專利名稱：一種用于投影系統(tǒng)的光學結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及顯示投影技術的光學結構，準確地說是一種實現微顯示器件投影顯示的光學結構。
背景技術：
信息顯示技術的發(fā)展，帶動了其它新型顯示技術的發(fā)展。從自發(fā)光真空器件CRT發(fā)展到被動光源LCD顯示器件，相繼又出現了平板顯示技術概念，如PDP等離子顯示技術、LCD顯示技術及微顯示技術，其中PDP及LCD已廣泛用于目前的家用產品領域，而代表微顯示技術的DLP、LCoS、LCD等，則以實現高清晰度顯示為特征，將成為目前顯示技術的主流。
微顯示技術以其微小器件為優(yōu)勢，采用先進的半導體制造技術，與傳統(tǒng)光學技術相結合，可實現大屏幕、高清晰度平板顯示。按投影方式不同，有前投影和背投影之分。近兩年來，以DLP為代表的技術取得了很大的發(fā)展與進步，這主要在于其優(yōu)越的數字技術解決方案、高清晰度及高可靠性能。DLP是通過一種微型反射器件DMD來實現信號傳送的，DMD由上百萬個微反射鏡鏡組成，每一微反射鏡受CMOS單獨控制，它可以獨立旋轉運動，是顯示畫面中的每一像素單元。在無驅動狀態(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像素電信號驅動下，會形成具有一定灰度信息的圖像信號，經投影鏡頭放大投影，即可投射到投影屏幕上，實現圖像再現顯示。
如圖1、圖2所示，為現有投影裝置的光學投影系統(tǒng)示意圖，它是美國專利US6726332所描述的DLP技術的典型結構。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，并產生光束103，該光束經反射杯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，再經聚光鏡13及延遲透鏡14后，經折轉反射鏡15，再經延遲透鏡16后進入棱鏡系統(tǒng)17。棱鏡17由具有內全反射特征的棱鏡1701和1702組成，1701和1702膠合在一起，兩膠合面之間相互平行且保持一定的空氣距離。當光源的光束進入1701后發(fā)生全反射，光束被反射到數字微反射鏡顯示器件18(DMD)。在一定電壓驅動下，數字微反射鏡顯示器件18(DMD)具有“開”和“關”兩種狀態(tài)，當數字微反射鏡顯示器件18(DMD)處于“開”狀態(tài)時，DMD微鏡旋轉+12度，光束經DMD反射返回棱鏡17且通過棱鏡17，進入投影鏡頭投射到投影屏幕上，光束攜帶的圖像信息將顯示在屏幕上。當數字微反射鏡顯示器件18(DMD)“關”狀態(tài)時，DMD微鏡旋轉-12度，光束經DMD反射返回棱鏡17，但因為光束在DMD微鏡旋轉-12度時，反射光束和投影鏡頭的夾角比較大，光束不能直接通過棱鏡17進入投影鏡頭，這時屏幕則顯示黑暗狀態(tài)。
然而，由于前述現有裝置由光源101產生的照明光束103，在進入投影鏡頭19之前，需經過色輪、光導管、聚光鏡、延遲透鏡、折轉反射鏡、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構的光學系統(tǒng)，光學元器件的數量多少，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棱鏡的光學結構，由于TIR棱鏡本身的空氣間隙，必然引起光路光線的散射，從而造成光強損失；加上TIR棱鏡本身體積較大，它對光線的吸收也是必不可少的，最終影響投影畫面的亮度。
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。
上述結構其主要特點是采用遠心同軸的光學結構，利用TIR內全反射的特定條件與特征，實現入射光線與反射光線的光路轉換，從而實現圖像的投影放大及顯示需求。
