CN100471246C - 一种用于投影系统的光学结构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于投影系统的光学结构，其包括有一光源，产生照明光束；一微显示器件，用于调制来自于光源的照明光束，并形成用于投影放大的反射图像光斑；一特殊棱镜，位于投影镜头、微显示器件之间，它使来自于照明光源的照明光束会聚于其前面的平面，使以一定角度的照明光束进入微反射器件表面，一投影镜头，位于微显示器件的反射光路上，接收反射光并投影到屏幕上，实现图像显示。利用特殊棱镜来替代传统设计的TIR棱镜的设计方案，简单且低成本的实现了微显示反射器件对光学系统的要求，通过反射镜的使用也能有效的缩小光学系统的体积。本发明的投影显示光学结构，利用较少的光学元件，减少由光学元件表面引起的损耗，有利于提高光学系统的亮度。

Description

一种用于投影系统的光学结构

技术领域

本发明涉及显示投影技术的光学结构，准确地说是一种实现微显示器件投影显示的光学结构。

背景技术

信息显示技术的发展，带动了其它新型显示技术的发展。从自发光真空器件CRT发展到被动光源LCD显示器件，相继又出现了平板显示技术概念，如PDP等离子显示技术、LCD显示技术及微显示技术，其中PDP及LCD已广泛用于目前的家用产品领域，而代表微显示技术的DLP、LCoS、LCD等，则以实现高清晰度显示为特征，将成为目前显示技术的主流。

微显示技术以其微小器件为优势，采用先进的半导体制造技术，与传统光学技术相结合，可实现大屏幕、高清晰度平板显示。按投影方式不同，有前投影和背投影之分。近两年来，以DLP为代表的技术取得了很大的发展与进步，这主要在于其优越的数字技术解决方案、高清晰度及高可靠性能。DLP是通过一种微型反射器件DMD来实现信号传送的，DMD由上百万个微反射镜镜组成，每一微反射镜受CMOS单独控制，它可以独立旋转运动，是显示画面中的每一像素单元。在无驱动状态下，微反射镜是平坦的，当有光线照射时，它则以绕其固定轴并以固定的角度倾斜，此时为开(ON)状态；当无光照射时，它则绕其固定轴并以相同的固定角度作相反方向的倾斜，此时为关(OFF)状态；这些上百万的微反射镜在一定像素电信号驱动下，会形成具有一定灰度信息的图像信号，经投影镜头放大投影，即可投射到投影屏幕上，实现图像再现显示。

如图1、图2所示，为现有投影装置的光学投影系统示意图，它是美国专利US6726332所描述的DLP技术的典型结构。图1为单片显示投影系统，其中光源10由灯芯101与反射杯102组成，并产生光束103，该光束经反射杯102反射聚焦后，通过一滤色装置---色轮(color wheel)11，色轮11由顺序排列的红、绿、蓝滤色片组成，当色轮按一定方式驱动时，从光源发射的光束103按照设计的红、绿、蓝顺序，依次通过色轮11，并通过光导管(light Pipe)12，光束在光导管内多次反射，在光导管的出口处，即可形成具有一定形状与均匀性的光斑，再经聚光镜13及延迟透镜14后，经折转反射镜15，再经延迟透镜16后进入棱镜系统17。棱镜17由具有内全反射特征的棱镜1701和1702组成，1701和1702胶合在一起，两胶合面之间相互平行且保持一定的空气距离。当光源的光束进入1701后发生全反射，光束被反射到数字微反射镜显示器件18(DMD)。在一定电压驱动下，数字微反射镜显示器件18(DMD)具有“开”和“关”两种状态，当数字微反射镜显示器件18(DMD)处于“开”状态时，DMD微镜旋转+12度，光束经DMD反射返回棱镜17且通过棱镜17，进入投影镜头投射到投影屏幕上，光束携带的图像信息将显示在屏幕上。当数字微反射镜显示器件18(DMD)“关”状态时，DMD微镜旋转-12度，光束经DMD反射返回棱镜17，但因为光束在DMD微镜旋转-12度时，反射光束和投影镜头的夹角比较大，光束不能直接通过棱镜17进入投影镜头，这时屏幕则显示黑暗状态。

然而，由于前述现有装置由光源101产生的照明光束103，在进入投影镜头19之前，需经过色轮、光导管、聚光镜、延迟透镜、折转反射镜、全反射棱镜(TIR)，最后进行DMD微反射器件，光线进入每个光学器件时，均有部分光束被反射而损失。在以物理光学为基本结构的光学系统，光学元器件的数量多少，会直接影响到光学效率的多少，进而直接关系到屏幕亮度的大小。然而，采用上述传统TIR棱镜的光学结构，由于TIR棱镜本身的空气间隙，必然引起光路光线的散射，从而造成光强损失；加上TIR棱镜本身体积较大，它对光线的吸收也是必不可少的，最终影响投影画面的亮度。

