CN113109984B - 一种数字光处理投影光机及投影仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字光处理投影光机及投影仪，投影光机包括照明系统、棱镜、数字微镜阵列、第一挡光单元和投影系统；第一挡光单元用于遮挡照明光束中的第一部分照明光，从而在开通状态光束中形成第一开通遮挡区域，并在平坦状态光束中形成第一平坦遮挡区域，第一平坦遮挡区域至少涵盖初始重叠区域；第一部分照明光在光束分离界面的入射角度大于第二部分照明光在光束分离界面的入射角度，光束分离界面对第一部分照明光的透过率小于对第二部分照明光的透过率；第一部分照明光的光能量小于第二部分照明光的光能量。本发明在对开通状态光束与平坦状态光束重叠区域进行遮挡的基础上，提高投影亮度。

Description

一种数字光处理投影光机及投影仪

技术领域

本发明涉及投影技术领域，具体涉及一种数字光处理投影光机及投影仪。

背景技术

近年来，以DMD(数字微镜阵列)作为空间调制器的DLP(数字光处理)投影光机，由于其色彩丰富，对比度高，输出亮度范围广，从几十流明到几千流明，从而得到迅速的发展，占领了投影市场中很大的份额。DLP投影光机一般采用物方远心光路，这主要是为了保证画面的均匀性和光源的利用率；在相同的LED光源下，投影画面的亮度主要由投影镜头或照明光束的数值孔径(或F数)来决定，数值孔径越大(即F数越小)，进光量越大，投影画面亮度也就越高。照明光束入射到DMD后，DMD内部的数字微镜阵列对照明光束进行反射，当DMD处于开通状态(on状态)时，DMD处于对应偏转角度，并将照明光束反射形成开通状态光束；当DMD处于关闭状态(off状态)时，DMD处于对应偏转角度，并将照明光束反射形成关闭状态光束；DMD处于开通状态和关闭状态切换的瞬态过程中存在平坦状态(flat状态)，DMD偏转角度为0°，并将照明光束反射形成平坦状态光束。另外，DMD的保护玻璃，棱镜靠近且与DMD保护玻璃平行的面虽然都镀有增透膜，但是仍然会有少部分的光会被反射，这些反射光也构成平坦状态光束的一部分，如果通过投影镜头孔径光阑，会导致投影画面对比度的下降；DMD有效区周边一般会涂有吸光材料，但是这种材料对于光的吸收也是不完全的，也会存在反射光，构成平坦状态光束的一部分，该部分反射光在画面周围形成亮边框，在显示暗画面时会非常明显，影响使用体验。平坦状态光束如果通过投影镜头孔径光阑，会造成上文所说的投影画面对比度下降以及画面周边形成亮边框等问题所以对于投影光机，必须要保证平坦状态光束不能通过投影镜头孔径光阑，也就是说平坦状态光束和开通状态光束不能有重叠区域。

开通状态光束、平坦状态光束和关闭状态光束中相邻光束之间没有重叠时，照明光束的最大数值孔径(F数)由DMD偏转角度决定，比如菱形(Side Diamond)排列组合的DMD偏转角度为±12°，那么入射光束为F 2.4，对应的照明光束最大锥角为24°，而不能进一步提高照明光束最大锥角，否则开通状态与平坦状态的光束存在重叠区域，影响投影画面质量。同时，照明光束锥角的大小与投影机的亮度成正相关，因此，照明光束最大锥角不超过24°限制了投影光机亮度的提升。

为了解决开通状态光束与平坦状态光束之间具有重叠区域的问题，专利文献CN204667035U公开了一种DLP投影系统，该专利文献中，DMD数字微镜偏转角与照明光束投影系统相匹配。该现有技术通过在投影镜头或照明系统中加一圆弧形的挡光装置遮挡光线，从而避免由芯片边框漫反射的光线通过镜头而在屏幕上成像，提升画面质量，但实际上会造成约2％的开通状态能量损失。

上述专利文献虽然提出了挡光装置，但是该方案限制了投影亮度的进一步提高。

发明内容

基于上述现状，本发明的主要目的在于提供数字光处理投影光机及投影仪，在对开通状态光束与平坦状态光束重叠区域进行遮挡的基础上，提高投影亮度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种数字光处理投影光机，包括照明系统、数字微镜阵列、第一挡光单元和投影系统；所述照明系统包括棱镜、且具有照明孔径光阑；所述第一挡光单元设置在所述照明孔径光阑处；所述棱镜具有分离照明光束和反射光束的光束分离界面；所述数字微镜阵列具有开通状态和平坦状态，所述照明光束经由所述光束分离界面引导至所述数字微镜阵列，所述数字微镜阵列在开通状态将所述照明光束反射形成开通状态光束，在平坦状态将所述照明光束反射形成平坦状态光束；所述第一挡光单元用于遮挡所述照明光束中的第一部分照明光，从而在所述开通状态光束中形成第一开通遮挡区域，并在所述平坦状态光束中形成第一平坦遮挡区域，所述第一平坦遮挡区域至少涵盖初始重叠区域；其中，所述初始重叠区域为：在不存在所述第一挡光单元的情况下，所述平坦状态光束所在区域与所述开通状态光束所在区域之间的整个重叠区域；所述第一部分照明光在所述光束分离界面的入射角度大于第二部分照明光在所述光束分离界面的入射角度，所述光束分离界面对所述第一部分照明光的透过率小于对所述第二部分照明光的透过率，所述第二部分照明光为所述开通状态光束中位于所述初始重叠区域内的开通状态光所对应的照明光；并且，所述第一部分照明光的光能量小于所述第二部分照明光的光能量。

