專利名稱：積分器及利用該原理的投影儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及積分器(integrator)及利用該電路的投影儀(projector)，尤其是關于使用在投影儀的照明光學儀器上的投影用積分器及利用該原理的投影儀的一項發明。
背景技術：
目前，顯示(display)裝置不僅向輕便化、輕薄化發展，而且，還向大畫面趨勢發展。尤其，大畫面顯示裝置的開發和多媒體的發展正共同成為非常重要的一個問題，迄今為止，投影儀就是已經開發出來的這些大畫面顯示裝置中的一個。
這樣的大畫面顯示裝置-投影儀將根據顯示元素，可分為CRT投影儀和LCD投影儀兩種。其中LCD投影儀能夠小型制作，因此，目前尤為引人注目。
圖1概括性地顯示了傳統單板式LCD投影儀的結構圖。
參照圖1可以得知，傳統單板式投影儀由以下幾個部分組成即生成光的發光燈(110)；使生成的光按平行方向行進的拋物反射鏡(120)；將經過拋物反射鏡(120)而行進的光進行等質化的蠅眼鏡頭數組(130)；變換從蠅眼鏡頭數組(130)射入的光的偏振特性的偏振變換元素(140)；將由偏振變換元素(140)射入的光分割為R、G、B光而執行滾屏(scrolling)的彩色滾屏裝置(150)；及對應圖像信號，選擇性地調制R、G、B光，并在空間再現特定圖像的空間光調制器(160以下簡稱‘光調制器’)。
對傳統投影儀而言，由發光燈(110)生成的光將根據拋物反射鏡(120)，以準平行光行進，并經過如圖2所示的蠅眼鏡頭數組(130)形成等質化，還經過如圖3所示的偏振變換元素(140)，擁有特定的偏振特性。圖2是說明傳統蠅眼鏡頭數組工作原理的畫面圖，而圖3則是說明傳統偏振變換元素的工作原理的畫面圖。
參照圖2可以得知，蠅眼鏡頭數組(130)具有的是同樣外觀和形態的多個蠅眼鏡頭排列成一列的結構，而且，各個蠅眼鏡頭將接受經過拋物反射鏡(120)而行進的非等質光束，并使這些光束各自向其他位置照射，從而在該重復區域(圖2的A)中形成均等的光束領域。
一方面，參照圖3可以得知，偏振變換元素(140)由將入射光分離成P波和S波的偏振光束分光器(Polarizing Beam Splitter以下簡稱‘PBS’)組(141)和變換光的偏振特性的λ/2偏振板(142)構成。經過蠅眼鏡頭數組(130)而空間性地形成等質化光將根據PBS組(141)分離為P波和S波，而且，P波將根據附著于PBS組(141)背面的λ/2偏振板(142)變換為S波。由此，偏振變換元素(140)才可以均等地確保輸出的光具有偏振特性。
但是，就傳統投影儀而言，它存在著以下幾個問題即將由發光燈(110)射入的光進行等質化，而為了將等質化的光進行偏振，使用了如蠅眼鏡頭數組(130)及偏振變換元素(140)這樣的高價光學元素，這樣就提高了其制造費用；由于使用了多個光學元素，因此就產生了定位(alignment)方面的困難，并且增加了光學儀器的體積。
尤其，對傳統單板式或雙板式投影儀而言，在通過偏振變換元素(140)而射入的R、G、B成分的白色光中，主要使用的彩色滾屏裝置-彩色字輪(150)將透過某一個成分的光，對剩余的光則進行反射，以此來按時間分離R、G、B色彩，并將分離的各個R、G、B色彩按順序進行滾屏，然后再使之體現，但是，在色彩分離過程及彩色滾屏過程中，沒有將反射的光進行恢復而再利用的方法。因此，如圖4所示，在使用由R、G、B透過濾波器構成的彩色字輪(150)的時候，在色彩分離過程及彩色滾屏過程中，最多會損失大約2/3左右的入射光。

發明內容
本發明的目的在于提供一種光的利用率較強的積分器及利用該原理的投影儀，它可以克服現有技術中的缺點，以一個光學元素來執行光等質化過程及偏振變換過程，由此可以減少光學儀器的體積，也有利于光學元素之間的定位(alignment)，而且，可以對在色彩分離過程及彩色滾屏過程中實際不能利用而消失的光進行再利用。
