CN100478737C - 一种具有全反射棱镜的投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有全反射棱镜的投影系统，该系统包括：一光源，产生光束；一TIR棱镜结构，将入射光束反射后进入DMD器件，然后反射光进入投影镜头，实现前投影显示要求。采用了特殊的光路分离棱镜，它的全反射的光学表面将照明系统来的光线全反射到微显示器件DMD中，而经旋转微镜反射的光线穿过投影镜头，并将其投影到显示屏幕上。本发明的结构简单，无需全反射折转反射镜及第二延迟透镜，光强损失较少，光学效率提高。

Description

一种具有全反射棱镜的投影系统

技术领域

本发明涉及电视机显示屏的光学器件，准确地说是一种用于数字微反射镜器件的全内反射棱镜光学棱镜系统及采用该棱镜系统的投影显示系统。

背景技术

随着计算机及信息显示技术的发展，出现了众多的新型显示技术，如DLP、LCOS、CRT、LED等等，不仅如此，作为投影显示器件，其画面质量性能能否具有高分辨率、高对比度、高亮度及低价格等特征的全新产品，并为消费市场所乐于接收，已成为本领域研发的重要课题。

通常，在DLP反射式投影系统中采用了微反射镜结构器件，这种微反射镜结构显示器件是由许多微小反射镜组成，每一微反射镜受CMOS单独控制，它可以独立旋转运动，是显示画面中的每一象素单元。在无驱动状态下，微反射镜是平坦的，当有光线照射时，它则以绕其固定轴并以固定的角度倾斜，此时为开(ON)状态；当无光照射时，它则绕其固定轴并以相同的固定角度作相反方向的倾斜，此时为关(OFF)状态；这些上百万的微反射镜在一定象素电信号驱动下，会形成具有一定灰度信息的图像信号，经投影镜头放大投影，即可投射到投影屏幕上，实现图像再现显示。

现用的数字微反射镜器件(Digital Micromirror Devices，简称DMD)投影光学系统采用的是全内反射棱镜(Total Internal Reflectivity，简称TIR)光学棱镜系统，如图1所示，为现有投影装置的光学投影系统示意图。图1为单片显示投影系统，其中光源10由灯芯101与反射杯102组成，并产生光束103，该光束经反射杯102反射聚焦后，通过一滤色装置---色轮(color wheel)11，色轮11由顺序排列的红、绿、蓝滤色片组成，当色轮按一定方式驱动时，从光源发射的光束103按照设计的红、绿、蓝顺序，依次通过色轮11，并通过光导管(light Pipe)12，光束在光导管内多次反射，在光导管的出口处，即可形成具有一定形状与均匀性的光斑，再经聚光镜13及延迟透镜14后，经折转反射镜15，再经延迟透镜16后进入棱镜系统17。棱镜17由具有内全反射特征的棱镜1701和1702组成，当光源的光束经1701的全反射面时，光束被全反射至数字微反射镜显示器件18(DMD)。当入射光照射到微反射镜时，DMD上微反射镜将以固定的角度旋转，并使入射光线全反射并进入投影镜头19，一定亮度的图像则在投影屏幕上显示出来；反之，当没有光线照射到DMD微反射镜时，它则会以相同大小但方向相反的角度倾斜，从而使光线偏离投影镜头，屏幕则显示黑暗状态。

然而，由于前述现有装置由光源101产生的照明光束103，在进入投影镜头19之前，需经过色轮、光导管、聚光镜、延迟透镜、折转反射镜、全反射棱镜(TIR)，最后进行DMD微反射器件，光线进入每个光学器件时，均有部分光束被反射而损失。在以物理光学为基本结构的光学系统，光学元器件的数量多少，会直接影响到光学效率的多少，进而直接关系到屏幕亮度的大小。然而，采用上述传统TIR棱镜结构的光路结构，在光路中需要有折转反射镜来将光源来的光束引导至全反射TIR棱镜中，这样会损失2％左右的反射光。

