CN1914905A - 具有光再利用的投影显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合再利用光的光阀系统，包括光阀，该光阀光学地耦合到投影透镜。该示例性的系统还包括光再利用装置，其将由该光阀反射的光的至少一部分沿着该系统的光路反射回去，并且到达成像表面，提高图像的亮度。

Description

具有光再利用的投影显示装置

技术领域

光阀投影系统投影显示器可以用于投影电视机、计算机监视器、销售显示器点和电子相机，这里只提到了少数几种应用。

一种类型的光阀投影系统包括数字微镜装置(digital micro-mirror device，DMD)作为光阀，而不是液晶(LC)光阀。数字微镜装置(DMD)是已知装置，其基于微镜阵列。每个象元(象素)由能够围绕一个轴旋转的单一反射镜组成。在工作中，将每个反射镜旋转到第一位置或第二位置。在第一位置，入射到该反射镜上的光从该反射镜反射到投影透镜，并且到成像表面(屏幕)。在第二位置，入射光被该反射镜反射，并且没有被耦合到投影透镜。因此，在第一位置，亮态象素在成像表面形成，而在第二位置，暗态象素在成像表面形成。通过子字段寻址取得灰度等级。在单面板数字微镜装置投影机上，通过颜色序列技术获得颜色。根据这些基本原理，图像可以在成像表面形成。

正如可理解的，诸如那些在先参考的光阀投影系统在透射光到成像表面方面效率相当低。例如，在特殊画面或图像中的每个暗态像素是由对光到达成像表面的阻止产生的。对于已知系统中的回光光路没有该暗态的光。正如可以容易理解的，这引起在成像表面低效率的光损失。这种已知系统的低效率对显示的图像可以具有有害的影响。例如，光能的损失可能导致亮度的降低。

因此所需要的是针对至少上述已知系统的缺点的方法和装置。

依据范例实施例，适合再利用光的颜色序列投影系统包括非液晶光阀，其光学地耦合到投影透镜。该示例性的系统还包括光再利用装置，其将被该光阀反射的光的至少一部分沿着该系统的光路反射回去，并且到达成像表面，提高图像的亮度。

根据本发明的另一范例实施例，在非液晶光阀系统中再利用光的方法包括选择性地将从光阀接收的光的一部分沿着该系统的光路反射回去。该方法还包括透射该反射光的至少一部分到成像表面，增加图像的亮度。

从下面详细的描述中同时结合阅读附图，能够很好地理解本发明。要强调的是各个特征不一定是按比例绘制。实际上，为了讨论清楚起见，尺寸可以任意地增加或减小。

图1是依据一个范例实施例的投影系统的示意图。

图2a和2b分别是依据范例实施例的数字微镜装置光阀的顶视图和横截面图。

图3是依据范例实施例的光阀投影系统的示意图。

图4是依据范例实施例的用于将光耦合到投影透镜的光学透镜系统的透视图。

在下面详细的描述中，为了解释和非限制性的目的，提出了公开特定细节的多个范例实施例，为的是提供对本发明彻底的理解。然而，对于在具有本公开益处领域的普通技术人员来说，可以用背离在此公开的特定细节的其它实施例来实施本发明是显而易见的。然而，可以省略公知装置、方法和材料的描述，为的是不混淆本发明的描述。在任何可能的情况下，相似的数字始终指的是相似的特征。

简要地，依据范例实施例，非液晶(非-LC)光阀颜色序列投影系统包括用于再利用光以改进在观察表面(投影屏)的图像的整体亮度的方法和装置。作为例证，范例实施例的投影系统包括光学结构，其再利用最初没有被透射到投影光学系统的光(例如，暗态的光)。被反射回该系统的其它光可以类似地被该光学结构再利用。这种再利用允许最初被阻止到达该投影屏的光到达该投影屏，并由此提高该图像的整体亮度水平。

