CN1707305A - 图形显示装置 - Google Patents

Abstract

一种图形显示装置包括光源、用于聚集来自光源的光线的聚光镜、分色滤色片、穿过分色滤色片的光线所入射的光通道、中继镜系统、穿过中继镜系统的光所入射的第一镜面、从第一镜面反射的光线所入射的第二镜面、包括独立倾斜的微镜阵列以改变反射光的出射角度从而实现在开启状态和关闭状态之间切换的光学反射装置，其中在开启状态光沿第一方向传播，在关闭状态光沿第二方向传播，和沿第一方向传播的光入射其上并将入射光放大投射到屏幕上的投射透镜。

Description

图形显示装置

技术领域

本发明涉及一种采用二维矩阵微镜的图形显示装置，该微镜分别安装在各微小铰链上，使得相关的微镜倾斜以改变其上反射光的出射角度，从而通过投射透镜在投射表面上产生亮或暗的象素。

背景技术

常规的采用以二维矩阵形式排列的微镜阵列的图形显示装置在现有技术中是众所周知的，其中各微镜分别安装在微小铰链上，各铰链使相关的微镜倾斜使得其上的入射光反射向(开)投射透镜或远离(关)投射透镜，以通过投射透镜在投射表面(屏幕)上产生亮或暗的象素。图4示出了该常规图形显示装置的实施例。

如图4所示的图形显示装置，在通过聚光镜(未示出)反射后，从光源(未示出)发射的光穿过分色滤色片分为基色，并随后进入光通道(未示出)。从光通道发出的光穿过一中继镜系统101入射到一全反射棱镜102上。经全反射棱镜102反射的光通过防护玻璃103入射到光学反射装置104上。光学反射装置104包括一系列以二维矩阵形式排列并由铰链固定的微镜104a。各微镜104a通过相关的微小铰链驱动而独立倾斜以分别改变其上反射光的出射角度。各微镜104a可以在使反射光直接朝向投射透镜105传播的开启状态和通过改变反射光的出射角度使反射光以不同的方向传播的关闭状态之间切换。通过以该方式切换微镜的开启和关闭状态，可以通过投射透镜105在投射表面上投射期望的图像。这种图形显示装置在公开号为H08-146911的日本专利中有所公开。

然而，由于中继镜系统101必须具有大量的透镜元件，故上述采用全反射棱镜102的常规型图形显示装置在尺寸上不够紧凑，并且因为全发射棱镜价格昂贵使得图形显示装置的制造成本通常很高。而且，因为图形显示装置的光学路径由包括许多透镜元件的中继镜系统101和全反射棱镜102组成，通过中继镜系统101和全反射棱镜102的大量光学表面造成的光损失很大，从而降低了用于照射所述微镜阵列104a的发光效率。

发明内容

本发明提供了一种成本低且结构紧凑的图形显示装置，该装置具有提高用于照射微镜阵列的发光效率的结构。

根据本发明的一方面，所提供的图形显示装置包括用于发射白光的光源、用于将来自光源的白光聚集为虚拟第二光源的聚光镜、用于将来自聚光镜的白光周期性的生成三种基色的分色滤色片、穿过分色滤色片的光入射到其上的光通道、从光通道发出的光所穿过的中继镜系统、穿过中继镜系统的光所入射到的第一镜面、入射到第一镜面并反射的光所入射的第二镜面、包括在基板上以二维矩阵形式排列的微镜阵列的光学反射装置，入射到第二镜面上并被反射的光入射到所述微镜阵列上，其中各微镜独立的倾斜以改变反射光的出射角度从而实现在开启状态和关闭状态之间切换，其中在开启状态通过各微镜反射的光沿第一方向传播，在关闭状态通过各微镜反射的光沿不同于第一方向的第二方向传播；以及沿第一方向传播的光入射其上以通过其将该入射光放大并投射到屏幕上的投影透镜。