而且，由于大角度反射镜缘故，在反射镜之后，需加一透镜对照明光斑整形，以适合DMD对光斑需求，但这又会使照明光束损失约2％左右。

而且，由于DMD固定在TIR棱镜系统的下表面部位，也就是处于三面体棱镜的短边方向，这会使得棱镜尺寸较大。

综上所述，现有光学系统由于光学元器件较多，使得光学系统的光效率较低，只达到11.23％左右，而且，光学部件的数量多及TIR棱镜的大尺寸，使整个光学系统体积增大，从而使投影产品难以满足体积小、重量轻、性能优及薄型化的要求，从而失去更多的潜在市场。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有全反射棱镜的投影系统，通过减少光学元器件数量，以减少光线透过率损失，从而提高系统光学效率。

本发明的另一目的在于利用一特殊结构的TIR棱镜，将灯泡发射的光束经光轴传输后，进行全反射并经二次反射进入DMD微显示器件，从而减小折转反射镜造成的光强损失，提高投影画面亮度。

本发明的另一目的在于提供一种具有全反射棱镜的投影系统，通过TIR棱镜设置适当位置，缩小整个光学投影系统体积。

本发明的另一目的在于提供一种具有全反射棱镜的投影系统，简化光学系统零件，降低成本。

本发明的另一目的在于提供一种具有全反射棱镜的投影系统，该系统在DMD关状态的光线并不进入投影镜头，从而可以有效的提高系统的对比度。

本发明是这样实现的：

一种具有全反射棱镜的投影系统，该系统包括：一光源，产生光束；一TIR棱镜结构，将入射光束反射后进入DMD器件，然后反射光进入投影镜头，实现前投影显示要求。

具体地说，本发明的具有全反射棱镜的投影系统，其包括：一光源，产生光束；一TIR棱镜，该棱镜位于光源、微显示器件之间，具有全反射界面，以实现光路转换；一微显示器件，接收来自光源的光束；一投影镜头，位于微显示器件的反射光路上，接收反射光并投影到屏幕上，实现图像显示。

更进一步说，本发明所述的TIR棱镜具有第一表面、第二表面、第三表面，第二、第三表面具有全反射界面，光源发出的光线经棱镜第一表面，以大于全反射临界角入射至全反射界面，通过全反射，将光线反射出第一表面，射入具有ON-OFF状态的微显示器件，经微反射镜全反射，再将光线反射至TIR棱镜，透射射入投影镜头，形成投影画面。

更具体地说，光源、微显示器件及投影镜头之间，放置棱镜一及棱镜二，棱镜一与棱镜二组成具有全内反射功能的TIR棱镜，其中光源设在棱镜远离全反射面的一侧，微显示器件与投影镜头则分别设置于TIR棱镜的两侧，构成本发明的投影系统。

棱镜一与棱镜二的特定面以微小空气间隙彼此胶合。所谓的特定面是指不用于光线反射的拼接表面。

棱镜一包括：入射表面，它与入射光轴垂直，用于接收来自照明系统的入射光；反射表面，它与入射光轴成一定角度倾斜，用于将入射至第一棱镜的入射光在棱镜内部全反射，并使其按一定方向输出至输出表面；输出表面，它将经过全反射之后的光线输出并投射至DMD表面。

棱镜二包括：入射表面，与第一棱镜的特定面胶合，用于输出从DMD反射并经第一棱镜输出的光线；输出表面，用于输出经入射表面透射的光束。

棱镜一，用于接收从照明系统输出的光束，从而以一定的角度反射该光束，输出反射光束，并将该反射光束透射到DMD表面，而且根据对DMD的控制将该反射光束全反射并输出；和棱镜二，与上述棱镜一匹配补偿，用于接收棱镜一的输出光并将其透射输出。

准确地说，上述的棱镜一具有第一表面、第二表面和第三表面，第一、第二表面相交，二者相交成锐角的结构，光源发出的光束照射并经过第一表面进入棱镜一，穿过第一表面至其第二表面，并以大于全反射临界角的角度全反射至棱镜一的第三表面，经第三表面全反射射到微显示器件DMD上，按照DMD的工作原理，DMD将上述光线反射，并经棱镜二的出射表面进入投影镜头。

