專利名稱：一種具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電視機顯示屏的光學器件，準確地說是一種用于數(shù)字微反射鏡器件的全內(nèi)反射棱鏡光學棱鏡系統(tǒng)及采用該棱鏡系統(tǒng)的投影顯示系統(tǒng)。
背景技術：
隨著計算機及信息顯示技術的發(fā)展，出現(xiàn)了眾多的新型顯示技術，如DLP、LCOS、CRT、LED等等，不僅如此，作為投影顯示器件，其畫面質(zhì)量性能能否具有高分辨率、高對比度、高亮度及低價格等特征的全新產(chǎn)品，并為消費市場所樂于接收，已成為本領域研發(fā)的重要課題。
通常，在DLP反射式投影系統(tǒng)中采用了微反射鏡結(jié)構器件，這種微反射鏡結(jié)構顯示器件是由許多微小反射鏡組成，每一微反射鏡受CMOS單獨控制，它可以獨立旋轉(zhuǎn)運動，是顯示畫面中的每一象素單元。在無驅(qū)動狀態(tài)下，微反射鏡是平坦的，當有光線照射時，它則以繞其固定軸并以固定的角度傾斜，此時為開(ON)狀態(tài)；當無光照射時，它則繞其固定軸并以相同的固定角度作相反方向的傾斜，此時為關(OFF)狀態(tài)；這些上百萬的微反射鏡在一定象素電信號驅(qū)動下，會形成具有一定灰度信息的圖像信號，經(jīng)投影鏡頭放大投影，即可投射到投影屏幕上，實現(xiàn)圖像再現(xiàn)顯示。
現(xiàn)用的數(shù)字微反射鏡器件(Digital Micromirror Devices，簡稱DMD)投影光學系統(tǒng)采用的是全內(nèi)反射棱鏡(Total Internal Reflectivity，簡稱TIR)光學棱鏡系統(tǒng)，如圖1所示，為現(xiàn)有投影裝置的光學投影系統(tǒng)示意圖。圖1為單片顯示投影系統(tǒng)，其中光源10由燈芯101與反射杯102組成，并產(chǎn)生光束103，該光束經(jīng)反射杯102反射聚焦后，通過一濾色裝置---色輪(color wheel)11，色輪11由順序排列的紅、綠、藍濾色片組成，當色輪按一定方式驅(qū)動時，從光源發(fā)射的光束103按照設計的紅、綠、藍順序，依次通過色輪11，并通過光導管(light Pipe)12，光束在光導管內(nèi)多次反射，在光導管的出口處，即可形成具有一定形狀與均勻性的光斑，再經(jīng)聚光鏡13及延遲透鏡14后，經(jīng)折轉(zhuǎn)反射鏡15，再經(jīng)延遲透鏡16后進入棱鏡系統(tǒng)17。棱鏡17由具有內(nèi)全反射特征的棱鏡1701和1702組成，當光源的光束經(jīng)1701的全反射面時，光束被全反射至數(shù)字微反射鏡顯示器件18(DMD)。當入射光照射到微反射鏡時，DMD上微反射鏡將以固定的角度旋轉(zhuǎn)，并使入射光線全反射并進入投影鏡頭19，一定亮度的圖像則在投影屏幕上顯示出來；反之，當沒有光線照射到DMD微反射鏡時，它則會以相同大小但方向相反的角度傾斜，從而使光線偏離投影鏡頭，屏幕則顯示黑暗狀態(tài)。
然而，由于前述現(xiàn)有裝置由光源101產(chǎn)生的照明光束103，在進入投影鏡頭19之前，需經(jīng)過色輪、光導管、聚光鏡、延遲透鏡、折轉(zhuǎn)反射鏡、全反射棱鏡(TIR)，最后進行DMD微反射器件，光線進入每個光學器件時，均有部分光束被反射而損失。在以物理光學為基本結(jié)構的光學系統(tǒng)，光學元器件的數(shù)量多少，會直接影響到光學效率的多少，進而直接關系到屏幕亮度的大小。然而，采用上述傳統(tǒng)TIR棱鏡結(jié)構的光路結(jié)構，在光路中需要有折轉(zhuǎn)反射鏡來將光源來的光束引導至全反射TIR棱鏡中，這樣會損失2％左右的反射光。
而且，由于大角度反射鏡緣故，在反射鏡之后，需加一透鏡對照明光斑整形，以適合DMD對光斑需求，但這又會使照明光束損失約2％左右。
