专利名称：投影机用的液晶投影光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光谱合成装置，具体地说，涉及一种投影机用的液晶投影光学系统。
投影光学系统用于大型会场的图象和文字显示。以此为基础的现代电视投影系统更是广泛用于公共场所如车站、广场、娱乐场所乃至深入家庭。众所周知，这类投影光学装置存在的共性问题在于屏幕的尺寸与成象分辨率之间的矛盾，即随着屏幕尺寸的日渐增大，努力提高其图象分辨率，以及增大图象的画面亮度、对比度及色度等，已成为急待解决的问题。
中国发明专利cn 94112930.6公开一种液晶投影机的投影光学系统。它有多个透镜，及被顺序地安置在图象平面最前方的凹凸镜，和第一凹透镜、凸透镜以及第二凹透镜的前镜头部分。还设置后镜头部分，它包括两个安放在前镜头部分与图象平面之间的平凹透镜，并且该平凹透镜的平面向着所述图象平面。该投影系统能将图象从液晶显示装置投影到屏幕上。
以上述专利为代表的现有技术的投影成象装置究其原理，仅属三原色单色成象过程。如
图1所示。光源通过彩色增透镜5、7、10。分别透射三种单色光，即将入射信号分成红、绿、蓝三种原色信号，分别入射到液晶光阀lcd1、lcd2和lcd3上，经合像器还原成彩色图像。这种分色-合像的方式只能利用三种原色组分的极窄频段，滤掉了约70％以上的其它光谱成分，不能充分开启液晶光阀，以致全面降低合成图像的亮度、色彩还原性及图像分辨率等特性。由于图像颜色组分过于单调，使最终的画面生硬，合成图像的色彩饱和度差。此外，众所周知的是液晶器件的工作温度不得高于50℃，而上述现有技术的光谱成像系统并未考虑控制被传输的光束中携带热能，因而，这类系统不能连续工作。
本发明的目的在于提出一种液晶投影机用的投影光学系统，能够充分利用光谱成分，提高画面亮度并提高色彩饱和度，色彩还原性好，并能连续工作。
为实现上述目的，本发明提出一种投影机用的液晶投影光学系统，由光源、分光-会聚分配器、三组透/反器件、三个光谐振腔、三个液晶光阀、合像器和投射-放大镜头组成，其中所述光源发出的光束依次经过冰洲石晶片制成的阻尼分光镜、会聚镜组和光阑组成的分光-聚光器，得到强度均匀且被吸收了热量的出射光；所述出射光先后入射到“r”、“g”、“b”透/反器件，分别被分光成为红、绿和蓝灰色带，它们分别通过由平凹透镜和平面镜组成的红色带光谐振腔、由两个平凸透镜组成的绿色带光谐振腔、由平凹透镜和平面镜组成的蓝色带光谐振腔，分别形成红色光带疤、绿色光带疤和蓝色光带疤；所述三种颜色光带疤分别入射到被置于所述三种色带光谐振腔光焦面处的液晶光阀上，并通过各液晶光阀，分别入射到组成合像器的直角棱镜入射面上；所述合像器的出射面位于投射-放大镜头的后焦平面处，三种色带的光像在合像器的出射面处复合成像，并经所述投射-放大镜头得到放大的投影图像。
所述“r”、“g”、“b”透/反器件均为在光学玻璃基片经真空镀膜，制成多层膜系。所述合像器由四块几何尺寸相同的直角棱镜胶合而成，并有正方形截面，其中在所述三种颜色光带疤的入射面上分别镀有增透膜，用以调节相应的合像棱镜的折射率，使三个合像棱镜的相对折射率相等。
采用本发明的投影机用液晶投影光学系统，因所述“r”、“g”、“b”透/反器件的光学玻璃基片上都镀有多层膜，使得它们分别能够透射具有所需宽度频谱成分的光，即实质上透射的是一组颜色的色带，而不再像同类现有技术装置那样只能透射频带极窄的“单色光”，因而可使最终合成的图像包括极为丰富的光谱成分，使光谱的利用率从现有技术的简单三原色单色方式的60％提高到80％，从而，可大大提高合成图像的色彩饱和度，使图像色彩还原逼真。
另外，由于使三种色带分别在相应的光谐振腔内多次反射，可大大减少光束传输过程中的能量损失。计算表明，采用这种光谐振腔结构，可使透过“r”、“g”透/反器件和“b”反射器件的光束能量的95％得以被约束在谐振腔内，并入射到液晶光阀上，这可大大提高液晶光阀的开启程度，使液晶光阀透光率从现有技术的35％提高到55％，即接近其理论极限，从而使最终图像的亮度相应提高40％，并使对比度提高30％。
