CN101918879A - 投影系统 - Google Patents

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CN101918879A CN2008801227602A CN200880122760A CN101918879A CN 101918879 A CN101918879 A CN 101918879A CN 2008801227602 A CN2008801227602 A CN 2008801227602A CN 200880122760 A CN200880122760 A CN 200880122760A CN 101918879 A CN101918879 A CN 101918879A
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Abstract

一种图像投影系统，具有单个反射式调光器(111)以及包括至少一个光源(101、103、105)。组合器(107)可被用于将发射自多个光源的光进行组合。物镜(110)可与所述反射式调光器结合放置。光学系统(108)可用于均匀地分布投影到反射式调光器上的光，从而不依赖于光源的光强度分布，和/或用于改变要被投影到反射式调光器上的光的形状。该图像投影系统可安装在机械结构(701、801)中，该机械结构(701、801)具有直接安装在表面上的扬声器驱动器单元(802)，从而声波和光波共享相同的空间。该机械结构可由附着到热生成元件上的热传导设备组成。

Description

投影系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年12月27日提交的美国临时专利申请US61/017,026的优先权。
技术领域
本发明涉及用于正面投影监视器或背面投影监视器的图像投影系统。
背景技术
基于不同类型的调光器，诸如反射式数字微镜装置(DMD)、硅基液晶(LCOS)装置或者基于透射式薄膜晶体管(TFT)的装置，现有技术中公开了各种光学结构。对于要求更高光输出的应用而言，使用了三种调光器，以便每个调光器调制红色、蓝色和绿色中的一种颜色。在其他的应用中，单个的调光器用于在不同的时间点调制不同的色光。滤色器还有可能覆盖在单个调光器的像素上，以便空间地调制不同的色光。
在近来诸如个人投影仪或者嵌入移动设备的投影仪这样的投影应用中，小型的物理尺寸以及高的发光效率是极其重要的。对于这种应用而言，使用单个反射式调光器的投影系统比基于三调光器的系统或者基于透射式调光器的系统具有各种优势，虽然在设计这种投影系统时应当十分小心以便获得高的发光效率和小的尺寸。
发明内容
本发明的图像投影系统基于单个反射式调光器，并包括单个光源或者多个光源。光组合装置可被用于以紧凑而高效的方式将发射自多个光源的光进行组合。物镜可与反射式调光器结合放置来会聚调制后的光，以便能够得到小型且低成本的投影透镜系统。该物镜便于用于与便携式或嵌入式应用一起使用的小型投影系统的设计。小型增强型光学部件可用于将发射自至少一个光源的光的形状(诸如通常同心形状的光)转换成反射式调光器的有源区的形状因数(form factor)。
光学系统可用于均匀地分布投影到反射式调光器的光，从而不依赖于光源的光强度分布，和/或用于改变要被投影到反射式调光器上的光的形状。这种光学系统确保了投影图像的均匀性。
为了小型化，图像投影系统及其部件可安装在具有直接安装在表面上的扬声器驱动器单元的机械结构中，以便声波和光波共享至少部分相同的空间。该机械结构可由附着到热生成元件上的热传导设备或材料组成，从而在不需要外部有源或无源冷却装置(诸如，冷却风扇或具有循环冷却剂的冷却管)的情况下，该机械结构便于耗散来自热生成元件(诸如，反射式调光器以及光源)的热量。
附图说明
图1示出了本发明的投影系统的示例。
图2(a)示出了光源的示例，该光源具有用于收集来自该光源的光、包含反射式装置的光学系统。
