专利名称：液晶投影仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液晶投影仪，尤其涉及一种具有改进的光学系统的彩色液晶投影仪。
背景技术：
彩色液晶投影仪将来自光源的白光分成红(R)、绿(G)和蓝(B)三种基色的光，然后使三种基色的光分别进入红色、绿色和蓝色液晶显示板，之后将从相应的液晶显示板反射的三种基色的光重新结合并且借助投影透镜投射在与液晶投影仪间隔一定距离的屏幕上。
通常，通过偏振分束器等对来自一光源的光进行分束，通过分色棱镜等对复色光进行结合，并且借助投影透镜将来自分色棱镜的光投射在屏幕上(例如，参见日本专利申请公开文本No.2003-177467和No.2001-318426)。
在上述结构的液晶投影仪中，由于将偏振分束器和分色棱镜设置在相应的液晶显示板与投影透镜之间，需要将投影透镜的后焦距选择为很大，因而产生了一个问题，即，需要选择尺寸很大的投影透镜。此外，由于后焦距很大，需要使液晶投影仪和屏幕之间的距离很大，这已经妨碍了例如背面投影型电视接收器等的厚度的减小。
发明内容
本发明是针对上述问题做出的，并且本发明的一个目的在于提供了一种能够同时减小投影透镜的尺寸和其后焦距的液晶投影仪。
下面将简要说明在本说明书中披露的发明的一个代表性实施例的概要。
根据本发明的一个实施例，提供了一种液晶投影仪，该投影仪通过光学系统将来自光源的光分别分成三种不同基色的三种光，分别使所述三种光进入到对应于所述三种不同基色的三个液晶显示板中，采用棱镜将从所述三个液晶显示板反射的所述三种光结合，并通过第一透镜将所述结合的三种光投射到屏幕上，其中，所述液晶投影仪设有两个第二透镜，每个透镜都被布置在其上所述三种反射光入射的所述棱镜的两个入口侧中的一个相应侧处，并且，所述两个第二透镜、所述棱镜以及所述第一透镜的组合构成投影透镜光学系统，该系统将所述结合的三种光投射在所述屏幕上。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种液晶投影仪，该投影仪通过光学系统将来自光源的光分别分成三种不同基色的三种光，分别使所述三种光进入到对应于所述三种不同基色的三种液晶显示板中，采用棱镜将从所述三个液晶显示板反射的所述三种光结合，并通过第一透镜将所述结合的三种光投射到屏幕上，其中，所述光学系统包括反射镜，该反射镜反射来自所述光源的所述光的三种基色的第一个的第一种光，并使来自所述光源的所述光的三种基色的第二和第三个的第二和第三种光从其间透射；第一光学元件，该元件使从所述反射镜反射的所述第一种光进入到所述三个液晶显示板中的第一个中，然后将从所述三个液晶显示板的第一个显示板反射来的所述第一光引导入所述棱镜；以及第二光学元件，该元件使透射过所述反射镜的所述第二和第三种光分别进入到所述三个液晶显示板的第二和第三个显示板中，然后将从所述三个液晶显示板的所述第二和第三个显示板反射来的所述第二和第三种光引导入所述棱镜；其中，所述液晶投影仪设有设置在所述第一光学元件和所述棱镜之间的第二透镜以及设置在所述第二光学元件和所述棱镜之间的第三透镜，并且所述第二透镜、所述第三透镜、所述棱镜和所述第一透镜构成一个投影透镜光学系统，该系统将所述结合的三种光投射在所述屏幕上。
本发明并不局限于上述结构，但是，只要不脱离本发明的真实思想和范围，可进行各种改变和修改。
