專利名稱：圖像投影儀照明的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
介紹本發(fā)明涉及基于DMD(數(shù)字微鏡設(shè)備)技術(shù)的圖像投影儀照明光學(xué)系統(tǒng)。
基于DMD(數(shù)字微鏡設(shè)備)技術(shù)的圖像投影系統(tǒng)大大地?cái)U(kuò)展了，首先是它們所能獲得極好的圖像質(zhì)量，特別是圖像本身的亮度和分辨率，同時(shí)還有它們同——舉例來說——使用顯像管的設(shè)備比起來相對(duì)較小的投影儀尺寸。
DMD設(shè)備基本由一系列鋁方鏡組成，每一個(gè)同被投影的圖像元素，也就是同象素相關(guān)的鋁方鏡測(cè)微尺寸的一邊舉例說為16um。所述的鏡子可以有一個(gè)繞著對(duì)角線的小轉(zhuǎn)動(dòng)角，比如±10度，其中，在任何方向的轉(zhuǎn)動(dòng)都由位于鏡子之下在轉(zhuǎn)動(dòng)軸反向位置的兩個(gè)電極生成。因此，當(dāng)鏡子處于“靜止”狀態(tài)，即不被兩個(gè)電極中的任何一個(gè)吸引時(shí)，光以相對(duì)于鏡面垂線大約20度的角度射到鏡子上。如果鏡子以一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，反射線將經(jīng)歷偏轉(zhuǎn)使不作用在投影透鏡內(nèi)，從而反射光線也不會(huì)被送到屏幕上。所以，相應(yīng)的象素處于“不工作”狀態(tài)。如果轉(zhuǎn)動(dòng)在反方向發(fā)生，由于反射光作用在投影透鏡上，并被傳送到屏幕上，則象素就處于“工作”狀態(tài)了。
每一個(gè)圖像的象素都跟SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)類型的靜態(tài)存儲(chǔ)器的一個(gè)單元相關(guān)連，且都包含控制形成鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的電極的信息。就算反射光線總有相同的亮度，若改變象素保持“工作”狀態(tài)期間的時(shí)間，那么由于人眼產(chǎn)生的積累反應(yīng)，就可獲得發(fā)光度變化的效果。圖像投影儀可以只包含一臺(tái)DMD設(shè)備，這時(shí)，它的平面鏡被三基色，即紅、綠和藍(lán)連續(xù)地照射，這三種顏色是通過將照明燈的光束發(fā)射至旋轉(zhuǎn)輪來獲得的，這個(gè)旋轉(zhuǎn)輪稱為彩色輪，它被分成至少3個(gè)部分，每一部分由涉及3基色之一的二向色濾波器(也就是對(duì)波長(zhǎng)的選擇)組成。輪轉(zhuǎn)動(dòng)使光束被傳送到DMD設(shè)備上，去連續(xù)地接收所有三種不同的顏色。
反過來，如果圖像投影儀擁有三臺(tái)DMD設(shè)備，則照明燈的光線被棱鏡分成三種顏色，每一種顏色被送到不同的DMD設(shè)備上。
在DMD圖像投影儀中，照明光學(xué)系統(tǒng)的選擇尤為重要，因?yàn)閳D像投影儀本身的尺寸和使用過程都取決于它。
第一已知的照明系統(tǒng)在

