CN1536391A - 光学照明***和包括该***的图像投影*** - Google Patents

光学照明***和包括该***的图像投影*** Download PDF

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Abstract

光学照明***和包括该***的图像投影***，包括一个光源；至少一个照明透镜和一个和用于将从光源发射的光束照射到反射式器件上的曼因反射镜包括一个折射并透射从照明透镜入射的光的凹折射面，和一个设在凹折射面后面，用于将凹折射面折射的光内部地向回反射到凹折射面的凸反射面，并且曼因反射镜相对照明透镜倾斜。从凸反射面反射然后通过凹折射面折射的光束沿不同于从照明透镜发射的光束的光路传输。

Description

光学照明***和包括该***的图像投影***
技术领域
本发明涉及一种用于将光发射到具有微反射镜的反射式显示装置上的光学照明***，所述微反射镜通过改变反射角打开或者关闭光束，以及包括上述***的投影***。
本申请要求于2003年4月7日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.2003-21621的优先权，该申请的公开内容在此一并作为参考。
背景技术
通常，应用于背面投影电视或者前面投影的投影机的图像投影***包括光学照明***、显示器件、和投影光学***。显示器件调制由光学照明***照射的光束，并且投影光学***投射调制的光束，以显示放大的图像。
投影***发展到使用数字光束处理(DLP)器件，该数字光束处理器件利用微电子机械***(MEMS)技术制造，如反射式显示器件。该DLP器件还称作数字微反射镜器件(DMD)。
在投影***中使用的用于产生图像的DLP器件是一个由多个微反射镜制成的二维阵列，每一个微反射镜代表单一像素。为了产生图像，驱动每一个微反射镜，使其响应于相应的图像信号，并且通过改变入射光的反射角打开或者关闭光束。
当DLP器件被用作反射式显示器时，为了产生图像，光学***的构成使其从光学照明***发射的光束的光路和进入DLP器件的光路不同于由DLP器件反射的光束的光路。
典型地，在光学照明***中使用全反射棱镜，以将从光学照明***发射的光束与向投影光学***传播的光束分开。
美国专利号US5,604,624公开了一种用于投影显示的光学***，其构造使从光源发射的光束通过全反射棱镜，入射到DLP器件上(那里称作DMD)。
通常，使用全反射棱镜分离光束的棱镜类投影***这样构成，使其全反射棱镜位于光学照明***中，以便全反射光束并将光束照射到反射式显示器件上。由反射式显示器将照射的光束反射到投影光学***中。在这种情况下，尽管进入投影光学***的光束射到全反射棱镜上，但是由于到全反射棱镜表面的光束入射角小，大多数光束被透射到投影光学***中。即，在棱镜的全反射条件下，照射到反射式显示器件的光束与由反射式显示器件反射的光束分离。
如上述引证参考公开的，全反射棱镜包括两个或多个棱镜，用于分离来自光源照射光束的反射光束。在这种情况下，要制造和组装不同形状的两个或多个棱镜。每个棱镜必须制成具有精确的角度。
因此，制造和组装全反射棱镜是困难的，其降低了制造和组装能力，从而增加制造成本。在反射式显示器件和投影光学***之间，反射离开全反射棱镜面的光束趋于进入投影光学***，这对图像对比度产生不利影响。
发明内容
为了解决上述和/或其它问题，本发明的一方面提供一种具有简单结构的光学照明***，以便降低制造成本和消除在全反射棱镜类的光学***中趋于出现的变劣，并提供包括该***的图像投影***。
本发明的附加方面和优点一部分将出现在下面的描述中，一部分将从该描述中显而易见，或者通过本发明的实践而了解。
通过提供与图像投影***一起使用的光学照明***达到本发明的上述和/或其它方面，该图像投影***包括光源、至少一个照明透镜和一个将从光源发射的光照射到预定的反射式器件上的曼因(mangin)反射镜，曼因反射镜包括一个折射并透射从照明透镜入射的光的凹折射面，和一个设在凹折射面后面，用于将凹折射面折射的光内部地向回反射到凹折射面的凸反射面，并且曼因反射镜相对照明透镜倾斜，从凸反射面反射及然后通过凹折射面折射的光束沿不同于从照明透镜发射的光束的光路传输。
