CN1322306A - 图象投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种图象投影系统(1)。该系统包括一个照明系统(3),一个至少包含一个反射式图象显示板(23)的调制系统和一个投影透镜系统(25)。系统包括一个光学系统(27,29,33),用于只是部分地恢复照明系统中偏离投影透镜系统(25)的光。

Description

图象投影系统

本发明涉及一种图象投影系统，该系统依次包括照明系统、至少有一个用于调制的反射式图象显示板的图象显示系统、由照明系统提供的带有图象信息的照明光束和投影透镜系统。

在开始一段中所述类型的图象投影系统是公知的，例如可以从欧洲专利申请US5,905,545中获知。在该说明书中描述的图象投影系统包括一个用于提供照明光束的照明系统，和带有一个反射式图象显示板的图象显示系统，其中反射式图象显示板用于调节与要投影的图象信息相符的光束。显示板例如可以是一种带有反射式数字光开关二维阵列的数字微反射镜显示器(DMD)，反射式数字光开关由电极驱动。每个象素的小反射镜用于通过改变反射镜的角度来开启或断开象素。DMD的象素可以在控制的显示时间内维持它们的“开”或“关”状态。为了实现介于白和黑之间的照明水平，采用脉宽调制技术。在反射式DMD投影系统中，被显示板调制的必定导致图象中暗象素的光部分被反射开关偏转离开光路，在光学系统中被吸收并因而损失。这样的代价是图象的亮度峰值降低。

本发明的目的在于提供一种图象投影系统，在该系统中可以实现一种较高峰值的亮度。

此目的通过本发明的图象投影系统实现，其特征在于照明系统包括一个外部光学系统，该系统由图象显示系统反射到照明系统的光至少部分地再照射图象显示系统，外部光学系统包括用于重新分布穿过图象显示系统的多个象素的来自图象显示系统象素的光的装置。

本发明涉及一种反射式投影系统，在该系统中光入射到显示板上，并在投射之前被显示板调制。本发明以识别为基础，被代表图象中暗态或灰色象素的象素调制的光偏离光路并在显示系统中不被吸收，并再向光学显示器的入口发送，由此复原。此光束也有入射到代表一个亮态象素的象素上的机会。在上述的图象投影系统中，用于暗态或灰色象素的光因而不会损失，反而可以再利用。另外，为了防止在再利用期间重影图象的出现，给照明系统配置用于重新分布光的装置。

根据本发明图象投影系统的优选实施例，其特征在于外部光学系统包括一个透镜元件和一个光纤，透镜元件位于反射式图象显示板的一个元件和光纤的入口之间，用于把反射光集中到光纤中。通过这种方式，不用于形成投影图象的反射光可以有效地传播回到照明系统。光纤中的内全反射重新分布复原的光。

根据本发明的图象投影系统的另一实施例，其特征在于外光纤系统包括一个光楔，用于合并来自辐射源的光和从反射式图象显示板反射的光。

根据本发明的图象投影系统的另一实施例，其特征在于外部光学系统包括一个用于接收来自反射式图象显示板元件的光的积分棒，和一个位于积分棒一侧的用于把接收到的光反射回图象显示板的反射装置。在这种方式中，积分棒用作非成象反射镜装置，在图象显示装置上均匀地分布光，以致于减少投影图象中的小畸变。

根据本发明的图象投影系统的另一实施例，其特征在于图象投影系统包括另一个反射式图象显示板，用于调制照明系统提供的第二光束，外部光学系统包括一种合并来自反射式图象显示板和另一反射式图象显示板的光的装置。例如，二向色镜可以用于把来自各个反射式图象显示板的不同颜色的光合并成一个可以指向照明系统的单光束。

本发明的其它方面通过参考下面的实施例将变得更加清晰。

在附图中：

图1表示根据本发明图象投影系统的第一实施例；

图2表示包括两个积分棒的图象投影系统的第二实施例；和

图3表示包括两个反射式图象显示板的图象投影系统的第三实施例。

图1中所示的图象投影系统1包括一个提供照明光束的照明系统3。照明系统3包括一个辐射源5和一个反射器7。反射器7至少部分地包围辐射源5并确保在远离系统的方向上辐射源发出的光的大部分都到达系统。

照明系统3产生的照明光束入射到显示系统，并受到与待显示的图象信息相符的调制，为简单起见，显示系统用一个单图象显示板23代表。由显示板调制和反射的光通过一个为清楚起见由单投影透镜25表示的投影透镜系统投影到屏幕(未示出)上。

