CN113156745A - 一种数字光处理投影光机及投影仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种数字光处理投影光机及投影仪,投影光机包括照明***、数字微镜阵列、投影***、第一挡光单元和第二挡光单元,第一挡光单元用于遮挡照明光束中的第一部分照明光,从而在开通状态光束中形成第一开通遮挡区域,并在所述平坦状态光束中形成第一平坦遮挡区域,第一平坦遮挡区域与开通状态光束所在区域之间的重叠区域为第一区域;第二挡光单元用于在投影孔径光阑处遮挡开通状态光束的一部分,该部分为开通状态光束所在区域与平坦状态光束所在区域之间的重叠区域中除第一区域之外的区域对应的开通状态光;第一部分照明光的光能量小于第二部分照明光的光能量。本发明能够在遮挡初始重叠区域的基础上,提高投影亮度。
Description
技术领域
本发明涉及投影技术领域,具体涉及一种数字光处理投影光机及投影仪。
背景技术
近年来,以DMD(数字微镜阵列)作为空间调制器的DLP(数字光处理)投影光机,由于其色彩丰富,对比度高,输出亮度范围广,从几十流明到几千流明,从而得到迅速的发展,占领了投影市场中很大的份额。DLP投影光机一般采用物方远心光路,这主要是为了保证画面的均匀性和光源的利用率;在相同的LED光源下,投影画面的亮度主要由投影镜头或照明光束的数值孔径(或F数)来决定,数值孔径越大(即F数越小),进光量越大,投影画面亮度也就越高。照明光束入射到DMD后,DMD内部的数字微镜阵列对照明光束进行反射,当DMD处于开通状态(on状态)时,DMD处于对应偏转角度,并将照明光束反射形成开通状态光束;当DMD处于关闭状态(off状态)时,DMD处于对应偏转角度,并将照明光束反射形成关闭状态光束;DMD处于开通状态和关闭状态切换的瞬态过程中存在平坦状态(flat状态),DMD偏转角度为0°,并将照明光束反射形成平坦状态光束。另外,DMD的保护玻璃,棱镜靠近且与DMD保护玻璃平行的面虽然都镀有增透膜,但是仍然会有少部分的光会被反射,这些反射光也构成平坦状态光束的一部分,如果通过投影镜头孔径光阑,会导致投影画面对比度的下降;DMD有效区周边一般会涂有吸光材料,但是这种材料对于光的吸收也是不完全的,也会存在反射光,构成平坦状态光束的一部分,该部分反射光在画面周围形成亮边框,在显示暗画面时会非常明显,影响使用体验。平坦状态光束如果通过投影镜头孔径光阑,会造成上文所说的投影画面对比度下降以及画面周边形成亮边框等问题所以对于投影光机,必须要保证平坦状态光束不能通过投影镜头孔径光阑,也就是说平坦状态光束和开通状态光束不能有重叠区域。开通状态光束、平坦状态光束和关闭状态光束中相邻光束之间没有重叠时,照明光束的最大数值孔径(F数)由DMD偏转角度决定,比如菱形(Side Diamond)排列组合的DMD偏转角度为±12°,那么入射光束为F 2.4,对应的照明光束最大锥角为24°,而不能进一步提高照明光束最大锥角,否则开通状态与平坦状态的光束存在重叠区域,影响投影画面质量。同时,照明光束锥角的大小与投影机的亮度成正相关,因此,照明光束最大锥角不超过24°限制了投影光机亮度的提升。
为了解决开通状态光束与平坦状态光束之间具有重叠区域的问题,专利文献CN204667035U公开了一种DLP投影***,该专利文献中,DMD数字微镜偏转角与照明光束投影***相匹配。该现有技术通过在投影镜头或照明***中加一圆弧形的挡光装置遮挡光线,从而避免由芯片边框漫反射的光线通过镜头而在屏幕上成像,提升画面质量,但实际上会造成约2%的开通状态能量损失。
上述专利文献虽然提出了挡光装置,但是该方案限制了投影亮度的进一步提高。
发明内容
基于上述现状,本发明的主要目的在于提供数字光处理投影光机及投影仪,在对开通状态光束与平坦状态光束重叠区域进行遮挡的基础上,提高投影亮度。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种数字光处理投影光机,包括照明***、数字微镜阵列和投影***;所述照明***包括棱镜、且具有照明孔径光阑;所述投影***具有投影孔径光阑;所述棱镜具有分离照明光束和反射光束的光束分离界面;所述数字微镜阵列具有开通状态和平坦状态,所述照明光束经由所述光束分离界面引导至所述数字微镜阵列,所述数字微镜阵列在开通状态将所述照明光束反射形成开通状态光束,在平坦状态将所述照明光束反射形成平坦状态光束;还包括第一挡光单元和第二挡光单元,所述第一挡光单元设置在所述照明孔径光阑处,所述第二挡光单元设置在所述投影孔径光阑处;所述第一挡光单元用于遮挡所述照明光束中的第一部分照明光,从而在所述开通状态光束中形成第一开通遮挡区域,并在所述平坦状态光束中形成第一平坦遮挡区域,所述第一平坦遮挡区域与所述开通状态光束所在区域之间的重叠区域为第一区域;所述第二挡光单元用于在所述投影孔径光阑处遮挡所述开通状态光束的一部分,该部分为在不存在所述第一挡光单元和第二挡光单元的情况下所述开通状态光束所在区域与平坦状态光束所在区域之间的重叠区域中除所述第一区域之外的区域对应的开通状态光;其中,所述第一部分照明光在所述光束分离界面的入射角度大于第二部分照明光在所述光束分离界面的入射角度,所述光束分离界面对所述第一部分照明光的透过率小于对所述第二部分照明光的透过率,所述第二部分照明光为所述开通状态光束中位于所述第一区域内的开通状态光所对应的照明光;并且,所述第一部分照明光的光能量小于所述第二部分照明光的光能量。
