CN1139910C - 液晶显示投影系统 - Google Patents

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Abstract

一种LCD器件，具有一个相应于校正前形成在屏上的象的畸变和/或弯曲的形状，所述象的畸变和/或弯曲是由投影透镜组件的畸变象差和/或象场弯曲象差引起的，因而可以校正所述象的畸变和弯曲。LCD器件还包括一个前衬底和一个后衬底，在其上具有电极，前衬底和/或后衬底具有一个正畸变和/或弯曲的枕形，从而可以通过适当地校正成象差的光发射点来校正投影透镜组件的光学透镜的畸变象差和/或象场弯曲象差。

Description

液晶显示投影系统
技术领域
本发明涉及液晶显示(LCD)投影系统，特别涉及其中对在一个屏上形成的具有曲线变形和/或象场弯曲的图象进行校正的LCD投影系统，所述的曲线变形和/或象场弯曲是由一个投影透镜的光学系统产生的畸变和弯曲象差引起的。
背景技术
作为一种用于显示图象的图象投影系统的LCD投影系统利用作为图象产生装置的LCD产生图象，再经投影透镜放大和把产生的图象投射到屏上。LCD投射系统容易调整屏的尺寸和显示出优良的彩色重复性，使得LCD投影系统广泛用作用于HDTV或视频会议的大型(40英寸以上)多媒体显示装置。
LCD按照液晶类型分为一种弥散型例如聚合物弥散液晶(PDLC)和一种偏振型例如扭曲向列(TN)型，按照成象光束的透射方式或反射方式而分成透射式和反射式。另外按照LCD板的数目，把LCD投影系统分成单板式和三板式。
参看图1，一个传统的单板反射式LCD投影系统包括：一个用于产生和发射光的光源110，一个用于调匀光源110的入射光以便发射具有一个均匀强度分布的光的玻璃杆130，一个聚光透镜131，一个准直透镜132，一个用于根据有关偏振光分量通过透射或反射入射光改变入射光的光路的偏振分束器140，一个用于通过选择反射入射光产生一个图象的LCD器件150，以及一个用于放大并把入射光投影在屏S上的透镜组件160。
光源110包括用于发光的灯111，一个用于反射光源111发射的光并使反射光沿预定的光路行进的例如抛物面镜或椭圆镜的反射镜112。
参考数字120代表一个彩色轮，该彩色轮可旋转地安装在光源110的发射光的行进光路上。彩色轮120具有红(R)、绿(G)和蓝(B)滤色片，这些滤色片均匀地配置在该彩色轮上，以便使光源发射的光中的一种特定颜色的光被选择传送。
玻璃杆130通过无规则反射入射光以发射具有均匀分布的光。聚光透镜131聚光发散透过玻璃杆130的光，以便使光的传输的宽度放大。准直透镜132使发散的入射光准直，使其变成一个平行光束。
偏振光分束镜140配置在准直透镜132与LCD器件150之间的光路上。偏振光分束镜140通过根据偏振分量(P偏振或S偏振)使镜片141透射或反射来改变入射光的行进光路。通过偏振光分束器140的光入射在LCD器件150上后被LCD器件150反射，并使偏振方向旋转90°角。被LCD器件150反射的光再入射在偏振光分束器140上后，被镜片141全反射，被全反射的光通过投影透镜组件160放大后投射到屏S上。
图2示出了一个通用的单片透射式LCD投射系统的光学构成，参看该图，透射式LCD器件250配置在行进光路上。LCD器件250通过选择驱动独立的象素以确定光源210发射光的传输，来形成一个象。参考标号L1、L2和L3代表用于形成一个平行光束的光学透镜。参考标号M代表用于改变行进光路以便使光朝向透镜组件260和屏S行进的反射镜。
在上述LCD投影系统中，在通过投影透镜单元(160或260)在屏S上成象时，往往引起光学象差。即产生例如畸变象差或象场弯曲等光学象差。
众所周知，象差是由透镜引起的，该象差被认为是由于在靠近光轴的那些点的焦距与远离光轴那些点的焦距不同。即相对一个不产生畸变的理想状态，例如如图3A所示的象表面31，产生具有如图3B所示的凹下侧边的正的畸变象32(枕形畸变)或一个具有如图3C中所示的凸出侧边的负的畸变象33(桶形畸变)。
