CN103189793B - 投影仪设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于在投影仪设备中使用的薄型照明光学系统。所公开的照明光学系统用于投影仪设备中，投影仪设备将从光源发射的光引导至TIR棱镜(20)，通过用具有矩形表面的DMD(23)反射已经在所述棱镜(20)的全反射表面上被全反射的光来光学调制所述光，并将所述光学调制光投射到屏幕上。照明光学系统的TIR棱镜(20)被构造为使得通过所述全反射表面的法线垂直地投影到DMD(23)的表面上形成的投影线与所述DMD(23)的微镜转动轴线(R)形成90°以外的角度，作为通过从所述全反射表面出射的光束(Lout)的主光线垂直地投影到DMD(23)的表面上的出射光投影线与转动轴线(R)形成90°角，以及作为通过入射到所述全反射表面上的光束(Lin)的主光线垂直地投影到DMD(23)的表面上的入射光投影线关于穿过入射光投影线的端点并平行于DMD的长边延伸的直线(Q)位于与出射光投影线相同的一侧。

Description

投影仪设备
技术领域
本发明总体涉及一种投影仪设备，并且更具体地涉及一种其中由反射型光调制装置中的一种DMD形成投影图像的投影仪设备。
本发明还涉及一种用于这种投影仪设备的照明光学系统。
背景技术
例如，如专利文献1中所述已知一种其中由反射型光调制装置中的一种DMD(数字微镜装置，注册商标)形成的图像由投影光学系统被投射和显示在屏幕上的显示器设备。DMD包括设置成矩阵的多个微镜，其中每个微镜具有ON状态和OFF状态这两种倾斜状态。在采用DMD的投影仪设备中，投影光学系统被设置为使得当照明光被朝向DMD引导时，入射在ON状态微镜上的照明光被朝向投影光学系统的内侧反射，而入射在OFF状态微镜上的照明光被向着投影光学系统的外侧反射。因此，仅由ON状态微镜反射的光由投影光学系统投射在屏幕上，从而在屏幕上形成明暗图案显示图像。在这种情况中，一个微镜表示显示图像的一个像素。
现在将参照图9和10描述DMD的概述。图9为DMD的平面图，图示DMD的驱动结构，图10为DMD的剖视图，图示沿着图9中的A-A线的一部分的横截面形状。注意到，这些附图以放大形式图示多个微镜中的一个，并且实际DMD包括设置成矩阵的多个微镜。
如图所示，DMD1的微镜2具有ON状态和OFF状态这两种倾斜状态，其中在ON状态下，微镜例如倾斜+12°，在OFF状态下，微镜通过围绕转动轴线R转动而倾斜-12°。转动轴线R设置在与DMD1的长边或短边形成45°角的方向上，并且照明光L0从正交于转动轴线的方向相对于DMD1的表面以24°的入射角朝向DMD1的表面引导。被引导向DMD1的照明光L0当被ON状态微镜2反射时变为相对于DMD1的表面具有0°反射角的投影光L1，而照明光L0在被OFF状态微镜2反射时变为相对于DMD1的表面具有-48°反射角的投影光L2。由于仅被ON状态微镜2反射的具有0°反射角的投影光L1进入投影光学系统，因此通过控制每个微镜2的明暗形成的图像被投射在屏幕上。也就是说，在这种情况中，DMD1的一个微镜2代表该图像的一个像素。
如在本文中使用的用语“DMD1的表面”被定位为平行于包括所有微镜的转动轴线R并横向于所有微镜2的表面的表面的表面。
同时，在采用如上所述的DMD1的投影仪设备中，由于DMD1的结构原因，需要将照明光学系统配置为满足两个条件：从正交于微镜2的转动轴线R的方向，即从与DMD1的长边或短边形成45°角的方向引导照明光L0，并且以24°入射角将照明光L0朝向DMD1的表面引导。
因此，在常规投影仪设备中，经常需要采用TIR棱镜(全内反射棱镜)将照明光引导至DMD1(如图11和12所示)的照明光学系统。也就是说，从光源3发射的光通过彩色转盘4由光积分棒5收集，并由第一反射镜6和第二反射镜7引导至TIR棱镜8，在TIR棱镜8中光被全反射，从而以预定入射角(相对于DMD1的表面为24°)将光从预定方向(正交于微镜的转动轴线的方向)被引导向DMD1。随后，以上述方式被引导的照明光由DMD1反射以进行光调制，并且在光调制之后透射通过TIR棱镜8的光通过投影光学系统9被投射在屏幕上。