优选地,所述第一开通遮挡区域包括第一遮挡边界和第二遮挡边界,所述第一区域包括第一边界和第二边界;所述第二遮挡边界的长度与第一透过率之积,小于或等于所述第二边界的长度与第二透过率之积;其中,所述第一遮挡边界为,以90°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线在所述开通状态光束形成的光线轨迹;所述第二遮挡边界为,以第一角度入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线在所述开通状态光束形成的光线轨迹;第一边界为,以第二角度入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线在所述开通状态光束形成的光线轨迹;第二边界为,以第三角度入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线在所述开通状态光束形成的光线轨迹;所述第一透过率为,以第一角度入射所述光束分离界面的照明光在所述光束分离界面的透过率;所述第二透过率为,以第三角度入射所述光束分离界面的照明光在所述光束分离界面的透过率;且:90°>第一角度>第二角度>第三角度。
优选地,所述第一开通遮挡区域为所述第一遮挡边界、第二遮挡边界以及所述开通状态光束的***边界围成的区域;或者,所述第一开通遮挡区域为所述第一遮挡边界、第二遮挡边界以及所述开通状态光束的***边界围成的区域的子区域。
优选地,所述数字微镜阵列的偏转角为12°,所述照明光束的半锥角为17°,所述棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.6,所述第一角度为79°,所述第三角度为40.3°。
优选地,所述数字微镜阵列的偏转角为14.5°,所述照明光束的半锥角为18.2°,所述棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.7,所述第一角度为82°,所述第三角度为36.3°。
优选地,所述照明***包括反射镜,所述反射镜设置在所述棱镜与照明孔径光阑之间,所述第一挡光单元设置在所述照明孔径光阑的第一侧,且所述照明孔径光阑的第一侧比第二侧更靠近所述反射镜,其中,所述照明孔径光阑的第一侧和第二侧分别位于所述照明孔径光阑中心位置的沿直径方向的两侧。
优选地,所述的数字光处理投影光机还包括第三挡光单元和补偿棱镜,所述第三挡光单元设置在所述照明孔径光阑处,所述第三挡光单元比所述第一挡光单元更靠近所述反射镜,且所述第三挡光单元位于所述第一挡光单元的径向外侧并与所述第一挡光单元的径向外侧边缘相连,所述第三挡光单元用于遮挡所述照明光束中能被所述补偿棱镜全反射的部分。
优选地,所述棱镜与照明孔径光阑之间不设置反射镜,所述第一挡光单元设置在所述照明孔径光阑的第一侧,且所述照明孔径光阑的第二侧比第一侧更靠近所述棱镜,其中,所述照明孔径光阑的第一侧和第二侧分别位于所述照明孔径光阑中心位置的沿直径方向的两侧。
优选地,所述的数字光处理投影光机还包括第三挡光单元和补偿棱镜,所述第三挡光单元设置在所述照明孔径光阑处,所述第三挡光单元比所述第一挡光单元更靠近所述棱镜,且所述第三挡光单元位于所述第一挡光单元的径向外侧并与所述第一挡光单元的径向外侧边缘相连,所述第三挡光单元用于遮挡所述照明光束中能被所述补偿棱镜全反射的部分。
优选地,所述第一挡光单元面向所述照明光束的中心的边缘呈朝远离所述照明光束的中心方向凹陷的弧线形状。
优选地,第一部分照明光比第二部分照明光更靠近棱镜的垂直出射面。
本发明还提供了一种投影仪,包括任一所述的数字光处理投影光机。
优选地,投影仪除了包括上述投影光机外,还包括外壳,投影光机安装与外壳内。
【有益效果】
通过上述方案,用第一挡光单元在照明光束中遮挡第一部分照明光,使得在第一区域只存在开通状态光束而不存在平坦状态光束,因而第二挡光单元不需要再遮挡第一区域,由于第一部分照明光在光束分离界面透过率小于第一区域内的开通状态光束对应的第二部分照明光在光束分离界面透过率,且第一部分照明光的光能量小于第二照明光的光能量,所以相比于只在投影***的投影光阑设置第二挡光单元以遮挡开通状态光束和平坦状态光束的初始重叠区域(包括了该第一区域),本发明能够在遮挡初始重叠区域的基础上,提高投影亮度。
本发明的其他有益效果,将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述,本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍,应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
