专利名称：从屏幕背面投影图像的背投式投影仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用多个图像显示面板从屏幕的背面投影图像的背投式投影仪。
背景技术：
近来，作为大尺寸显示设备的背投电视引起关注。背投电视由安装在外壳中的屏幕、安装在屏幕后面平面镜、和用于发射投影光线到平面镜的投影仪引擎(投影仪的主要部件)组成。投影仪引擎具有照明光学系统、图像显示面板和投影光学系统。照明光学系统由高亮度光源的光产生均匀的照明光。图像显示面板通过调制照明光而形成原始图像。投影光学系统放大及发射投影光，其中图像显示面板提供图像信息给投影光。
投影仪引擎通常设置在这样一个位置，相对于屏幕倾斜并设置在屏幕的后面使投影光向上发射到平面镜。至于背投电视，通过竖起平面镜使其尽可能地与屏幕的表面平行，以减小平面镜的入射角使其并非为45，以此来减小外壳的厚度。因此，投影仪引擎被内置，例如面对平面镜且在斜上方向发射投影光(例如，参见公开号为2002-141025的日本专利)。
不过，传统的背投仪，使用的投影仪引擎中照明光的发射方向和投影光是平行的。因此，这就出现了厚度方向尺寸增加的问题。例如，当传统的投影仪引擎水平地安置，引导投影光线沿着由用两个平面镜形成地Z字形光路到达屏幕时，尽管平面镜的倾斜度较小，不过投影仪引擎的总长度依然较长。由此，就需要外壳具有多余的厚度尺寸。
发明内容
鉴于前面所述，本发明的首要目的是提供一种背投式投影仪，其中设置投影仪引擎以使之被有效地容纳。
本发明的第二个目的是提供一种其厚度被减小的背投式投影仪。
为了实现上述目的，依照本发明的背投式投影仪包括光源、颜色分离光学系统、多个图像显示面板、颜色合成光学系统、投影光学系统、反射光学元件和平面镜。光源发出的照明光的方向与屏幕平行。颜色分离光学系统将照明光分离成至少三种基本颜色光。图像显示面板调制基本颜色光，以发射分别代表基本颜色图像的投影光。每个图像显示面板具有一个矩形显示表面，用于显示对应每个基本颜色成分的对应图像。颜色合成光学系统合成由图像显示面板发出的基本颜色的投影光。投影光学系统放大了合成的全色图像的投影光，并投射到屏幕上。反射光学元件具有用于使投影光的光路弯曲的反射表面。平面镜设置在反射光学元件和屏幕之间。图像显示面板设置在这样的状态，即各显示表面的长边垂直于参考平面，参考平面与颜色分离和颜色合成光学系统中照明光和投影光的光路平行。反射光学元件的设置，使得第一平面垂直于第二平面。第一平面包括被反射光学元件的反射表面反射的投影光的入射和反射光轴。第二平面包括被平面镜反射的投影光的入射和反射光轴。
在背投式投影仪优选实施例中，使光源、颜色分离光学系统、各图像显示面板、颜色合成光学系统和投影光学系统组合，形成一个平行六面体部件。这个部件作为投影仪引擎，其设置使得其纵向与矩形屏幕的长边平行。仅通过围绕纵向延伸的轴旋转投影仪引擎改变投影光的仰角。
依照本发明，投影仪引擎的纵向与屏幕表面平行。因此，即使设置在屏幕后面的平面镜具有小倾角，也可防止投影仪引擎突出在外壳的厚度之外，从而可以减少背投式投影仪的厚度。另外，图像显示面板纵向设置以使得可以减小用于颜色分离和合成的光学部件的尺寸。这样有益于降低成本和减少重量。
附图简述上述本发明的目的和优点，将由本发明优选实施例及附图由下面的详细描述变得显而易见，附图中
图1所示为背投式投影仪的一种结构示意图；图2的立体图表示包含在背投式投影仪中的主要部分的构造；图3所示为投影仪引擎的立体图；图4所示为投影仪引擎的内部结构立体图；图5所示为三种颜色分离/合成光学系统和投影光学系统的立体图；图6所示为图像旋转光学系统的示意图；和图7所示为反射镜和平面镜的反射光的前进方向示意图。
具体实施例方式
在图1中，背投式投影仪2包括一个屏幕4，其设置在外壳3的前侧；平面镜5，设置在屏幕4的后面；以及投影仪引擎6。平面镜5倾斜设置，使得它相对于屏幕4的倾角小于45°。投影仪引擎6具有内置的投影透镜，该投影透镜的光轴相对屏幕4倾斜。从投影仪引擎6发射的投影光向上倾斜发射和被平面镜5反射，将图像投射到屏幕4上。一个反转的投影图像被投影到屏幕4的背面，从屏幕4的前面看到正立的投影图像。
