專利名稱：液晶顯示設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液晶顯示設(shè)備，較具體地，涉及一種利用象全息光學元件這樣的光學器件的彩色液晶顯示設(shè)備。
已知有一種液晶顯示(LCD)設(shè)備，它將從一個背部光源發(fā)出的光照射到一個液晶(LC)器件上，由此顯示出彩色圖象。這種LCD設(shè)備利用了對應(yīng)于LC器件各個象素的紅(R)、綠(G)和藍(B)色濾光片。當來自背部的光源的光穿越了各個彩色濾光片之后變成了有顏色的光，這種LCD設(shè)備就是利用這一點來顯示彩色圖象的。
然而，當來自背部光源的光穿越這種LCD設(shè)備的彩色濾光片時，彩色濾光片要吸收補色成分的光。因此這種LCD設(shè)備在利用背部光源的光的效率方面是差的，并且有顏色顯示暗淡的缺點。
考慮到上述情況，近來又開發(fā)了一種LCD設(shè)備，它通過利用全息光學元件而改善了光的利用效率。這種LCD設(shè)備在光源和LC器件之間設(shè)置有一個全息光學元件。這種全息光學元件把來自背部光源的平行光分離成具有R、G、B波長的光成分。分離的光被分別會聚到LC器件的相應(yīng)顏色的象素上。于是，各個波長的光可以無浪費地進入LC器件的各個相應(yīng)象素。
這種LCD設(shè)備的全息光學元件的多個衍射光柵中的每個光柵都將衍射以某個入射角度(入射角)入射的平行光中的每種波長的光。由于對于光的不同的波長，衍射角也將不同，所以各個波長的光能夠進入LC器件的各相應(yīng)象素。
這種全息光學元件對各個波長的光的衍射角和衍射效率由光對全息光學元件的入射角確定。因此，入射到LC器件各個象素上的光強度不是固定的，而是隨波長的不同而不同。通常使用的全息光學元件在R、G、B波長成分中對G波長成分有最高的衍射效率。因此，要獲得R、G、B三色平衡的優(yōu)良彩色特性是困難的。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供這樣一種LCD設(shè)備，它能夠得到R、G、B三色平衡的優(yōu)良彩色特性。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面的一種LCD設(shè)備包括一個光源(1，2)，用來提供一個基本平行的光束；一個LC器件(7)，它含有許多象素；一個第一全息光學元件(5，15)，用來把來自光源(1，2)以基本平行的光束分離成多個不同波長段的光束，并分別以各自不同的方向出射這些分離的光束；以及一個第二全息光學元件(6，16)，用來把自第一全息光學元件(5，15)出射的多個不同波長段的光束按照不同的波段引導到LC器件(7)的各預定象素上。
由第一全息光學元件分離的多個不同波長段的光束以不同的入射角射向第二全息學光元件。因此，第二全息光學元件能夠使入射到LC器件各個象素上的各種光成分的強度對各個波長段基本相同。
于是，這種LCD設(shè)備能夠得到R、G、B三色平衡的極佳的顏色特性。
根據(jù)本發(fā)明另一個方面的一種LCD設(shè)備包括一個光源(1，2)，用來提供一種基本平行的光束；一個LC器件(7)，它有許多象素；一個棱鏡(20，25)，用來把來自光源(1，2)的基本平行的光束分離成多個不同波長段的光束，并分別以各自不同的方向出射這些分離的光束；以及一個全息光學元件(21，26)，用來把自棱鏡(20，25)出射的多個不同波長段的光束按照不同的波長段引導到LC器件(7)的各個預定象素上。
由棱鏡分離的多個不同波長段的光束以不同的入射角射向全息光學元件。因此，全息光學元件能夠使入射到LC器件的各個象素上的各相應(yīng)波長段的光成分的強度基本相同。
于是，這種LCD設(shè)備能夠得到R、G、B三色平衡的極佳的彩色特性。
根據(jù)本發(fā)明的再一個方面的一種LCD設(shè)備包括一個光源(1，2)，用來提供一個基本平行的光束；一個LC器件(7)，它有許多象素；一個全息光學元件(51)，用來把來自光源(1，2)的基本平行的光束分離成多個不同波長段的光束，并分別以不同的方向出射這些分離的光束；以及一個透鏡(50)，用來把自全息光學元件(51)出射的多個不同波長段的光束按照不同的波長段引導到LC器件(7)的各個預定象素上。
由全息光學元件分離的多個不同波長段的光束以各種不同的入射角進入透鏡。因此，該透鏡能夠使入射到LC器件各個象素上的各相應(yīng)波長段的光成分的強度基本相同。
于是，這種LCD器件能夠得至R、G、B三色平衡的極佳的顏色特性。
換言之，根據(jù)本發(fā)明的LCD設(shè)備包括一個光源(1，2)，用來提供一個基本平行的光束；一個LC器件(7)，它有許多象素；第一光學裝置(5，15；20，25；51)，用來把來自光源(1，2)的基本平行的光束分離成多個不同波長段的光束，并分別以不同的方向出射這些分離的光束；以及第二光學裝置(6，16；21，26，50)，用來把自第一光學裝置(5，15；20，25；51)出射的多個不同波長段的光束按照不同的波長段引導到LC器件(7)的各個預定象素上。


圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的一個LC投影器的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2是示出圖1的LC投影器中的綠(G)光波長成分的光路的圖；圖3是示出圖1的LC投影器中的紅(R)光波長成分的光路的圖；圖4是示出圖1的LC投影器中的藍(B)光波長成分光路的圖；圖5是畫出圖1的LC投影器的第二全息光學元件的衍射效率的圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LC投影器的第一種改型的圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LC投影器的第二種改型的圖；圖8是說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的LC投影器的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的LC投影器的第一種改型的圖；圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的LC投影器的第二種改型的圖；圖11是說明根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的LC投影器的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖12是示出圖11的LC投影器中的綠(G)光波長成分的光路的圖；圖13是示出圖11的LC投影器中的紅(R)光波長成分的光路的圖；圖14是示出圖11的LC投影器中的藍(B)光波長成分的光路的圖；圖15是說明根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的LC投影器的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖16是說明根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的LC投影器的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖17是示出從圖16的燈到LC器件的各象素的光路的圖；圖18是示出與各個單元象素相相應(yīng)的各個微透鏡的形狀的圖19是示出與各個單元象素相對應(yīng)的各個微透鏡的另外的形狀的圖。
第一實施例圖1說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LCD投影器的結(jié)構(gòu)。
在該LC投影器中，一個發(fā)出白光的燈1位在一個拋和面反射鏡2的焦點處。反射鏡2把來自燈1的光反射成平行于一個光軸3的平行光。在反射鏡2的反射光一側(cè)垂直于光軸3設(shè)置有一個能透射規(guī)定的偏振光成分的偏振片4。(這個偏振片4以下將稱為“入射方偏振片?！?入射方偏振片4的出射光一側(cè)布置有一個相對于光軸3按預定角度傾斜的第一全息光學元件5。于是，一個通過了入射方偏振片4的具有規(guī)定偏振光成分的平行光以預定的入射角射入第一全息光學元件5。在第一全息光學元件5的出射光一側(cè)，設(shè)置有一個平行于第一全息光學元件5的第二全息光學元件6。在第二全息光學元件6的出射光一側(cè)，設(shè)置有一個平行于第二全息光學元件6的LC器件7。在LC器件7的出射光一側(cè)，設(shè)置有一個平行于LC器件7并且能通過規(guī)定偏振光成分的偏振片8(以下稱為“出射方偏振片”)。位在出射方偏振片8的出射光一側(cè)的是一個投影透鏡9，它用來把通過了出射方偏振片8的光投影成一個圖象。
LC器件7含有密封在一對透明基底之間的液晶，在透明基底上形成了點陣形式的電極，從而許多個象素也以點陣形式排列。在光入射的那個基底上在各個象素之間設(shè)置有一個黑色陣列BM，用來防止漏光。LC器件7有許多單元象素，每個單元象素由一組三色(R、G、B)象素組成。每個象素的一條邊長為54μm，象素之間的間距為88μm。該LC器件7還配置有R、G、B彩色濾光器。不過該LC器件也可以沒有彩色濾光器。
入射方偏振片4讓含在發(fā)射自燈1并經(jīng)過反射鏡2反射的平行光之中的某種規(guī)定的偏振光成分(例如，或者是線偏振S光成分，或者是線偏振P光成分)通過。出射方偏振片8讓自LC器件7射出的光中的某種規(guī)定的偏振光成分通過。
第一全息光學元件5用其上的各個衍射光柵衍射各種波長的光。被第一全息光學元件5衍射的光的衍射角隨波長的不同而不同。第一全息光學元件5的各個衍射光柵具有均勻的光柵柵距d(＝2.182mm)。
第一全息光學元件5相對于燈1的光軸3的傾斜角為23°，其目的是使R、G、B三個波長成分的光(以下稱作“R波長成分光”、“G波長成分光”和“B波長成分光”)分別以不同的規(guī)定入射角入射到第二全息光學元件6上。結(jié)果，對于第一全息光學元件5光的入射角變?yōu)?3°。第一全息光學元件5對入射角為23°的入射光衍射，得到具有各種隨波長的不同而不同的角度的出射光。從第一全息光學元件5出射的R波長成分光(λ＝640nm)的角度為43°。從第一全息光學元件5出射的G波長成分光(λ＝550nm)的角度為40°。從第一全息光學元件5出射的B波長成分光(λ＝460nm)的角度為37°。
第二全息光學元件6對各種波長的光衍射。被第二全息光學元件6所衍射的光的衍射角隨波長的不同而不同。第二全息光學元件6使以相應(yīng)于各個波長成分的規(guī)定入射角從第一全息光學元件5射來的入射光進入到LC器件7中對應(yīng)于各個顏色的各相應(yīng)象素上。如圖2至4所示，第二全息光學元件6含有許多以與LC器件7的各單元象素(每個單元象素由一組三種顏色(R、G、B)的象素所組成)相對應(yīng)的方式排列的單元全息光學元素。這些單元全息光學元素在圖2至4中的H A點處對R波長有最大的衍射效率，在圖2至4中的HB點處對G波長有最大的衍射效率，在圖2至4中的HC點處對B波長有最大的衍射效率。因此，HA點外的衍射光柵柵距dA設(shè)定為1.006nm，HB點外的衍射光柵柵距dB設(shè)定為0.848nm，HC點處的衍射光柵柵距dC設(shè)定為0.733nm。如圖5所示，第二全息光學元件6的特性是，當各個波長成分的光以入射角40°入射時G波長成分光的衍射效率是高的，當各個波長成分的光以入射角43°入射時R波長成分光的衍射效率是高的，當各個波長成分的光以入射角37°入射時B波長成分光的衍射效率是高的。