圖1中通過簡(jiǎn)圖說明。圖中假設(shè)圖像投影儀21放置在水平的位置，用于正面投影到垂直的屏幕22，所述的圖相當(dāng)于所述的圖像投影儀21的平面圖；這個(gè)前提適用于隨后所有的圖，除非作另外的說明。此外，為了清晰，在不同圖中用相同參考號(hào)數(shù)代表的框圖有相同的功能。用參考號(hào)1表示有拋物面反射器的照明燈，參考號(hào)2表示非球面聚光鏡，它將光線聚焦在集成桿4的輸入端，該集成桿由光學(xué)玻璃平行六面體組成，其功能為從照明燈1獲取均勻的光束。集成桿4在彩色輪3之后，如上所述的，這樣可如圖1的例只使用一臺(tái)DMD設(shè)備的圖像投影儀中，彩色光通過二色相濾波器再生產(chǎn)。在一些情況下，從照明燈1到彩色輪3的距離被收集器封閉起來(未在圖中顯示)，其目的是阻礙在照明環(huán)境周圍空間傳播的反射光線。來自集成桿4的輸出光被透鏡系統(tǒng)收集，在特定的例子中是三個(gè)會(huì)聚透鏡，即中繼透鏡，它們統(tǒng)統(tǒng)用參考號(hào)5來表示。所述的透鏡5連同平面鏡6和棱鏡7一起將照明燈1發(fā)射的光線傳送到圖像縮微設(shè)備(即DMD設(shè)備)，該設(shè)備由參考號(hào)9來表示，在其上形成相對(duì)于集成桿4所輸出的放大了的聚焦圖像。這個(gè)在其中圖像微縮設(shè)備9上發(fā)生聚焦的照度圖被稱為臨界照度或Abbe氏照度。從照明燈1到圖像微縮設(shè)備9的光程經(jīng)歷了兩次偏轉(zhuǎn)第一次偏轉(zhuǎn)由于平面鏡6的反射面；第二次偏轉(zhuǎn)由于棱鏡7。所述的棱鏡7如圖像微縮設(shè)備9的生產(chǎn)規(guī)范中要求的那樣，以大約為20度的角度傳送光束到圖像微縮設(shè)備9。棱鏡7是普通的棱鏡，諸如TIR(全內(nèi)反射)，也就是操作時(shí)全部反射。在大約以10um的空氣層將該棱鏡同由參考號(hào)8表示的第二棱鏡分離。所述的棱鏡8將來自位于圖像微縮設(shè)備9表面之上的微鏡的光束反射到由參考號(hào)10表示的投影透鏡，該投影透鏡在垂直的屏幕22上投影圖像。
圖1中的點(diǎn)線也表示由照明燈1發(fā)射的光束的光路。第一段AB，沿著照明燈1照明軸線的方向，從與所述的照明燈1一致的點(diǎn)A離開，到達(dá)與鏡面6一致的點(diǎn)B。在圖1a中，所述的第一部分AB處于由P1表示的第一平面內(nèi)，光路的基本透視圖在圖像投影儀21內(nèi)被記錄。
隨后，就像在圖1a中清晰地顯一樣，光束被平面鏡6向上偏轉(zhuǎn)并到達(dá)屬于第二平面P2的點(diǎn)C，該平面位于棱鏡7上，從棱鏡7處光束被反射到屬于圖像微縮設(shè)備9表面的點(diǎn)D上。如上所提到的，圖像通過圖像微縮設(shè)備9對(duì)光束的調(diào)制來形成。最后，所述的被調(diào)制的光束到達(dá)直接在投影透鏡10之外的點(diǎn)E，即確定投影線段DE，該線段為投影軸線的一部分。線段DE的延長(zhǎng)部分到達(dá)屏幕22。
應(yīng)該注意的是，平面鏡6沿著線段BC向上偏轉(zhuǎn)光路，也就是說，平面鏡傾斜，由平面圖中看來不是線段而更像矩形。上面的偏轉(zhuǎn)對(duì)防止諸如棱鏡7和8，以及具有關(guān)聯(lián)的容積相當(dāng)大的控制卡(piloting card)(圖1未顯示)的圖像微縮設(shè)備9之類的任何尺寸大小的元件，不會(huì)跟沿著線段AB和/或集成桿4的光束的光路起干擾。
照明系統(tǒng)也可以在平面鏡反向投影的構(gòu)造(即圖像向上投影的構(gòu)造)中使用，由于照明燈1的照明軸線是水平且基本垂直于投影軸線的，因此豎直放置圖像投影儀21，使向上發(fā)送圖像卻不改變照明燈1位置(圖1中說明的位置)的投影透鏡10處于散熱的最佳情況，保證圖像投影儀21有較長(zhǎng)的工作壽命。
然而，根據(jù)圖1的圖像投影儀的照明系統(tǒng)有總尺寸過大的缺點(diǎn)，由于如上所提到的，大尺寸元件被排列在光路的線段AB之上或鄰近于線段AB，它的高度尢為過大。