以下将参照附图对根据本发明的优选实施方式进行描述。图中:
图1为根据本发明的一种优选实施方式的数字光处理投影光机;
图2是数字光处理投影光机工作原理示意图;
图3是12°半锥角照明光束的数字光处理投影光机工作原理的简化示意图;
图4是12°半锥角照明光束的数字光处理投影光机于图3标注的弧线位置的截面图;
图5是17°半锥角照明光束的数字光处理投影光机工作原理的简化示意图;
图6是17°半锥角照明光束的数字光处理投影光机于图5标注的弧线位置的截面图;
图7是17°半锥角为的照明光束入射棱镜的示意图;
图8是经过棱镜后的照明光束的截面示意图;
图9是本发明一个实施例中在以不同入射角入射棱镜的光束分离界面的情况下不同波长的入射光线在光束分离界面的透过率;
图10是本发明一个实施例中以不同入射角入射棱镜的光束分离界面下可见光波段光线的平均透过率曲线;
图11是本发明一个实施例中在未设置第一挡光单元时照明光束、开通状态光束、平坦状态光束和关闭状态光束的截面示意图;
图12是本发明一个实施例中在设置第一挡光单元时照明光束、开通状态光束、平坦状态光束和关闭状态光束的截面示意图;
图13是本发明一个实施例中任意能够入射到RTIR棱镜并从RTIR棱镜出射到DMD的照明光线在两个坐标系下的示意图;
图14是本发明一个实施例中照明光线和反射光线在空间坐标中的示意图;
图15是本发明一个实施例中开通状态光束的截面示意图;
图16是图12的局部放大图;
图17是本发明另一个实施例中数字光处理投影光机的挡光单元平面投影示意图。
具体实施方式
图1是本发明一种实施例的数字光处理投影光机的原理示意图,该数字光处理投影光机包括照明***20、数字微镜阵列(DMD)40、投影***50、第一挡光单元60和第二挡光单元70,其中,照明***20包括光源10、补偿棱镜80和棱镜30。在本实施例中,数字光处理投影光机采用物方远心光路,照明***20包括反射镜21。其中,图1中圆形虚线中的第一挡光单元60和第二挡光单元70是平面投影图(顺着光线传输方向观察)。该数字光处理投影光机还可以进一步包括固定第一挡光单元60的第一固定环61,以及固定第二挡光单元70的第二固定环71,第一固定环61和第二固定环71分别用于将第一挡光单元60和第二挡光单元70固定在数字光处理投影仪的外壳上。
光源10用于产生照明光束,光源10可以是LED光源,可以包括红色、绿色和蓝色三种颜色的光源。
照明***20包括对照明光束产生作用的各种光学元件,例如透镜、反射镜、复眼透镜等,该照明***20具有照明孔径光阑,第一挡光单元60设置在照明孔径光阑处;棱镜具有分离照明光束和反射光束的光束分离界面,照明光束经由光束分离界面引导至DMD。反射镜21设置在棱镜30与照明孔径光阑之间,第一挡光单元60设置在照明孔径光阑的第一侧,且照明孔径光阑的第一侧比第二侧更靠近反射镜21,其中,照明孔径光阑的第一侧和第二侧分别位于照明孔径光阑中心位置的沿直径方向的两侧。如图1所示,照明光束经过照明***20的作用后,进入光束分离界面,最终被引导至DMD,其中,照明光束经过照明孔径光阑后经过反射镜21、透镜和补偿棱镜80后,进入光束分离界面。
投影***50具有投影孔径光阑,第二挡光单元70设置在投影孔径光阑。数字光处理投影光机工作原理如图2所示,DMD包括多个微镜,每个微镜可以在对应的控制信号控制下工作在开通状态和关闭状态,平坦状态则是开通状态和关闭状态切换过程的过渡状态。需要说明的是,图2所示的***未体现上述棱镜,仅示意性地使光源10发出的照明光束直接照射到DMD。
照明光束经由光束分离界面引导至DMD,DMD在开通状态将照明光束反射形成开通状态光束,开通状态光束能够进入投影***50;DMD在平坦状态将照明光束反射形成平坦状态光束;DMD在关闭状态将照明光束反射形成关闭状态光束,关闭状态光束无法进入投影***50。图2所示的是偏转角为12°的DMD。
进一步参考图3,图3是对图2的简化示意图,从图3可以看到,当照明光束的半锥角(12°)和微镜的偏转角(12°)相等时,照明光束右侧的边缘光线和开通状态光束左侧的边缘光线刚好重合,这是因为开通状态光束是照明光束关于与竖直方向夹角为-12°的直线(即微镜在开通状态下的法线)的镜像。同理,平态状态光束是照明光束关于与竖直方向为0°的直线(即微镜在平坦状态下的法线)的镜像,关闭状态光束是照明光束关于与竖直方向夹角为12°的直线(即微镜在关闭状态下的法线)的镜像。图4是照明光束以及各个状态光束(开通状态光束、平坦状态光束和关闭状态光束)于图3标注的弧线位置的截面图,可以清楚看到,开通状态光束和平坦状态光束有且只有一个交点,也就是没有重叠区域。对于图2所示的***,在DMD中微镜的偏转角度为12°情况下,当照明光束的半锥角大于12°时,例如半锥角为17°时,开通状态光束和平坦状态光束就会出现重叠区域,如图5所示的灰色阴影部分,图6是半锥角为12°和17°的照明光束以及各个状态光束于图5标注的弧线位置的截面图(图6中,“12°”和“17°”分别表示半锥角为12°和17°的照明光束),从图6也可以看出开通状态光束和平坦状态光束存在重叠区域,即灰色阴影部分。
