專利名稱：圖象投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖象投影系統(tǒng)，該系統(tǒng)依次包括照明系統(tǒng)、至少有一個用于調(diào)制的反射式圖象顯示板的圖象顯示系統(tǒng)、由照明系統(tǒng)提供的帶有圖象信息的照明光束和投影透鏡系統(tǒng)。
在開始一段中所述類型的圖象投影系統(tǒng)是公知的，例如可以從歐洲專利申請US5,905,545中獲知。在該說明書中描述的圖象投影系統(tǒng)包括一個用于提供照明光束的照明系統(tǒng)，和帶有一個反射式圖象顯示板的圖象顯示系統(tǒng)，其中反射式圖象顯示板用于調(diào)節(jié)與要投影的圖象信息相符的光束。顯示板例如可以是一種帶有反射式數(shù)字光開關(guān)二維陣列的數(shù)字微反射鏡顯示器(DMD)，反射式數(shù)字光開關(guān)由電極驅(qū)動。每個象素的小反射鏡用于通過改變反射鏡的角度來開啟或斷開象素。DMD的象素可以在控制的顯示時間內(nèi)維持它們的“開”或“關(guān)”狀態(tài)。為了實現(xiàn)介于白和黑之間的照明水平，采用脈寬調(diào)制技術(shù)。在反射式DMD投影系統(tǒng)中，被顯示板調(diào)制的必定導(dǎo)致圖象中暗象素的光部分被反射開關(guān)偏轉(zhuǎn)離開光路，在光學(xué)系統(tǒng)中被吸收并因而損失。這樣的代價是圖象的亮度峰值降低。
本發(fā)明的目的在于提供一種圖象投影系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中可以實現(xiàn)一種較高峰值的亮度。
此目的通過本發(fā)明的圖象投影系統(tǒng)實現(xiàn)，其特征在于照明系統(tǒng)包括一個外部光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由圖象顯示系統(tǒng)反射到照明系統(tǒng)的光至少部分地再照射圖象顯示系統(tǒng)，外部光學(xué)系統(tǒng)包括用于重新分布穿過圖象顯示系統(tǒng)的多個象素的來自圖象顯示系統(tǒng)象素的光的裝置。
本發(fā)明涉及一種反射式投影系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中光入射到顯示板上，并在投射之前被顯示板調(diào)制。本發(fā)明以識別為基礎(chǔ)，被代表圖象中暗態(tài)或灰色象素的象素調(diào)制的光偏離光路并在顯示系統(tǒng)中不被吸收，并再向光學(xué)顯示器的入口發(fā)送，由此復(fù)原。此光束也有入射到代表一個亮態(tài)象素的象素上的機會。在上述的圖象投影系統(tǒng)中，用于暗態(tài)或灰色象素的光因而不會損失，反而可以再利用。另外，為了防止在再利用期間重影圖象的出現(xiàn)，給照明系統(tǒng)配置用于重新分布光的裝置。
根據(jù)本發(fā)明圖象投影系統(tǒng)的優(yōu)選實施例，其特征在于外部光學(xué)系統(tǒng)包括一個透鏡元件和一個光纖，透鏡元件位于反射式圖象顯示板的一個元件和光纖的入口之間，用于把反射光集中到光纖中。通過這種方式，不用于形成投影圖象的反射光可以有效地傳播回到照明系統(tǒng)。光纖中的內(nèi)全反射重新分布復(fù)原的光。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影系統(tǒng)的另一實施例，其特征在于外光纖系統(tǒng)包括一個光楔，用于合并來自輻射源的光和從反射式圖象顯示板反射的光。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影系統(tǒng)的另一實施例，其特征在于外部光學(xué)系統(tǒng)包括一個用于接收來自反射式圖象顯示板元件的光的積分棒，和一個位于積分棒一側(cè)的用于把接收到的光反射回圖象顯示板的反射裝置。在這種方式中，積分棒用作非成象反射鏡裝置，在圖象顯示裝置上均勻地分布光，以致于減少投影圖象中的小畸變。
