三折面镜式光带扫描的光学引擎技术及所制造的投影机的制作方法

三折面镜式光带扫描的光学引擎技术及所制造的投影机
[技术领域]
[0001]
本发明属光学—电子技术领域；确切的将是一种使得投影机的光学引擎(单片lcd及dlp)大大增强亮度的方法及装置。
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背景技术：
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[0002]
投影技术是采用投影机及屏幕的组合，其工作原理犹如电影的原理。投影技术使用灵活、屏幕尺寸大。但前投技术的难点在于其投影机的亮度的提升，尤其是单片的dlp投影技术、分时的分光过程损失大部分光能。
[0003]
投影机的核心包括：投影机结构部件、光学引擎(含镜头组)、电气控制和接口三大主要部分。其中的核心投影成像部件是投影机产品的核心，在整个投影机产品的成本构成中占有非常重要的部分，其地位颇似计算机中的处理器。
[0004]
光学引擎结构：投影机的发展沿革到目前为止主要经过了三个发展阶段，分别是通过三种典型的显示技术来加以实现，即crt投影技术、lcd投影技术以及近些年发展起来的dlp投影技术。
[0005]
crt(cathode ray tube，阴极射线管)三枪投影机：
[0006]
作为成像器件，crt是实现最早、应用最为广泛的一种显示技术。crt投影机可以说是投影机的鼻祖。crt投影机也叫三枪投影机，其工作原理与crt显示器没有什么不同，其发光源和成像均为crt。crt投影机的工作特征与lcd、dlp 等投影机存在着本质区别，它是通过本身的发光，将输入信号源分解在r(红)、 g(绿)、b(蓝)三个crt管的荧光屏上，荧光粉在高压作用下发光、放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。crt投影机分辨率高、对比度好、色彩饱和度佳、对信号的兼容性强，且技术十分成熟。在亮度方面，crt投影机要低得多，到目前为止，其亮度值始终徘徊在300流明以下，同时，crt投影机操作复杂，特别是会聚调整繁琐，机身体积大，只适合安装于环境光较弱、相对固定的场所，不宜搬动。因此虽然曾在投影机市场发展的早期繁荣一时，但目前crt投影机应用已经很少，基本上退出了前投影机的市场。
[0007]
lcd(liquid crystal display，液晶)投影机：
[0008]
lcd显示技术是目前投影机市场上的主导技术之一，液晶有活性液晶体和非活性液晶体。非活性液晶体反射光，一般用于笔记本电脑、胶片投影仪上。而活性液晶体具有透光性，做成lcd液晶板，用在投影机上。lcd投影机分为液晶板和液晶光阀两种，我们常见的投影机多为液晶板投影机。lcd投影系统光学引擎的基本结构有摄影镜头；液晶面板；反射镜；合光棱镜；聚光镜；双色镜；灯泡。
[0009]
液晶(面)板投影机：
[0010]
液晶板投影机是利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及多达16.70百万种色彩的靓丽图像。液晶板投影机的光源是专用大功率灯泡，发光能量远远高于利用荧光发光的crt投影机，所以液晶板投影机的亮度和色彩饱和度都高于crt投影机。lcd液晶板的面积大小决定着投影机的结构和整体体积的大
小，lcd液晶板面积小，则投影机的光学系统就能做得越小，从而使投影机越小。目前，市场上液晶投影机(透射显示光阀)面板尺寸多为1.32英寸(1英寸＝2.54cm)、0.9英寸和0.7英寸，都可以支持svga和xga的物理分辨率。新型的液晶面板，如高开口率的0.79英寸和0.99英寸面板也已经开始有产品面世。高端lcd投影液晶面板供应商目前仅有日本的 epson和sony两家厂商。lcd投影机的优点是色彩表现出色，亮度比较高，缺点是由于采用投射方式，光效率受到一定影响，同时在投影图像(开口率不够高)中有像素化现象。液晶板投影机可分为单片式和三片式两种，现代液晶板投影机大都采用3片式lcd板。三片式液晶板投影机是用红、绿、蓝三块液晶板分别作为红、绿、蓝三色光的控制层。三片式比单片式液晶板投影机具有更高的图像质量和更高的亮度。液晶板投影机体积较小、重量较轻，制造工艺较简单，亮度和对比度较高，分辨率适中，是目前市场上占有率最高、应用最广泛的投影机。
[0011]
