CN1815353A - 光导管及具有该光导管的投影设备 - Google Patents

光导管及具有该光导管的投影设备 Download PDF

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CN1815353A CNA2006100033547A CN200610003354A CN1815353A CN 1815353 A CN1815353 A CN 1815353A CN A2006100033547 A CNA2006100033547 A CN A2006100033547A CN 200610003354 A CN200610003354 A CN 200610003354A CN 1815353 A CN1815353 A CN 1815353A
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Abstract

一种光导管和一种具有该光导管的投影设备提供提高的光学分离的程度和成像效率。所述光导管使从光源发出的光的强度分布标准化。所述光导管包括光的入射平面和出射平面。此外，所述出射平面的尺寸大于入射平面的尺寸，所述出射平面相对于所述入射平面倾斜一定角度(θ)。根据这一构造，提高了照明光的光学分离的程度和成像效率。光学分离程度的提高也提高了对比度，同时使光学***紧凑。

Description

光导管及具有该光导管的投影设备
                         技术领域
本发明涉及一种光导管以及一种具有所述光导管的投影设备。更具体地讲，本发明涉及一种光导管和一种投影设备，所述投影设备通过使用兼具楔形光导管和锥形光导管的特点的光导管来提高照明光的光学分离(opticalseparation)的程度和成像效率。
                         背景技术
通常，投影设备是将由图像显示装置形成的光学图像放大并将其投影到投影表面如屏幕上的显示设备。即，投影设备接收来自各种图像装置，如电视(TV)、录像机(VCR)、数字通用盘(DVD)播放器、个人电脑(PC)或者便携式摄像机等的信号并将由透镜放大的光学图像投影到屏幕上。
根据投影设备使用的图像显示装置，投影设备可分为第一代CRT(阴极射线管)型、第二代LCD(液晶显示器件)型或第三代DMD(数字微镜装置)型装置。
LCD型投影设备有些缺点，如制造工艺复杂且照度低。因此，由于DMD型投影设备具有以全数字形式形成高清晰图像的能力，所以，最近DMD型投影设备被使用。在DLP(数字光处理)***中使用的DMD是半导体光开关，其使DMD面板上的多个微镜旋转并将发射的光或者反射到投影***上(ON)或者反射为远离投影***(OFF)，以形成光学图像。
通常，投影设备包括光导管，用于将灯产生的点光源转化为面光源。光导管也被称为光线整合器、光管或玻璃棒。
根据DMD的尺寸，从光导管发出的光通过穿过照明透镜被放大。多个微镜可转动地安装在DMD中，从而这些微镜能够绕着DMD的特定轴和其平行轴转动。控制器根据图像数据控制每个微镜的转动。按照这种方式，每个微镜将来自光源的入射光或者反射到投影***上(ON)或者反射为远离投影***(OFF)。
在ON状态下，被微镜反射的光被引导到投影***上，而在OFF状态下由微镜反射的光被引导为远离投影***。因此，在OFF状态下，与微镜对应的像素看起来是黑色的，而在ON状态与微镜对应的像素看起来是红色、绿色、蓝色或者混合色。光学图像由安装在DMD中的每个微镜反射的光混合形成。投影***对光学图像中的任何色差进行补偿，使光学图像放大并将其投影到屏幕上。
图1A是传统的矩形光导管的透视图。如图1A所示，光导管110具有与火柴盒相似的外观，并由4个矩形镜子形成。所述镜子按照使光在光导管内部被反射的方式固定。这种矩形的光导管是最普遍使用的光导管。如图1A所示，入射平面110a的形状是与出射平面110b的形状相同的矩形，并且平面110a和平面110b互相平行。