綜上所述，現有光學系統(tǒng)由于光學元器件較多，使得光學系統(tǒng)的光效率較低，而且，光學部件的數量多及光學系統(tǒng)的復雜性，使整個光學系統(tǒng)體積增大，從而使投影產品難以滿足體積小、重量輕、性能優(yōu)及薄型化的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于投影系統(tǒng)的光學結構，該結構實現入射光路與反射光路的有效分離，從而與DMD微反射鏡的旋轉角度有效配合，實現最佳的對比度圖像。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于投影系統(tǒng)的光學結構，采用特殊的照明光路及離軸光學系統(tǒng)，通過光學整形手段，使入射DMD的照明光斑具有高亮度及高均勻性能。
本發(fā)明的另一目的在于提供用于投影系統(tǒng)的光學結構，該結構可減少光學元器件數量，減少光線透過率損失，從而提高整個系統(tǒng)的光學效率，減少光學系統(tǒng)零件，降低成本。
本發(fā)明的另一目的在于提供用于投影系統(tǒng)的光學結構，該結構利用一特殊透鏡結構，實現入射光線與反射光線光路分離，其目的在于有效提高光斑的均勻性，并使光學系統(tǒng)盡可能簡單，縮小整個光學投影系統(tǒng)體積。
本發(fā)明是這樣實現的一種用于投影系統(tǒng)的光學結構，該結構包括一光源，產生光束；一濾色器件，它與場時序控制相配合，實現同一場的紅、綠、藍三基色的信號過濾；一光集成器件，它使光源發(fā)出的圓形光斑經多次反射成型，形成具有一定長寬比的均勻光斑；一組聚光延遲透鏡，將一定形狀的光斑聚焦、消除光學像差與畸變，形成DMD所要求的光斑大小；一特殊棱鏡，位于DMD之前，實現入射與出射光路分離；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，實現圖像顯示。
其中，延遲透鏡組包括第一片透鏡，用于消除由于光線造成的光學球差及子午與弧矢光路的聚焦差異，及第二片透鏡，進行聚焦；照明光線經延遲透鏡組后射入特殊棱鏡。
本發(fā)明實質上是一種空間光學傳遞顯示系統(tǒng)，也就是大家所稱的光學引擎。在這個系統(tǒng)中，光源和照明系統(tǒng)給空間光學傳遞系統(tǒng)提供一個大角度的照明系統(tǒng)，光線經過整形聚焦后進入延遲透鏡系統(tǒng)第一片透鏡，消除由于光線造成的光學球差及子午與弧矢光路的聚焦差異，經第二片透鏡聚焦后通過特殊棱鏡入射到DMD上，之后經特殊棱鏡，光線在棱鏡前平面上光軸有一偏離，它使輸出圖像進入投影鏡頭第一片鏡片，在此位置，圖像是遠心的而且與入射光軸來講是離軸的，投影鏡頭則使前平面的圖像放大并使其顯示在投影平面上。
實現本發(fā)明最主要的構件為
一光源，產生照明光束；一微顯示器件，用于調制來自于光源的照明光束，并形成用于投影放大的反射圖像光斑；一特殊棱鏡，位于投影鏡頭、微顯示器件之間，它使來自于照明光源的照明光束以一定角度的照明光束進入微反射器件表面，并使反射光束射入投影鏡頭，實現入射與反射光路分離；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，實現圖像顯示。
其次，本發(fā)明還包括有濾色鏡，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)分布光譜轉換成具有一定長寬比尺寸及一定亮度均勻性的光斑；聚光透鏡，用于調整光導管輸出光斑并使其光學系統(tǒng)與燈泡數值孔徑相匹配，并使該光斑輸出至微顯示器件。
為了精確地控制投影顯示，其中特殊棱鏡是楔形棱鏡結構，它與微顯示器件相鄰，而且其平面一側與微顯示器件表面相鄰；照明系統(tǒng)光束要經過此楔形棱鏡進入微反射顯示器件，經微反射器件的反射光束也要經過此楔形棱鏡；楔形棱鏡的最小錐角在0到15度之間。