上述的第一表面与第二表面相交成的角度为锐角。

上述的棱镜二具有补偿作用，它具有一个补偿面，该补偿面与棱镜一的全反射表面第三表面相邻，经DMD反射回来的光线以小于全反射角度的入射角度进入此棱镜。

第一表面与照明系统光轴相垂直，第二表面与第三表面则与光轴成一定角度，它可以保证照明光束更好的在第二表面及第三表面发生全反射，同时保证经过两次反射的光束入射至DMD表面，实现理想的全反射作用。

上述的棱镜一具有两个全反射面，即第二表面和第三表面，这两个全反射面具有严格的角度要求，其角度θ则满足斯涅尔定律，θ＝arcsin(1/n)。

所述的具有全反射棱镜的投影系统，其TIR棱镜由棱镜一和棱镜二两个棱镜组成，且该两个棱镜通过光学胶合拼接于一起，棱镜一的剖面是三角形，也可是四边形，其中，其对应于光学投影系统的第一表面是垂直于光线方向的，即光线从第一表面垂直照射于棱镜一上，第一表面邻接有第二表面，第一表面和第二表面都是全反射表面，棱镜二的出射表面对应于投影镜头，并平行于投影镜头。

所述的照明系统包括：滤色镜，接收并滤去来自光源的为系统所不需要的紫外与红外波段的光束；色轮，用于接收从光源发射的一定波长的光谱，按一定顺序产生与图像信号对应的一定颜色的光束；光导管，用于接收从色轮输出的光束，并将光源正态分布光谱转换成具有一定宽高比尺寸及一定亮度均匀性的光斑；聚光透镜，用于调整光导管输出光斑并使其光学系统与灯泡数值孔径相匹配，并使该光斑输出至TIR棱镜。

所述的光源系统由灯芯和反射灯杯组成，光源产生光束，反射杯内表面镀有全反射膜，它是椭圆型结构，灯芯处于椭圆的焦点位置，反射杯将灯芯发出的光束反射。

所述的微显示器件是微反射镜器，微反射镜器件包括具有一定间隙并且可以一定角度旋转的微小反射镜。

微反射器件特征为：用于接收全反射TIR棱镜系统的输出光束，并根据光束灰度级使该光束从TIR棱镜输出；DMD微反射镜具有三种状态，在无信号驱动状态，其处于自由状态，此时光路无任何图像信号输出；受驱动信号电平不同，微反射镜具有两个不同的旋转状态，在高亮度光束时，有亮度信号输出；在低灰阶信号时，无信号输出。

在本发明中，采用了具有两个特殊的光路分离棱镜，它的全反射的光学表面将照明系统来的光线全反射到微显示器件DMD中，而经旋转微镜反射的光线穿过投影镜头，并将其投影到显示屏幕上。虽然在光线传输过程中会有光强损失，但本发明的结构简单，无需全反射折转反射镜及第二延迟透镜，因此光强损失较少，光学效率提高，在本发明的实施中的光学效率可达约12.55％。

而且本发明通过对棱镜的改进，在投影系统中省略了原有的反射镜及第二延迟透镜，结构简化，缩小了整个光学投影系统体积，成本也得到降低。

本发明还有另外的一个优点，就是由于经DMD关状态的光线并不经过第二补偿棱镜，因此它并不进入投影镜头，从而可以有效的提高系统的对比度。

附图说明

图1为现有技术投影显示光学系统示意图；

图2为现有技术所采用的全反射棱镜结构图；

图3为本发明第一实施例的光学系统图；

图4为本发明第一实施例中的全反射棱镜结构示意图；

图5为本发明第二实施例的光学系统结构示意图；

图6为本发明第二实施例的全反射棱镜结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施。

请参阅图3，本发明第一实施例投影显示装置的投影系统300，主要是在光源301、微显示器件36及投影镜头37之间，放置一棱镜351(第一棱镜，也是棱镜一)与352(第二棱镜，也是棱镜二)，棱镜351与352组成的胶合棱镜组TIR棱镜35，其中光源设在棱镜远离全反射面的一侧，微显示器件36与投影镜头37则分别设置于棱镜的两侧，即第一表面3501与出射表面3505(结合图4)，构成一投影系统。