优选地，所述第一平坦遮挡区域与所述初始重叠区域的形状和大小均相同。

优选地，所述数字微镜阵列的偏转角为12°，所述照明光束的半锥角为17°，所述棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.61；所述初始重叠区域由第一光线轨迹与所述开通状态光束的外围边界围成，所述第一光线轨迹为以41.52°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下的反射光线的光线轨迹。

优选地，所述数字微镜阵列的偏转角为12°，所述照明光束的半锥角为17°，所述棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.64；所述初始重叠区域由第二光线轨迹与所述开通状态光束的外围边界围成，所述第二光线轨迹为以41.57°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下的反射光线的光线轨迹。

优选地，所述数字微镜阵列的偏转角为14.5°，所述照明光束的半锥角为18.2°，所述棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.66；所述初始重叠区域由第三光线轨迹与所述开通状态光束的外围边界围成，所述第三光线轨迹为以36.69°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线的光线轨迹。

优选地，所述数字微镜阵列的偏转角为14.5°，所述照明光束的半锥角为18.2°，所述棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.68；所述初始重叠区域由第四光线轨迹与所述开通状态光束的外围边界围成，所述第四光线轨迹为以36.83°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线的光线轨迹。

优选地，所述照明系统包括反射镜，所述反射镜设置在所述棱镜与照明孔径光阑之间，所述第一挡光单元设置在所述照明孔径光阑的第一侧，且所述照明孔径光阑的第一侧比第二侧更靠近所述反射镜，其中，所述照明孔径光阑的第一侧和第二侧分别位于所述照明孔径光阑中心位置的沿直径方向的两侧。

优选地，所述的数字光处理投影光机还包括第二挡光单元和补偿棱镜，所述第二挡光单元设置在所述照明孔径光阑处，所述第二挡光单元比所述第一挡光单元更靠近所述反射镜，且所述第二挡光单元位于所述第一挡光单元的径向外侧并与所述第一挡光单元的径向外侧边缘相连，所述第二挡光单元用于遮挡所述照明光束中能被所述补偿棱镜全反射的部分。

优选地，所述棱镜与照明孔径光阑之间不设置反射镜，所述第一挡光单元设置在所述照明孔径光阑的第一侧，且所述照明孔径光阑的第一侧比第二侧更靠近所述棱镜，其中，所述照明孔径光阑的第一侧和第二侧分别位于所述照明孔径光阑中心位置的沿直径方向的两侧。

优选地，所述的数字光处理投影光机还包括第二挡光单元和补偿棱镜，所述第二挡光单元设置在所述照明孔径光阑处，所述第二挡光单元比所述第一挡光单元更靠近所述棱镜，且所述第二挡光单元位于所述第一挡光单元的径向外侧并与所述第一挡光单元的径向外侧边缘相连，所述第二挡光单元用于遮挡所述照明光束中能被所述补偿棱镜全反射的部分。

优选地，所述第一挡光单元面向所述照明光束的中心的边缘呈朝所述照明光束的中心方向凸出的弧线形状。

本发明还提供了一种投影仪，包括任一所述的数字光处理投影光机。

【有益效果】

通过上述方案，用第一挡光单元在照明光束中遮挡第一部分照明光，使得在初始重叠区域只存在开通状态光束而不存在平坦状态光束，由于第一部分照明光在光束分离界面透过率小于初始重叠区域内的开通状态光束对应的第二部分照明光在光束分离界面透过率，且第一部分照明光的光能量小于第二照明光的光能量，所以相比于在投影系统的投影光阑设置第一挡光单元以遮挡开通状态光束和平坦状态光束的初始重叠区域，本发明能够在遮挡初始重叠区域的基础上，提高投影亮度。