第二全息光學元件6與第一全息光學元件5的間隔約為10μm。第二全息光學元件6與LC器件7的光入射表面的間距的為1100μm。
現(xiàn)在將說明這種LC投影器的工作過程。
在這種LC投影器中，如圖1所示，來自燈1的光被反射鏡2反射，變成平行于光軸3的平行光。該平行光垂直地入射到入射方偏振片4上，該偏振片4有選擇地讓規(guī)定偏振光成分的光通過。由入射方偏振片4選出的規(guī)定偏振光成分的光以入射角23°射入第一全息光學元件5。如圖2至4所示，入射到第一全息光學元件5上的R、G、B波長成分的光被第一全息光學元件5以不同的衍射角衍射，分別以不同的出射角從中射出。對于各個波長成分的光來說，它們離開第一全息光學元件5后分別以最優(yōu)的入射角射入第二全息光學元件6。入射到第二全息光學元件6的各個波長成分的光被會聚到LC器件7中對應(yīng)于各個顏色的相應(yīng)象素上。
下面將分別對R、G、B波長成分具體討論上述情況。
如圖2所示，以入射角23°射入到第一全息光學元件5上的G波長成分光受到衍射，并以出射角40°自第一全息光學元件5射出。離開第一全息光學元件5的光以入射角40°射入第二全息光學元件6。入射到第二全息光學元件6的HB點的光基本上垂直地離開第二全息光學元件6，并射向LC器件7的關(guān)于G的相應(yīng)象素上。入射到第二全息光學元件6的HA點的光以預定的出射角離開第二全息光學元件6，并射向LC器件7的關(guān)于G的相應(yīng)象素上。入射到第二全息光學元件6的HC點的光以預定的出射角離開第二全息光學元件6，并射向LC器件7的關(guān)于G的相應(yīng)象素上。
如圖3所示，以入射角23°射入到第一全息光學元件5上的R波長成分光受到衍射，并以出射角43°從第一全息光學元件5射出。離開第一全息光學元件5的光以入射角43°射入第二全息光學元件6。入射到第二全息光學元件6的HA點的光基本上垂直地離開第二全息光學元件6，并射向LC器件7的關(guān)于R的相應(yīng)象素上。入射到第二全息光學元件6的HB點的光以預定的出射角離開第二全息光學元件6，并射向LC器件7的關(guān)于R的相應(yīng)象素上。入射到第二全息光學元件6的HC點的光以預定的出射角離開第二全息光學元件6，并射向LC器件7的關(guān)于R的相應(yīng)象素上。
如圖4所示，以入射角23°射入到第一全息光學元件5上的B波長成分光受到衍射，并以出射角37°自第一全息光學元件5射出。離開第一全息光學元件5的光以入射角37°射入第二全息光學元件6，入射到第二全息光學元件6的HC點的光基本垂直地離開第二全息光學元件6，并射向LC器件7的關(guān)于B的相應(yīng)象素上。入射到第二全息光學元件6的HB點的光以預定的出射角離開第二全息光學元件6，并射向LC器件7的關(guān)于B的相應(yīng)象素上。入射到第二全息光學元件6的HA點的光以預定的出射角離開第二全息光學元件6，并射向LC器件7的關(guān)于B的相應(yīng)象素上。
如上所述，根據(jù)這種LC投影器，自燈1射出的并被反射鏡2反射的平行光被第一全息光學元件5按不同的波長以不同的衍射角衍射。也就是說，從第一全息光學元件5出射的各個波長成分的光分別以它們最優(yōu)的入射角射入第二全息光學元件6。因此有可能改善第二全息光學元件6對各個波長成分的光的衍射效率。也就是說，第二全息光學元件6能夠有效地把各個波長成分的光會聚到LC器件的對應(yīng)顏色的相應(yīng)象素上。通過了LC器件7和出射方偏振片8的各個波長成分的光被投影透鏡9投影成一個圖象。其結(jié)果是能夠獲得一個鮮艷明亮的投影圖象。
在上述的說明中，僅僅討論了R波長成分(λ＝640nm)、G波長成分(λ＝550nm)和B波長成分(λ＝460nm)的光路。不過自燈1發(fā)射的光的波長并不限于這三種。
例如，位在R和G波長成分之間的一個波長成分的光以出射角40°至43°自第一全息光學元件5射出。第一全息光學元件5的出射光被第二全息光學元件6衍射。第二全息光學元件6的出射光按照其波長的不同而射向LC器件7的一個R象素、黑色陣列BM、和LC器件7的一個G象素。換言之，R波長成分附近的一個給定波長段的光射入LC器件7的一個R象素，G波長成分附近的一個給定波長段的光射入LC器件7的一個G象素。
不屬于上兩個波長段中任一個波長段的黃光被黑色陣列BM吸收。因此，盡管LC器件7不帶有彩色濾光片，離開LC器件7的光的顏色也不會變得不鮮艷。
雖然上述的LC投影器含有兩個互相并列的帶全息光學元件5和第二全息光學元件6，但光路布局并不局限于這種特定的形式，而是可以采用如圖6或圖7所示的形式。
在圖6所示的第一種改型中，在入射方偏振片4的出射光一側(cè)布置了一個玻璃材料或類似材料的透明板10，它相對于光軸3以預定的角度(23°)傾斜。第一全息光學元件5設(shè)置在該透明板10的光入射表面上，第二全息光學元件6設(shè)置在該透明板10的光出射表面上。
在圖7所示的第二種改型中，在入射方偏振片4的出射光的一側(cè)布置了一個玻璃材料或類似材料的透明板10，它相對于光軸3以預定的角度(23°)傾斜。第一全息光學元件5設(shè)置在該透明板10的光出射表面上，第二全息光學元件6設(shè)置在第一全息光學元件5的光出射表面上。
根據(jù)第一種和第二種改型的LC投影器具有與第一實施例的LC投影器相當一致的功能和優(yōu)點。