本实施例的投影系统300的光源系统30由灯芯301和反射灯杯302组成，光源产生光束303，反射灯杯302内表面镀有滤紫外和红外波光的全反射膜，它是椭圆型结构，灯芯301处于椭圆的第一焦点位置，反射灯杯302将灯芯301发出的光束反射，并沿反射路径将其会聚在椭圆第二焦点位置并使其会聚成一定大小尺寸的光斑。

色轮31靠近光斑位置，色轮是由一定顺序排列的红、绿、蓝三色滤色波片组成。色轮由无刷电路驱动马达驱动，并按顺序制式分离光源的红、绿、蓝三色光，以使其与显示图像的场频相对应。

经过色轮的顺序制式光束以一定角度依次进入光导管32，光导管具有全反射内表面，光束在其内表面产生全反射，经过多次反射，将光源的正态分布光斑形成一适合DMD36显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。当然，光斑大小与DMD36有效微镜尺寸大小相适应，光导管的截面积是以考虑最大光学效率和最佳尺寸为设计目的。

经会聚透镜33及延迟透镜34后，光束经平行于光轴方向并以垂直于第一表面的角度照射并经过第一表面3501进入第一棱镜351(棱镜一)，穿过棱镜至第二表面3502，并以大于全反射临界角的角度全反射至棱镜的第三表面3503，经第三表面3503全反射射到微显示器件DMD36上，按照DMD的工作原理，DMD36将上述光线反射，并经第二棱镜352(棱镜二)的入射表面3504及出射表面3505进入投影镜头形成具有一定图像信息的投影画面。

参考图4的TIR棱镜35，它由第一棱镜351与第二棱镜352之间设有一空气间隙胶合而成，其中第一棱镜351具有两个全反射面(3502面和3503面)，全反射面具有严格的角度要求。假设棱镜材料为BK7，在波长为587nm时的的折射率为n＝1.5168，其角度θ则满足斯涅尔定律，θ＝arcsin(1/n)：

θ＝arcsin(1/n)＝41.25°

调整入射光线的入射角度，(它可以使进入棱镜光线的入射角度大于此角度从而满足全反射条件。经照明系统的入射光垂直进入第一表面后，在第二表面3502进行全反射，并垂直入射到第三表面3503，光线经过两次反射后射入DMD微反射镜片，受入射光照射，微反射镜旋转+12°，此时照明系统的F数为2.4。经微反射镜全反射后的光线，沿入射光轴方向垂直穿过第二棱镜352，投射到投影镜头37。

需要特别说明的是，第二棱镜352还具有补偿作用，它具有一个补偿面3504，该补偿面3504与第一棱镜351的全反射表面3503相邻(空气间隙胶合留下的微小间隙使该补偿面能够充分地发挥补偿作用)，经DMD反射回来的光线以小于特定角度的入射角度进入第二棱镜352，此时，它可经校正从DMD与照明系统的大角度的光束，从而减小画面畸变和光学像差。

棱镜材料一般为ZF57材料，当然，除ZF57材料之外，其它棱镜材料也可用于本发明中。

第一表面3501与照明系统光轴相垂直，第二表面3502与第三表面3503则与光轴成一定角度，它可以保证照明光束更好的在第二表面3502及第三表面3503发生全反射，同时保证经过两次反射的光束入射至DMD表面，实现理想的全反射作用。

光线经过第一表面3501进入棱镜后在第二表面3502发生全反射，穿过第一棱镜351在第三表面3503再次全反射，光线穿过第一表面3501直接进入DMD36并反射回来后形成具有一定图像信息的光电信号，此时DMD的微反射镜为开状态(ON)，数字微镜沿其轴向旋转12°。入射光轴与微镜面方向成12°，则沿微镜全反射方向反射进入第二棱镜。另一方面，当微镜为关状态(OFF)时，也就是微镜向相反方向旋转12°时，经微镜反射的的光线则向相反方向进入第二棱镜，并经补偿面3504与出射表面3505，折射偏离投影镜头入口处而不进入镜头，对成像无贡献。

