专利名称：投影仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种投影仪器，其具有用于产生图像的反射式光调制器，该光调制器具有可互相独立控制的多个像素，它们设置在一个像平面中并且分别可以至少进入到第一和第二状态并且形成图像产生区域，所述投影仪器还包括用于照明像素的光源单元和包括第一和第二部分光学装置的投影光学装置，所述投影光学装置具有光轴，其中光源单元在投影仪器的工作期间为了照明像素而发出照明光线束，所述照明光线束通过包括至少一个透镜的第一部分光学装置并且然后到达像素上，其中为了在投影面上投影图像，由位于第一状态的像素所反射的光作为投影光线束通过第一部分光学装置并且然后通过第二光学装置，并且其中当照明光线束通过第一部分光学装置时在第一部分光学装置的每个透镜的每个光学分界面上产生反射光线束，所述的反射光线束在光学分界面上没有其他反射的情况下传播到第二部分光学装置中。
背景技术：
在同轴(on-axis)的应用(例如中心投影)中，这样的投影仪器总是存在如下缺点，即每个产生的反射光束至少部分也穿过第二部分光学装置并且因此投影到投影面上。这导致输入输出比例以及黑图(其中应该显示平面的黑图)的一致性变差。
为了避免图像的反射产生的恶化影响，至今照明光线通过三棱镜的全内反射指向到像素上。但是一个这样的三棱镜是相当贵的元件并且要求昂贵的抗反射涂层。而且在玻璃中的路径导致令人讨厌的色差。
发明内容
针对于以上问题，本发明的任务在于，这样改进一种前述类型的投影仪器，以减小照明光线反射对投影图像质量的影响。
根据本发明，上述任务通过前述类型的投影仪器完成，在该投影仪器中第一部分光学装置的每个透镜的每个光学分界面如此弯曲和/或如此设置，使得在投影光学装置的光轴所在的且被光轴分成上半和下半平面的参考平面中，每个离开第一部分光学装置的反射光线束完全进入或者第一半平面或者第二半平面，从而避免反射光线束投影到投影面上。
由于因此反射光线束仅仅在第二部分光学装置的一侧的旁边经过并且不再如通常在先前的物镜中在第二部分光学装置的两侧，所以显著地减小了反射光线束对投影图像的影响。特别地，通过合适的调节曲率和/或合适的布置，反射光线束能完全地从第二部分光学装置旁边经过。也可以部分的反射光线束还进入第二部分光学装置，但是由于它们的传播方向，它们不完全通过第二部分光学装置，因此不到达投影面。
在这里反射光线束是通过在第一部分光学装置的至少一个透镜的有效面的一次反射产生的反射光线束。因此这些是第一级反射光线束。在这里不考虑通过在第一部分光学装置的至少一个透镜的有效面的多次反射产生的反射光线束。
如果投影光学装置不具有共同的光轴，那么投影光学装置的光轴应该理解为第二部分光学装置的一个元件或者一个透镜的光轴，特别是距离光调制器最远的透镜的光轴。
特别地，第一部分光学装置的每个透镜或物镜的每个光学分界面如此弯曲和/或如此设置，使得所有离开第一部分光学装置的反射光线束进入相同的(第一或第二)半平面中。这有利地导致投影光学装置的结构简单。在这种情况下，特别有利的是，光源单元如此设置，使得在参考平面中照明光线束从两个半平面中的另一个(第二或第一半平面)指向第一部分光学装置。
在根据本发明的投影仪器的一种特别有利的实施例中，第一部分光学装置的透镜如此构造和设置，使得反射光线束都不进入或者仅仅部分地进入第二部分光学装置中并且最迟在投影光学装置的孔径光阑处被阻挡。因此得到极好的输入输出比例和非常一致的黑图。特别地，孔径光阑可以位于相对于像平面光学共轭的平面中或者位于这样平面中，在该平面中具有能收集不同部分投影光线束(由不同的像素发出)的相同角度的光线束的表面(也在光阑面中)。