第二實施例圖8是說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的LCD投影器的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。為了避免多余的說明，本實施例中與第一實施例的相應(yīng)元部件相同的那些元部件用相似或相同的代號表示。
入射方偏振片4設(shè)置于反射鏡2的反射光一側(cè)，垂直于光軸3，其中的反射鏡2把來自燈1的光反射成平行于光軸3的平行光。在入射方偏振片4的出射光一側(cè)布置了一個垂直于光軸3的第一全息光學元件15，作為一個偏轉(zhuǎn)光學元件。于是，通過了入射方偏振片4的具有規(guī)定偏振光成分的平行光垂直地射入第一全息光學元件15。在第一全息光學元件15的出射光一側(cè)設(shè)置有一個平行于第一全息光學元件15的第二全息光學元件16。在第二全息光學元件16的出射光一側(cè)依次地設(shè)置了垂直于光軸3的LC器件7、出射方偏振片8和投影透鏡9。
第一全息光學元件15以其上的各個衍射光柵去衍射各種波長的光。被第一全息光學元件15衍射的光的衍射角隨波長的不同而不同。第一全息光學元件15的各個衍射光柵具有均勻一致的柵距d(＝0.856nm)。第一全息光學元件15使R、G、B三個波長成分的光以不同的角度出射。R、G、B波長成分的光分別以它們的規(guī)定的入射角射入第二全息光學元件16。具有地說，R波長成分光(λ＝640nm)以48.4°的角度從第一全息光學元件15射出。G波長成分光(λ＝550nm)以40°的角度從第一全息光學元件15射出。B波長成分光(λ＝460nm)以32.5°的角度從第一全息光學元件15射出。
第二全息光學元件16衍射所有波長的光。被第二衍射元件16衍射的光的衍射角隨波長的不同而不同。第二衍射光學元件16使以各自的規(guī)定入射角入射的光分別進入到LC器件7的各個相應(yīng)顏色的象素上。第二全息光學元件16含有許多單元全息光學元素，它們的排列與LC器件7的各個單元象素相對應(yīng)，其中每個單元象素均由一組三色(R、G、B)的象素所組成。這些單元全息光學元素具有許多以與第一實施例中的單元全息光學元素相同的方式形成的衍射光柵。在第二全息光學元件16中，HA點處的衍射光柵柵距dA設(shè)定為3.141nm，HB點處的衍射光柵柵距dB，設(shè)定為2.182nm，HC點處的衍射光柵柵距dC設(shè)定為1.624nm。
從上面的討論可以清楚地看出，根據(jù)這種LC投影器，自燈1射出并被反射鏡2反射的平行光被第一全息光學元件15按照不同的波長以不同的衍射角衍射。也就是說，第一全息光學元件15的各種不同波長成分的出射光以各自的最優(yōu)入射角射入第二全息光學元件16。因此有可能改善第二全息光學元件16對各個波長成分的光的衍射效率。也就是說，第二全息光學元件16能夠有效地把各個波長成分的光聚集到LC器件7的各種對應(yīng)顏色的相應(yīng)象素上。其結(jié)果是能夠獲得鮮艷明亮的投影圖象。
由于光是垂直地入射到第一全息光學元件15上的，所以如果入射光是一種S偏振光成分，則第一全息光學元件15上的反射可以被最小化。由于是一種規(guī)定的偏振光成分的光垂直地射入到第一全息光學元件15上，所以在第一全息光學元件15的背面反射所產(chǎn)生的橢圓偏振光比較少。于是有可能有效地并且較少浪費地利用入射到第一全息光學元件15上的光。
再有，因為燈1、反射鏡2、和入射方偏振片4以一直線的方式排列，所以這種LC投影器可以做得比第一實施例中的LC投影器更為緊湊。
雖然上述的LC投影器具有兩個并列的第一和第二全息光學元件15和16，但布局方式并不局限于這種特定的形式，而是也可以做成為如圖9或圖10所示那樣的形式。
在圖9所示的第一種改型中，在入射方偏振片4的出射光一側(cè)，布置了一垂直于光軸3的玻璃的或類似材料的透明板10。第一全息光學元件15設(shè)置在該透明板10的光入射表面上，第二全息光學元件16設(shè)置在第一全息光學元件15的光出射表面上。
在圖10所示的第二種改型中，在入射方偏振片4的出射光一側(cè)布置了垂直于光軸3的透明板10。第一全息光學元件15設(shè)置在該透明板10的光出射表面上，第二全息光學元件16設(shè)置在第一全息光學元件15的光出射表面上。
根據(jù)第一種改型的第二種改型的LC投影器具有與第二實施例的LC投影器相當一致的功能和優(yōu)點。
與第一實施例的LC投影器中的入射光相比，在根據(jù)第二實施例的LC投影器中射向LC器件7的光是傾斜的。因此投影透鏡9最好布置得相對于LC器件7的位置有一定的移動。
第三實施例圖11是說明根據(jù)本發(fā)明第三實施例的一種LCD投影器的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。為了避免多余的說明，本實施例中與第一實施例的相應(yīng)元部件相同的那些元部件用相同或相似的代號表示。
在反射鏡2的反射光的一側(cè)設(shè)置了一個垂直于光軸3的入射方偏振片4，其中反射鏡2把來自燈1的光反射成平行于光軸3的平行光。在入射方偏振片4的出射光一側(cè)設(shè)置了一個光學元件棱鏡20。棱鏡20有一個傾斜于光軸3的光入射表面和一個垂直于光軸3的光出射表面。在棱鏡20的出射光一側(cè)布置了一個垂直于光軸3的全息光學元件21。在全息光學元件21的出射光一側(cè)依次地布置了垂直于光軸3的LC器件7、出射方偏振片8和投影透鏡9。
