專利名稱：用于液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)，用于將顯示在液晶顯示機(jī)(LCD)平面的圖象投影到一個(gè)大屏幕上，更為具體地講，是涉及就鏡頭直徑與厚度而言在體積上顯著地減小的液晶投影機(jī)，以便節(jié)約制造成本。
近來，隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的民展，已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了高密度集成，以致于液晶顯示器被廣泛地使用，特別是在小型便攜液晶電視機(jī)領(lǐng)域，在所述的電視機(jī)領(lǐng)域已不在經(jīng)受關(guān)于其應(yīng)用和制造的一些嚴(yán)重的問題。但是，至于大屏幕電視顯示器，利用螺旋向列型液晶作為光控制材料的薄膜晶體管液晶顯示器(TFT LCD)和TFT作為一個(gè)象素開關(guān)元件，則要求相當(dāng)困難的制造工藝。此外，較大的TFT LCD變?yōu)橐环N低產(chǎn)量的產(chǎn)業(yè)。因此，在利用TFT CLD獲得大屏幕方面存在一個(gè)限制。從而，為了得到利用TFT CLD的大屏幕，TFTLCD被采用到一種投影機(jī)中，利用投影機(jī)作為控制來自通過電圖象信號(hào)的光源的光入射的圖象處理器，能夠很容易地實(shí)現(xiàn)大屏幕。


圖1表示用于由多個(gè)透鏡組成的一種常規(guī)液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。另外，圖2示意性表示一種常規(guī)液晶投影機(jī)的安排結(jié)構(gòu)。
在這種情況下，為保證鏡頭裝置30與屏之間的適當(dāng)距離，該常規(guī)液晶投影機(jī)應(yīng)當(dāng)是負(fù)焦距光學(xué)系統(tǒng)。其中后焦距，即從鏡頭裝置的最遠(yuǎn)的鏡片表面(R13)到屏的距離是相當(dāng)長(zhǎng)的。
如圖1所示，用于常規(guī)液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)總共有六片鏡片。其中第一鏡片是具有曲率半徑分別為R1和R2的兩個(gè)表面的平凸鏡，和第二鏡片是具有曲率半徑分別為R3和R4的兩個(gè)表面的凹凸透鏡。第一和第二透鏡構(gòu)成前鏡頭部分31。第三透鏡是其曲率半徑為R6和R7的凸透鏡，第四透鏡是具有其曲率半徑為R8和R9的兩個(gè)表面的凸透鏡，第五透鏡是其曲率半徑為R10和R11的凸透鏡，和第六透鏡是具有兩個(gè)表面其曲率半徑分別為R12和R13的凸透鏡。第三到第六鏡片組成后鏡部分32。光圈20被設(shè)置在前鏡頭部分31與后鏡頭部分32之間。
參照?qǐng)D2，在棱鏡46的光發(fā)射表南46a的前部設(shè)置投影光學(xué)系統(tǒng)30，該棱鏡46具有以各自的45°角相交的二色性濾光片46c和46d。三個(gè)LCD 48a、48b和48c被分別設(shè)置在三個(gè)光入射表面46g、46b和46r。從光源41獲得的紅、綠和蘭分別入射到LCD 48a、48b和48c。在光源41的前面，設(shè)置用于從向其投射的光束之中過濾紅外線的紅外濾光片44a。在紅外濾光片44a的前面設(shè)置用于展示和反射來自傳播光束中的綠光的第一分色鏡44b。在綠光的傳播路徑上設(shè)置用于反射綠光束進(jìn)入綠LCD 48a的第一全反射器42a。在經(jīng)第一分色鏡44b的光束傳送路徑，即紅光束路徑上設(shè)置用于反射蘭光束進(jìn)入蘭LCD 48b的第二分色鏡44c。另外，在經(jīng)第二分色鏡44c，即紅、蘭混合光束的傳送光束的路徑上設(shè)置用于反射紅光束進(jìn)入紅LCD 48c。第二和第三全反射器42b和42c。
在上述的現(xiàn)有技術(shù)中，從上述液晶投影機(jī)的特性方面來看，在投影圖象的亮度與室內(nèi)照明之間的較大反差是經(jīng)常需要的。此外，因?yàn)闃?gòu)成這樣一個(gè)投影機(jī)的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)必須是一個(gè)遠(yuǎn)心光系統(tǒng)(telecentric optical system)，從而增加了后鏡頭部分的有效直徑，這種增加由于較大的鏡頭尺寸，實(shí)現(xiàn)縮小體積很困難，所以是一個(gè)缺點(diǎn)。
現(xiàn)在，將要參照?qǐng)D1描述常規(guī)投影光學(xué)系統(tǒng)的鏡頭組態(tài)。
開始端五個(gè)透鏡具有曲率半徑R1和R11，第一至第五透鏡具有對(duì)稱高斯形式，更具體地講，具有一種遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的組態(tài)。另外，光圈20被安置在前鏡頭部分31與后鏡頭部分32之間。
另外，要求一種返遠(yuǎn)距焦點(diǎn)型鏡頭，以便達(dá)到較長(zhǎng)的后焦距，因此附加上第三凸透鏡(曲率半徑R12和R13)，該透鏡在波茨維爾和中產(chǎn)生一定程度的不對(duì)稱。因此，曲率半徑R4和R6與那些滿足常規(guī)高斯形式的透鏡稍有不同。