图2(b)示出了光源的示例，该光源具有用于收集来自该光源的光、包含折射式装置的光学系统。
图3(a)示出了光组合器光学系统的示例。
图3(b)示出了光组合器光学系统的另一示例，从而二色表面在一个单个的交叉轴处彼此交叉。
图4(a)示出了使用基于液晶的反射式调光器的示例，该基于液晶的反射式调光器通过光极化来调制光，其中极化装置与该调光器成45度放置以作为预极化器和后极化器。
图4(b)示出了使用基于液晶的反射式调光器的示例，该基于液晶的反射式调光器通过光极化来调制光，其中使用两个极化器装置来分别作为预极化器和后极化器。
图5(a)示出了包含一个半透明元件的增强型光学部件在投影系统中操作的方式，充满透镜阵列的两个对立面被二维布置。
图5(b)示出了包含一个半透明元件的增强型光学部件的示例的三维视图，充满透镜阵列的两个对立面被二维布置。
图5(c)示出了反射式调光器的有源区。
图6示出了包含圆柱形透镜系统的增强型光学部件在投影系统中操作的方式。
图7示出了投影系统的示例，包含附着到热生成元件上的热传导装置的机械结构包含反射式调光器和光源。
图8示出了具有机械结构的投影系统的示例，该机械结构具有含有开口的表面以便扬声器驱动器单元直接附着到该表面，从而声波和光波共享相同的公共空间。
具体实施方式
如图1至图8所示，公开了本发明投影系统的各种示例性实施方式及其部件。
图1示出了本发明第一实施方式中公开的投影系统的示例。发射自光源101、103和105的光分别通过光收集元件102、104和106。光组合器装置107将发射自光收集元件102、104和106的光组合成单个组合光束。该组合光通过增强型光学部件108，增强型光学部件108将投影到反射式调光器或阀门111的光进行均匀分布，而不管光源的光强度分布，和/或改变要被投影到反射式调光器111上的光的形状以与反射式调光器111的有源区的形状因数相匹配。然后，光通过透镜系统109，透镜系统109用于改变光点的大小以与随后的光学部件以及反射式调光器111的有源区的大小相匹配。从透镜系统109输出的光接着通过分束器系统112和物镜系统110。然后光由反射式调光器111进行调制。在到达分束器系统112之前，调制和反射后的光由物镜110进行重定向。分束器系统112将调制后的光引导到投影透镜系统113，以在屏幕上形成放大的图像。
图1所示的示例包括三个光源101、103和105，这三个光源典型地在连续的时间点中发射红光、蓝光和绿光。反射式调光器111在时间点中根据对应于不同颜色的图像数据来调制诸如不同的色光，以生成观看者能够看到的全色图像。
然而，依赖于投影系统的不同的操作原理，当投影系统具有不同数目的光源时会存在着不同的情况。
在一个实施方式中，投影系统仅具有一个白光源，从而全色图像由覆盖在反射式调光器111上的滤色器装置来生成。在另一实施方式中，投影系统除了具有用于在不同时间点中发射不同色光的三个光源之外还具有多个光源。一个示例性的实施方式是投影系统具有红光源、绿光源、蓝光源、白光源和黄光源，以增强系统亮度。
在另一实施方式中，如图1所示，物镜系统110与反射式调光器111放置在一起，从而投影透镜系统113可做成小型化。
在另一实施方式中，反射式调光器111可以是：(i)微机电系统(MEMS)，诸如基于数字光处理(DLP)的系统，(ii)反射式硅基液晶(LCOS)，或者(iii)基于反射式薄膜晶体管(TFT)的液晶显示器。
在其他实施方式中，光源可以包括：(i)发光二极管(LED)，诸如图2(b)中的LED 203，(ii)表面激光器，或者(iii)不同类型的灯，诸如图2(a)中的灯202，包括卤素灯、氙气灯、高强度放电(HID)灯、超高压(UHP)灯等。