液晶光阀投影机：液晶光阀投影机采用crt管和液晶光阀作为成像器件，是crt投影机与液晶(反射)光阀相结合的产物。它是目前为止亮度、分辨率最高的投影机，亮度可达6000ansi流明，分辨率为2500
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2000，适用于环境光较强，观众较多的场合，如超大规模的指挥中心、会议中心及大型娱乐场所，但其价格高，体积大，光阀不易维修。主要品牌有：休斯-jvc、ampro等。
[0012]
dlp(digital light processor数码光输出)数码投影机：
[0013]
dlp技术是ti(美国德州仪器公司)的专利技术。基于dlp显示技术的投影机最早出现于1996年。其成像器件是dmd(digital micromirror device，数字微镜装置)。dmd芯片包含成千上万的微镜，每个镜子代表一个像素，开或关的状态就代表图像中像素点的亮和暗。光束通过一高速旋转的色轮(分色装置)，投射在dmd上，再通过光学透镜投射在大屏幕上。目前dlp技术由ti公司专利拥有，该公司也是dmd芯片的惟一供应商。
[0014]
dlp投影机的技术优势：首先是数字优势：数字技术的采用，使图像对比度、灰度等级(256-1024级)、色彩(2563-10243种)、图像信号噪声比、画面质量稳定等方面都非常出色。其次是反射优势：由于反射式dmd器件的应用，构成dlp 图像像素的微镜面之间的距离很小，使成像器件的透光效率达到85％以上。产生的图像非常明亮，清晰度高。
[0015]
dlp投影机可分为单片机和三片机：单片机：单片dlp投影机的优势是光效率高，对比度高，图像清晰，在黑白图像和文本方面表现尤为出色，同时单片 dlp投影机体积可以小巧轻薄，缺点是色彩表现不够真实自然。三片机：使用三片dmd芯片制造的dlp投影机可以实现更亮度和更丰富的色彩，亮度可以高达 10000ansi流明以上，大都应用于数字影院等特殊场合。
[0016]
目前lcd技术及dlp技术的投影机是市面上的两大主要阵营。日本厂商大都采用lcd技术，欧美厂商可采用lcd和dlp两种技术。lcd与dlp两大阵营正处于激烈的竞争中，谁的产品、技术更好，目前没有明确的答案，但可以肯定地说，采用dlp的投影机产生的画面对比度较高，光路系统设计得更紧凑，因而在体积、重量方面占优势；而lcd在亮度均匀性、色彩及细节的表现上是强项。两种技术各具特点、难分仲伯，将在未来相当长的一段时间内共存，除非一方在技术或在市场策略上有所突破，才有望打破这种平衡，占据主导地位。
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技术实现要素：
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[0017]
本发明的目的在于解决已有技术的不足之处，无论是lcd和dlp，两种技术的单片
机型，往往综合效率只有10％左右，光源的利用效率极低，障碍的主因在于其彩色生成原理：仅仅分时过程的时间域因素就造成70％以上的光能损失，为了分时的整理光场又造成了额外的损失。
[0018]
本发明的特点；从原理上根除分时处理(色轮切换颜色)的着色弊端，给出一种扫描的“延续爬行”的分色光束(简称：光带)的技术关键，来生成彩色；不仅所生成的分色光束光能损失小，而使得光带的有效利用面积大于90％以上。
[0019]
本发明的光学引擎构造包括：分色光束生成组件、延续爬行式扫描组件、镜头组、结构支撑组件；利用本发明的投影机构造包括：投影机结构部件、光学引擎(具有本发明的“延续爬行”特点)、电气控制和接口三大主要部分。
[0020]
三折面镜式光带扫描技术的核心部件就是延续爬行式扫描组件实现的；延续爬行式扫描组件包括：三折面镜、振镜，或不使用振镜，而直接使得三折面镜振动(包括往复转动即：平动及离轴往复转动，在使用透镜将扫描光带投射到显示光阀器件显示区域上，也能起到同样作用)；当分色光束(简称：光带)投射到振镜后，被反射后的光带将投射在三折面镜上形成往复运动的投射光斑(也被称之为：彩色光带、光谱或分光光束的光带)；当投射光斑整体扫过三折面镜中面的区域时，反射光斑活动在显示光阀器件的显示区域上，当投射光斑整体越过三折面镜中面与三折面镜边面的分界线而部分进入三折面镜边面区域时(无论是向那个方向跨越分界线，由于是对称状构造，结果特征都是相同)，进入三折面镜边面的反射光斑就被三折面镜边面反射在显示光阀器件的另一端的显示区域上；当确立三折面镜中面与三折面镜边面之间的夹角满足：最靠近三折面镜中面的三折面镜边面的光带反射光恰好投射到显示光阀器件显示区域的另一端的边缘上(相当于将照射到显示光阀器件上的光带分裂成2部分：一部分在显示光阀器件上的一端，另一部分则在显示光阀器件上的另一端，两部分还能拼接成完整的分色光束)，这就是“延续爬行”的过程，从表观上看，投射到显示光阀器件上的平移分色光束的前端消失的部分，在后端被显示出来；如果在光带的中标志一根特征线(参照面上的)，当分色光束往复移动的行程足够，只要使得该特征线(参照面上的)跨越2根分界线时，整个分色光束将会全部回扫整个显示光阀器件的显示区域(也就是说光带中的任何一条颜色的线条，都代表不同的颜色 (光的波长不同)都会扫过的显示光阀器件的所有显示区域)；显示光阀器件将移动的分色光束的光反射或透射后穿过镜头组，再投影到屏幕上显示出图像。
[0021]
分色光束生成组件属于已有技术：是用于产生按着频率大小次序排列的分色光束，生成分色光束的光源包括：激光光源、单色光光源、白光光源；光源的形状又分为：面光源、点光源、连续线光源、点阵线光源；尤其以线光源的光效率最高、光源的热分布更为合理(采用半导体激光技术，可以做到点阵排布的激光线光源)；包括使用多色激光光源需要合光棱镜或合光反射镜来合并各色条状截面光束，并使各色光束排列在一起，扩束与合成的次序可以互易；使用多色单色光光源则需要先进行单向压缩后，再使用合光棱镜或合光反射镜来合并各色条状截面光束，并使各色光束排列在一起；线光源需要使用柱状曲面反射镜进行平行出射，再使用合光棱镜或合光反射镜来合并各色条状截面光束，并使各色光束排列在一起；对于白光光源(采用半导体发光技术，可以做到点阵排布的光源；电压下弧光放电光源也是很适合于线状光源，更为可喜的是：如果采用线状排布的多颗细小的高压、中压、低压的放电电弧等，也将极大的改善提高光源的热状态及总体的发光量)则需要经过准
直的矩形截面的光柱进行分光(色散)处理：包括棱柱色散及分色光栅(是一种干涉的光学器件，取代棱镜色散，直接形成光谱，但缺点是光损失较大)色散，再将色散后的进行准直后生成分色光束。
[0022]
带有三折面镜式光带扫描光学引擎的结构，主体上是由支撑组件支撑着分色光束生成组件、延续爬行式扫描组件及镜头组；其相应的带有三折面镜式光带扫描光学引擎的投影机的工作原理：投影机的电气控制部分将图像信号转换成控制显示光阀器件上的透射或反射光阀像素的时序脉冲，而选择对扫描过该点的分色光束的各色光线的反射率(由于各种颜色的光线都会扫描过显示光阀器件上的所有的显示区域，每一个像素点的颜色选取都会在该颜色扫描过该像素时决定是否选取通过镜头)，而达到目标色度及亮度，而实现一幅彩色画面。
[0023]
本发明的光学引擎的技术进步在于：首先，光源的利用率极大的提高了，与传统技术相比提高1倍以上；而且由于整个彩色光谱都无损失的铺设在显示光阀器件上，色彩也会更加丰富，尤其是对白光光源展成彩色光谱的情况下，因为彩色光谱中包含着几乎全部色域的色坐标，因而在光阀像素调制混合色时，将更有条件接近真实色彩。另一个技术进步在于：扫面将带来沿着扫描方向的色度、亮度的绝对均匀性，设计时只要做到扩束、准直过程的与扫描方向垂直的光场的均匀度就足够了。
[0024]
[附图说明]
[0025]
下面结合一个较佳实施例对本发明作进一步所说明；
[0026]
[图1]分色光束(光带)的形成方式示意图。
[0027]
[图2]延续爬行式扫描的数学机理示意图。
[0028]
[图3]延续爬行式扫描实现对三折面镜的必要依赖示意图。
[0029]
[图4]单纯动三折面镜的延续爬行式扫描示意图。
[0030]
[图5]单纯动振镜的延续爬行式扫描示意图。
[0031]
[图6]带有三折面镜式光带扫描光学引擎的投影机原理示意图。
[0032]
标号说明：
[0033]
(1)延续爬行式扫描组件
[0034]
(101)光谱落入三折面镜中面情况
[0035]
(102)、(103)光谱落入三折面镜边面情况
[0036]
(2)三折面镜中面
[0037]
(3)三折面镜边面
[0038]
(301)三折面镜交界线
[0039]
(4)镜头组
[0040]
(5)、(505)分色光束(截面的特征为光谱)
[0041]
(501)分色光束截面
[0042]
(502)缺失光斑
[0043]
(503)、(504)补缺光斑
[0044]
(6)投射光
[0045]
(7)反射光
[0046]
(8)显示光阀器件(液晶透射或液晶反射面板；或dmd反射芯片)
[0047]
(9)转动振镜
[0048]
(904)平动振镜
[0049]