而且，由于DMD固定在TIR棱鏡系統(tǒng)的下表面部位，也就是處于三面體棱鏡的短邊方向，這會使得棱鏡尺寸較大。
綜上所述，現(xiàn)有光學系統(tǒng)由于光學元器件較多，使得光學系統(tǒng)的光效率較低，只達到11.23％左右，而且，光學部件的數(shù)量多及TIR棱鏡的大尺寸，使整個光學系統(tǒng)體積增大，從而使投影產(chǎn)品難以滿足體積小、重量輕、性能優(yōu)及薄型化的要求，從而失去更多的潛在市場。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，通過減少光學元器件數(shù)量，以減少光線透過率損失，從而提高系統(tǒng)光學效率。
本發(fā)明的另一目的在于利用一特殊結(jié)構的TIR棱鏡，將燈泡發(fā)射的光束經(jīng)光軸傳輸后，進行全反射并經(jīng)二次反射進入DMD微顯示器件，從而減小折轉(zhuǎn)反射鏡造成的光強損失，提高投影畫面亮度。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，通過TIR棱鏡設置適當位置，縮小整個光學投影系統(tǒng)體積。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，簡化光學系統(tǒng)零件，降低成本。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，該系統(tǒng)在DMD關狀態(tài)的光線并不進入投影鏡頭，從而可以有效的提高系統(tǒng)的對比度。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一光源，產(chǎn)生光束；一TIR棱鏡結(jié)構，將入射光束反射后進入DMD器件，然后反射光進入投影鏡頭，實現(xiàn)前投影顯示要求。
具體地說，本發(fā)明的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其包括一光源，產(chǎn)生光束；一TIR棱鏡，該棱鏡位于光源、微顯示器件之間，具有全反射界面，以實現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換；一微顯示器件，接收來自光源的光束；一投影鏡頭，位于微顯示器件的反射光路上，接收反射光并投影到屏幕上，實現(xiàn)圖像顯示。
更進一步說，本發(fā)明所述的TIR棱鏡具有第一表面、第二表面、第三表面，第二、第三表面具有全反射界面，光源發(fā)出的光線經(jīng)棱鏡第一表面，以大于全反射臨界角入射至全反射界面，通過全反射，將光線反射出第一表面，射入具有ON-OFF狀態(tài)的微顯示器件，經(jīng)微反射鏡全反射，再將光線反射至TIR棱鏡，透射射入投影鏡頭，形成投影畫面。
更具體地說，光源、微顯示器件及投影鏡頭之間，放置棱鏡一及棱鏡二，棱鏡一與棱鏡二組成具有全內(nèi)反射功能的TIR棱鏡，其中光源設在棱鏡遠離全反射面的一側(cè)，微顯示器件與投影鏡頭則分別設置于TIR棱鏡的兩側(cè)，構成本發(fā)明的投影系統(tǒng)。
棱鏡一與棱鏡二的特定面以微小空氣間隙彼此膠合。所謂的特定面是指不用于光線反射的拼接表面。
棱鏡一包括入射表面，它與入射光軸垂直，用于接收來自照明系統(tǒng)的入射光；反射表面，它與入射光軸成一定角度傾斜，用于將入射至第一棱鏡的入射光在棱鏡內(nèi)部全反射，并使其按一定方向輸出至輸出表面；輸出表面，它將經(jīng)過全反射之后的光線輸出并投射至DMD表面。
棱鏡二包括入射表面，與第一棱鏡的特定面膠合，用于輸出從DMD反射并經(jīng)第一棱鏡輸出的光線；輸出表面，用于輸出經(jīng)入射表面透射的光束。