从每个光源收集光的光学系统包括反射式元件和折射式元件的组合。在图2(b)所示的一个实施方式中，当使用LED 203时，设计了在相同时刻收集光的多个折射式透镜元件204，从而使光收集光学系统小型化。在另一实施方式中，当使用基于短弧灯的技术时，如图2(a)所示，使用反射式光学系统201来以高效的方式收集光。存在着将反射式元件和折射式元件两者都用于高效地收集光的其他实例。在一些实例中，设计了光收集系统以使得所收集的光基本上平行，诸如图2(a)中的平行光205和图2(b)中的平行光206，从而可使随后的光学部件的尺寸小型化。
在投影系统包括不止一个光源的实施方式中，组合器光学系统用于将来自光源的光组合并引导该光沿着单一的光路径前进。在投影系统包括两个光源的实施方式中，诸如图3(a)中的光源301和302，组合器光学系统包括一个二色表面303以将光组合从而使光沿着单一的光路径304，或者在存在着不止两个光源301、302、305和308的情况中，组合器光学系统包括两个或多个二色表面303、306、309等以将光组合成中间组合光307，中间组合光307被施加到二色表面309上并与光308组合以沿着单一的光路径310前进。
包含不止一个二色表面的组合器光学系统还可以以图3(b)中二色表面314和315在一个单一的交叉轴处彼此交叉的方式进行放置，其中光源311、312、313入射到二色表面314、315上以形成单一的光路径316，从而投影系统的照明级的尺寸可以小型化。
在另一实施方式中，图4(a)中的分束器元件401与反射式调光器402成45度角进行放置，当入射和反射光与反射式调光器垂直时使用分束器元件401。分束器元件可以是任意的极化装置，诸如：(i)偏振层板，(ii)薄膜极化分束器，(iii)“MOXTEK公司”的商用线栅极化器，或者(iv)“3M公司”的商用“VIKUITI”极化分束器。
如果基于液晶的反射式调光器405(如图4(b)所示)被用于调制具有特定极化的光，则调制之前这种光的预极化可通过诸如激光这样的极化光源的方式来获得，或者通过图4(b)中的极化装置403(诸如(i)偏振层板，(ii)薄膜极化分束器，(iii)“MOXTEK公司”的商用线栅极化器，或者(iv)“3M公司”的商用“VIKUITI”极化分束器)来获得，以及调制之后使用极化装置404(如图4(b)所示)对光进行的后极化可通过相同或不同的极化装置来获得，诸如(i)偏振层板，(ii)薄膜极化分束器，(iii)“MOXTEK公司”的商用线栅极化器，或者(iv)“3M公司”的商用“VIKUITI”极化分束器。
在另一实施方式中，本发明中使用的增强型光学部件，诸如图1中的部件108，包括图5(a)中具有如图5(a)所示的两个对立面503和504的半透明元件507，半透明元件507充满二维放置的透镜阵列。在图5(a)中，平面501处的光源A和B由光学系统502成像，透镜阵列503、504中的每个透镜都面向光源，以在对立透镜阵列的相应透镜处形成图像A’和B’。面向光源的透镜阵列的每个透镜都用作光学系统502的孔径，以及光源C和D由对立透镜阵列的相应透镜和光学系统505来成像，以在反射式调光器506的有源区处形成图像C’和D’。通过采用这样的布置，投影到反射式调光器506上的光的分布变得均匀并与光源的光强度分布无关。
在另一实施方式中，对立的透镜阵列503和504具有类似的形状，以便当平行光通过透镜阵列时入射光的平行特性可得到保持，从而使得半透明光学元件507的位置相对于光学路径而言相对地不灵敏，因此半透明光学元件507可与不同的光学部件设计相兼容，诸如两个光学部件设计：具有图1所示的组合光学系统或光组合装置107，以及图1中的部件的可替换实施方式(但不具有组合光学系统或光组合装置107)。
在另一实施方式中，如图5(b)所示，透镜阵列503和504的每个透镜都具有与反射式调光器508的有源区的形状因数或尺寸(在图5(c)中用X和Y表示)相匹配或类似的形状因数或尺寸x和y，从而x/y＝X/Y。
在另一实施方式中，增强型光学部件包括图6所示的圆柱形透镜系统601，以便与图5(c)所示的反射式调光器508的有源区相匹配。
在又一实施方式中，增强型光学部件包括诸如薄膜漫射器这样的漫射装置。例如，在图6中，漫射薄膜602被添加到透镜601之后的光学系统中，以均匀地分布投影到反射式调光器603上的光并与光源的光强度分布无关。