光线入射的第一表面3501与DMD36相对，另一出射表面3505则与照明系统的出口相对，因此经前述的处理均匀化后形成的光斑照射到第一表面3501面后，经过两次全反射后直接进入DMD表面，再次反射后的光线则遵守光学折射定律角度直接穿透第二棱镜352，并经表面3504和3505直接进入投影镜头37。

投影镜头37在TIR棱镜35与投影屏幕(位于投影镜头后续的设备，故未标注)之间，它将TIR棱镜35在开状态(ON)时从DMD上来的光线放大并投影到屏幕上，形成投影画面。

如上所述，为本发明所述的具有全反射棱镜的投影系统工作原理及过程。本发明中，采用了具有两个特殊角度的光路分离棱镜，它的两个光学表面将照明系统来的光线全反射到微显示器件DMD中，而经旋转微镜反射的光线穿过投影镜头，并将其投影到显示屏幕上。虽然在光线传输过程中会有光强损失，但本发明光路结构比现用的结构来讲，无需全反射折转反射镜及第二延迟透镜，因此光强损失较少，光学效率提高，使本实施例中的光学效率可达约12.55％；本发明还有一优点，就是由于经DMD关状态的光线并不经过第二补偿棱镜，因此它并不进入投影镜头，从而可以有效的提高系统的对比度。

此外，如图4所示，本实施例光源发出的光线311是直接射入TIR棱镜35的，不仅缩小了光程，减少光强损失，而且使整个光学系统的体积大大缩小，有利于更小型化产品实现。在光路设计中，可使棱镜体积更小，两个棱镜胶合，使其满足微显示所需要的光斑尺寸外，在配合上尽量减小尺寸，从而减小背焦距离，降低投影镜头的体积与成本。

请参考图5，为本发明的第二实施例，其中照明系统与实施一的结构基本相同，但是用于光路分离的全反射棱镜结构则不同，其主要原因是DMD位于灯源照明系统的另一侧，而投影镜头则与照明光源位于同一方向。

再结合图6，图6为本发明第二实施例的TIR棱镜结构图。TIR棱镜45由第一棱镜451与第二棱镜452组成，二者之间设有一空气间隙并胶合而成，其中第一棱镜451具有两个全反射面4502和4503，这个全反射面具有严格的角度要求，它满足前述的全反射定律斯涅尔定律的要求，可以使进入棱镜光线的入射角度大于此角度从而满足全反射条件，光线经过两次反射后射入DMD微反射镜片，受入射光照射，微反射镜旋转+12°，经微反射镜全反射后的光线，以小于棱镜特定角度而垂直穿过第二棱镜452，直到投影镜头47。需要特别说明的是，第二棱镜452具有补偿作用，它具有一个补偿面4505，它与第一棱镜451的全反射表面4503相邻，经DMD反射回来的光线以小于特定角度的入射角度进入此补偿第二棱镜452，它可经校正从DMD与照明系统的大角度的光束，从而减小画面畸变和光学像差。

第一表面4501与照明系统光轴相垂直，第二表面4502与第三表面4503表面则与光轴成一定角度，它可以保证照明光束更好的在第二表面4502及第三表面4503发生全反射，使反射后光线与入射光轴平行，同时保证经过两次反射的光束入射至DMD46表面，实现理想的全反射作用。

光线经过第一表面4501进入棱镜后在具有严格角度的第二表面4502面发生全反射，穿过第一棱镜451再次在第三表面4503发生全反射，光线穿过第四表面4504后经DMD46反射回来后形成具有一定图像信息的光电信号，此时DMD的微反射镜为开状态(ON)，进入第二表面4502与第三表面4503入射角大于棱镜本身的角度。另一方面，从关状态(OFF)反射来的光线对成像无贡献，它会在穿过补偿第二棱镜452的出射表面3503、第二棱镜第四表面4504后直接偏离出补偿面4505表面而不进入投影镜头。