照明光束與特殊棱鏡的前平面之間的角度位于20-50度之間。
微顯示器件和鏡頭光軸的夾角為0＜θ＜15度。
從微顯示器件反射的光線經過楔形棱鏡和鏡頭主光線角度β小于-3∽3度。
本發(fā)明采用了特殊棱鏡和遠心光路及離軸設計的特征，可以提供最佳的對比度特性，通過特殊棱鏡結構，相對DMD入射平面來講，照明光路提供最大角度的照明光束，其中延遲透鏡組可補償光軸的一些偏離。
相對于投影光路來講，照明系統(tǒng)是離軸的，但是對于從DMD反射出來的光線來講，雖然經過特殊棱鏡與照明系統(tǒng)有一偏軸，但對投影光軸來講，投影系統(tǒng)本身是遠心的，因此相對非遠心結構來講，它的體積較小，其背焦距離可減小。
特殊棱鏡和DMD相對投影系統(tǒng)有限傾斜，使得光線通過DMD微鏡在ON和OFF時有較大的角度分開，提高了系統(tǒng)的對比度。
另外，楔形特殊棱鏡還可以采用其它的類似結構替代，如可用曲面為二分之一的特殊透鏡替換。
因此，本發(fā)明的另一種實現方式是一種用于投影系統(tǒng)的光學結構，其包括一光源，產生光束；一組透鏡，該棱鏡位于光源、微顯示器件之間，具有聚焦作用；一特殊透鏡，位于DMD之前，實現入射與出射光路分離；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，實現圖像顯示。
上述的特殊透鏡，特殊透鏡的兩個透光表面至少一個表面為曲面。通常情況下是其射入光束的透光面為曲面，另一通光面為平面。
這種光學結構不僅用于背投影系統(tǒng)，也可用于前投影系統(tǒng)。對于前投影系統(tǒng)來講，可經照明系統(tǒng)進行光路折轉，從而減小體積，滿足前投影體積。
本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明的投影顯示光學結構，利用特殊棱鏡來替代傳統(tǒng)設計的TIR棱鏡的設計方案，簡單且低成本的實現了微顯示反射器件對光學系統(tǒng)的要求，通過反射鏡的使用也能有效的縮小光學系統(tǒng)的體積。
本發(fā)明的投影顯示光學結構，利用較少的光學元件，減少由光學元件表面引起的損耗，有利于提高光學系統(tǒng)的亮度。
本發(fā)明的投影顯示光學結構，利用特殊透鏡27和傾斜微顯示器件28的工作原理，能有效的加大微顯示器件28在ON和OFF光線分開的角度，有利于提高光學系統(tǒng)的對比度。


圖1為現有技術投影顯示光學系統(tǒng)示意圖；圖2為現有技術所采用的全反射棱鏡結構圖；圖3為本發(fā)明一實施例的光學系統(tǒng)圖；圖4為本發(fā)明的特殊棱鏡要求示意圖；圖5為本發(fā)明的微顯示器件和投影系統(tǒng)的位置要求結構圖；圖6為微顯示器件反射光線和投影系統(tǒng)光軸的要求結構圖；圖7為入射光線和出射光線的分離示意圖；圖8為本發(fā)明特殊透鏡結構的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的實施。
參考圖3，本發(fā)明由光源20，色輪21，光導管22，第一聚光透鏡23，第二聚光透鏡24，延遲透鏡25，反射鏡26，特殊棱鏡27，微顯示器件28，投影鏡頭29組成。