在另一实施方式中，本发明投影系统安装在图7所示的机械结构701上或安装在机械结构701中，机械结构701包括热附着到热生成元件(诸如图7中的反射式调光器702和/或图7所示的至少一个光源703-705)上的热传导装置。这样，为了投影系统的小型化，就不再需要其他的诸如冷却风扇这样的强制冷却装置或者诸如具有循环冷却剂的冷却管这样的无源冷却装置。
在另一实施方式中，本发明投影系统安装在图8所示的机械结构801上或安装在机械结构801中，机械结构801具有含有至少一个开口的至少一个表面以及图8中的至少一个扬声器驱动器单元802，扬声器驱动器单元802直接安装到机械结构801上以便光波和声波共享相同的公共空间，从而形成小型的投影系统。

Claims (29)

1.一种图像投影系统，该图像投影系统包括：
(i)至少一个光源；
(ii)用于从所述至少一个光源收集光的光学系统；
(iii)用于如果所述图像投影系统包括不止一个光源，则将来自所述光源的光引导到一个光路径的组合器光学系统；
(iv)反射式调光器；以及
(vi)投影透镜系统。
2.根据权利要求1所述的系统，所述至少一个光源选自由下述各项组成的组：
(i)发光二极管(LED)；
(ii)表面激光器；
(iii)选自由卤素灯、氙气灯、高强度放电(HID)灯和超高压(UHP)灯组成的组的灯。
3.根据权利要求1所述的系统，所述光学系统包括折射式元件和反射式元件的组合。
4.根据权利要求1所述的系统，所述光学系统包括包含多个折射式元件的透镜系统，从而从所述光学系统输出的光基本上平行。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个光源包括多个光源；以及
其中所述组合器光学系统包括多个二色表面，每个二色表面用于接收来自所述多个光源中的各个光源的光，所述多个二色表面如此布置以便来自所述多个光源的光被重定向以彼此成一直线。
6.根据权利要求5所述的系统，所述二色表面在一个单个的交叉轴处彼此交叉。
7.根据权利要求1所述的系统，所述反射式调光器为：(i)微机电系统(MEMS)，(ii)反射式硅基液晶(LCOS)，(iii)基于反射式薄膜晶体管(TFT)的液晶显示器。
8.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括基于液晶的反射式调光器，用于用预定义的极化来调制光，其中调制之前光的预极化通过选自由下述各项组成的组的第一极化装置来实现：
(i)激光器；
(ii)偏振层板；
(iii)薄膜极化分束器；
(iv)线栅极化器；或者
(v)极化分束器；
其中调制之后光的后极化通过选自由下述各项组成的组的第二极化装置来实现：
(i)激光器；
(ii)偏振层板；
(iii)薄膜极化分束器；
(iv)线栅极化器；或者
(v)极化分束器。
9.一种图像投影系统，该图像投影系统包括：
(i)至少一个光源；
(ii)从所述至少一个光源收集光的光学系统；
(iii)反射式调光器；
(iv)与所述反射式调光器结合放置的物镜装置；以及
(v)投影透镜系统。
10.根据权利要求9所述的系统，所述至少一个光源选自由下述各项组成的组：
(i)发光二极管(LED)；
(ii)表面激光器；
(iii)选自由卤素灯、氙气灯、高强度放电(HID)灯和超高压(UHP)灯组成的组的灯。
11.根据权利要求9所述的系统，所述光学系统包括折射式元件和反射式元件的组合，用于收集来自所述至少一个光源的光。
12.根据权利要求9所述的系统，所述光学系统包括透镜系统以收集来自所述至少一个光源的光，所述透镜系统包括多个折射式元件，从而从所述光学系统输出的光基本上平行。
13.根据权利要求9所述的系统，所述反射式调光器选自由下述各项组成的组：
(i)微机电系统(MEMS)
(ii)反射式硅基液晶(LCOS)设备；以及
(iii)基于反射式薄膜晶体管(TFT)的液晶显示器。
