CN1525207A - 投影型显示光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影型显示光学系统以解决梯形失真的问题，并改善照射效率及图象的对比度均匀性。该投影型显示光学系统包括：光源；作为图象显示装置的DMD，光源发射的光束照射其上；和安装在光源和图象显示装置之间的照射单元，包括：棒状透镜，作为光学器件用于统一来自光源的入射光亮度分布并发出亮度均匀的光线；第一透镜，用于传送棒状透镜发射的光线；第二透镜，从第一透镜传送的光线入射到它上面；和投影部件用于放大和投射在图象显示装置上形成的图象到屏幕上，其中第一和第二透镜以第一透镜的光轴与第二透镜的光轴彼此不重合的方式设置，因此，在棒状透镜的发射表面传送第一和第二透镜组时形成的表面图象不倾斜于图象显示装置的表面。

Description

投影型显示光学系统

技术领域

本发明一般地涉及投影型显示光学系统，尤其涉及基于DMD的采用投影型显示光学系统的照射装置。

背景技术

随着图象投影设备，也称作投影仪在很多领域的广泛使用，目前已有各种类型的投影仪投入市场或在开发中。近来在图象投影设备的技术中的发展趋势是提高亮度并开发小巧/轻便的图象投影设备。

图象投影设备的光学系统包括用作光源的灯，照射单元，其用于将灯发出的光源照射到图象显示设备上，和投影单元，其用于放大和投射显示在图象显示装置上的图象到屏幕上。

高压水银灯通常用作这种灯。至于图象显示装置，液晶显示装置和DMD(数字微镜装置)被广泛使用。

上面所述的DMD，其具有各具有一微镜的许多象素的二维阵列，DMD通过由为每个象素而各自排列的存储元件引起的静电场效应分别地控制各反射镜的倾斜并改变反射光线的反射角度从而导致开/关状态。

根据在投影型显示中所使用的图象显示装置的数量，该光学系统被分为单板、双板和三板光学系统。与近来的追求小巧/轻便和低价位的趋势保持一致，现采用单芯片图象显示装置。

有三种构造采用单芯片图象显示装置的图象投影设备的方法。

首先，显示装置包括红、绿、和蓝(R，G，B)滤色器。其次，光在外部可被分成R，G，和B色且同时照射到显示装置上。第三，光可被分成R，G，和B三色且以一定的间隔照射。

与上述方法不同，本发明将基于第三种方法，也就是，光可被分成R，G，和B三色且以一定的间隔照射。

由于采用第三种方法，单板图象显示装置所需的响应速度至少要比三板图象显示装置快三倍。在目前所使用的图象显示装置中DMDTM将满足这个条件。

图1所示为现有技术的DMD的简化结构，和作为显示装置的DMD的光学工作状态。

如图1所示，DMD10由微镜12(每个微镜代表一个象素)构成，并且各微镜12根据电信号以±θ角倾斜。目前已上市的产品中微镜的倾角为10或12度。

尽管，实际中，微镜12沿方形象素的对角线倾斜，但为便于描述，在此假定微镜12相对于垂直轴发生倾斜。

典型地，当从微镜12反射的光线指向投影透镜30并在屏幕上形成放大的图象时，DMD10的表面和投影透镜30光轴应定位在垂直方向。一般来说，在DMD10的水平方向，DMD10的中心和投影透镜30的光轴相互重合。在DMD10的垂直方向，另一方面，为了利于偏离光心而采用向上投射。然而，在图1所示现有技术的DMD中，假设没有偏离光心。

参照图1，对于在上述情况下处于光学开状态(白)的DMD微镜，照射光线的主光线应当以主光线可垂直发射到DMD10的表面上的方式入射到DMD10的表面上，尤其是当DMD10的微镜12的倾斜角为+θ时。这种情况下，照射光线在DMD表面上的入射角应为2θ。

在上述用于DMD型投影光学系统的结构条件下，处于关状态的光线与投影透镜30的光轴成4θ的倾斜角发射。因而，光线不能传送到投影透镜30，也就不能投射光线到屏幕上，导致黑屏。