在图2中，屏幕4为长方形形状，包括水平长边和垂直短边。平面镜5倾斜并处于使其上边沿着与屏幕4长边平行的参照轴线接近屏幕4的状态。平面镜5的设置致使减小外壳3的厚度尺寸，使其相对于屏幕表面的倾斜为直角的一半或是更少。
在图3中，投影仪引擎6包括光学系统盒7和光源盒8，光源盒8包括通风口10和风扇9，用于给光源降温。光源单元14被容纳在光源盒8中，用于发射高亮度的照明光。光学系统盒7具有长方形筒状，具有连接到光源盒8的照明光路。光学系统盒7以组合状态容纳颜色分离/合成光学系统和投影光学系统。电路板11配置有驱动电路等，用于根据外部输入的图像信号驱动反射液晶显示面板(在后面进行描述)。
在图4中，至于包括在光源盒8中的光源单元14，根据用途可使用金属卤化物灯、超高压汞灯、氙气灯等的高亮度光源。从光源14发射出来的光通过设置在照明光路上的照明光学系统，变成强而均匀的照明光，照明光路平行于屏幕4的长边。照明光学系统包括蝇眼透镜、偏振转化元件、聚光透镜等等。
从光源单元14发出的白色照明光进入分色镜15被分离成蓝色照明光和黄色照明光。蓝色照明光通过分色镜15直接进入到偏振棱镜16。黄色照明光经过分色镜15反射，在垂直方向上进入偏振光束分离器17。偏振棱镜16具有偏振反射平面16a，相对于蓝色照明光的前进方向倾斜45°。已从偏振棱镜16的入射表面进入的蓝色照明光被反射到液晶显示板50B。偏振反射平面16a传送具有通过液晶显示板50B往复传播获得的图像信息的蓝色投影光。
偏振光束分离器17具有一个入射面、一个发射面、以及偏振分束面17a，用于将分色镜15反射的黄色照明光线分离成红色照明光线和绿色照明光线。进一步，液晶显示面板50G和50R设置成与偏振光束分离器17的两个表面相对。液晶显示板50G调制被偏振分束面17a反射的绿色照明光成为具有图像信息的绿色投影光。液晶显示面板50R调制透过偏振分束面17a的红色照明光线成为具有图像信息的红色投影光。来自液晶显示面板50R的绿色投影光通过偏振分束面17a向前传播。来自液晶显示面板50R的红色投影光被偏振分束面17a反射并沿垂直方向传播。两种颜色的投影光这样合成，然后从发射表面发出。
液晶显示板50B、50G和50R与偏振棱镜16、偏振光束分离器17和投影光学系统22一起固定到棱镜固定器20，其中合成棱镜21设置在透镜之间，用于合成相应颜色的投影光线。合成棱镜21合成蓝色投影光、红色投影光和绿色投影光，成为具有全色图像信息的投影光。蓝色投影光从偏振棱镜16进入合成棱镜21。红色投影光和绿色投影光从偏振光束分离器17进入合成棱镜21。
至于反射型液晶显示面板50B、50G和50R，液晶介于透明玻璃板和硅基板之间。驱动电路形成在硅基板上，铝反射表面形成在其内表面。已通过透明玻璃板的光被反射表面反射，然后，从透明玻璃板发出。透明玻璃板上形成有一个公共电极。大量独立的电极形成在硅基板上。大量的液晶像素在反射型液晶显示面板上排列成矩阵。通过根据图像数据控制相应液晶象素的透射光量或透射率，各显示板显示单色图像。单色图像被照明光照明变成可视图像。依靠三个液晶显示面板，将相应颜色的照明光调制成具有图像信息的投影光。每个液晶显示面板具有一个矩形显示表面，用于显示对应于每个颜色成分的图像。例如，显示表面的高宽比是16∶9。液晶显示面板设置在纵向状态，并处于显示表面的长边彼此平行的状态。另外，液晶显示面板的长边垂直于参考平面PO，参考平面PO平行于沿照明光从光源单元14通过合成棱镜21、直到照明光变成包括全色图像信息的投影光的光路。
偏振棱镜16和偏振光束分离器17之每一个具有与纵向设置的各液晶显示面板的显示表面相应的平行六面体形状。该平行六面体形状具有一个正方形底部，其一边对于于显示表面的短边。平行六面体的垂直长度对应于显示表面的长边。在本实施例中，液晶显示面板的显示表面具有的尺寸用以显示其高宽比为16∶9的图像。与各液晶显示面板设置在矩形状态、且显示表面的短边互相平行的情形相比，每个棱镜的体积比为(92·16)∶(162·9)。换句话说，当液晶显示面板设置在本实施例的状态下，可将棱镜尺寸减小大约9/16倍。