根據(jù)本發(fā)明的圖象投影系統(tǒng)的另一實施例，其特征在于圖象投影系統(tǒng)包括另一個反射式圖象顯示板，用于調(diào)制照明系統(tǒng)提供的第二光束，外部光學(xué)系統(tǒng)包括一種合并來自反射式圖象顯示板和另一反射式圖象顯示板的光的裝置。例如，二向色鏡可以用于把來自各個反射式圖象顯示板的不同顏色的光合并成一個可以指向照明系統(tǒng)的單光束。
本發(fā)明的其它方面通過參考下面的實施例將變得更加清晰。
在附圖中

圖1表示根據(jù)本發(fā)明圖象投影系統(tǒng)的第一實施例；圖2表示包括兩個積分棒的圖象投影系統(tǒng)的第二實施例；和圖3表示包括兩個反射式圖象顯示板的圖象投影系統(tǒng)的第三實施例。
圖1中所示的圖象投影系統(tǒng)1包括一個提供照明光束的照明系統(tǒng)3。照明系統(tǒng)3包括一個輻射源5和一個反射器7。反射器7至少部分地包圍輻射源5并確保在遠(yuǎn)離系統(tǒng)的方向上輻射源發(fā)出的光的大部分都到達(dá)系統(tǒng)。
照明系統(tǒng)3產(chǎn)生的照明光束入射到顯示系統(tǒng)，并受到與待顯示的圖象信息相符的調(diào)制，為簡單起見，顯示系統(tǒng)用一個單圖象顯示板23代表。由顯示板調(diào)制和反射的光通過一個為清楚起見由單投影透鏡25表示的投影透鏡系統(tǒng)投影到屏幕(未示出)上。
在圖1中，來自照明系統(tǒng)3的光經(jīng)一個第二反射器9、第一光楔11、積分器系統(tǒng)13、第一透鏡15、折疊反射鏡17和第一及第二延遲透鏡19、21向反射式圖象顯示板傳播，反射式圖象顯示板例如是數(shù)字反射鏡顯示板(DMD)23。關(guān)于DMD裝置可以從美國專利US5,061,049中獲知。DMD圖象顯示板23的反射鏡根據(jù)施加到電極的電壓，把光既反射向投影透鏡25的出瞳，又反射到外部光學(xué)系統(tǒng)的入瞳。例如外部光學(xué)系統(tǒng)依次包括一個入口反射鏡27，一個第三延遲反射鏡29和一個第二光楔33。施加電壓按照與待顯示的圖象信息相符地控制DMD裝置的微反射鏡角度。DMD圖象顯示板23的反射鏡可以設(shè)置成兩種不同的狀態(tài)，即開通狀態(tài)和斷開狀態(tài)。反射鏡的開通態(tài)例如位于相對于DMD圖象顯示板23的法線10度的位置，反射鏡的斷開態(tài)例如位于相對于法線-10度的位置。在開通狀態(tài)中，以相對于法線20度的角度入射到DMD圖象顯示板23的反射鏡上的光束在與法線重合的方向上反射。在斷開狀態(tài)中，以20度的角度入射到DMD圖象顯示板23的反射鏡上的光束在與法線成40度的角度反射。這種差異對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，足以確定系統(tǒng)中光學(xué)元件的尺寸、從而在反射鏡的開通態(tài)把光導(dǎo)向投影透鏡25的入瞳，并在反射鏡的斷開態(tài)把光導(dǎo)離投影透鏡的入瞳。