如图3D所示的正畸变象32是指一个由平坦的LCD器件150(250)产生的正方形的象由于透镜160a(260a)的象差而成正畸变，并且以一个枕形畸变形成在屏上。如图3E所示的负畸变象33是指一个由平坦的的LCD产生的正方形的象由于透镜160a(260a)的象差而成负畸变，并且以桶形畸变形成在屏上。
上述象场弯曲是由透镜象差引起的，该透镜把一个平坦屏S形成一个聚焦在弯曲(凹或凸)的面上的象，如图4所示。由于象场弯曲，由平坦的LCD器件150(250)产生的平坦象形成场弯曲状态下的象34。
图4示出了由于透镜象差引起形成在在屏S上的象平面凹下的情况。虽然在图中没有示出，但是在屏S上也可能形成一个由透镜象差而成凸起的象表面。下述的弯曲包括所述的凹和凸两种状态。
在传统的LCD投影系统中，畸变和弯曲在一个实际投影透镜组件的光学系统中使一个具有平坦的LCD器件150(250)产生的平面形状的光学象变成一个具有两侧弯曲同时表面弯曲(凹和凸)的象。最终使这个象变成复合变形的象。
另外，投影透镜组件160(26)由于入射光的波长的不同而产生色差。由于色差，使波长比平行入射在投影透镜组件160(260)的光学透镜(凸透镜)上的其它光的波长都长的红光聚焦在该光学透镜(凸透镜)的焦距之外，而使波长比平行入射在投影透镜组件160(260)的光学透镜(凸透镜)上的其它光的波长都短的蓝光聚焦在该透镜(凸透镜)的焦距以内，这样就使由LCD器件形成的红、绿和蓝色象在屏上形成的尺寸不同。在这种情况下，由于红、绿和蓝色象的放大率不同，而导致红、绿和蓝色象之间的不重合从屏的中心到周边逐渐增加，从而降低了图象的质量。
这样，在LCD投影系统中，投影透镜组件160(260)需要能完成最佳校正补偿色差和光学透镜象差(例如畸变和弯曲)两者的光学结构。然而完成校正色差和畸变象差以及象场弯曲并不困难，因为上述的色差和象差是由一个光学透镜性质决定的。
实际上，把各种光学透镜加到投影透镜组件上或从其上面去除，用于校正色差和畸变象差以及象场弯曲，以便使投影透镜组件按一种能使色差和畸变象差和象场弯曲得到适当校正的状态设计和制造。然而上述的校正方法有一定的限制，这些限制取决于投影透镜组件的特性、复杂的光学结构和其它光学透镜的象差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种LCD投影系统，该系统能校正由于投影透镜组件的光学透镜的畸变象差和/或象场弯曲引起在屏上形成的畸变和/或弯曲的图象。
因此，为了达到上述目的，提供一种LCD投影系统，该系统包括：一个用于产生和发射光的光源，一个利用光源发射的入射光产生成象光的LCD器件和一个用于放大从LCD发射的成象光并将其投射到一个屏上的投影透镜组件，其中LCD器件具有一个相应于在校正之前形成在屏上的象的畸变和/或象场弯曲的形状，所述的畸变是由投影透镜组件的畸变象差引起的，所述的象场弯曲是由投影透镜组件的象场弯曲引起的，利用上述LCD具有的形状可以校正所述的畸变和/或象场弯曲。
本发明的目的是这样实现的，即提供一种LCD投影系统，包括：一个用于产生和发射光的光源，一个利用从光源发射的入射光产生成象光的LCD器件和一个用于放大并把从LCD器件射出的成象光投影到一个屏上的投影透镜组件，其特征在于：LCD器件具有一个与校正畸变和/或弯曲前形成在屏上的图象的畸变和/或弯曲相反变形的形状，所述图象的畸变是由投影透镜组件的畸变引起的，所述图象的弯曲是由投影透镜组件的象场弯曲引起的，借助具有上述形状的LCD器件可以校正畸变象差和/或弯曲象差。
通过结合附图详细描述本发明的一个优选实施例，将使本发明的上述目的和优点更加清楚。
附图说明
图1是一个示意表示传统的反射式LCD投射系统的光学结构的图。
图2是一个示意表示传统的透射式LCD投射系统的光学结构的透视图。
图3A至3E是用于说明由于传统的LCD投影系统的投射透镜的畸变象差所形成的象。
图4是用于说明由于传统的LCD投影系统的投射透镜的象场弯曲的图象形成状态的透视图。
图5是示意表示本发明的LCD投影系统的光学结构的图。