现在将参照分别图示透视形状、侧向形状和底部形状的图6，7和8详细描述常规投影仪设备中使用的示例性TIR棱镜8。注意到，在图6至8中，DMD1的长边方向和短边方向分别被指定为X方向和Y方向，正交于X方向和Y方向的方向被指定为Z方向。如图6至8所示，TIR棱镜8包括第一棱镜8A和第二棱镜8B，并在全反射表面P处全反射从光学系统(未示出)引导的照明光Lin，以相对于DMD1从预定方向且以预定角引导被全反射的照明光Lout。TIR棱镜8还使来自DMD1的反射光Lref透射通过第一棱镜8A的全反射表面P并从第二棱镜8B输出，从而将光Lref引导至投影光学系统。
为此目的，在TIR棱镜8中，全反射表面P的倾角α被设置为全反射入射照明光Lin并透射来自DMD1的反射光Lref，并且全反射表面P的方向被设置为使得投影线相对于DMD1的微镜转动轴线R(图7和8)形成90°角，其中该投影线是投射在包括DMD1的表面的表面上的全反射表面的法线N。随后，照明光被朝向TIR棱镜8引导，使得为入射照明光Lin和出射(反射)照明光Lout相对于投射在包括DMD1的表面的表面上的全反射表面P的行进方向的投影线与全反射表面的法线N一样与DMD1的微镜转动轴线R形成90°角。
然而，在具有前述DMD和TIR棱镜的常规投影仪设备中，没有别的选择，只能采用厚棱镜作为TIR棱镜，如在图8中清楚地所示，从而引起投影仪设备由此变厚的问题。
考虑到上述情况，本发明人已经提出了一种投影仪设备，其可以采用专利文献2中的薄TIR棱镜。该投影仪设备是如下所述的一种投影仪设备，其中来自光源的光被引导至TIR棱镜，被TIR棱镜全反射的光被DMD反射以进行光调制，并且在光调制之后透射通过TIR棱镜的光通过投影光学系统被投射在屏幕上，其中：TIR棱镜具有用于全反射和引导照明光至DMD并透射由DMD调制的光的全反射表面，并且被设置为使得投影线与DMD的长边或短边形成小于45°的角，即与DMD的微镜转动轴线形成小于90°的角，其中该投影线为从垂直于DMD的表面的方向看时全反射表面的法向向量；并且照明光学系统使照明光入射在全反射表面上，使得为从垂直于DMD的表面的方向看时从TIR棱镜出射至DMD的照明光的光轴的投影线与DMD的长边或短边形成45°角。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本未审查专利公开No.2000-206452
专利文献2：日本未审查专利公开No.2002-350775
发明内容
专利文献2中描述的投影仪设备已经实现预期目标，但本发明意图提供一种更薄的投影仪设备和一种允许实现这种投影仪设备的照明光学系统。
根据本发明的用于与投影仪设备一起使用的照明光学系统是一种用于与投影仪设备一起使用的照明光学系统，在所述投影设备中，从光源发射的光被引导至TIR棱镜，被TIR棱镜的全反射表面全反射的光被具有矩形表面的DMD反射以进行光调制，并且在光调制之后透射通过全反射表面的光通过投影光学系统被投射在屏幕上，其中：
DMD被设置为使得DMD的矩形表面平行于TIR棱镜的一个端面，全反射光从所述一个端面出射；并且
TIR棱镜被构造为使得：作为全反射表面的法线垂直地投影在DMD的表面上的投影线与DMD的微镜转动轴线形成除了90°以外的角度，作为从全反射表面出射的光束的主光线垂直地投影在DMD的表面上的出射光投影线与微镜转动轴线形成90°角，以及作为入射在全反射表面上的光束的主光线垂直地投影在DMD的表面上的入射光投影线关于穿过入射光投影线的端点并平行于DMD的长边延伸的直线位于与出射光投影线相同的一侧。
根据本发明的投影仪设备是具有本发明的上述照明光学系统的投影仪设备。
在本发明的照明光学系统中，TIR棱镜被构造为使得作为全反射表面的法线垂直地投影在DMD的表面上的投影线与DMD的微镜转动轴线形成除了90°以外的角度(这对应于在专利文献2中描述的投影仪设备中投影线与DMD的长边或短边形成小于45°的角)，并且作为从全反射表面出射的光束的主光线垂直地投影在DMD的表面上的出射光投影线与微镜转动轴线形成90°角(这对应于在专利文献2中描述的投影仪设备中投影线与DMD的长边或短边形成45°角，并且这是DMD正常使用的必要条件)。这允许薄薄地形成整个光学系统，基本上与专利文献2中描述的投影仪设备一样。
