CN1164958C - 全反射棱镜及带有该全反射棱镜的投影仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了全反射棱镜和带有该全反射棱镜的投影仪，其中该全反射棱镜对来自光学系统的光束进行一次全反射使之朝向投影透镜，从而使由全反射引起的亮度的损失最小。投影仪包括光源和光学系统，该光学系统用于从来自该光源的光束中提取出特定的彩色光束并将提取出的彩色光束引导至一棱镜，该棱镜包括：第一子棱镜，具有均为三角形形状的顶面和底面，和第二子棱镜，具有三角形的顶面和平行四边形的底面，其中该棱镜对来自该光学系统的光束进行一次全反射而透射至投影透镜。

Description

全反射棱镜及带有该全反射棱镜的投影仪

                         技术领域

本发明涉及一种全反射棱镜及一种带有该全反射棱镜的投影仪。

                         背景技术

通过使用投影透镜，投影仪将一个小图像放大并将其投影至一个大尺寸屏幕上以此来显示出一个较大尺寸的图像。投影仪上装备有色盘(colorwheel)，以在复制彩色的时间基础上分解红颜色“R”、绿颜色“G”、蓝颜色“B”。该色盘通过电机带动来进行旋转，以连续分解各种色彩。图1和图2示出了相关技术的投影仪。

参照图1和2，相关技术的投影仪配备有一灯1、一反射面板2、一色盘4、一棒形透镜6、第一透镜7和8、一反射镜10、第二透镜12、一棱镜16、一显示器14和一投影透镜18。

从灯1发出的光束被反射面板2聚焦在色盘4上，随着电机5转动该色盘，色盘4依次透射红光、绿光、蓝光。被色盘4分解的光束入射至棒形透镜6上，棒形透镜6使该光束变得均匀，从而将该光束均匀地分布在一个屏幕上。穿过棒形透镜6的光束穿过第一透镜7和8射至反射镜10上，然后在反射镜10处被反射射向第二透镜12。第二透镜12将来自反射镜10的光束聚焦在棱镜16上，棱镜16将来自第二透镜12的光束引向一显示器14，而且同时将一来自显示器14的图像光束供给至投影透镜18。显示器14利用于自棱镜16的光束来产生一加载有图像信息的图像光束。棱镜16将该来自显示器14的图像光束反射至投影透镜18。为此，如图3A和3B所示，该棱镜16具有第一反射面20，用于将来自第二透镜的光束第一次反射至显示器上，和第二反射面22，用于将来自显示器14的图像光束第二次反射至投影透镜18。最终，投影棱镜18放大了该图像光束，且将该图像光束投影至位于投影透镜18前一定距离处的一屏幕上。图4A和4B示出了图1中相关技术的色盘。

参照图4A和4B，该相关技术的色盘4配备有：多个滤色片26，其每个都用于透射白光光束中具有相应彩色波长的光束；有滤色片26安装于其上的一耦合器24；以及有该耦合器24安装于其上的电机5。

该滤色片26配备有：一用于透射白光光束中红色光束的红色滤色片26R；一用于透射白光光束中绿色光束的绿色滤色片26G；和一用于透射白光光束中蓝色光束的蓝色滤色片26B。

该滤色片26通过粘合剂附着于耦合器24上，耦合器24通过其中的孔25固定在电机5上。也即，随着电机转动滤色片26，滤色片26连续分离各种彩色。优选的是，当如图4A和4B所示光束透射过色盘4时，该光束能在最短的时间间隔内穿过滤色片的边界。举例来说，假定该电机以3600转数/分(rpm)旋转以每秒钟显示60场，就能计算出光束穿过边界所需的时间间隔。在此例中，假定该光束是8mm宽、6mm高的矩形，则滤色片26应具有30mm的内径和40mm的外径。

公式(1)表示当光束穿过滤色片26的表面时的一个角度，公式(2)表示当光束穿过滤色片26的边界27时的时间。

(其中，31是从色盘4到光束的距离，3是光束的一半高度)。

$t=\frac{1}{60}\×\frac{11.055}{120}=1.54\mathrm{\μs}----\left(2\right)$

(其中，120是将360°除以3而得到的值，3是边界27的数目)。

从公式(2)可知，光束穿过滤色片26的边界27所需的时间间隔为1.54μs。如从公式(1)和(2)所知的，为了减小光束穿过滤色器26的边界27所需的时间间隔，就有必要使色盘4的内径更大些。然而，色盘4的内半径越大，投影仪就会变得越大且越重。