圖像投影儀31的第二種已知照明系統(tǒng)的基本圖在圖2的構(gòu)造中被描述。由延伸通過點(diǎn)ABB’CDE的點(diǎn)線所代表的光路通過三個(gè)反射面(分別由參考號(hào)6’、6”和6表示)被偏轉(zhuǎn)，反射面6’和6”向下反射光路，而6則向上反射光路。就像能被看到的那樣，光路的展開是這樣的，使得同較大元件相干擾的問題沒有出現(xiàn)。這使得相對(duì)于圖1的解決方法，具有更多地限制高度尺寸，有了這樣的系統(tǒng)，根據(jù)已知的Kohler構(gòu)造，光束被聚焦在投影透鏡10的輸入端而非圖像縮微設(shè)備9上；反射面6將提供正確的被送到圖像微縮設(shè)備9的光束的出射角度，借此，圖1中的棱鏡7和8都不需要了；由參考號(hào)5表示的整副三透鏡或中繼透鏡提供圖像聚焦。
然而，圖2的系統(tǒng)不能在平面鏡反向投影構(gòu)造中使用，這是因?yàn)?，與線段AB成一直線的燈軸，是水平的但不是基本垂直于由線段DE代表的投影軸的；因此，如果圖像投影儀31按平面鏡反向投影的要求豎直放置，則燈軸會(huì)向上傾斜，在這種情況下，燈不能保證最佳的散熱，從而導(dǎo)致相當(dāng)短的壽命。
圖2中描述的系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)是因?yàn)?，聚焦于投影透鏡輸入端的圖像較小，由于來自圖像微縮設(shè)備9的光線是會(huì)聚光線，所以投影透鏡10不能垂直地移動(dòng)，來自圖像微縮設(shè)備9的部分光束將會(huì)丟失；結(jié)果，圖像成份不能在屏幕上調(diào)節(jié)，也就是，完成所謂的垂直偏移是不可能的。
因此，普通照明系統(tǒng)有幾個(gè)缺點(diǎn)，最重大的就是它們的大尺寸、在所有可能的構(gòu)造(正面投影、天花板投影和反向投影)中使用圖像投影儀以及調(diào)節(jié)豎直圖像位置(稱為偏移)的不可能性。特別地，在廣泛用于屏幕超過40英寸的電視機(jī)的平面鏡反向投影中，圖像投影儀豎直放置并將光束向上傳送到平面鏡，平面鏡會(huì)將光束反射到屏幕上，并保證了燈的冷卻問題。
本發(fā)明的目的就是為圖像投影儀提供照明的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能解決以上的缺點(diǎn)并使生產(chǎn)出的圖像投影儀，有嚴(yán)格的尺寸且在任何構(gòu)造中都能使用。
為了達(dá)到這樣的目的，本發(fā)明的目的是同附加的權(quán)利要求的特征相結(jié)合的照明光學(xué)系統(tǒng)，形成這里說明的完整部分。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的、特征和優(yōu)勢(shì)將在隨后詳細(xì)的描述和附圖中變得更明顯，描述中借助非限制的例子，其中圖1展示了第一已知的照明系統(tǒng)的示意平面圖；圖1a展示了圖1照明系統(tǒng)光路的示意透視圖；圖2展示了第二知名的照明系統(tǒng)的示意平面圖；圖3展示了根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的示意平面圖；圖3a展示了圖3照明系統(tǒng)光路的示意透視圖；圖4展示了根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)執(zhí)行的示意平面圖。
參考圖3，它表示了根據(jù)本發(fā)明基于DMD技術(shù)的圖像投影系統(tǒng)照明的光學(xué)系統(tǒng)。如前所述的，圖3擁有同圖1和圖2框圖相同參考號(hào)的框圖，完成前面所描述的相同的功能。