图6A至图6D表示按照本发明的一个优选实施例的LCD投影系统的图，该系统能校正在图3B和3D中所示出的传统的LCD投影系统的畸变象差和正(+)象场弯曲。
图7A至7D是表示本发明的一个优选实施例的LCD投影系统，该系统能校正在图3C和3E中示出的传统的LCD投影系统畸变象差和负(-)象场弯曲。
图8A和8B是表示本发明的一个具有适合校正在一个LCD投影系统中畸变和负(-)象场弯曲的形状和结构的LCD器件的实施例的类型。
图9A和9B是分别沿图8A的线A-A′和图8B的线B-B′剖开的截面图。
图10A和10B是表示本发明的一个具有适合校正在一个LCD投影系统中正(+)畸变和象场弯曲的形状和结构的LCD器件的实施例的类型。
图11A和11B是分别沿图10A的线C-C′和图10B的线D-D′剖开的截面图。
具体实施方式
参考图5，本发明的一反射式LCD投影系统包括：一个用于产生和发射光的光源410，一个用于调均光源410发射的入射光以便发射具有一个均匀强度分布的光束的玻璃杆430，一个聚光透镜431，一个准直透镜432，一个根据光的偏振透射或反射入射光以改变入射光的光路的偏振光分束器440，一个用于通过选择性地反射入射光产生一个象的LCD器件450和一个用于放大入射光并把该放大的光投射到屏S上的投影透镜组件460，参考数字411、412和420分别代表一个灯，一个反射镜和一个彩色轮。
在上述的光学结构中，LCD器件450是本发明的一个特征部分的特征，按照本发明的一个方面，LCD器件450具有一个与在校正前形成在屏S上的畸变象相反变形的形状，从而可以校正由于投影透镜组件460的曲线畸变引起的在屏S上形成的畸变象，即LCD器件450根据形成在屏S上形成的象的畸变，具有一个可以是一个如图3B中所示的枕形或如图3E所示的桶形的形状。
按照本发明的另一个方面，本发明的特征在于：LCD器件450具有与校正之前形成在屏S上的由于象场弯曲而畸变的图象34相反的变形的形状，如图4所示，因此可以校正由投影透镜组件460产生的形成在屏S上的带有象场弯曲的图象。
按照本发明的再一方面，本发明的特征在于：LCD器件450具有一个与在畸变和场弯曲影响状态下形成在屏S上的图象相反的变形和弯曲的形状，以便校正形成在屏上的象，该象具有由投影透镜组件460的畸变和象场弯曲引起的枕形或桶形的畸变图象，同时还具有由象场弯曲(凹或凸)引起的曲线变形的图象。
在本发明的LCD器件450的形状和操作中，图6A表示用于校正一个形成为枕形畸变象32的复合的畸变和象场弯曲的优选实施例，所述的枕形畸变象是由畸变引起的，所述的弯曲是由象场弯曲引起的。
按照这个实施例，使LCD器件451相对原来的平坦板型LCD器件150为负(-)畸变，同时在光轴方向具有一个凸起的形状。于是由LCD器件451产生的象是一个反向变形和弯曲的象，并且，当由LCD器件451产生的象透过投影透镜组合件460a时，畸变象差受到负方向校正，同时在相应于象弯曲的那个方向的方向受到校正，这样在屏S上便形成一个几乎无象差的象31。
通过改变LCD投影器件451的形状，上述操作可以校正透镜的焦距和放大率，所述的焦距和放大率是在透镜象差校正前平坦板型LCD器件150在屏S上形成为(+)的畸变象32的远离光轴的一点的负(-)方向上的畸变。
图6B是具有复合的负(-)变形的和弯曲的形状的LCD器件451的主视图，而图6C是其侧视图，图6D是一个LCD器件451改型的优选实施例的侧视图，其中仅光发射表面被变形和弯曲。
图7A示出一个校正一个由参照图3C和3E描述的畸变象差引起的桶形畸变象33和同时由参照图4描述的象场弯曲引起的弯曲变形的复合畸变和弯曲的象的LCD器件的优选实施例。按照这个实施例，当由LCD器件452产生的象透过投影透镜组件450b时，畸变象差在正(+)方向和在相应于该象弯曲的那个方向的方向上同时受到校正，从而在屏S上形成一个几乎无畸变的象31。