本發(fā)明的光學系統(tǒng)工作原理，由光源20發(fā)光，提供白色寬帶的可見光，會聚于色輪21，色輪21由藍色、綠色和紅色的濾色片組成，光線通過轉動色輪21后，按一定的時序依次產生紅色、綠色和藍色的單色光束；光束經色輪21進入光導管22，光導管22起一個光學積分器的作用，把進入光導管22的圓形光斑均勻化，成為一個均勻性好具有一定長寬比的長方形光斑。第一聚光透鏡23，第二聚光透鏡24和延遲透鏡25具有調制作用，使得照明系統(tǒng)的光斑大小，與微顯示器件28的相對孔徑相匹配；從延遲透鏡25出射的光線通過特殊棱鏡27入射到微顯示器件28上。反射鏡26改變光路方向，使得光路系統(tǒng)體積減?。惶厥饫忡R27(其為楔形結構，兩個透光面皆為平面)在光路中能有效的分開照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)之間的夾角，使得照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)在滿足光學孔徑要求下，不發(fā)生干涉；特殊棱鏡27也能有效的幫助校正由微顯示器件28的傾斜產生的像差。入射到微顯示器件28的光線再經過特殊透鏡28進入投影鏡頭29，投影鏡頭29放大投影到屏幕上。
本發(fā)明的投影顯示光學結構，利用特殊棱鏡27來替代傳統(tǒng)設計的TIR棱鏡的設計方案，簡單且低成本的實現了微顯示反射器件對光學系統(tǒng)的要求，通過反射鏡26的使用也能有效的縮小光學系統(tǒng)的體積。
本發(fā)明的投影顯示光學結構，利用較少的光學元件，減少由光學元件表面引起的損耗，有利于提高光學系統(tǒng)的亮度。
本發(fā)明的投影顯示光學結構，利用特殊透鏡27和傾斜微顯示器件28的工作原理，能有效的加大微顯示器件28在ON和OFF光線分開的角度，有利于提高光學系統(tǒng)的對比度。
圖4為特殊棱鏡27的結構示意圖。如圖所示，其外形為一光楔，但其通光表面由兩個平面組成；在兩個平面組成角滿足0∽15°任何角度時，當照明系統(tǒng)一定角度入射到棱鏡的第一表面2701時，由于其折射作用使透過光線2702入射到微顯示器件28表面。當微顯示器件微反射鏡以+12°時，反射光線則以與入射光線一定角度方向射出。
圖5給出了投影光路29與特殊棱鏡27及微顯示器件28的離軸角度。由于微顯示器件以固定角度實現其ON、OFF狀態(tài)，當投影光軸與特殊鏡、微顯示器件光軸為0∽15°任何角度時，在ON狀態(tài)，微顯示器件微反射鏡受光路信號驅動，旋轉+12°，此時經特殊棱鏡27反射的光線則沿投影鏡頭29的光軸進入鏡頭；在OFF狀態(tài)，經微顯示器件反射的光線則以更大的角度偏離投影鏡頭光軸，從而實現顯示圖像的高對比度性能。
圖6進一步說明了特殊棱鏡27的作用，當遠心照明系統(tǒng)的平行光60以一定角度入射到棱鏡的第一表面2701時，由于其折射作用使透過光線2702入射到微顯示器件28表面。當微顯示器件微反射鏡以+12°時，反射光線61則以與入射光線60一定角度方向射出。當微反射鏡處于ON/OFF狀態(tài)時，其上微反射鏡分別旋轉+12°/-12°，反射光線61與投影光軸62會有一微小角度偏離，其離軸角度為-3°＜β＜3°。
圖7給出了特殊棱鏡27實現入射、反射光軸分離的情形。
微顯示器件為ON狀態(tài)時，反射光線完全進入投影鏡頭29；微顯示器件為OFF狀態(tài)時，反射光線以更大角度偏離投影光軸而不進入投影鏡頭。
圖8是一種特殊透鏡結構，其功能等效于特殊棱鏡。該特殊透鏡結構117，其功能與特殊棱鏡27相同，可實現微顯示器件ON/OFF狀態(tài)時反射光路的有效分離。它與特殊棱鏡27的差別是特殊棱鏡27的通光面為曲面，而特殊透鏡117的兩個通光表面1171和1172為曲面，或是其中一表面為曲面，一表面為平面。
權利要求
1.一種用于投影系統(tǒng)的光學結構，其特征在于其包括一光源，產生照明光束；一微顯示器件，用于調制來自于光源的照明光束，并形成用于投影放大的反射圖像光斑；一特殊棱鏡，位于投影鏡頭、微顯示器件之間，它使來自于照明光源的照明光束會聚于其前面的平面，使以一定角度的照明光束進入微反射器件表面，并使反射光束射入投影鏡頭，實現入射與反射光路分離；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，實現圖像顯示。