经过研究发现,对于具有光束分离界面的棱镜的投影光机,在照明光束的半锥角较大的情况下,工作时,开通状态光束和平坦状态光束之间的重叠区域如图11所示的阴影区域S0。本发明为了提高投影光机输出的亮度,将照明光束的最大锥角设置为大于微镜偏转角的合适角度,使得数字光处理投影光机在未设置第一挡光单元60和第二挡光单元70时,开通状态光束与平坦状态光束存在初始重叠区域S0,如图11所示,但同时需要解决初始重叠区域S0导致的问题,例如投影画面出现紫色边框现象以及投影光机的对比度降低的问题。进一步发现,在光束分离界面上透过率随着入射角度而变化,例如光束分离界面的透过率随着入射角度的增大而减小,而实际生产中,为了提高棱镜的透射性能,会在棱镜的入射面和出射面镀上增透膜,在一个实施例中,该增透膜对应的平均透过率曲线如图10所示,该图10示出了以不同入射角入射棱镜的光束分离界面下可见光波段光线的平均透过率曲线,而不设该增透膜的光束分离界面的平均透过率曲线将在图10的曲线基础上向下平移某个数值。
为了解决光束分离界面具有增透膜的投影光机中初始重叠区域S0导致的问题,本发明通过采用上述第一挡光单元60和第二挡光单元70的相关方案,尽量减少第一挡光单元60和第二挡光单元70对数字光处理投影光机最终输出亮度的影响:
第一挡光单元60用于遮挡照明光束中的第一部分照明光,从而在开通状态光束中形成第一开通遮挡区域S3(微镜在开通状态下),同时在平坦状态光束中形成第一平坦遮挡区域S5(微镜在平坦状态下),第一平坦遮挡区域S5与开通状态光束所在区域之间的重叠区域为第一区域S1;第二挡光单元70用于在投影孔径光阑处遮挡开通状态光束所在区域与平坦状态光束所在区域之间的重叠区域(即初始重叠区域S0)中除第一区域S1之外的区域(即第二区域S2)对应的开通状态光;其中,第一部分照明光在光束分离界面的入射角度大于第二部分照明光在光束分离界面的入射角度,光束分离界面对第一部分照明光的透过率小于对第二部分照明光的透过率,第二部分照明光为开通状态光束中位于第一区域S1内的部分开通状态光所对应的照明光;并且,第一部分照明光的光能量小于第二部分照明光的光能量。不难理解,初始重叠区域S0是数字光处理投影光机在不设置第一挡光单元60和第二挡光单元70的情况下,在DMD与棱镜之间的弧形截面上(如图3所示)开通状态光束和平坦状态光束之间的重叠区域;第二区域S2是数字光处理投影光机在设置第一挡光单元60下,在前述弧形截面上,开通状态光束与平坦状态光束的重叠区域,在此情况下不论是否设置第二挡光单元70,在这个弧形截面上均存在第二区域S2,第二挡光单元70在投影光阑处对与第二区域S2对应的区域进行遮挡,即投影光阑处遮挡开通状态光束与平坦状态光束的重叠区域。在本实施例中,第二部分照明光比第一部分照明光更靠近棱镜的垂直出射面31。如图1所示,在一些实施例中,第一挡光单元60面向照明光束的中心的边缘呈朝远离照明光束的中心方向凹陷的弧线形状,第二挡光单元70面向开通状态光束的中心的边界呈向开通状态光束的中心凸出的弧线形状。
这样,由于第一部分照明光的光能量小于第二部分照明光的光能量,所以相比于现有技术中投影光机不设置第一挡光单元60而只在投影光阑设置第二挡光单元70以消除开通状态光束与平坦状态光束重叠,本发明能够在消除开通状态光束与平坦状态光束重叠的基础上,提高投影亮度。
以下结合更加具体的实施例作进一步阐述。
棱镜30与补偿棱镜80之间具有空气间隙,当照明光束以超过一定的角度从补偿棱镜80***向补偿棱镜80与空气间隙的分界面,存在一部分照明光束被该分界面全反射,从而无法进入空气间隙、进而无法进入棱镜30。由于棱镜30的光束分离界面相对照明光束而言是一斜面,斜面不同位置的照明光束入射角不同,不难理解,能进入棱镜30的光线与分界面的最大角度是无限接近90°,但是入射角90°的照明光线本身无法进入棱镜30。经过几何分析发现,经过该棱镜30后进入DMD的照明光束与开通状态光束之间的分界线并非是一条直线,该照明光束的右边界是向照明光束中心外侧凸出的弧线形状的曲线L11,在具有棱镜30的投影光机中沿着图5所示的弧线方向的照明光束(经过棱镜30后的照明光束)截面如图8和图11所示,经过实验验证发现,该分析与实验结果相符。
具体而言,由于DLP投影光机分离照明光束和反射光束的棱镜通常为TIR棱镜或者RTIR棱镜,在本实施例中,以RTIR棱镜为例。在实际的DLP光机中,照明光束是先入射到RTIR棱镜,再从RTIR出射到DMD,然后照明光束由DMD内部的微镜以不同的偏转角度反射,形成反射光束,分别为开通状态光束、平坦状态光束和关闭状态光束。其中,开通状态光束即为投影光束,为了保证投影画面的均匀性以及光源利用效率,我们通常使用物方远心光路,也就是开通状态光束中的主光线是垂直入射到RTIR的靠近DMD的直角边,然后在光束分离界面处反射,最后垂直于棱镜的另一个直角边出射到投影***50。