在附图中，相同的附图标记表示在所有图中的相同的元件，并且图1示出了根据本发明的液晶投影仪的一个实施例的结构，包括了其间的光路；图2(a)示出了根据本发明的一个实施例在其中来自绿色液晶显示板的绿光穿过第二偏振分束器，并且然后通过投影透镜光学系统被投射在屏幕上的情况下的光路；图2(b)为与图2(a)相似的示例图，但是所示出的是其中从图2(a)的结构中省略了第二透镜的情况下的光路；图3(a)是反射镜结构的栅网偏振分束器的一个示例的示意性平面图；图3(b)是图3(a)中所示的栅网偏振分束器沿线III(b)-III(b)截取的示意性横截面图；图3(c)是图3(a)中所示的栅网偏振分束器沿线III(c)-III(c)截取的示意性横截面图；图4是棱镜结构的栅网偏振分束器的一个示例的示意性透视图；以及图5是光学元件的各种组合的示例列表。
优选实施例将参考
根据本发明的液晶投影仪的一个实施例。
图1示出了根据本发明的液晶投影仪的一个实施例的结构，包括其中的光路。
在图1的直角坐标系的系统中，将分色镜3沿x正方向与光源1间隔开，并且其间插入一照明光学系统2。将分色镜3的镜面定位在与x轴成45°处。
将第一偏振分束器4沿y正方向邻近分色镜3布置，并且其反射界面定位在与x轴线成-45°处。将用于显示蓝色的蓝色液晶显示板DB沿x负方向邻近第一偏振分束器4布置。蓝色液晶显示板DB包括由一对相对的基底形成的外壳，夹在所述成对的相对基底之间的液晶层，以及以阵列形式在与液晶层平行的平面中布置的大量像素。相应的像素被构造成根据从外界作用在它们上面的像素信号来控制它们的液晶材料层的光传输。成对的相对基底中的一个为透明的，并且该对的另一个由具有在其液晶层侧上或之中制造的微型电子线路的半导体基底构成。这里，该蓝色液晶显示板DB是所谓的反射型，将兼作电极的反射膜设在用于相应像素的半导体基底的液晶层侧的表面上。来自外侧的光由这些反射膜被反射，然后再射向外侧。
将第二偏振分束器9沿x正方向邻近分色镜3布置，并且将其反射界面定位在与x轴线成-45°处。将在第二偏振分束器9的分色镜3侧的第一相移片6、沿y负方向的用于显示绿色的绿色液晶显示板DG、以及沿x正方向的用于显示红色的红色液晶显示板DR布置在邻近第二偏振分束器9处。绿色液晶显示板DG和红色液晶显示板DR二者的结构与蓝色液晶显示板DB的结构相同，并且以和蓝色液晶显示板DB相同的方式被驱动以显示相同的图像。
将分色棱镜5沿y正方向布置在第二偏振分束器9的上方，并将其反射界面定位在与x轴线成45°处。将第二相移片10设置在第二偏振分束器9和分色棱镜5之间。此外，将透镜20布置在第二相移片10和分色棱镜5之间，并且将透镜30布置在第一偏振分束器4和分色棱镜5之间。将投影透镜7沿y正方向设置在分色棱镜5的上方。
这里，将透镜20、透镜30、分色棱镜5和投影透镜7组合以构成由在图1中用虚线表示出的框所表示的投影透镜光学系统。该投影透镜光学系统可视为一个独立于其它光学元件例如第一偏振分束器4等的光学系统，并且随后将对其功能进行说明。
在具有上述光学系统的液晶投影仪中，使来自光源1的进入照明光学系统2的光平行并产生所谓的具有均匀分布的S偏振光。来自照明光学系统2的光进入分色镜3，然后光中的蓝光LB以与x轴线成90°反射，其余的光被透射。在改变其光路之后，蓝光LB进入第一偏振分束器4，然后以90°角改变光路并进入蓝色液晶显示板DB。
从蓝色液晶显示板DB反射的光穿过第一偏振分束器4，然后穿过透镜30，并且进入分色棱镜5。分色棱镜5如此构造，即，将蓝光LB的光路改变成相对于x轴线成90°角的方向，并使红光LR和绿光LG从其间穿过。
进入分色棱镜5的蓝光LB由分色棱镜5指向投影透镜7，然后作为出射光从液晶投影仪射出。将从液晶投影仪射出的蓝光LB投射在与液晶投影仪相隔一定距离布置的屏幕8上。
已穿过分色镜3的黄光穿过第一相移片6，并通过第一相移片6被分成绿光LG和红光LR。第一相移片6将红色附近波长的偏振方向只旋转90°。