圖3中所描述的圖像投影儀41，由延伸通過點(diǎn)ABB’CDE的點(diǎn)線描出其光路，由于像平面鏡這樣的垂直于平面P1放置的第一反射面11，光路經(jīng)歷了第一次偏轉(zhuǎn)。因而，線段AB和BB’是既平行于水平面又屬于在圖2a透視圖中描繪的平面P1。光路的第二次偏轉(zhuǎn)通過第二反射面1 1’完成，11’向上傾斜，由此在圖3中，光路在水平面上的投影由矩形而非線段表示。沿著線段B’C的光路向上傾斜，也就是到達(dá)投影透鏡10的平面P2，同時(shí)這也允許插入棱鏡7和8以及帶有相應(yīng)驅(qū)動(dòng)卡的圖像微縮設(shè)備9的插入，這些插入的元件正如前面所說的有相當(dāng)大的總尺寸。在這個(gè)例子中，事實(shí)上，上面的元件能被容易地放置因?yàn)樗鼈冊(cè)谙旅娴目臻g中實(shí)際上找不到?jīng)]有體積大的元件，比如集成桿4，現(xiàn)處于圖像投影儀41的相對(duì)于由投影軸線確定尺寸的對(duì)側(cè)，由此它們不會(huì)在光路的任何一部分相交。反之亦然，有較小垂直高度的投影透鏡10會(huì)跳過光路，由此垂直高度較小的整個(gè)圖像投影儀41能被生產(chǎn)出來。
結(jié)果，不象圖1的系統(tǒng)，將光路從平面P1帶到平面P2的線段B’C向上的傾斜，可以是受限制的，這也大大減小了圖像投影儀41的垂直高度。
光路的第三次偏轉(zhuǎn)由用數(shù)字7表示的TIR棱鏡產(chǎn)生，在上面已描述過，棱鏡7用由線段CD表示的正確傾斜度將光束發(fā)送到圖像微縮設(shè)備9。如圖1中所示的，棱鏡8將來自圖像微縮設(shè)備9的光束發(fā)送到投影透鏡10。
由于由平面鏡11和11’、棱鏡7和圖像微縮設(shè)備9產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)，線段DE所在的投影軸線，將會(huì)平行于水平面且大致垂直于照明燈1照明軸線上的線段AB。根據(jù)以上的描述，圖像投影儀41可在鏡反射投影的垂直位置使用。此外，由于線段AB與線段DE在平面P1上的投影在交點(diǎn)X相交，平面P1上光路的投影會(huì)形成閉合線，由此圖4的閉合回路由BB’CDX確定。從而，圖像投影儀41的尺寸在沿著線段DE投影軸方向上是受限制的。
由集成桿4輸出的光束通過用號(hào)碼5(中繼透鏡)表示的三個(gè)會(huì)聚透鏡，根據(jù)先前提到的Abbe氏構(gòu)造，在圖像微縮設(shè)備9上聚焦。因?yàn)槌霈F(xiàn)在圖像微縮設(shè)備9上的圖像足夠大且到達(dá)投影透鏡10輸入端的光線是發(fā)散的，所述的投影透鏡10可在垂直方向上移動(dòng)很小的距離，±6mm，以保證圖像在屏幕22上對(duì)準(zhǔn)中心(偏移)。
通過以上的描述，清楚地看到所建議的光路的圖是怎樣使適用于任何構(gòu)造內(nèi)的小尺寸圖像投影儀的生產(chǎn)變得可能的。
圖3中所展示的圖像投影儀41僅僅由一臺(tái)DMD設(shè)備代表，但系統(tǒng)能在使用兩臺(tái)或三臺(tái)DMD設(shè)備的圖像投影儀中使用，如圖4描繪的圖像投影儀51所示。
在本例中，不用圖3的彩色輪3來獲取彩色圖像，但來自棱鏡7的光束被用號(hào)碼12表示的棱鏡分成三基色成份，即紅、綠和藍(lán)。這三種成份中的每一種都被用正確的角度被送到9、9’和9”三臺(tái)圖像微縮設(shè)備之一并被反射回棱鏡12，這將會(huì)復(fù)原光束并將其通過棱鏡7和8之后送到投影透鏡10。
通過以上的描述，本發(fā)明的特點(diǎn)以及它相關(guān)的優(yōu)勢(shì)變得非常明顯。