图1表示根据范例实施例的颜色序列投影系统100。系统100包括反射元件101，其示例性地表示为对于一个本领域普通技术人员来说为已知的椭圆体反射器。光源(未示出)，诸如高强度气体放电灯，如超高压(UHP)气体放电灯，其在本领域是公知的。光102从反射器101反射并入射到波导103的孔径104上。该波导103有效地为光均化器和积分器。即，该波导103的输出实质上是均匀的。该波导103实质上展示了全内反射(TIR)。作为例证，该波导103可以是圆柱装置或带有矩形或正方形横截面的多边形装置。在由Kato申请的美国专利出版物第2003/0086066A1号中可以找到这种波导的例子，通过引用在此特别包括该专利的公开内容。

孔径104作为光102到波导的入口，并作为光沿着在返回光传播方向返回的出口孔(也就是，光向着反射元件101传播)。然而，孔径104有效地防止入射到其上的光沿着返回光路传播。应该注意的是，随着本描述的继续，该返回光的细节将变得更加清楚。

该导向光105沿着该波导被透射，并被由此发射到色轮106上，该色轮106提供对系统100的顺序颜色照明。该色轮106有效地顺序透射红、蓝和绿光。在系统100中可使用的色轮的例子可以在由De Vaan等人申请的国际专利申请(WIPO)WO02/096122A1中发现。通过引用在此特别包括该专利的公开内容。应该注意到的是，可以使用其他的颜色序列滤波器代替该色轮。例如，可以使用在由Sharp等人申请的并转让给ColorLink公司的美国专利6,273,571中介绍的类型的彩色光闸或滤色镜。通过引用在此特别包括该专利的公开内容。另外，可以以这种方式使用由ColorLink公司制造的其他彩色光闸或滤色镜。

然后光112从该色轮106中射出，并入射到光学元件107、108上，所述光学元件有用地将有效透射的光聚焦到成像表面(屏幕)116上。在穿过该透镜元件107、108之后，光112从反射器109反射，作为例证，该反射器是一个反射镜。正如随着本描述的继续将会变得更加清楚的，该反射镜相对于光阀110确定方位以便光112入射到与数字微镜装置的微镜的旋转轴正交的平面上。当然，反射镜109的该选择性位置和取向对该系统100的其它元件(透镜元件107，108；色轮106；波导；和反射元件101)的位置和取向产生影响。由于该影响易于被具有普通技术的技工所理解，所以这些细节被省略从而不混淆这些范例

实施例的描述。

从该反射镜反射的光112入射到光阀110的表面上，作为例证该光阀为数字微镜装置。应当注意，可以使用不基于液晶技术的其它类型的光阀。如图1中所示，并且如在此更加充分地描述的，光112以相对于该数字微镜装置110的表面的法线117成角度θ入射。换句话说，光112处于以相对于该数字微镜装置110表面的平面法线成角度θ的入射平面中。而且，光112与该数字微镜装置111的象素轴正交地入射。

正如在此更加充分地所描述的，选择性地确定该数字微镜装置的象素方位以使得来自该数字微镜装置的亮态象素的光被反射为光114。然后该亮态光114入射到投影透镜111以透射到该成像表面116。

对比性地，依据一个范例实施例，确定该数字微镜装置的暗态象素的方位，以使得由此反射的光沿着该系统的光路返回并且朝向波导103。该暗态光113被有效地再利用并被投影到成像表面116，由此改进图像的整体亮度。

在进行范例实施例的光113的再利用之前，有效地描述该投影透镜111相对于该数字微镜装置110的布置。为了避免倾斜成像表面，如果倾斜数字微镜装置以适应反射沿着返回光路的暗态光可能需要该成像表面的倾斜，相对于该数字微镜装置偏移该投影透镜111。如果将该投影器定位在表面上，那么投影透镜111的偏移会经常受到影响，引起部分图像被该平面截取或以比该表面的水平面低的水平面被投影。因此，投影透镜的垂直位置高于该数字微镜装置芯片的垂直位置。与结合图1描述的范例实施例一致，对应于该偏移的角度处于从接近于10°到接近于15°的数量级。最后，应该注意到该数字微镜装置110和成像表面116有效地处于平行平面。