2.根據權利要求1所述的用于投影系統(tǒng)的光學結構，其特征在于照明光束與特殊棱鏡的前平面之間的角度大于20度小于50度。
3.根據權利要求1所述的用于投影系統(tǒng)的光學結構，其特征在于該特殊棱鏡是楔形棱鏡結構，其平面一側與微顯示器件表面相鄰，照明系統(tǒng)光束要經過此楔形棱鏡進入微反射顯示器件，經微反射器件形成的圖像也要經過此楔形棱鏡。
4.根據權利要求3所述的用于投影系統(tǒng)的光學結構，其特征在于楔形棱鏡的最小錐角在0到15度之間。
5.根據權利要求1所述的用于投影系統(tǒng)的光學結構，其特征在于微顯示器件和鏡頭光軸的夾角0＜θ＜15度。
6.根據權利要求4所述的用于投影系統(tǒng)的光學結構，其特征在于從微顯示器件出射的光線經過楔形棱鏡和鏡頭主光線角度β小于-3∽3度。
7.根據權利要求1所述的用于投影系統(tǒng)的光學結構，其特征在于特殊棱鏡可用曲面為二分之一的特殊透鏡替換。
8.根據權利要求1所述的用于投影系統(tǒng)的光學結構，其特征在于該結構還包括濾色鏡，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，用于調整光導管輸出光斑并使其光學系統(tǒng)與燈泡數值孔徑相匹配，并使該光斑輸出至微顯示器件，其包括第一片透鏡，用于消除由于光線造成的光學球差及子午與弧矢光路的聚焦差異，及第二片透鏡，用于進行聚焦；
9.根據權利要求7所述的用于投影系統(tǒng)的光學結構，其特征在于特殊透鏡的兩個通光表面至少一個表面為曲面。
10.根據權利要求8所述的用于投影系統(tǒng)的光學結構，其特征在于該結構依次包括有光源，提供白色寬帶的可見光，并會聚于色輪；色輪，由藍色、綠色和紅色的濾色片組成，光線通過轉動色輪后，按一定的時序依次產生紅色、綠色和藍色的單色光束；光導管，光束進入光導管，在光導管的作用下，產生一個均勻性好具有一定寬高比的長方形光斑；然后進入聚光延遲透鏡，聚光延遲透鏡，包括第一聚光透鏡，第二聚光透鏡和延遲透鏡，它們使得照明系統(tǒng)的光斑大小，與微顯示器件的相對孔徑相匹配；微顯示器件，從延遲透鏡出射的光線通過特殊透鏡入射到微顯示器件上，反射鏡，使光線改變光路方向，使得光路系統(tǒng)體積減小；特殊透鏡，在光路中能有效的分開照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)之間的夾角，使得照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)在滿足光學孔徑要求下，入射和反射光路發(fā)生分離；投影鏡頭，該鏡頭將光線放大投影到屏幕上。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于投影系統(tǒng)的光學結構，其包括有一光源，產生照明光束；一微顯示器件，用于調制來自于光源的照明光束，并形成用于投影放大的反射圖像光斑；一特殊棱鏡，位于投影鏡頭、微顯示器件之間，它使來自于照明光源的照明光束會聚于其前面的平面，使以一定角度的照明光束進入微反射器件表面，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，實現圖像顯示。利用特殊棱鏡來替代傳統(tǒng)設計的TIR棱鏡的設計方案，簡單且低成本的實現了微顯示反射器件對光學系統(tǒng)的要求，通過反射鏡的使用也能有效的縮小光學系統(tǒng)的體積。本發(fā)明的投影顯示光學結構，利用較少的光學元件，減少由光學元件表面引起的損耗，有利于提高光學系統(tǒng)的亮度。
文檔編號H04N5/74GK1842149SQ20051008867
公開日2006年10月4日 申請日期2005年8月1日 優(yōu)先權日2005年8月1日
發(fā)明者王芳芹, 詹達舉 申請人:斯曼特技術有限公司