投影设备的制作方法

专利名称：投影设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种投影设备，更具体地说，涉及使用数字微镜装置(DMD)的投影设备。
背景技术：
投影设备是由一个光源、一个光学照明系统、一个投射装置和一个光学投影系统组成，其将图像以放大的尺寸投射在一屏上。在与本发明相关的现有技术中，使用阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)的投影设备已经是公知的。
具体地说，CRT投影设备采用CRT，以通过电子束轰击照明表面而在照明表面成像。然而，为了实现数字成像，CRT型投影设备需要将数字信号转变为模拟信号的处理构成。同时，由于CRT固有的大尺寸特点，所以很难制造小型CRT投影设备。
LCD型投影设备采用液晶，其具有介于液体特性和固体特性之间的特性，并具有这样的分子排列方式，其随着由施加的电压而产生的电场方向而改变。因为LCD投影设备通过偏振原理来实现，因此，没有使用的偏振分量被阻隔。另外，在LCD投影设备中，像素间的距离很大，因而，LCD投影设备的光学效率很低。
为了解决传统投影设备中存在的问题，人们开发出一种利用微电机系统(MEMS)技术制造的投影设备，其采用包括多个微镜的数字微镜装置(DMD)。
DMD由具有二维布置的微镜的像素构成，其通过允许微镜以第一和第二倾斜角工作来控制各个微镜的开/关，其利用了相应于各个像素布置的存储装置的静电场的作用，因而改变反射光束的角度。另外，由于DMD由与半导体集成电路的相同的材料即硅构成，并采用0.8μm的传统设计标准，DMD的生产率和可靠性非常高。
在使用DMD的这种投影设备中，所使用的微镜尺寸大约为16微米，微镜间的距离大约为1微米。因此，投影设备就有可能制作成不大于1英寸的尺寸，并且，在投影设备中的光学效率可达到不小于90％的水平。另外，采用DMD的投影设备表现出的响应速度大于传统的投影设备，从而能更加平滑地再现运动图像。


图1是表示一个使用棱镜的投影设备的截面图，它是使用DMD的传统投影设备的一种类型。参照图1，使用棱镜的投影设备包括一个光学照明系统，该光学照明系统由一光源11、一聚焦透镜13、和一反射镜15构成，该光源11包括一个灯和一个反射镜；该聚焦透镜13将光源11产生的光进行聚焦；该反射境15反射来自聚焦透镜13的光束以进入棱镜。
两个棱镜包括一第一棱镜14，其由两个较小的棱镜组成，其允许将反射镜15反射来的光束输出；和一第二棱镜16，其由三个较小的棱镜组成，它们将透过第一个棱镜14射来的光束分成绿色、蓝色和红色光束，两个棱镜设置在第一至第三DMD 17和光学投射装置19之间。
由第二棱镜16所分开的绿色、蓝色和红色光束分别射向第一到第三DMD 17，并分别被它们所反射。分别被第一至第三DMD 17所反射的绿色、蓝色和红色光束被转变为数字化的光束并再次射入第二个棱镜16。进入第二个棱镜16的数字化的绿色、蓝色和红色光束随穿过第一棱镜14和光学投射系统19，然后被投影到屏幕上(没有画出)。
在以上所描述的传统投影设备中，由两块小棱镜组成的第一个棱镜14和由三块小棱镜组成的第二个棱镜16必须做成不同的形状和角度。因此生产和组装第一个棱镜14和第二个棱镜16变得十分困难。
另外，光束很容易被棱镜的表面及各个DMD 17的保护玻璃表面反射而直接进入光学投射系统19，这将对对比度(图像的流明数)产生不好的影响。在此，对比度(contrast ratio)表示一幅图像中最亮部分和最暗部分之间的差别。即使在投影设备的屏幕上或电视机荧屏上所显示的是一幅全黑的画面，也会因为棱镜表面或DMD 17保护玻璃表面反射的光线进入投射系统19而产生白点，因而，屏幕上所投射的影像质量也会由此而恶化。
发明概要为解决上述问题，本发明的目的就是为了提供一种既能提高对比度和光学利用率，又能容易地生产和组装的投影设备。
因此，为达到以上目的，本发明提供一种投影设备。该投影设备包括一个光源，其产生光束；一个将光源产生的光束投射到屏幕上的光学投射系统；一个反射装置，其将由光源所产生的入射光束反射到朝向所述光学投射系统传播；和一个光学照明系统，其位于在光源和反射装置之间的一光学通道上，并相对于光源的光轴偏心或倾斜，以使由光源所产生光束按照一预定的角度进入反射装置。