图7描述的是开通状态光束满足物方远心光路前提下,半锥角为17°的照明光束入射棱镜的示意图,图7中的照明光束是已经经过补偿棱镜80的折射后形成非对称照明光束,其中,能够进入棱镜的照明光束是照明光线L1(入射角度90°)至L2(入射角度36.54°)之间的照明光束,其中,照明光线L0是照明光束的主光线。该照明光束首先在光束分离界面入射到棱镜30,然后从棱镜30出射到DMD。在该实施例中,该棱镜30的夹角为45°,材料折射率为1.6354。对于数字微镜偏转角为12°的DMD,为了保证开通状态光束满足物方远心光路,半锥角为17°的照明光束有一部分光是会被补偿棱镜80全反射而不能进入棱镜30进而无法进入DMD的。图7中,照明光线L1(在光束分离界面的入射角度为90°)是能够进入棱镜30进而入射到DMD表面的最***部分照明光线的边界(不含L1本身)。根据几何知识可以分析出,如图8所示,在照明光束截面中,所有照明光线L1的集合形成照明光束的最右边的***的光线轨迹L11,如图11所示,该光线轨迹L11也是照明光束截面与开通状态光束截面之间的分界线,且光线轨迹L11是相对于照明光束截面中心是外凸的弧线,进一步参考图8,照明光束截面的最右边界是以90°入射到光束分离界面的照明光线从光束分离界面透过后在照明光束截面的光线轨迹L11,照明光束截面从右到左,是在光束分离界面的入射角逐渐变小的照明光线在照明光束截面中形成的光线轨迹(如图8中的箭头所示),例如,光线轨迹L12代表了在光束分离界面的入射角79°的照明光线在照明光束截面中形成的光线轨迹,直至最左边的***光线轨迹(该光线轨迹只是一个点),其代表了在光束分离界面的入射角36.54°的照明光线在照明光束截面中形成的光线轨迹。
如前所述,在光束分离界面上透过率随着入射角度的增大而减小。例如在图9的一个实施例中,在以不同入射角入射棱镜的光束分离界面的情况下,不同波长的入射光线在光束分离界面的透过率,从图中可以看出,相同入射角的情况下,不同波长在光束分离界面的透过率相差不大,而不同入射角的情况下,当入射角相差较大时,入射光线在光束分离界面的透过率相差很大,例如图9中37°和85°曲线分别代表的透过率相差很大。在图10的一个实施例中,示出了以不同入射角入射棱镜的光束分离界面下可见光波段光线的平均透过率曲线,从图中可知,当入射角度大于70°时,光线的透过率会快速下降。
进一步参考图11,在不设置第一挡光单元60和第二挡光单元70的情况下,开通状态光束和平坦状态光束存在重叠区域,也即初始重叠区域S0,该初始重叠区域S0位于开通状态光束的右侧,对应着照明光束的左侧。前面已经分析了光束分离界面的随着入射角度的增大而减小的透过率特性,该初始重叠区域处于高透过率位置的照明光束,如图12所示,为了能够使得投影亮度增加,可以在照明光阑中增加第一挡光单元60,该第一挡光单元60使得照明光束具有遮挡区域S4,而开通状态光束对应地具有第一开通遮挡区域S3,且使得重叠区域减少第一区域S1,由于该第一开通遮挡区域S3对应的照明光束的透过率小于该第一区域S1的透过率,因此,通过选择合适的第一区域S1的面积,即可以实现第一开通遮挡区域S3的照明光束的光能量小于开通状态光束中通过第一区域S1的光能量,从而提高投影亮度。在一个实施例中,可以使第一开通遮挡区域S3大于第一区域S1,只要选择合适的第一开通遮挡区域S3面积,即可以实现第一开通遮挡区域S3的照明光束的光能量小于第一区域S1的光能量,进一步地,当第一开通遮挡区域S3为某个值时,投影亮度能够达到最大。在另外的实施例中,也可以使得第一开通遮挡区域S3与第一区域S1面积相同,由于第一开通遮挡区域S3的透过率小于第一区域S1,显然也能够实现第一开通遮挡区域S3的照明光束的光能量小于第一区域S1对应照明光的光能量。
以下以第一开通遮挡区域S3面积大于第一区域S1的面积为例,阐述具体计算第一开通遮挡区域S3的原理和过程。如图12所示,在开通状态光束截面图中,由于在照明光束中增加第一挡光单元60而形成的第一开通遮挡区域S3面积比第一区域S1面积大,但是由于第一开通遮挡区域S3对应的第一部分照明光在光束分离界面入射角靠近90°的光线区域,该区域的光线透过率很低;而第一区域S1面积对应的第二部分照明光在光束分离界面入射角靠近36.54°区域,该区域光线的透过率很高。设第一开通遮挡区域S3面积为S30,该区域的平均透过率为T30;第一区域S1面积为S10,该区域的平均透过率为T10,为了使得投影光机的亮度最大化,可以求以下式子的最大值:
Y=S10*T10-S30*T30。
经过第一开通遮挡区域S3和第一区域S1的开通状态光束中的部分反射光束对应着照明光束中以不同入射角入射光束分离界面的照明光线,如前面所述,这些不同入射角的照明光线在照明光束截面中形成的一系列光线轨迹是弧线,当将第一开通遮挡区域S3根据照明光线入射角度可以划分成众多小区域,即一条条上述光线轨迹,相应地,第一区域S1也根据照明光束中不同入射角度的照明光线去划分对应数量的小区域,也即一条条上述光线轨迹,如前面所述,每条光线轨迹对应着照明光束中以同一个入射角入射光束分离界面的照明光线,由图10可以得到这条光线轨迹的透过率。设第一开通遮挡区域S3中某一小区域面积为S3-n,该小区域对应的第一部分照明光的透过率为t3-n;第一区域S1中与S3-n对应的某一小区域面积为S1-n,该小区域对应的第二部分照明光的透过率为t1-n。研究发现,当:
