CN1577067A - 投影显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种显示设备，具有：由照明系统2照射的成像器(4)、以及将图像投影在观察屏(10)上的成像系统(6，8)，其中，在成像器上的图像的亮度具有在给定方向上的变化，并且照明系统(2)具有由于控制在给定方向上的光分布的装置(20)。

Description

投影显示设备
技术领域
本发明涉及一种投影显示设备。
背景技术
在典型的投影显示设备，借助于成像系统，在观察屏上投影由照明系统所照亮的成像器所产生的图像。
自然地，用户所需要的是，设备具有尽可能与屏幕垂直的较小深度(细长投影仪)。然而，由于照明和成像系统最好位于设备一侧(通常为底侧)，较小的深度必然意味着：光以在较宽范围上变化的角度入射到屏幕上。
由于屏幕的透射因数取决于光的入射角，如同在任意光学系统中那样，这导致了在屏幕上不受控的不均匀的亮度级(通常底部更亮)。
发明内容
本发明的目的在于一种解决方案，允许设计者更好地控制在屏幕上的光的分布，例如，获得更均匀的亮度级，可能伴随着在中心的更高的亮度级。
本发明提出了一种显示设备，具有：由照明系统照射的成像器、以及将图像投影在观察屏上的成像系统，其中，从成像器到观察屏的光学效率具有在给定方向上的变化，并且其中，照明系统具有用于控制在给定方向上的光分布的装置。
更准确地说，本发明提出了一种显示设备，具有：由照明系统照射的成像器、以及将图像投影在观察屏上的成像系统，其中，在成像器上的图像的亮度具有在给定方向上的变化，并且其中，照明系统具有用于控制在给定方向上的光分布的装置。
优选地，所述给定方向对应于图像的水平轴或垂直轴。
按照一优选方式，所述控制装置至少部分地补偿在屏幕上的亮度变化。
通常，优选地，所述控制装置产生非均匀的、最好非对称的在给定方向上的光分布。实际上，所述控制装置包括产生给定方向上的不均匀光的光导。根据一可能实施例，光导相对于照明系统的光轴是非对称的。例如，光导具有六面体的形状。优选地，光导具有矩形截面。还优选地，光导截面从输入侧向输出侧增大。
为了改善光分布控制的精度，光导具有与另一光导接触的输入面。优选地，另一光导在输入面上产生大致均匀的光分布。
在该可能的结构中，光导具有相对于所述另一光导的相应面倾斜的面。
根据一有利实施例，光导具有输出面，利用透镜系统将该输出面投影到成像器上。
根据另一可能实施例，光导具有带有梯度滤光器的输出面。例如，由反射梯度涂层来实现梯度滤光器。特别地，该滤光器在输出面上产生非对称的分布。优选地，光导具有带有中心孔的反射涂层的输入面。
在另一可能实施例中，对梯度滤光器进行着色，因此，可以对设备中的色彩不均匀进行补偿。
优选地，在平面上的图像的最大投影角大于50°。
附图说明
根据参考附图所进行的以下详细描述，本发明的其他特征将变得明显，其中，
图1示出了一种显示设备；
图2和3示出了图1中的显示设备的照明系统；
图4示出了图2中的照明系统的光隧道；
图5示出了由图4中的照明系统所产生的光的垂直分布；
图6示出了在图1中的设备的成像部分的透射率Ts；
图7示出了在图1中的设备的屏幕上的亮度级；
图8示出了具有光隧道的另一可能照明系统；
图9示出了针对图8的光隧道的出口面的可能梯度滤光器；
图10示出了针对图8的光隧道的出口面的另一可能梯度滤光器。
具体实施方式
图1上示意地示出的显示设备具有照明系统2，产生由成像器4所接收到的原始光束Bill。
成像器4确定将光束Bill的哪些部分传送到成像系统，从而创建二次光束Bimg，表示要显示的图像。
例如，成像器4按照像素矩阵排列。每个像素根据应该如何使要显示图像中的相应像素发光，作用于入射光束(原始束Bill的一部分)。
二次光束Bimg通过一组透镜6，并且由反射器8反射到观察屏10的背面，按照这样的方式，透镜组6和反射器8定义了成像系统，由于在观察屏10上投影成像器4。
观察屏10带有透射元件(未示出)，通常将输入光束校准到与观察屏10垂直的方向上，而且以与从中显示设备将具有正确的外观的视野相对应的角度范围，将光束聚焦到观察屏10的黑色矩阵的微型孔径中。
如从图1中显而易见，入射到观察屏10上的光束(并因而入射到其透射元件上)具有相对于屏幕平面的法向从底部的θ1(大约30°)到顶部的θ2(大约60°或更大)的大范围上变化的入射角(或者投影角)。通常，最大投影角大于50°。
因此，观察屏10的透射率在整个屏幕上不是恒定的，而在垂直方向上变化。这样，在成像器4和观察屏10之间的光的传输效率经受到沿垂直方向的极大变化。对于在成像器的输出处具有相同亮度的两点(束Bimg)-例如，与要显示的图像的底部相对应的第一点和与顶部相对应的第二点，在观察屏10上的亮度是不相等的-第一点比第二点亮得多。