通过改变LCD投影器件452的形状，上述操作可以校正透镜的焦距和放大率，所述的焦距和放大率是在透镜象差校正前由平坦板型LCD器件150在屏S上形成为沿负(-)方向变形的畸变象33的远离光轴的点的正(+)方向。
图7B是具有复合的正(+)变形和弯曲(凹的)形状的LCD器件452的主视图，图7C是其侧视图。图7D是具有一个光发射表面变形和弯曲(凹的)形状的LCD器件452′的改型的优选实施例的侧视图。
另外，在该传统的LCD投影系统中，如在屏S上形成的象S仅在正(+)方向畸变为枕形象32或在负(-)方向畸变为桶形象33，则可以把LCD的形状改变成相应的形状而不改变LCD器件的弯曲来校正这些畸变的象。
如果把LCD器件451和452制成为如图6A至6D和图7A至7D所示的或在负(-)方向或正(+)方向变形和弯曲的形状，则配置本发明的LCD投影系统的LCD器件451和452可以构成下述的各种型号，即根据有效屏的尺寸，投影透镜组件的光学结构和象的放大率的不同而不同。
例如，如图6A至6D所示，在LCD器件451畸变和/或弯曲在负(-)方向成桶形的情况下，则选择如图8A和8B中所示那样变形和弯曲的LCD器件451A和451B。
即，在图8A所示的LCD器件451A的情况下，前衬底451a和后衬底451e被变形和负(-)弯曲成桶形，并同时把形成在前衬底451a和后衬底451e上且互相垂直的扫描电极451b和信号电为451f分别形成为从其中心向外面变形和负(-)弯曲。
在图8B所示的LCD器件451B的情况下，把形成一个光发射面的前衬底451a制成为变形和/或负(-)弯曲的桶形并同时把形成在前衬底451a的后侧上的扫描电极451b形成为从其中心向外面逐渐变形和/或负(-)弯曲。
在这种情况下，把后衬底451c形成为典型的平坦板式可以把形成在后衬底451c上的信号电极451d形成为一个典型的条形，并且可以有一个与扫描电极451b对应的变形和弯曲的形状。
按照上述的电极形状，把LCD器件451A和451B的象素配置成弯曲形，使每个象素的尺寸按照从一个有效屏的中心向外如图6A和6B所示那样成比例地减少变形和弯曲。
虽然在该图中没有示出，但与图8B中所示的LCD器件451B相应的后衬底有一个桶形变形和/或负(-)弯曲，平坦板型LCD器件可以作为前衬底采用。
上述各种型号的每个LCD器件可以根据有效屏的尺寸、投影透镜组件的光学结构和放大率和LCD投影系统的类型或特性有选择地采用。
在一个变形和/或弯曲的形状、例如LCD器件451A和451B的情况下，为了使形状保持在稳定状态下，可以把许多插入在填充在前衬底451a与后衬底451c(451e)之间的液晶10中的垫片11(如图9A和9B所示)下述方式形成：使垫片11的直径从有效的屏中心向外成比例地的减少。
在形成为作为如图7A至7D所示的枕形变形的LCD器件452的情况下，如图10A和10B所示的LCD器件452A和452B被选择作为变形和/或弯曲的类型。
在如图10A中所示的LCD器件452A的情况下，把前衬底452a和后衬底452e形成为互补的枕形，并且同时可以把分别形成在前衬底452a和后衬底452e上的扫描电极452b和信号电极452f彼此垂直地形成一个使这些电极从所在衬底中的中心向外面逐渐变形和正(+)弯曲的形状。
可以采用如图10B中所示的LCD器件452B的型号。在LCD器件452B的情况下，把形成一个光发射面的前衬底452a变形和正弯曲成一个枕形，并且同时可以把形成在前衬底452a的后表面处的扫描电极452b形成为从其中心到外侧是逐渐变形和正弯曲的枕形。
在这种情况下，把后衬底452c形成一个典型的平坦板形，而可以把形成在后衬底452c上的信号电极452d形成一个典型的条形，或也可以具有相应扫描电极452b的变形和弯曲(未示出)的形状。
虽然在这些图中没有示出，但是后衬底可以有一个变形和/或正(+)弯曲的枕形的形状，该形状相应于图10B中所示的LCD器件452B的前衬底，并且可以把一个平坦板型LCD器件作为前衬底采用。
上述各种类型的LCD器件可以根据有效屏的尺寸、投影透镜组件的光学结构，象的放大率和LCD投影系统的型号或特性有选择地采用。