14.根据权利要求9所述的系统，所述物镜装置包括与所述反射式调光器结合放置的透镜系统，该透镜系统作为照明光学部件和成像光学部件的一部分。
15.根据权利要求9所述的系统，该系统还包括基于液晶的反射式调光器，用于用预定义的极化来调制光，其中调制之前光的预极化通过选自由下述各项组成的组的第一极化装置来实现：
(i)激光器；
(ii)偏振层板；
(iii)薄膜极化分束器；
(iv)线栅极化器；或者
(v)极化分束器；
其中调制之后光的后极化通过选自由下述各项组成的组的第二极化装置来实现：
(i)激光器；
(ii)偏振层板；
(iii)薄膜极化分束器；
(iv)线栅极化器；或者
(v)极化分束器。
16.一种图像投影系统，该图像投影系统包括：
(i)至少一个光源；
(ii)从所述至少一个光源收集光的光学系统；
(iii)反射式调光器；
(iv)增强型光学部件，用于均匀分布投影到所述反射式调光器上的光而不管所述光源的光强度分布，和/或改变投影到所述反射式调光器上的光的形状以便与所述反射式调光器的形状因数相匹配；以及
(v)投影透镜系统。
17.根据权利要求16所述的系统，所述至少一个光源选自由下述各项组成的组：
(i)发光二极管(LED)；
(ii)表面激光器；
(iii)选自由卤素灯、氙气灯、高强度放电(HID)灯和超高压(UHP)灯组成的组的灯。
18.根据权利要求16所述的系统，所述光学系统包括折射式元件和反射式元件的组合，用于收集来自所述至少一个光源的光。
19.根据权利要求16所述的系统，所述光学系统包括透镜系统以收集来自所述至少一个光源的光，所述透镜系统具有多个折射式元件，从而从第一光学系统输出的光基本上平行。
20.根据权利要求16所述的系统，所述反射式调光器选自由下述各项组成的组：
(i)微机电系统(MEMS)
(ii)反射式硅基液晶(LCOS)设备；以及
(iii)基于反射式薄膜晶体管(TFT)的液晶显示器。
21.根据权利要求16所述的系统，所述增强型光学部件包括一个半透
明元件，所述半透明元件具有充满二维放置的透镜阵列的两个对立面。
22.根据权利要求21所述的系统，所述对立面上的透镜阵列具有类似的形状和大小。
23.根据权利要求22所述的系统，所述增强型光学部件包括半透明元件，所述半透明元件具有充满二维放置的透镜阵列的两个对立面，以便所述透镜阵列中的每个透镜都具有与所述反射式调光器的有源区的形状因数相同的形状因数。
24.根据权利要求16所述的系统，所述增强型光学部件包括圆柱形透镜系统，所述圆柱形透镜系统的形状因数与所述反射式调光器的有源区的形状因数相匹配。
25.根据权利要求16所述的系统，所述增强型光学部件包括漫射装置。
26.根据权利要求16所述的系统，该系统还包括基于液晶的反射式调光器，用于用预定义的极化来调制光，其中调制之前光的预极化通过选自由下述各项组成的组的第一极化装置来实现：
(i)激光器；
(ii)偏振层板；
(iii)薄膜极化分束器；
(iv)线栅极化器；或者
(v)极化分束器；
其中调制之后光的后极化通过选自由下述各项组成的组的第二极化装置来实现：
(i)激光器；
(ii)偏振层板；
(iii)薄膜极化分束器；
(iv)线栅极化器；或者
(v)极化分束器。
27.根据权利要求1-26中任一项权利要求所述的系统，该系统还包括：
用于安装所述系统的部件的机械结构，所述机械结构包括具有至少一个开口的至少一个表面，并且该机械结构具有直接安装到所述至少一个表面上的至少一个扬声器驱动器单元，从而光波和声波共享公共的空间。
28.根据权利要求1-26中任一项权利要求所述的系统，该系统还包括：
用于安装所述系统的部件的机械结构，所述机械结构包括：
选自由反射式调光器和热光源组成的组的热生成元件；以及
热耦合到所述热生成元件上的热传导装置。
29.根据权利要求28所述的系统，所述系统不使用有源冷却装置或无源冷却装置。
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