然而，在實(shí)現(xiàn)上述要求中(即，反遠(yuǎn)距焦點(diǎn)型鏡頭形式)，出現(xiàn)了另外的后鏡頭部分32的鏡頭直徑變大的問題。另外，在這種光學(xué)系統(tǒng)中，因?yàn)楹蠼咕噍^大，從而液晶投影器30的長(zhǎng)度也較長(zhǎng)。較大的投影器導(dǎo)致其制造成本的不可避免地上升。
此外，上述液晶投影機(jī)的聚焦是靠改變直徑D13調(diào)節(jié)的。但是，如果整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)被安裝在一個(gè)筒中，則制造和搬運(yùn)這樣的大筒必然是困難的。
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有緊湊的體積和呈現(xiàn)較好的聚焦性能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)包括具有從圖象平面的最遠(yuǎn)端順序地安排的，一個(gè)凹凸透鏡、第一凹透鏡、一個(gè)凸透鏡和第二凹透鏡的前鏡頭部分；和由設(shè)置在前鏡頭部分與圖象平面之間的兩個(gè)平凸透鏡組成的，以平凸透鏡的平面朝著圖象平面的后鏡頭部分。
本發(fā)明的上述目的和其他優(yōu)點(diǎn)通過結(jié)合附圖對(duì)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，將變得更為清楚，其中圖1是由多透鏡組成的用于常規(guī)液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖2示意性地表示常規(guī)液晶投影機(jī)的光學(xué)單元的安排結(jié)構(gòu)；圖3表示按照本發(fā)明的液晶投影機(jī)的示意組態(tài)；圖4表示按照本發(fā)明的液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)的示意性組態(tài)；圖5表示與本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例相連系的像差特性；圖6表示與本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例相連系的像差特性。
圖3表示采用單一平板型具有在機(jī)體上的紅、綠和蘭象素的彩色LCD的液晶投影機(jī)的示意圖。參照?qǐng)D3，光源141、紅外濾光片144、彩色LCD 148和投影光學(xué)系統(tǒng)130被設(shè)置在相同的光束傳播軸上。因此，具有上述組態(tài)的液晶投影機(jī)不再要求如圖2所示的那些鏡片，這樣也就不需要色彩混合的分色棱鏡。
單一平板型LCD如上所述具有比如圖2所示的具有三片LCD投影器較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，因此可以被更為緊湊地制造。另外，因?yàn)椴噬獿CD 148與光源141之間的距離縮小，投影機(jī)的整個(gè)長(zhǎng)度可以被縮短。
圖4表示按照本發(fā)明的實(shí)施例的液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)的鐿頭組態(tài)。這里，光學(xué)系統(tǒng)總共有六片鏡片。第一鏡片是具有曲率半徑分別為R1和R2的兩個(gè)表面凹凸鏡，第二個(gè)鏡片是具有曲率半徑分別為R4和R5的兩個(gè)表面的凹面鏡，第三個(gè)鏡片是曲率半徑分別為R6和R7凸面鏡，和第四個(gè)鏡片是曲率半徑分別為R8和R9具有兩個(gè)表面的凹面鏡。第一到第四鏡片形成一個(gè)前透鏡部分131。
另外，第五個(gè)是具有兩個(gè)曲率半徑分別為R10和R11的表面的平凹鏡，和第六個(gè)鏡片是具有兩個(gè)曲率半徑分別為R12和R13的表面的平凹鏡。第五和第六鏡片構(gòu)成后透鏡部分132。
為了使投影光學(xué)系統(tǒng)在保持液晶投影機(jī)的遠(yuǎn)心特性的同時(shí)，具有短的長(zhǎng)度，后聚焦長(zhǎng)度(d13)和光圈120(其曲率半徑是R3)與具有曲率半徑R13的鏡片之間的距離兩者都應(yīng)當(dāng)縮短。在前鏡頭部分131中采用遠(yuǎn)心型光學(xué)系統(tǒng)，以減小投影光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度。另外，為了補(bǔ)償具有曲率半徑R9的鏡片表面的擴(kuò)張角的增大，因此使光束垂直地入射到屏110，具有很強(qiáng)正聚散度的凸透鏡被用做為后鏡頭部分132的每個(gè)部件。