图1B是传统的楔形光导管的透视图。如图1B所示，楔形光导管120由两个矩形镜子和两个梯形镜子形成。入射平面120a和出射平面120b不互相平行。相反，出射平面120b相对于入射平面120a倾斜一定角度(θ)。
图1C是传统的锥形光导管的透视图。在锥形光导管130中，入射平面130a和出射平面130b互相平行，但是它们的尺寸不同。例如，如果入射平面是4″×4″，则出射平面可以是6″×4″。
图2A是用于解释具有矩形光导管110的照明***的示意图。在所示的***中，反射器是椭圆形反射器。因此，来自光源210的近焦点的光聚焦在远焦点。所述光作为点光源被引导到光导管110内，而作为面光源从光导管110发出。
根据DMD 230的尺寸，发出的光通过照明透镜220被放大。因为DMD将从光导管发出的光反射，所以DMD相对于光轴(CR)倾斜。因此，如图2A所示，照射的成像平面240与DMD 230的平面成一定角度。因此，传统的矩形光导管的成像效率差。
图2B是用于解释具有楔形光导管120的照明***的示意图。如图2B所示，楔形光导管120相对于照明透镜220倾斜一定角度，因此，成像平面240也相对于照明透镜倾斜一定角度。因此，楔形光导管120用于克服矩形光导管110的缺点，并且因为照射的成像平面240与DMD 230的平面对齐，所以提高了成像效率。
图2C是用于解释具有锥形光导管130的照明***的示意图。如图2C所示，当使用锥形光导管130时，光导管内部的反射平面上的入射角变大，反射角也变大。因此，从光导管发出的光具有较窄的光的角分布(angulardistribution)和提高的光学分离的程度，这导致照明***紧凑纤细。
现在将参照图3A和图3B解释关于光学分离的程度的细节，图3A和图3B示出了在图2C中所示的光导管的光学分离的程度。图3A和图3B示出了来自照明***(未示出)的入射光(IR)被DMD 230反射和出射光(OR)入射到投影***310上的过程。
如图3A所示，阴影表示的区域是入射光(IR)和出射光(OR)重叠的区域。因为入射光(IR)和出射光(OR)之间的干涉，所以这种重叠导致图像质量下降。在光的重叠区域中，离DMD 230最远的点被称为光学分离点(P)。光学分离点(P)与DMD之间的距离(H)越短，则光学分离程度越高。光学分离程度越高，则对比度越高。因为上述距离(H)是安装投影***310所需的距DMD 230的最短距离，所以，如果距离(H)变得更短，则投影***可以安装在DMD附近，构成紧凑的光学***。
如图3B所示，如果所述光具有较宽的光的角分布，则光学分离点(P′)离DMD 230更远。此外，光学分离点(P′)和DMD 230之间的距离(H′)也变得更长，从而光学分离的程度降低。因此，光的较宽的角分布降低了对比度并难于构成紧凑的光学***。
楔形光导管能够提高照明光的成像效率，但是它不能提高光学***的光学分离的程度。相比之下，锥形光导管能提高光学分离的程度，但是它不能提高成像效率。
因此，需要一种用于投影设备的改进的光导管，其既能提供提高的光学分离程度又能提供提高的成像效率。
                        发明内容
本发明的一方面在于解决至少以上的问题和/或缺点并提供至少以下描述的优点。因此本发明的一方面在于提供一种光导管和具有该光导管的投影设备。更具体地讲，本发明的一方面在于提供一种改进的光导管和具有该光导管的投影设备，所述投影设备通过使用同时应用楔形光导管和锥形光导管的特点的光导管来提供提高的照明光的光学分离的程度和成像效率。
根据本发明的示例性实施例，用于投影设备的光导管使由光源提供的光的强度分布统一地标准化。所述光导管包括光的入射平面和出射平面，其中，出射平面的尺寸大于入射平面的尺寸，且出射平面相对于入射平面倾斜一定角度(θ)。