在变形和/或弯曲的结构、例如LCD器件452A和452B的情况下，为了使该形状和结构在稳定状态下，优选的是把许多垫片11插入填充在前衬底452a与后衬底452c和452e之间的液晶10中(如图11A和11B中所示)，并使垫片11的直径从有效屏的中心向外成比例地增加。
按照本发明，可以制造具有上述形状和结构的LCD器件451A，451B，452A和452B的衬底451a、451e、452a和452e，例如利用一个由一个三维装置制造的模具制造，该模具具有一个所需要的变形和弯曲形状，或者通过利用COP机压制。
电极451b、451d、451f、452b、452d和452f的变形和/或弯曲的形状可以利用一种例如通常的光刻工艺或化学蒸气沉积(CVD)的沉积方法相应上述畸变和/或弯曲的形状形成。
上述优选实施例用于反射LCD投影系统。本发明的技术方案当然适用于一个原有的透射式LCD投影系统。而且它可以应用于一个单板式LCD投影系统或一个三板式LCD投影系统，即按照每个上述优选实施例的LCD器件可以作为或反射式LCD投影系统或透射式LCD投影系统采用。具体地说，本发明可以用于例如一个投影电视的图象显示装置。
如上所述，按照本发明的LCD投影系统，投影透镜组件的畸变象差和/或象场弯曲可按下述方式校正，通过把LCD器件制成变形和/或弯曲的形状，从而使产生象的源的光发射点根据在校正前在屏上形成的象的畸变和/或弯曲的形状来变化，并且不用增加或减少光学透镜。这样便可以基本上校正畸变象差和/或弯曲象差，并且显著改进成象的性能。

Claims (11)

1.一种LCD投影系统，包括：一个用于产生和发射光的光源，一个利用从光源发射的入射光产生成象光的LCD器件和一个用于放大并把从LCD器件射出的成象光投影到一个屏上的投影透镜组件，其特征在于：LCD器件具有一个与校正畸变和/或弯曲前形成在屏上的图象的畸变和/或弯曲相反变形的形状，所述图象的畸变是由投影透镜组件的畸变引起的，所述图象的弯曲是由投影透镜组件的象场弯曲引起的，借助具有上述形状的LCD器件可以校正畸变象差和/或弯曲象差。
2.如权利要求1所述的LCD投影系统，其特征在于：LCD器件具有一个枕形结构的畸变和/或正(+)弯曲，以便可以校正在屏上形成的象的负(-)畸变和/或弯曲，所述图象的畸变和弯曲是由投影透镜组件的畸变象差和象场弯曲引起的。
3.如权利要求2所述的LCD投影系统，其特征在于：LCD器件包括一个前衬底和一个后衬底，每个衬底上形成有电极，并且前衬底和/或后衬底具有一个枕形结构的畸变和/或正(+)弯曲。
4.如权利要求3所述的LCD投影系统，其特征在于：形成在每个前衬底和后衬底上的电极按照前和后衬底的畸变和弯曲的形状形成图案，以便使象素按一个弯曲图案配置。
5.如权利要求3所述的LCD投影系统，其特征在于：在LCD器件中，每个象素的尺寸从有效屏的中心向外成比例地增加。
6.如权利要求3所述的LCD投影系统，其特征在于：在LCD器件中，插入在前衬底和后衬底之间的垫片的直径从有效屏的中心向外成比例地增加。
7.如权利要求1所述的LCD投影系统，其特征在于：LCD器件具有一个负(-)畸变的桶形，以便可以校正形成在屏上的象的正(+)畸变，所述象的正畸变是由投影透镜组件的畸变象差引起的。
8.如权利要求7所述的LCD投影系统，其特征在于：LCD器件包括一个前衬底和一个后衬底，每个衬底上都形成有电极，前衬底和/或后衬底具有一个负(-)畸变的桶形。
9.如权利要求8所述的LCD投影系统，其特征在于：形成在每个前衬底和后衬底上的电极按照前衬底和后衬底的变形的形状形成图案，以便按照一个弯曲的图案配置象素。
10.如权利要求8所述的LCD投影系统，其特征在于：在LCD器件中，每个象素的尺寸从有效屏的中心向外成比例地减小。
11.如权利要求8所述的LCD投影系统，其特征在于：在LCD器件中，插入在前衬底和后衬底之间的垫片的直径从当前屏的中心向外成比例地减小。
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