CN1683950A - 扫描显示系统 - Google Patents
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Abstract
显示系统(100)包括光源(102)和用于从光源(102)接收光线的空间光调制器(104)。空间光调制器(104)调制所选择的空间颜色并且选择性地以局部图像的形式把所述选择的空间颜色发送到扫描装置(106)。扫描装置(106)接收局部图像并扫描局部图像组以便产生全帧彩色图像。
Description
技术领域
本发明涉及扫描显示系统。
背景技术
图像投影系统可以用于显示静态或者视频图像。传统的投影引擎一般调制红、绿、蓝(RGB)光来产生投影图像。RGB光线可以从白色光源中分离出来。例如,数字光处理(DLP)系统由通过色轮聚焦的白光光源构成,所述色轮将光分离并射向空间光调制芯片(SLM)。空间光调制器将透射或者反射元件定向以便形成图像。然后图像被传送到投影仪透镜和观看显示器上。色轮一般是一个位于光源和图像形成元件之间的快速旋转的滤色轮。色轮一般包括几个含有不同滤光特性的节片。例如,所述节片可以使各节片对应于红、绿和蓝透射滤光器。因为色轮在快速旋转,RGB调色的光线可以有序地投射到图像形成元件上。
在色轮有效地产生所需要的用于形成图像的RGB光线的同时,它也把不需要的波长的光线阻挡下来。这样为了产生彩色光,有相当部分的来自于白光的光线被阻挡。这个结果会导致光引擎的光线输出相对于光源自身的输出下降。某些色轮有一个附加的白色节片来重新获得损失的白色光线。另外一些则试图通过省去白节片的六分色轮以产生更丰富的色彩来改善光损失。而且,使用滤色轮可能要求轮子高速旋转,例如,以高精度下每分钟7500转(RPM)旋转。快速旋转的色轮的一个缺点是在观看显示器上的连续的彩色发射。这种连续的彩色发射产生了一种独特的可见的失真,也称为”彩虹效应”。只对某些人可见的彩虹效应是RGB光谱的分离,也就是描绘红、绿、蓝光各自的色彩。因而试图通过色轮的旋转增加来消除彩虹失真。色轮旋转速度的增加会使得滤色轮变得昂贵、脆弱及运转噪声增加。
现今已经发展了多种空间光调制器,包括数字微反射镜器件(DMD)、光栅光阀(GLV)、散射光器件(DLD)和硅上液晶(LCOS)。在这些器件中,有些器件使用附着在硅芯片上的金属条带结构。条带结构代表了特殊的像点或者像素。条带被移动一个很小的距离以改变反射光的波长来产生想要得到的波长或者光的颜色。当所有的条带被整体操作时,就产生了需要的图像。这个图像可以传送到观看屏幕上。虽然有一些空间光调制器使用条带结构,但其他的,如DMD,使用成千的小镜面,其中每个小镜面代表观看区域的一个像素。
在使用DMD芯片时,光源被导向到DMD芯片上。这些小镜面被定向以便把光线或者引入投影透镜的光路来接通像素或者离开投影透镜光路而断开像素。使镜面倾斜而离开还是进入投影透镜光路是根据任意给定时刻每个像素需要每一种颜色的多少来确定的。这些活动调制光线并产生投射在观看面上的图像。这种类型的空间光调制器件已知的问题是”死像素”或”像素丢失”。当某些镜面被粘住或者不可操作时就会产生”死像素”,这些不希望要的”死像素”会在所有白色背景上产生黑点。
现在的投影仪采用了不同的SLM,即GLV,DMD,LYCOS等等。SLM具备有限带宽和复杂控制电子线路来处理和接受来自色轮的不同光线的颜色以产生图像。带宽的限制对产生高质量的图像起了约束的作用。
对高质量和高分辨力投影仪的需求在高端投影仪的研究和发展中扮演了一个重要的角色。现在提高投影仪分辨力的方法是增大SLM芯片的尺寸。SLM芯片尺寸的增大可以通过增加系统的像素数目来增加全帧图像分辨力,从而提供更高质量的图像。然而,更大的SLM芯片会导致投影仪价格的上升。
由于前述的原因,需要一种系统或者方法能够在降低”像素丢失效应”的同时在观看屏上增加图像的光线和色彩饱和度的高质量投影系统或者方法。
发明内容