红光LR进入第二偏振分束器9，并且无明显改变地穿过它，然后进入红色液晶显示板DR，再由红色液晶显示板DR反射，并随后再次进入第二偏振分束器9。
通过红色液晶显示板DR的液晶调制后的红光LR的路径由第二偏振分束器9相对于x轴线改变90°角，然后通过第二相移片10使红光LR的偏振方向旋转90°，之后红光LR穿过透镜20，然后无明显改变地穿过分色棱镜5。将已经穿过分色棱镜5的红光LR与已经说明过的蓝光LB结合，然后借助投影透镜7投射在屏幕8上。
绿光LG无明显改变地穿过第一相移片6，然后由第二偏振分束器9将其路径相对于x轴线改变-90°角，之后绿光LG进入绿色液晶显示板DG，然后由液晶显示板DG反射，随后进入第二偏振分束器9。由绿色液晶显示板DG反射的绿光LG已经由绿色液晶显示板DG调制，然后穿过第二偏振分束器9，之后穿过第二相移片10，穿过透镜20，并穿过分色棱镜5。将穿过分色棱镜5的绿光LG与已经描述过的蓝光LB和红光LR结合，并且随后借助投影透镜7投射在屏幕8上。
在上述结构的液晶投影仪中，如上所述，穿过绿光的第一透镜30、分色棱镜5和投影透镜7的组合、或者穿过绿光和红光的第二透镜20、分色棱镜5和投影透镜7的组合都可视为独立于其它光学元件的光学系统，并且每个组合都将被简称为投影透镜光学系统A。
图2(a)示出了在其中例如来自绿色液晶显示板DG的绿光穿过第二偏振分束器9，并且随后由投影透镜光学系统A投射在屏幕8上的情况下的光路。在该情况中的投影透镜光学系统A由一个单个等效透镜表示，但是，如上所述，它由第二透镜20、分色棱镜5和投影透镜7构成。
尽管图2(b)是与图2(a)相似的一个图例，为便于比较，图2(b)示出了在其中省略了第二透镜20的情况下的光路。在该情况中，第一透镜30(未包含在图2(a)的结构中)也被省略。
在图2(a)所示的情况中，第二偏振分束器9介于投影透镜光学系统A和绿色液晶显示板DG之间，但是分色棱镜5没有设置在其间。可将该分色棱镜5视为投影透镜光学系统A的一个部分，因为第二透镜20如上所述的被设置在分色棱镜5的入口侧处。这意味着不管是否提供分色棱镜5，投影透镜光学系统A的后焦距BF都可选择成近似于第二偏振分束器9的宽度。
另一方面，在图2(b)所示的情况下，因为在分色棱镜5的入口侧没有第二透镜20，第二偏振分束器9和分色棱镜5介于投影透镜7和绿色液晶显示板DG之间，从而，投影透镜7的后焦距BF′接近于第二偏振分束器9和分色棱镜5的宽度的总和，因此，需要将后焦距BF′选择为大于如图2(a)所示的情况下的后焦距。
如上所述，该实施例的结构能够减小投影透镜光学系统A的后焦距，因此，本实施例的一个优点是可减小投影透镜光学系统A的透镜的尺寸。由于投影透镜光学系统A的放大率增大，本实施例还有一个优点是使用于相同尺寸的屏幕8的在投影透镜光学系统A和屏幕8之间的投影距离PF缩短。这可以使实现减小例如背面投影型电视接收器的厚度成为可能。
另外，尽管图1所示的结构采用了诸如第一偏振分束器4、第二偏振分束器9以及分色棱镜5的光学元件，可以采用反射镜结构的栅网偏振分束器和棱镜结构的栅网偏振分束器替代它们作为光学元件，并且在这种情况下，也可具有如上所述的同样的优点。
各光学元件的结构和功能如下偏振分束器(以下有时简称为PBS)偏振分束器具有一棱镜结构，并且其光束分光界面由多层薄膜构成。偏振分束器的一个功能是反射S偏振光并且透射P偏振光。其偏振光束分光率很大程度上取决于光的入射角并且随着入射角变大而降低。另外，偏振分束器显示出将倾斜入射的光的偏振平面旋转的现象。
分色棱镜分色棱镜具有一棱镜结构，并且其光束分光表面由多层薄膜构成。该分色棱镜具有反射特定波长范围内的光和透射其它波长范围内的光的功能。