而且在根据本发明的投影仪器中，为了折弯光路在投影光学装置中设有偏转元件(例如镜子)。因此这允许实现非常紧凑的并且适合于相应的外部结构条件的投影光学装置。特别是在反投影中投影光学装置适合于反投影仪器的预定的结构深度和高度。当然也可以在光源单元中设有偏转元件。而且，光源单元和投影光学装置都不设有偏转元件。在投影光学装置中折弯光路的情况下，半平面的相应区域根据折弯自然地同时转换。换句话说，如果在未折弯的状态下看折弯的投影光学装置，参考平面又被分成两个半平面。
而且在根据本发明的投影仪器中，其中第一部分光学装置整个具有正折射能力。因此能够获得非常好和一致的光调制器的照明。特别地，照明像素的相应的部分照明光线束的孔径角适合于光调制器的要求。
在根据本发明的投影仪器的一个特别有利的实施例中，当从上看图像产生区域时，投影光学装置的光轴到达图像产生区域，优选地大约在中间。因此，投影仪器具有所谓的同轴结构。因此它可以设置为中心投影仪器，这特别是在将投影仪器设置为反投影仪器时是有利的。当然，光轴不必精确地在中间到达图像产生区域上。本质上仅仅在于光轴大约在中间到达图像产生区域上。
如果光轴垂直地到达图像产生区域，可以实现具有特别好的图像特性的投影光学装置。
一个根据本发明投影仪器的特别优选的实施例在于，第一部分光学装置的至少第一透镜在参考平面中横向于光轴偏移。通过至少第一透镜的这样的具体布置，以简单的方式获得想要的反射光线束路径。图像产生区域也可以横向于光轴偏移，其中图像产生区域的偏移优选地等于至少第一透镜的偏移。
同样可以的是，除了所述的偏移或者代替该偏移，至少第一透镜相对于光轴倾斜第一角度。这同样可以获得想要的反射光线束的路径。
而且，像平面同样可以相对于光轴倾斜第二角度，其中两个角度优选地是相等的，这特别在投影仪器的调节时是有利的。
根据本发明的投影仪器的一个优选的实施例，第二部分光学装置的至少一个透镜的偏移和/或倾斜如此选择，使得投影光学装置的由第一部分光学装置的至少一个透镜的偏移和/或倾斜所产生的像差至少部分地被补偿。除了第二部分光学装置的至少一个透镜的偏移和/或倾斜或者代替该偏移和/或倾斜，在投影光学装置中至少设有一个楔和/或倾斜的平板，以便至少部分地补偿投影光学装置的由第一部分光学装置的至少一个透镜的偏移和/或倾斜所产生的像差。因此以最简单的方式提供具有优秀的图像特性的投影光学装置，其中同时显著地改善了反射光的特性。
而且，第一部分光学装置可以具有至少两个透镜，它们如此互相(并且优选地相对于图像产生区域)偏移和/或倾斜，使得至少两个透镜的由偏移和/或倾斜所产生的像差互相至少部分地补偿。已经在第一部分光学装置所述的补偿的结构当然也可以与上述的通过第二部分光学装置的透镜的相应布置的补偿进行组合。
而且在根据本发明的投影仪器中，第一透镜可以是具有正折射能力的凹凸透镜，其中凹凸透镜的凸起面对着像素。优选地在这种情况下多个凹凸透镜连续地排列，其中每个透镜的凸起面都对着像素。因此，要求的正折射能力能够在几个透镜之间分配，从而能减小它们的有效面的弯曲，这又导致能获得反射光线束的期望路径。
在这种情况下，有利的是凹凸透镜中的至少一个由具有反射率至少为1.7的材料制成。这同样导致可以减小相应透镜的曲率半径，从而更容易地获得想要的反射光线束的路径。
在根据本发明的投影仪器的一种有利的实施例中，在参考平面中，能照明像素的部分照明光线束以及来自位于第一状态的像素的部分投射光线束覆盖非连续的角度范围。因此在至少第一透镜的设计中提供更大的自由度，利用该自由度可以以想要的方式实现反射光线束的路径。