与光学互易原理一致，从数字微镜装置的暗态象素反射的光113穿过光路返回。也就是说，光113从反射镜109反射并穿过透镜元件108和107。然后光113穿过该色轮并被波导103引导，其中它从后表面118反射，该后表面可以包括用于改善反射的反射涂层。如上所述，该孔径104具有相对小的面积，由此穿过该孔径透射该反射光相对小的部分。应该注意的是，该光还可以由反射元件101反射，并由此以与由后表面118反射的光113相同的方式被再利用。

然后从表面118反射的光115穿过该系统100，穿过色轮、透镜元件107、108；并且被反射镜109反射并到达该数字微镜装置110上。依照图1的范例实施例，光115的有效部分(显示为光119)入射到投影透镜111上。为此，如果该数字微镜装置110的所有微镜处于‘亮态’方位(结合图2a和2b的范例实施例得到更加充分地描述)，那么光115实质上被反射并作为光119被入射到投影透镜。正如可理解的，该再利用光对于改善在成像表面的亮度是有利的。

图2a表示依照范例实施例的数字微镜装置200(或其中的一部分)。图2b是沿着线2b-2b的该数字微镜装置的横截面图。该数字微镜装置200可以用作为图1范例实施例的光阀/数字微镜装置110。该数字微镜装置200包括多个反射元件201，每个反射元件围绕各自的轴202旋转。这些反射元件201可以是反射镜或其它反射元件。每个特定元件201的旋转驱动和旋转选择受到控制元件(未示出)的影响。由于数字微镜装置对于一个本领域普通技术人员来说是已知的，所以省略了某些已知细节以不混淆该范例实施例的描述。

光203入射到每个元件201上。该光203可以是上面描述的光112或115。有效地，该光203入射到与轴202的平面正交的平面中。也就是说，不考虑入射角θ，光203总是正交于轴202(即，光203处于x-y平面中，其中轴202沿着图2b所示的坐标系统的z轴)。这在用于再利用的返回光路中促进来自数字微镜装置的光的反射，同时促进光到该系统投影透镜的反射。为了说明的目的，应该注意到数字微镜装置的反射元件201的轴202将正交于光112的入射平面，由此通过波导103促进其反射作为再利用的光113。

在工作中，反射元件201围绕它们各自的轴202旋转，确定元件201’的方位以便将入射光203反射朝向投影透镜，并且确定元件201”的方位以便将入射光203以180°反射或直接从它的入射方向返回。与上面的描述保持一致，元件201’形成亮态象素，并且元件201”形成暗态象素。当然，通过根据需要从通态到断态改变元件201的方位，连续地形成图像。因此，元件201的方位是双极的(针对暗态和亮态)，并且每个可以快速地被改变以形成亮的和暗的象素图像。对于这些元件的方位的角度处于接近于±10°的数量级，或在亮态元件(201’)和暗态元件(202’)之间倾斜接近于20°。最后，应该注意到，如果所有的象素处于亮态方位，那么光203被完全透射到该系统的投影光学器件。这在再利用诸如光115/119的光中是有利的。

依据范例实施例，由于反射光的再利用，整个图像亮度的改进是显著的。也就是说，如果a表示平均显示负荷(相对于100％)，b表示光阀投影系统的光再利用效率，在再利用中光被数字微镜装置重新定向回到光路(例如，上述范例实施例中的光112)，该亮度将被提高G倍，其中G由下式给定：

G＝[1-(b(1-a))]^-1         (1)

在该范例实施例中，波导(例如，波导103)可以具有接近于60％(b＝0.6)的再利用效率，并且对于视频，显示负荷接近于20％(a＝0.2)。因此，依据范例实施例，增益系数G可以是处于接近于1.9的数量级，或几乎是该亮度的双倍。