本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。

附图说明

以下将参照附图对根据本发明的优选实施方式进行描述。图中：

图1为根据本发明的一种优选实施方式的数字光处理投影光机；

图2是数字光处理投影光机工作原理示意图；

图3是12°半锥角照明光束的数字光处理投影光机工作原理的简化示意图；

图4是12°半锥角照明光束的数字光处理投影光机于图3标注的弧线位置的截面图；

图5是17°半锥角照明光束的数字光处理投影光机工作原理的简化示意图；

图6是17°半锥角照明光束的数字光处理投影光机于图5标注的弧线位置的截面图；

图7是17°半锥角为的照明光束入射棱镜的示意图；

图8是经过棱镜后的照明光束的截面示意图；

图9是本发明一个实施例中在以不同入射角入射棱镜的光束分离界面的情况下不同波长的入射光线在光束分离界面的透过率；

图10是本发明一个实施例中以不同入射角入射棱镜的光束分离界面下可见光波段光线的平均透过率曲线；

图11是本发明一个实施例中在未设置第一挡光单元时照明光束、开通状态光束、平坦状态光束和关闭状态光束的截面示意图；

图12是本发明一个实施例中在设置第一挡光单元情况下照明光束、开通状态光束、平坦状态光束和关闭状态光束的截面示意图；

图13是本发明一个实施例中任意能够入射到棱镜并从棱镜出射到DMD的照明光线在两个坐标系下的示意图；

图14是本发明一个实施例中开通状态光束的截面示意图；

图15是本发明一个实施例中折射率＝1.6354时、且设置第一挡光单元情况下照明光束、开通状态光束、平坦状态光束和关闭状态光束的截面示意图；

图16是本发明一个实施例中折射率＝1.6354和1.6126时、且设置第一挡光单元情况下照明光束、开通状态光束的截面示意图；

图17是本发明一个实施例中折射率＝1.6126时、且设置第一挡光单元情况下照明光束、开通状态光束的截面示意图；

图18本发明另一个实施例中开通状态光束的截面示意图；

图19是本发明另一个实施例中数字光处理投影光机的挡光单元平面投影示意图。

具体实施方式

图1是本发明一种实施例的数字光处理投影光机的原理示意图，该数字光处理投影光机包括照明系统20、数字微镜阵列(DMD)40、投影系统50和第一挡光单元60，其中，照明系统20包括光源10、补偿棱镜80和棱镜30。在本实施例中，数字光处理投影光机采用物方远心光路，照明系统20包括反射镜21。其中，图1中圆形虚线中的第一挡光单元60是平面投影图(顺着光线传输方向观察)。该数字光处理投影光机还可以进一步包括固定第一挡光单元60的第一固定环61，第一固定环61用于将第一挡光单元60固定在数字光处理投影仪的外壳上。光源10用于产生照明光束，光源10可以是LED光源，可以包括红色、绿色和蓝色三种颜色的光源。

照明系统20包括对照明光束产生作用的各种光学元件，例如透镜、反射镜、复眼透镜等，该照明系统20具有照明孔径光阑，第一挡光单元60设置在照明孔径光阑处；棱镜具有分离照明光束和反射光束的光束分离界面，照明光束经由光束分离界面引导至DMD。反射镜21设置在棱镜30与照明孔径光阑之间，第一挡光单元60设置在照明孔径光阑的第一侧，且照明孔径光阑的第一侧比第二侧更靠近反射镜21，其中，照明孔径光阑的第一侧和第二侧分别位于照明孔径光阑中心位置的沿直径方向的两侧。如图1所示，照明光束经过照明系统20的作用后，进入光束分离界面，最终被引导至DMD，其中，照明光束经过照明孔径光阑后经过反射镜21、透镜和补偿棱镜80后，进入光束分离界面。

数字光处理投影光机工作原理如图2所示，DMD包括多个微镜，每个微镜可以在对应的控制信号控制下工作在开通状态和关闭状态，平坦状态则是开通状态和关闭状态切换过程的过渡状态。需要说明的是，图2所示的系统未体现上述棱镜，仅示意性地使光源10发出的照明光束直接照射到DMD。

照明光束经由光束分离界面引导至DMD，DMD在开通状态将照明光束反射形成开通状态光束，开通状态光束能够进入投影系统50；DMD在平坦状态将照明光束反射形成平坦状态光束；DMD在关闭状态将照明光束反射形成关闭状态光束，关闭状态光束无法进入投影系统50。图2所示的是偏转角为12°的DMD。

进一步参考图3，图3是对图2的简化示意图，从图3可以看到，当照明光束的半锥角(12°)和微镜的偏转角(12°)相等时，照明光束右侧的边缘光线和开通状态光束左侧的边缘光线刚好重合，这是因为开通状态光束是照明光束关于与竖直方向夹角为-12°的直线(即微镜在开通状态下的法线)的镜像。同理，平态状态光束是照明光束关于与竖直方向为0°的直线(即微镜在平坦状态下的法线)的镜像，关闭状态光束是照明光束关于与竖直方向夹角为12°的直线(即微镜在关闭状态下的法线)的镜像。图4是照明光束以及各个状态光束(开通状态光束、平坦状态光束和关闭状态光束)于图3标注的弧线位置的截面图，可以清楚看到，开通状态光束和平坦状态光束有且只有一个交点，也就是没有重叠区域。对于图2所示的系统，在DMD中微镜的偏转角度为12°情况下，当照明光束的半锥角大于12°时，例如半锥角为17°时，开通状态光束和平坦状态光束就会出现重叠区域，如图5所示的灰色阴影部分，图6是半锥角为12°和17°的照明光束以及各个状态光束于图5标注的弧线位置的截面图(图6中，“12°”和“17°”分别表示半锥角为12°和17°的照明光束)，从图6也可以看出开通状态光束和平坦状态光束存在重叠区域，即灰色阴影部分。

经过研究发现，对于具有光束分离界面的棱镜的投影光机，在照明光束的半锥角较大的情况下，工作时，开通状态光束和平坦状态光束之间的重叠区域如图11所示的阴影区域S₀。本发明为了提高投影光机输出的亮度，将照明光束的最大锥角设置为大于微镜偏转角的合适角度，使得数字光处理投影光机在未设置第一挡光单元60时，开通状态光束与平坦状态光束存在初始重叠区域S₀，如图11所示，但同时需要解决初始重叠区域S₀导致的问题，例如投影画面出现紫色边框现象以及投影光机的对比度降低的问题。进一步发现，在光束分离界面上透过率随着入射角度而变化，例如光束分离界面的透过率随着入射角度的增大而减小，而实际生产中，为了提高棱镜的透射性能，会在棱镜的入射面和出射面镀上增透膜，在一个实施例中，该增透膜对应的平均透过率曲线如图10所示，该图10示出了以不同入射角入射棱镜的光束分离界面下可见光波段光线的平均透过率曲线，而不设该增透膜的光束分离界面的平均透过率曲线将在图10的曲线基础上向下平移某个数值。

