专利名称：投影式液晶显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用液晶显示元件的投影式液晶显示装置，特别是涉及一种投影式液晶显示装置，其具有小尺寸，并且具有优良的图象质量性能，即亮度等。
迄今，对于图象显示装置，公知有一种投影式显示装置，其中，随光学性能的变化而在光阀上形成光学图象，其取决于图象信号，光学图象借助于照射光学元件而照亮，其借助于投影透镜而放大并投影在屏幕上。已经提出了许多投影式液晶显示装置，其每种均使用液晶显示元件作为光阀而用于显示装置。扭曲向列(TN)型液晶显示元件，其是一种液晶显示元件的代表性的例子，它是如此构成的，使得在液晶单元的前后设置两个偏振器，其中液晶被插在一对透明基板之间，使得其偏振方向相互相差90°，并且许多该液晶显示元件这样设置，使得由其每个元件所传递的入射光的光强度通过由液晶的光电效应使偏振面转动的操作与由偏振器之一以选择偏振部分的操作的结合来控制，以显示图象信息。近来，象分辨率等的性能迅速地得到改进，因为，这种传输型或反射型液晶显示元件本身尺寸减小的改进使得使用这种液晶显示元件的显示器件性能上的改进和尺寸减小得以提高。采用这种方法，使新近提出的投影式液晶显示装置不仅可用作使用视步频信号等的常用图象显示装置，而且还可作个人计算机的图象输出装置。
然而，现有技术的投影式液晶显示装置存在的一些问题是，它具有大的尺寸，并且最终获得的象图象的亮度等的性能不够。虽然，光阀如液晶显示元件本身的尺寸减小可有效地减小整个显示装置的尺寸，但因为由照射光学元件所照亮的区域减小了，当液晶显示元件的尺寸减小时，就会出现问题，即投影在液晶显示元件上的光量与由光源所发出的总光量之比(下面称作光利用率)会降低等。因此，难以实现整个装置尺寸的减小和同时使性能如亮度等的改善。另外，在投影式液晶显示装置的情况下，由于各种参数如除了照射光学元件以外投影透镜的光学特性，液晶显示元件的光学特性等会对图象的质量性能有影响，所以如果只改进照射光学元件的话，将难以获得具有尺寸小和图象质量性能优良的显示装置。
本发明的主要目的就是提供一种具有小尺寸和优良图象质量性能的投影式液晶显示装置。
本发明的另一目的就是提高由光源所发出光的利用率。
本发明的还一个目的就是使在整个屏幕上的亮度均匀。
按照本发明的投影式液晶显示装置，其包括光源；照射光学元件，其具有用光源所发出光进行照射的照射表面；调整光的液晶显示元件；和投影透镜，用以投影由液晶显示元件所发出的光；该装置是这样构成的，照射光学元件至少具有一椭面镜和一球面镜，并且照射光学元件进一步包括第一透镜组和第二透镜组，其中许多透镜是垂直于光源侧的光轴而设置的；和聚光镜，用以以高效用由第二透镜组所发出的光照身液晶显示元件。
以这种方法，就可以得到明亮的投影式液晶显示装置，其具有尺寸小的特性，并且通过提高光源所发出的光的利用率可获得图象质量优良的性能。
现将结合附图来描述本发明的优选实施例，其中；
图1是表示按照本发明的投影式液晶显示装置中光学系统构成的示意图；图2是表示图1中照射光学元件的一部分工作原理的截面图；图3是表示用于图1的光源一实施例构成的示意图；图4是表示用于图1的照射光学元件原理的截面图；图5是表示用于图1的第一透镜组形状的一个实例的截面图和侧视图；图6是表示用于图1的第二透镜组形状的一个实例的截面图和侧视图；图7是表示按照本发明投影式液晶显示装置的一实施例构成的示意图；图8是表示用于按照本发明投影式液晶显示装置中的照射光学元件具体实例结构的示意图；和图9是表示图1中聚光镜另一实施例的示意图。