图2a是基于单片DMD的现有技术的投影光学系统实施例的平面视图，图2b所示为分时系统的普通的滤色器的色轮的平面视图和侧视图。

如图2a所示，其上附有一个椭圆形的反射镜82的灯80用作光源，从光源发出的光线聚焦在棒状透镜60的入射表面。

安置在灯80和棒状透镜60之间的色轮70用于将光顺序分成R、G、和B三色。

如图2b所示，色轮70连接在圆盘状的转动马达72上，并随着马达转动而顺序过滤光线的R、G、和B三色。

因为具有最小的滤色的区域是从灯80发出的光线聚焦在棒状透镜60的入射表面的区域，所以色轮70定位于棒状透镜60的入射表面之前。

因此，当经色轮70过滤为特定颜色的光线入射到棒状透镜60上时，光线在棒状透镜60内部经过多次反射，并透过棒状透镜60。于是，透射的光线分散在整个发光表面。

换句话说，从光源发出的光线前进或偏离照射到棒状透镜60的发光表面，其结果是，发光表面变成具有二级的均一对比度分布的表面光源。

从棒状透镜60发出的光经第一和第二照射透镜组50和40和TIR(全内反射)棱镜20传送，并在图象显示装置上形成棒状透镜60的发光表面的适当尺寸的图象，称为DMD表面。以这种方式，DMD表面获得均一对比度分布。

参照图2a，TIR棱镜20通过设置两个其间具有微小的空隙的棱镜形成。因此，入射光完全被第一棱镜表面反射，并入射到DMD10。然后，DMD10通过处于开状态(白)的倾斜的象素微镜以不同的发射角发出入射光，因而光线不经历全内反射而是又被传送到外面。

因此，所发射的光透过投影透镜30并在屏幕上形成放大的图象。

考虑到从照射光线的第一边界表面的全内反射和用于从DMD10通过第二边界表面传送白色光的TIR棱镜20的工作特性，维持照射光线的焦阑特性是重要的。

然而，图2a所示的现有技术的投影光学系统有几个缺陷。例如，与照射光线的波束角无关的变化的反射率和透射率使光传送效率下降，和由于照射光线的焦阑特性而加大的投影透镜30的直径使造价提高。另外，DMD10的微镜被置于零状态，由于衍射而产生噪声，并且随着光传输的增加其对比度也下降。

图3所示为采用单片DMD的现有技术的投影型光学系统另一实施例。

特别地，图3所示为没有TIR棱镜20的图象投影装置，以克服图2所示的投影型光学系统具有的缺陷。

对于没有TIR棱镜20的图象投影装置，第二照射透镜组40可使用或者透镜型或者反射镜型。由于光学原理基本相同，更有必要的是讨论反射镜透镜的结构。

图2所示的投影光学系统的同样的工作原理也被用于图3的投影光学系统，更具有地说，直到系统中棒形管棒状透镜60。另外，照射透镜80保证从棒状透镜60发射的照射光线的主光线以2θ的角度入射在DMD表面上。

然而，图3中的投影光学系统与图2所示的投影光学系统不同之处在于，用于改变光路的全反射镜90被安装在第一照射透镜组50和第二照射透镜组40之间。结果，第一照射透镜组50的光路与第二照射透镜组40和DMD10之间的光路交迭，使得整个光学系统变得更加紧凑。

另外，图3所示的光学系统由于不包含TIR棱镜20不再受照射光线的焦阑限制。因此，当入射到DMD10的表面上时，在棒状透镜60发光表面的每个目标空间处的主光线不必与其它光线维持焦阑关系，但可在DMD表面会聚。

在实际应用上，为减小投影透镜30入射表面的尺寸有必要设计会聚的照明，从而不会由于投影透镜30和反射镜型透镜(第二照射透镜组)40交迭而引起光干扰。

没有TIR棱镜20的光学系统，与有TIR棱镜20光学系统相比，体积更小，成本更低，并具有改良的对比度和亮度的一致性。

然而，当采用反射镜型透镜作为第二照射透镜组40时，棒状透镜60，第一照射透镜组50的光轴，以及第二反射镜型透镜组40的光轴可以是重合的。在这种情况中，从反射镜型透镜40的反射光线反向传播到第一照射透镜组50的光轴的方向，其结果引起光干扰。