第一挡光单元60用于遮挡照明光束中的第一部分照明光，从而在微镜在开通状态下的开通状态光束中形成第一开通遮挡区域S₁₁，同时在微镜在平坦状态下的平坦状态光束中形成第一平坦遮挡区域S₀₁，第一平坦遮挡区域S₀₁至少涵盖初始重叠区域S₀；其中，初始重叠区域S₀为在不存在第一挡光单元60的情况下平坦状态光束所在区域与开通状态光束所在区域之间的整个重叠区域；第一部分照明光在光束分离界面的入射角度大于第二部分照明光在光束分离界面的入射角度，光束分离界面对第一部分照明光的透过率小于对第二部分照明光的透过率，第二部分照明光为开通状态光束中位于初始重叠区域S₀内的开通状态光所对应的照明光；并且，第一部分照明光的光能量小于第二部分照明光的光能量。不难理解，初始重叠区域S₀是数字光处理投影光机在不设置第一挡光单元60的情况下，在DMD与棱镜之间的弧形截面上(如图3所示)开通状态光束和平坦状态光束之间的重叠区域。在本实施例中，第二部分照明光比第一部分照明光更靠近棱镜的垂直出射面31。如图1所示，在一些实施例中，第一挡光单元60面向照明光束的中心的边缘呈朝照明光束的中心方向凸出的弧线形状。

这样，由于第一部分照明光的光能量小于第二部分照明光的光能量，所以针对光束分离界面具有增透膜的投影光机，本发明能够在消除开通状态光束与平坦状态光束重叠的基础上，提高投影亮度。

以下结合更加具体的实施例作进一步阐述。

棱镜30与补偿棱镜80之间具有空气间隙，当照明光束以超过一定的角度从补偿棱镜80内射向补偿棱镜80与空气间隙的分界面，存在一部分照明光束被该分界面全反射，从而无法进入空气间隙、进而无法进入棱镜30。由于棱镜30的光束分离界面相对照明光束而言是一斜面，斜面不同位置的照明光束入射角不同，不难理解，能进入棱镜30的光线与分界面的最大角度是无限接近90°，但是入射角90°的照明光线本身无法进入棱镜30。经过几何分析发现，经过该棱镜30后进入DMD的照明光束与开通状态光束之间的分界线并非是一条直线，该照明光束的右边界是向照明光束中心外侧凸出的弧线形状的曲线L₁₁，在具有棱镜30的投影光机中沿着图5所示的弧线方向的照明光束(经过棱镜30后的照明光束)截面如图8和图11所示，经过实验验证发现，该分析与实验结果相符。

具体而言，由于DLP投影光机分离照明光束和反射光束的棱镜通常为TIR棱镜或者RTIR棱镜，在本实施例中，以RTIR棱镜为例。在实际的DLP光机中，照明光束是先入射到RTIR棱镜，再从RTIR出射到DMD，然后照明光束由DMD内部的微镜以不同的偏转角度反射，形成反射光束，分别为开通状态光束、平坦状态光束和关闭状态光束。其中，开通状态光束即为投影光束，为了保证投影画面的均匀性以及光源利用效率，我们通常使用物方远心光路，也就是开通状态光束中的主光线是垂直入射到RTIR的靠近DMD的直角边，然后在光束分离界面处反射，最后垂直于棱镜的另一个直角边出射到投影系统50。

图7描述的是开通状态光束满足物方远心光路前提下，半锥角为17°的照明光束入射棱镜的示意图，图7中的照明光束是已经经过补偿棱镜80的折射后形成非对称照明光束，其中，能够进入棱镜30的照明光束是照明光线L₁(入射角度90°)至L₂(入射角度36.54°)之间的照明光束，其中，照明光线L₀是照明光束的主光线。该照明光束首先在光束分离界面入射到棱镜30，然后从棱镜30出射到DMD。在该实施例中，该棱镜30的夹角为45°，材料折射率为1.6354。对于数字微镜偏转角为12°的DMD，为了保证开通状态光束满足物方远心光路，半锥角为17°的照明光束有一部分光是会被补偿棱镜80全反射而不能进入棱镜30进而无法进入DMD的。图7中，照明光线L₁(在光束分离界面的入射角度为90°)是能够进入棱镜30进而入射到DMD表面的最外围部分照明光线的边界(不含L₁本身)。根据几何知识可以分析出，如图8所示，在照明光束截面中，所有照明光线L₁的集合形成照明光束的最右边的外围的光线轨迹L₁₁，如图11所示，该光线轨迹L₁₁也是照明光束截面与开通状态光束截面之间的分界线，且光线轨迹L₁₁是相对于照明光束截面中心是外凸的弧线，进一步参考图8，照明光束截面的最右边界是以90°入射到光束分离界面的照明光线从光束分离界面透过后在照明光束截面的光线轨迹L₁₁，照明光束截面从右到左，是在光束分离界面的入射角逐渐变小的照明光线在照明光束截面中形成的光线轨迹(如图8中的箭头所示)，例如，光线轨迹L₁₂代表了在光束分离界面的入射角79°的照明光线在照明光束截面中形成的光线轨迹，直至最左边的外围光线轨迹(该光线轨迹只是一个点)，其代表了在光束分离界面的入射角36.54°的照明光线在照明光束截面中形成的光线轨迹。