根据本发明的一个方面,显示系统包括光源和配置成从光源接收光线的空间光调制器。空间光调制器调制选择的空间色彩并且以局部图像组的方式把选择的空间色彩发送到扫描装置上。扫描装置接收局部图像组并扫描局部图像组以产生全帧彩色图像。
结合本发明的实施例和附图以及例子的详细描述,本发明其他的特征和优点将会很明显。
附图说明
下面的附图说明的是实施本发明的示例性实施例,类似的标号指的是附图中本发明实施例的不同附图的类似部件。
图1是根据本发明的投影仪的实施例的方框图。
图2是根据本发明的投影仪的另一实施例的方框图。
图3是根据本发明的投影仪的另一实施例的方框图。
图4是说明根据本发明的把彩色图像投影在屏幕上的示例性方法的流程图。
图5是与本发明的实施例一致的、把局部图像扫描入具有示例性定时的全帧图像的视图。
图6是说明制造投影仪的示例性方法的流程图。
具体实施方式
下面将会引用在附图中说明的示例性实施例,表述同样内容的特殊语言也会被使用。但仍然需要明白的是本发明的范围是没有受到限制的。本专业的技术人员可以提出的备选方案或这里说明的发明特征的其他更进一步的更改以及本发明的原理的其他应用将被视为在本发明的范围。
总体而言,本发明包括:光谱上和空间上分离的涵盖可见光谱的各部分的光源;用于选择性发送来自于光谱上和空间上分离的光源的局部图像组的组分色的空间光调制器;以及在整个观看区扫描组分色以形成全帧彩色图像的扫描或者卷动机构。这些部件中的每一个和相关的功能将会在下面详细讨论。
图1是与本发明一致的显示系统100的实施例的方框图。实施例中的显示系统100是一个前投影系统。在另一个实施例中,实施例100是背投影系统。在再一个实施例中,显示系统100可以直接作为可图像化显示器用于直接观看。显示系统100可以包括光谱上和空间上分离的光线103的光源102,光线103输入到空间光调制器(SLM)104来产生选择的空间色彩。SLM产生全帧彩色图像的局部图像105。SLM104被光学连接到扫描装置106,扫描装置106扫描或者扫过局部图像105的选择的空间色彩,以便在观看区115产生全帧彩色图像107。
显示系统100还可以包括投影光学部件110,投影光学部件110以光学形式连接到扫描装置106。投影光学部件110可以配置成接收和投影全帧彩色图像107到放大的全帧图像111的观看区115。投影光学部件110可以包括一个或者多个镜面、透镜或者其他光学部件用于聚焦图像。特定的投影光学部件配置和选择适于显示系统100的部件在本专业的技术人员的知识范围之内,因此这里不做进一步的详细阐述。观看区115可以是前照明或者后照明来产生或者投影的图像或者显示的图像。
扫描装置106可以配置成接收作为局部图像组105的分离成组分色的空间调制光线,并扫描接收到的光线从叠合的局部图像105组中产生全帧彩色图像107(见图5)。
根据本发明的一个实施例,光谱上和空间上分离的光线102的光源可以包括白色光源112,白色光源112被光学连接到分色器114,用于把平衡的白色光物理上分离成光谱上和空间上分离的光线。或者,光谱上和空间上分离的光线102可以包括多光谱光源113,如发光二极管、激光等等。白光源112可以配置成当分离成组分色时产生涵盖可见光谱的白光(用一个或者多个光源)以提供全饱和色域。总体而言,白光源是完全平衡的(光谱亮度一致)。白色光源112可以是任何一种白色光源,比如金属卤化物灯、氙灯、卤素灯、汞灯、等离子体灯、白炽灯和其他符合本发明实施例的白光源。分色器114可以由棱镜、棱镜组或者在根据本发明的实施例的光谱上和空间上分离过程期间无特定顺序或者基本上时间上分离颜色的任何其他分色器组成。本专业的技术人员熟知的分色器有:棱镜、分色镜、Rugate透镜、衍射透镜,这里只列举少数。