所述反射装置包括多个镜，它可以以第一角度工作以将光束反射射向光学投射系统，并可以以第二角度工作以将光束反射不射向光学投射系统。
使光束进入到反射装置的所述预定的角度，相对于反射装置的平面的法线，是第一角度的两倍。
所述的光学照明系统包括一个与光源的光轴偏心的透镜，或者包括多个与光源光轴相偏心的透镜。这里，在多个透镜中，一个透镜相对于其之前的透镜的光轴相偏心。
所述光学照明系统包括一个第一透镜，它相对于光源的光轴倾斜。或者包括相对于光源的光轴倾斜的多个透镜。这里，在所述多个透镜之中，一个透镜相对于其之前的透镜的光轴倾斜。
在所述光学照明系统包括相对于光源的光轴偏心的一个透镜的情况下，所述光学照明系统还包括一个位于所述透镜之后并相对于所述透镜的光轴倾斜的透镜。
在所述光学照明系统包括一个相对于光源的光轴倾斜的第一透镜的情况下，所述光学照明系统还包含一个位于第一透镜之后且相对于第一透镜的光轴偏心的第二透镜。
所述投影设备还包括一个位于光源和光学照明系统之间的滤色器，它将由光源产生的光束按照波长进行分离。
所述投影设备还包括一个光学构件，其将由光源产生的光束的形状成形为与反射装置的平面的形状相同，并且该光学构件位于光源和光学照明系统之间。
一光管(light pipe)或一蝇眼透镜(fly eye lens)可以用作光束整形的光学构件。
本发明涉及使用数字微镜装置(DMD)的投影设备。通过将多个透镜安装在光学照明系统中，可以将光学投影系统与光学照明系统中的光学通路分离开。根据本发明的投影设备结构简单，其仅使用透镜，容易制造，能去除棱镜所产生的光学损失，从而提高了光学效率，同时避免了因使用棱镜而导致的投影设备对比度恶化问题。
在此，“偏心”是指透镜的中心轴线与光源的光轴不一致，但与光源的光轴互相平行，并且，透镜的中心相对于光源的光轴处于交叉位置。另外，“倾斜”表示透镜的中心轴线与光源轴线相倾斜。
附图的简要说明通过以下结合附图对本发明优选实施例的描述，本发明的上述目的和优点将变得更加明显。附图中图1是表示一个应用棱镜的传统投影设备的横截面图；图2是表示根据本发明的一个优选实施例的投影设备的透视图；图3是表示根据本发明的一个优选实施例的投影设备的光学照明系统的第一个实例；图4是表示根据本发明的一个优选实施例的投影设备的光学照明系统的第二个实例；图5是表示根据本发明的一个优选实施例的投影设备的光学照明系统的第三个实例；以及图6是表示根据本发明的一个优选实施例的投影设备的光学照明系统的第四个实例。
发明的具体实施例下面将结合附图更详细地描述根据本发明的投影设备的优选实施例。
图2是表示根据本发明的一个实施例的投影设备的透视图。如图2所示，投影设备包括一个产生光束的光源31；一个将图像投射到屏幕40上的光学投射系统39；一个反射装置37，其位于光源和光学投射系统39之间，并且包括多个镜以能够允许由光源31产生的光束朝向光学投射系统39传播；和位于光源31和反射装置37之间的一个光学通路上的光学照明系统35，它相对于光源31的光轴34偏心或倾斜，以允许由光源31产生的入射光束按照一个预定的角度进入反射装置37。在此，反射装置37相应于一个数字微镜装置(DMD)。
还有一个用于将光束的形状转变成与反射装置37形状相同的光管33(light pipe)设置在光源31和光学照明系统35之间。除了使用光管33之外，还可以用包括多个透镜的蝇眼透镜作为光束整形器。
最好是，在光源31和光管33(光束整形器33)之间还安装一个能将光束分成红、绿、蓝色光束的滤色器32。
光源31可以使用例如弧光灯的白色光源。
滤色器32具有一个传输过滤器，它可以根据红、绿、蓝三色相应的分成三个相等的部分。当绕着光源31的光轴34旋转滤色器32时，白色光束就依次被分成了红、绿、蓝三色光束。
如上所述，作为光束整形器的光管33或蝇眼透镜将一束光束转变成DMD 37表面的形状，即矩形。另外，为了提高光学效率，光管33使照射在DMD 37上的光束的尺寸比DMD 37的尺寸稍大一点。这样，经DMD 37反射进入屏幕40的光束的光学利用率可以达到最大，进而避免了显示在屏幕40上的图像对比度的恶化。例如为光管33或蝇眼透镜的光束整形器可以作为光学照明系统35的一个元件来设置。