如前所述，在光束分离界面上透过率随着入射角度的增大而减小。图9是一个实施例中，在以不同入射角入射棱镜30的光束分离界面的情况下，不同波长的入射光线在光束分离界面的透过率，从图中可以看出，相同入射角的情况下，不同波长在光束分离界面的透过率相差不大，而不同入射角的情况下，当入射角相差较大时，入射光线在光束分离界面的透过率相差很大，例如图9中37°和85°曲线分别代表的透过率相差很大。在图10的一个实施例中，示出了以不同入射角入射棱镜30的光束分离界面下可见光波段光线的平均透过率曲线，从图中可知，当入射角度大于70°时，光线的透过率会低于90％，且快速下降；当入射角度小于45°时，光线的透过率趋于稳定，甚至可以看成常数，该透过率大约为99.5％。

进一步参考图11，在不设置第一挡光单元60的情况下开通状态光束和平坦状态光束存在重叠区域，也即初始重叠区域S₀，该初始重叠区域S₀位于开通状态光束的右侧，对应着照明光束的左侧。前面已经分析了光束分离界面的随着入射角度的增大而减小的透过率特性，该初始重叠区域S₀处于高透过率位置的照明光束，大于开通状态光束左侧区域对应的照明光束在光束分离界面的透过率。如图12所示，为了能够使得投影亮度增加，可以在照明光阑中设置第一挡光单元60，该第一挡光单元60遮挡了第一部分照明光使得在微镜开通状态下照明光束具有遮挡区域S₂而开通状态光束具有第一开通遮挡区域S₁₁，第一开通遮挡区域S₁₁在平坦状态光束中对应为第一平坦遮挡区域S₀₁，即在微镜平坦状态下，该第一部分照明光被第一挡光单元60遮挡而形成第一平坦遮挡区域S₀₁，第一平坦遮挡区域S₀₁包含初始重叠区域S₀(即第一平坦遮挡区域S₀₁大于或等于初始重叠区域S₀)，进而使得初始重叠区域S₀不再有平坦状态光束通过。由于该第一开通遮挡区域S₁₁对应的照明光束的透过率小于初始重叠区域S₀的透过率，可以实现第一开通遮挡区域S₁的照明光束的光能量小于开通状态光束中通过初始重叠区域S₀的光能量，从而提高投影亮度。

不难理解，当第一平坦遮挡区域S₀₁与所述初始重叠区域S₀的形状和大小均相同时，此时第一开通遮挡区域S₁₁为区域S₁。

具体而言，以第一平坦遮挡区域S₀₁与所述初始重叠区域S₀相同为例，如图12所示，在开通状态光束截面图中，由于在照明光束中增加第一挡光单元60而形成的第一开通遮挡区域S₁₁面积与初始重叠区域S₀面积相同，但是由于第一开通遮挡区域S₁₁对应的第一部分照明光在光束分离界面入射角靠近90°的光线区域，该区域的光线透过率很低；而初始重叠区域S₀面积对应的第二部分照明光在光束分离界面入射角靠近36.54°区域，该区域光线的透过率很高。设第一开通遮挡区域S₁₁面积为S₁₀，该区域的平均透过率为T₁₀；初始重叠区域S₀面积为S₀₀，该区域的平均透过率为T₀₀，为了使得投影系统50的亮度最大化，可以求以下式子的最大值：

Y＝S₀₀*T₀₀-S₁₀*T₁₀

经过第一开通遮挡区域S₁₁和初始重叠区域S₀的开通状态光束中的部分反射光束对应着照明光束中以不同入射角入射光束分离界面的照明光线，如前面所述，这些不同入射角的照明光线在照明光束截面中形成的一系列光线轨迹是弧线，当将第一开通遮挡区域S₁₁根据照明光线入射角度可以划分成众多小区域，即一条条上述光线轨迹，相应地，初始重叠区域S₀也根据照明光束中不同入射角度的照明光线去划分对应数量的小区域，也即一条条上述光线轨迹，如前面所述，每条光线轨迹对应着照明光束中以同一个入射角入射光束分离界面的照明光线，由图10可以得到这条光线轨迹的透过率。设第一开通遮挡区域S₁₁中某一小区域面积为s_1-n(可以称为“角带”)，该小区域对应的第一部分照明光的透过率为t_1-n(当该区域的宽度足够小，该小区域的透过率可以用对应的某一角度的透过率替代)；初始重叠区域S₀中与s_1-n对应的某一小区域面积为s_0-n，该小区域对应的第二部分照明光的透过率为t_0-n，这两个小区域之间的光能量差为：

y_n＝s_0-n*t_0-n-s_1-n*t_1-n

因此，初始重叠区域S₀总的光能量与第一开通遮挡区域S₁₁总的光能量之间的差值最大，为最大差值Y_max，Y_max通过如下式子计算得到：

其中，m表示第一开通遮挡区域S₁₁划分的总的小区域个数。而将第一开通遮挡区域S₁₁右边界往开通状态中心移动(即在图12中往右边移动)一定距离时，只要可以确保初始重叠区域S₀的光能量大于第一开通遮挡区域S₁₁光能量即Y_max＞0即可，此时，第一开通遮挡区域S₁₁大于区域S₁。