特别地光调制器具有倾斜镜矩阵，其中参考平面垂直于倾斜镜的倾斜轴。光调制器优选地由控制单元基于预定的图像数据而控制。在这种情况下能产生黑白图像或者多色图像，其中为了产生多色图像，光调制器例如以这样的重复方式按照时间顺序由不同颜色(例如红色、绿色和蓝色)照明，使得观察者只能够将相继投影的颜色部分图像感觉为叠加的多色图像。或者能为不同颜色部分图像设有多个光调制器，其中在这种情况下在第一部分光学装置和光调制器之间可以设有分光单元(例如分光立方体)，其在光调制器上分开通过第一部分光学装置的照明光线束并且将从光调制器发出的投影光线束组合成一个共同的投影光线束并且指向第一部分光学装置，所以共同的投影光线束通过第一和第二部分光学装置。当然分光单元还可以如此设置，使得它在照明光线束通过第一部分光学装置之前将照明光线束分开，其中在这种构造中在每个光调制器(也就是在相应的光调制器和分光单元之间)之前设有第一部分光学装置，所以光调制器的投影光线束首先通过所属的第一部分光学装置并且然后组合以成形共同的投影光线束。
在根据本发明的投影仪器的一种优选的实施例中，投影仪器设置为反投影仪器，其包括设置成反投影屏幕的投影面。特别地，在反投影屏幕和投影光学装置之间设置有所谓的菲涅耳透镜。同样在投影光学装置和菲涅耳透镜或者投影面之间设有一个或多个偏转元件，以便提供紧凑的反投影仪器。
而且在根据本发明的投影仪器中，投影光学装置的所有透镜都在共同的光轴上。这简化了投影光学装置的制造。
同样根据本发明的投影仪器如此设置，使得它构成为基本居中的并且旋转对称的光学装置，优选地基本上焦阑的。这导致具有极好的图像特性的投影光学装置。
特别有利的是，第二部分光学装置的位置或者它部分的位置沿光轴的方向是可变的。可以利用这个以便改变投影的尺寸。因此提供投影光学装置用于制造能显示不同尺寸图像的投影仪器。这仅仅要求第二部分光学装置或者它的部分沿光轴移动并且然后被固定。
而且，投影光学装置在相对于像平面共轭的光阑平面中包括具有旋转对称的光阑孔径的遮蔽光阑。当像平面倾斜时，能观察到相对于还未倾斜的像平面共轭的光阑平面。
同样，在根据本发明的投影仪器中，光阑孔径的部分通过另外光阑元件遮蔽。这是特别有利的，如果放射光的一定部分还通过光阑孔径的有限的部分。通过另外的光阑元件，反射光部分能够在图像信息不损失的情况下被遮蔽。
下面根据附图以实施例的方式详细地描述本发明。其中图1示出根据本发明的投影仪器的示意图；图2示出图1的投影仪器的投影光学装置的放大细节图；图3示出图1的投影仪器的投影光学装置的放大细节图；图4示出图1的投影仪器的投影光学装置的放大细节图；以及图5-10根据另一结构形式的图1的投影光学装置的放大部分视图。
具体实施例方式
如从其中示意性地示出根据本发明的投影仪器的第一实施例的图1中可以看出，投影仪器包括反射式光调制器1，其在这里构成为倾斜镜矩阵，该矩阵包括多个以行和排设置的倾斜镜，它们能借助于控制单元2基于预定的图像数据相互独立地在第一和第二倾斜位置之间来回转换。倾斜镜的倾斜轴位于垂直于绘图平面的像平面。因此倾斜镜像素是形成光调制器的图像产生区域的像素。
此外投射仪器包括用于照亮倾斜镜的光源单元3，其中光源单元3包括光源4和设置在光源4后面的成像光学装置5(示意性示出)。而且在投影仪器中还设有投影光学装置6，其具有也是示意性示出的第一部分光学装置7和第二部分光学装置8，其中两个部分光学装置7、8都至少包含一个透镜。
当投影仪器工作时，通过光源单元3产生照明光线束9，其穿过第一部分光学装置7到达光调制器1。由位于第一倾斜位置(第一状态)的倾斜镜反射的光构成投射光线束10，其又穿过第一部分光学装置7和第二部分光学装置8并且因此到达投影面11，以便在投影面上投影通过光调制器1产生的图像。由位于第二状态(第二倾斜位置)的倾斜镜反射的光将(在图1的视图中)倾斜地向上偏转(未示出)并且因此通过投影光学装置6不投影在投影面11上。