本發明的目的是這樣實現的積分器由以下幾個部分組成，即一個可以射入由外部發光燈(lamp)生成的光的開口，在開口之外的特定區域里，按次序積層形成反射元素及相位變換元素的開口部；從通過開口部射入的光中，向外部只射出特定線偏振光的偏振部；在特定空間內，對通過開口部射入的光進行再循環，直到它通過偏振部射出為止而設置的光再循環部。
對開口部而言，其特點是開口為反射性開口；反射元素為內部前反射或反射鏡；相位變換元素則是λ/4偏振板。
而且，極化部的特點是它包括構成反射型P/S波分離方法的第1、第2偏振板。這時，第1偏振板位于開口部和第2偏振板的光路徑上，并和第2偏振板呈45°的內角，這種設置方法是最為理想的。
這時，光再循環部可以由在內部表面的特定區域形成反射面的共同直角柱面(hallow cylinder)或鏡型玻璃測桿(mirrored glass rod)構成。
一方面，為了達到上述目的，投影儀可由以下幾個部分組成，即生成白色光的發光燈；將白色光進行集光的橢圓反射鏡；將入射的光以R、G、B光進行分割并執行彩色滾屏的滾屏部；對從橢圓反射鏡集光的光進行偏振之后，射入滾屏部，這時，將反射的光進行再循環，并再入射到滾屏部的積分器；以及對R、G、B光進行選擇性地調制并在空間形成圖像的空間光調制器。
在這里，對發光燈及積分器的開口而言，其最理想的位置應該在根據延長橢圓反射鏡而定義的假設的橢圓第1、第2焦點上。
綜上所述，根據本項發明的積分器及利用該原理的投影儀是以一種光學元素執行光等質化過程及偏振變換的過程，由此，可以減少投影儀的整個體積，并解決光學元素(尤其是光等質化元素及偏振變換元素)之間的校準(alignment)問題。
而且，這種積分器在通過彩色滾屏裝置進行的彩色分離過程及彩色滾屏過程中，可以恢復實際上沒能使用的部分光，使之能夠再利用，因此，提高了光的利用率，利用它的投影儀還可以再現高亮度圖像。


圖1概括性地顯示了傳統單板式LCD投影儀的結構圖。
圖2是說明傳統蠅眼鏡頭數組工作原理的畫面圖。
圖3是說明傳統偏振變換元素的工作原理的畫面圖。
圖4是顯示一般性彩色滾屏裝置的彩色字輪的畫面圖。
圖5是顯示本發明的積分器實例的畫面圖。
圖6是顯示本發明的另一個積分器實例的畫面圖。
圖7是顯示如圖5所示的積分器中偏振變換過程的畫面圖。
圖8顯示了根據本發明的又一個實例的投影器的結構圖。
圖9是說明圖8的彩色磁鼓的畫面圖。
圖10a及圖10b是本發明中另一個實例的投影儀中光恢復過程的畫面圖。
110...發光燈(lamp) 120...拋物反射鏡130...蠅眼鏡頭數組(fly lenz array)140...偏振變換元素 150...彩色滾屏裝置160...空間光調制器 141...PBS組142...λ/2偏振板 510，610，831...反射面520，620...開口極板521，832a...開口522，832b...前反射鏡面 523，832c...λ/4偏振板530，630，833...第1偏振板 540，640，834...第2偏振板
810...發光燈820...橢圓反射鏡830...積分器840...彩色磁鼓850...空間光調制器具體實施方式
下面，參照附圖，對本發明做進一步詳細的說明。
圖5是顯示根據本項發明的積分器的畫面圖，圖6則是顯示根據本項發明的另一個積分器實例的畫面圖。
參照圖5可以得知，就積分器而言，在內部空缺的中空構造物的內表面形成一個反射面(510)；中空構造物一端附著一個形成開口(521)的開口極板(520)；另一端則傾斜地設置了一個分離P/S波的第1偏振板(530)。還有，和第1偏振板(530)具有特定內角的位置上設置了第2偏振板(540)。