优选的，在第二镜面内部的有效孔径形成图案(cut-out)部分以避免由所述微镜阵列反射的部分光在到达投射透镜之前被第二镜面拦截。

优选的，在第一镜面内部的有效孔径形成图案部分以避免由所述第一镜面反射的光直接入射到投射透镜上。

优选的，来自所述微镜阵列的反射光的主光线在偏离第一镜面和第二镜面的方向朝向投射透镜的光轴倾斜。

优选的，各微镜外形设置为长方形并围绕沿所述基板的横向方向延伸的旋转轴旋转以在开启状态和关闭状态之间切换。

优选的，各微镜外形设置为长方形并围绕所述基板的纵向方向延伸的旋转轴旋转以在开启状态和关闭状态之间切换。

优选的，各微镜外形设置为正方形并围绕各微镜的正方形反射表面对角线方向延伸的旋转轴旋转。

优选的，第一镜面的反射表面为平面，且第二镜面的反射表面为球面。

优选的，第一镜面的反射表面为圆柱形，且第二镜面的反射表面为球面。

优选的，第一镜面的反射表面为平面，且第二镜面的反射表面为非球面。

优选的，第一镜面的反射表和第二镜面的反射表面均为球面。

优选的，分色滤色片包括具有红滤色片、绿滤色片、蓝滤色片的旋转分色滤色片，所述三种滤色片围绕该旋转分色滤色片的旋转轴以等角度间隔排列。

在一实施例中，所提供的图形显示装置包括光源、光通道、用于在光通道入射端聚集来自光源发射的入射光的聚光光学元件、设置在聚光光学元件和光通道入射端用于周期性产生三种基色的旋转分色滤色片、从光通道出口端出现的光所穿过的中继镜系统、穿过中继镜系统的光所入射的第一镜面、入射到第一镜面并从而反射的光所入射的第二镜面、包括在基板上以二维矩阵形式排列的微镜阵列的光学反射装置，入射到第二镜面上进而被反射的光入射到该微镜阵列上，其中各微镜独立的倾斜以改变反射光的出射角度从而实现在开启状态和关闭状态之间切换，其中在开启状态通过各微镜反射的光沿第一方向传播，在关闭状态通过各微镜反射的光沿不同于第一方向的第二方向传播，和沿第一方向传播的光所入射的投射透镜，通过该投射透镜将该光线放大投射到屏幕上。

按照本发明，因为通过两个镜面收集由中继镜系统发射到光学反射装置上的光可以减少中继镜系统的光学元件数量，所以在提高用于照射微镜阵列的发光效率的同时还可以使图形显示装置更加微型化。而且，因为该图形显示装置中没有采用全反射元件，故可以减少图形显示装置的制造成本。

附图说明

下面将参考附图详细的对本发明进行描述，其中，

图1所示为按照本发明的图形显示装置实施例的基本结构示意图；

图2为图1所示的分色滤色片的平面结构示意图；

图3A所示为部分图形显示装置的比较示例示意图，其示出了从光学反射装置中反射的光穿过防护玻璃的传播方向的示意图；

图3B为图1所示的部分图形显示装置的示意图，其示出了从光学反射装置反射的光穿过防护玻璃的传播方向的示意图；

图4所示为采用全反射透镜的部分常规图形显示装置的示意图。

具体实施方式

如图1所示为一图形显示装置的实施例，该装置包括光源10、椭圆聚光镜(聚光光学元件)12、旋转分色滤色片13、光通道14、中继镜系统16、第一镜面18、第二镜面20、防护玻璃21、光学反射装置22和投射透镜24。

光源10为可以是诸如卤素灯、氙灯、金属卤化物灯或超高压水银灯的白灯。

聚光镜12围绕在光源10的周围。具体的说，聚光镜12成形为其出射开口12a开向光通道14。聚光镜12反射来自光源10的辐射光以形成虚拟的第二光源，该光源穿过出射口12a朝向光通道14发射，同时在光通道14的入射端14a聚集该光线。