所述光导管可以通过将四个矩形镜子的长边固定起来而形成。所述光导管的入射平面和出射平面可以是矩形的，从所述入射平面到所述出射平面的光路可以是中空的空间。
所述光导管可以由六面体玻璃棒形成，所述入射平面和出射平面可以是矩形的。此外，从所述入射平面到所述出射平面的光路可以是实心玻璃。
根据本发明的另一个示例性实施例，投影设备包括：光源，具有用于提供光的灯和反射镜；光导管，用于将发出的点光转化为面光；照明***，用于借助反射镜反射和发出面光。此外，根据本发明的示例性实施例的投影设备具有光的入射平面和出射平面，其中，所述出射平面的尺寸大于所述入射平面的尺寸，所述出射平面相对于所述入射平面倾斜一定角度(θ)。
所述光导管可以通过将四个矩形镜子的长边固定起来而形成。所述光导管的入射平面和出射平面可以是矩形的，从所述入射平面到所述出射平面的光路可以是中空的空间。
所述光导管可以由六面体玻璃棒形成，所述入射平面和出射平面可以是矩形的。此外，从所述入射平面到所述出射平面的光路可以是实心玻璃。
所述灯可以是弧光灯或者卤素灯。
所述反射镜可以是椭圆形反射镜或者抛物线形反射镜。
根据本发明示例性实施例的投影设备将从所述照明***发出的光转化为光学图像并包括可旋转地安装到基板上的多个微镜。所述投影设备还包括用于控制微镜的DMD(数字微镜装置)和用于放大并投影由DMD形成的光学图像的投影***。
所述投影设备还可包括屏幕，由照明***放大的光学图像被投影到所述屏幕上。
替代于DMD，所述投影设备还可包括用于接收从所述照明***发出的光并将其转化为光学图像的LCD(液晶显示器件)或者LCOS(硅基液晶器件)。
所述投影设备还可包括用于放大并投影由LCD或者LCOS形成的光学图像的投影***。。
所述投影设备还可包括屏幕，由照明***放大的光学图像被投影到所述屏幕上。
                         附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的特定示例性实施例的上述和其他目的、特点和优点将会更加清楚，其中：
图1A是传统的矩形光导管的透视图；
图1B是传统的楔形光导管的透视图；
图1C是传统的锥形光导管的透视图；
图2A是显示具有图1A的光导管的照明***的操作的示意图；
图2B是显示具有图1B的光导管的照明***的操作的示意图；
图2C是显示具有图1C的光导管的照明***的操作的示意图；
图3A和图3B是显示图2C中所示的***的光学分离的程度的示意图；
图4是根据本发明示例性实施例的投影设备的剖视图；
图5是图4的照明***和投影***的分解透视图；
图6是图5的光导管的透视图，所述光导管同时使用楔形设计和锥形设计；
图7是显示具有图6的光导管的照明***的操作的示意图；
图8和图9分别显示根据本发明示例性实施例的光导管的入射光分布和图8的光导管的出射光的分布。
在整个附图中，相同的附图标记应被理解为指示相同的元件、特征和结构。
                       具体实施方式
提供说明书中定义的这些内容，如详细的构造和元件是为了帮助全面理解本发明示例性实施例。因此，本领域普通技术人员应当认识到，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以对这里描述的示例性实施例做出各种改变和修改。此外，为了清楚和简明起见，省略了对公知功能和构造的描述。
图4是根据本发明示例性实施例的投影设备的剖视图；图5是图4的照明***和投影***的分解透视图。
参照图4，根据本发明一个示例性实施例的投影设备包括主体400，该主体400形成投影设备的外观。屏幕410固定在主体400上，屏幕反射镜420放大光学图像并将其反射到屏幕410上。光学引擎500形成光学图像并将其投影到图像反射镜420上。光学引擎500包括照明***和投影***。