而且，由于大角度反射镜缘故，在反射镜之后，需加一透镜对照明光斑整形，以适合DMD对光斑需求，但这又会使照明光束损失约2％左右。

而且，由于DMD固定在TIR棱镜系统的下表面部位，也就是处于三面体棱镜的短边方向，这会使得棱镜尺寸较大。

上述结构其主要特点是采用远心同轴的光学结构，利用TIR内全反射的特定条件与特征，实现入射光线与反射光线的光路转换，从而实现图像的投影放大及显示需求。

综上所述，现有光学系统由于光学元器件较多，使得光学系统的光效率较低，而且，光学部件的数量多及光学系统的复杂性，使整个光学系统体积增大，从而使投影产品难以满足体积小、重量轻、性能优及薄型化的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于投影系统的光学结构，该结构实现入射光路与反射光路的有效分离，从而与DMD微反射镜的旋转角度有效配合，实现最佳的对比度图像。

本发明的另一个目的在于提供一种用于投影系统的光学结构，采用特殊的照明光路及离轴光学系统，通过光学整形手段，使入射DMD的照明光斑具有高亮度及高均匀性能。

本发明的另一目的在于提供用于投影系统的光学结构，该结构可减少光学元器件数量，减少光线透过率损失，从而提高整个系统的光学效率，减少光学系统零件，降低成本。

本发明的另一目的在于提供用于投影系统的光学结构，该结构利用一特殊透镜结构，实现入射光线与反射光线光路分离，其目的在于有效提高光斑的均匀性，并使光学系统尽可能简单，缩小整个光学投影系统体积。

本发明是这样实现的：

一种用于投影系统的光学结构，该结构包括：一光源，产生光束；一滤色器件，它与场时序控制相配合，实现同一场的红、绿、蓝三基色的信号过滤；一光集成器件，它使光源发出的圆形光斑经多次反射成型，形成具有一定长宽比的均匀光斑；一组聚光延迟透镜，将一定形状的光斑聚焦、消除光学像差与畸变，形成DMD所要求的光斑大小；一特殊棱镜，位于DMD之前，实现入射与出射光路分离；一微显示器件，接收来自光源的光束；一投影镜头，位于微显示器件的反射光路上，接收反射光并投影到屏幕上，实现图像显示。

其中，延迟透镜组包括第一片透镜，用于消除由于光线造成的光学球差及子午与弧矢光路的聚焦差异，及第二片透镜，进行聚焦；照明光线经延迟透镜组后射入特殊棱镜。

本发明实质上是一种空间光学传递显示系统，也就是大家所称的光学引擎。在这个系统中，光源和照明系统给空间光学传递系统提供一个大角度的照明系统，光线经过整形聚焦后进入延迟透镜系统第一片透镜，消除由于光线造成的光学球差及子午与弧矢光路的聚焦差异，经第二片透镜聚焦后通过特殊棱镜入射到DMD上，之后经特殊棱镜，光线在棱镜前平面上光轴有一偏离，它使输出图像进入投影镜头第一片镜片，在此位置，图像是远心的而且与入射光轴来讲是离轴的，投影镜头则使前平面的图像放大并使其显示在投影平面上。

实现本发明最主要的构件为：

一光源，产生照明光束；

一微显示器件，用于调制来自于光源的照明光束，并形成用于投影放大的反射图像光斑；

一特殊棱镜，位于投影镜头、微显示器件之间，它使来自于照明光源的照明光束以一定角度的照明光束进入微反射器件表面，并使反射光束射入投影镜头，实现入射与反射光路分离；

一投影镜头，位于微显示器件的反射光路上，接收反射光并投影到屏幕上，实现图像显示。

其次，本发明还包括有：

滤色镜，接收并滤去来自光源的为系统所不需要的紫外与红外波段的光束；

色轮，用于接收从光源发射的一定波长的光谱，按一定顺序产生与图像信号对应的一定颜色的光束；

光导管，用于接收从色轮输出的光束，并将光源正态分布光谱转换成具有一定长宽比尺寸及一定亮度均匀性的光斑；

聚光透镜，用于调整光导管输出光斑并使其光学系统与灯泡数值孔径相匹配，并使该光斑输出至微显示器件。

为了精确地控制投影显示，其中：

特殊棱镜是楔形棱镜结构，它与微显示器件相邻，而且其平面一侧与微显示器件表面相邻；照明系统光束要经过此楔形棱镜进入微反射显示器件，经微反射器件的反射光束也要经过此楔形棱镜；楔形棱镜的最小锥角在0到15度之间。