按照具有上述鏡片部件的用于液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)，通過考慮某些設(shè)計(jì)規(guī)范，因此可以有效地補(bǔ)償像差。首先，作為第一和第三鏡片(從如圖4所示的各鏡片安排的輸入側(cè)面言)要利用高折射和低散射的材料，以便能夠顯著地改善波茨維爾和對(duì)稱性的色差。接下來，通過公知的，即第三鏡片和第四鏡片之間的距離越長(zhǎng)，補(bǔ)償波茨維爾和及校正色散性能越好，鏡頭筒必須做得長(zhǎng)些并且每個(gè)鏡片應(yīng)當(dāng)具有較大的直徑，以便適應(yīng)這個(gè)加長(zhǎng)了的距離。為了這種原因，第三鏡片和第四鏡片之間的距離應(yīng)當(dāng)被設(shè)置為一個(gè)適當(dāng)?shù)闹怠?br> 最后，由第三、第四和第六鏡片引起的大的波茨維爾和被在具有曲率半徑R5和R8的鏡片表面抵消了。
另外，因?yàn)楫?dāng)所有鏡片部件都移動(dòng)時(shí)，聚焦是困難的，最好是分別地校正前鏡頭部分和后鏡頭部分像差，以便僅通過改變d9的數(shù)值實(shí)現(xiàn)聚焦。通過這樣做，每當(dāng)投影距離改變時(shí)，重新聚焦就能夠相當(dāng)容易地實(shí)現(xiàn)，并且節(jié)約了鏡頭筒成本的造價(jià)。
按照本發(fā)明的各實(shí)施例，因?yàn)榈谖搴偷诹R片具有大的直徑，因此采用平凸鏡作為第五和第六鏡片，其中具有曲率徑R11和R13的表面制造成平的，以便容易將其固定。
同時(shí)，鏡片的一個(gè)表面被制造成平的，當(dāng)后鏡頭部分132被從前鏡頭部分131分離時(shí)，還可以提供后鏡頭部分132的各鏡片間較小的距離。
表1表示按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的代表液晶投影器的投影光學(xué)系統(tǒng)的鏡片的技術(shù)要求。這里，n1～n12代表各個(gè)鏡頭材料的折射率，r1—r12還相應(yīng)的色散數(shù)字。
表1
這里，假設(shè)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)130的有效聚焦長(zhǎng)度是1，從具有曲率半徑R1的鏡片表面到屏110的總距離是1.249。
另一方面，表2表示按照本發(fā)明的第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的用于液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)的鏡片技術(shù)要求。
表2<
按照本發(fā)明的第一和第二實(shí)施例的用于液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)的像差特性分別表示在圖5和圖6。
在按照本發(fā)明的液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)中，假設(shè)有效焦距等于1，因此，當(dāng)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的正常放大率是1時(shí)，前鏡頭部分131的放大率是大約0.70和后鏡頭部分132的放大率是大約0.97。因此，較大的放大率集中在后鏡頭部分132。另一方面，前鏡頭部分131的長(zhǎng)度將被縮短，第四個(gè)鏡片的放大率預(yù)定地保持在-1.76，以便僅前鏡頭部分131具有遠(yuǎn)心組態(tài)。
選擇比由各實(shí)施例(表1和表2)支持的那些數(shù)據(jù)小的后鏡頭部分132的放大率不影響分辨能力。但是，作為后鏡頭部分132的放大率被減小3，前鏡頭部分131和后鏡頭部分132之間的距離應(yīng)當(dāng)是非常大的，以便保持遠(yuǎn)心特性。因此，保持范圍為從第一個(gè)鏡片到圖象板110的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度(即，d1＋d2＋d3＋d4＋d5＋d6＋d7＋d8＋d9＋d10＋d11＋d12＋d13)將小于1.3倍的有效焦距，后鏡頭部分132的放大率應(yīng)當(dāng)大于整個(gè)光學(xué)放大率的80％。
另一方面，當(dāng)后鏡頭部分132的放大率大于整個(gè)放大率的130％時(shí)，波茨維爾和與色差要超過，這樣要妨礙前鏡頭部分131的像差補(bǔ)償。
至于前鏡頭131，第一、第二和第三鏡片是常規(guī)的三件一套組成的透鏡，和以一個(gè)平凸透鏡、一個(gè)凹透鏡和一個(gè)凸透鏡以串聯(lián)方式聯(lián)接起來。另外，第四個(gè)鏡片用做前、后鏡頭部分的波茨維爾和的補(bǔ)償。由于具有正聚散度的第一和第三鏡片的波茨維爾和主要在具有曲率半徑R5和R8的鏡片表面被補(bǔ)償。其中，第一和第三鏡片產(chǎn)生的色差主要由第四鏡片來補(bǔ)償。
為了整個(gè)鏡頭的直徑較小的目的，光圈120位于具有曲率半徑R2和R4的鏡片表面之間。如果光圈120放置在具有曲率半徑R5和R6的鏡片表面之間，則第一和第四鏡片應(yīng)當(dāng)具有較大的直徑，以便保持施加到該鏡頭裝置上的恒定的照度，及保持在光圈120的輸入側(cè)的鏡片間的距離。
通過實(shí)驗(yàn)已顯示出，按照本發(fā)明的投影光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于比常規(guī)的大的投影角的情況下改善了聚焦結(jié)果。在1.00視場(chǎng)情況下，環(huán)境照度仍然保持在48％以上和第一、第四鏡片的有效半徑能被減小到低于50％。因此，可以實(shí)現(xiàn)鏡片材料和制造成本的節(jié)約。