在图5中，投影光学系统22包括设置在合成棱镜21放大侧的前部光学系统和设置在合成棱镜21缩小侧的后部透镜组。前部光学系统包括放大侧的第一前部透镜组28和缩小侧的第二前部透镜组30。后部透镜组包括第一后部透镜组31，其设置在蓝色投影光的光路上，和第二后部透镜组32，其设置在红色和绿色投影光的光路上。各液晶显示面板产生的图像通过前部光学系统和后部透镜组形成在屏幕上。
反射镜29具有一个平坦反射平面，并被设置在第一前部透镜组28和第二前部透镜组30之间，以至于以45度角倾斜。第一和第二透镜组28和30的光轴在反射镜29的反射平面上互相垂直。由此，可使用在斜面上形成反射涂层的矩形棱镜代替反射镜29。反射镜29使从合成棱镜21发出的投影光的前进方向在垂直方向上偏转。
在图6中，倾斜参照轴29b被限定在反射镜29的反射表面29a上，以指定反射镜29的倾斜状态。反射镜29设置为使得反射表面29a围绕倾斜参照轴29b旋转。倾斜参照轴29b垂直于第一和第二前部透镜组28和30的光轴28a和30a。换句话说，倾斜参照轴29b是垂直于传播到反射表面29a的投影光的入射光路和反射光路的轴线。同时，平面镜5倾斜地设置以致围绕倾斜参照轴5a可以旋转其反射表面5b，它具有相对于倾斜参照轴29b在垂直方向上有扭动偏转的位置关系。通过组合反射镜29和平面镜5，构成图像旋转图像光学系统，用于使图像旋转90度。
液晶显示面板50B、50G和50R设置在纵向状态，从其中透过的投影光的光路被投影光学系统22中的反射镜29垂直地弯曲。垂直弯曲的投影光被平面镜5反射而射向屏幕4，在矩形屏幕4上形成长方形图像。由于投影仪引擎6的纵向，即从光源盒8到第一前部透镜组28的方向，与屏幕表面平行，投影仪引擎6设置以致能够被完全容纳在由平面镜5的尺寸和倾斜角确定的背投式投影仪2的厚度部分中。
在图7中，对于平面镜5和反射镜29构成的图像旋转光学系统，图中平面P1包括从合成棱镜21传播到反射镜29的轴向光前进方向。平面P1也包括另一个被反射镜29反射的轴向光的前进方向。从反射镜29传播到平面镜5的轴向光前进到图中所示的平面P2。被平面镜5反射的轴向光也前进到平面P2。平面P1和P2互相垂直，平面P2也与参照平面P0垂直。当平面镜5的倾角改变时，投影光的前进方向在平面P2上改变。因此，投影仪引擎6围绕在其纵向方向延伸的轴旋转。然而，不考虑投影仪引擎6的旋转，光源部件14的状态不会改变。
在上述的实施例中，反射镜29设置在投影光学系统中，以致减小镜子的尺寸。然而，反射镜29可以设置在投影仪引擎中，以便被设置在投影光学系统的屏幕一侧或是合成棱镜和投影光学系统之间。或者，反射镜29可以设置在投影仪引擎的外侧。当采用本发明时，例如平面镜可以设置在投影仪引擎和屏幕之间，以充分确保投影距离，使投影放大率提高。在这种情况下，仅仅围绕纵向方向的轴旋转投影仪引擎，投影光的仰角可以相对水平面改变。另外，通过仅改变组件状态，可以共用相同结构的投影仪引擎。
虽然已参照附图并通过优选实施例全面描述了本发明，本领域技术人员显然可以进行不同的改变和修改。因此，只要这些改变和修改没有脱离本发明的范围，它们就都应在本发明的范围之中。
权利要求
1.一种背投式投影仪，其中从屏幕的前面观看被投影到所述屏幕的背面的图像，所述背投式投影仪包括光源，用于发出方向与所述屏幕表面平行的照明光；颜色分离光学系统，将所述照明光分离成至少三种基本颜色光；多个图像显示面板，用于调制蓝、绿和红色的所述颜色分离光，以发射分别代表蓝色图像、绿色图像和红色图像的投影光，每个所述图像显示面板具有一个矩形显示表面，用于显示与各基本颜色成分相应的图像；颜色合成光学系统，用于合成由相应的图像显示面板发射的所述蓝、绿和红色投影光，以产生全色图像投影光，投影光学系统，其放大所述颜色合成的全色图像，并将其投射到所述屏幕上；反射光学元件，其具有反射表面，用于使所述投影光的光路弯曲；平面镜，其设置在所述反射光学元件和所述屏幕之间；其中，所述图像显示面板设置的状态是使相应的显示表面的长边垂直于参考平面，参考平面与在所述颜色分离和颜色合成光学系统中行进的照明光和投影光的光路平行，所述反射光学元件设置的状态是使第一平面垂直于第二平面，第一平面包括被反射光学元件的反射表面反射的投影光的入射和反射光轴，第二平面包括被所述平面镜反射的投影光的入射和反射光轴。
