CN101517456A - 投影显示器 - Google Patents

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CN101517456A CNA2007800347829A CN200780034782A CN101517456A CN 101517456 A CN101517456 A CN 101517456A CN A2007800347829 A CNA2007800347829 A CN A2007800347829A CN 200780034782 A CN200780034782 A CN 200780034782A CN 101517456 A CN101517456 A CN 101517456A
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Abstract

投影显示器包括：照明单元，辐射多个单色光束；第一扫描器，沿第一方向扫动从照明单元辐射的多个光束；光调制器，具有平行于第一方向布置的微机电***(MEMS)器件的线性阵列以便为每个像素开启或者关闭由第一扫描器扫动的光束；F－θ透镜，设置在第一扫描器和光调制器之间并且具有第一入瞳和第二入瞳，其中由第一扫描器扫动的光束入射到第一入瞳，由光调制器调制的光束入射到第二入瞳；以及第二扫描器，设置为与F－θ透镜的第二入瞳相对并且沿第二方向扫动穿过F－θ透镜的第二入瞳入射在屏幕上光束，其中第二方向与第一方向正交。

Description

投影显示器
技术领域
本发明的装置涉及投影显示器，其通过根据图像信息调制多个单束以及将被调制的束放大并投射到屏幕上来显示彩色图像，更具体地，本发明的装置涉及能够提供高通量的小型投影显示器。
背景技术
相关技术的投影显示器包括用于辐射光的照明单元、用于滚动从照明单元辐射的光的滚动单元(scrolling unit)、以及用于根据图像信息调制光的光调制器(light modulator)。液晶(LC)板或者数字微镜器件(DMD)板可以用作光调制器。根据所采用的板的数量，投影显示器被分为单板式投影显示器和三板式投影显示器。
单板式投影显示器包括用于发射白光的光源和用于按时序(timesequentially)将白光分离成红光、绿光和蓝光的滤色器。单板式投影显示器提供低的通量。三板式投影显示器包括用于发射白光的光源、用于将白光分离成红色束、绿色束和蓝色束的多个分色镜(dichroic mirror)、多个显示板以及合色器(color combiner)。然而，三板式投影显示器具有大量的组件并且因此体积较大。
转动螺旋式透镜(rotating spiral lens)或者转动棱镜用作滚动单元。然而，这样的转动螺旋式透镜的体积很大并且不会使尺寸缩小，而转动棱镜会引起颜色的恶化。
发明内容
本发明的示范性实施例提供一种小型的高通量投影显示器。
根据本发明的一个方案，投影显示器包括：照明单元，辐射多个单色光束；第一扫描器，沿第一方向扫动从照明单元辐射的多个光束；光调制器，具有平行于第一方向布置的微机电***(MEMS)器件的线性阵列，以便为每个像素开启(turn on)或者关闭(turn off)由第一扫描器扫动的光束；F-θ透镜，设置在第一扫描器和光调制器之间并且具有第一入瞳和第二入瞳，其中由第一扫描器扫动的光束入射到第一入瞳，由光调制器调制的光束入射到第二入瞳；第二扫描器，设置为与F-θ透镜的第二入瞳相对并且扫动穿过F-θ透镜的第二入瞳入射到屏幕上光束，其中第二方向与第一方向正交。
照明单元包括：多个激光光源；多个准直器(collimator)，使由激光光源发射的光束准直；以及X立方(X-cube)棱镜，改变被准直的光束的光路，使得光束被导向投影显示器的第一扫描器。
多个激光光源被设置为使得入射到第一扫描器上的相邻单色光束具有入射角差值Δθ。入射角差值Δθ根据像素节距被确定。