下面将参照附图来说明本发明的几个实施例。
图1是表示在按照本发明的投影式液晶显示装置中光学系统构成的示意图。在图1中，光源1是白炽灯，如金属卤化物灯，氙灯，卤灯等。在由光源1，椭面镜5和球面镜6组成的照射光学元件中，光源1所发出的光通过椭面镜5和球面镜6而反射，在通过第一透镜组22以后，其通过第二透镜组23，并进入聚光镜7。聚光镜7具有正反射能力，并且可以进一步将照射光学元件组2所发出的光进行聚焦的操作。已通过聚光镜7的光会照射液晶显示元件3。通过液晶显示元件3的光会进入物镜8，其具有使光进入投影透镜4的作用，其可以是如变焦距透镜。然后，光通过投影透镜4到达屏幕9上。通过物镜8和投影透镜4而形成在液晶显示元件3上的图象被放大以投影在屏幕9上。
下面将详细说明按照本发明的投影式液晶显示装置基本部件的作用。图2是表示按照本发明的投影式液晶显示装置中照射光学元件部分作用原理的截面图，其示出了一个方面，其中由光源所发出的光通过椭面镜5和球面镜6而反射。
图2中所示的点P和另一点P′分别表示椭圆表面第一和第二焦点的位置，其中的椭圆表面是椭面镜的反射面。由点P到椭面镜5所发出的光B1通过椭面镜5反射，并到达光轴18上的点P′上。接着，所有由点P所发出的并通过椭面镜5直接反射的光达到点P′。另一方面，在球面中心与点P一致的情况下，其中球面是球面镜的反射面，由点P向球面镜6所发出的光B2通过球面镜6反射，以再返回到点P，并继续到椭面镜5上，在经过椭面镜5反射以后而到达点P′。光B2是不会此后达到被照射表面即液晶显示元件的光，因此，其不可能通过在图2所示结构中在点P′附近安置液晶显示元件来提高光的利用率。另外，如果只通过使用一个反射镜如椭面镜5而不用球面镜6作为现有技术照射光学元件组来试图提高光利用率的话，会出现问题，即反射镜的尺寸会增加，或附带需要具有小F数的投影透镜作为投影装置，其会增大投影透镜的尺寸。
图3是表示在按照本发明的投影式液晶显示装置中光源1结构的一个实例，其结构中光源是在灯10中。
在图3中，标号13是由石英玻璃等制成的发光灯泡，其中封装有气体，用以使其起着用来点亮包括汞、氩等金属蒸汽放电灯装置的作用。在图3中，标号11是电极；12是反射层；15是钼箔，其具有保持发光灯13等的气密性的作用；14是引线；和16是基座。光通过一对电极11之间的放电而由发光点17发出。在这里，反射层12是由氧化锆等制成，并且具有保持发光灯管温度和增加蒸汽压力的作用，从而获得了令人满意的连续发光的特性，或灯的长期寿命的效果。然而，由于在由发光点17所发出的光中，进入反射层12的光被吸收或散射并被反射，因此使用现有技术灯的照射光学元件会具有差的光利用率，其中反射层被施加在较大的区域上。在使用按照本发明具有图3所示结构的灯的情况下，反射层12只设置在与球面镜形状一致的区域上。也就是说，反射层的形状是如此确定的，使得由图3所示发光点17所发出的光B进入图2所示的球面镜6，而不会由反射层12吸收或反射。以这种方式，通过结合使用灯10和图2所示结构组成的照射光学元件，就可以以高效率地使用用以辐射的光，其中该光可通过反射层12吸收或发散和反射，由此提高光的利用率。另一方面，在将灯设置成使得发光点17定位在图2所示点P的附近的情况下，如上所述，通过发光点17发出并进入球面镜6的光会被反射，以再返回到发光点。出于这种原因，由球面镜6所反射的光会投射到灯的发光管13上，其具有保持发光管温度，和提高蒸汽压力等的作用。也就是说，球面镜6具有与现有技术的反射层相同的作用。因此，通过图2所示反射镜结构与图3所示灯的结合，就可以获得具有高的光利用率的照射光学元件，由于其相互反作用，即使施加反射层的区域减少，也不会使发光特性和灯的寿命等变坏。