本發(fā)明提出給照明系統(tǒng)配置一個外部光學(xué)系統(tǒng)，用于利用DMD圖象顯示板反射的光至少部分地重新照明DMD圖象顯示板23。這里的光涉及被圖象中的暗或灰象素代表的顯示元件反射的光。外部光學(xué)系統(tǒng)包括用于重新分布穿過多個顯示元件的光。在已知系統(tǒng)中，由這種顯示元件反射的光被DMD顯示板23從光路反射并因而喪失。在根據(jù)本發(fā)明的圖象投影系統(tǒng)中，光被恢復(fù)并另有一個入射到顯示元件的機會，導(dǎo)致圖象中的亮象素。實際操作時，在斷開態(tài)中入口反射鏡27把來自顯示板中代表圖象的暗象素的象素的光經(jīng)第三延遲反射鏡29和第二光楔33導(dǎo)向光集中系統(tǒng)13的入口。
或者，外部光學(xué)系統(tǒng)可以依次包括一個入口透鏡和一個光導(dǎo)向器，例如由塑料或玻璃制成的光纖。
在圖1所示的根據(jù)本發(fā)明的圖象投影系統(tǒng)實施例中，照明系統(tǒng)可以不僅包括一個輻射源和一個反射器，還可以包括一個積分系統(tǒng)。積分系統(tǒng)之后的第一透鏡15確保所有的再現(xiàn)圖象疊加在DMD圖象顯示板的平面中。
積分系統(tǒng)13包括一個第一透鏡片31和一個第二透鏡片35并確保顯示板23被均勻照明。關(guān)于有兩個透鏡片的積分系統(tǒng)的原理，參見美國專利US-A5,098,184的詳細(xì)描述。
不用兩個積分片，積分系統(tǒng)也可以包括一個棒狀積分器。照明系統(tǒng)通過棒內(nèi)側(cè)壁上的多次內(nèi)全反射二變得均勻。該棒例如可以是石英棒的形式。
顯示板例如是一種由紅、綠和蘭光連續(xù)照明的顯示板，它同時被具有相應(yīng)照明的顏色的圖象驅(qū)動。外部光學(xué)系統(tǒng)還可依次包括一個積分棒和一個反射裝置。參照圖2對包括這一外部光學(xué)系統(tǒng)的圖象投影系統(tǒng)進行討論。
圖2中所示的圖象投影系統(tǒng)1包括一個提供照明光束的照明系統(tǒng)3。照明系統(tǒng)3包括一個輻射源5和一個反射器7。反射器7至少部分地包圍輻射源5并確保輻射源在遠(yuǎn)離系統(tǒng)方向上發(fā)出的大部分光都到達(dá)系統(tǒng)。
照明系統(tǒng)3產(chǎn)生的照明光束入射到顯示系統(tǒng)上并受到與待顯示的圖象信息相符的調(diào)制，為簡單起見，顯示系統(tǒng)用一個單圖象顯示板23代表。被顯示板調(diào)制和反射的光通過一個為清楚起見由單投影透鏡25表示的投影透鏡系統(tǒng)投影到屏幕(未示出)上。
在圖2中，來自照明系統(tǒng)3的光經(jīng)一個積分系統(tǒng)，如石英棒13，、一對延遲透鏡40、42，一個孔徑光闌60，一個折疊反射鏡17，一個第三延遲透鏡62和一個內(nèi)全反射(TIR)棱鏡44向反射式圖象顯示板傳播，反射式圖象顯示板例如是DMD圖象顯示裝置23。DMD圖象顯示裝置23設(shè)計成兩種不同的狀態(tài)。在開通狀態(tài)中，DMD圖象顯示裝置23的反射鏡設(shè)計成以這種方式反射光束進入到TIR棱鏡44的反射光束透射到投影頭盔25。在斷開狀態(tài)中，DMD的反射鏡設(shè)計成把來自反射式圖象元件的入射光束反射回到入射的方向上。然后，光經(jīng)過TIR棱鏡44的界面反射回到照明系統(tǒng)3中。通過傾斜DMD圖象顯示裝置23，反射光束可以導(dǎo)向接近第一積分棒13的第二積分棒64的入口。第二積分棒64的其它入口配置有一個反射裝置，例如一個用于把反射的光束反射回到顯示系統(tǒng)的反射涂層66。