旋转分色滤色片13位于光通道14的入射端14a的后面以周期性的将入射光分为三种基色(红光、绿光和蓝光)。图2所示为实施例中旋转分色滤色片的结构。如图2所示，分色滤色片13形成在红色滤色片13b、绿色滤色片13c、蓝色滤色片13d围绕分色滤色片13中心旋转轴13a以相等的角度排列的圆盘内。向旋转分色滤色片13的固定点施加来自聚光镜12的光线，同时以恒定的旋转速度旋转该旋转分色滤色片13使得红光、绿光、蓝光依次以对应于红色滤色片13b、绿色滤色片13c和蓝色滤色片13d的时间间隔顺次从旋转分色滤色片13产生并入射到光通道14的入射端14a。

光通道14形成为矩形的平行管，并且使得通过其内表面对入射到光通道14的入射端14a的入射光进行多次全反射操作以在光通道14的出射端14b出现均匀光。通过三个透镜元件16a、16b和16c的中继镜系统16将出现在光通道14的出射端14b的光束以预定的放大倍数放大投射向第一镜面18。

第一镜面18具有向第二镜面20反射来自中继镜系统16的入射光的平面反射表面。第二镜面20具有一向光学反射装置22反射来自第一镜面18的入射光的凹球形反射表面。因此入射到第二镜面20的光得到反射并集中在光学反射装置22上，具体的说，反射并集中在分别独立安装于可驱动微小铰链(未示出)的二维微镜阵列上，该微小铰链安装在光学反射装置22的平面基板22a上。去除第二二镜面20内部有效孔径的图案部分(图1所示的虚线)以避免来自光学反射装置22的微镜阵列的部分反射光在到达投射透镜24之前被第二镜面20中途拦截。这使得通过投射透镜24投射到屏幕或投射表面(未示出)的光均匀分布。在所有出现在中继镜系统16的光中，可以通过如图1所示的在投射透镜24的光轴24a的相对侧上定位中继镜系统16和两个反射镜面(第一和第二镜面18和20)的排列方式将通过投射透镜24没有投射到屏幕上的光量降到最低。而且，可以通过缩短经由中继镜系统16、第一镜面18和第二镜面20用于在光学反射装置22上的光通道14的出射端14b聚焦图像的发光光学系统的长度，从而使缩小图形显示装置的尺寸成为可能。

光学反射装置22是一种采用安装于上述基板22a的微小铰链(未示出)上的二维微镜阵列来数字化的操纵光的光学半导体。通过相关独立的微小铰链驱动各微镜倾斜使得来自微镜的反射光可以沿朝向投射透镜24(开启)的方向传播或以不同的方向(关闭)传播。通过驱动相关的微小铰链(未示出)产生来自光学反射装置22的各微镜反射光的出射角度的变化使得在各微镜在平面结构中垂直的情况下，微镜在位于微镜反射表面上的旋转轴周围旋转以沿光学反射装置22的基板22a的纵向或者横向延伸。如果各微镜是平面结构的正方形，则可以驱动微镜围绕沿位于微镜反射表面上的旋转轴旋转以沿微镜的正方形反射表面的对角方向延伸。

例如，由德州仪器制造的数字微镜装置(DMD)可以用作光学反射装置22。如果采用这种数字微镜装置，各微镜可以在两个不同的角度间转换：相对于参考水平面的+12度角和-12度角。因此，来自各微镜反射光的出射角度可以在两个不同角度之间转换。当通过第二镜面20反射并集中的光经由位于光学反射装置22的反射表面正前方的防护玻璃21入射到光学反射装置22上时，通过处于开启状态(上述的+12度角)的光学反射装置22的各微镜反射的光射向投射透镜24，同时通过处于关闭状态(上述的-12度角)的光学反射装置22的各微镜反射的光不会射向投射透镜24而是以不同的方向行进。因此，通过处于开启状态的光学反射装置22的微镜阵列反射的光由投射透镜24放大以投射在屏幕上，而由处于关闭状态的光学反射装置22的微镜阵列反射的光不会投射在屏幕上，并且，通过控制光学反射装置22的微镜阵列各自的操作使得各微镜根据输入光学反射装置22的比特流图像代码在开启和关闭之间转换从而可以在屏幕上投射出期望的图像。