再有，在按照本发明的结构中，在由球面镜6到等的返回光的效率较高并且可进一步获得令人满意的发光特性和长寿命等的情况下，反射层12可以省略。为了使球面镜6具有令人满意的现有技术反射层12的作用，最好是通过铝蒸发等的方法在球面镜6的反射表面上形成反射膜，而表示将其构成只反射可见光的分光镜。
下面将参照图4来说明按照本发明第一和第二透镜组的作用。
图4是表示按照本发明照射光学元件中透镜组作用原理的截面图。
在图4所示照射光学元件中，由光源1所发出的光进入到第一组透镜22，以聚焦在第二组透镜23上。在通过第二组透镜以后，光进入聚光镜7，以照射到液晶显示元件3上。此时，第一组透镜22如此设置使得光源1的发光点图象聚焦在第二组透镜23的位置上。以这种方式，使通过第二组透镜23的光量变窄，并因此使第一组透镜22具有增加通过第二组透镜23光量比的作用。
另外，第二组透镜23具有与第一组透镜22相同的透镜数(在本发明的实施例中为18)，前者的每个透镜对应于后者的各透镜，并且第二组透镜23的每个透镜具有将第一组透镜22相应透镜的矩形开孔图形聚焦在液晶显示元件3上的作用。因此，照射在液晶显示元件3上的光的形状为矩形的，并且可以实现成象，其图象整个是明亮的，并且可以很容易地看到，其中亮度的均匀性是较高的。
图5表示按照本发明第一组透镜22形状的一个实例。
如图5所示，构成第一组透镜22的每个透镜的形状为矩形的，因此，可以以矩形光点照射在液晶显示元件3上。另外，图5中所示的每个黑点表示构成第一组透镜22的每个透镜的光轴。通过第一组透镜22而聚焦在第二组透镜23上的光的位置可通过这样的事实来控制，即每个透镜的光轴可偏移矩形的几何中心，以这种方式，可以增加通过第二组透镜23的光量，同时通过将光轴设置在最佳位置上而可以减小第二组透镜23的尺寸。
图6表示按照本发明的第二组透镜23的形状实例。
如图6所示，按照本发明的第二组透镜23可由透镜组构成，其中的每个透镜具有的开孔图形为四边形或五边形。在使用图3所示的灯作为光源的情况下，发光点的截面通常大约是椭圆形的，因此，通过第一组透镜22而形成在第二组透镜23上的光源发光点的图象大约为椭圆形的。由于这个原因，如果构成第二组透镜23的透镜为矩形的话，必然存在许多部分，其光的传输是低的，即死区，其会引起第二组透镜23会变得较大或光的利用率较低的问题。按照本发明，由于第二组透镜23透镜的开孔图形为四边形或五边形的事实，如图6所示，所以减小了死区，并且获得了具有高光利用率的照射光学元件，同时保持了整个装置小的尺寸。
由于上述作用，通过使用小的液晶显示元件，就可以实现明亮的液晶显示装置，其具有的图象在整个屏幕上是均匀的，并且即使整个显示装置较小，也，可获得优良的图象质量性能。
下面将说明按照本发明的投影式液晶显示装置具体的整个结构。
图7是表示按照本发明的投影式液晶显示装置实施例的示意图。