第二積分棒64和反射涂層66是外部光學(xué)系統(tǒng)的一部分，用于把來自圖象顯示系統(tǒng)的象素并穿過DMD圖象顯示裝置23的象素的光重新分布，因此，圖象投影裝置的亮度峰值增大。延遲透鏡40、42、62設(shè)計成這樣的方式反射光束在與孔徑光闌68相同的平面上產(chǎn)生孔徑光闌70的象。另外，反射式DMD顯示板例如可以被紅、綠和蘭光連續(xù)照明，而顯示板23被具有相應(yīng)照明的顏色的圖象同時驅(qū)動。因此，照明系統(tǒng)3最好包括一個由電極39驅(qū)動的色輪37，用于交替地提供紅、綠和蘭光束。
圖象投影系統(tǒng)也可包括兩個或三個顯示板。圖3中表示了利用兩個顯示板的實施例。圖象投影系統(tǒng)包括一個照明系統(tǒng)，照明系統(tǒng)依次包括一個輻射源5，一個反射器7，一個光楔11，一個積分系統(tǒng)，例如一個光學(xué)棒13，一個內(nèi)全反射(TIR)棱鏡41，一個反射紅光范圍內(nèi)波長的輻射而通過綠光和蘭光范圍內(nèi)輻射的二向色鏡45，一個第一反射式圖象顯示板47和一個第二反射式圖象顯示板49，例如DMD圖象顯示板和投影透鏡25。另外，根據(jù)本發(fā)明，圖象投影系統(tǒng)包括一個外部光學(xué)系統(tǒng)，用于恢復(fù)照明系統(tǒng)中被第一和第二DMD圖象顯示板47、49反射的光。外部光學(xué)系統(tǒng)依次包括耦合透鏡51、53，諸如由玻璃或塑料制成的光纖的光學(xué)導(dǎo)向器55、61，和一個用于把分別來自第一和第二DMD圖象顯示板47、49的光合并成一個單光束的二向色鏡67。在操作中，來自照明系統(tǒng)3的光通過光楔11和一個由電極39驅(qū)動的交替提供黃色和品紅光束的旋轉(zhuǎn)色輪37耦合到積分系統(tǒng)13如光學(xué)棒中。光學(xué)棒13均勻地分布光束并把光束導(dǎo)向內(nèi)全反射(TIR)棱鏡41。因為入射光在TIR棱鏡41界面43處的角度大于臨界角，所以棱鏡把光反射向第一二向色鏡45。TIR棱鏡41相對于入射光位于可以通過DMD圖象顯示板47、49的反射鏡的旋轉(zhuǎn)作用適當(dāng)轉(zhuǎn)換的位置。第一二向色鏡45連續(xù)地把紅光范圍內(nèi)的波長反射向第一DMD圖象顯示板47，并且交替地把綠光和蘭光范圍內(nèi)的波長透向第二DMD圖象顯示板49。第一DMD圖象顯示板47通過經(jīng)給屏幕(未示出)上投影的投影透鏡25入瞳中的二向色鏡45和TIR棱鏡41或第一光纖55的入瞳57中的第一透鏡51的反射來與待顯示的圖象信息相符的調(diào)制紅光，其中第一光纖55用于恢復(fù)那些不用于投影的的光。第二反射式圖象顯示板49伴隨旋轉(zhuǎn)色輪37的同時與待顯示的圖象信息相符地交替調(diào)制綠光或蘭光。第二DMD圖象顯示板49的反射鏡的旋轉(zhuǎn)作用導(dǎo)引綠光或蘭光經(jīng)過用于在屏幕上投影的投影透鏡25入射光瞳中的第一二向色鏡45和TIR棱鏡41或用于恢復(fù)不用于投影的光的第二光纖61入射光瞳63中的第二透鏡53。光纖55、61傳輸紅光和綠光或蘭光回到照明系統(tǒng)。第二二向色鏡67合并出自第一光纖55輸出端59的紅光和出自第二光纖61的輸出端65的綠光或蘭光。合并的光然后通過光楔反饋到照明系統(tǒng)中。通過給圖象投影系統(tǒng)設(shè)置積分系統(tǒng)(13)和光學(xué)系統(tǒng)(51，53，55，61，67)，來自代表圖象中暗象素的象素的光將被恢復(fù)，與參考單DMD圖象顯示板的描述一樣，結(jié)果，投影圖象的亮度峰值增大。