此外，该相关技术的色盘4不能与其它的光学系统(各种透镜)交叠安装，从而需要更多的空间。还有，该相关技术的棱镜16产生两次全反射，以将来自第二透镜12的光束透射至投影透镜18，从而使亮度损耗。

                         发明内容

从而，本发明涉及一种全反射棱镜和一种带有该全反射棱镜的投影仪，其大体上能消除由于相关技术的限制和不足所产生的一个或多个缺陷。

本发明的一个目的在于提供一种全反射棱镜和一种带有该全反射棱镜的投影仪，其允许制成更薄的投影仪且能提高亮度。

本发明其它的特点和优点将在下面的说明中得到阐述，且一部分从这些说明中是很明显的，或从本发明的实例中可以得出。尤其通过在书面说明和其权利要求及所附附图中所指明的结构，将认识并得到本发明的目的和其它的优点。

为了获得这些和其它的优点以及根据本发明的目的，如所具体和宽泛描述的，该全反射反射镜将从光学系统到投影透镜的光束完成一次全反射。

本发明提供了一种投影仪中的全反射棱镜，所述投影仪包括光源和光学系统，该光学系统用于从来自该光源的光束中提取出特定的彩色光束并将提取出的彩色光束引导至一棱镜，该棱镜包括：第一子棱镜，具有均为三角形形状的顶面和底面，和第二子棱镜，具有三角形的顶面和平行四边形的底面，其中该棱镜对来自该光学系统的光束进行一次全反射而透射至投影透镜。

在本发明的另一方面，提供一种带有全反射棱镜的投影仪，其包括：用于发射光束的一光源；和一色盘，用于接收发自该光源的光束，且将来自该光束的彩色光束连续分解，并透射该彩色光束；一透射部，用于将该彩色光束导向该棱镜；一显示器，用于通过利用于自该透射部的彩色光束根据视频信号来产生图像光束；一设置在该透射部和显示器之间的棱镜，用于将来自透射部的彩色光束导引至显示器，且从该显示器反射图像光束；一投影透镜，用于放大并投影该图像光束。该透射部包括：棒形透镜，用于使该彩色光束均匀分布；至少一个第一透镜，用于将来自该棒形透镜的彩色光束聚焦在反射镜上；反射镜，用于偏转来自该透镜的彩色光束的光径；和至少一个第二透镜，用于将来自该反射镜的彩色光束聚焦在该棱镜上。

应当理解，前述的一般性描述和接下来的详细描述都是示范性和解释性的，其是对本发明的权利要求提供更进一步的解释。

                         附图说明

所附的附图，其用于对本发明提供进一步的理解且包含在此并作为该说明书的一部分，描述了本发明的实施例并与说明书一起用于解释本发明的原理：

在附图中：

图1和2示出了相关技术的投影仪；

图3A和3B示出了图1中该相关技术的全反射棱镜的详图；

图4A和4B示出了图1中该相关技术的色盘的详图；

图5示出了光束穿过图1中色盘的边界所需的时间；

图6示出了依照本发明一个优选实施例的圆柱形色盘的透视图；

图7A和7B示出了光束穿过图6中圆柱形色盘边界所需的时间；

图8和9示出了依照本发明第一优选实施例的投影仪；

图10示出了图8中棒形透镜的详图；

图11A和11B示出了图8中棱镜的详图；

图12示出了依照本发明第二优选实施例的投影仪；以及

图13示出了依照本发明第三优选实施例的投影仪。

                       具体实施方式

现在详细说明本发明的优选实施例，其实例在附图6-13中示出。图6示出了依照本发明一个优选实施例的圆柱形色盘的透视图。

参照图6，依照本发明一个优选实施例的该圆柱形色盘34包括：多个滤色片52，其每个都用于透射白光光束中相关的彩色；有滤色片52安装在其上的一耦合器50；和联接有耦合器50的一电机35。优选的是，该色盘呈彩色镜鼓的形状。