光调制器设置在F-θ透镜的焦平面上。
本发明的投影显示器有几个优点。一个优点是：与常规的单板式投影显示器相比，本发明的投影显示器利用比三板式投影显示器的数量少的光学组件，可以提供比三板式投影显示器高的通量。另一个优点是，本发明的投影显示器不经受振动或者几乎不经受振动并且由于不使用大体积的组件诸如转动棱镜而能够实现更小型的设计。
附图说明
本专利或者申请文件包括至少一个彩色附图。根据需要并支付必要的费用，本部将提供带有彩色附图的本专利或者专利申请出版物的副本。
通过参考附图详细描述本发明的示范性实施例，本发明的以上或者其他的特征和优点将变得明显易懂，附图中：
图1是示出根据本发明的示范性实施例的投影显示器的示意图；
图2A是根据本发明的示范性实施例，示出从另一个面观察的图1的投影显示器的示意图，图2B是图2A的投影显示器的一部分的放大图；
图3是根据本发明的示范性实施例，用于解释一个像素接一个像素滚动的束由图1中的投影显示器的光调制器调制而产生图像的原理的示意图；
图4示出根据本发明的另一个示范性实施例、具有带微镜的光调制器的投影显示器；
图5示出图4中示出的投影显示器的光调制器；
图6A和图6B是用于解释图5中示出的投影显示器的光调制器中的微镜开启光或者关闭光的原理的示意图；
图7示出根据本发明的另一个示范性实施例、具有带光栅元件的光调制器的投影显示器；
图8A和8B是用于解释图7中示出的光调制器中的光栅机电***(GEMS)开启光或者关闭光的原理的示意图；
图9示出根据本发明的另一个示范性实施例的投影显示器；
图10示出根据本发明的另一个示范性实施例的投影显示器；以及
图11示出当产生图像时，图10的投影显示器的3D模拟结果。
具体实施方式
现在将参考附图对根据本发明的示范性实施例的投影显示器进行充分地描述。然而，本发明可以以许多不同的形式实施并且不应该被解释为限于此处所阐述的示范性实施例；并且提供这些示范性实施例使得本发明公开透彻和完整，并且向本领域的技术人员充分传达本发明的概念。附图中，相同的附图标记表示相同的元件，因此将省略对它们的描述。为了清晰和方便，每个组件的尺寸可能被夸大。
图1是示出根据本发明的示范性实施例的投影显示器100的示意图。图2A是根据本发明的示范性实施例，从另一个面观察的图1的投影显示器的示意图，图2B是图2A中示出的投影显示器100的照明单元120的放大图。图3是根据本发明的示范性实施例、用于解释一个像素接一个像素滚动的束由图1中的投影显示器100的光调制器160调制而产生图像的原理的示意图。
参考图1-3，投影显示器100包括照明单元120、第一扫描器140、F-θ透镜150、光调制器160以及第二扫描器170。
照明单元120发射多个单色光束。照明单元120包括第一光源122R、第二光源122G和第三光源122B，分别发射红色(R)束、绿色(G)束和蓝色(B)束；准直器124R、124G和124B，分别面对第一光源122R、第二光源122G和第三光源122B；X立方(X-cube)棱镜128，将准直束朝向第一扫描器140引导。多个第一光源122R、第二光源122G和第三光源122B可以是诸如激光器二极管、垂直腔面发射激光器(VCSEL，vertical cavitysurface emitting laser)或者微激光器的激光光源。X立体棱镜128包括根据入射色光的路径的改变以及波长来透射或者反射光的蓝色分色镜128a和红色分色镜128b。第一光源122R、第二光源122G和第三光源122B以及蓝色分色镜128a和红色分色镜128b的位置可以互换。第一光源122R和第三光源122B相对于X立体棱镜128倾斜预定角度Δθ。第二光源122G平行于X立体棱镜128设置。从而，当穿过X立体棱镜128的R束和B束入射到第一扫描器140时，R束和B束分别具有相对于G束的+Δθ和-Δθ入射角差值。当第一光源122R与第三光源122B的位置互换以及蓝色分色镜128a与红色分色镜128b的位置互换时，R束和B束分别具有相对于G束的-Δθ和+Δθ的入射角差值。如下面将要描述的，入射角差值+Δθ根据像素节距(pixelpitch)被适当地确定。