棱鏡一，用于接收從照明系統(tǒng)輸出的光束，從而以一定的角度反射該光束，輸出反射光束，并將該反射光束透射到DMD表面，而且根據(jù)對DMD的控制將該反射光束全反射并輸出；和棱鏡二，與上述棱鏡一匹配補償，用于接收棱鏡一的輸出光并將其透射輸出。
準確地說，上述的棱鏡一具有第一表面、第二表面和第三表面，第一、第二表面相交，二者相交成銳角的結(jié)構，光源發(fā)出的光束照射并經(jīng)過第一表面進入棱鏡一，穿過第一表面至其第二表面，并以大于全反射臨界角的角度全反射至棱鏡一的第三表面，經(jīng)第三表面全反射射到微顯示器件DMD上，按照DMD的工作原理，DMD將上述光線反射，并經(jīng)棱鏡二的出射表面進入投影鏡頭。
上述的第一表面與第二表面相交成的角度為銳角。
上述的棱鏡二具有補償作用，它具有一個補償面，該補償面與棱鏡一的全反射表面第三表面相鄰，經(jīng)DMD反射回來的光線以小于全反射角度的入射角度進入此棱鏡。
第一表面與照明系統(tǒng)光軸相垂直，第二表面與第三表面則與光軸成一定角度，它可以保證照明光束更好的在第二表面及第三表面發(fā)生全反射，同時保證經(jīng)過兩次反射的光束入射至DMD表面，實現(xiàn)理想的全反射作用。
上述的棱鏡一具有兩個全反射面，即第二表面和第三表面，這兩個全反射面具有嚴格的角度要求，其角度θ則滿足斯涅爾定律，θ＝arcsin(1/n)。
所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其TIR棱鏡由棱鏡一和棱鏡二兩個棱鏡組成，且該兩個棱鏡通過光學膠合拼接于一起，棱鏡一的剖面是三角形，也可是四邊形，其中，其對應于光學投影系統(tǒng)的第一表面是垂直于光線方向的，即光線從第一表面垂直照射于棱鏡一上，第一表面鄰接有第二表面，第一表面和第二表面都是全反射表面，棱鏡二的出射表面對應于投影鏡頭，并平行于投影鏡頭。
所述的照明系統(tǒng)包括濾色鏡，接收并濾去來自光源的為系統(tǒng)所不需要的紫外與紅外波段的光束；色輪，用于接收從光源發(fā)射的一定波長的光譜，按一定順序產(chǎn)生與圖像信號對應的一定顏色的光束；光導管，用于接收從色輪輸出的光束，并將光源正態(tài)分布光譜轉(zhuǎn)換成具有一定寬高比尺寸及一定亮度均勻性的光斑；聚光透鏡，用于調(diào)整光導管輸出光斑并使其光學系統(tǒng)與燈泡數(shù)值孔徑相匹配，并使該光斑輸出至TIR棱鏡。
所述的光源系統(tǒng)由燈芯和反射燈杯組成，光源產(chǎn)生光束，反射杯內(nèi)表面鍍有全反射膜，它是橢圓型結(jié)構，燈芯處于橢圓的焦點位置，反射杯將燈芯發(fā)出的光束反射。
所述的微顯示器件是微反射鏡器，微反射鏡器件包括具有一定間隙并且可以一定角度旋轉(zhuǎn)的微小反射鏡。
微反射器件特征為用于接收全反射TIR棱鏡系統(tǒng)的輸出光束，并根據(jù)光束灰度級使該光束從TIR棱鏡輸出；DMD微反射鏡具有三種狀態(tài)，在無信號驅(qū)動狀態(tài)，其處于自由狀態(tài)，此時光路無任何圖像信號輸出；受驅(qū)動信號電平不同，微反射鏡具有兩個不同的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在高亮度光束時，有亮度信號輸出；在低灰階信號時，無信號輸出。
在本發(fā)明中，采用了具有兩個特殊的光路分離棱鏡，它的全反射的光學表面將照明系統(tǒng)來的光線全反射到微顯示器件DMD中，而經(jīng)旋轉(zhuǎn)微鏡反射的光線穿過投影鏡頭，并將其投影到顯示屏幕上。雖然在光線傳輸過程中會有光強損失，但本發(fā)明的結(jié)構簡單，無需全反射折轉(zhuǎn)反射鏡及第二延遲透鏡，因此光強損失較少，光學效率提高，在本發(fā)明的實施中的光學效率可達約12.55％。
而且本發(fā)明通過對棱鏡的改進，在投影系統(tǒng)中省略了原有的反射鏡及第二延遲透鏡，結(jié)構簡化，縮小了整個光學投影系統(tǒng)體積，成本也得到降低。