在图1中，来自照明系统3的光经一个第二反射器9、第一光楔11、积分器系统13、第一透镜15、折叠反射镜17和第一及第二延迟透镜19、21向反射式图象显示板传播，反射式图象显示板例如是数字反射镜显示板(DMD)23。关于DMD装置可以从美国专利US5,061,049中获知。DMD图象显示板23的反射镜根据施加到电极的电压，把光既反射向投影透镜25的出瞳，又反射到外部光学系统的入瞳。例如外部光学系统依次包括一个入口反射镜27，一个第三延迟反射镜29和一个第二光楔33。施加电压按照与待显示的图象信息相符地控制DMD装置的微反射镜角度。DMD图象显示板23的反射镜可以设置成两种不同的状态，即开通状态和断开状态。反射镜的开通态例如位于相对于DMD图象显示板23的法线10度的位置，反射镜的断开态例如位于相对于法线-10度的位置。在开通状态中，以相对于法线20度的角度入射到DMD图象显示板23的反射镜上的光束在与法线重合的方向上反射。在断开状态中，以20度的角度入射到DMD图象显示板23的反射镜上的光束在与法线成40度的角度反射。这种差异对于本领域的技术人员来说，足以确定系统中光学元件的尺寸、从而在反射镜的开通态把光导向投影透镜25的入瞳，并在反射镜的断开态把光导离投影透镜的入瞳。本发明提出给照明系统配置一个外部光学系统，用于利用DMD图象显示板反射的光至少部分地重新照明DMD图象显示板23。这里的光涉及被图象中的暗或灰象素代表的显示元件反射的光。外部光学系统包括用于重新分布穿过多个显示元件的光。在已知系统中，由这种显示元件反射的光被DMD显示板23从光路反射并因而丧失。在根据本发明的图象投影系统中，光被恢复并另有一个入射到显示元件的机会，导致图象中的亮象素。实际操作时，在断开态中入口反射镜27把来自显示板中代表图象的暗象素的象素的光经第三延迟反射镜29和第二光楔33导向光集中系统13的入口。

或者，外部光学系统可以依次包括一个入口透镜和一个光导向器，例如由塑料或玻璃制成的光纤。

在图1所示的根据本发明的图象投影系统实施例中，照明系统可以不仅包括一个辐射源和一个反射器，还可以包括一个积分系统。积分系统之后的第一透镜15确保所有的再现图象叠加在DMD图象显示板的平面中。

积分系统13包括一个第一透镜片31和一个第二透镜片35并确保显示板23被均匀照明。关于有两个透镜片的积分系统的原理，参见美国专利US-A5,098,184的详细描述。

不用两个积分片，积分系统也可以包括一个棒状积分器。照明系统通过棒内侧壁上的多次内全反射二变得均匀。该棒例如可以是石英棒的形式。

显示板例如是一种由红、绿和兰光连续照明的显示板，它同时被具有相应照明的颜色的图象驱动。外部光学系统还可依次包括一个积分棒和一个反射装置。参照图2对包括这一外部光学系统的图象投影系统进行讨论。

图2中所示的图象投影系统1包括一个提供照明光束的照明系统3。照明系统3包括一个辐射源5和一个反射器7。反射器7至少部分地包围辐射源5并确保辐射源在远离系统方向上发出的大部分光都到达系统。

照明系统3产生的照明光束入射到显示系统上并受到与待显示的图象信息相符的调制，为简单起见，显示系统用一个单图象显示板23代表。被显示板调制和反射的光通过一个为清楚起见由单投影透镜25表示的投影透镜系统投影到屏幕(未示出)上。

在图2中，来自照明系统3的光经一个积分系统，如石英棒13，、一对延迟透镜40、42，一个孔径光阑60，一个折叠反射镜17，一个第三延迟透镜62和一个内全反射(TIR)棱镜44向反射式图象显示板传播，反射式图象显示板例如是DMD图象显示装置23。DMD图象显示装置23设计成两种不同的状态。在开通状态中，DMD图象显示装置23的反射镜设计成以这种方式反射光束：进入到TIR棱镜44的反射光束透射到投影头盔25。在断开状态中，DMD的反射镜设计成把来自反射式图象元件的入射光束反射回到入射的方向上。然后，光经过TIR棱镜44的界面反射回到照明系统3中。通过倾斜DMD图象显示装置23，反射光束可以导向接近第一积分棒13的第二积分棒64的入口。第二积分棒64的其它入口配置有一个反射装置，例如一个用于把反射的光束反射回到显示系统的反射涂层66。第二积分棒64和反射涂层66是外部光学系统的一部分，用于把来自图象显示系统的象素并穿过DMD图象显示装置23的象素的光重新分布，因此，图象投影装置的亮度峰值增大。延迟透镜40、42、62设计成这样的方式：反射光束在与孔径光阑68相同的平面上产生孔径光阑70的象。另外，反射式DMD显示板例如可以被红、绿和兰光连续照明，而显示板23被具有相应照明的颜色的图象同时驱动。因此，照明系统3最好包括一个由电极39驱动的色轮37，用于交替地提供红、绿和兰光束。