为了补偿该变化并更好地控制在观察屏10上的光分布，照明系统2设置有用于控制照射成像器4的光分布的装置(可能为光学元件)。因此，可以由设计者按照需要分布照射成像器的光，特别是沿垂直方向按照不均匀的方式，以便预先补偿如上所述传输效率的随后变化。
图1示出了根据本发明的背投影仪。然而，本发明还涉及正面投影仪，特别是专用于其中投影角从诸如大约30°到60°(或更大)的极大范围内变化的投影的正面投影仪。通常，投影角的最大值大于50°。优选地，这些正面投影仪包括诸如上述或稍后所述的诸如系统2等照明系统。
现在将参考图2到4来描述具有光分布控制元件的照明系统2的第一可能实施例。
所述照明系统具有光源12，位于反射器14的焦点处，所述反射器将光集中在光隧道16的输入器上。所述光隧道16包括：平行六面体形式的第一对称光导18(其一个面是输入器)，沿着光的总方向；以及第二非对称光导20，其上表面与第一光导18的上表面平齐，而其下表面与第一光导18的下表面成一角度。准确地说，第二光导20的下表面相对于光的总方向发生分叉。
因此，第一光导18具有沿着光的总方向的恒定的矩形横截面，而第二光导20具有沿着光的总方向，在垂直方向上增加的尺寸的矩形横截面。这样，第二光导20具有六面体的形状。优选地，该光导的截面从输入侧向输出侧增大。优选地，光导20的截面是矩形的，这较好地适合于矩形成像器。根据本发明的一个变体，光导20具有另一形状，并且其截面不是矩形的(例如，其是梯形的，以便补偿在成像器上的照明的形状的可能变化)。
如从图3中可以看到，在所述实施例中，第一光导18的每一个侧面与第二光导20的相应侧面相平齐。作为可能的一个变体，第二光导20的侧面还可以与光的总方向(并因而与第一光导18的侧面)形成一角度，以便还控制侧向上的光的分布。
由于第二光导20的特定设计，从光隧道16的输出面(输出面是第二光导20的一个面)出来的光在垂直方向上具有不均匀的、非对称分布，如下面参考图4更详细地解释的，然后，借助于通常具有多个透镜的透镜系统22，将其投影到成像器上。
第一光导18在其输入面24上接收来自反射器14的圆形分布的光，并且在其端面上(在第一光导18和第二光导20之间的中间面26)将所述光转换为大致均匀、矩形分布的光，特别是通过如图4所示的多次反射。通过增加光导的长度，可以增强均匀性。
中间面26相对于第二光导28充当第二光源。由于第二光导20的上表面与第一光导18的上表面平齐，因此，在第二光导20的上部区域中的光束R1、R2与第一光导18几乎相同地工作。然而，在下部区域中，由于倾斜的下表面，尽管其相对于光的总方向成一角度，但是不反射某些光束(例如在图4上的光束R4)，从而使得在底部的某些光通量发生分叉(例如，从光束R3)，导致了在底部处的低密度。
如在图4上所示例的，从光隧道16的输出(对应于第二光导20的输出面28)发出的光分布在垂直方向上是不均匀的并且非对称的。
由于通过透镜22将输出面28投影到成像器上，在输出面28的长度和高度之间的比对应于成像器4上的长度和高度比。通常，其还对应于显示设备的高宽比。
可以指出，尽管是非强制的，但是针对光隧道16使用两个分离的光导可以进一步改善对光分布的控制，这是由于第一光导产生了均匀的矩形分布，然后由第二光导以更为精确的方式将其转换为所期望的分布。
注意，六面体越长，非对称的程度越高，因此，亮度的对中越强。
图5示意地示出了由刚才所描述的照明系统所产生的垂直方向上的光束Bill的光分布Dill，这样，该分布是由成像器4所接收的光分布。如果成像器4想要显示均匀的图像(例如白屏)，则图5还对应于从成像器中输出的光束Bimg的光分布。
图6示意地示出了沿着垂直方向的组合成像系统6、8和观察屏10的透射率Ts，具有如上所解释的从底部到顶部的变化(主要由于所需的显示设备的较小深度)。
图7示出了沿着垂直方向的观察屏10的亮度，由通过成像系统和观察屏10的透射元件(以图6所示的效率)的光束Bimg(具有图5所示的分布)产生。
明显地，由第二光导20所产生的非对称分布来补偿在屏幕10上的传输变化的效果(将会导致底部具有太多亮度，而没有特定的分布)。得到的分布在垂直方向上为大致对称的，在中心具有峰值亮度，对于用户而言是理想的。
图8中示出了利用控制光分布的装置来照明的第二可能实施例。与图2到4类似的参考符号将用于具有类似特性的元件。