如图14所示，在一个实施例中，第一开通遮挡区域S₁₁(在此实施例中第一开通遮挡区域S₁₁与区域S₁重叠)的开通状态下的光线轨迹是对应68.60°～90°入射光束分离界面的照明光线(区域S₁中，光线轨迹L₂₁对应90°入射光束分离界面的照明光线)，光线轨迹L₂₂(在区域S₁中，光线轨迹L₂₂是一个点)对应68.60°入射光束分离界面的照明光线)，设该照明光线在光束分离界面的透过率为T_1-100；而初始重叠区域S₀的开通状态下的光线轨迹是对应36.54°～41.57°入射光束分离界面的照明光线(区域S₀中，光线轨迹L₃₁对应41.57°入射光束分离界面的照明光线)，光线轨迹L₃₂(在区域S₀中，光线轨迹L₃₂是一个点)对应36.54°入射光束分离界面的照明光线)(也对应以68.6°～90°入射光束分离界面的照明光线在平坦状态中形成的反射光线形成的光线轨迹)，设该照明光线在光束分离界面的透过率为T_0-100，结合图10的透过率曲线可知，T_0-100总是大于T_1-100。显然，第一开通遮挡区域S₁₁可以与初始重叠区域S₀相同，即，可以通过形成第一开通遮挡区域S₁₁以刚好完全遮挡初始重叠区域S₀。沿图13中的箭头方向，从光线轨迹L₃₂到L₂₁，对应照明光线入射光束分离界面的入射角度逐渐增大。以下将给出具体计算第一开通遮挡区域S₁₁和初始重叠区域S₀的光线轨迹在光束分离界面对应的入射角度的具体方法。

初始重叠区域S₀中不同位置光线轨迹对应的照明光线在光束分离界面的入射角可以通过光线的空间角度

以及DMD微镜偏转角得到。在开通状态光束截面中的某个位置(x，y)与

存在着以下关系：

其中，x和y分别表示开通状态光束截面中某个光线轨迹点的X轴坐标和Y轴坐标，d是开通状态光束截面到DMD表面的距离，为一常数。计算得到空间角度

后，结合平坦状态时的DMD微镜的偏转角(0°)以及RTIR棱镜的折射就能得到照明光在RTIR分界面的入射角。

空间角度

可以通过如下方法计算得到。图13描述了任意能够入射到RTIR棱镜并从RTIR棱镜出射到DMD的照明光线在两个坐标系下的示意图。图13中，坐标系XOY是DMD表面的坐标系，坐标系X'O'Y'是RTIR棱镜中与DMD表面平行的直角面的坐标，设入射光线角度为ω’，折射光线的角度为ω；出射光线的角度为

出射点与原点O'的连线与X'轴正向所成的角度为θ，根据几何光学知识能推导出以下公式：

对该公式写成

形式：

对于该公式，当入射角ω’确定，则折射角ω确定；棱镜30的夹角α已知，则该公式表示的是

关于θ的函数，对于每一个θ，我们都能求出相应的

值。该公式描述光线在棱镜30内部的关系，设光线坐标为

根据折射定律，我们可以把光线坐标转换到空气中坐标

θ′＝θ；

光线经过DMD微镜偏转角为0°反射后的坐标

θ"＝θ′+180°；

对于不同入射角的光线，当我们把θ“从0逐渐增大，

也逐渐增大。对于数字微镜偏转角度为12°的DMD，若照明光束的半锥角为17°，则

的最大值也为17°。通过逐渐增大θ“，直到

等于17°，即可以得到入射角相等的入射光线轨迹坐标，在平行于XOY面上方的截面上，得到相应的光线轨迹。

根据上文对于角度的定义，在球坐标中：

该曲面面积ds在平行于XOY面上方的截面上的投影面积为：

其中，r为该曲面所在球体的半径，为一常数，则：

其中，θ是自变量，

是θ的因变量。根据s′可以求得第一开通遮挡区域S₁₁和初始重叠区域S₀中每一个小区域对应的面积，该小区域面积乘以对应照明光线的透过率即可以得到该小区域的相对光能量，进而可以计算出第一开通遮挡区域S₁₁的光能量和开通状态光束通过初始重叠区域S₀的光能量，也就能计算出初始重叠区域S₀光能量和第一开通遮挡区域S₁₁的光能量比值，同时也能精确地计算出遮挡装置的形状以及相对于孔径光阑的位置。