第一扫描器140沿由箭头A指示的第一方向扫动入射光束，第一方向是负Y方向。例如，第一扫描器140可以是具有多个微镜的微机电扫描器。第一扫描器140相对于其X-转动轴在预定的角范围内振荡，使得第一扫描器140沿Y轴扫动入射光。
F-θ透镜150补偿第一扫描器140的非线性效应，使得光以规则的间隔入射到光调制器160上并且将由光调制器160调制的光朝向第二扫描器170聚焦。为了实现以上所述的F-θ透镜150的功能，F-θ透镜150的入瞳被分成分别面对第一扫描器140和第二扫描器170的第一入瞳150-1和第二入瞳150-2。
光调制器160包括沿第一扫描器140扫动光的方向设置的微机电***(MEMS)器件的线性阵列，以便开启或者关闭光。MEMS器件可以是数字微镜器件(DMD)，其包括微镜阵列或者被激励的薄膜微镜阵列(TMA，thin-film micromirror array-actuated)。作为另一个实例，MEMS器件可以是具有光栅元件阵列或者光栅阀(GLV)阵列的光栅机电***(GEMS)。
第二扫描器170设置为与F-θ透镜150的第二入瞳150-2相对并且沿第二方向扫动光束以在屏幕S上产生图像。沿Z方向的第二方向由箭头B指示并且与第一方向正交。例如，第二扫描器170可以是MEM扫描器。第二扫描器170在预定的角范围内相对于其Y-转动轴振荡，使得第二扫描器170沿Z方向扫动入射在屏幕S上的光束。
现在对在投影显示器100中将图像投射到屏幕S的工作进行描述。第一光源122R、第二光源122G和第三光源122B发射的R束、G束和B束通过第一准直器124R、第二准直器124G和第三准直器124B被准直为平行束并且入射到X立体棱镜128。G束透射穿过蓝色分色镜128a和红色分色镜128b而G束的光路没有发生改变。因为第二光源122G平行于X立方棱镜128设置并且第一光源122R和第三光源122B关于X立方棱镜128倾斜角度Δθ，所以当B束和R束因为蓝色分色镜128a和红色分色镜128b而光路发生改变时，R束和B束相对于G束具有预定的光路差。也就是，因此，当R束和B束入射到第一扫描器140时，R束和B束分别相对于G束具有入射角差值±Δθ。
第一扫描器140关于其X-转动轴在预定角范围内振荡，使得第一扫描器140沿Y方向扫动入射光束。参考图3，从时间t1到时间t3，第一扫描器140从与角
Figure A20078003478200081
相对应的一个位置转动到与角
Figure A20078003478200082
相对应的另一个位置。到达光调制器160的R束、G束和B束沿由箭头A所指示的负Y方向移动距离Δy。光调制器160响应图像信息而开启入射光或者关闭入射光以产生之后将被结合成图像的亮像素或者暗像素。像素节距是到达光调制器160的R束、G束和B束中的每个之间的距离Δy。像素节距Δy由F-θ透镜150的焦距f和Δθ确定。例如，当光调制器160设置在F-θ透镜150的焦平面上时，Δy＝f□Δθ。
由光调制器160调制的光在被聚焦之前入射到F-θ透镜150的第二入瞳150-2，然后被聚焦的光入射到第二扫描器170。第二扫描器170关于其Y-转动轴振荡，使得第二扫描器170沿Z方向扫动入射光束以在屏幕S上产生图像，其中Z方向与第一扫描器140方向正交。