参照图5，光学引擎500包括照明***510、DMD 550和投影***560。照明***510也被称为照明光学***，投影***560也被称为投影光学***。
照明***510包括光源520、中继透镜单元530和反射镜单元540。
光源520包括用于产生光的灯521和用于收集由灯521产生的光并将其提供到中继透镜单元530的椭圆形反射镜522。
根据本发明的另一个示例性实施例，抛物线形反射镜用于代替椭圆形反射镜522。在这种情况下，在焦点产生的光平行地发出，用于收集所述平行光的透镜应当用在中继透镜单元530之前。弧光灯、卤素灯、超高性能(UHP)高强度放电灯等可用作灯521。
中继透镜单元530包括彩色滤光件531、光导管532和多个照明透镜533。彩色滤光件531依次从光源520产生的光中分离红光、绿光和蓝光。光导管532不仅使分离的彩色光的密度统一地标准化，而且使所述光形成为矩形。多个照明透镜533收集穿过光导管的光并将其提供给反射镜单元540。
反射镜单元540包括第一反射镜541和第二反射镜542。第一反射镜541接收穿过多个照明透镜533的入射光并将入射光反射到第二反射镜542。此外，第二反射镜542将由第一反射镜541反射的光反射到DMD 550上。
在所示的本发明的示例性实施例中，两个反射镜541和542用于将光投射到DMD 550上。然而，如果照明***510布置在合适的位置和角度，可以使用一个反射镜。
DMD 550包括具有图案电路的基板和可转动地安装在基板上的多个微镜。基板具有有着主轴和副轴的矩形形状。矩形的宽高比最好与屏幕的宽高比相同。换句话说，DMD 550最好具有与传统的屏幕相同的16∶9或者4∶3的宽高比。此外，基板上的电路图案与控制器电连接，控制器未被显示。微镜根据来自控制器的信号独立地旋转，从而确定入射光(IR)的反射角(ON或OFF)，并将合适的颜色的光照射到图4中示出的屏幕410的像素上。
当微镜旋转到一定正角(+θ′)时，将入射光(IR)反射到投影***560内，从而将入射光(IR)投射到屏幕410上并形成与微镜对应的像素。即，当微镜旋转到+θ′时，微镜处于ON状态。相反，当微镜旋转到一定负角(-θ′)时，镜子将入射光(IR)反射为远离投影***560，且微镜处于OFF状态。
投影***560是用于放大由DMD 550形成的光学图像并将其投影的设备，投影***560包括至少一个反射镜和用于补偿光学图像中的各种像差的多个透镜。
像差随着所谓的BFL(后焦距)变大而变大，所述BFL是从DMD 550到投影***560的最后的透镜的固定点的距离(比如图3A中所示的H)。因此，当距离(BFL)变大时，补偿像差需要的透镜的数目增加。此外，当距离(BFL)增加时，设计透镜的布置和透镜的规格变得更难。因此，投影到屏幕410上的图像的质量随着距离(BFL)变大而下降。因此，后焦距是确定图像质量和光学引擎的尺寸的重要因素，为了缩短后焦距的长度，做了很大努力。
现在将参照附图详细解释根据本发明的一个示例性实施例的光导管。图6是根据本发明的一个示例性实施例的同时应用了楔形设计的特点和锥形设计的特点的光导管的透视图。
根据本发明的一个示例性实施例的光导管的形成方式为：通过由4个镜子形成光导管的侧面使反射发生于光导管的内部。更具体地讲，光导管通过固定两个矩形镜子和两个梯形镜子形成，使入射平面532a和出射平面532b不互相平行，且使出射平面532b倾斜一定角度(θ)(即，楔形设计)，从而入射平面和出射平面具有不同的尺寸(即，锥形设计)。
根据本发明的另一个示例性实施例，光导管可由既为楔形又为锥形的玻璃棒形成，从而其具有被玻璃填充的结构。入射光在玻璃棒内全反射后出射。
图7是用于解释包括图6的光导管532的照明***510的示意图。图8显示光导管532的入射光分布，图9显示图8的光导管的出射光分布。
由于光源520的反射镜522是椭圆的，所以从光源520的近焦点发出的光被聚焦在远焦点。因此，如图8所示，点光源被投射到光导管532上，然后，如图9所示，被作为面光源发出。根据DMD 550的尺寸，发出的光被照明透镜533放大。