開口(521)是一個反射性開口，因此，它能透過從外部射入的光，但是，對從積分器內部射入的光則進行反射，以此來防止出現通過開口(521)射入的光再通過開口(521)向外部射出的現象。
對第1偏振板(530)和第2偏振板(540)而言，它們最好是呈大約45°的內角，而形成于第1偏振板(530)背面方向的反射面(510)則如圖6所示，可以直接形成于第1偏振板(630)的背面。
重新參照圖5可以得知，反射面(510)是在特定空間內，對通過開口(521)射入的光進行循環，直到通過第2偏振板(540)得以輸出為止而進行的一種手段，在這里，它是在具有四角斷面的共同構造物內表面附著前反射鏡而構成的(hallow type)；它也可以形成于圓形或四角形以上的多角形，例如8角形、12角形斷面的共同構造物內表面上；利用前反射效果的時候，其結構還能夠用玻璃棒(bar)進行替代(solid type)。
在開口極板(520)上，除了開口(521)之外的區域里，形成了前反射鏡面(522)，其上部則形成了λ/4偏振板(523)。
第1、第2偏振板(530)(540)是對通過開口(521)射入的無偏振光以特定的偏振進行光變換的手段，第1偏振板(530)反射S波光，對于P波光，將使用透過的反射形P/S波分離手段；第2偏振板(540)則反射P波，對于S波，將使用透過的反射形P/S波分離手段。在這里，對于反射形P/S波分離手段而言，可以使用PBS或PBS射束分離或反射形偏振板。
具有上述結構的積分器將執行以下三個過程。即對通過開口(521)射入的非等質光按空間進行等質化并輸出的光等質化過程；將通過開口(521)射入的無偏振光變換為特定偏振狀態并輸出的偏振變換過程；及對通過第2偏振板(540)回到積分器內部的光進行再循環(recycle)，再通過第2偏振板(540)進行再輸出的光恢復(recapturing)過程。光恢復過程將和彩色磁鼓及彩色字輪這樣的彩色滾屏裝置連動，因此，尤其適用于使用彩色滾屏裝置的單板式或雙板式投影儀。
首先，對光等質化過程進行說明。
通過開口(521)射入的光是各自以不同的光路徑的多個光線束，上述光線的路徑相互之間存在很大的差異，就算重疊這些光線束也不能得到等質化光射束。即在光線路徑一致的空間內，其光密度大；在不一致的空間內，其光密度則小。但是，對積分器而言，提供光循環的反射面(510)形狀比較長，相反，輸出光的區域-第2偏振板(540)形狀則比較小。具有這種結構的積分器將大大限制通過第2偏振板(540)輸出的光線的光路徑，結果，將減少各光線的光路徑差異。因此，在特定的空間位置上，由第2偏振板(540)輸出的光線，其光路徑將相互重疊并成為等質化。
其次，參照圖7，對偏振變換過程進行說明如下。在這里，圖7是顯示如圖5所示的積分器中偏振變換過程的畫面圖。
通過開口(521)射入的光根據其射入角，將經過反射面(510)或直射到第1偏振板(530)，并且，一邊經過第1偏振板(530)，一邊則分離為P波和S波并各自以相異的光路徑進行。
這時，在第1偏振板(530)反射的S偏振光將透過第2偏振板(540)向外部射出，但是，透過第1偏振板(530)的P偏振光將經過位于背面的反射面(510)，再入射到第1偏振板(530)后，到達位于其相反面的λ/4偏振板(523)。
P偏振光在透過λ/4偏振板(523)的時候，其相位變換λ/4程度，并由其下方的前反射鏡面(522)重新透過λ/4偏振板(523)，其相位也重新變換λ/4程度。由此，最初射入到λ/4偏振板(523)的P偏振光的相位最終是變換λ/2程度后射出。即最初的P偏振光將成為S偏振光射出。
接著，S偏振光在其相反面的第1偏振板(530)反射后，再通過第2偏振板(540)向外部射出。