凹折射面具有约20到70mm的负的曲率半径，凸反射面具有约30到100mm的负的曲率半径。
光源可以是灯类，该***可进一步包括一个设置在光源和照明透镜之间的光学元件，其用于将从光源发射的光束转换成均匀的光束，并将光束的形状改变成对应于反射式器件的平面的另一形状。
***可进一步包括颜色分离单元，其根据波长分离从光源发射的光束。
反射式器件可以是反射式显示器，该显示器包括微反射镜的二维阵列，其以选择地将照射的光束以所需要的方向反射的这种方式驱动每一个微反射镜。
本发明的上述和/或其它方面还通过提供一种图像投影***而达到，该***包括一个具有一光源的光学照明***、至少一个照明透镜和一个用来将从光源发射的光束照射到反射式显示器上的曼因反射镜，曼因反射镜具有一个折射并传输从照明透镜入射的光束的凹折射面，和一个设在凹折射面后面，用于将凹折射面折射的光内部地向回反射到凹折射面的凸反射面，并且该曼因反射镜相对照明透镜倾斜，从凸反射面反射及然后通过凹折射面折射的光束沿不同于从照明透镜发射的光束的光路传输，以便光束倾斜地入射到反射式显示器上。反射式显示器包括一个微反射镜的二维阵列，其以选择地将光学照明***照射的光束反射向投影光学***的这种方式驱动每一个微反射镜，以在屏幕上形成图像。
本发明的上述和/或其它方面还通过提供一种用于图像投影***的具有一个反射式器件和一个投影光学***的的光学照明***而达到，该光学照明***包括：一个沿第一光路发射相当于一图像的光束的光源；一个具有第一和第二面的折射和反射单元，该折射和反射单元用于通过第一面将从光源接收的光束沿第二光路折射向第二面，利用第二面沿第三光路将折射的光束反射向第一面，并且沿第四光路向反射式显示器透射反射的光束。
根据本发明的另一方面，第一、第二、第三、和第四光路相互不同。
根据本发明的另一方面，第一、第二、第三、和第四光路不平行。
根据本发明的另一方面，第一和第四光路形成小于90度的夹角。
根据本发明的另一方面，第二和第三光路形成小于90度的夹角。
根据本发明的另一方面，反射式器件和光源关于第一和第四光路之间设置的路线相互相对设置。
根据本发明的另一方面，第一面和第二面是凹的，面对光源和反射式器件，第一面和第二面之间的厚度相对折射和反射单元中心的距离不同。
根据本发明的另一方面，第一面和第二面的每一个根据到折射和反射单元中心的距离，是具有不同半径的弯曲表面。
根据本发明的另一方面，折射和反射单元进一步包括设置在第一和第二面之间的光学介质，且根据到折射和反射单元中心的距离，其厚度不同。
根据本发明的另一方面，折射和反射单元包括曼因反射镜。
附图说明
本发明的上述和其他特征和优点通过参考附图详细地描述优选实施例而更加显而易见，其中：
图1是根据本发明的实施例包括光学照明***的图像投影***的示意图；
图2表示图1所示的图像投影***中，从物面的每个点上发射的发散光束由照明透镜会聚、由曼因反射镜反射、并且在像面上聚焦的光路；
图3表示图1所示的曼因反射镜的像差；和
图4表示具有与曼因反射镜类似的曲率半径和其它因数的普通反射镜的像差。
具体实施方式
现在将参照以附图表示的示例，详细描述本发明的实施例，其中相同参考标记表示相同的元件。下面为了解释本发明将参照附图描述其实施方式。
图1表示根据本发明的实施例的具有光学照明***1的图像投影***。参照图1，光学照明***包括一个光源10、至少一个照明透镜40和一个曼因反射镜50，所述曼因反射镜50将从光源10发射的光束照射到预定的反射装置上。除了光学照明***1，图像投影***还包括一个反射式显示器60，该显示器是预定的反射装置，和一个投影光学***70。
光源10可以是灯类。灯类光源10包括发射光束的灯11、和一个反射灯11发射的光束并沿传播路径引导该光束的反射器13。反射器13可以是椭圆形或者抛物线形的反射镜。椭圆形反射镜有两个焦点，一个位于灯11的位置上，另一个位于光束聚焦的位置上。如果使用抛物线形反射镜，焦点位于灯11的位置上，并且从灯11发射的且反射器13反射的所有光线相互平行。在图1中，反射器13是椭圆形反射镜。
光学照明***1进一步包括一个将从光源10发射的光束转换成均匀光束和成形光束的光学元件。为了获得色彩，光学照明***1还包括一个颜色分离单元20，该单元20根据光束的波长分离从光源10发射的光束。