为了避免上述问题，图4a示出了现有技术的投影型光学系统的另一实施例，提出一种通过相对于在反射镜型透镜组40和棒状透镜60的光轴之间的交叉点以 的角度转动反射镜型透镜组40，以角度 扭转反射光的方向的设想。

此时，在棒状透镜60发射表面上的基于明亮的图象的表面事实上以一定的角度倾斜于DMD表面。因此，在DMD10表面上的明亮的图象开始显现出扰乱的梯形失真形状，如图4所示。

当照射区域与实际有效的DMD表面不在一个角度时将引起梯形失真(即虽然投影图象应该是矩形但看起来像梯形)。这种情况下，光线的损失是不可避免的。

同样，梯形失真问题根据DMD10的位置使照度产生差异，这使得屏幕上的亮度均匀性变差。

因为第一照射透镜的轴与DMD表面轴不垂直及因为照射光线以2θ角度入射到DMD的表面上，所以这种梯形失真也存在于图2a所示的具有TIR棱镜20的光学系统中。

发明内容

本发明的目的是至少解决上述问题和/或缺点并至少提供下文描述的优点。

因此，本发明的目的之一是通过提供具有改良的亮度均匀性和照射效率的投影型光学系统，使梯形失真问题最小化以解决前述问题。

前述的和其他的目的及优点可通过提供投影型显示光学系统来实现，该系统包括：光源；作为图象显示装置的DMD，其接收光源发射的光束；和安装在光源和图象显示装置之间的照射单元，且该照射单元包括：棒状透镜，作为光学器件用于统一来自光源的入射光的亮度分布均匀度并发出亮度均匀的光线；第一透镜，用于传送棒状透镜发射的光线；第二透镜，从第一透镜传送的光线入射在它上面；和投影部件，用于放大和投射形成在图象显示装置上的图象到屏幕上，其中第一和第二透镜以第一透镜的光轴与第二透镜的光轴彼此不重合的方式设置，因此，在棒状透镜的发射表面透过第一和第二透镜组时形成的表面图象不倾斜于图象显示装置的表面。

在所列举的本发明的实施例中，第二透镜偏离第一透镜的光轴，因此，在棒状透镜的发射表面传送第一和第二透镜组时形成的表面图象不倾斜于图象显示装置的表面，且第二透镜的光轴与第一透镜的光轴不重合。

在所列举的本发明的实施例中，第二透镜的光轴与第一透镜的光轴的光路平行。

在所列举的本发明的实施例中，第一透镜的光轴与棒状透镜的中心轴重合。

在所列举的本发明的实施例中，第一透镜的光轴与第二透镜的光轴相互平行。

在所列举的本发明的实施例中，如果沿第一透镜的光轴的光线入射到第二透镜上并由第二透镜发射，从第二透镜发射的光线与第一透镜的光轴之间的角度等于从处于开状态的图象显示装置发射的光线与从第二透镜发射的光线之间的角度。

在所列举的本发明的实施例中，第二透镜是反射镜型透镜。

在所列举的本发明的实施例中，其中用于改变光线的光路的反射镜安装在第一透镜与第二透镜之间。

在所列举的本发明的实施例中，其中第二透镜具有非球面的表面。

因此，本发明所述的投影型显示光学系统可有利地用于解决梯形失真问题和提高照射效率和对比度均匀性。

本发明附加的优点、目的和特征一部分在下面描述中说明，并且一部分在该领域的普通技术人员对下文面的考察的基础上将是显而易见的或从本发明的实施中学到。按照在附加的权利要求中特别指出的特征可实现和得到本发明目的和优点。