此外，本发明采用冰洲石制成的阻尼分光镜代替同类现有技术中的复眼镜，可吸收光束中所含热量的70％，从而大大减少光谱中所含的热量，这就充分保证液晶光阀的正常工作温度，使本发明的投影机可连续工作10小时以上。又由于光的总利用率极高，与现有的同类装置相比，本技术使用的光源(即灯泡)功率也只为原来的1/3。这不仅可以降低能耗，并可进一步降低液晶光阀的工作温度。
又因使用了折射率补偿膜，使各合像棱镜的相对折射率相等，这就确保了三种色带图像相位的同步合成，从而保证了合成图像的清晰效果，大大提高合成图像的色彩还原性，使所得到的合成图像不产生失真和畸变。
通过以下结合附图对实施例的详细描述，可使本发明投影机用的液晶投影光学系统的其它结构和特点愈为清晰，其中图1以示意的方式说明现有技术投影机的光路图；图2表示本发明一种实施例投影机用液晶投影光学系统的光路结构图；图3a和3b以比较的方式说明现有技术投影机与本发明投影机用的液晶投影光学系统光谱合成原理的区别；图4示意地说明图2实施例中所用分光-会聚分配器对通过的光束的处理过程。
参照图2，它表示本发明投影机用的液晶投影光学系统一种实施例的光路结构。其中光源s发出的光，经过阻尼分光镜1，使该光束中50％的热量被吸收，并使光束被分光成多束强度均匀的光，如图4所示。再经前焦距聚光镜2和后焦距聚光镜3，将光束会聚整理为所需的强度均匀的光，经出射光阑4出射到光谱合成部分。
所述阻尼分光镜1由冰洲石晶片制成，它代替了同类现有技术中使用的复眼镜。一般的复眼镜是将面对光入射方向的表面制成36个微小的凸透镜，因而只能分出36束小光点，而本发明的冰洲石阻尼分光镜1可以得到上千束小光点，使出射光束强度分布的均匀性大大提高。另外，现有技术的复眼镜加工难度大，而且不具有吸收光束中所含热量的功能，它需要另设降温机构，使整机机构复杂，体积增大。
前述阻尼分光镜1、前焦距聚光镜2、后焦距聚光镜3和出射光阑4组成分光-会聚分配器。来自该分光-会聚分配器的出射光首先入射到“r”透/反器件5，该器件表面镀敷透红反蓝膜系，成为“透红反蓝”透/反器件，它可透过入射光中85％的波长范围在660-780nm之间的红色组分，并使其余组分被反射至“g”透/反器件10。所述“g”透/反器件10镀敷透蓝反绿膜系，成为“透蓝反绿”的透/反器件，它可反射90％的波长范围在570-650nm之间的绿色组分，入射到谐振腔b，并使其余的主要为蓝色和灰色组分的光透射至“b”反射器件13。经上述“r”、“g”、“b”透/反器件，使前述入射光被分光成为红、绿和蓝色等三段色带。
上述红色带包含6种颜色组分，它们透过平凸透镜6、平凹透镜7和平面镜8组成的光谐振腔a，在该谐振腔a内的平凹透镜7的凹面和平面镜9的表面之间多次反射，该区域内的红色带中的95％的光能最终被平面镜8反射，透过平凸透镜9，形成红色光带疤，入射到位于其焦平面上的液晶光阀lcd1上。由于进入lcd1的光能远较普通单色光情况下大大增多，可使光阀lcd1开启近55％，即几乎全部进入lcd1的红色光系都能入射到合像器18的合像棱镜。所述平凸透镜9的凸面上也镀敷“透红反蓝”膜系。
类似地，被r透/反器件5反射的所述红色带以外的光通过“g”透/反器件10，光束中的绿色组分被反射进入平凸透镜11、12组成的光谐振腔b，并在平凸透镜11的平面表面和平凸透镜12的凸面表面之间多次反射。具体地说，所述“g”透/反器件10表面镀敷透蓝反绿膜系，可将入射光中90％的波长范围在570-650nm之间的绿色组分反射到谐振腔b，也就是使几乎全部绿色组分的光最终穿过镀有“透绿反灰”膜系的平凸透镜12，形成绿色光带疤，经液晶光阀lcd2入射于合像器18的合像棱镜。
透过所述“g”透/反器件10的蓝灰色组分的光在“b”反射器件13的表面上被反射，射入平凸透镜14、平凹透镜15和平面镜16组成的光谐振腔c，在该谐振腔c内的平凹透镜15的凹面和平面镜16的表面之间多次反射。所述“b”反射器件13表面镀敷蓝色反射膜系，可将入射光中85％的波长范围在360-470nm之间的蓝灰色组分反射到谐振腔c，最后经平面镜16反射到平凸透镜17，透过平凸透镜17的光形成蓝色光带疤，入射到液晶光阀lcd3。所述平凸透镜17的凸表面镀有透蓝反红膜系。这里的情况与前述红色带的情况相似。透过lcd3的蓝色带的光入射到合像棱镜18。