由此可以看出，積分器將對通過光再循環(recycle)后射入的大部分光以特定的偏振光進行變換并輸出，因此，在偏振變換過程中，光的損失會很少。
下面，對光恢復過程進行說明。
圖8顯示了根據本項發明的又一個實例的投影儀的結構圖。
參照圖8可以得知，投影儀由以下幾個部分構成。即生成白色光的發光燈(810)；對由發光燈(810)生成的光進行反射并向特定位置進行集光的橢圓反射鏡(820)；將射入的光以R、G、B光進行分割并執行彩色滾屏的滾屏部(840)；對從橢圓反射鏡(820)集光的光進行偏振之后，向滾屏部(840)射入，這時，將反射的光進行再循環，并再射入到滾屏部(840)的積分器(830)；以及對應圖像信號，對R、G、B光進行選擇性地調制并在空間形成圖像的空間光調制器(850以下簡稱‘光調制器’)。
發光燈(810)位于根據延長橢圓反射鏡(820)的反射面而定義的假設橢圓的第1焦點上，而積分器(830)的開口則位于假設橢圓的第2焦點上。接著，由發光燈(810)生成的光將從橢圓反射鏡(820)反射并集中在第2焦點上，即在積分器(830)的開口上，并且，集光的光通過開口，向積分(830)內部射入。
如圖9所示，彩色磁鼓(840)具有圓桶形狀的透過面，透過面則進行了二色性覆蓋處理，使之能夠選擇性地透過R、G、B光。而且，透過面具有如下的結構，即從射入的光中只透過R或G或B成分光的R、G、B濾波器存儲單元(840a)(840b)(840c)在相互交替地排列著。這種彩色磁鼓(840)根據旋轉驅動裝置按一定的速度旋轉，并將白色光按一定的時間分解成R、G、B光，分割的R、G、B光按順序照射，它是一個以上述方法來體現色彩的彩色滾屏裝置，且可以用其它一般的彩色滾屏裝置，例如彩色字輪(color wheel)等進行替代。在這里，圖9是說明圖8的彩色磁鼓的畫面圖。
光調制器(850)是一個結合了鏡頭數組(851)、PBS(852)、液晶面板(853)及投射鏡頭單元(854)的光學系統。它對應液晶面板(853)的圖像信號，將通過彩色磁鼓(840)按時間分離的各R、G、B光透過量進行調節，以此來生成特定圖像的影像，并將通過投射鏡頭單元(854)，將這個影像進行擴大。
以下，參照圖8至圖11，對投影儀工作原理進行說明。圖10及圖11是根據本項發明，說明另一個實例的投影儀中光恢復過程的畫面圖。
由發光燈(810)生成的白色光在橢圓反射鏡(820)上反射后進行集光，然后通過積分(830)時候，成為特定的偏振光，并射入到彩色磁鼓(840)的各濾波器存儲單元(840a)(840b)(840c)中。
對各濾波器存儲單元(840a)(840b)(840c)而言，從射入的光中，它只將滿足相關濾波器透過條件的光送到光分割器(850)中，，對沒能滿足透過條件的剩余光則重新反饋給積分器(830)。
例如，如果由積分器(830)輸出的白色偏振光已經射入到R濾波器存儲單元(840a)中，在構成白色偏振光的R、G、B光中，R光將透射到光分割器(850)，剩余的G、B光會在R濾波器存儲單元(840a)中反射回積分器(830)。
之后，G、B光會在積分器(830)中進行再循環，然后通過第2偏振板(834)再射入到彩色磁鼓(840)的各濾波器存儲單元中，但是，這時如果G、B光已經射入到G濾波器存儲單元(840b)中，G光會透射到光分割器(850)，而剩余的B光則將在G濾波器存儲單元(840b)中反射，再重新返回到積分器(830)中并反復執行上述過程。
結果，最初在積分器(830)射出的偏振光將經過光恢復過程，幾乎大部分都會通過彩色磁鼓(840)，因此，在通過彩色磁鼓(840)的色彩分離過程及彩色滾屏過程中，光的損失將會很少。