反射镜结构的栅网偏振分束器图3(a)是反射镜结构的栅网偏振分束器的一个示例的示意性平面图，图3(b)是如图3(a)所示的栅网偏振分束器沿线III(b)-III(b)截取的示意性横截面图，而图3(c)是图3(a)中所示的栅网偏振分束器沿线III(c)-III(c)截取的示意性横截面图。反射镜结构的栅网偏振分束器具有一平面镜结构，并且其光束分光面由在基底51上蒸镀的铝膜52构成，该铝膜由以一定栅距布置的栅线的形式形成光栅，且该栅距远小于可见光谱的光的波长。
栅网偏振分束器可以是具有与在美国专利No.6,243,199 B1和No.6,234,634 B1中描述的相似尺寸的类型，这两个专利分别于2001年6月5日和2001年5月22授予Hansen等人。为说明事实，在此引用Hansen等人的专利作为参考。
美国专利No.6,234,634 B1披露了用于如图3(a)所示的结构的如下尺寸。
栅线布置的栅距p必须在大约0.21μm以下，以生产在整个可见光谱内都具有适当的性能的分束器。
栅线厚度t必须在大约0.04μm和0.5μm之间。
栅线宽度w与栅距p之比必须落在从大约0.3到0.76的范围内。
反射镜结构的栅网偏振分束器具有反射s偏振光和透射p偏振光的功能。其偏振光分光效率较小程度地依赖于光的入射角，并且反射镜结构的栅网偏振分束器不会显示出将倾斜入射光的偏振平面旋转的现象。
棱镜结构的栅网偏振分束器图4是棱镜结构的栅网偏振分束器的一个示例的示意性透视图。这种类型的分束器包括一对棱镜53、54，其具有夹在其间的、与图3(a)到3(c)说明的光束分光面相似的光束分光界面55。
棱镜结构的栅网偏振分束器的工作原理与上述反射镜结构的栅网偏振分束器的工作原理相似，并且其功能与上述反射镜结构的栅网偏振光分光器的功能大体相同。采用这种结构的原因在于，在其中使一个块倾斜的玻璃板介于液晶显示板与投影透镜之间的情况中，会产生色差，因此采用该棱镜结构以防止产生色差。
上述光学元件的各种组合示例在图5中列表。在该表中，元件1表示对应于图1中的第一偏振分束器4的元件，元件2表示对应于图1中的第二偏振分束器9的元件，并且元件3表示对应于图1中的分色棱镜5的元件。下面将说明图5中描述的组合。图5中标示“基本”的组合对应于在图1中示出的组合。
组合1使用偏振分束器作为元件1，偏振分束器作为元件2，以及偏振分束器作为元件3。在这种情况下，来自液晶显示板的光穿过两个偏振分束器，由此提高了偏振程度，从而增加由光学系统提供的对比率。
组合2使用反射镜结构的栅网偏振分束器作为元件1，反射镜结构的栅网偏振分束器作为元件2，分色棱镜用作元件3。在这种情况下，反射镜结构的栅网偏振分束器作为元件1和元件2使用，从而增加由光学系统提供的对比率。
组合3使用棱镜结构的栅网偏振分束器作为元件1，棱镜结构的栅网偏振分束器作为元件2，分色棱镜作为元件3。在这种情况下，棱镜结构的栅网偏振分束器作为元件1和元件2使用，从而增加由光学系统提供的对比率，并且与组合2相比消除了散光。
组合4使用反射镜结构的栅网偏振分束器作为元件1，反射镜结构的栅网偏振分束器作为元件2，棱镜结构的栅网偏振分束器作为元件3。在这种情况下，棱镜结构的栅网偏振分束器作为元件1和元件2使用，因此，提高了偏振程度，从而增加了由光学系统提供的对比率。
组合5使用棱镜结构的栅网偏振分束器作为元件1，棱镜结构的栅网偏振分束器作为元件2，棱镜结构的栅网偏振分束器作为元件3。在这种情况下，由光学系统提供的对比率得到增加，并且与组合4相比消除了散光。
权利要求