棱鏡20使通過了入射方偏振片4的具有規(guī)定偏振光成分的平行光按其不同的波長以不同的角度發(fā)生折射，并讓這些折射的光離開。棱鏡20的光入射表面相對于光出射表面的傾斜角約為38.2°，如圖12至14所示。所以，光對棱鏡20的入射角約為38.2°棱鏡20的折射率為1.962。R波長成分光(λ＝640nm)約以41.7°的角度從棱鏡20射出。G波長成分光(λ＝550nm)約以40°的角度從棱鏡20射出。B波長成分光(λ＝460nm)約以39°的角度從棱鏡20射出。
全息光學元件21對所有波長的光衍射。被全息光學元件21衍射的光的衍射角隨波長的不同而不同。全息光學元件21使各自以規(guī)定的入射角入射的光分別射入到LC器件7的各個對應(yīng)顏色的相應(yīng)象素上。該全息光學元件21有許多單元全息光學元素，它們的排列與LC器件7的各個單元象素相對應(yīng)，其中每個單元象素由一組三色(R、G、B)的象素組成。這些單元全息光學元素具有其形成方法與第一實施例的單元全息光學元素相同的衍射光柵。在全息光學元件21中，HA點的衍射光柵柵距dA設(shè)定為1.006nm，HB點的衍射光柵柵距dB設(shè)定為0.848nm，HC點的衍射光柵柵距dC設(shè)定為0.733nm。
全息光學元件21位在距棱鏡20的光出射表面約10μm，距LC器件7的光入射表面約1100μm處。
下面將討論這種LC投影器的工作過程。
在該LC投影器中，如圖11所示，來自燈1的光被反射鏡2反射成平行于光軸3的平行光。該平行光垂直地射入入射方偏振片4，后者有選擇地讓一種規(guī)定的偏振光成分通過。被入射方偏振片4選出的具有規(guī)定偏振光成分的光以入射角38.2°射入棱鏡20。射入棱鏡20的R、G、B波長成分的光被棱鏡20以不同的折射角折射，并分別以不同的出射角從棱鏡20射出，如圖12-14所示。離開棱鏡20的各個波長成分的光分別以各自的最優(yōu)入射角射入全息光學元件21。射入全息光學元件21的各個波長成分的光被會聚到LC器件7的各個對應(yīng)顏色的相應(yīng)象素上。
下面將分別對R、G、B波長成分具體討論上述情況。
如圖12所示，以入射角38.2°射入棱鏡20的G波長成分光受到折射，并以出射角40°離開棱鏡20。離開棱鏡20的光以入射角40°射入全息光學元件21。入射到全息光學元件21的HB點的光基本垂直地離開全息光學元件21，并射到LC器件7的關(guān)于G的相應(yīng)象素上。入射到全息光學元件21的HA點的光以預定的出射角離開全息光學元件21，并射到LC器件7的關(guān)于G的相應(yīng)象素上。入射到全息光學元件21的HC點的光以預定的出射角離開全息光學元件21，并射到LC器件7的關(guān)于G的相應(yīng)象素上。
如圖13所示，以入射角38.2°射入棱鏡20的R波長成分光受到折射，并以出射角41.7°離開棱鏡20。離開棱鏡20的光以入射角41.7°射入全息光學元件21。入射到全息光學元件21的HA點的光基本垂直地離開全息光學元件21，并射到LC器件7的關(guān)于R的相應(yīng)象素上。入射到全息光學元件21的HB點的光以預定的出射角離開全息光學元件21，并射到LC器件7的關(guān)于R的相應(yīng)象素上。入射到全息光學元件21的HC點的光以預定的出射角離開全息光學元件21，并射到LC器件7的關(guān)于R的相應(yīng)象素上。
如圖14所示，以入射角38.2°射入棱鏡20的B波長成分光受到折射，并以出射角39°離開棱鏡20。離開棱鏡20的光以入射角39°射入全息光學元件21。入射到全息光學元件的HC點的光基本垂直地離開全息光學元件21，并射到LC器件7的關(guān)于B的相應(yīng)象素上。入射到全息光學元件21的HB點的光以預定的出射角離開全息光學元件21，并射到LC器件7的關(guān)于B的相應(yīng)象素上。入射到全息光學元件21的HA點的光以預定的出射角離開全息光學元件21，并射到LC器件7的關(guān)于B的相應(yīng)象素上。
如上所述，根據(jù)這種LC投影器，自燈1射出并被反射鏡2反射的平行光被第一全息光學元件5按不同波長以不同的衍射角衍射。也就是說，從棱鏡20射出的各個波長成分的出射光分別以各自的最優(yōu)入射角射入全息光學元件21。因此有可能改善全息光學元件21的對各個波長成分光的衍射效率，使得各個波長的光能夠被全息光學元件21有效地衍射并有效地會聚到LC器件7的各個對應(yīng)顏色的相應(yīng)象素上。從而，能夠獲得鮮艷明亮的投影圖象。
第四實施例圖15是說明根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的一種LCD投影器的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。為了避免多余的說明，本實施例中與第三實施例中相應(yīng)元部件相同的那些元部件用相似或相同的代號表示。
在反射鏡2的反射光一側(cè)垂直于光軸3設(shè)置有一個入射方偏振片4，其中反射鏡2把來自燈1的光反射成平行于光軸3的平行光。在入射方偏振片4的出射光一側(cè)垂直于光軸3布置有一個光學元件棱鏡透鏡25。在棱鏡透鏡25的出射光一側(cè)垂直于光軸3設(shè)置有一個全息光學元件26。在全息光學元件26的出射光一側(cè)依次地布置了垂直于光軸3的LC器件7、出射方偏振片8、和投影透鏡9。
棱鏡透鏡25以隨著波長的不同而不同的角度衍射通過了入射方偏振片4的具有規(guī)定偏振光成分的平行光，并讓被衍射的光離開。棱鏡透鏡25的光入射表面是鋸齒狀的透鏡表面。棱鏡透鏡25的出射光表面是一個垂直于光軸3的平面。棱鏡透鏡25含有許多微棱鏡透鏡25a，它們對應(yīng)于LC器件7的各個單元象素，其中每個單元象素由三個顏色(R、G、B)的象素組成。在該情形中，每個微棱鏡透鏡25都有一個相對于光出射平面傾斜38.2°角度的光入射透鏡表面。每個微棱鏡透鏡25a的折射率都是1.926。R波長成分光(λ＝640nm)以角度41.7°離開棱鏡透鏡25。G波長成分光(λ＝550nm)以角度40°離開棱鏡透鏡25。B波長成分光(λ＝460nm)以角度39°離開棱鏡透鏡25。