该滤色片52包括：一用于透射白光光束中红色光束的红色滤色片52R；一用于透射白光光束中绿色光束的绿色滤光片52G；和一用于透射白光光束中蓝色光束的蓝色滤色片52B。

滤色片52插入在耦合器50中且用粘合剂附着于其上，耦合器50借助于其中的孔56联接在电机35上。也即，随着电机35转动滤色片52，滤色片52连续分离各种彩色。

假定电机以3600转数/分(rpm)旋转以每秒显示60场，就能计算出光束穿过圆柱形色盘34的边界54所需的时间间隔。在此例中，如图7A和7B所示，假定光束是8mm宽、6mm高的矩形，则圆柱形色盘34具有39mm的内径和1mm的厚度。

公式(3)表示当光束穿过滤色片52的表面时的角度，公式(4)表示光束穿过滤色片52的边界54时的时间。

(其中，39是色盘34的内半径，3是光束的一半高度)。

$t=\frac{1}{60}\×\frac{8.797}{120}=1.22\mathrm{\μs}---\left(4\right)$

(其中，120是将360°除以3而得到的值，3是边界54的数目)。

从公式(4)可知，光束穿过滤色片52的边界54所需的时间间隔为1.22μs，而光束穿过相关技术色盘中的滤色片的边界所需的时间间隔为1.54μs。因此，由于光束穿过本发明的滤色片52所需时间间隔变得更长，所以本发明可以增强投影仪的亮度。同样，在本发明色盘具有与相关技术相同亮度的基础上，本发明色盘34的半径可缩减至32mm，与相关技术相比，带有本发明色盘34的投影仪可制造得更薄。

图8和9示出了依照本发明一个优选实施例的投影仪。

参照图8和9，依照本发明一个优选实施例的投影仪包括一灯30、一反射面板32、一圆柱形色盘34、一棒形透镜36、第一透镜37和38、一反射镜40、第二透镜42、一棱镜46、一显示器44和一放大及投影透镜48。

来自灯30的光束被反射面板32聚焦在圆柱形色盘34上，随着电机35转动圆柱形色盘34，圆柱形色盘34连续透射红色、绿色和蓝色光束。由圆柱形色盘34分解的彩色光束入射至棒形透镜36上，该棒形透镜36使该光束变得分布均匀，以使该光束均匀分布在屏幕上，且使该光束的光径发生偏转。

为此，参照图10，该棒形透镜36具有一入射面58，其相对于来自反射面板32的光束倾斜一角度。同样，该入射面58也是一个全反射反射镜，或在其上涂覆有一全反射材料涂层。

作为其可供选择的一种，参照图12，当需要在棒形透镜6入射面的前方放置一个反射镜39以使光束的光径发生偏转时，也可使用与相关技术中棒形透镜6相同的一个棒形透镜。

在棒形透镜36处发生偏转的光束由第一透镜37、38射至反射镜40，并在反射镜40处反射至第二透镜42。第二透镜42接收该来自反射镜40的光束，且将其聚焦在棱镜46上，棱镜46将来自第二透镜42的光束引导并将来自显示器44的图像光束供至投影透镜48。

参照图11A和11B将详细说明本发明的棱镜。

参照图11A和11B，本发明的棱镜46包括有一第一子棱镜100，其带有均为三角形形状的顶面108和底面110，和一第二子棱镜102，其带有三角形的顶面106和平行四边形的底面104。

在第一子棱镜100的一侧面上有一显示器44。第一棱镜和第二棱镜设置成相互间有一微小气隙。第一子棱镜100和第二子棱镜102相接触的表面60将来自第二透镜42的光束折射至显示器44，并将来自显示器44的图像光束反射至投影棱镜48，从而将来自第二透镜42的光束的光径偏转了一预定角度。

本发明的棱镜46与图3A或3B中相关技术的棱镜16相比，可以发现，虽然该相关技术的棱镜16将来自第二透镜12的光束两次全反射，以使该光束朝向投影透镜18，但是本发明的棱镜46仅将光束全反射一次，以使来自第二透镜42的光束朝向投影透镜48，从而使由全反射引起的亮度损失最小。而且，由于从灯至投影棱镜的复杂光径，虽然该相关技术的棱镜16需要三维地放置，但是本发明的棱镜46可平行于投影棱镜48、棱镜44、圆柱形色盘34、棒形透镜36、第一透镜37和38、反射镜40二维地放置，以允许制成更薄的投影仪。