本發(fā)明還有另外的一個優(yōu)點，就是由于經(jīng)DMD關狀態(tài)的光線并不經(jīng)過第二補償棱鏡，因此它并不進入投影鏡頭，從而可以有效的提高系統(tǒng)的對比度。


圖1為現(xiàn)有技術投影顯示光學系統(tǒng)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術所采用的全反射棱鏡結(jié)構圖；圖3為本發(fā)明第一實施例的光學系統(tǒng)圖；圖4為本發(fā)明第一實施例中的全反射棱鏡結(jié)構示意圖；圖5為本發(fā)明第二實施例的光學系統(tǒng)結(jié)構示意圖；圖6為本發(fā)明第二實施例的全反射棱鏡結(jié)構示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的實施。
請參閱圖3，本發(fā)明第一實施例投影顯示裝置的投影系統(tǒng)300，主要是在光源301、微顯示器件36及投影鏡頭37之間，放置一棱鏡351(第一棱鏡，也是棱鏡一)與352(第二棱鏡，也是棱鏡二)，棱鏡351與352組成的膠合棱鏡組TIR棱鏡35，其中光源設在棱鏡遠離全反射面的一側(cè)，微顯示器件36與投影鏡頭37則分別設置于棱鏡的兩側(cè)，即第一表面3501與出射表面3505(結(jié)合圖4)，構成一投影系統(tǒng)。
本實施例的投影系統(tǒng)300的光源系統(tǒng)30由燈芯301和反射燈杯302組成，光源產(chǎn)生光束303，反射燈杯302內(nèi)表面鍍有濾紫外和紅外波光的全反射膜，它是橢圓型結(jié)構，燈芯301處于橢圓的第一焦點位置，反射燈杯302將燈芯301發(fā)出的光束反射，并沿反射路徑將其會聚在橢圓第二焦點位置并使其會聚成一定大小尺寸的光斑。
色輪31靠近光斑位置，色輪是由一定順序排列的紅、綠、藍三色濾色波片組成。色輪由無刷電路驅(qū)動馬達驅(qū)動，并按順序制式分離光源的紅、綠、藍三色光，以使其與顯示圖像的場頻相對應。
經(jīng)過色輪的順序制式光束以一定角度依次進入光導管32，光導管具有全反射內(nèi)表面，光束在其內(nèi)表面產(chǎn)生全反射，經(jīng)過多次反射，將光源的正態(tài)分布光斑形成一適合DMD36顯示需求的一定幅形比的矩形光斑，并使所以光束成平行光束。當然，光斑大小與DMD36有效微鏡尺寸大小相適應，光導管的截面積是以考慮最大光學效率和最佳尺寸為設計目的。
經(jīng)會聚透鏡33及延遲透鏡34后，光束經(jīng)平行于光軸方向并以垂直于第一表面的角度照射并經(jīng)過第一表面3501進入第一棱鏡351(棱鏡一)，穿過棱鏡至第二表面3502，并以大于全反射臨界角的角度全反射至棱鏡的第三表面3503，經(jīng)第三表面3503全反射射到微顯示器件DMD36上，按照DMD的工作原理，DMD36將上述光線反射，并經(jīng)第二棱鏡352(棱鏡二)的入射表面3504及出射表面3505進入投影鏡頭形成具有一定圖像信息的投影畫面。
參考圖4的TIR棱鏡35，它由第一棱鏡351與第二棱鏡352之間設有一空氣間隙膠合而成，其中第一棱鏡351具有兩個全反射面(3502面和3503面)，全反射面具有嚴格的角度要求。假設棱鏡材料為BK7，在波長為587nm時的的折射率為n＝1.5168，其角度θ則滿足斯涅爾定律，θ＝arcsin(1/n)θ＝arcsin(1/n)＝41.25°調(diào)整入射光線的入射角度，(它可以使進入棱鏡光線的入射角度大于此角度從而滿足全反射條件。經(jīng)照明系統(tǒng)的入射光垂直進入第一表面后，在第二表面3502進行全反射，并垂直入射到第三表面3503，光線經(jīng)過兩次反射后射入DMD微反射鏡片，受入射光照射，微反射鏡旋轉(zhuǎn)+12°，此時照明系統(tǒng)的F數(shù)為2.4。經(jīng)微反射鏡全反射后的光線，沿入射光軸方向垂直穿過第二棱鏡352，投射到投影鏡頭37。