光学照明系统35可以包括一个透镜或多个透镜。本发明的光学照明系统35相对于光源31的光轴34偏心或倾斜，从而，经过光学照明系统35的光束可以按照一个预定的角度被折射。换句话说，光学照明系统35可以通过修改光束的通路而使它按照预定的角度进入DMD 37。
如图2所示，光学照明系统35可以由四个透镜组成。这些透镜被安放在光管33和DMD 37之间，使得依次通过这四个透镜的光束的通路可以按照预定的角度逐渐地被改变与透镜数目相同的次数。
当包含在DMD 37中的多个镜倾斜一个第一角度时，经过DMD 37反射的光束可以射向光学投射系统39。另一方面，当DMD 37中的所述多个镜倾斜一个第二角度时，经过DMD 37反射的光束不能射向光学投射系统39。DMD 37可以通过控制前面所述的多个镜的开/关，将红、绿、蓝三色光束转变为数字化光束。
第一角度表示DMD 37平面的法线与DMD 37的多个镜的一个法线之间的夹角。此角度实际上被设为约-12度。第二角度被设为约+12度。被设为-12度的第一角度和被设为+12度的第二角度被相应地转变为DMD 37的驱动角度，这只是现行制造的DMD的一种，其还可以为其他的不同的设置。
为了利用DMD 37中的多个镜将通过光学照明系统35的入射光线反射使之进入光学投射系统39，此入射光线相对于DMD 37平面的法线的角度必须为大约24度。另一方面，为了不让经DMD 37反射的入射光线进入光学投射系统39，所述多个镜必须按照第二角度倾斜。这样，入射在DMD 37上的光线相对于DMD 37的平面的法线所成的角度大约为24度。然而，入射光线与多个镜的法线却成36度角，并相应于多个镜的法线以36度的角度被反射。从而，入射光线相对于DMD 37的法线成48度的角度被反射。
在DMD 37中被以第一角度倾斜的镜子反射的光束，射向光学投射系统39。经过了光学投射系统39的光束呈现在屏幕40上。在DMD 37中被以第二角度倾斜的镜反射的光束，相对于光学投射系统39，朝向与光学照明系统35相反的方向传播，从而避免了不必要的光束进入到光学照明系统35中并呈现在屏幕40上。
如果由光源31产生的一个光束通过滤色器32，则此光束将被转变为红、绿、蓝光束。当彩色光束通过光管33和光学照明系统35时，它的光通路就逐渐被改变，从而使彩色光束照射在DMD 37上。通过分别控制像素的开/关，将照在DMD 37上的光束转变为数字化的光束，从而形成一个组合图像。组合图像经过光学投射系统39后被投射到屏幕40上而形成一个完整的图像。
上面，已经描述了在DMD 37中进行光学调制的情况。然而，还有另一种情况，即在光源31中进行光学调制过程。在使用激光发光二极管作为光源31的情况下，DMD 37不是对每一个镜进行独立的操作，而是把多个镜作为一个整体操作并使之朝向同一个方向，进而将图像投射到屏幕40上。
图3到图6是表示根据本发明的投影设备的光学照明系统35的实例的截面图。
参照图3，光学照明系统35的第一个例子包括一个相对于射入光学照明系统35的光束光轴偏心的透镜35a，从而能修正入射光束的光学通路。
参照图4，光学照明系统35的第二个例子包括两个均相对于射入光学照明系统35的光束光轴偏心的第一透镜35b和第二透镜36b，因而能修正入射光束的光学通路。具体地说，第一透镜35b相对于经过光管33射来的入射光束的光轴偏心，并且，第二透镜36b相对于经过第一透镜35b射来的入射光束的光轴偏心。
随着光学照明系统35中所包含透镜数量的增加，就能更加精密地修正入射光束的光学通路。因此，射入到DMD 37上的光束的形状就能保持与DMD 37平面相同的形状。光学照明系统35最好包含4-5个透镜。
参照图5，光学照明系统35的第三个例子包括一个相对于经过光管33射来的入射光束的光轴倾斜的透镜35c，从而能修正经过光管33的入射光束的光学通路。
参照图6，光学照明系统35的第四个例子包括一个第一透镜35d，其相对于经过光管33射来的入射光束的光轴偏心；和一个第二透镜36d，其相对于经过第一透镜35d射来的光束的光轴倾斜。因此，通过第一透镜35d和第二透镜36d，可以修正经过光管33射来的入射光束的光学通路。