图4示出根据本发明的另一个示范性实施例的投影显示器200，图5示出图4的投影显示器200中的光调制器260。图6A和6B是用于解释图5中示出的投影显示器200的光调制器260开启光或者关闭光的原理的示意图。参考图4-6B，投影显示器200包括照明单元220、第一扫描器240、F-θ透镜250、光调制器260、遮蔽掩模(shadow mask)280、第二扫描器270。因为照明单元220、第一扫描器240、F-θ透镜250和第二扫描器270的结构和功能与图1中的投影显示器100的基本相同，所以未提供对照明单元220、第一扫描器240、F-θ透镜250和第二扫描器270的描述。光调制器260包括微镜262的线性阵列。每个微镜262可以由于静电力而相对于微镜262的线性阵列的布置方向倾斜。参考图6A，当微镜262未倾斜时，入射光被朝向屏幕S反射以开启光，因此生成“开”状态的束Ion，即亮像素。参考图6B，当微镜262倾斜时，入射光在除了屏幕S之外的方向被反射以关闭光，因此产生“关”状态的束Ioff，即暗像素。遮蔽掩模280设置在F-θ透镜250前面以有效地防止“关”状态的束Ioff朝向屏幕S反射。遮蔽掩模280可以设置在能有效地阻挡“关”状态的束Ioff的任何位置。例如，遮蔽掩模280可以设置在F-θ透镜250后面。
图7示出根据本发明的另一个示范性实施例的投影显示器300。图8A和8B是用于解释图7的投影显示器300中的光调制器360开启光或者关闭光的原理的示意图。参考图7-8B，投影显示器300包括照明单元320、第一扫描器340、F-θ透镜350、光调制器360、遮蔽掩模(shadow mask)380、以及第二扫描器370。因为照明单元320、第一扫描器340、F-θ透镜350和第二扫描器370的结构和功能与图1中的投影显示器100的相同，所以未提供对照明单元320、第一扫描器340、F-θ透镜350和第二扫描器370的描述。光调制器360包括沿Y方向重复设置的光栅元件362的阵列。如图8A所示，每个光栅元件362包括基板363、电极364、带层(ribbon layer)366以及形成在带层366上的金属层365。当由于光栅元件362的金属层365和电极364之间没有电压而未施加静电力时，光栅元件362的带层366保持距离基板363的预定高度并且像平面镜一样。也就是，入射光被带层266反射以形成0级衍射束并且被调制成被朝向屏幕S引导的处于“开”状态的束Ion。参考图8B，当光栅元件362的金属层365和电极364之间被施加电压时，光栅元件362的带层366由于静电力而向电极364偏转，从而生成光栅。也就是，入射光被衍射成正一级和负一级、正二级和负二级等。在正一级、负一级中，更高级的衍射束被防止导向屏幕S并且被调制成“关”状态的束，从而生成暗像素。遮蔽掩模380设置在F-θ透镜350后面以有效地阻挡“关”状态的束Ioff。遮蔽掩模380可以设置在能有效地阻挡处于“关”状态的束Ioff的任何位置处。例如，遮蔽掩模380可以设置在F-θ透镜350前面。
图9图解根据本发明的另一个示范性实施例的投影显示器400。参考图9，投影显示器400包括照明单元420、第一F-θ透镜452、光调制器460、第二F-θ透镜454和第二扫描器470。因为照明单元420、第一扫描器440、光调制器460和第二扫描器470的结构和功能与图1中的投影显示器100的基本相同，所以未提供对照明单元420、第一扫描器440、光调制器460和第二扫描器470的描述。第一F-θ透镜452补偿由第一扫描器440扫动的入射光束的非线性效应以具有线性间隔。第二F-θ透镜454将通过光调制器460获得的处于“开”状态的束向第二扫描器470聚焦。如以上所述，为了实现投影显示器400的所需要的功能，投影显示器400利用F-θ透镜452和F-θ透镜454，这与具有单个F-θ透镜150的投影显示器100不同。
图10示出根据本发明的另一个示范性实施例的投影显示器500。投影显示器500与图1的投影显示器100不同，不同之处在于：投影显示器500还包括设置在第二扫描器570和屏幕S之间的校正透镜590。校正透镜590补偿屏幕S上产生的图像中存在的失真，该失真是由当光被第二扫描器570扫动时产生的非线性效应而引起的。校正透镜590可以是F-θ透镜。