需要特別說明的是，第二棱鏡352還具有補償作用，它具有一個補償面3504，該補償面3504與第一棱鏡351的全反射表面3503相鄰(空氣間隙膠合留下的微小間隙使該補償面能夠充分地發(fā)揮補償作用)，經(jīng)DMD反射回來的光線以小于特定角度的入射角度進入第二棱鏡352，此時，它可經(jīng)校正從DMD與照明系統(tǒng)的大角度的光束，從而減小畫面畸變和光學像差。
棱鏡材料一般為ZF57材料，當然，除ZF57材料之外，其它棱鏡材料也可用于本發(fā)明中。
第一表面3501與照明系統(tǒng)光軸相垂直，第二表面3502與第三表面3503則與光軸成一定角度，它可以保證照明光束更好的在第二表面3502及第三表面3503發(fā)生全反射，同時保證經(jīng)過兩次反射的光束入射至DMD表面，實現(xiàn)理想的全反射作用。
光線經(jīng)過第一表面3501進入棱鏡后在第二表面3502發(fā)生全反射，穿過第一棱鏡351在第三表面3503再次全反射，光線穿過第一表面3501直接進入DMD36并反射回來后形成具有一定圖像信息的光電信號，此時DMD的微反射鏡為開狀態(tài)(ON)，數(shù)字微鏡沿其軸向旋轉(zhuǎn)12°。入射光軸與微鏡面方向成12°，則沿微鏡全反射方向反射進入第二棱鏡。另一方面，當微鏡為關狀態(tài)(OFF)時，也就是微鏡向相反方向旋轉(zhuǎn)12°時，經(jīng)微鏡反射的的光線則向相反方向進入第二棱鏡，并經(jīng)補償面3504與出射表面3505，折射偏離投影鏡頭入口處而不進入鏡頭，對成像無貢獻。
光線入射的第一表面3501與DMD36相對，另一出射表面3505則與照明系統(tǒng)的出口相對，因此經(jīng)前述的處理均勻化后形成的光斑照射到第一表面3501面后，經(jīng)過兩次全反射后直接進入DMD表面，再次反射后的光線則遵守光學折射定律角度直接穿透第二棱鏡352，并經(jīng)表面3504和3505直接進入投影鏡頭37。
投影鏡頭37在TIR棱鏡35與投影屏幕(位于投影鏡頭后續(xù)的設備，故未標注)之間，它將TIR棱鏡35在開狀態(tài)(ON)時從DMD上來的光線放大并投影到屏幕上，形成投影畫面。
如上所述，為本發(fā)明所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)工作原理及過程。本發(fā)明中，采用了具有兩個特殊角度的光路分離棱鏡，它的兩個光學表面將照明系統(tǒng)來的光線全反射到微顯示器件DMD中，而經(jīng)旋轉(zhuǎn)微鏡反射的光線穿過投影鏡頭，并將其投影到顯示屏幕上。雖然在光線傳輸過程中會有光強損失，但本發(fā)明光路結(jié)構比現(xiàn)用的結(jié)構來講，無需全反射折轉(zhuǎn)反射鏡及第二延遲透鏡，因此光強損失較少，光學效率提高，使本實施例中的光學效率可達約12.55％；本發(fā)明還有一優(yōu)點，就是由于經(jīng)DMD關狀態(tài)的光線并不經(jīng)過第二補償棱鏡，因此它并不進入投影鏡頭，從而可以有效的提高系統(tǒng)的對比度。
此外，如圖4所示，本實施例光源發(fā)出的光線311是直接射入TIR棱鏡35的，不僅縮小了光程，減少光強損失，而且使整個光學系統(tǒng)的體積大大縮小，有利于更小型化產(chǎn)品實現(xiàn)。在光路設計中，可使棱鏡體積更小，兩個棱鏡膠合，使其滿足微顯示所需要的光斑尺寸外，在配合上盡量減小尺寸，從而減小背焦距離，降低投影鏡頭的體積與成本。
請參考圖5，為本發(fā)明的第二實施例，其中照明系統(tǒng)與實施一的結(jié)構基本相同，但是用于光路分離的全反射棱鏡結(jié)構則不同，其主要原因是DMD位于燈源照明系統(tǒng)的另一側(cè)，而投影鏡頭則與照明光源位于同一方向。