所述合像器18由四块几何尺寸相同的直角棱镜胶合而成，并有正方形截面。其中在所述红、绿和蓝色光带疤的入射面上分别镀有补偿膜19，比如氟化镁制成的增透膜，用以调节相应的合像棱镜的折射率，使三个合像棱镜的相对折射率相等。
所述合像器18的出射面位于投射-放大镜头gw的后焦平面处，合成图像为正立实像，经镜头gw放大后，投射在该镜头前约7米远的屏幕上，可得清晰的、色彩丰富且亮度较现有技术同类设备提高40％的投影图像。
本实施例投影光学系统参与彩色成像的光谱由现有技术“三原色”方式的简单的单色红、绿、蓝3种颜色增多到13种颜色，即红、桔、黄、绿、黑、白、赤、橙、青、蓝、灰、紫色、红外等颜色。
权利要求
1.一种用于液晶投影机的投影光学系统，由光源、分光-会聚分配器、透/反器件、光谐振腔、液晶光阀、合像器和投射-放大镜头组成，其特征在于所述光源发出的光束依次经过冰洲石晶片制成的阻尼分光镜、会聚镜组和光阑组成的分光-聚光器，得到强度均匀且被吸收了热量的出射光；所述出射光先后入射到“r”、“g”、“b”透/反器件，分别被分光成为红、绿和蓝灰色带，它们分别通过由平凹透镜和平面镜组成的红色带光谐振腔、由两个平凸透镜组成的绿色带光谐振腔、由平凹透镜和平面镜组成的蓝色带光谐振腔，分别形成红色光带疤、绿色光带疤和蓝色光带疤；所述三种颜色光带疤分别入射到被置于所述三种色带光谐振腔光焦面处的液晶光阀上，并通过各液晶光阀，分别入射到组成合像器的直角棱镜入射面上；所述合像器的出射面位于投射-放大镜头的后焦平面处，三种色带的光像在合像器的出射面处复合成像，并经所述投射-放大镜头得到放大的投影图像。
2.一种如权利要求1所述的用于液晶投影机的投影光学系统，其特征在于，所述“r”、“g”、“b”透/反器件均为在光学玻璃基片经真空镀膜，制成多层膜系。
3.一种如权利要求1或2所述的用于液晶投影机的投影光学系统，其特征在于，所述“r”、“g”、“b”透/反器件均为在光学玻璃基片经真空镀膜，制成多层膜系。
4.一种如权利要求1或2所述的用于液晶投影机的投影光学系统，其特征在于，所述合像器由四块几何尺寸相同的直角棱镜胶合而成，并有正方形截面，并在所述三种颜色光带疤的入射面上分别镀敷补偿膜，使三个合像棱镜的相对折射率相等。
5.一种如权利要求1或2所述的用于液晶投影机的投影光学系统，其特征在于，所述“r”透/反器件(5)表面镀敷透红反蓝膜系，可透过入射光中85％的波长范围在660-780nm之间的红色组分。
6.一种如权利要求1或2所述的用于液晶投影机的投影光学系统，其特征在于，所述“g”透/反器件(10)表面镀敷透蓝反绿膜系，可透过入射光中90％的波长范围在570-650nm之间的绿色组分。
7.一种如权利要求1或2所述的用于液晶投影机的投影光学系统，其特征在于，所述“b”透/反器件(13)表面镀敷蓝灰色增透膜系，可透过入射光中85％的波长范围在360-470nm之间的蓝灰色组分。
8.一种如权利要求4所述的用于液晶投影机的投影光学系统，其特征在于，所述合像棱镜折射率补偿膜(19)是氟化镁增透膜。
全文摘要
投影机用的液晶投影光学系统,其中冰洲石阻尼分光镜等组成分光－会聚分配器,使光束成为强度均匀且被吸收热量的光。“r”、“g”、“b”透/反器件将光束分成红、绿和蓝色带后,分别通过光谐振腔形成红、绿及蓝色光带疤。三种光带疤分别经液晶光阀射入合像器,复合成像,经投射－放大镜头放大出射。合像器的入射面镀敷折射率补偿膜。本投影系统还可用于投影电视设备,具有合成图像色彩还原性高,亮度高且色彩饱和度高的优点。本机可连续工作10小时以上。
文档编号g02b1/02gk1349124sq0012997
公开日2002年5月15日 申请日期2000年10月16日 优先权日2000年10月16日
发明者史义武 申请人:陕西凯创光电产业有限公司