图2详细地示出图1的投影光学装置6与光调制器1的视图，以便解释反射光的抑制，其中照明光线束9的用于三个已选像素P1、P2和P3的三个部分照明光线束B1、B2和B3以实线示出，并且在第一部分光学装置7的光学边界面W1处产生的反射光线束R1(或者，它的三个部分反射光学束R11、R12、R13)以虚线示出，直到第二部分光学装置8。像素P1和P3分别是在光调制器1的上部和下部边缘的像素，然而像素P2在光轴OA上。
如从图2中可以看出，沿投射方向观察，第二部分光学装置8包括设置在第一部分光学装置7之后的第一透镜组13以及设置在第一透镜组13之后的第二透镜组14，其中示出第二透镜组14的光轴。第一透镜组13在垂直于光轴OA的绘图平面向上偏移。如在图2中进一步可以看出，光调制器1具有玻璃罩D并且相对于光轴OA倾斜约3°。第一部分光学装置7包括具有正折射能力的第一透镜15，其相对于光轴OA向下偏移，所以第一透镜15不再关于光轴OA旋转对称地设置。这产生如下的优点，即当照明光线束9通过第一透镜15时在第一透镜15的远离光调制器1的边界面W1上产生的反射光线束R1向上倾斜地(在图2中)延伸。因此反射光线束R1的所有光线延伸到上半平面H1，该上半平面H1在绘图平面中并且通过光轴OA与下半平面H2分开。如从所示的光线路径中可以看出，部分反射光线束R11从旁边经过第二部分光学装置8，而部分反射光线束R12、R13至少部分到达第一透镜组13的第一透镜上。但是部分反射光线束R12、R13的角度如此陡峭，使得这些光线束不穿过光阑16并且因此也不投影到投影面11上。这直接从部分反射光线束R12和R13的光线高度和光线角度以及像素P1、P2和P3的部分投射光线束S1、S2、S3的光线高度和光线角度的比较中得出，所述的部分投射光线束在图3中用实线示出。在图3中以与图2类似的视图示出用于像素P1、P2、P3的三个部分照明光线束B1、B2和B3以及部分投射光线束S1、S2、S3，其中像素P1、P2和P3都在第一倾斜位置。
在图4中以与图2中类似的方式示出部分反射光线束R2，其通过在第一透镜15的对着光调制器1的边界面W2的反射而产生。同样从图4中可以看出，由于透镜15垂直于光轴OA具有透镜偏移，反射光线束R2的光线或者直接在第二部分光学装置8旁边通过或者不通过在第二部分光学装置8中的光阑16，因为反射光线束延伸到上半平面H1中。因此，由于形成第一部分光学装置的第一透镜15的反射光线束延伸到上半平面H1中，所以可以有效地避免照明光线束9的反射线投射到投影面11上，所以能获得好的输入输出比例以及黑图的良好一致性。
而且从图3中可以清楚地看出，部分照明光线束B1和相应的部分投射光线束S1(在绘图面中)不覆盖连续的角范围。这具有如下优点，即在第一部分光学装置7(第一透镜15)的设计中给出了用于优化第一透镜15的边界面或者有效面W1和W2的弯曲和/或定位的更大的自由度。此外上述的实施例的优点还在于，第一光学装置7仅仅包括一个透镜，所以能够将投影仪器制造得小、紧凑并且成本低廉。
特别地，投影仪器还如此构造，使得第二透镜组8沿光轴OA的方向是位置可调的。因此这允许调节不同的放大倍数。这例如在投影仪器的制造中是有利的，因为它允许通过一个投影光学装置实现不同的放大率，而不必为此设置透镜或者其他的光学元件。只要求沿第二透镜14的光轴OA的方向调节位置。