全息光學元件26和第三實施例中的相同，它把R波長成分光、G波長成分光和B波長成分光分別會聚到各相應(yīng)象素上。
如上所述，根據(jù)這種LC投影器，自燈1發(fā)射并被反射鏡2反射的平行光被棱鏡透鏡25以隨波長的不同而不同的衍射角衍射，也就是說，從棱鏡透鏡25出射的各個波長成分的光以它們各自的最佳入射角射入全息光學元件26。因此有可能改善全息光學元件26對各個波長成分的光的衍射效率，從而可以利用全息光學元件26把各個波長成分的光有效地衍射并會聚到LC器件7的各個對應(yīng)顏色的相應(yīng)象素上。這能夠給出一個鮮艷明亮的投影圖象。
第四實施例中組成棱鏡透鏡25的各個微棱鏡透鏡25a與LC器件7的各個單元象素相對應(yīng)，其中每個單元象素均由三種顏色(R、G、B)的象素所組成。不過，微棱鏡透鏡25a也可以分別與LC器件7的各個象素相對應(yīng)。
第五實施例圖16是說明根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的一種LCD投影器的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
為了避免多余的說明，該實施例中與第一實施例的相應(yīng)元部件相同的那些元部件用相似或相同的代號表示。
在該LC投影器中，燈1位在一個具有拋物面表面的反射鏡2的焦點上。反射鏡2把燈1所產(chǎn)生的光反射成平行于光軸3的平行光。在反射鏡2的反射光一側(cè)設(shè)置有一個全息光學元件51，它相對于光軸3傾斜一個預定的角度。在全息光學元件51的出射光一側(cè)設(shè)置有一個平行于全息光學元件51的入射方偏振片4，它有選擇地讓一種規(guī)定的偏振光成分通過。在該入射方偏振片4的出射光一側(cè)設(shè)置有一個平行于入射方偏振片4的平板型聚光透鏡50。在聚光透鏡50的出射光一側(cè)設(shè)置有一個平行于聚光透鏡50的LC器件7。在LC器件7的出射光一側(cè)設(shè)置有一個平行于LC器件7的出射方偏振片8，它有選擇地讓通過了LC器件7的光中的一種規(guī)定的偏振光成分通過。位在出射方偏振片8的出射光一側(cè)的是投影透鏡9，它用來把通過了出射方偏振片8的光投影成一個圖象。
LC器件7含有密封在一對透明基底之間的液晶，在透明基底上以點陣的形式形成了許多電極，從而許多象素以點陣的形式排列。在光入射的那個基底上在各個象素之間設(shè)置了一個用來防止漏光的黑色陣列BM。如圖18所示，LC器件7有許多循環(huán)排列的單元象素，每個單元象素都由一組三色(R、G、B)的象素組成。R、G、B各個象素沿著下面將討論的全息光學元件51的分光方向以B、G、R的順序排列(圖18中從到右)。這種LC器件7設(shè)置有R、G、B彩色濾光片。然而LC器件7也可以不設(shè)置彩色濾光片。
全息光學元件51用其各個衍射光柵衍射所有波長的光。被全息光學元件51衍射的光的衍射角隨波長的不同而不同。如圖17所示，自燈1發(fā)射并被反射鏡2反射的平行光以預定的入射角射入全息光學元件51。全息光學元件51把各個波長段的入射光分離成一些平行光。也就是說，全息光學元件51的衍射光柵是制作得具有均勻的柵距的。全息光學元件51把G波長段的光衍射得基本上朝向法線方向，并使光沿該方向離開。全息光學元件51對R波長段的光的衍射角大于對G波長段光的衍射角，并使R波長段的光沿相應(yīng)的方向離開。全息光學元件51對B波長段的光的衍射角小于對G波長段光的衍射角，并使B波長段的光沿相應(yīng)的方向離開。
在圖18中，全息光學元件51的光分離方向(分解方向)是按自左至右的方向設(shè)定的。
聚光透鏡50把被全息光學元件51分離的各個波長的平行光會聚到LC器件7的各個對應(yīng)顏色的相應(yīng)象素上。聚光透鏡50含有許多循環(huán)排列的微透鏡50a，它們與LC器件7的各個單元象素相對應(yīng)，其中每個單元象素都由三種顏色(R、G、B)的象素組成。如圖18所示，每個微透鏡50a都具有六角形形狀，每個六角形的中央有一個LC器件7的關(guān)于G的象素，六角形的頂點連接著中央象素周圍6個相鄰R、B象素的中心。如圖17所示，微透鏡50a是凸表面面向全息光學元件51的凸透鏡。微透鏡50a把各個波長段的平行入射光按光的波長(入射角)會聚到LC器件7的各對應(yīng)顏色的相應(yīng)象素上。具體地說，G波長段光被會聚到LC器件7關(guān)于G的相應(yīng)象素上，R波長段光被會聚到LC器件7關(guān)于R的相應(yīng)象素上，B波長段光被會聚到LC器件7關(guān)于B的相應(yīng)象素上。
現(xiàn)在將討論該LC投影器的工作過程。
如圖16所示，來自燈1的光被反射鏡2反射成平行于光軸3的平行光。該平行光以預定的角度射入全息光學元件51。入射到全息光學元件51的平行光被全息光學元件51分別對R、G、B波長段以不同的衍射角衍射，被衍射的光分別以各個波長段的平行光離開全息光學元件51，如圖17所示。具體地說，G波長段光被衍射得基本上沿著全息光學元件51的法線方向，并沿此方向離開全息光學元件51。R波長段光的衍射角大于G波長段光的衍射角，它以相對于全息光學元件51的法線方向的一個預定角度離開全息光學元件51。B波長段光的衍射角小于G波長段光的衍射角，它沿著相對于全息光學元件51的法線方向與R波長段光出射方向相反的方向，以一個預定的角度離開全息光學元件51。