yn=s1-n*t1-n-s3-n*t3-n=0
此时第一区域S1的光能量(开通状态光束中通过第一区域S1的光能量)减去第一开通遮挡区域S3的光能量的差值最大,为最大差值Ymax,Ymax通过如下式子计算得到:
其中,m表示第一开通遮挡区域S3划分的总的小区域个数。实际上,从数据计算角度而言,由于小区域面积S3-n与小区域面积S1-n的宽度是相同的,因此只需要比较小区域面积S3-n所在的光线轨迹与t3-n之积与小区域面积S1-n所在的光线轨迹与t1-n之积的大小。通过计算yn=0时对应的入射光线角度,也就可以确定最大差值Ymax对应的第一开通遮挡区域S3的第二遮挡边界(边界L31)及其面积,以及第一区域S1的第二边界(边界L36)及其面积。而将第一开通遮挡区域S3右边界往开通状态光束截面的90°光线轨迹移动(即向图12的左边移动)时,仍然可以确保第一区域S1的光能量大于第一开通遮挡区域S3光能量,即差值>0。
如图12和16所示,其中图16是图12中的局部放大图,不难看出,第一开通遮挡区域S3包括边界L31(第二遮挡边界)、L32(第一遮挡边界)、L33和L34,第一区域S1包括边界L35(第一边界)、L36(第二边界)、L37和L38。在本实施例中,第一遮挡边界为L32,以90°入射光束分离界面的照明光在微镜开通状态下对应的反射光线在开通状态光束形成的光线轨迹;第二遮挡边界L31为,以第一角度入射光束分离界面的照明光在微镜开通状态下对应的反射光线在开通状态光束形成的光线轨迹,L33和L34为开通状态光束的***边界。第一边界L35为,以第二角度入射光束分离界面的照明光在微镜开通状态下对应的反射光线在开通状态光束形成的光线轨迹,同时,第一边界L35是光线轨迹L32对应的照明光线在微镜平坦状态下的反射光线与开通状态光束重叠的光线轨迹;第二边界L36为,以第三角度入射光束分离界面的照明光在微镜开通状态下对应的反射光线在开通状态光束形成的光线轨迹,同时,第一边界L36是光线轨迹L31对应的照明光线在微镜平坦状态下的反射光线与开通状态光束重叠的光线轨迹。
在另一个实施例中,如图12和16所示,当第一开通遮挡区域S3的区域小于边界L31、L32、L33和L34围成的区域时,即第一开通遮挡区域S3的左边界为L32,右边界为L31,但是上边界位于L33下方且位于虚线M1上方,下边界位于L34上方且位于虚线M2下方。实际上,第一开通遮挡区域S3的上边界可以与第一区域S1的边界L37相同,此时第一开通遮挡区域S3的上边界位于虚线M1下方;同样,第一开通遮挡区域S3的下边界可以与第一区域S1的边界L38相同,此时第一开通遮挡区域S3的下边界位于虚线M2上方。也就是,第一开通遮挡区域S3的形状和面积的下限是与第一区域S1相同,上限是边界L31、L32、L33和L34围成的区域。这样,投影亮度可以进一步提高,因为减少了对开通状态光束的遮挡面积,同时也可以消除开通状态光束与平坦状态光束的重叠。
图13描述了任意能够入射到RTIR棱镜并从RTIR棱镜出射到DMD的照明光线在两个坐标系下的示意图。为了满足远心光路设计,在RTIR的夹角α=45°和微镜偏转角为12°时,棱镜的折射率n=1.6354。图13中,坐标系XOY是DMD表面的坐标系,坐标系X'O'Y'是RTIR棱镜中与DMD表面平行的直角面的坐标,设入射光线角度为ω’,折射光线的角度为ω;出射光线的角度为出射点与原点O'的连线与X'轴正向所成的角度为θ,根据几何光学知识能推导出以下公式:
对于该公式,当入射角ω’确定,则折射角ω确定;RTIR棱镜的夹角α已知,则该公式表示的是关于θ的函数,对于每一个θ,我们都能求出相应的值。该公式描述光线在RTIR棱镜内部的关系,设光线坐标为(θ,)。根据折射定律,我们可以把光线坐标转换到空气中坐标(θ',):
θ′=θ;
又因为照明光束是斜入射的DMD表面(与微镜平坦状态所在的平面平行),在平行于DMD表面的截面上为椭圆形状,这不利于求解不同入射角的光线轨迹。开通状态光束是垂直于DMD表面出射的,在平行于DMD表面的截面形状为圆形,且开通状态光束是数字微镜偏转12°对照明光束反射形成的光束,也就是关于微镜偏转12°对应的法线(即微镜在开通状态时的法线)对称,所以对于照明光束中不同入射角度的光线轨迹计算可以转换到开通状态光束的截面上,如图14所示,在空间坐标中,空间中光线可以用坐标(θ,),其中θ表示光线在xoy面上的交点与原点的连线与X正轴的夹角,表示光线与Z正轴的夹角。则该光线关于过原点且坐标为(θ0,)的直线对称的坐标(θ',)符合以下对称转换公式:
其中,λ表示光线在DMD的入射角和反射角,根据以上公式,可以将在RTIR内部光线(θ,)通过折射定律转到空气中坐标(θ',),最后通过对称转换公式转到开通状态区域坐标(θ″,)。对于不同入射角的光线,当我们把θ″从0逐渐增大,也逐渐增大。对于数字微镜偏转角度为12°的DMD,若照明光束的半锥角为17°,则的最大值也为17°。通过逐渐增大θ″,直到等于17°,即可以得到入射角相等的入射光线轨迹坐标,在平行于XOY面上方的截面上,得到相应的光线轨迹,如图15所示是DMD偏转角为14.5°的情况下开通状态光束的截面中的光线轨迹所示。