之后，通過彩色磁鼓(840)，按時間性分割的R、G、B光將經過鏡頭數組(851)射入到PBS(852)中，且PBS(852)將和液晶面板(852)形成連動，并體現對應圖像信號的彩色圖像。而且，這個圖像會通過投射鏡頭單元(854)，在屏幕上進行擴大并最終決定其圖像。
以上陳述的實例是為了說明該實例而進行的，通過上述的說明，如果是專業人士，那么您就會得知，在不脫離本發明技術思想的范圍內，可以進行多種變更、改良、替代及附加等修正。本項發明的技術范圍要根據以下附加的專利申請范圍而定。
權利要求
1.積分器及利用該原理的投影儀，其特征在于所說的積分器有一個射入由外部發光燈生成的光的開口，在開口之外的特定區域里，按次序積層形成反射元素及相位變換元素的開口部；從通過開口部射入的光中，向外部只射出特定線偏振光的偏振部；在特定空間內，對通過開口部射入的光進行再循環，直到通過偏振部射出為止而設置的光再循環部。
2.根據權利要求1所說的積分器及利用該原理的投影儀，其特征在于開口部的開口為反射性開口。
3.根據權利要求1所說的積分器及利用該原理的投影儀，其特征在于開口部的反射元素為內部前反射或反射鏡。
4.根據權利要求1所說的積分器及利用該原理的投影儀，其特征在于開口部的相位變換元素為λ/4偏振板。
5.根據權利要求1所說的積分器及利用該原理的投影儀，其特征在于偏振部包括由反射形P/S波分離手段構成的第1、第2偏振板。
6.根據權利要求5所說的積分器及利用該原理的投影儀，其特征在于第1偏振板位于開口部和第2偏振板的光路徑上，并設置成與第2偏振板呈45°內角。
7.根據權利要求1所說的積分器及利用該原理的投影儀，其特征在于光再循環部是在內部表面的特定領域形成反射面的共同直角柱面(hallow cylinder)。
8.根據權利要求1所說的積分器及利用該原理的投影儀，其特征在于光再循環部是鏡型玻璃測桿(mirrored glass rod)。
9.積分器及利用該原理的投影儀，其特征在于其投影儀包括生成白色光的發光燈；將白色光進行集光的橢圓反射鏡；將射入的光以R、G、B光進行分割并執行彩色滾屏的滾屏部；對從橢圓反射鏡集光的光進行偏振之后，向滾屏部射入，這時，將反射的光進行再循環，并再射入到滾屏部的積分器；以及對R、G、B光進行選擇性地調制并在空間形成圖像的空間光調制器。
10.根據權利要求9所說的積分器及利用該原理的投影儀，其特征在于該投影儀的積分器包括有一個射入由發光燈生成的光的開口，在開口之外的特定區域里，按次序形成反射元素及相位變換元素的開口部；從通過開口部射入的光中，向外部只射出特定線偏振光的偏振部；及在特定空間內，對通過開口部射入的光進行再循環，直到通過偏振部射出為止而設置的光再循環部。
11.根據權利要求10所說的積分器及利用該原理的投影儀，其特征在于發光燈及開口位于延長橢圓反射鏡而定義的假設橢圓的第1、第2焦點上。
12.根據權利要求9所說的積分器及利用該原理的投影儀，其特征在于該投影儀的滾屏部為彩色磁鼓。
全文摘要
積分器及利用該原理的投影儀，其積分器有一個可以射入由外部燈生成的光的開口，在開口之外的特定區域里，按次序積層形成反射元素及相位變換元素的開口部；從通過開口部射入的光中，向外部只射出特定線偏振光的偏振部；在特定空間內，對通過開口部射入的光進行再循環，直到它通過偏振部射出為止而設置的光再循環部。本發明將取代曾經執行了光等質化過程及偏振變換過程的多個傳統的光學元素，并且，在通過彩色滾屏裝置進行的彩色分離過程及彩色滾屏過程中，將恢復實際上沒能使用的部分光，使之能夠再利用，因此，利用它的投影器可以再現高亮度圖像。
文檔編號G02B27/18GK1549047SQ0311166
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月15日 優先權日2003年5月15日
發明者姜鎬仲 申請人:樂金電子(沈陽)有限公司