照明光束与特殊棱镜的前平面之间的角度位于20-50度之间。

微显示器件和镜头光轴的夹角为0<θ<15度。

从微显示器件反射的光线经过楔形棱镜和镜头主光线角度β小于-3∽3度。

本发明采用了特殊棱镜和远心光路及离轴设计的特征，可以提供最佳的对比度特性，通过特殊棱镜结构，相对DMD入射平面来讲，照明光路提供最大角度的照明光束，其中延迟透镜组可补偿光轴的一些偏离。

相对于投影光路来讲，照明系统是离轴的，但是对于从DMD反射出来的光线来讲，虽然经过特殊棱镜与照明系统有一偏轴，但对投影光轴来讲，投影系统本身是远心的，因此相对非远心结构来讲，它的体积较小，其背焦距离可减小。

特殊棱镜和DMD相对投影系统有限倾斜，使得光线通过DMD微镜在ON和OFF时有较大的角度分开，提高了系统的对比度。

另外，楔形特殊棱镜还可以采用其它的类似结构替代，如可用曲面为二分之一的特殊透镜替换。

因此，本发明的另一种实现方式是：

一种用于投影系统的光学结构，其包括：一光源，产生光束；一组透镜，该棱镜位于光源、微显示器件之间，具有聚焦作用；一特殊透镜，位于DMD之前，实现入射与出射光路分离；一微显示器件，接收来自光源的光束；一投影镜头，位于微显示器件的反射光路上，接收反射光并投影到屏幕上，实现图像显示。

上述的特殊透镜，特殊透镜的两个透光表面至少一个表面为曲面。通常情况下是其射入光束的透光面为曲面，另一通光面为平面。

这种光学结构不仅用于背投影系统，也可用于前投影系统。对于前投影系统来讲，可经照明系统进行光路折转，从而减小体积，满足前投影体积。

本发明的优点是：

本发明的投影显示光学结构，利用特殊棱镜来替代传统设计的TIR棱镜的设计方案，简单且低成本的实现了微显示反射器件对光学系统的要求，通过反射镜的使用也能有效的缩小光学系统的体积。

本发明的投影显示光学结构，利用较少的光学元件，减少由光学元件表面引起的损耗，有利于提高光学系统的亮度。

本发明的投影显示光学结构，利用特殊透镜27和倾斜微显示器件28的工作原理，能有效的加大微显示器件28在ON和OFF光线分开的角度，有利于提高光学系统的对比度。

附图说明

图1为现有技术投影显示光学系统示意图；

图2为现有技术所采用的全反射棱镜结构图；

图3为本发明一实施例的光学系统图；

图4为本发明的特殊棱镜要求示意图；

图5为本发明的微显示器件和投影系统的位置要求结构图；

图6为微显示器件反射光线和投影系统光轴的要求结构图；

图7为入射光线和出射光线的分离示意图；

图8为本发明特殊透镜结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施。

参考图3，本发明由光源20，色轮21，光导管22，第一聚光透镜23，第二聚光透镜24，延迟透镜25，反射镜26，特殊棱镜27，微显示器件28，投影镜头29组成。

本发明的光学系统工作原理，由光源20发光，提供白色宽带的可见光，会聚于色轮21，色轮21由蓝色、绿色和红色的滤色片组成，光线通过转动色轮21后，按一定的时序依次产生红色、绿色和蓝色的单色光束；光束经色轮21进入光导管22，光导管22起一个光学积分器的作用，把进入光导管22的圆形光斑均匀化，成为一个均匀性好具有一定长宽比的长方形光斑。第一聚光透镜23，第二聚光透镜24和延迟透镜25具有调制作用，使得照明系统的光斑大小，与微显示器件28的相对孔径相匹配；从延迟透镜25出射的光线通过特殊棱镜27入射到微显示器件28上。反射镜26改变光路方向，使得光路系统体积减小；特殊棱镜27(其为楔形结构，两个透光面皆为平面)在光路中能有效的分开照明系统和投影系统之间的夹角，使得照明系统和投影系统在满足光学孔径要求下，不发生干涉；特殊棱镜27也能有效的帮助校正由微显示器件28的倾斜产生的像差。入射到微显示器件28的光线再经过特殊透镜28进入投影镜头29，投影镜头29放大投影到屏幕上。

本发明的投影显示光学结构，利用特殊棱镜27来替代传统设计的TIR棱镜的设计方案，简单且低成本的实现了微显示反射器件对光学系统的要求，通过反射镜26的使用也能有效的缩小光学系统的体积。