与第一实施例不同的是入射光学表面4501与照明系统相对，另一面第三表面4504(出射表面)则与DMD相对，因此从前述的照明系统经均匀化后的光斑照射到第一表面4501后，经过两次全反射后从第四表面4504面出来直接进入DMD表面，经反射后的光线以小于严格角度的入射角直接穿透第二棱镜452，并经第二棱镜452的光学表面4506直接进入投影镜头47。

图3、图4所示的第一实施与图5、图6所示的第二实施例各有特点，它们的具体的TIR棱镜结构不同，因此光学投影系统有所不同。与现有的光学结构相比，第一实施例与第二实施例的系统光学效率比较高，而且在对比度性能、系统尺寸、重量等都具有一定的优势；从二个实施例本身来讲，第一实施例在投射比性能上较有优势，它更适合于背投影应用；第二实施例则在体积上更占优势，更适合于前投影应用场合。

Claims (5)

1、一种具有全反射棱镜的投影系统，该系统包括：一光源，产生光束；一TIR棱镜，该棱镜位于光源、DMD器件之间，具有全反射界面，以实现光路转换；所述DMD器件，接收来自光源的光束；一投影镜头，位于DMD器件的反射光路上，接收反射光并投影到屏幕上，其特征在于所述的TIR棱镜具有第一表面、第二表面、第三表面，第二、第三表面具有全反射界面，光源发出的光线经棱镜第一表面，以大于全反射临界角入射至全反射界面，通过全反射，将光线反射出第一表面，射入具有ON-OFF状态的DMD器件，经DMD器件全反射，再将光线反射至TIR棱镜，透射入投影镜头，形成投影画面。

2、如权利要求1所述的具有全反射棱镜的投影系统，其特征在于光源、DMD器件及投影镜头之间，放置棱镜一及棱镜二，棱镜一与棱镜二组成具有全内反射功能的所述TIR棱镜，其中光源设在棱镜远离全反射界面的一侧，DMD器件与投影镜头则分别设置于TIR棱镜的两侧，棱镜一，用于接收从光源输出的光束，从而以一定的角度反射该光束，输出反射光束，并将该反射光束透射到DMD表面，而且根据对DMD的控制将该反射光束全反射并输出；棱镜二，与棱镜一匹配补偿，棱镜二具有一个补偿面，棱镜一具有所述第一表面、第二表面和第三表面，该补偿面与棱镜一的全反射表面第三表面相邻，用于接收棱镜一的输出光并将其透射输出；棱镜一的第一、第二表面相交，二者相交成锐角的结构，光源发出的光束照射并经过第一表面进入棱镜一，穿过第一表面至其第二表面，并以大于全反射临界角的角度全反射至棱镜一的第三表面，经第三表面全反射射到DMD器件上。

3、如权利要求1所述的具有全反射棱镜的投影系统，其特征在于第一表面与照明系统光轴相垂直，第二表面与第三表面则与光轴成一定角度。

4、如权利要求2所述的具有全反射棱镜的投影系统，其特征在于上述的棱镜一具有两个全反射面，即第二表面和第三表面，这两个全反射面具有严格的角度要求，其第一表面和第二表面的夹角θ则满足斯涅尔定律，θ＝arcsin(1/n)。

5、如权利要求1所述的具有全反射棱镜的投影系统，其特征在于TIR棱镜由棱镜一和棱镜二两个棱镜组成，且该两个棱镜通过光学胶合拼接于一起，棱镜一的剖面是三角形，也可是四边形，其中，棱镜一具有所述第一表面、第二表面和第三表面，棱镜一对应于所述的第一表面是垂直于光线方向的，即光线从第一表面垂直照射于棱镜一上，第一表面邻接有第二表面，第三表面和第二表面都是全反射表面，棱镜二的出射表面对应于投影镜头，并平行于投影镜头。

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