不但通过光学反射装置22的各微镜而且还通过防护玻璃21的前后表面及光学反射装置22的基板表面反射来自第二镜面20的反射光，并且光学反射装置22的微镜阵列结构可以产生散射光。该反射光或散射光会造成投射到屏幕上光的相对减少。图3A以图解的形式显示了具有该相对减少问题的情况。在图3A中，显示了与图1所示的图形显示装置的当前实施例对应部分相比较的图形显示装置的对比示例，当照射光30(具有主光线30a)通过防护玻璃21以汇聚于处于开启状态的中心微镜23时，来自位于光学反射装置22的基板22a中心的微镜的反射光31的主光线31a沿光学反射装置22的基板22a的法线22b方向朝向投射透镜24传播。同时，来自防护玻璃21的前后表面和基板22a的表面的部分反射光32(具有主光线32a)也入射到投射透镜24上。

相反，在图1所示的图形显示装置的当前实施例中，为了最小化这种由于来自防护玻璃21的前后表面及基板22a表面反射光32产生的相对减少，如图3B所示，来自处于开启状态的中心微镜23的反射光31的主光线31a沿偏离第一镜面18和第二镜面20的方向相对于法线22b倾斜θ角，通过向光学反射装置22施加具有如图3B所示的沿偏离光学反射装置22法线22b的方向倾斜(相对于图3A所示的主光线30a)的主光线30a的照射光30获得主光线31a相对于法线22b的倾斜角度。图3B所示的结构使来自中心微镜23的反射光31的主光线31a沿偏离法线22b的方向传播，并且因此，可以实现入射到投射透镜24上不必要的反射光32数量的最小化。

在图3A和3B中，出于简化附图的目的，照射光30的会聚点和反射光31发散的发散点及反射光32发散的发散点均位于防护玻璃21的前表面(如图3A和3B所示的上表面)上的同一点。

来自光学反射装置22的反射光入射在投射透镜24上，并通过投射透镜24以预定的放大倍数放大投射到屏幕上。通过光学反射装置22的微镜阵列反射的光线以一一对应的关系与屏幕上形成图像的像素相对应。通过在开启状态和关闭状态之间转换光学反射装置22的各微镜，同时旋转该旋转分色滤色片13以周期性的将入射光分离为三种基色，可以通过投射透镜24在屏幕上投射期望的图像。

下面将讨论该图形显示装置的变型实施例。

尽管在上述的图形显示装置的实施例中已经去除了部分第二镜面20的内部有效孔径，为了通过第二镜面20或光学反射装置22均无反射发生，优选的，还进一步去除部分第一镜面20的内部有效孔径以消除第一镜面18反射并直接入射到投射透镜24的光线。

具有弧形截面凹面柱形反射表面的反射镜面可以用作第一镜面18。在这种情况下，该反射镜面可以定位为反射镜面的柱形反射表面的轴向与各光学反射装置的微镜的旋转轴正交，并且使得该反射镜面围绕在朝向该光学反射装置22所在的平面倾斜的微镜阵列的旋转轴周围以反射来自中继镜系统16的光线。优选的，第一镜面18的反射表面形成为截面为弧形的凹面柱形反射表面以改善该光学反射装置22上的第二镜面20的聚光性能。

具有凹球面反射表面的第二镜面20可以替换为具有凹形非球面反射表面的镜面。如果该具有凹形非球面反射表面的镜面用作第二镜面20来通过凹形非球面反射表面反射来自第一镜面18的反射光，通过第二镜面20该光学反射装置22上的第一镜面18的聚光性能则可以得到改善。