图11示出根据本发明的示范性实施例的投射图像的投影显示器500的3D模拟结果。图11中明显可以看出，另外包括校正透镜590的投影显示器500可以产生相对于第一(Y)方向和第二(Z)方向没有失真的图像。
尽管已经参考本发明的示范性实施例示出和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解的是，可以在不脱离由所附权利要求书定义的本发明的精神和范围的前提下，对本发明进行各种形式和细节上的改变。

Claims (16)

1.一种投影显示器，包括：
照明单元，辐射多个单色光束；
第一扫描器，沿第一方向扫动从所述照明单元辐射的所述多个光束；
光调制器，具有平行于所述第一方向布置的微机电***器件的线性阵列，以便为每个像素开启或者关闭由所述第一扫描器扫动的光束；
F-θ透镜，设置在所述第一扫描器和所述光调制器之间并且具有第一入瞳和第二入瞳，其中由所述第一扫描器扫动的光束入射到所述第一入瞳，由所述光调制器调制的光束入射到所述第二入瞳；以及
第二扫描器，设置为与所述F-θ透镜的所述第二入瞳相对并且沿第二方向扫动穿过所述F-θ透镜的所述第二入瞳入射到屏幕上的光束，其中所述第二方向与所述第一方向正交。
2.如权利要求1所述的显示器，其中所述照明单元包括：
多个激光光源；
多个准直仪，使由所述多个激光光源发射的光束准直；以及
X立方棱镜，改变被准直的光束的光路，使得所述光束被朝向所述投影显示器的所述第一扫描器引导。
3.如权利要求2所述的显示器，其中所述多个激光光源被设置为使得入射到所述投影显示器的所述第一扫描器上的相邻单色光束具有入射角差值Δθ。
4.如权利要求3所述的显示器，其中所述入射角差值Δθ根据像素节距确定。
5.如权利要求2所述的显示器，其中所述多个激光光源是激光器二极管、垂直腔面发射激光器和微激光器之一。
6.如权利要求1所述的显示器，其中所述第一扫描器是具有多个微镜的微机电扫描器。
7.如权利要求1所述的显示器，其中所述光调制器设置在F-θ透镜的焦平面上。
8.如权利要求1所述的显示器，其中所述微机电***器件是相对于所述第一方向倾斜来工作的微镜。
9.如权利要求8所述的显示器，其中当所述微镜未倾斜时，每个所述微镜朝向所述屏幕反射光束以生成开状态的像素，当所述微镜发生倾斜时，每个所述微镜沿朝向所述屏幕之外的方向反射光束以生成关状态的像素。
10.如权利要求9所述的显示器，还包括遮蔽掩模，其防止从所述光调制器获得的关状态的光入射到所述第二入瞳。
11.如权利要求1所述的显示器，其中所述微机电***器件是通过静电力偏转的光栅。
12.如权利要求11所述的显示器，其中当未施加所述静电力时，所述光栅充当平面镜以朝向所述屏幕反射光束从而产生开状态的像素，当施加静电力而生成衍射光栅时，所述光栅防止正一级、负一级更高级的衍射束导向所述屏幕从而产生关状态的像素。
13.如权利要求12所述的显示器，还包括遮蔽掩模，其防止从所述光调制器获得的关状态的光入射到所述第二入瞳。
14.如权利要求1所述的显示器，其中所述第二扫描器是具有多个微镜的微机电扫描器。
15.如权利要求1所述的显示器，还包括设置在所述第二扫描器和所述屏幕之间的校正透镜，其校正由所述第二扫描器扫动的光束的光路。
16.一种投影显示器，包括：
照明单元，辐射多个单色光束；
第一扫描器，沿第一方向扫动从所述照明单元辐射的所述多个单色光束；
第一F-θ透镜，补偿由所述第一扫描器扫动的入射光束以具有线性间隔；
光调制器，具有平行于所述第一方向布置的微机电***器件的线性阵列，以便为每个像素开启或者关闭由所述第一扫描器扫动的光束；
第二F-θ透镜，将从所述光调制器获得的开状态的束聚焦；以及
第二扫描器，设置为与所述第二F-θ透镜相对并且沿第二方向扫动穿过所述第二F-θ透镜入射在屏幕上的光束，其中所述第二方向与所述第一方向正交。
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