再結(jié)合圖6，圖6為本發(fā)明第二實施例的TIR棱鏡結(jié)構圖。TIR棱鏡45由第一棱鏡451與第二棱鏡452組成，二者之間設有一空氣間隙并膠合而成，其中第一棱鏡451具有兩個全反射面4502和4503，這個全反射面具有嚴格的角度要求，它滿足前述的全反射定律斯涅爾定律的要求，可以使進入棱鏡光線的入射角度大于此角度從而滿足全反射條件，光線經(jīng)過兩次反射后射入DMD微反射鏡片，受入射光照射，微反射鏡旋轉(zhuǎn)+12°，經(jīng)微反射鏡全反射后的光線，以小于棱鏡特定角度而垂直穿過第二棱鏡452，直到投影鏡頭47。需要特別說明的是，第二棱鏡452具有補償作用，它具有一個補償面4505，它與第一棱鏡451的全反射表面4503相鄰，經(jīng)DMD反射回來的光線以小于特定角度的入射角度進入此補償?shù)诙忡R452，它可經(jīng)校正從DMD與照明系統(tǒng)的大角度的光束，從而減小畫面畸變和光學像差。
第一表面4501與照明系統(tǒng)光軸相垂直，第二表面4502與第三表面4503表面則與光軸成一定角度，它可以保證照明光束更好的在第二表面4502及第三表面4503發(fā)生全反射，使反射后光線與入射光軸平行，同時保證經(jīng)過兩次反射的光束入射至DMD46表面，實現(xiàn)理想的全反射作用。
光線經(jīng)過第一表面4501進入棱鏡后在具有嚴格角度的第二表面4502面發(fā)生全反射，穿過第一棱鏡451再次在第三表面4503發(fā)生全反射，光線穿過第四表面4504后經(jīng)DMD46反射回來后形成具有一定圖像信息的光電信號，此時DMD的微反射鏡為開狀態(tài)(ON)，進入第二表面4502與第三表面4503入射角大于棱鏡本身的角度。另一方面，從關狀態(tài)(OFF)反射來的光線對成像無貢獻，它會在穿過補償?shù)诙忡R452的出射表面，即第二棱鏡第四表面4504后直接偏離出補償面4505表面而不進入投影鏡頭。
與第一實施例不同的是入射光學表面4501與照明系統(tǒng)相對，另一面第三表面4504(出射表面)則與DMD相對，因此從前述的照明系統(tǒng)經(jīng)均勻化后的光斑照射到第一表面4501后，經(jīng)過兩次全反射后從第四表面4504面出來直接進入DMD表面，經(jīng)反射后的光線以小于嚴格角度的入射角直接穿透第二棱鏡452，并經(jīng)第二棱鏡452的光學表面4506直接進入投影鏡頭47。
圖3、圖4所示的第一實施與圖5、圖6所示的第二實施例各有特點，它們的具體的TIR棱鏡結(jié)構不同，因此光學投影系統(tǒng)有所不同。與現(xiàn)有的光學結(jié)構相比，第一實施例與第二實施例的系統(tǒng)光學效率比較高，而且在對比度性能、系統(tǒng)尺寸、重量等都具有一定的優(yōu)勢；從二個實施例本身來講，第一實施例在投射比性能上較有優(yōu)勢，它更適合于背投影應用；第二實施例則在體積上更占優(yōu)勢，更適合于前投影應用場合。
權利要求
1一種具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一光源，產(chǎn)生光束；一TIR棱鏡結(jié)構，將入射光束反射后進入DMD器件，然后反射光進入投影鏡頭，實現(xiàn)前投影顯示要求。
2如權利要求1所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括一光源，產(chǎn)生光束；一TIR棱鏡，該棱鏡位于光源、微顯示器件之間，具有全反射界面，以實現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換；一微顯示器件，接收來自光源的光束；一投影鏡頭，位于微顯示器件的反射光路上，接收反射光并投影到屏幕上，實現(xiàn)圖像顯示。