有利的是，根據(jù)本發(fā)明照明系統(tǒng)使生產(chǎn)根據(jù)Abbe氏構(gòu)造使用DMD設(shè)備的圖像投影儀變得可能，這可防止任何在元件之間的光學(xué)和機(jī)械干擾。這將有利地使生產(chǎn)具有限制水平和垂直尺寸的圖像投影儀變得可能，這阻止了燈和尤其是集成桿出射的光束接近棱鏡和DMD設(shè)備的控制電路，但相反的特別是在圖像投影儀提供的空間內(nèi)的集成桿和DMD設(shè)備處于投影方向軸的對(duì)面。
此外，這樣的圖像投影儀也能有利地被用于反向投影構(gòu)造。
顯而易見，工藝嫻熟的人對(duì)以上通過例子描述的照明系統(tǒng)做出不離開革新想法新穎精神的變化都是可能的，同樣清楚的是，在本發(fā)明的實(shí)際作用中，元件可以經(jīng)常在型式和尺寸上不同于以上所描述的，并且還可以用技術(shù)等效的元件代替。
舉例來說，反射面11可用替代簡(jiǎn)單平面鏡的“冷鏡”類型生產(chǎn)，這可使光線的光熱效應(yīng)最小化，被除去的光線具有的波長(zhǎng)超過可見光的范圍，特別是紅外線；替代的結(jié)果，到達(dá)DMD設(shè)備的熱量更小，這樣需要的冷卻也更少。
權(quán)利要求
1.一種圖像投影儀的照明系統(tǒng)，包括在第一光軸(AB)上發(fā)射光束的照明燈(1)和沿著第二光軸(DE)的與所述光束交叉的投影透鏡(10)，所述的第一光軸(AB)和第二光軸(DE)基本不互相平行并分別屬于第一平面(P1)和第二平面(P2)，所述的光束沿著光路被引導(dǎo)，通過光偏轉(zhuǎn)裝置(6、11、11’)將其從第一平面(P1)轉(zhuǎn)移到第二平面(P2)，又通過光處理裝置(7、8、9；7，8，9，12，9’，9”，9)將其從第一光軸(AB)轉(zhuǎn)移到第二光軸(DE)，所述的光處理裝置(7，8，9；7，8，9，12，9’，9”，9)包括成像設(shè)備(9)，其特征在于第一平面(P1)上光路的幾何投影包括閉合回路(BB’CDX)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像投影儀的照明系統(tǒng)，其特征在于，第一光軸(AB)和第一平面(P1)上第二光軸(DE)的投影有一屬于所述的閉合回路(BB’CDX)的交點(diǎn)(X)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的圖像投影儀的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述的交點(diǎn)(X)屬于投影透鏡(10)在所述第一平面(P1)上的投影。
4.根據(jù)先前提到的一個(gè)權(quán)利要求的圖像投影儀的照明系統(tǒng)，其特征在于，光束通過光處理裝置(7，8，9；7，8，9，12，9’，9”，9)和透鏡(5)之后在成像設(shè)備(9，9’，9”，9)上聚焦。
5.根據(jù)先前提到的一個(gè)權(quán)利要求的圖像投影儀的照明系統(tǒng)，其特征在于，在第一平面(P1)上延伸的光路的部分中至少提供了一個(gè)反射面(11)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的圖像投影儀的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述的反射面(11)是冷鏡類型。