图象投影系统也可包括两个或三个显示板。图3中表示了利用两个显示板的实施例。图象投影系统包括一个照明系统，照明系统依次包括一个辐射源5，一个反射器7，一个光楔11，一个积分系统，例如一个光学棒13，一个内全反射(TIR)棱镜41，一个反射红光范围内波长的辐射而通过绿光和兰光范围内辐射的二向色镜45，一个第一反射式图象显示板47和一个第二反射式图象显示板49，例如DMD图象显示板和投影透镜25。另外，根据本发明，图象投影系统包括一个外部光学系统，用于恢复照明系统中被第一和第二DMD图象显示板47、49反射的光。外部光学系统依次包括耦合透镜51、53，诸如由玻璃或塑料制成的光纤的光学导向器55、61，和一个用于把分别来自第一和第二DMD图象显示板47、49的光合并成一个单光束的二向色镜67。在操作中，来自照明系统3的光通过光楔11和一个由电极39驱动的交替提供黄色和品红光束的旋转色轮37耦合到积分系统13如光学棒中。光学棒13均匀地分布光束并把光束导向内全反射(TIR)棱镜41。因为入射光在TIR棱镜41界面43处的角度大于临界角，所以棱镜把光反射向第一二向色镜45。TIR棱镜41相对于入射光位于可以通过DMD图象显示板47、49的反射镜的旋转作用适当转换的位置。第一二向色镜45连续地把红光范围内的波长反射向第一DMD图象显示板47，并且交替地把绿光和兰光范围内的波长透向第二DMD图象显示板49。第一DMD图象显示板47通过经给屏幕(未示出)上投影的投影透镜25入瞳中的二向色镜45和TIR棱镜41或第一光纤55的入瞳57中的第一透镜51的反射来与待显示的图象信息相符的调制红光，其中第一光纤55用于恢复那些不用于投影的的光。第二反射式图象显示板49伴随旋转色轮37的同时与待显示的图象信息相符地交替调制绿光或兰光。第二DMD图象显示板49的反射镜的旋转作用导引绿光或兰光经过用于在屏幕上投影的投影透镜25入射光瞳中的第一二向色镜45和TIR棱镜41或用于恢复不用于投影的光的第二光纤61入射光瞳63中的第二透镜53。光纤55、61传输红光和绿光或兰光回到照明系统。第二二向色镜67合并出自第一光纤55输出端59的红光和出自第二光纤61的输出端65的绿光或兰光。合并的光然后通过光楔反馈到照明系统中。通过给图象投影系统设置积分系统(13)和光学系统(51，53，55，61，67)，来自代表图象中暗象素的象素的光将被恢复，与参考单DMD图象显示板的描述一样，结果，投影图象的亮度峰值增大。

代替用DMD图象显示板，根据本发明的投影系统中还可以采用另一个反射式图象显示板，例如，在美国专利US5,729,386中公开的一种手驱动的反射镜阵列(AMA)图象显示板。

另外，也可以采用反射式液晶图象显示板。采用液晶显示板时，照明系统应提供一种偏振光束以照明显示系统。另外，检偏器必须位于液晶显示板和投影屏幕之间。

注意到，积分系统可以省去以节省为图象均匀性而互换的成本。

还应注意，上述的实施例只是举例说明而非限定性描述，本领域的技术人员可以在不脱离权利要求范围的前提下设计出多种方案。

Claims (5)

1.一种图象投影系统，依次包括一个照明系统和一个只是带有一个用于调制的反射式图象显示板的图象显示系统，照明光束由具有图象信息的照明系统和一个投影透镜系统提供，其特征在于照明系统包括一个外部光学系统，该系统由反射图象显示板反射到照明系统的光至少部分地再照射图象显示系统，外部光学系统包括用于重新分布穿过图象显示系统的多个象素的来自图象显示系统象素的光的装置。

2.如权利要求1所述的图象投影系统，其中照明系统包括一个积分器系统，其特征在于外部光学系统包括一个透镜元件和一个光纤，透镜元件位于反射式图象显示板的一个元件和光纤的入口之间。

3.如权利要求1或2所述的图象投影系统，其特征在于外部光学系统包括一个光楔，用于合并来自辐射源的光和从反射式图象显示板反射的光。

4.如权利要求1所述的图象投影系统，其特征在于外部光学系统包括一个用于接收来自反射式图象显示板元件的光的积分棒，和一个位于积分棒一侧的用于把接收到的光反射回图象显示板的反射装置。

5.如权利要求1所述的图象投影系统，还包括一个用于调制照明系统提供的第二光束的反射式图象显示板，其特征在于外部光学系统包括一种合并来自反射式图象显示板和另一反射式图象显示板的光的装置。