根据上文对于角度的定义,在球坐标中:
该曲面面积ds在平行于XOY面上方的截面上的投影面积为:
其中,r为该曲面所在球体的半径,为一常数,则:
其中θ是自变量,是θ的因变量。根据s′可以求得第一开通遮挡区域S3和第一区域S1中每一个小区域对应的面积,该小区域面积乘以对应照明光线的透过率即可以得到该小区域的相对光能量,进而计算出减少的光能量(第一开通遮挡区域S3的光能量)和增加的光能量(开通状态光束通过第一区域S1的光能量),也就能计算出第一区域S1光能量和第一开通遮挡区域S3的光能量比值,同时也能精确地计算出遮挡装置的形状以及相对于孔径光阑的位置。
在采用如图12的第一挡光单元60和第二挡光单元70情况下,对于微镜偏转角度为12°的DMD,棱镜30的折射率为1.6354(保留一位小数的情况下约为1.6),若使用F1.7(即半锥角为17°)的照明光束,第一挡光单元60遮挡以入射角从79°到90°入射到棱镜的光束分离界面这部分照明光束时,而第二挡光单元70遮挡初始重叠区域S0剩下的第二区域S2对应的开通状态光束,此时如图16所示,光线轨迹L31对应是以79°入射到光束分离界面照明光线经过DMD反射形成的开通状态光束中的反射光线,光线轨迹L35对应是以41.57°入射到光束分离界面照明光线经过DMD反射形成的开通状态光束中的反射光线,光线轨迹L36对应是以40.32°入射到光束分离界面照明光线经过DMD反射形成的开通状态光束中的反射光线。本实施例中,增加区域光能量与减少区域光能量的比值达到最大,为146%。
在采用如图12的第一挡光单元60和第二挡光单元70情况下,对于微镜偏转角度为14.5°的DMD(HEP结构),棱镜30的折射率为1.6833(保留一位小数的情况下约为1.7),若使用F1.6(半锥角为18.2°)的照明光束,第一挡光单元60遮挡以入射角从82°到90°入射到棱镜的光束分离界面这部分照明光束时,而第二挡光单元70遮挡初始重叠区域S0剩下的第二区域S2对应的开通状态光束,如图15所示,光线轨迹L42对应是以82°入射到光束分离界面照明光线经过DMD反射形成的开通状态光束中的反射光线,光线轨迹L43对应是以36.83°入射到光束分离界面照明光线经过DMD反射形成的开通状态光束中的反射光线,光线轨迹L44对应是以36.33°入射到光束分离界面照明光线经过DMD反射形成的开通状态光束中的反射光线。本实施例中,此时增加区域光能量与减少区域光能量的比值达到最大,为157%。
本实施例中,对于不同偏转角的DMD,在使用小F数的照明光束情况下,通过准确计算出初始重叠区域S0的形状大小,结合照明光束以不同入射角入射光束分离界面的透过率,在照明***20和投影***50中分别设置特定形状的第一挡光单元60和第二挡光单元70,不仅能够遮挡初始重叠区域S0对应的开通状态光束,而且使得开通状态的亮度最大化。
如前所述,照明光束有一部分光是会被RTIR棱镜中的补偿棱镜全反射而不能进入棱镜进而无法进入DMD。因而,数字光处理投影光机还可以进一步包括第三挡光单元90,第三挡光单元90设置在照明孔径光阑处,第三挡光单元90比第一挡光单元60更靠近棱镜30,且第三挡光单元90位于第一挡光单元60的径向外侧并与第一挡光单元60的径向外侧边缘相连,并形成一个整体呈图1所示的新月形状,即该新月形状由虚线位置两侧的第三挡光单元和第一挡光单元60构成,该第三挡光单元90用于遮挡照明光束中能被所述补偿棱镜全反射的部分,从而使该部分照明光线无法进入补偿棱镜80。
在另外一些实施例中,在数字光处理投影光机中,所述棱镜与照明孔径光阑之间不设置该反射镜21,照明光束经过照明孔径光阑后,再经过透镜和补偿棱镜80后,进入光束分离界面。如图17所示,在该实施例中,第一挡光单元60设置在照明孔径光阑的第一侧,且照明孔径光阑的第二侧比第一侧更靠近棱镜30,其中,照明孔径光阑的第一侧和第二侧分别位于照明孔径光阑中心位置的沿直径方向的两侧,图17中圆形虚线中的第一挡光单元60和第二挡光单元70是平面投影图(顺着光线传输方向观察)。
本领域的技术人员能够理解的是,在不冲突的前提下,上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解,上述的实施方式仅是示例性的,而非限制性的,在不偏离本发明的基本原理的情况下,本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换,都将包含于本发明的权利要求范围内。
Claims (11)
1.一种数字光处理投影光机,包括照明***、数字微镜阵列和投影***;所述照明***包括棱镜、且具有照明孔径光阑;所述投影***具有投影孔径光阑;所述棱镜具有分离照明光束和反射光束的光束分离界面;所述数字微镜阵列具有开通状态和平坦状态,所述照明光束经由所述光束分离界面引导至所述数字微镜阵列,所述数字微镜阵列在开通状态将所述照明光束反射形成开通状态光束,在平坦状态将所述照明光束反射形成平坦状态光束;
其特征在于,