在图1中，光学元件30是一个光束隧道31，即，一个玻璃棒，颜色分离单元20包括一个能够由驱动源21旋转的色轮22。
光束隧道31是一个具有垂直于光轴c1的进入和出射面31a和31b的长方体形状。光束隧道31通过反射和散射从光源10发射的光束来混和光束，以便使亮度分布均匀。另外，光束隧道31设计成使其出射面31b的长宽比与反射式显示器60使用的有效平面的长宽比成正比，以产生图像。这使通过出射面31b射出的光束形状与反射式显示器60的平面的形状相同。光束隧道31的出射面31b成为图2中的物面35。这里，当光学元件30是光束隧道31时，光源10灯类的反射器13可以是椭圆形的反射镜。当光源10灯类的反射器13是抛物线形反射镜时，可在光源10和光束隧道31之间进一步包括一个聚光透镜(未示出)，用于将平行光束转换成会聚光束。同时，如本领域众所周知的，光学元件30可包括一对蝇眼透镜(未示出)。
光学元件30可以是其它各种结构，以便将从灯类光源10发射的光束转换成均匀的光束，并且将光束的形状改变成与发射式显示器60的平面形状一致的另一形状。
用作颜色分离单元20的色轮22被驱动源21旋转。如本领域众所周知的，色轮22可以包括多个颜色过滤部分，例如，平等地分配颜色的部分，因此有选择地和顺序地透射特定颜色的光束。色轮22旋转，用于顺序地透射多个颜色的光束。可以对颜色分离单元20在结构上进行各种变化来分离颜色。
参照图2，照明透镜40聚集从光束隧道31的出射面31b发射的光束，即，物面35。曼因反射镜50然后根据反射式显示器60的倾斜角，将投影光学***70的光路与光学照明***1的光路分开，曼因反射镜50是数字光束处理装置(DLP)。为了达到该目的，曼因反射镜50相对照明透镜40倾斜。也就是说，曼因反射镜50的中心轴c2与从光源10到照明透镜40延长的光轴c1之间形成预定角度。
曼因反射镜50有一个折射来自照明透镜40的光的凹折射面51，和一个置于凹折射面51后的凸反射面53。具有预定折射率的光学介质位于凹折射面51和凸反射面53之间。例如，曼因反射镜50可以是其后表面是反射面的新月形。注意本发明公开的曼因反射镜只是用于图示的目的，不仅限于该曼因反射镜，而是可以使用任一其它的折射和反射型单元，这里提供本发明想要的方面和/或作用作为公开。
当凹折射面51折射并透射入射光时，凸反射面53将凹折射面51折射的光内部地向回反射到凹折射面51。在这种情况下，凸反射面53优选是整个反射表面。
当根据本实施例，利用反射式显示器60将光照明***1加到图像投影***中时，凹折射面51可具有约20到70mm的负的曲率半径，凸反射面53可具有约在30到100mm范围的负的曲率半径。在这种情况下，由于这些表面的方向，所以凹折射面51和凸反射面53是负的曲率半径。在光学领域，透镜或者反射镜表面的曲率半径可以是正的或者负的，这取决于表面的方向。
当如上所述利用具有凹折射面51和凸反射面53的曼因反射镜50时，从凸反射面53反射的光束通过凹折射面51折射，并且沿不同于从照明透镜40发射的光束的光路传输。
如图2所示，从物面35(如图1所示的光束隧道31的出射面31b)上的每一点射出的发散光束有照明透镜40和曼因反射镜50会聚，以聚焦到像面65上，即反射式显示器60上。
显然通过图1和2，例如，从物面35，即从光束隧道31的出射面31b射出的光束由照明透镜40会聚，并通过会聚、曼因反射镜50的折射、和反射作用，以适当的角度输入到反射式显示器60上。
因为曼因反射镜50当作透镜和反射镜，所以这可以减少所需光学元件的数量来构成光学照明***1。
为了表现曼因反射镜50的极好的性能，图3和4分别表示具有特定曲率半径的曼因反射镜50和具有与曼因反射镜类似的曲率半径的普通反射镜的像差。
图3表示当凹折射面51和凸反射面53的曲率半径为-60mm，-95mm物距是150mm、有效焦距长度(EFL)是60mm、在像面65的入射角是20度时，曼因反射镜50的像差。
图4表示当普通反射镜的曲率半径是-94mm、物距是150mm、有效焦距是60mm、在像面的入射角是20度时，普通反射镜的像差。
图3和图4结果之间的比较是明显的，使用曼因反射镜50能够减小像差，其比使用类似条件的普通反射镜的像差的一半还小。同时，光源10和照明透镜40之间包含的光学组件不限于图1所示的那些，可以进行各种改变。