在用于投影仪器的第二实施例的图5-10中以类似于图2的方式分别用虚线示出在第一部分光学装置7的光学元件或透镜17、18、19的光学边界面W1-W6之一处产生的反射光线束的各个光线路径。而且用实线示出照明光线束9和投射光线束10。第二实施例与第一实施例的根本区别在于，第一部分光学装置7和第二部分光学装置8在共同的光轴OA上，第一部分光学装置7包括三个凹凸透镜17、18和19，它们的凸起面都对着光调制器1，并且光轴OA垂直地到达光调制器的图像产生区域。同样地，第二部分光学装置8的具体结构与第一实施例相比也有些不同。但是第二部分光学装置8也包括在本文已经描述的实施例中的第一透镜组13和第二透镜组14，其中第二透镜组14沿光轴OA的方向是位置可调的。
在图5中示出反射光线R3，其通过在第一凹凸透镜17的有效面W1的反射产生。以相同的方式在图6-10示出反射光线R4-R8，它们通过照明光线束在有效面W2、W3、W4、W5和W6的反射而产生。从图5-10的视图中可以看出，大部分反射光线在第二部分光学装置8旁边经过并且因此在光阑14(其设置在与像平面相反的共轭的平面中)的旁边经过。反射光线的仍然进入第二部分光学装置8的部分在这里导致输入输出比例以及黑图的一致性一定的减小。但是应该注意的是，通常照明光线束9的大约5‰在有效面W1-W6处反射，并且在这里示出的实施例中，它最多1/5进入第二部分光学装置8。如果反射光这部分不投射在投影面11上，可以在反射光线束能穿过的光阑14的附近设有另外的遮蔽光阑，或者相应地调节(减小)投射光学装置的光圈数，以使反射光不再通过第二部分光学装置8。
权利要求
1.一种投影仪器，具有用于产生图像的反射式光调制器(1)的，所述光调制器具有多个互相独立可控制的像素(P1、P2、P3)，它们设置在一个像平面中并且可分别至少进入到第一和第二状态并且形成图像产生区域，所述投影仪器还包括用于照明像素(P1、P2、P3)的光源单元(3)和包括第一和第二部分光学装置(7、8)的投影光学装置(6)，所述投影光学装置具有光轴(OA)，其中光源单元(3)在投影仪器的工作期间为了照明像素(P1-P3)而发出照明光线束(9)，所述照明光线束通过包括至少一个第一透镜(15；17、18、19)的第一部分光学装置(7)并且然后到达像素(P1-P3)上，其中为了在投影面(11)上投影图像，由位于第一状态的像素(P1-P3)所反射的光作为投影光线束(10)通过第一部分光学装置(7)并且然后通过第二光学装置(8)，并且其中当照明光线束(9)通过第一部分光学装置(7)时在第一部分光学装置(7)的每个透镜(15；17-19)的每个光学分界面(W1、W2、W3、W4、W5、W6)上各自产生反射光线束(R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8)，所述的反射光线束在光学分界面(W1-W6)上没有其他反射地传播到第二部分光学装置(8)中，其特征在于，第一部分光学装置(7)的每个透镜(15；17-19)的每个光学分界面(W1-W6)如此弯曲和/或如此设置，使得在投影光学装置(6)的光轴(OA)所在的且被光轴(OA)分成上半和下半平面(H1、H2)的参考平面中，每个离开第一部分光学装置(7)的反射光线束(R1、R2；R3-R8)完全进入或者第一半平面或者第二半平面(H1、H2)，从而避免反射光线束(R1、R2；R3-R8)投影到投影面(11)上。
2.如权利要求1所述的投影仪器，其中每个透镜(15；17-19)的每个光学分界面(W1-W6)如此弯曲和/或如此设置，使得所有离开第一部分光学装置(7)的反射光线束进入到相同的半平面(H1)中。
3.如权利要求2所述的投影仪器，其中光源单元(3)如此设置，使得在参考平面中照明光线束(9)从两个半平面中的另一个(H2)指向到第一部分光学装置(7)上。
4.如前述权利要求之一所述的投影仪器，其中反射光线束(R1-R8)都不或者仅仅部分地入射到第二部分光学装置(8)中并且最迟在投影光学装置(6)的孔径光阑处被阻挡。