此外，虽然由于设置在棱镜16下的显示器14造成了大的光学系统，使该相关技术的投影仪是难以制成更薄的投影仪的，但本发明由于其显示器44是设置在棱镜46的一侧上所以允许制成更薄的投影仪。

投影透镜48接收来自棱镜46的图像光束，且放大并投影至位于投影透镜48前一定距离处的一个屏幕上。

与此同时，本发明可以使用等同于图13所示相关技术的色盘4和棒形透镜6。

正如所说明的，依照本发明的全反射棱镜和带有该全反射棱镜的投影仪，该棱镜仅仅进行一次全反射，以使来自光学系统的光束朝向投影透镜，从而使由全反射引起的亮度损失最小。

此外，显示器和棱镜的并排放置，且均平行于色盘、光学系统、棱镜和投影透镜，因此允许制成更薄的投影仪。

对熟悉本领域的技术人员来说，很显然在不偏离本发明精神和范围下可对本发明的全反射棱镜和投影仪作出各种修改和变形。因此，本发明覆盖了在所附权利要求和其等同物范围内本发明的各种改进和变形。

Claims (11)

1.一种投影仪中的全反射棱镜，所述投影仪包括光源和光学系统，该光学系统用于从来自该光源的光束中提取出特定的彩色光束并将提取出的彩色光束引导至一棱镜，该棱镜包括：第一子棱镜，具有均为三角形形状的顶面和底面，和第二子棱镜，具有三角形的顶面和平行四边形的底面，其中该棱镜对来自该光学系统的光束进行一次全反射而透射至投影透镜。

2.如权利要求1所述的全反射棱镜，其特征在于，该显示器设置在该第一子棱镜的侧面上，用于利用该彩色光束根据视频信号来显示图像。

3.如权利要求1所述的全反射棱镜，其特征在于，该第一子棱镜和第二子棱镜的接触面将来自该光学系统的彩色光束折射至该显示器，并将来自该显示器的图像光束全反射至该投影透镜。

4.一种带有全反射棱镜的投影仪，包括：

光源，用于发射光束；

色盘，用于接收来自该光源的光束，并将来自该光束的彩色光束连续分解，且透射该彩色光束；

透射部，用于将该彩色光束导引至该棱镜；

显示器，通过利用于自该透射部的彩色光束根据视频信号来产生图像光束；

棱镜，设置在该透射部和该显示器之间，以用于将来自该透射部的彩色光束导引至该显示器，并反射来自该显示器的图像光束；和

投影透镜，用于放大并投影该图像光束，

该透射部包括：

棒形透镜，用于使该彩色光束均匀分布；

至少一个第一透镜，用于将来自该棒形透镜的彩色光束聚焦在反射镜上；

反射镜，用于偏转来自该透镜的彩色光束的光径；和

至少一个第二透镜，用于将来自该反射镜的彩色光束聚焦在该棱镜上。

5.如权利要求4所述的投影仪，其特征在于，该棒形透镜带有一入射面，其与该色盘交叠设置且倾斜以用于偏转该彩色光束的光径。

6.如权利要求4所述的投影仪，其特征在于，该棒形透镜的入射面具有一涂覆在其上的全反射材料涂层，或安装在其上的一全反射反射镜。

7.如权利要求4所述的投影仪，其特征在于，在该棒形透镜的入射面的前方有一反射镜，用于将该彩色光束透射至该棒形透镜。

8.如权利要求4所述的投影仪，其特征在于，该色盘呈彩色镜鼓的形状，其具有多个结合在其上的滤色片，每个滤色片都用于透射不同彩色波长的光束。

9.如权利要求8所述的投影仪，其特征在于，该色盘设置在与该透射部相同的一条线上，但该线不同于该棱镜和该投影透镜的直线。

10.如权利要求4所述的投影仪，其特征在于，该色盘呈圆盘的形状，其具有多个结合在其上的滤色片，每个滤色片都用于透射不同彩色波长的光束。

11.如权利要求10所述的投影仪，其特征在于，该色盘设置在与该光源和该透射部相同的一条线上、但该线不同于该棱镜和该投影透镜的直线。

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