根据本发明实施例的光学照明***1包括灯类光源10、产生均匀光束并成形光束的光学元件30、颜色分离单元20、至少一个照明透镜40、和曼因反射镜50。本结构能够使从光源10发射的光束高光学效率地照射在反射式器件上，即，反射式显示器60上。
由光学照明***1照射的光束的大小设置成与反射式显示器60的有效显示区的大小一致。另外，照射的光束是均匀分布的。
因此，由于本发明的光学照明***1将光束倾斜地照射在反射式显示器60上，所以在反射式显示器60上照射的光束与接着由反射式显示器60反射的光束的路径不同，因此允许DLP器件可被用作反射式显示器60。
因此，本发明的一方面是在包括光学照明***的图像投影***中使用DLP器件作为反射式显示器60。也就是说，在本发明的实施例中，反射式显示器60可以是DLP器件，它具有微反射镜的二维阵列，其以选择地将照射的光束以所需要的方向反射的这种方式驱动。在反射式显示器60中，每个微反射镜相当于一个像素。
由光学照明***1照射的光束能够沿依赖相当于单独像素的微反射镜被倾斜的路线的路径反射。当相当于预定像素的微反射镜被打开时，由微反射镜反射的光束向投影光学***70的投影透镜单元71传输，并被投影透镜单元71放大和向屏幕80透射。相反，当关闭微反射镜时，从微反射镜反射的光束被引向远离投影透镜单元71。
因此，为了产生图像，反射式显示器60独立地驱动每一个为反射镜，以响应于每一像素的图像信号，通过改变微反射镜的反射角打开或关闭微反射镜的光束。由反射式显示器60产生的图像被投影透镜单元71放大，并投射到屏幕80上。这里，因为微反射镜可以反射超过90％的入射光，所以具有DLP器件的反射式显示器60提供高的光学效率。另外，具有DLP器件的反射式显示器60提供快的器件响应，因此使其比传统的LCD可以更自然和流畅地响应移动的图片。
根据本发明的图像投影***能够用于背面投影电视和前面投影的投影机。
尽管光学照明***1包括发射白光的灯类光源作为光源10，但是不限于这里提出的实施例。也就是说，在光学照明***1中，光源10可以是白光的LED、多个每个为彩色的LED、或者多个每个为彩色的LD。在这种情况下，光学照明***1的光学结构可因此而改变。
如上所述，为了在反射式显示器上分离入射光的光路，正是DLP器件分离了反射光的光路，包括能够具有透镜和反射镜作用的曼因反射镜，因此得到简化的结构，降低了光学照明***所需光学组件的数量。
因此，使用曼因反射镜的光学照明***易于制造和光学对准，且与传统全反射棱镜类光学***比较具有低的制造成本。
另外，因为使用曼因反射镜代替棱镜，消除了传统全反射棱镜类趋于容易出现的图像对比度的降低，而防止了传统棱镜出现的光学损失，因此使照明效率最大化。
尽管已经图示和描述本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应该知道可以进行不背离附加权利要求所限定的和与其等同的本发明的精神和范围的各种形式上和细节上的改变。

Claims (26)

1.一种用于图像投影***的具有一个反射式器件的光学照明***，包括：
一个光源；至少一个照明透镜和一个用于将从光源发射的光束照射到反射式器件上的曼因反射镜，
其中曼因反射镜包括一个折射并透射从照明透镜入射的光的凹折射面，和一个设在凹折射面后面，用于将凹折射面折射的光内部地向回反射到凹折射面的凸反射面，并且曼因反射镜相对照明透镜倾斜，从凸反射面反射然后通过凹折射面折射的光束沿不同于从照明透镜发射的光束的光路传输。
2.如权利要求1所述的光学照明***，其中凹折射面具有约20到70mm的负的曲率半径，凸反射面具有约30到100mm的负的曲率半径。
3.如权利要求2所述的光学照明***，其中光源包括灯类，该***进一步包括一个设置在光源和照明透镜之间的光学元件，其用于将从光源发射的光束转换成均匀的光束，并将光束的形状改变成对应于反射式器件的平面的另一形状。
4.如权利要求1所述的光学照明***，其中光源包括灯类光源，该***可进一步包括一个设置在光源和照明透镜之间的光学元件，其用于将从光源发射的光束转换成均匀的光束，并将光束的形状改变成对应于反射式器件的平面的另一形状。