还包括第一挡光单元和第二挡光单元,所述第一挡光单元设置在所述照明孔径光阑处,所述第二挡光单元设置在所述投影孔径光阑处;
所述第一挡光单元用于遮挡所述照明光束中的第一部分照明光,从而在所述开通状态光束中形成第一开通遮挡区域,并在所述平坦状态光束中形成第一平坦遮挡区域,所述第一平坦遮挡区域与所述开通状态光束所在区域之间的重叠区域为第一区域;
所述第二挡光单元用于在所述投影孔径光阑处遮挡所述开通状态光束的一部分,该部分为在不存在所述第一挡光单元和第二挡光单元的情况下所述开通状态光束所在区域与平坦状态光束所在区域之间的重叠区域中除所述第一区域之外的区域对应的开通状态光;
其中,所述第一部分照明光在所述光束分离界面的入射角度大于第二部分照明光在所述光束分离界面的入射角度,所述光束分离界面对所述第一部分照明光的透过率小于对所述第二部分照明光的透过率,所述第二部分照明光为所述开通状态光束中位于所述第一区域内的开通状态光所对应的照明光;并且,所述第一部分照明光的光能量小于所述第二部分照明光的光能量。
2.根据权利要求1所述的数字光处理投影光机,其特征在于,
所述第一开通遮挡区域包括第一遮挡边界和第二遮挡边界,所述第一区域包括第一边界和第二边界;
所述第二遮挡边界的长度与第一透过率之积,小于或等于所述第二边界的长度与第二透过率之积;其中,
所述第一遮挡边界为,以90°入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线在所述开通状态光束形成的光线轨迹;
所述第二遮挡边界为,以第一角度入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线在所述开通状态光束形成的光线轨迹;
第一边界为,以第二角度入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线在所述开通状态光束形成的光线轨迹;
第二边界为,以第三角度入射所述光束分离界面的照明光在所述微镜阵列开通状态下对应的反射光线在所述开通状态光束形成的光线轨迹;
所述第一透过率为,以第一角度入射所述光束分离界面的照明光在所述光束分离界面的透过率;
所述第二透过率为,以第三角度入射所述光束分离界面的照明光在所述光束分离界面的透过率;
且:90°>第一角度>第二角度>第三角度。
3.根据权利要求2所述的数字光处理投影光机,其特征在于,
所述第一开通遮挡区域为所述第一遮挡边界、第二遮挡边界以及所述开通状态光束的***边界围成的区域;或者,
所述第一开通遮挡区域为所述第一遮挡边界、第二遮挡边界以及所述开通状态光束的***边界围成的区域的子区域。
4.根据权利要求2或3所述的数字光处理投影光机,其特征在于,
所述数字微镜阵列的偏转角为12°,所述照明光束的半锥角为17°,所述棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.6,所述第一角度为79°,所述第三角度为40.3°。
5.根据权利要求2或3所述的数字光处理投影光机,其特征在于,
所述数字微镜阵列的偏转角为14.5°,所述照明光束的半锥角为18.2°,所述棱镜的夹角和折射率分别为45°和1.7,所述第一角度为82°,所述第三角度为36.3°。
6.根据权利要求2或3所述的数字光处理投影光机,其特征在于,
所述照明***包括反射镜,所述反射镜设置在所述棱镜与照明孔径光阑之间,所述第一挡光单元设置在所述照明孔径光阑的第一侧,且所述照明孔径光阑的第一侧比第二侧更靠近所述反射镜,其中,所述照明孔径光阑的第一侧和第二侧分别位于所述照明孔径光阑中心位置的沿直径方向的两侧。
7.根据权利要求6所述的数字光处理投影光机,其特征在于,还包括第三挡光单元和补偿棱镜,所述第三挡光单元设置在所述照明孔径光阑处,所述第三挡光单元比所述第一挡光单元更靠近所述反射镜,且所述第三挡光单元位于所述第一挡光单元的径向外侧并与所述第一挡光单元的径向外侧边缘相连,所述第三挡光单元用于遮挡所述照明光束中能被所述补偿棱镜全反射的部分。
8.根据权利要求2或3所述的数字光处理投影光机,其特征在于,
所述棱镜与照明孔径光阑之间不设置反射镜,所述第一挡光单元设置在所述照明孔径光阑的第一侧,且所述照明孔径光阑的第二侧比第一侧更靠近所述棱镜,其中,所述照明孔径光阑的第一侧和第二侧分别位于所述照明孔径光阑中心位置的沿直径方向的两侧。
9.根据权利要求1-8所述的数字光处理投影光机,其特征在于,还包括第三挡光单元和补偿棱镜,所述第三挡光单元设置在所述照明孔径光阑处,所述第三挡光单元比所述第一挡光单元更靠近所述棱镜,且所述第三挡光单元位于所述第一挡光单元的径向外侧并与所述第一挡光单元的径向外侧边缘相连,所述第三挡光单元用于遮挡所述照明光束中能被所述补偿棱镜全反射的部分。
10.根据权利要求1-9任一所述的数字光处理投影光机,其特征在于,
所述第一挡光单元面向所述照明光束的中心的边缘呈朝远离所述照明光束的中心方向凹陷的弧线形状。
11.一种投影仪,其特征在于,包括如权利要求1-10任一所述的数字光处理投影光机。
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