代替用DMD圖象顯示板，根據(jù)本發(fā)明的投影系統(tǒng)中還可以采用另一個反射式圖象顯示板，例如，在美國專利US5,729,386中公開的一種手驅(qū)動的反射鏡陣列(AMA)圖象顯示板。
另外，也可以采用反射式液晶圖象顯示板。采用液晶顯示板時，照明系統(tǒng)應(yīng)提供一種偏振光束以照明顯示系統(tǒng)。另外，檢偏器必須位于液晶顯示板和投影屏幕之間。
注意到，積分系統(tǒng)可以省去以節(jié)省為圖象均勻性而互換的成本。
還應(yīng)注意，上述的實施例只是舉例說明而非限定性描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不脫離權(quán)利要求范圍的前提下設(shè)計出多種方案。
權(quán)利要求
1.一種圖象投影系統(tǒng)，依次包括一個照明系統(tǒng)和一個只是帶有一個用于調(diào)制的反射式圖象顯示板的圖象顯示系統(tǒng)，照明光束由具有圖象信息的照明系統(tǒng)和一個投影透鏡系統(tǒng)提供，其特征在于照明系統(tǒng)包括一個外部光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由反射圖象顯示板反射到照明系統(tǒng)的光至少部分地再照射圖象顯示系統(tǒng)，外部光學(xué)系統(tǒng)包括用于重新分布穿過圖象顯示系統(tǒng)的多個象素的來自圖象顯示系統(tǒng)象素的光的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的圖象投影系統(tǒng)，其中照明系統(tǒng)包括一個積分器系統(tǒng)，其特征在于外部光學(xué)系統(tǒng)包括一個透鏡元件和一個光纖，透鏡元件位于反射式圖象顯示板的一個元件和光纖的入口之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的圖象投影系統(tǒng)，其特征在于外部光學(xué)系統(tǒng)包括一個光楔，用于合并來自輻射源的光和從反射式圖象顯示板反射的光。
4.如權(quán)利要求1所述的圖象投影系統(tǒng)，其特征在于外部光學(xué)系統(tǒng)包括一個用于接收來自反射式圖象顯示板元件的光的積分棒，和一個位于積分棒一側(cè)的用于把接收到的光反射回圖象顯示板的反射裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的圖象投影系統(tǒng)，還包括一個用于調(diào)制照明系統(tǒng)提供的第二光束的反射式圖象顯示板，其特征在于外部光學(xué)系統(tǒng)包括一種合并來自反射式圖象顯示板和另一反射式圖象顯示板的光的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種圖象投影系統(tǒng)(1)。該系統(tǒng)包括一個照明系統(tǒng)(3),一個至少包含一個反射式圖象顯示板(23)的調(diào)制系統(tǒng)和一個投影透鏡系統(tǒng)(25)。系統(tǒng)包括一個光學(xué)系統(tǒng)(27,29,33),用于只是部分地恢復(fù)照明系統(tǒng)中偏離投影透鏡系統(tǒng)(25)的光。
文檔編號G02B27/18GK1322306SQ00802075
公開日2001年11月14日 申請日期2000年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月29日
發(fā)明者S·J·A·比爾惠岑, A·J·S·M·德瓦安 申請人:皇家菲利浦電子有限公司