從全息光學元件51射出的光進入入射方偏振片4，后者有選擇地讓規(guī)定的偏振光成分通過。通過了入射方偏振片4的不同波長的光分別以不同的入射角進入聚光透鏡50的各個相應(yīng)微透鏡50a。以不同的入射角入射到各微透鏡50a上的光被各微透鏡50a會聚到LC器件7的各個對應(yīng)顏色的相就象素上，如圖17所示。具體地說，基本上垂直地射入對應(yīng)微透鏡50a的G波長段光被會聚到LC器件7關(guān)于G的相應(yīng)象素上。以預定角度射入對應(yīng)微透鏡50a的R波長段光被會聚到LC器件7關(guān)于R的相應(yīng)象素上。以與R波長段光相反方向上的預定角度射入對應(yīng)微透鏡50a的B波長段光被會聚到LC器件7關(guān)于B的相應(yīng)象素上。
通過了LC器件7的具有規(guī)定偏振成分的光被出射方偏振片8有選擇地通過。通過了該出射方偏振片8的光被投影透鏡9投影成一個圖象。
根據(jù)如上所述的這種LC投影器，自燈1發(fā)射并被反射鏡2反射的平行光被全息光學元件51對R、G、B波長段分別以不同的衍射角衍射。對R、G、B波長段分別有不同入射角的平行光離開全息光學元件51。因此有可能使用較少的元部件把來自燈1的光分離成一些不同波長段的光成分。這個特點簡化了LC投影器的結(jié)構(gòu)。
再有，聚光透鏡50的各個微透鏡50a把被全息光學元件51分離的各個光按不同的波長段會聚到LC器件7的各對應(yīng)象素上。這防止了各個補色光成分被彩色濾光片吸收，或者防止了來自燈1的光被黑色陣列BM遮擋。因此這種LC投影器能夠防止光損失。從而有可能改善對燈1的光的利用效率，并得到鮮艷的彩色圖象和明亮的投影圖象。
改型第一、第二、和第五實施例中所采用的全息光學元件5、15和51以各個衍射光柵衍射所有波長段的光，使不同波長段的光以不同的衍射角受到衍射。也就是說，雖然第一、第二、和第五實施例中所采用的各個全息光學元件都是單元件結(jié)構(gòu)的，但這些全息光學元件的結(jié)構(gòu)并不局限于這一類型。例如，可以采用一種三層結(jié)構(gòu)，其中有能夠分別有選擇地通過R、G、B波長的光的三種類型的全息光學元件。
第一、第二和第五實施例中的全息光學元件和第二、第四實施例中的棱鏡是用來作為分離來自燈1的平行光的手段的。然而，根據(jù)本發(fā)明，任何能夠根據(jù)波長的不同來分離入射光，并根據(jù)波長的不同來出射這些被分離的光成分的光學裝置都可以用來代替全息光學元件和棱鏡。
在第一至第四實施例中，入射方偏振片是設(shè)置在這種光學裝置(全息光學元件5和15，以及棱鏡20和25)的入射光一側(cè)的，然而在第五實施例中入射方偏振片是設(shè)置在這種光學裝置的出射光一側(cè)的。不過，入射方偏振片可以設(shè)置在任何一側(cè)。
第一至第四實施例中的全息光學元件和第五實施例中的微透鏡是用來作為把以不同的角度入射的各個波長段的光會聚到預定的對應(yīng)象素上去手段的。然而，根據(jù)本發(fā)明，任何能夠把以不同的角度入射的各個波長段的光會聚到預定的對應(yīng)象素上去的光學裝置都可以用來代替上述的全息光學元件和微透鏡。
雖然第五實施例中的每個微透鏡都具有六角形形狀，但微透鏡的結(jié)構(gòu)并不局限于這種類型。例如，如圖19所示，每個單元象素可以含有一直線排列的R、G、B三個象素，并且每個微透鏡50b可以做成為與該單元象素相對應(yīng)的長方形形狀。聚光透鏡由循環(huán)地排列這些微透鏡50b而形成。
雖然前面對第一至第五實施例的說明是針對本發(fā)明應(yīng)用于LC投影器的情形的，但本發(fā)明并不局限于這一特定的應(yīng)用。本發(fā)明也可以適用于各種能讓觀看者直接觀看顯示在LC器件7上的圖象的LCD設(shè)備。
根據(jù)第一至第五實施例的LCD設(shè)備應(yīng)當被認為是本發(fā)明的某些適用形式。本發(fā)明能夠適用于結(jié)合了兩個光學裝置的LCD設(shè)備。關(guān)于如何結(jié)合這兩個光學裝置以及這兩個光學裝置的特性可以通過實驗來選擇，以得到所希望的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種液晶顯示設(shè)備，它包括一個光源(1，2)，用來提供一個基本平行的光束；一個具有許多象素的液晶器件(7)；一個第一全息光學元件(5，15)，用來把來自上述光源(1，2)的上述基本平行的光束分離成多個不同波長段的光束，并且分別以不同的方向出射上述各分離的光束；以及一個第二全息光學元件(6，16)，用來把從上述第一全息光學元件(5，15)出射的上述多個不同波長段的光束按各自的波長段分別引導到上述液晶器件(7)的各預定象素上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的液晶顯示設(shè)備，其中上述第一全息光學元件(5，15)把來自上述光源(1，2)的基本平行的光束分離成多個不同波長段的平行光束，并分別以不同的方向出射上述各分離的平行光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的液晶顯示設(shè)備，其中入射到上述第二全息光學元件(6，16)上的上述多個不同波長段的光束的各自的入射角都落在各自的一個預定范圍內(nèi)，該范圍包含一個能使上述第二全息光學元件(6，16)對上述各光束各自的波長段的衍射效率最大的入射角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的液晶顯示設(shè)備，其中來自上述光源(1，2)的光傾斜地射向上述第一全息光學元件(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