3如權利要求2所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于所述的TIR棱鏡具有第一表面、第二表面、第三表面，第二、第三表面具有全反射界面，光源發(fā)出的光線經(jīng)棱鏡第一表面，以大于全反射臨界角入射至全反射界面，通過全反射，將光線反射出第一表面，射入具有ON-OFF狀態(tài)的微顯示器件，經(jīng)微反射鏡全反射，再將光線反射至TIR棱鏡，透射射入投影鏡頭，形成投影畫面。
4如權利要求1所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于光源、微顯示器件及投影鏡頭之間，放置棱鏡一及棱鏡二，棱鏡一與棱鏡二組成具有全內(nèi)反射功能的TIR棱鏡，其中光源設在棱鏡遠離全反射面的一側(cè)，微顯示器件與投影鏡頭則分別設置于TIR棱鏡的兩側(cè)。
5如權利要求4所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于棱鏡一與棱鏡二的特定面以微小空氣間隙彼此膠合。
6.如權利要求4所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于棱鏡一包括入射表面，它與入射光軸垂直，用于接收來自照明系統(tǒng)的入射光；反射表面，它與入射光軸成一定角度傾斜，用于將入射至第一棱鏡的入射光在棱鏡內(nèi)部全反射，并使其按一定方向輸出至輸出表面；輸出表面，它將經(jīng)過全反射之后的光線輸出并投射至DMD表面。棱鏡二包括入射表面，與第一棱鏡的特定面膠合，用于輸出從DMD反射并經(jīng)第一棱鏡輸出的光線；輸出表面，用于輸出經(jīng)入射表面透射的光束。
7如權利要求4所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于棱鏡一，用于接收從照明系統(tǒng)輸出的光束，從而以一定的角度反射該光束，輸出反射光束，并將該反射光束透射到DMD表面，而且根據(jù)對DMD的控制將該反射光束全反射并輸出；和棱鏡二，與上述棱鏡一匹配補償，用于接收棱鏡一的輸出光并將其透射輸出。
8如權利要求7所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于上述的棱鏡一具有第一表面、第二表面和第三表面，第一、第二表面相交，二者相交成銳角的結(jié)構，光源發(fā)出的光束照射并經(jīng)過第一表面進入棱鏡一，穿過第一表面至其第二表面，并以大于全反射臨界角的角度全反射至棱鏡一的第三表面，經(jīng)第三表面全反射射到微顯示器件DMD上，按照DMD的工作原理，DMD將上述光線反射，并經(jīng)棱鏡二的出射表面進入投影鏡頭。
9如權利要求8所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于上述的第一表面與第二表面相交成的角度為銳角。
10如權利要求8所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于上述的棱鏡二具有補償作用，它具有一個補償面，該補償面與棱鏡一的全反射表面第三表面相鄰，經(jīng)DMD反射回來的光線以小于全反射角度的入射角度進入此棱鏡。
11如權利要求3所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于第一表面與照明系統(tǒng)光軸相垂直，第二表面與第三表面則與光軸成一定角度，它可以保證照明光束更好的在第二表面及第三表面發(fā)生全反射，同時保證經(jīng)過兩次反射的光束入射至DMD表面，實現(xiàn)理想的全反射作用。