为了反射从光导管发出的光，DMD 550相对于光轴(CR)倾斜。因此，如图7所示，当使用相对于照明透镜533倾斜一定角度(θ)的楔形光导管时，因为照明平面710与DMD 550的平面一致，提高了成像效率。
此外，当使用锥形光导管时，反射平面上的入射角增加，反射角也增加。因此从光导管532发出的光具有窄的角分布和提高的光学分离程度，从而实现紧凑和纤细的照明***。因此。根据本发明的一个示例性实施例的光导管能够照射出光学分离的程度和成像效率都被提高的光。
在前述描述中，DMD用于描述投影设备的照明***的光导管。所述光导管也可以用于具有LCD(液晶显示器件)或者LCOS(硅基液晶器件)的投影设备。
如上所述，根据本发明，具有兼具楔形光导管的特点和锥形光导管的特点的光导管的投影设备能够提高照明光的光学分离的程度和成像效率。光学分离程度的提高提高了对比度，同时也提供紧凑的照明***。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例显示和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上做出各种改变。

Claims (13)

1、一种用于使从光源发出的光的强度分布统一地标准化的光导管，所述光导管包括光的入射平面和出射平面，其中，
所述出射平面的尺寸大于所述入射平面的尺寸；
所述出射平面相对于所述入射平面倾斜角度θ。
2、如权利要求1所述的光导管，其中，
所述光导管由两个矩形镜子和两个梯形镜子形成，所述入射平面和所述出射平面是矩形的，从所述入射平面到所述出射平面的光路是中空的空间。
3、如权利要求1所述的光导管，其中，
所述光导管由六面体玻璃棒形成，所述入射平面和所述出射平面是矩形的，从所述入射平面到所述出射平面的光路是实心玻璃。
4、一种投影设备，包括：
光源，包括用于提供点光的灯和反射镜；
光导管，用于将来自所述光源的所述点光转化为面光，所述光导管包括光的入射平面和出射平面，所述出射平面的尺寸大于所述入射平面的尺寸，所述出射平面相对于所述入射平面倾斜角度θ；
照明***，用于通过所述反射镜反射并发射所述面光。
5、如权利要求4所述的投影设备，其中，
所述光导管由两个矩形镜子和两个梯形镜子形成，所述入射平面和所述出射平面是矩形的，从所述入射平面到所述出射平面的光路是中空的空间。
6、如权利要求4所述的投影设备，其中，
所述光导管由六面体玻璃棒形成，所述入射平面和所述出射平面是矩形的，从所述入射平面到所述出射平面的光路是实心玻璃。
7、如权利要求4所述的投影设备，其中，
所述灯是弧光灯或者卤素灯。
8、如权利要求4所述的投影设备，其中，
所述反射镜是椭圆形反射镜或者抛物线形反射镜。
9、如权利要求4所述的投影设备，还包括：
数字微镜装置，包括可旋转地安装到基板上的多个微镜，用于将从所述照明***发出的光转化为光学图像；
投影***，用于放大并投影由所述数字微镜装置形成的光学图像。
10、如权利要求9所述的投影设备，还包括
屏幕，由照明***放大的光学图像被投影到所述屏幕上。
11、如权利要求4所述的投影设备，还包括
液晶显示器件或者硅基液晶器件，用于透射从所述照明***发出的光并将其转化为光学图像。
12、如权利要求11所述的投影设备，还包括
投影***，用于放大并投影由所述液晶显示器件或者硅基液晶器件形成的光学图像。
13、如权利要求12所述的投影设备，还包括
屏幕，由照明***放大的光学图像被投影到所述屏幕上。
CNA2006100033547A 2005-02-04 2006-01-26 光导管及具有该光导管的投影设备 Pending CN1815353A (zh)

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