2.如权利要求1所述背投式投影仪，其中所述光源、所述颜色分离光学系统、所述图像显示面板、所述颜色合成光学系统和所述投影光学系统被组合以形成为一个具有平行六面体形状的部件，所述部件的设置使得其纵向与所述矩形屏幕的长边平行。
3.如权利要求2所述背投式投影仪，其中所述光源为高亮度光源，并且是金属卤化物灯、超高压汞灯、氙气灯中的一种。
4.如权利要求2所述背投式投影仪，其中所述颜色分离光学系统包括分色镜，用于将白色照明光分离成蓝色照明光和黄色照明光；和偏振光束分离器，用于分离所述黄色照明光为红色照明光和绿色照明光。
5.如权利要求4所述背投式投影仪，其中所述图像显示面板包括反射型第一液晶显示面板，用于以单色显示所述蓝色图像；反射型第二液晶显示面板，用于以单色显示所述绿色图像；反射型第三液晶显示面板，用于以单色显示所述红色图像。
6.如权利要求5所述背投式投影仪，进一步包括偏振棱镜，具有第一入射表面、第一发射表面和倾斜45度的偏振反射平面，所述偏振棱镜面对所述第一液晶显示面板设置；其中，从所述第一入射面进入的所述蓝色照明光被所述偏振反射平面反射到所述第一液晶显示面板，从所述第一液晶显示面板返回的蓝色投影光通过所述偏振反射平面和从所述第一发射表面发出。
7.如权利要求6所述背投式投影仪，其中所述偏振光束分离器的两个表面分别面对所述第二液晶显示面板和所述第三液晶显示面板，所述偏振光束分离器包括第二入射表面，所述黄色照明光从此表面进入；第二发射表面，绿色投影光和红色投影光从此表面发出；偏振分束面，倾斜45度；其中，从所述第二入射表面进入的所述黄色照明光被分离成所述绿色照明光和所述红色照明光，以致所述绿色照明光被所述偏振分束面反射，以及所述红色照明光通过所述偏振分束面；所述绿色照明光前进到所述第二液晶显示面板，从所述第二液晶显示面板返回的所述绿色投影光通过所述偏振分束面，并从所述第二发射表面发出；所述红色照明光前进到所述第三液晶显示面板，从所述第三液晶显示面板返回的所述红色投影光被所述偏振分束面反射，并从所述第二发射表面发出。
8.如权利要求7所述背投式投影仪，其中，所述颜色合成光学系统是一个合成棱镜，用于合成所述蓝色投影光、所述绿色投影光和所述红色投影光。
9.如权利要求8所述背投式投影仪，进一步包括一个棱镜固定器，所述合成棱镜固定在其上，所述第一到第三液晶显示面板也固定到所述棱镜固定器上。
10.如权利要求8所述背投式投影仪，其中所述投影光学系统包括前部光学系统，其设置在所述合成棱镜的放大端，所述前部光学系统包括从所述平面镜按顺序设置的第一前部透镜组和第二前部透镜组。
11.如权利要求10所述背投式投影仪，其中所述反射光学元件是平面镜，设置在所述第一前部透镜组和所述第二前部透镜组之间。
12.如权利要求11所述背投式投影仪，其中所述平面镜设置成45度角倾斜，以便能垂直弯曲所述投影光的所述光路。
全文摘要
一种背投式投影仪，其中光源部件的设置使得照明光相对于长方形屏幕被水平发出。三个液晶显示面板各自具有一个矩形的液晶显示表面。这些显示面板设置在纵向状态，并处于使这些显示表面的长边互相平行的状态。同时，所有这些长边垂直于一个参照平面。投影光学系统具有一个反射镜，用于在垂直方向上弯曲光路。旋转光学系统用于90度旋转投影光，其由设置在屏幕后面的反射镜和平面镜组成。
文档编号H04N9/31GK1573518SQ200410063130
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月21日 优先权日2003年5月22日
发明者清水仁 申请人:富士写真光机株式会社