SLM104可以配置成接收光谱和空间上分离的光线103,并以局部图像105的形式产生空间调制光线。根据本发明的实施例,可以利用以下各种器件中的至少一种来配置SLM104:数字微反射镜器件(DMD)、光栅光阀(GLV)、散射光线器件(DLD)和硅上液晶(LCOS)(只列举少数,本专业的技术人员可以替换)。SLM104可以是具有显示元件阵列的图像形成元件,它位于SLM芯片表面,等价于根据本发明的全帧图像的分辨率。例如,SLM104可以包括具有数字微反射镜阵列的DMD,形成DMD表面,每个DMD对应于全帧图像上的像素位置。在一个实施例中,SLM104可以具有和最终全帧图像相同的像素数目。当然这不是必须的。根据本发明的一个实施例,可以把SLM104上的像素阵列尺寸调整成比显示的全帧图像的像素少。例如,如果全帧图像是800×600像素,则SLM104可以是96×600像素。这种选择允许三原色各有32像素并且可以扩大到最终图像的全高。另一个选择可能是48×300像素,可以允许每个原色16像素并在两个不同高度扫描SLM104两次产生全帧彩色图像107。通过把局部图像105组合成叠加方式,扫描装置106形成了所有的全帧图像。换句话说,扫描装置106在整个观看区115上扫描具有光谱和空间上分离的彩色的局部图像组105,并且随后叠加局部图像组105形成全帧彩色图像107。
SLM104的功能是通过调制局部图像组105的色斑或者像素产生发射到观看面的图像。在一个实施例中,调制过程是通过随时间接通或者断开色斑的脉冲调制形成的。接通或者断开产生的色斑是通过接通或者断开相应的SLM像素元件完成的。其他实施例可能通过幅度、相位、极化、衍射或者频率调制(例如通过滤光)来调制产生的色斑。
在一个实施例中,可以用绕轴旋转的多面镜206(见图2)来配置扫描装置106,以便从SLM104扫描空间调制的光线。术语”旋转”可以包含在一个方向上镜面的非一致性步进例如齿轮形式。或者分立步骤,如步进马达。多面镜206可以包括任何数量的小平面并且不限于图2中所示的8个(八面镜)。或者,也可以用(见图3)在一定角度范围内前后旋转的绕轴旋转的镜面,例如利用检流计镜面来配置扫描装置106。通过绕轴旋转的镜面,可以在整个观看区115上以两个相反的方向如左到右和右到左,上到下和下到上扫描或者如果是多轴则同时扫描局部图像。另外,扫描装置可以包括一个以上的扫描元件,以允许在水平和垂直方向同时扫描。
显示系统100还可以包括控制电子线路108,用以从一个或者多个3D或2D形式的一个或多个源接收视频或者图像信息流。控制电子线路108配置成同步控制SLM 104和扫描装置106产生彩色图像。控制电子线路108可以包括固定逻辑、可编程逻辑、微处理器、固件、软件或者其中的不同组合。控制电子线路108可以根据输入视频或者图像信息调制接收光线用于控制SLM104的单个显示元件(像素)。控制电子线路108可以与扫描装置106同步地控制SLM芯片的图像形成元件上的具有静态分割的彩色区域的SLM。在一个实施例中,控制电子线路108可以配置成接通或者断开SLM104上的逐个的显示元件来形成图像。因为可以利用多个SLM像素元件在整个观看区115扫描分离的彩色来覆盖最终图像的像素区,所以显示系统100有能力隐藏产生的错误,例如,由于丢失、迟滞或者诸如SLM上DMD上的缺陷镜面元件导致的失效像素。也可以通过控制电子线路108中的其他工作的SLM像素元件来补偿缺陷像素,从而为提高DMD的产率作好准备。因为本发明的实施例允许使用有缺陷的像素元件,所以某些一般情况下会被废弃的有缺陷的器件现在可以使用。这在DMD制造工艺里可以提高产率因此可以降低显示系统的成本。
另外,显示系统100色饱和度可以达到传统DMD或者其他配有典型白光源212的SLM系统及使用滤色轮的顺序色彩分离系统的200%以上。亮度的提高是由于颜色的产生不再是顺序产生而是在整个观察区115同时产生、调制和扫描。这样,在大多数的图像生成(除了图像边界)时至少三原色同时使用而不是像在色轮系统中那样以光源输出的大约1/3顺序地向观察者提供。也可以使用不同于原色彩色空间的系统,并仍然在本发明的范围内且对本专业的技术人员而言是不陌生的。