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的圖像投影儀的照明系統(tǒng)，其特征在于，在第一平面(P1)上延伸的光路的部分中至少提供了第二反射面(11’)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像投影儀的照明系統(tǒng)，其特征在于，第一平面(P1)位于第二平面(P2)之下，且第一光軸(AB)從第二光軸(DE)的下面穿過，具體地說，是投影透鏡(10)的下面穿過。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像投影儀的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述的投影透鏡(10)能在垂直方向上移動(dòng)很小的距離。
10.根據(jù)先前一個(gè)或更多權(quán)利要求的圖像投影儀的照明系統(tǒng)，其特征在于，光處理裝置(7，8，9；7，8，9，12，9’，9”，9)包括幾個(gè)成像設(shè)備(9’，9”，9)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的圖像投影儀的照明系統(tǒng)，其特征在于，光處理裝置包括用于色彩分離的棱鏡(12)。
12.根據(jù)先前一個(gè)或更多權(quán)利要求的圖像投影儀的照明系統(tǒng)，其特征在于，成像設(shè)備(9’，9”，9)是通過DMD(數(shù)字微鏡)設(shè)備獲得的。
13.根據(jù)權(quán)利要求4的圖像投影儀的照明系統(tǒng)，其特征在于，光束根據(jù)鄰界照度圖或Abbe氏圖通過光處理裝置(7，8，9；7，8，9，12，9’，9”，9)和透鏡(5)在成像設(shè)備(9’，9”，9)上聚焦。
14.一種圖像投影儀的照明系統(tǒng)，包括沿著第一光軸(AB)發(fā)射光束的照明燈(1)和與所述的沿著第二光軸(DE)的光束交叉的投影透鏡(10)，用于在光路中引導(dǎo)光束的光偏轉(zhuǎn)裝置(6；11，11’)和光處理裝置(7，8，9；7，8，9，12，9’，9”，9)，其特征在于，包括在投影燈(1)和第一反射面(11)之間的沿著第一光軸(AB)的光束被投影透鏡(10)跳過。
15.一種圖像投影儀的照明系統(tǒng)，包括沿著第一光軸(AB)發(fā)射光束的照明燈(1)和沿著第二光軸(DE)的與所述光束交叉的投影透鏡(10)，其特征在于，所述的圖像投影儀(41，51)有第一光軸(AB)和圖像微縮設(shè)備(9)，該設(shè)備基本上沿著由第二光軸(DE)確定的軸線在圖像投影儀(41，51)尺度對(duì)面的位置上排列。
全文摘要
圖像投影儀的照明系統(tǒng)，包括在第一光軸(AB)上發(fā)射光束的照明燈(1)和沿著第二光軸(DE)的與所述光束交叉的投影透鏡(10)，所述的第一光軸(AB)和第二光軸(DE)基本不互相平行并分別屬于第一平面(P1)第二平面(P2)，所述的光束通過光偏轉(zhuǎn)裝置(6、11、11’)沿著光路被引導(dǎo)，將其從第一平面(P1)轉(zhuǎn)移到第二平面(P2)，又通過光處理裝置(7、8、9；7，8，9，12，9’，9”，9”’)將其從第一光軸(AB)轉(zhuǎn)移到第二光軸(DE)，所述的光處理裝置(7，8，9；7，8，9，12，9’，9”，9”’)包括成像設(shè)備(9)。根據(jù)發(fā)明，第一平面(P1)上光路的幾何投影包括閉合回路(BB’CDX)。
文檔編號(hào)G03B21/14GK1415173SQ00818143
公開日2003年4月30日 申請(qǐng)日期2000年11月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月5日
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