附图说明

参照下列附图对本发明予以详细的描述，附图中，相同的部分采用相同的参考编号，其中

图1所示为现有技术的DMD的简明结构，和作为显示装置的DMD的光学工作状态；

图2a为基于单片DMD的现有技术的投影光学系统一实施例的平面视图；

图2b是分时系统的普通的滤色器的色轮的平面视图和侧视图；

图3所示为采用单片DMD的现有技术的投影型光学系统另一实施例；

图4a和4b为现有技术的单片DMD投影型光学系统的照明工作原理示意图，和具有梯形失真的图象的照射示意图；

图5所示为根据本发明的优选实施例采用单片DMD的投影型光学系统；

图6a和6b为现有技术的单片DMD投影型光学系统的照明工作原理示意图，和通过梯形失真矫正后的矫正图象照射示意图。

具体实施方式

下面参照附图根据本发明的优选实施例对投影型光学系统予以详细描述。

图5所示为根据本发明的优选实施例采用单片DMD的投影型光学系统。

本发明的投影型光学系统与采用现有技术的投影型光学系统不同之处在于，本发明的能提高照射效率和亮度均匀度的第二照射透镜组40，被设置在不同位置。

参照图5，其上附有一个椭圆形的反射镜82的灯80用作光源，从光源发出的光线聚焦在棒状透镜60的入射表面上。

安置在灯80和棒状透镜60之间的色轮70用于将光顺序分成红、绿、蓝三色。

如图2b所示，色轮70连接在圆盘状的旋转马达72上，并随着马达转动而顺序过滤光线的红、绿、蓝三色光线。

因为最少滤色区域是从灯80发出的光线聚焦在棒状透镜60的入射表面的区域，所以色轮70定位于棒状透镜60的入射表面之前。

因此，当经色轮70过滤为特定颜色的光线入射到棒状透镜60上时，光线在棒状透镜60内部经多次反射，并透过棒状透镜60。于是，透射的光线分散在整个发光表面。

换句话说，从光源发出的光线前进或偏离照射到棒状透镜60的发光表面，其结果是，发光表面变成具有二级均一对比度分布的表面光源。

棒状透镜60主要有两种类型。第一，棒状透镜60可以是中空的透镜，其内表面用反射镜覆盖以使得其可以进行镜面反射。第二，棒状透镜60可以是一种具有高折射率的玻璃以使得其可以进行全内反射。

从棒状透镜60发出的光透过第一和第二照射透镜组50和40，并在图象显示装置上形成棒状透镜60的发光表面的适当尺寸的图象，称为DMD表面。以这种方式，DMD表面获得均一对比度分布。

同时，用于改变光路全反射镜90安装在第一照射透镜组50和第二照射透镜组40之间。结果，从棒状透镜60发出的光线的路径与第二照射透镜组40和DMD10之间光路空间交迭，使得整个光学系统变得更加紧凑。

在实际应用中，为减小投影透镜30入射表面的尺寸有必要设计会聚的照明，从而不会由于投影透镜30和反射镜型透镜(第二照射透镜组)40交迭而引起光干扰。

上述的本发明的投影型光学系统，与现有技术的有TIR棱镜(图2中的20)光学系统相比，体积更小，成本更低，并具有改良的对比度和亮度的一致性。

然而，当采用反射镜型透镜作为第二照射透镜组40时，棒状透镜60，第一照射透镜组50的光轴，以及第二照射透镜组40的光轴可以重合。在这种情况中，从反射透镜组40的反射光反向传播到第一照射透镜组50的轴的方向，其结果引起光干扰。

作为上述问题的解决方案，图6a所示的本发明的另一实施例提出相对于反射透镜40和棒状透镜60光轴之间的交叉点，第二照射透镜组40的中心轴应偏离，且第一照射透镜组50的光轴与棒状透镜60光轴相重合。

这里，反射透镜组40可以具有非球面的表面。

因此，第二照射透镜组40的光轴不与第一照射透镜组50的光轴的光学平行。

虽然在图6a的实施例中偏离的是第二照射透镜组40的中心轴，第二照射透镜组40的光轴也可以被偏离。

更特别地，棒状透镜60光轴与第一照射透镜组50的光轴彼此重合，第二照射透镜组40的光轴与重合的光轴平行。

此外，从第二照射透镜组40发射的光线与第一照射透镜组50的光轴之间的角度(即2Θ)等于从处于开状态的DMD10发射的光线与从第二照射透镜组40发射的光线之间的角度(即2Θ)。