图2是根据本发明的投影仪200形式的显示系统100的一个实施例的方框图。投影仪200可以包括白光光源212、棱镜214、SLM104(如上所述)和多面镜206,所有的这些部件都沿光路216(虚线)配置。投影仪200可以进一步包括如上所述的投影光学透镜110。投影仪200可以进一步包括会聚光学部件218和/或者校准光学部件220以及的镜面反射镜、积分棒、透镜和用于沿光路216导向和整形光线的光学部件如IR,UV滤光器(未在图中显示)的其他光学部件的其他合适组合。
根据投影仪200,由白光源212产生白光。例如,氙提供了非常平衡的白光,因此为完整和饱和的色域作好准备。产生的白光可以由会聚光学部件218会聚进入棱镜214。白光产生之后,由棱镜214对其进行光谱和空间上分离。基于特定白光源212特性,光谱和空间上分离的光线103可以包括覆盖权重不同从红到紫可见光谱的组分色。光谱和空间上分离的光线103穿过棱镜后,一部分光束是红色,另一部分是蓝色和紫色。然后这种光谱和空间上分离的光线103照射和笼罩了SLM104的表面。例如,在某个方向上,SLM的左边部分或者段总是被红光笼罩,中间部分总是被绿光笼罩,右边部分或者段总是被蓝光笼罩。这样多种色彩形成了SLM104上的静态图案。当然,也可以用接近RGB组分色的紫色、桔黄和其他颜色的像素来构成光线的全光谱或者颜色的全色域。如果需要,可以对非主成分进行滤光或者将其消除来简化最终图像的产生。
在一个示例性的实施例中,SLM104包括反射式SLM,如微反射镜型芯片SLM。随着光谱和空间上分离的光线照射和笼罩反射式SLM的表面,来自SLM的光线(局部图像组105)被传递到包括大量小镜面的多面镜206。这些多面镜镜面是旋转的,这样导致每个彩色像素沿观察区115与多面镜相对于SLM的方向从上到下或者从一边到另一边移动。多面镜速度是可调的,这样全光谱色彩可以在每个帧的观看区的每个位置看到。对于一个具有每秒60帧的帧速率的实施例,多面镜206以具有60Hz的小镜面频率的方式旋转。如果镜面有10个小镜面,则镜面旋转频率可以是6Hz。多面镜206可以由线性或者步进马达驱动旋转。多面镜206可以进一步具有反射和传递全帧彩色图像107到投影光学部件110的功能,投影光学部件110又把放大的全帧图像111成像在整个观看区115上(在表面上或者在其中)。
在本发明的另一个范例实施例中,SLM104可以包括透射型配置,或者部分反射镜配置。光路的几何形状及必要的折叠(或者不折叠)和会聚光学部件可以与同2显示的不同,但是却在本专业的技术人员的知识范围内并将不再更多地讨论。
图3是投影仪300形式的显示系统100的可选实施例的示意图。这个实施例图解说明显示系统100的不同部件的可供选择的器件。光源102使用高压金属卤化物灯泡在椭圆反射镜306的第一焦点302处产生火球。发射光308被反射器306反射到达位于积分棒314的输入端的第二焦点304。后反射器312用于捕获来自于光源102的游离光线并把它们反射回椭圆反射器306进行进一步的导向进入积分棒314。
积分棒314用于协调光线并使它们在输出表面的亮度均匀。积分棒314也可以用于光整形,以配合SLM的纵横比来防止光线在SLM104边沿的溢出,这样可以使光亮度达到最大。在积分棒314的出口处是分色镜阵列,用于产生光谱和空间上分离的红(R)、绿(G)和蓝(B)图案。分色镜的使用可以允许特定的光频率通过滤光器而其他频率的光则被反射回来。反射回来的光310回到椭圆反射器306后又被反射返回积分棒314的入口。如果光线到达同波长的分色镜就会被允许通过。这样光线就被循环使用并且多数从光源102发射的光线被允许通过选色镜组316。利用成像光学部件318会聚光谱和空间上分离的光线103以便将所述光线成像在空间光调制器104上。
在一个可选实施例中,可以任选地省去选色镜组316而在SLM104上使用衍射光器件(DLD)。以DLD为基础的SLM104的每个像素元件本质上是一个可以基于空腔间距允许或者阻止对入射的彩色光线进行选择性滤光的Fabry-Perot干涉仪。
图3中以正视图形式示出示例性空间光调制器104,它是4X64像素3段调制器。可以选择不同的纵横比和像素维数。在这个例子里假设需要的全帧图像是800×600的彩色图像,最终图像上的每个像素具有横过像素位置扫过的每种颜色至少4个像素,以便掩盖缺陷。