5.如权利要求3或4所述的光学照明***，其中光学元件包括一个光束隧道。
6.如权利要求1到4任一所述的光学照明***，其特征在于，进一步包括：
颜色分离单元，其根据光束的波长分离从光源发射的光束。
7.如权利要求6所述的光学照明***，其中所述颜色分离单元包括：
一个色轮，其根据光束的波长分离从光源发射的光束并顺序地传输该分离的光束；和
一个使色轮旋转的驱动源。
8.如权利要求6所述的光学照明***，其中反射式器件包括一个反射式显示器，该显示器包括微反射镜的二维阵列，以选择地将照射的光束以所需要的方向反射的这种方式驱动每一个微反射镜。
9.如权利要求1到4任一所述的光学照明***，其中反射式器件包括一个反射式显示器，该显示器包括微反射镜的二维阵列，以选择地将照射的光束以所需要的方向反射的这种方式驱动每一个微反射镜。
10一种图像投影***包括：
一个反射式显示器；和
一个光学照明***包括，
一个光源，和
至少一个照明透镜和一个用来将从光源发射的光束照射到反射式显示器上的曼因反射镜，
其中曼因反射镜包括一个折射并传输从照明透镜入射的光束的凹折射面，和一个设在凹折射面后面，用于将凹折射面折射的光内部地向回反射到凹折射面的凸反射面，并且该曼因反射镜相对照明透镜倾斜，以便从凸反射面反射及然后通过凹折射面折射的光束沿不同于从照明透镜发射的光束的光路传输，使光束倾斜地入射到反射式显示器上；该反射式显示器包括一个微反射镜的二维阵列，以选择地将光学照明***照射的光束反射向投影光学***的这种方式驱动每一个微反射镜，以形成图像。
11.如权利要求10所述的图像投影***，其中凹折射面具有约20到70mm的负的曲率半径，凸反射面具有约30到100mm的负的曲率半径。
12.如权利要求11所述的光学照明***，其中光源包括灯类光源，该***进一步包括一个设置在光源和照明透镜之间的光学元件，其用于将从光源发射的光束转换成均匀的光束，并将光束的形状改变成对应于反射式器件的平面的另一形状。
13.如权利要求10所述的光学照明***，其中光源可以是灯类光源，该***进一步包括一个设置在光源和照明透镜之间的光学元件，其用于将从光源发射的光束转换成均匀的光束，并将光束的形状改变成对应于反射式器件的平面的另一形状。
14.如权利要求12或13所述的光学照明***，其中光学元件包括一个光束隧道。
15.如权利要求10至13任一所述的光学照明***，其中光学照明***进一步包括一个颜色分离单元，其根据光束的波长分离从光源发射的光束。
16.如权利要求15所述的光学照明***，其中所述颜色分离单元包括：
一个色轮，其根据光束的波长分离从光源发射的光束并顺序地传输该分离的光束；和
一个使色轮旋转的驱动源。
17.一种用于图像投影***的具有一个反射式器件和一个投影光学***的的光学照明***，包括：
一个沿第一光路发射对应于一图像的光束的光源；和
一个具有第一和第二面的折射和反射单元，该折射和反射单元用于通过第一面将从光源接收的光束沿第二光路折射向第二面，利用第二面沿第三光路将折射的光束反射向第一面，并且沿第四光路向反射式显示器透射反射的光束。
18.如权利要求17的光学照明***，其中第一、第二、第三、和第四光路相互不同。
19.如权利要求17的光学照明***，其中第一、第二、第三、和第四光路不平行。
20.如权利要求17的光学照明***，其中第一和第四光路形成小于90度的夹角。
21.如权利要求17的光学照明***，其中第二和第三光路形成小于90度的夹角。
22.如权利要求17的光学照明***，其中反射式器件和光源关于第一和第四光路之间设置的一线相互相对设置。
23.如权利要求17的光学照明***，其中第一面和第二面是凹的，面对光源和反射式器件，第一面和第二面之间的厚度相对到折射和反射单元中心的距离不同。
24.如权利要求17的光学照明***，其中第一面和第二面的每一个根据到折射和反射单元中心的距离，是具有不同半径的弯曲表面。
25.如权利要求17的光学照明***，其中折射和反射单元进一步包括设置在第一和第二面之间的光学介质，且根据到折射和反射单元中心的距离，其厚度不同。
26.如权利要求17的光学照明***，其中折射和反射单元包括曼因反射镜。
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