5.如权利要求1所述的投影仪器，其中在投影光学装置(6)中设有用于折弯光路的偏转元件。
6.如权利要求1所述的投影仪器，其中第一部分光学装置(7)整体具有正折射能力。
7.如权利要求1所述的投影仪器，其中当从上看图像产生区域时，投影光学装置(6)的光轴(OA)到达图像产生区域，优选地大约在中间。
8.如权利要求7所述的投影仪器，其中光轴(OA)垂直地到达图像产生区域。
9.如权利要求1所述的投影仪器，其中至少第一透镜(15)在参考平面中横向于光轴(OA)偏移。
10.如权利要求1所述的投影仪器，其中至少第一透镜(15)在参考平面中相对于光轴(OA)倾斜第一角度。
11.如权利要求10所述的投影仪器，其中像平面相对于光轴(OA)倾斜第二角度，所述的第一和第二角度优选是相等的。
12.如权利要求9-11中任一项所述的投影仪器，其中投影光学装置(6)的由第一透镜的偏移和/或倾斜产生的像差通过第二部分光学装置的至少一个透镜的偏移、倾斜和/或通过至少一个楔或者至少一个倾斜平板而至少部分地补偿。
13.如权利要求1所述的投影仪器，其中第一部分光学装置(7)具有至少两个透镜，它们如此互相偏移和/或倾斜，使得至少两个透镜的由于偏移和/或倾斜产生的像差互相至少部分地补偿。
14.如权利要求1所述的投影仪器，其中第一透镜是具有正反射能力的凹凸透镜(17-19)，其中凹凸透镜(17-19)的凸起面对着像素(P1-P2)。
15.如权利要求1所述的投影仪器，其中第一透镜(15；17-19)由反射率至少为1.7的材料制成。
16.如权利要求1所述的投影仪器，其中在参考平面中，照明像素(P1-P3)的部分照明光线束(B1、B2、B3)以及来自位于第一状态的像素(P1-P3)的部分投射光线束(S1、S2、S3)覆盖非连续的角度范围。
17.如权利要求1所述的投影仪器，其中光调制器(1)具有倾斜镜矩阵，并且参考平面垂直于倾斜镜的倾斜轴。
18.如权利要求1所述的投影仪器，其中投影仪器构成为反投影仪器，其具有设置成反投影屏幕的投影面。
19.如权利要求1所述的投影仪器，其中投影光学装置(6)的所有透镜都在共同的光轴(OA)上。
20.如权利要求1所述的投影仪器，其中投影光学装置(6)构成为基本居中的并且旋转对称的光学装置，优选地基本上是焦阑的。
21.如权利要求1所述的投影仪器，其中第二部分光学装置(8)的位置或者它部分的位置沿光轴(OA)的方向是可变的。
22.如权利要求1所述的投影仪器，其中投影光学装置(6)在相对于像平面共轭的光阑平面中包括具有旋转对称的光阑孔径的遮蔽光阑(16)。
23.如权利要求22所述的投影仪器，其中光阑孔径的一部分通过另外的光阑元件遮蔽。
全文摘要
一种投影仪器，包括用于产生图像的反射式光调制器(1)，用于照明光调制器(1)的光源单元(3)和具有第一和第二部分光学装置(7、8)的投影光学装置(6)，该投影光学装置具有光轴(OA)，第一部分光学装置的每个透镜(15；17－19)的每个光学分界面(W1－W6)如此弯曲和/或如此设置，使得在投影光学装置(6)的光轴(OA)所在的并且被光轴(OA)分成上半和下半平面(H1、H2)的参考平面中，每个离开第一部分光学装置(7)的反射光线束(R1、R2；R3－R8)完全进入第一半平面或者第二半平面(H1、H2)，从而避免反射光线束(R1、R2；R3－R8)投影到投影面(11)上。
文档编号G03B21/28GK1802587SQ200480015802
公开日2006年7月12日 申请日期2004年2月27日 优先权日2003年6月6日
发明者埃伯哈德·皮勒 申请人:卡尔蔡司耶拿有限公司