为了满足远心光路设计，在棱镜30的夹角(二面角)α＝45°和微镜偏转角为12°时，棱镜30的折射率n＝1.6354。在此条件下，采用本发明的上述方案，被第一挡光单元遮挡后照明光束和开通状态光束之间不再有直接相连的分界线或点，此时照明光束和开通状态光束之间有很大的非重叠的区域，即这些区域被浪费了，如图15所示。为了利用这些区域，可以对该夹角为45°的棱镜30的折射率进行调节。当通过改变棱镜30的折射率使得入射角为90°的光线轨迹L₁₁向右移动至光线轨迹L₁₁₁，且光线轨迹L₁₁₁的两个端点为17°照明光束截面和17°开通状态光束截面的交点处，这样图16所示的上下两个类似小三角形的区域S₃能够被利用上(即该区域S₃能够能够充满照明光)，此时各状态的截面如图17所示，此时棱镜30的折射率减小到1.6126，开通状态的光通量在保证投影画面质量的前提下达到了最大。

在采用如图1的第一挡光单元60情况下，且DMD微镜偏转角度为12°的，棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.6126，照明光束为F1.7(即半锥角为17°)，第一挡光单元60遮挡以入射角从90°到66.15°入射到棱镜的光束分离界面这部分照明光束，对应的，初始重叠区域S₀对应的是以入射角从41.52°到35.29°入射到棱镜的光束分离界面这部分照明光束，此时，所述初始重叠区域S₀由光线轨迹与所述开通状态光束的外围边界围成，所述光线轨迹为以41.52°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线在开通状态光束截面上的光线轨迹。本实施例中，初始重叠区域S₀光能量与第一开通遮挡区域S₁₁的比值为134％。

在采用如图1的第一挡光单元60情况下，且DMD微镜偏转角度为12°的，棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.6354(约等于1.64)，照明光束为F1.7(即半锥角为17°)，第一挡光单元60遮挡以入射角从90°到68.6°入射到棱镜的光束分离界面这部分照明光束，对应的，初始重叠区域S₀对应的是以入射角从41.57°到36.54°入射到棱镜的光束分离界面这部分照明光束，此时，所述初始重叠区域S₀由光线轨迹与所述开通状态光束的外围边界围成，所述光线轨迹为以41.57°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线在开通状态光束截面上的光线轨迹，如图14所示。本实施例中，初始重叠区域S₀光能量与第一开通遮挡区域S₁₁的比值为141％

在采用如图1的第一挡光单元60情况下，且DMD微镜偏转角度为14.5°的，棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.6629，照明光束为F1.6(即半锥角为18.2°)，第一挡光单元60遮挡以入射角从90°到69.08°入射到棱镜的光束分离界面这部分照明光束(区域S₁中，光线轨迹L₂₁对应90°入射光束分离界面的照明光线，光线轨迹L₂₂(在区域S₁中，光线轨迹L₂₂是一个点)对应68.79°入射光束分离界面的照明光线)，对应的，初始重叠区域S₀对应的是以入射角从36.69°到32.44°入射到棱镜的光束分离界面这部分照明光束(区域S₀中，光线轨迹L₃₁对应36.69°入射光束分离界面的照明光线，光线轨迹L₃₂(在区域S₀中，光线轨迹L₃₂是一个点)对应32.44°入射光束分离界面的照明光线)，此时，所述初始重叠区域S₀由光线轨迹与所述开通状态光束的外围边界围成，所述光线轨迹为以36.69°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线在开通状态光束截面上的光线轨迹，如图18所示。本实施例中，初始重叠区域S₀光能量与第一开通遮挡区域S₁₁的比值为141％。

在采用如图1的第一挡光单元60情况下，且DMD微镜偏转角度为14.5°的，棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.6833，照明光束为F1.6(即半锥角为18.2°)，第一挡光单元60遮挡以入射角从90°到71.58°入射到棱镜的光束分离界面这部分照明光束，对应的，初始重叠区域S₀对应的是以入射角从36.83°到33.53°入射到棱镜的光束分离界面这部分照明光束，此时，所述初始重叠区域S₀由光线轨迹与所述开通状态光束的外围边界围成，所述光线轨迹为以36.83°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线在开通状态光束截面上的光线轨迹，如图18所示。本实施例中，初始重叠区域S₀光能量与第一开通遮挡区域S₁₁的比值为151％。

本实施例中，对于不同偏转角的DMD，在使用小F数的照明光束情况下，通过准确计算出初始重叠区域S₀的形状大小，结合照明光束以不同入射角入射光束分离界面的透过率，在照明系统20中设置特定形状的第一挡光单元60，不仅能够遮挡初始重叠区域S₀对应的开通状态光束，还可以提高开通状态的亮度。

如前所述，照明光束有一部分光是会被RTIR棱镜中的补偿棱镜全反射而不能进入棱镜进而无法进入DMD。因而，数字光处理投影光机还可以进一步包括第二挡光单元70，第二挡光单元70设置在照明孔径光阑处，第二挡光单元70比第一挡光单元60更靠近棱镜30，且第二挡光单元70位于第一挡光单元60的径向外侧并与第一挡光单元60的径向外侧边缘相连，并形成一个整体大体呈图1所示的橄榄形状，即该橄榄形状由虚线位置两侧的第二挡光单元70和第一挡光单元60构成，该第二挡光单元70用于遮挡照明光束中能被所述补偿棱镜全反射的部分，从而使该部分照明光线无法进入补偿棱镜80。