在从反射光阀射出时没有经受极化转换的光再次在界面113反射为反射光118。因为这个光没有最终入射到成像表面，所以它引起图像的暗象素。

图3表示依据范例实施例的颜色序列光阀投影系统300。系统300实质上与图1范例实施例的系统相同，同样地，为了简短和清楚起见，省略了重复的描述。这两个范例实施例之间的显著区别在于数字微镜装置110和投影透镜111的方位。至于前者，以角度()301确定该数字微镜装置方位，该角度是由元件201的偏转角和该数字微镜装置轴的方位决定的。至于后者，投影透镜111没有相对于该数字微镜装置偏移。

与图3的范例实施例保持一致，该数字微镜装置110相对于该系统其它元件的方位促使来自该数字微镜装置110的暗态象素的光113经由光路反射到波导103。此外，该波导103将该光反射并将其导向回反射镜109和导向到该数字微镜装置110，其中它可以被反射为光119。由此可以产生有利的光再利用。

图4表示用于所描述范例实施例的投影系统中的光学系统400的实施例。虽然该系统400表示如图3倾斜的数字微镜装置110，但是应该注意到，元件的正确选择将允许该系统400在图1的实施例中使用。该光学系统400包括棱镜元件401、402和403。使用棱镜401-403和全内反射的原理来分离入射光束和输出光束。为此，来自投影系统300的入射光404被棱镜401反射。然后该光入射到数字微镜装置110上，并且被反射为暗态光406或亮态光407，这依赖于数字微镜装置110元件的方位。然后通过该系统300将暗态光再利用为光405。

该范例实施例已经通过结合示范性范例实施例的讨论得到了详细的介绍，很清楚，对于一个在具有本公开益处的领域中的普通技术人员来说，本发明的修改是显而易见的。这些修改和变化包括在所附的权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种适合再利用光的颜色序列投影系统，包含：

非液晶(LC)光阀，光学地耦合到投影透镜；

光再利用装置，将被该光阀反射的光的至少一部分沿着该系统的光路反射回去，并且到达成像表面，提高图像的亮度。

2.如权利要求1所述的投影系统，其中该光阀是数字微镜装置(DMD)。

3.如权利要求2所述的投影系统，其中该数字微镜装置包括多个反射元件，每个反射元件具有各自的轴，每个反射元件围绕该轴旋转，并且确定该数字微镜装置的方位使得从该系统入射的光处于与该轴的平面垂直的平面中。

4.如权利要求1所述的投影系统，其中该光再利用装置包括波导。

5.如权利要求4所述的投影系统，其中该波导具有反射表面和在其一末端上的孔径。

6.如权利要求1所述的投影系统，进一步包含布置在该波导和投影透镜之间的色轮。

7.如权利要求1所述的投影系统，进一步包含至少一个棱镜，该棱镜将来自该数字微镜装置的光反射回该系统。

8.如权利要求2所述的投影系统，其中投影透镜相对于该数字微镜装置偏移。

9.如权利要求2所述的投影系统，该数字微镜装置相对于投影透镜倾斜。

10.一种在颜色序列投影系统中再利用光的方法，该方法包含：

选择性地将从非液晶光阀接收的光的一部分沿着该系统的光路反射回去；并且将该反射光的至少一部分透射到成像表面，增加图像的亮度。

11.如权利要求10所述的方法，其中该光阀是数字微镜装置。

12.如权利要求11所述的方法，其中该数字微镜装置包括多个反射元件，每个反射元件具有一个轴，反射元件围绕该轴旋转，并且确定该数字微镜装置方位使得从该系统入射的光处于与该轴的平面垂直的平面。

13.如权利要求10所述的方法，其中该光再利用装置包括波导。

14.如权利要求13所述的方法，其中该波导具有反射表面和在其一末端上的孔径。

15.如权利要求13所述的方法，进一步包含布置在该波导和投影透镜之间的色轮。

16.如权利要求11所述的方法，进一步包含至少一个棱镜，该棱镜将来自该数字微镜装置的光反射回该系统。

17.如权利要求11所述的方法，其中投影透镜相对于该数字微镜装置偏移。

18.一种如权利要求11所述的投影系统，其中该数字微镜装置相对于投影透镜倾斜。

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