此外，在本发明的照明光学系统中，TIR棱镜进一步被构造为使得作为入射在全反射表面上的光束的主光线垂直地投影在DMD的表面上的入射光投影线关于穿过入射光投影线的端点(即，主光线在全反射表面上的入射点)并平行于DMD的长边延伸的直线位于与出射光投影线相同的一侧。这进一步允许实现厚度的减小。
本发明的投影仪设备是具有上述照明光学系统的投影仪设备，使得可以充分地减小投影仪设备的厚度和尺寸。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的投影仪设备的侧视图；
图2为用在上述投影仪设备中的照明光学系统的透视图；
图3为从不同的方向观看的图2中图示的照明光学系统的透视图；
图4为图2中图示的照明光学系统的正视图；
图5为图2中图示的照明光学系统的平面图；
图6为用在常规投影仪设备中的示例性光学系统的透视图；
图7为图6中图示的光学系统的侧视图；
图8为图6中图示的光学系统的平面图；
图9为DMD的示意性平面图，其中图示了DMD的结构；
图10为DMD的示意性侧视图，其中图示了DMD的结构；
图11为示例性常规投影仪设备的平面图；以及
图12为图11中图示的投影仪设备的透视图。
具体实施方式
以下，将参照附图描述本发明的实施例。图1图示根据本发明的实施例的投影仪设备100。图2至5图示在投影仪设备100中使用的照明光学系统200。
如图1所示，投影仪设备100包括每个例如具有发射不同波长范围的光的LED(发光二极管)的第一光源11和第二光源12、用于会聚从第一光源11发射的光L1的聚光透镜13、用于会聚从第二光源12发射的光L2的聚光透镜14、用于反射光L2和透射光L1以合并光L2和光L的分色镜15、用于均化为合并的照明光的光束L的截面亮度分布的蝇眼透镜阵列16、用于反射透射通过蝇眼透镜阵列16的光束L的反射镜17、根据本发明的实施例的照明光学系统200、和用于将由透射通过照明光学系统200的光束Lref形成的图像向着未示出的屏幕投射的投射透镜24。稍后描述该图像的形成。
现在将描述照明光学系统200。除了聚光透镜13和14、分色镜15、蝇眼透镜阵列16和反射镜17之外，照明光学系统200还包括由第一棱镜21和第二棱镜22形成的TIR棱镜(全内反射棱镜)20、和靠近第一棱镜21的底表面21a设置的DMD(数字微镜装置)23。
第一棱镜21和第二棱镜22被设置为使得第一棱镜21的一个端面21c和第二棱镜22的与端面21c相对的表面彼此相对，在在所述端面21c与所述表面之间具有气隙，如随后所述。注意到，第一棱镜21和第二棱镜22中的每一个的整个表面设置有多层电介质防反射膜。
图示照明光学系统200的被提取出的主要部分的图2、3、4和5分别示出从图1的右下、右上、左侧和顶部观看时TIR棱镜20和DMD23的部分。注意到，在图2至5，DMD23的长边方向和短边方向分别被指定为X方向和Y方向，并且垂直于X方向和Y方向的方向被指定为Z方向，以帮助理解相互关系。
如在图2中清楚地图示，从图1中示出的反射镜17反射的光束L从第一棱镜21的输入端面21b进入第一棱镜21内，随后被全反射表面21c(与第二棱镜22的分界面)全反射，从第一棱镜21的底表面21a出射，并指向DMD23。注意到，入射在全反射表面21c上的光束，被全反射表面21c全反射的光束、和在被DMD23反射后的光束分别被指定为光束Lin、光束Lout、光束Lref，并且所述光束仅由图中的主光线指示。在图2中，附图标记22a表示第二棱镜22的接触第一棱镜21的边缘，附图标记22b是第二棱镜22的以随后所述的方式被调制的光束Lref透射通过的上端面。
如上所述，DMD23包括设置成矩阵的、基于图像信号具有ON状态或OFF状态的多个可转动微镜，由微镜反射并指向投射透镜24的光束Lref被空间调制。注意到，DMD23的每个微镜的倾角被设定为±12°，如上参照图10描述的那样。在这种情况中，全反射光束Lout与微镜的转动轴线R(图5)形成90°角，并从相对于DMD23的表面(即，平行于包括所有微镜的转动轴线R并横向于所有微镜2的表面的表面的表面)形成24°的入射角的方向指向DMD23。