本发明的投影显示光学结构，利用较少的光学元件，减少由光学元件表面引起的损耗，有利于提高光学系统的亮度。

本发明的投影显示光学结构，利用特殊透镜27和倾斜微显示器件28的工作原理，能有效的加大微显示器件28在ON和OFF光线分开的角度，有利于提高光学系统的对比度。

图4为特殊棱镜27的结构示意图。如图所示，其外形为一光楔，但其通光表面由两个平面组成；在两个平面组成角满足0∽15°任何角度时，当照明系统一定角度入射到棱镜的第一表面2701时，由于其折射作用使透过光线2702入射到微显示器件28表面。当微显示器件微反射镜以+12°时，反射光线则以与入射光线一定角度方向射出。

图5给出了投影光路29与特殊棱镜27及微显示器件28的离轴角度。由于微显示器件以固定角度实现其ON、OFF状态，当投影光轴与特殊镜、微显示器件光轴为0∽15°任何角度时，在ON状态，微显示器件微反射镜受光路信号驱动，旋转+12°，此时经特殊棱镜27反射的光线则沿投影镜头29的光轴进入镜头；在OFF状态，经微显示器件反射的光线则以更大的角度偏离投影镜头光轴，从而实现显示图像的高对比度性能。

图6进一步说明了特殊棱镜27的作用，当远心照明系统的平行光60以一定角度入射到棱镜的第一表面2701时，由于其折射作用使透过光线2702入射到微显示器件28表面。当微显示器件微反射镜以+12°时，反射光线61则以与入射光线60一定角度方向射出。当微反射镜处于ON/OFF状态时，其上微反射镜分别旋转+12°/-12°，反射光线61与投影光轴62会有一微小角度偏离，其离轴角度为-3°<β<3°。

图7给出了特殊棱镜27实现入射、反射光轴分离的情形。

微显示器件为ON状态时，反射光线完全进入投影镜头29；微显示器件为OFF状态时，反射光线以更大角度偏离投影光轴而不进入投影镜头。

图8是一种特殊透镜结构，其功能等效于特殊棱镜。该特殊透镜结构117，其功能与特殊棱镜27相同，可实现微显示器件ON/OFF状态时反射光路的有效分离。它与特殊棱镜27的差别是特殊棱镜27的通光面为曲面，而特殊透镜117的两个通光表面1171和1172为曲面，或是其中一表面为曲面，一表面为平面。

Claims (6)

1、一种用于投影系统的光学结构，包括:

一光源，产生照明光束；

一色轮，由蓝色、绿色和红色的滤色片组成，光线通过转动色轮后，按一定的时序依次产生红色、绿色和蓝色的单色光束；

一光导管，光束进入光导管，在光导管的作用下，产生一个均匀性好具有一定宽高比的长方形光斑；然后进入聚光延迟透镜，

一聚光延迟透镜，包括第一聚光透镜，第二聚光透镜和延迟透镜，它们使得照明系统的光斑大小，与微显示器件的相对孔径相匹配；

一微显示器件，从延迟透镜出射的光线通过楔形棱镜入射到微显示器件上，

一反射镜，使光线改变光路方向，使得光路系统体积减小；

一楔形棱镜，它与微显示器件相邻，照明系统光束要经过此楔形棱镜进入微反射显示器件，经微反射器件形成的图像也要经过此楔形棱镜，楔形棱镜的最小锥角在0到15度之间，该楔形棱镜位于投影镜头、微显示器件之间，它使来自于照明光路的会聚光束以一定的角度进入微反射器件表面，经微反射器件反射后，再调整反射光束的光路，使反射光束射入投影镜头，并实现入射与出射光路分离；

一投影镜头，位于微显示器件的反射光路上，接收反射光并投影到屏幕上，实现图像显示。

2、根据权利要求1所述的用于投影系统的光学结构，其特征在于照明光束与楔形棱镜的前平面之间的角度大于20度小于50度。

3、根据权利要求1所述的用于投影系统的光学结构，其特征在于微显示器件和镜头光轴的夹角0<θ<15度。

4、根据权利要求1所述的用于投影系统的光学结构，其特征在于从微显示器件出射的光线经过楔形棱镜和镜头主光线角度β为-3∽3度。

5、根据权利要求1所述的用于投影系统的光学结构，其特征在于楔形棱镜用曲面为二分之一的特殊透镜替换。

6、根据权利要求5所述的用于投影系统的光学结构，其特征在于特殊透镜的两个通光表面至少一个表面为曲面。

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