旋转镜面320在两个正交方向扫过来自SLM104的光线。第一个轴322用于在第一方向的观看区115从左至右扫过或者扫描SLM 104的局部图像105。如扫描方向330所示局部图像105可以从观看区115由右至左被扫回。应当指出,扫描开始和结束都是光线落在观看区115的边界外面。通过使旋转镜面320在第一位置324和第二位置326之间移动产生的旋转332的某个角度扫描局部图像。在扫描任何一端的终点,旋转镜面可以旋转到大约第二轴,如轴324进行第二方向扫描局部图像105。或者,SLM104可以设计成包括在某个方向上的像素和最终图像的分辨率吻合,这样,在第一轴322的全帧彩色图像107只要一次扫描。
本发明可实现几个优点。第一,图像中产生的错误可以被隐藏,这样的错误是由于SLM像素元件缺失或失效,如DMD SLM系统中有缺陷的镜面元件引起的。第二,SLM和扫描装置可以提供更简单的控制电子线路,这是因为SLM像素有固定的颜色。第三,相对于传统的显示系统,色饱和度有显著提升。第四,与色轮系统比较,饱和光提升使得可以使用氙灯,后者每瓦输入有较小的输出但比起基于水银的光源具有较大的火球,因此提供了允许全饱和色域的平衡的白光。第五,与三芯片SLM(每个SLM使用一个单独的原色来提高效率)系统相比,显示系统的实施例的建立和运行费用不太昂贵,这样,系统可以在较低价格的投影仪上实现。第六,与基于LCD的SLM系统相比,饱和光线得到增加或者提升,因为不再需要对光线极化,同时也简化了光路。第七,不再需要昂贵的高速色轮和相应的昂贵的点光源。这些优点不意味着包括全部,本专业的技术人员会认识到其他的优点。
参考图4,本发明还包括在观看区115投影彩色图像的方法400。方法400可以包括:步骤402,同时产生光谱和空间上分离的光线103;步骤404,对光谱和空间上分离的光线进行空间调制以便获得局部图像组105中的选择的色彩;以及步骤406,沿着观看区115的预定的方向扫过(扫描)选择的色彩以便形成全帧彩色图像107。利用上述图1中的基本部件来执行这些方法步骤。
在示例性实施例中,对光谱和空间上分离的光线进行空间调制的步骤404不同于色轮系统中的基本上的时间分离光线的步骤。不同的颜色可以通过光路内不同的媒介在速度上有少许的不同这样可以轻微延迟不同颜色。然而这些效应对于观看者而言是注意不到的,且任何时间分离都是非完全和无意图的。换句话说,步骤404不是有目的地顺序处理(分离)光线的颜色成不同的时间间隔。
图5是观看区115上最终全帧图像和在方向510上扫描SLM104的时序的示意图。图示的有3×600像素的SLM104用于阐明扫描方向。最终图像以800×600示出。图像下面是一个图表,代表部分图像彩色平面的位置相对于观看区115像素位置的时序。在T=0时刻,扫描装置把SLM的局部图像定位在观看区以外。在T=1时刻,显示出来的是观看区115的第一列以相应于第一列最终图像蓝色部分的局部图像的蓝色部分。在T=2时刻,显示出来的是观看区115的第一列以相应于第一列最终图像绿色部分的局部图像的绿色部分。另外,显示出来的是第二列的蓝色部分以相应于第二列最终图像蓝色部分的局部图像的蓝色部分。在T=3时刻,扫描装置先于显示最终图像的第一、第二、第三列以及相应的包括相应于最终图像列的色彩调制数据的红绿蓝局部图像。直到T=800+3时刻,SLM局部图像持续被扫描并叠加在观看区115产生最终图像,RGB局部图像被断开。最终图像和新的扫描可以在最终图像的第一列(和多面镜一起)或者最终图像的最后一列(和旋转镜面一起)开始。由于对最终图像帧外面的SLM104的局部图像的扫描,所以尽管的局部图像利用光谱和空间上分离的光线103对SLM104进行照明,但这些部分会被调制掉。因此有效的设计可以把为了满足特殊目的需求的SLM104的宽度减到最低,例如使用每个颜色4像素来修正像素缺陷。SLM104阵列的最小尺寸将由它调制像素到最终全帧彩色图像的分辨力的所需的色彩深度的能力所限制。例如SLM104阵列的最小尺寸可能由镜面可以被有效接通和断开的频率所限制。
