来描述，每个表面元ds和一个函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于光轴(O，Z)上被照射的点P0和水平面与过P0点的中性平面的夹角β，表面元ds的倾角用函数Z(x，y)对函数Z(ρ)进行插值计算得到。
8.一种角校正透镜，其特征在于，该校正透镜的形状Zβ，∞由一组表面元ds来描述，每个表面元对应于函数Z(ρ)，每一个函数对应于被照射点P和夹角β，点P描述位于距角校正透镜距离为d处的透镜的表面，夹角β为过点P的中性平面和水平面之间的夹角，表面元倾角用函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)进行插值计算得到。
9.一种被任意型反射器照射的角校正透镜，其特征在于，该角校正透镜的形状Zr，β由一组表面元ds来描述，每一个表面元和一个函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于一个被照射的中性平面(r，β)和夹角β，中性平面由入射光瞳中心和屏幕的边界间的距离r定义，夹角β为水平面和所述中性平面的夹角，每个表面元的倾角由函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)插值计算获得。
10.一种将透过液晶屏幕的光线聚焦的装置，该装置包括一个角校正透镜，其形状Zβ，∞由一组表面元ds来描述，每个表面元和一个函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于被照射点P和夹角β，所述点描述位于距所述透镜距离为d处的透镜的表面，夹角β为过点P的中性平面和水平面之间的夹角，表面元倾角用函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)进行插值计算获得，所述角校正透镜以水平光束照射一个垂直微透镜组，各微透镜在屏幕的一个像素的中心点处聚焦。
11.一种通过液晶屏幕投影的系统，该系统包括一种照射装置，该装置由一个光源和一个反射器组成，该反射器将来自光源的光线反射到液晶屏幕上，其中，所述反射器的形状Zr，β由一组表面元ds来描述，每个表面元和一个函数Z(ρ)相关联，每个函数Z(ρ)对应于一个被照射的中性平面(r，β)，中性平面由r和β来定义，r为所述表面的中心至边界的距离，β为水平面和所述中性平面之间的夹角，表面元倾角用函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)进行插值计算获得。
12.一种通过液晶屏幕投影的系统，该系统包括一个反射器，所述反射器的形状Zr，β由一组表面元ds来描述，每个表面元和一个函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于一个被照射的中性平面(r，β)，中性平面由r和β来定义，r为所述表面的中心至边界的距离，β为水平面和该中性平面之间的夹角，表面元ds的倾角由函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)进行插值计算获得；所述系统还包括一个向场透镜，其形状
由一组表面元ds来描述，每个表面元和一个函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于一个光轴(O，Z)上被照亮的点P0，还对应于一个水平面和过P0点的中性平面之间的夹角β，表面元的倾角由函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)进行插值计算获得。
13.一种通过液晶屏幕投影的系统，该系统包括一种反射器，所述反射器形状Zr,β由一组表面元ds来描述，每个表面和一个函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于一个被照射的中性平面(r，β)，中性平面由r和β定义，r为所述表面中心至边界的距离，β为水平面和该中性平面之间的夹角，表面元ds的倾角由函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)插值计算获得；该系统还包括一个角校正透镜，其形状zβ，∞由一组表面元ds来描述，每个表面元和一个函数z(ρ)相关联，每个函数对应于被照射点P和夹角β，点P描述了位于距所述透镜距离为d处透镜的表面，夹角β为过P点的中性平面和水平面之间的夹角，所述表面元的倾角用函数Z(x，y)对函数z(ρ)进行插值计算获得。
14.一种通过液晶屏幕投影的系统，该系统包括一种反射器，所述反射器形状Zr，β由一组表面元ds来描述，每个表面元和一个函数z(ρ)相关联，每个函数对应于一个被照射的中性平面(r，β)，中性平面由r和β来定义，r为所述表面中心至边缘的距离，β为水平面和该中性平面之间的夹角，表面元ds的倾角由函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)插值计算获得；该系统还包括一种聚焦装置，该聚焦装置包括一个角校正透镜，所述角校正透镜的形举Zβ，∞由一组表面元ds来描述，每个表面元和函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于被照射点P和夹角β，点P描述了位于距所述透镜距离为d处的透镜的表面，夹角β为过点P的中性平面和水平面之间的夹角，表面元ds的倾角用函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)进行插值计算获得。
15.一种通过液晶屏幕投影的系统，该系统包括一种反射器，所述反射器形状Zr，β由一组表面元ds来描述，每个表面元和一个函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于一个被照射的中性平面(r，β)，中性平面由r，β来定义，r为所述表面中心至边缘的距离，β为水平面和该中性平面之间的夹角，所述表面元的倾角由函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)插值计算后获得，该系统还包括一种向场透镜，该向场透镜的形状
由一组表面元ds来描述，每个表面元和一个函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于光轴(O，Z)上被照射的点P0和水平面与过P0点的中性平面的夹角β，表面元ds的倾角用函数Z(x，y)对函数Z(ρ)进行插值计算获得，该系统还包括一种聚焦装置，所述聚焦装置包括一个角校正透镜，该角校正透镜形状Zβ，∞由一组表面元ds来描述，每个表面元和一个函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于被照射点P和夹角β，点P描述了位于距所述透镜距离为d处的透镜的表面，所述夹角β为过点P的中性平面和水平面之间的夹角，表面元ds的倾角用函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)进行插值计算获得。
全文摘要
本发明涉及一种液晶显示投影仪照明系统，它可优化透过液晶屏幕及系统物镜孔阑的照射光线，其中反射器的形状Zrβ由一组表面元ds来描述，每个表面元和一个函数Z(ρ)相关联，每个函数对应于一个被照射的中性平面(r，β)，中性平面由所述屏幕的中心至边缘的距离r以及水平面与该中性平面的夹角β来定义，每个表面元ds的倾角由函数Z(x，y)对所述函数Z(ρ)插值计算后获得。
文档编号G02F1/13GK1153918SQ9610423
公开日1997年7月9日 申请日期1996年3月19日 优先权日1995年4月13日
发明者埃里克·马塞兰-迪博, 弗里德赫尔姆·威思格 申请人:汤姆森多媒体公司