除了以上图3到图6所示出的光学照明系统35的例子，在本发明的范围之内还有各种其他的实施方式。
根据本发明的投影设备可以避免现有技术中发生的对比度恶化的现象，从而提高了光学效率。除此之外，在根据本发明的投影设备中，光学照明系统可以用透镜简单地组成。从而，使投影设备的组装变得简单而容易，且可以降低投影设备的制造成本。
虽然已经参照优选的实施例具体地显示和描述了本发明，本领域的技术人员能够理解，在不背离后附权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种形式上和细节上的变化。例如，本领域的技术人员都很清楚，通过沿着非倾斜和居中的透镜适当地布置倾斜或偏心的透镜，所形成的光学照明系统可以修正入射光束的光学通路。
如上所述，因为可以仅仅使用透镜来组成光学照明系统，就有可能制造容易组装的投影设备，从而降低投影设备制造的成本。另外，通过将光学照明系统和光学投射系统中的光学通道明显地分离，能够避免对比度的恶化，而且光学效率也得以提高。
权利要求
1.一种投影设备，包括一个光源，其产生光束；一个将光源产生的光束投射到屏幕上的光学投射系统；一个反射装置，其将由光源所产生的入射光束反射到朝向所述光学投射系统传播；和一个光学照明系统，其位于在光源和反射装置之间的一光通道上，并相对于光源的光轴偏心或倾斜，以使由光源所产生光束按照一预定的角度进入反射装置。
2.根据权利要求1所述的投影设备，其中，所述反射装置包括多个镜，它可以以第一角度工作以将光束反射射向光学投射系统，并可以以第二角度工作以将光束反射不射向光学投射系统。
3.根据权利要求2所述的投影设备，其中，使光束进入到反射装置的所述预定的角度，相对于反射装置的平面的法线，是第一角度的两倍。
4.根据权利要求1或2所述的投影设备，其中，所述的光学照明系统包括一个与光源的光轴偏心的透镜。
5.根据权利要求1或2所述的投影设备，其中，所述的光学照明系统包括多个与光源光轴相偏心的透镜。
6.根据权利要求5所述的投影设备，其中，在多个透镜中，一个透镜相对于其之前的透镜的光轴相偏心。
7.根据权利要求1或2所述的投影设备，其中，所述光学照明系统包括一个第一透镜，它相对于光源的光轴倾斜。
8.根据权利要求1或2所述的投影设备，其中，所述光学照明系统包括相对于光源的光轴倾斜的多个透镜。
9.根据权利要求8所述的投影设备，其中，在所述多个透镜之中，一个透镜相对于其之前的透镜的光轴倾斜。
10.根据权利要求4所述的投影设备，其中，所述光学照明系统还包括一个位于所述透镜之后并相对于所述透镜的光轴倾斜的透镜。
11.根据权利要求7所述的投影设备，其中，所述光学照明系统还包含一个位于第一透镜之后且相对于第一透镜的光轴偏心的第二透镜。
12.根据权利要求1所述的投影设备，还包括一个位于光源和光学照明系统之间的滤色器，它将由光源产生的光束按照波长进行分离。
13.根据权利要求1所述的投影设备，还包括一个光学构件，其将由光源产生的光束的形状成形为与反射装置的平面的形状相同，并且该光学构件位于光源和光学照明系统之间。
14.根据权利要求13所述的投影设备，其中，所述光学构件是一光管(light pipe)或一蝇眼透镜(fly eye lens)。
全文摘要
本发明提供一种投影设备包括一个光源，其产生光束；一个将光源产生的光束投射到屏幕上的光学投射系统；一个反射装置，其将由光源所产生的入射光束反射到朝向所述光学投射系统传播；和一个光学照明系统，其位于在光源和反射装置之间的一光通道上，并相对于光源的光轴偏心或倾斜，以使由光源所产生光束按照一预定的角度进入反射装置按照预定角度进入反射装置的光学照明系统。因为可以通过在光学照明系统中安装透镜以使光学投射系统和光学照明系统的光学通路彼此分离，使得可通过简单组装来制造投影设备及提高光学效率和对比度成为可能。
文档编号G02B26/08GK1403847SQ0210617
公开日2003年3月19日 申请日期2002年4月8日 优先权日2001年8月31日
发明者车荣德 申请人:三星电子株式会社