图8中的照明系统具有实现了位于反射器14的焦点处的光源12的灯。反射器14将光集中在具有平行六面体形式的光隧道16的输入器32上。沿着光隧道16从输入器32向出输出面30传输光，可能具有一个或多个内反射。
在从输出面30退出光隧道16之后，将光指引到成像器上，如参考图1所述的，可能通过传统的中继透镜。
输出面30带有反射梯度涂层，充当梯度滤光器(filter)，以便控制从光隧道16中出来的光分布。例如，由沉积的铝来实现梯度涂层。
在图9和10中示出了典型的梯度滤光器。
例如，图9中的梯度滤光器可以对成像系统中的光的非对称分布进行补偿，这是由于在屏幕10上的较宽范围的入射角。参考图5到7所给出的解释也适用于该情况。
在图10中给出的可能的梯度滤光器的另一实例是对中梯度(或中心滤光器)，尤其适合于具有非常宽的角度屏幕，在轴上实现到其上的投影。在这种情况下，通过过滤在输出面30的中心处存在的光，对公知的角落现象(角落中的光的缺乏)进行预先补偿。
当然，可以根据控制光分布的需要，对梯度滤光器进行不同的设计。因此，明显地，图8中的实施例是一个特别灵活的解决方案。
另外，可以使用具有补偿色的梯度滤光器，特别用于校正任何可能的色彩均匀性，例如在一些LCOS投影系统中存在的品红色变化。这是本实施例的另一优点。
为了使损耗最小，特别是由于在输出面30上的反射梯度涂层所造成的损耗，输入面32具有包含在对应于入射光的光束与输入面32的交点的中心内的孔的反射镜涂层。
作为本发明的非限定性的可能实施例，给出了以上描述。还可以指出，为了易于解释，该描述未提到图像的任何反转(例如通过各种透镜)，但是，当假如在照明系统的光控制装置至少部分地在观察屏上补偿透射率的变化而发生了图像的反向时，也可以应用本发明。

Claims (20)

1.一种显示设备，具有：由照明系统(2)照射的成像器(4)、以及将图像投影在观察屏(10)上的成像系统(6，8)，其中，在成像器上的图像的亮度具有在给定方向上的变化，
并且照明系统(2)具有由于控制在给定方向上的光分布的装置(20)。
2.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于：所述给定方向对应于图像的水平轴或垂直轴。
3.根据权利要求1或2所述的显示设备，其特征在于：所述控制装置(20)至少部分地补偿在屏幕上的亮度变化。
4.根据权利要求1到3任一个所述的显示设备，其特征在于：所述控制装置(20)在成像器上产生给定方向上的不均匀光分布。
5.根据权利要求4所述的显示设备，其特征在于：所述控制装置在成像器上产生在给定方向上的非对称光分布。
6.根据权利要求1到5任一个所述的显示设备，其特征在于：所述控制装置包括光导(20；16)，用于在成像器上产生在给定方向上的非均匀光分布。
7.根据权利要求6所述的显示设备，其特征在于：所述光导(20)相对于照明系统的光轴是非对称的。
8.根据权利要求6或7所述的显示设备，其特征在于：所述光导(20)具有六面体的形状。
9.根据权利要求6到8任一个所述的显示设备，其特征在于：光导(20)具有矩形截面。
10.根据权利要求6到9任一个所述的显示设备，其特征在于：所述光导截面从输入侧向输出侧增大。
11.根据权利要求6到10任一个所述的显示设备，其特征在于：光导(20)具有与另一光导(18)接触的输入面(26)。
12.根据权利要求11所述的显示设备，其特征在于：所述另一光导(18)在所述输入面(26)上产生大致均匀的光分布。
13.根据权利要求11或12所述的显示设备，其特征在于：所述光导(20)具有至少相对于所述另一光导(18)的相应面倾斜的面。
14.根据权利要求6到13任一个所述的显示设备，其特征在于：所述光导具有输出面(28)，利用透镜系统(22)将所述输出面(28)投影在成像器(4)上。
15.根据权利要求6到14任一个所述的显示设备，其特征在于：所述光导(16)具有带有梯度滤光器的输出面(30)。
16.根据权利要求15所述的显示设备，其特征在于：所述梯度滤光器产生不均匀、最好非对称的从输出面(30)出来的光分布。
17.根据权利要求15所述的显示设备，其特征在于：由反射梯度涂层来实现梯度滤光器。
18.根据权利要求15到17任一个所述的显示设备，其特征在于：对所述梯度滤光器进行着色。
19.根据权利要求15所述的显示设备，其特征在于：所述光导(16)具有带有具有中心孔的反射涂层的输入面(32)。
20.根据权利要求1到19任一个所述的显示设备，其特征在于：在屏幕上的图像的最大投影角大于50°。
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