参照图6,本发明还包括制造投影仪的方法600。方法600包括提供配置成产生光谱和空间上分离的光线103、进入同步分离光线中的光源102的步骤602。步骤606提供空间光调制器(SLM)104,后者配置成接收所述同步分离的光线并且选择性以局部图像组105的形式发送所述选择的空间调制的颜色。步骤608提供扫描装置,后者配置成扫描所述选择的空间调制的颜色以便获得全帧彩色图像107。步骤610提供投影光学部件110,后者配置成把所述全帧彩色图像107投影到观看区115上。步骤612把光源102、SLM104、扫描装置106、投影光学部件110组合成具有单一光路的配置,以便获得投影仪或者显示装置。
应当理解的是,上面提到的配置是本发明原理的示意性的应用。虽然已经以附图和结合本发明的示例性实施例的要吃上的描述展示了本发明,但是在不偏离本发明精神和范围的情况下可以有大量的变化和备选方案。例如,可以利用到达将被扫描以便形成最终图像的SLM的多个光路来将诸如RGBRGBRGB的多波段的颜色成像。对于本专业的技术人员来说,显然,可以在不偏离如权利要求书中所述的本发明精神和概念的情况下对本发明进行大量的修改。
Claims (10)
1.一种显示系统(100),它包括:
至少一个光源(102),它配置成提供光谱和空间上分离的光线;
空间光调制器(104),它配置成接收所述光谱和空间上分离的光线并且调制和选择性地发送来自所述光源(102)的选择的空间颜色以便形成局部图像组;以及
至少一个扫描装置(106),它配置成接收所述局部图像组并且在整个观看区(115)扫描所述局部图像组以便产生全帧彩色图像。
2.如权利要求1所述的显示系统(100),其中还包括插入所述扫描装置(106)和所述观看区(115)之间的至少一个投影光学部件(110),其中,所述投影光学部件(110)配置成接收所述全帧彩色图像并且将其投影到观看区(115)上。
3.如权利要求1所述的显示系统(100),其中所述至少一个的光源(102)包括:
至少一个白光光源(112);和
至少一个分色器(114)。
4.如权利要求1所述的显示系统(100),其中所述至少一个光源(102)包括多个光源(113),每个光源配置成同步地把不同的彩色光线发送到所述空间光调制器(104)。
5.如权利要求1所述的显示系统(100),其中所述至少一个扫描装置(106)包括旋转镜面。
6.如权利要求1所述的显示系统(100),其中还包括与所述空间光调制器(104)和所述扫描装置(106)通信的控制电子线路(108),所述控制电子线路(108)配置成接收视频或图像信息并且同步地控制所述空间光调制器和所述扫描装置(106)以便产生所述全帧彩色图像。
7.如权利要求1所述的显示系统(100),其中所述空间光调制器(104)包括图像形成元件,所述图像形成元件具有比所述全帧彩色图像的分辨力小的显示元件阵列。
8.如权利要求1所述的显示系统(100),其中所述扫描装置(106)以多个方向扫描。
9.如权利要求1所述的显示系统(100),其中所述至少一个光源(102)包括选色镜阵列。
10.一种制造显示系统(100)的方法,所述方法包括:
提供至少一个光源(102),后者配置成产生和发送光谱和空间上分离的光线;
提供空间光调制器(104),后者配置成从所述光源(102)接收所述光谱和空间上分离的光线并且选择性地发送选择的空间颜色以便形成局部图像组;
提供至少一个扫描装置(106),后者配置成接收和扫描所述局部图像组以便获得全帧彩色图像;
提供投影光学部件(110),后者配置成将所述全帧彩色图像投影到观看区(115);以及
将所述光源(102)、所述空间光调制器(104)、所述扫描光学部件(106)和所述投影光学部件(110)组装成一种配置,以便获得显示系统。
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