图7所示实施例表示使用总共3块板的三板投影式液晶显示装置，其中传输式液晶显示元件起着液晶光阀的作用，其对应于三种颜色，即三原色，R(红)，G(绿)和B(蓝)。在本发明中，用作光源的灯10即金属卤化灯所发出的光在通过椭面镜5或球面镜6反射以后进入第一组透镜22，通过第一组透镜22的光通过第二组透镜23，此后，G(绿)和B(蓝)光通过相对于光轴以45°角设置的R(红)传输分光镜而反射，并使R(红)光通过。反射的R光束的光路通过反射镜29而弯曲，通过聚光镜7R和入射侧偏光镜20R进入由反电极，液晶等构成的液晶显示元件3R，并且通过出射侧偏光镜21R和设置在液晶显示元件3R光出射侧上的物镜8R。由物镜8R所射出的R光束通过具有使R光束通过作用的分光镜26，在经过具有反射R光束和B光束作用的分光镜27的反射，进入投影透镜4，即可变焦距透镜。另一方面，由R传输分光镜24所反射的G光束和B光束进入B反射分光镜25。B光束通过分光镜25反射，通过聚光镜7B和入射侧偏光镜20B，进入液晶显示元件3B，并且通过出射侧偏光镜21B和设置在液晶显示元件3B光射出侧上的物镜8B。由物镜8B射出的B光束通过具有反射B光束作用的分光镜26而反射，在通过分光镜27反射之后与R光束一起进入投射透镜4。
另一方面，已通过分光镜25的G光束通过聚光镜7G和入射侧偏光镜20G进入液晶显示元件3G，并通过出射侧偏光镜21G和设置在液晶显示元件3G的光出射侧上的物镜8G。
由物镜8G射出的G光束通过反射镜28反射，以便在通过分光镜27传输以后与R光束和B光束一起进入投射透镜28。以这种方式，使对应于R，G和B的光束通过色彩分离透镜和色彩组合透镜进行分离和组合，并且投射透镜4将图象放大在对应于R，G和B的液晶显示元件上，以便通过组合和放大不同颜色的图象而在屏幕上获得真实图象。在图7中，30是外壳；31是扬声器；32是电源电路；和43是图象信号电路。另外，33是排气管，其具有由用于照射光学元件2的壳体19等向排气扇34导风的作用。再有，扬声器31将给用户提供与图象信息同步的声音信息。
通过设置照射光学元件2和投影透镜4使得其光轴相互平行，并进一步通过设置电源电路32和图象信号电路42，通过如图所示色彩分离透镜，液晶显示元件和色彩组合透镜组成的色彩分离和组合单元44，将使整个装置的尺寸减小并且形状为矩形。以这种方式，就可以获得适于会议室等使用方式的形状，其中矩形的短侧面对着屏幕侧。
本发明中的灯10是如图3所示的金属卤化灯。包括灯的照射光学元件的作用正如前所述，其在比被省略。
为了实现整个装置的小尺寸，可将其中图象屏幕的对角线为1英寸长等级的p-SiTFT的传输式液晶显示屏用于本发明中的液晶显示元件3。对于液晶显示元件即3R，可以设置入射侧偏光镜20R，其是线性传输偏振光的偏光镜，和出射侧偏光镜21R，其是线性传输偏振光的偏光镜，其中偏振光的偏振面相对于入射侧偏光镜20R转90°。图象信息通过控制入射光的传输量来显示，同时将通过液晶显示元件3R的液晶光电效应使偏振表面旋转作用与选择用作偏光镜的入射侧偏光镜20G和出射侧偏光镜21R的偏振成分的作用加以组合。可以说，这使B和R一致。
图7中的19表示用于照射光学元件2的外壳。在作为显示装置获得任何令人满意的图象质量特性即亮度等而不再由于灯的所需寿命的情况下，可以通过更换整个外壳19来更换灯。下面将参照图8来说明具有该构成的显示装置的具体实例。
图8是表示用于按照本发明投影式液晶显示装置中显示装置具体实例构成的截面图。