简而言之，第一照射透镜组50的光轴与投影透镜30的光轴平行。

基于上述结构，棒状透镜60的发光表面与DMD表面相一致，因此如图6所示，在DMD10有效表面附近形成明亮的图象。结果，照明损耗减少及在屏幕(即棒状透镜60的发光表面)上的对比度分布均匀。

在棒状透镜60的发光表面和DMD10表面之间的物体/图象的关系可通过由第一照射透镜组50在棒状透镜60的发光表面上形成的第一图象与棒状透镜60的光轴垂直的现象加以解释，并且用第一图象作为第二物体，由与图象垂直的第二照射透镜组40在DMD表面上形成图象。

因此发出的光线透过投影透镜30，并在屏幕上形成图象。

总之，根据本发明的显示光学系统，第二透镜偏离第一透镜的光轴，因此，在棒状透镜的发射表面透过第一和第二透镜组时形成的表面图象不倾斜于图象显示装置的表面，且第二照射透镜组的光轴偏离第一照射透镜组的光轴。以这种方式，解决梯形失真问题，并大大提高照射效率和图象对比度均匀性。

虽然是参照其特定的优选实施例来描述和展示本发明，该领域的普通技术人员可以理解，在不脱离在附加的权利要求确定的本发明的精神和范围的情况下可以做形式和细节上的各种改变。

前述实施方式和优点仅是示范性的，并不形成对本发明的限制。本技术可以容易地应用到其他类型的装置中。本发明的说明书用作解释的，并不限制本发明的权利要求的范围。许多的修改，变化和变换对于该领域的普通技术人员是明显的。在权利要求书中，装置加功能的条款涵盖所描述的执行所述功能的结构，不仅包括结构等效物而且包括等效的结构。

Claims (9)

1、一种投影型显示光学系统，包括：

光源；

作为图象显示装置的DMD，其接收光源发射的光束；和

安装在光源和图象显示装置之间的照射单元，包括：棒状透镜，作为光学器件用于统一来自光源的入射光线的亮度分布并发出亮度均匀的光线；第一透镜，用于传送棒状透镜发射的光线；第二透镜，从第一透镜传送的光线入射到它上面；和

投影部件，用于放大和投射在图象显示装置上形成的图象到屏幕上，

其中第一和第二透镜以第一透镜的光轴与第二透镜的光轴不重合的方式设置，因此，在棒状透镜的发射表面透过第一和第二透镜组时形成的表面图象不倾斜于图象显示装置的表面。

2、如权利要求1所述的投影型显示光学系统，其中第二透镜的光轴与第一透镜的光轴不重合，且第二透镜相对于第一透镜的光轴是偏轴的，因此，在棒状透镜的发射表面透过第一和第二透镜组时形成的表面图象不倾斜于图象显示装置的表面。

3、如权利要求1所述的投影型显示光学系统，其中第二透镜的光轴与第一透镜的光轴的光路平行。

4、如权利要求3所述的投影型显示光学系统，其中第一透镜的光轴与棒状透镜的中心轴重合。

5、如权利要求3所述的投影型显示光学系统，其中第一透镜的光轴与第二透镜的光轴相互平行。

6、如权利要求1所述的投影型显示光学系统，其中，如果光线沿第一透镜的光轴入射到第二透镜并由第二透镜发射，在第二透镜的发射光线与第一透镜的光轴之间的角度等于接通状态的图象显示装置的发射光线与第二透镜的发射光线之间的角度。

7、如权利要求3所述的投影型显示光学系统，其中第二透镜是反射镜型透镜。

8、如权利要求3所述的投影型显示光学系统，其中用于改变光线的光路的反射镜安装在第一透镜与第二透镜之间。

9、如权利要求3所述的投影型显示光学系统，其中第二透镜具有非球面。

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