1.一种液晶投影仪，该投影仪通过光学系统将来自光源的光分别分成三种不同基色的三种光，使所述三种光分别进入对应于所述三种不同基色的三个液晶显示板，采用透镜将从所述三个液晶显示板反射的所述三种光结合，并通过第一透镜将所述结合的三种光投射在屏幕上，其中，所述液晶投影仪设有两个第二透镜，每个第二透镜都被布置在其上所述三种反射光入射的所述棱镜的两个入口侧中的一个相应侧处，并且所述两个第二透镜、所述棱镜以及所述第一透镜的组合组成投影透镜光学系统，该系统将所述结合的三种光投射在所述屏幕上。
2.一种液晶投影仪，该投影仪通过光学系统将来自光源的光分成三种不同基色的光，分别使所述三种光进入到对应于所述三种不同基色的三个液晶显示板中，使用棱镜将从所述三个液晶显示板反射的所述三种光结合，并通过第一透镜将所述结合的三种光投射在屏幕上，其中，所述光学系统包括一反射镜，该反射镜反射来自所述光源的所述光的所述三种基色的第一个中的第一种光，并使来自所述光源的所述光的所述三种基色的第二和第三个中的第二和第三种光从其间透射；第一光学元件，该元件将从所述反射镜反射的所述第一种光进入到所述三个液晶显示板的第一个中，然后将从所述三个液晶显示板的所述第一个显示板反射的所述第一种光引导入所述棱镜；以及第二光学元件，该元件使通过所述反射镜透射的所述第二和第三种光分别进入到所述三个液晶显示板的第二和第三个显示板中，然后把从所述三个液晶显示板的所述第二和第三个显示板反射的所述第二和第三种光引导进入所述棱镜；以及所述液晶投影仪设有设置在所述第一光学元件和所述棱镜之间的第二透镜以及设置在所述第二光学元件和所述棱镜之间的第三透镜，并且所述第二透镜、所述第三透镜、所述棱镜和所述第一透镜组成一个投影透镜光学系统，该系统将所述结合的三种光投射在所述屏幕上。
3.根据权利要求2所述的液晶投影仪，其特征在于，所述第一光学元件是偏振分束器，所述第二光学元件是偏振分束器，并且所述棱镜是分色棱镜。
4.根据权利要求2所述的液晶投影仪，其特征在于，所述第一光学元件是偏振分束器，所述第二光学元件是偏振分束器，并且所述棱镜是偏振分束器。
5.根据权利要求2所述的液晶投影仪，其特征在于，所述第一光学元件是反射镜结构的栅网偏振分束器，所述第二光学元件是反射镜结构的栅网偏振分束器，并且所述棱镜是分色棱镜。
6.根据权利要求2所述的液晶投影仪，其特征在于，所述第一光学元件是棱镜结构的栅网偏振分束器，所述第二光学元件是棱镜结构的栅网偏振分束器，并且所述棱镜是分色棱镜。
7.根据权利要求2所述的液晶投影仪，其特征在于，所述第一光学元件是反射镜结构的栅网偏振分束器，所述第二光学元件是反射镜结构的栅网偏振分束器，并且所述棱镜是棱镜结构的栅网偏振分束器。
8.根据权利要求2所述的液晶投影仪，其特征在于，所述第一光学元件是棱镜结构的栅网偏振分束器，所述第二光学元件是棱镜结构的栅网偏振分束器，并且所述棱镜是棱镜结构的栅网偏振分束器。
全文摘要
一种液晶投影仪，该投影仪通过光学系统将来自光源的光分别分成三种不同基色的三种光，使三种光分别进入对应于三种不同基色的三个液晶显示板，采用棱镜将从三个液晶显示板反射的三种光结合，并通过第一透镜将结合的三种光投射在屏幕上。该液晶投影仪设有两个第二透镜，每个第二透镜都被布置在在其上三种反射光入射的棱镜的两个入口侧中的一个相应侧处，并且两个第二透镜、棱镜以及第一透镜的组合组成投影透镜光学系统，该系统将结合的三种光投射在屏幕上。
文档编号H04N9/31GK1627176SQ20041009855
公开日2005年6月15日 申请日期2004年12月9日 优先权日2003年12月10日
发明者青砥胜英, 岩崎直树, 川合悟 申请人:株式会社日立显示器, 富士能株式会社