具有平面反射表面的第一镜面18可以替换为具有球形反射表面的镜面。如果第一镜面18的反射镜面为球形，则可以改善光学反射装置22上的第二镜面20的聚光性能。

光通道14可以替换为复眼集成透镜或者杆状透镜。如果光通道14替换为复眼集成透镜或者杆状透镜，由聚光镜面12发射的光可以均匀地传输到中继镜系统16。

这里可以对本发明的具体实施例进行显而易见的改变，所做修改包含在本发明权利要求的精神和范围内，应该指出，实施例中所包含的内容是说明性的，并非用于限定本发明的范围。

Claims (13)

1、一种图形显示装置，包括：

用于发射白光的光源；

聚光镜，用于将来自所述光源的白光聚集为虚拟第二光源；

分色滤色片，用于将来自所述聚光镜的白光周期性的生成三种基色；

光通道，穿过所述分色滤色片的光线入射到其上；

中继镜系统，从所述光通道发出的光穿过该系统；

第一镜面，穿过所述中继镜系统的光入射到其上；

第二镜面，入射到所述第一镜面并反射的光入射到其上；

光学反射装置，包括在基板上以二维矩阵形式排列的微镜阵列，所述入射到第二镜面上并被反射的光入射到该微镜阵列上，其中各微镜独立的倾斜以改变反射光的出射角度从而实现在开启状态和关闭状态之间切换，其中在开启状态通过各微镜反射的光沿第一方向传播，在关闭状态通过各微镜反射的光以不同于第一方向的第二方向传播；和

投射透镜，所述沿第一方向传播的光入射于其上，并通过该投射透镜将该光线放大投射到屏幕上。

2、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，在所述第二镜面内部的有效孔径形成图案部分以避免由所述微镜阵列反射的部分光在到达所述投射透镜之前被所述第二镜面拦截。

3、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，在所述第一镜面内部的有效孔径形成图案部分以避免由所述第一透镜反射的光直接入射到所述投射透镜上。

4、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，来自所述微镜阵列的反射光的主光线沿偏离所述第一镜面和第二镜面的方向朝向所述投射透镜的光轴倾斜。

5、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，所述各微镜外形设置为长方形并围绕沿所述基板横向方向延伸的旋转轴旋转以在开启状态和关闭状态之间切换。

6、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，所述各微镜外形设置为长方形并围绕沿所述基板的纵向方向延伸的旋转轴旋转以在开启状态和关闭状态之间切换。

7、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，所述各微镜外形设置为正方形并围绕沿所述各微镜的正方形反射表面的对角线方向延伸的旋转轴旋转。

8、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，所述第一镜面的反射表面为平面，且所述第二镜面的反射表面为球面。

9、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，所述第一镜面的反射表面为圆柱形，且第二镜面的反射表面为球面。

10、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，所述第一镜面的反射表面为平面，且第二镜面的反射表面为非球面。

11、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，所述第一镜面的反射表面和第二镜面的反射表面均为球面。

12、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，所述分色滤色片包括具有红滤色片、绿滤色片、蓝滤色片的旋转分色滤色片，所述三种滤色片围绕该旋转分色滤色片的旋转轴以等角度间隔排列。

13、一种图形显示装置，包括：

光源；

光通道；

聚光光学元件，用于在所述光通道的入射端聚集由所述光源发射的光；

旋转分色滤色片，设置在所述聚光光学元件和光通道入射端之间，用于周期性产生三种基色；

中继镜系统，来自所述光通道出口端的光穿过该系统；

第一镜面，穿过所述中继镜系统的光入射到其上；

第二镜面，入射到所述第一镜面并反射的光入射到其上；

光学反射装置，包括在基板上以二维矩阵形式排列的微镜阵列，入射到所述第二镜面上并被反射的光入射到所述微镜阵列上，其中各微镜独立的倾斜以改变反射光的出射角度，从而实现在开启状态和关闭状态之间切换，其中在开启状态通过各微镜反射的光沿第一方向传播，在关闭状态通过各微镜反射的光沿不同于第一方向的第二方向传播；和

投射透镜，所述沿第一方向传播的光入射于其上，并通过该投射透镜将该光线放大投射到屏幕上。

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