在另外一些实施例中，在数字光处理投影光机中，所述棱镜与照明孔径光阑之间不设置该反射镜21，照明光束经过照明孔径光阑后，再经过透镜和补偿棱镜80后，进入光束分离界面。如图19所示，在该实施例中，第一挡光单元60设置在照明孔径光阑的第一侧，且照明孔径光阑的第一侧比第二侧更靠近棱镜30，其中，照明孔径光阑的第一侧和第二侧分别位于照明孔径光阑中心位置的沿直径方向的两侧，图17中圆形虚线中的第一挡光单元60和第二挡光单元70是平面投影图(顺着光线传输方向观察)。

本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种数字光处理投影光机，包括照明系统、数字微镜阵列、第一挡光单元、投影系统、第二挡光单元和补偿棱镜；所述照明系统包括棱镜和反射镜、且具有照明孔径光阑；所述第一挡光单元设置在所述照明孔径光阑处；所述棱镜具有分离照明光束和反射光束的光束分离界面；所述数字微镜阵列具有开通状态和平坦状态，所述照明光束经由所述光束分离界面引导至所述数字微镜阵列，所述数字微镜阵列在开通状态将所述照明光束反射形成开通状态光束，在平坦状态将所述照明光束反射形成平坦状态光束；

其特征在于，

所述反射镜设置在所述棱镜与照明孔径光阑之间，所述第一挡光单元设置在所述照明孔径光阑的第一侧，且所述照明孔径光阑的第一侧比第二侧更靠近所述反射镜，所述照明孔径光阑的第一侧和第二侧分别位于所述照明孔径光阑中心位置的沿直径方向的两侧，所述第一挡光单元用于遮挡所述照明光束中的第一部分照明光，从而在所述开通状态光束中形成第一开通遮挡区域，并在所述平坦状态光束中形成第一平坦遮挡区域，所述第一平坦遮挡区域至少涵盖初始重叠区域；其中，所述初始重叠区域为：在不存在所述第一挡光单元的情况下，所述平坦状态光束所在区域与所述开通状态光束所在区域之间的整个重叠区域；

所述第一部分照明光在所述光束分离界面的入射角度大于第二部分照明光在所述光束分离界面的入射角度，所述光束分离界面对所述第一部分照明光的透过率小于对所述第二部分照明光的透过率，所述第二部分照明光为所述开通状态光束中位于所述初始重叠区域内的开通状态光所对应的照明光；并且，所述第一部分照明光的光能量小于所述第二部分照明光的光能量；

所述第二挡光单元设置在所述照明孔径光阑处，所述第二挡光单元比所述第一挡光单元更靠近所述反射镜，且所述第二挡光单元位于所述第一挡光单元的径向外侧并与所述第一挡光单元的径向外侧边缘相连，所述第二挡光单元用于遮挡所述照明光束中能被所述补偿棱镜全反射的部分。

2.根据权利要求1所述的数字光处理投影光机，其特征在于，

所述第一平坦遮挡区域与所述初始重叠区域的形状和大小均相同。

3.根据权利要求2所述的数字光处理投影光机，其特征在于，

所述数字微镜阵列的偏转角为12°，所述照明光束的半锥角为17°，所述棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.61；

所述初始重叠区域由第一光线轨迹与所述开通状态光束的外围边界围成，所述第一光线轨迹为以41.52°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下的反射光线的光线轨迹。

4.根据权利要求2所述的数字光处理投影光机，其特征在于，

所述数字微镜阵列的偏转角为12°，所述照明光束的半锥角为17°，所述棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.64；

所述初始重叠区域由第二光线轨迹与所述开通状态光束的外围边界围成，所述第二光线轨迹为以41.57°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下的反射光线的光线轨迹。

5.根据权利要求2所述的数字光处理投影光机，其特征在于，

所述数字微镜阵列的偏转角为14.5°，所述照明光束的半锥角为18.2°，所述棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.66；

所述初始重叠区域由第三光线轨迹与所述开通状态光束的外围边界围成，所述第三光线轨迹为以36.69°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线的光线轨迹。

6.根据权利要求2所述的数字光处理投影光机，其特征在于，

所述数字微镜阵列的偏转角为14.5°，所述照明光束的半锥角为18.2°，所述棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.68；

所述初始重叠区域由第四光线轨迹与所述开通状态光束的外围边界围成，所述第四光线轨迹为以36.83°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线的光线轨迹。

7.根据权利要求1-6任一所述的数字光处理投影光机，其特征在于，

所述棱镜与照明孔径光阑之间不设置反射镜，所述第一挡光单元设置在所述照明孔径光阑的第一侧，且所述照明孔径光阑的第一侧比第二侧更靠近所述棱镜，其中，所述照明孔径光阑的第一侧和第二侧分别位于所述照明孔径光阑中心位置的沿直径方向的两侧。

8.根据权利要求1-6任一所述的数字光处理投影光机，其特征在于，还包括第二挡光单元和补偿棱镜，所述第二挡光单元设置在所述照明孔径光阑处，所述第二挡光单元比所述第一挡光单元更靠近所述棱镜，且所述第二挡光单元位于所述第一挡光单元的径向外侧并与所述第一挡光单元的径向外侧边缘相连，所述第二挡光单元用于遮挡所述照明光束中能被所述补偿棱镜全反射的部分。

9.根据权利要求1-6任一所述的数字光处理投影光机，其特征在于，

所述第一挡光单元面向所述照明光束的中心的边缘呈朝所述照明光束的中心方向凸出的弧线形状。

10.一种投影仪，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的数字光处理投影光机。

Images