如上所述，按照本發(fā)明的用于液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)更為緊湊的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度小于有效焦距的125％，從而減少了制造成本。進(jìn)一步來說，一種低折射的，低色散的、不昂貴的材料(例如，BK—7)可以理想地用后鏡頭部分的凸透鏡，從而降低了材料成本。此外，甚至在有良的條件下，這種投影光學(xué)系統(tǒng)仍顯示了改善的圖象形成特性，在這種系統(tǒng)中所顯示的圖象角比現(xiàn)有技術(shù)的大的很多。
權(quán)利要求
1.一種用于液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)前鏡頭部分，該部分具有順序地安排在圖象平面的最遠(yuǎn)部分的一個(gè)凹凸透鏡、第一凹透鏡、一個(gè)凸透鏡和第二凹透鏡；和一個(gè)后鏡頭部分，該部分包括安置在所述前鏡頭部分與圖象平面之間的兩個(gè)平凸透鏡，所述兩個(gè)平凸透鏡的平面表面朝著所述圖象平面。
2.按照權(quán)利要求1所要求的用于液晶投影機(jī)的投影光系統(tǒng)，所述包括在所述前鏡頭部分的所述凹凸鏡與所述第一凹透鏡之間的一個(gè)光圈，所述光圈設(shè)置在與所述第凹透鏡相鄰的位置。
3.按照權(quán)利要求1所要求的用于液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)，其中所述各透鏡滿足以下關(guān)系(1)f/1.3≤fback＜f/0.8(2)f/2.0≤｜f4｜＜f/1.4(3)n6＞1.75(4)n10＞1.55(5)n12＞1.55(6)p10＞60(7)p12＞60(8)0.8≤R5/R1＜102其中f是整個(gè)投影光學(xué)系統(tǒng)的焦距，fback是所述后鏡頭部分的焦距，f4是所述第二凹透鏡的焦距，n6是所述不朝著圖象平面的凸透鏡的表面的折射系數(shù)，n10和n12是所述各平凸透鏡的各自凸表面的折射系數(shù)，r10和r12是所述各平凸透鏡的凸表面的色散系數(shù)，R1是所述不朝著圖象平面的凹凸鏡的表面的曲率半徑，和R5是所述朝著圖象平面的第一凹透鏡的表面的曲率半徑。
4.按照權(quán)利要求1所要求的液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)，其中所述后鏡頭部分的放大率大于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)放大率的85％。
5.按照權(quán)利要求4所要求的液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)，其中所述投影光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度與從所述投影光學(xué)系統(tǒng)到所述圖象平面的距離小于所述投影光學(xué)系統(tǒng)的有效焦距的130％。
6.按照權(quán)利要求5所要求的液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)，其中主光束入射到所述圖象平面的角度是在80°和100°之間。
7.按照權(quán)利要求1所要求的液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)，其中所述所鏡頭部分的所述平凸鏡具有在所述投影光學(xué)系統(tǒng)中最低的放大率。
8.按照權(quán)利要求1所要求的液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)，其中聚焦操作是通過調(diào)節(jié)所述后鏡頭部分與所述前鏡頭部分之間的距離執(zhí)行的。
全文摘要
一種用于液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)具有多個(gè)透鏡和將圖像從液晶顯示裝置投影到一個(gè)屏上，該光學(xué)系統(tǒng)包括具有順序地安置在圖像平面的最前方的一個(gè)凹凸鏡、一個(gè)第一凹透鏡、一個(gè)凸透鏡和一個(gè)第二凹透鏡的前鏡頭部分；和具有兩個(gè)放置在前鏡頭部分與圖像平面(顯示屏)之間的平凸透鏡，且該平凸透鏡的平面朝著圖像平面的后鏡頭部分。該用于液晶投影機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)具有緊湊的尺寸和可以通過調(diào)整前后鏡頭部分之間的距離在屏上投影聚焦的圖像。
文檔編號(hào)G02B13/24GK1122457SQ94112930
公開日1996年5月15日 申請(qǐng)日期1994年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月28日
發(fā)明者金厚植 申請(qǐng)人:三星航空產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社