图8所示实例是如此构成的，其中通过保持反射镜板36设置有椭面镜5和球面镜6。以这种方式就可以准确地定位椭面镜5和球面镜6。特别是，在使用小尺寸液晶显示元件的情况下，以及在光的利用率较高的情况下，由于椭面镜5和球面镜6等的位置精度是严格的，所以就可以有效地通过部件来安置它们。进一步地，图8所示的实例是这样构成的，使得保持板36是放置在其它部件35和37之间，以这种方式使制造过程中的安装工作很容易地完成。
在按照本发明的结构中，增加整个屏幕上的亮度均匀性和光的利用率等是十分有益的，其需要一个或多个椭面镜5，球面镜6，第一组透镜22，第二组透镜23，聚光镜7和物镜8，其具有的形状在相对于光轴附近部分的周边部分上是变化的。例如，在聚光镜7光轴附近的中央部分具有接近平面的非球形情况下，如图9所示，周边部分上的亮度与中央部分上的亮度比会进一步增加，其改善了整个屏幕上的亮度均匀性。
如上所述，按照本发明，可以增加由光源所发出光的利用率，并且可以实现具有小尺寸和优良图象质量性能的明亮投影式液晶显示装置。
权利要求
1.一种投影式液晶显示装置，其包括光源；照射光学元件，其具有用所述光源发出的光照射平面的作用；调整光的液晶显示元件；和投影透镜，用于投影由所述液晶显示元件发出的光；其特征在于，所述照射光学元件包括至少一椭面镜和一球面镜，并且所述照射光学元件进一步包括第一组透镜和第二组透镜，其中多个透镜垂直于光源侧的光轴设置；并且聚光镜，用以以高效率在光由所述第二组透镜射出以后照射所述液晶显示元件。
2.如权利要求1的投影式液晶显示装置，其特征在于，构成设置在所述照射光学元件中光源侧上的所述第一组透镜的所述透镜为矩形的，并且至少其中的一个透镜具有的光轴不在矩形中心上。
3.如权利要求1的投影式液晶显示装置，其特征在于，构成设置在所述照射光学元件中所述液晶显示元件侧上的所述第二组透镜的所述透镜的至少一个为矩形的，并且至少其中的一个透镜具有的光轴不在矩形中心上。
4.如权利要求1的投影式液晶显示装置，其特征在于，在构成所述第二组透镜的所述透镜中的至少一个是四边形的，并且至少一个是五边形的。
5.如权利要求1的投影式液晶显示装置，其特征在于，所述聚光镜在接近光轴的中央部分上具有接近平面的非球形。
6.如权利要求1的投影式液晶显示装置，其特征在于，所述球面镜的反射表面是一反射膜，它是由铝蒸发方法等制成的。
7.如权利要求1的投影式液晶显示装置，其特征在于，所述第二组透镜具有与第一组透镜相同的透镜数，其前者的每个透镜对应于后者的各透镜。
8.如权利要求1的投影式液晶显示装置，其特征在于，所述照射光学元件可通过更换其整个外壳来更换。
全文摘要
一种使用液晶显示元件的投影式液晶显示装置,其具有光源;照射光学元件,其具有用所述光源发出的光照射平面的作用;和调整光的液晶显示元件;投影透镜,用于投影由所述液晶显示元件发出的光;其中照射光学元件包括至少一椭面镜和一球面镜,并且所述照射光学元件进一步包括第一组透镜和第二组透镜,其中多个透镜垂直于光源侧的光轴设置;并且聚光镜,用以以高效率在光由所述第二组透镜射出以后照射所述液晶显示元件。以这种方式,就可以实现具有小尺寸和优良图象质量性能的明亮投影式液晶显示装置。
文档编号G02B27/00GK1178432SQ9711366
公开日1998年4月8日 申请日期1997年6月4日 优先权日1996年6月4日
发明者角田隆史, 出口雅晴, 山崎太志, 丸山竹介, 小沼顺弘, 松田裕 申请人:株式会社日立制作所