随后，当空间调制光束Lref投射在屏幕上时，在一个像素由DMD23的一个微镜表示的情况下明暗图案图像被投影并显示。关于该图像，通过控制微镜的ON状态的占空比以及二值图像可以显示色调图像。
如图5所示，DMD23具有矩形表面并被设置成使得所述表面平行于第一棱镜21的底表面21a。在本实施例中，第一棱镜21的全反射表面21c相对于第一棱镜21的底表面21a的角度α是33.3°，如图3所示。通过将角度α设为这种值，可以通过全反射表面21c全反射入射光Lin，同时被DMD23反射之后的光束Lref可以透射通过全反射表面21c。
同时，入射在全反射表面21c上的光束Lin的入射角β是42.8°，因此，全反射光束Lout的反射角β也是42.8°，如图2所示。在这里，N是全反射表面21c在光束Lin的入射点处的法线。
图5图示从上方，即，从垂直于DMD23的表面的方向看时的TIR棱镜20。如图5所示，TIR棱镜20被构造为使得作为全反射表面21c的法线垂直投影在DMD23的表面上的投影线与DMD23的微镜转动轴线R形成除了90°以外的角度，作为从全反射表面21c出射的光束Lout的主光线垂直投影在DMD23的表面上的出射光投影线与微镜转动轴线R形成90°角，以及作为入射在全反射表面21c上的光束Lin的主光线垂直投影在DMD23的表面上的入射光投影线关于直线Q位于与出射光投影线相同的一侧，其中直线Q穿过入射光投影线的端点(也就是说，全反射表面21c上的入射点)并平行于DMD23的长边延伸。
如上所述，必要条件是，作为从全反射表面21c出射的光Lout的主光线垂直投影在DMD23的表面上的出射光投影线与用于DMD23的正常使用的微镜转动轴线R形成90°角。
同时，作为全反射表面21c的法线垂直投影在DMD23的表面上的投影线与DMD23的微镜转动轴线R形成除了90°以外的角度。与被构造使得形成90°角的常规设备相比，如图8中示出的设备，这允许减小TIR棱镜20沿DMD23的长边方向的倾角，更优选地该倾角形成为零。这又允许通过将薄棱镜用作TIR棱镜20而薄薄地形成照明光学系统200。如果是这种情况，同样在图1中示出的投影仪设备100中，可以减小投影仪设备100沿垂直于图1的平面的方向的厚度或尺寸，从而可以实现投影仪设备的厚度减小。
进一步，TIR棱镜20被构造为使得作为入射在全反射表面21c上的光束Lin的主光线垂直投影在DMD23的表面上的入射光投影线关于直线Q位于与出射光投影线相同的一侧，所述直线Q穿过入射光投影线的端点并平行于DMD23的长边延伸。与在专利文献2中描述的、其中TIR棱镜被构造为使得入射光投影线关于前述直线Q位于与出射光投影线相对的一侧的投影仪设备相比，这消除了为TIR棱镜20采取沿图5中的左右方向的大宽度或尺寸的需求，从而可以为照明光学系统200实现进一步的厚度减小。
本发明适用于其中微镜的倾角不是±12°，例如，为±10°的情况。在这种情况中，全反射光束Lout与微镜转动轴线R形成90°角，并从相对于DMD23的表面形成20°入射角的方向指向DMD23。

Claims (2)

1.一种用于与投影仪设备一起使用的照明光学系统，在所述投影仪设备中，从光源发射的光被引导至TIR棱镜，被所述TIR棱镜的全反射表面全反射的光被具有矩形表面的DMD反射以进行光调制，并且在所述光调制之后透射通过所述全反射表面的光通过投影光学系统被投射在屏幕上，
所述DMD被设置为使得所述DMD的矩形表面平行于所述TIR棱镜的一个端面，全反射光从所述一个端面出射；以及
所述TIR棱镜被构造为使得：作为所述全反射表面的法线垂直地投影在所述DMD的表面上的投影线与所述DMD的微镜转动轴线形成除90°以外的角度，作为从全反射表面出射的光束的主光线垂直地投影在所述DMD的表面上的出射光投影线与所述微镜转动轴线形成90°角，
其特征在于，作为入射在所述全反射表面上的光束的主光线垂直地投影在所述DMD的表面上的入射光投影线关于穿过所述入射光投影线的端点并平行于所述DMD的长边延伸的直线位于与所述出射光投影线相同的一侧。
2.一种投影仪设备，包括权利要求1所述的照明光学系统。
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