12如權利要求3所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于上述的棱鏡一具有兩個全反射面，即第二表面和第三表面，這兩個全反射面具有嚴格的角度要求，其角度θ則滿足斯涅爾定律，θ＝arcsin(1/n)。
13如權利要求1所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其TIR棱鏡由棱鏡一和棱鏡二兩個棱鏡組成，且該兩個棱鏡通過光學膠合拼接于一起，棱鏡一的剖面是三角形，也可是四邊形，其中，其對應于光學投影系統(tǒng)的第一表面是垂直于光線方向的，即光線從第一表面垂直照射于棱鏡一上，第一表面鄰接有第二表面，第一表面和第二表面都是全反射表面，棱鏡二的出射表面對應于投影鏡頭，并平行于投影鏡頭。
14如權利要求1所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于光源和TIR棱鏡之間還設置有照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)包括濾色鏡，接收并濾去來自光源的為系統(tǒng)所不需要的紫外與紅外波段的光束；色輪，用于接收從光源發(fā)射的一定波長的光譜，按一定順序產(chǎn)生與圖像信號對應的一定顏色的光束；光導管，用于接收從色輪輸出的光束，并將光源正態(tài)分布光譜轉(zhuǎn)換成具有一定寬高比尺寸及一定亮度均勻性的光斑；聚光透鏡，用于調(diào)整光導管輸出光斑并使其光學系統(tǒng)與燈泡數(shù)值孔徑相匹配，并使該光斑輸出至TIR棱鏡。
15如權利要求14所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于所述的光源系統(tǒng)由燈芯和反射燈杯組成，光源產(chǎn)生光束，反射杯內(nèi)表面鍍有全反射膜，它是橢圓型結(jié)構，燈芯處于橢圓的焦點位置，反射杯將燈芯發(fā)出的光束反射。
16如權利要求2所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于所述的微顯示器件是微反射鏡器件，包括具有一定間隙并且可以一定角度旋轉(zhuǎn)的微小反射鏡。
17如權利要求16所述的具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，其特征在于微反射器件特征為用于接收全反射TIR棱鏡系統(tǒng)的輸出光束，并根據(jù)光束灰度級使該光束從TIR棱鏡輸出；DMD微反射鏡具有三種狀態(tài)，在無信號驅(qū)動狀態(tài)，其處于自由狀態(tài)，此時光路無任何圖像信號輸出；受驅(qū)動信號電平不同，微反射鏡具有兩個不同的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在高亮度光束時，有亮度信號輸出；在低灰階信號時，無信號輸出。
全文摘要
本發(fā)明是一種具有全反射棱鏡的投影系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一光源，產(chǎn)生光束；一TIR棱鏡結(jié)構，將入射光束反射后進入DMD器件，然后反射光進入投影鏡頭，實現(xiàn)前投影顯示要求。采用了特殊的光路分離棱鏡，它的全反射的光學表面將照明系統(tǒng)來的光線全反射到微顯示器件DMD中，而經(jīng)旋轉(zhuǎn)微鏡反射的光線穿過投影鏡頭，并將其投影到顯示屏幕上。本發(fā)明的結(jié)構簡單，無需全反射折轉(zhuǎn)反射鏡及第二延遲透鏡，光強損失較少，光學效率提高。
文檔編號G02B5/04GK1790096SQ200410077499
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月14日 優(yōu)先權日2004年12月14日
發(fā)明者王芳芹, 詹達舉, 楊福中 申請人:斯曼特微顯示科技(深圳)有限公司