的液晶顯示設(shè)備，它還包括一個設(shè)置在上述光源(1，2)和上述液晶器件(7)之間的偏振片(4)，其中來自上述光源(1，2)的光束垂直地射入上述偏振片(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的液晶顯示設(shè)備，其中上述第一全息光學元件(5，15)和上述第二全息光學元件(6，16)分別設(shè)置在一個透明板(10)的兩側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的液晶顯示設(shè)備，其中上述第一全息光學元件(5，15)和上述第二全息光學元件(6，16)堆疊在一個透明板(10)的一側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的液晶顯示設(shè)備，其中當來自上述光源(1，2)的光被上述第一全息光學元件(5，15)衍射時，其衍射角隨著上述光的波長的增大而增大。
9.一種液晶顯示設(shè)備，它包括一個光源(1，2)，用來提供一個基本平行的光束；一個含有許多象素的液晶器件(7)；一個棱鏡(20，25)，用來把來自上述光源(1，2)的上述基本平行的光束分離成多個不同波長段的光束，并分別以不同的方向出射上述各分離的光束；以及一個全息光學元件(21，26)用來把從上述棱鏡(20，25)出射的上述多個不同波長段的光束按各自的波長段分別引導到上述液晶器件(7)的各預定象素上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的液晶顯示設(shè)備，其中上述棱鏡(20，25)把來自上述光源(1，2)的基本平行的光束分離成多個不同波長段的平行光束，并分別以不同的方向出射上述各分離的平行光束。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的液晶顯示設(shè)備，其中上述棱鏡(25)是一個由多個微棱鏡(25a)組成的組件。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的液晶顯示設(shè)備，其中上述棱鏡(20，25)把來自上述光源(1，2)的基本平行的光束分離成多個不同波長段的基本平行的光束，并分別把上述各分離的平行光束出射到不同的方向上。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的液晶顯示設(shè)備，其中從上述棱鏡(20，25)入射到上述全息光學元件(21，26)上的上述多個不同波長段的光束各自的入射角落在各自的一個預定范圍內(nèi)，該范圍包含一個能使上述全息光學元件(21，26)對上述各光束各自的上述波長段的衍射效率最大的入射角。
14.一種液晶顯示設(shè)備，它包括一個光源(1，2)，用來提供一個基本平行的光束；一個含有許多象素的液晶器件(7)；一個全息光學元件(51)，用來把來自上述光源(1，2)的上述基本平行的光束分離成多個不同波長段的光束，并分別以不同的方向出射上述分離的光束；以及一個透鏡(50)，用來把自上述全息光學元件(51)出射的上述多個不同波長段的光束按各自的波長段分別引導到上述液晶器件(7)的各預定象素上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的液晶顯示設(shè)備，其中上述全息光學元件(51)把來自上述光源(1，2)的基本平行的光束分離成多個不同波長段的平行光束，并分別以不同的方向出射上述各分離的平行光束。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的液晶顯示設(shè)備，其中上述透鏡(50)由多個分別對應(yīng)于上述液晶器件(7)的多個象素的微透鏡(50a)組成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的液晶顯示設(shè)備，其中上述多個不同波長段的光束分別地射入上述多個微透鏡(50a)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的液晶顯示設(shè)備，其中自上述全息光學元件(51)的一個點上射出的多個不同波長段的光束按各自的波長分別射入上述液晶器件(7)的各個相應(yīng)象素。
19.一種液晶顯示設(shè)備，它包括一個光源(1，2)，用來提供一個基本平行的光束；一個含有許多象素的液晶器件(7)；第一光學裝置(5，15；20，25；51)，用來把來自上述光源(1，2)的上述基本平行的光束分離成多個不同波長段的光束，并分別以不同的方向出射上述各分離的光束；以及第二光學裝置(6，16；21，26；50)用來把從上述第一光學裝置(5，15；20，25；51)出射的上述多個不同波長段的光束按各自的波長段分別引導到上述液晶器件(7)的各預定的象素上。
全文摘要
從一個用來產(chǎn)生白光的燈(1)發(fā)射并被一個反射鏡(2)反射的平行光射入一個第一全息光學元件(5)。第一全息光學元件(5)把該平行光分離成多個不同波長段的彩色光成分，并出射這些光成分。從第一全息光學元件(5)出射的各個光成分以隨波長的不同而不同的入射角射向一個第二全息光學元件(6)。第二全息光學元件(6)使各個不同波長段的光入射到一個液晶器件(7)的各個相應(yīng)的象素上。
文檔編號G02B5/20GK1166881SQ96191170
公開日1997年12月3日 申請日期1996年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月4日
發(fā)明者鈴木幸夫, 中村英貴, 鈴木晃 申請人:卡西歐計算機株式會社