(901)、(902)位移方向
[0050]
(903)直线电机
[0051]
(10)激光器
[0052]
(11)单向扩束(柱面)镜组
[0053]
(12)三折面镜
[0054]
(13)合光棱镜
[0055]
(14)分色光束生成组件
[0056]
(15)电气控制部分
[0057]
(16)三折面镜
[0058]
(161)摆振三折面镜
[0059]
(162)三折面镜转轴
[0060]
(163)三折面镜摆振方向
[0061]
(164)三折面镜垂移方向
[0062]
(165)、(166)三折面镜垂移位置
[0063]
(17)参照面1(垂直于纸面，而表现为线)
[0064]
(171)、(172)扫描标志线
[0065]
(173)参照面2(垂直于纸面，而表现为线)
[0066]
(18)结构壳体
[0067]
(19)光学引擎
[0068]
(20)光截面放大图
[0069]
(21)汇聚透镜
[0070]
(22)准直透镜
[0071]
(23)截面线
[0072]
(25)分色棱镜或光栅
[0073]
(26)曲面反射镜(柱状:抛物面、椭圆面)
[0074]
(27)光源
[0075]
(28)激光光源
[0076]
(29)普通光源情况
[0077]
(30)激光光源(或普光)情况
[0078]
(31)单向扩束镜
[0079]
(32)、(33)箭头
[0080]
(34)、(35)红蓝绿光带
[0081]
[具体实施方式]
[0082]
如[图1]所示：
[0083]
分色光束(光带)的获取有以下方式：
[0084]
如激光光源(或普光)情况(30)的光路情况所示：激光光源(10)(或自然光源)经过合光棱镜(13)合光后经过单向扩束镜(31)扩束后形成红蓝绿光带(34)即分色光束(光带)，
该光带就是如箭头(32)所指示的截面线(23) 所截取的光束的光截面放大图(20)所示。
[0085]
对于普通光源情况(29)所表示的白光光源情况：发散的光源(27)所发出的光线经过曲面反射镜(26)(柱状:抛物面、椭圆面)反射后，经过分色棱镜或光栅(25)分色后(不同波长的光线被分离成不同的角度)，再经过汇聚透镜 (21)将各个颜色的光排列在焦点平面附近，经过准直透镜(22)整理成分色光束(光带)。当然，排列在焦点平面附近的各个颜色的光就已经形成了分色光束 (光带)，也可以直接投射使用。
[0086]
如[图2]所示：
[0087]
分色光束截面(501)(截面的特征为光谱)，在工作时分色光束扫过显示光阀器件(8)(该器件包括：液晶透射或液晶反射面板；或dmd反射芯片)。为了使得分色光束截面(501)中的每一条的各色光谱线都能扫过显示光阀器件(8)，就需要按箭头(33)所示的延续爬行式扫描的运动模式进行：也就是参照面1 (17)(垂直于纸面，而表现为线)要必须扫过整个的显示光阀器件(8)的有效显示面；而由扫描标志线(171)、(172)标志的缺失光斑(502)及将由补缺光斑(503)补给，同理当分色光束向右运动后的相应的缺失光斑由补缺光斑(504) 补给。
[0088]
如[图3]所示：
[0089]
三折面镜构造是实现图2所示的数学模式的必要条件：在入射光谱落入三折面镜中面情况(101)的情况下，被三折面镜中面(2)所反射的反射光谱恰好投射到显示光阀器件的显示有效区域上；当入射光谱上下移动，扫描标志线(173) (就是对应于图2所示的扫描标志线(171))；分色光束(505)(截面的特征为光谱)跨过三折面镜交界线(301)，导致部分光谱投射到三折面镜边面(3)上，由于三折面镜边面(3)与三折面镜中面(2)夹有小于180度的内折角度，就将会使得三折面镜边面(3)的反射光线恰好投射到显示光阀器件的，分色光束扫过的下方的有效显示区域；相当于图2所示的相应的缺失光斑由补缺光斑的补给。
[0090]
正如：光谱落入三折面镜边面情况(102)、(103)所表示的情形。
[0091]
如[图4]所示：
[0092]
除了分色光束主动扫描三折面镜外，三折面镜合理自身运动是实现图2所示的数学模式的：通过三折面镜转轴(162)来驱动摆振三折面镜(161)沿着三折面镜摆振方向(163)摆动可以达到图2、3所需要的情形。
[0093]
另外：三折面镜的垂向往复位移也能达到图2、3所需要的情形；正如三折面镜垂移方向(164)及三折面镜垂移位置(165)、(166)所示。
[0094]
如[图5]所示：
[0095]
在分色光束射到三折面镜之先外加一个平面振镜完成分色光束在三折面镜上的运动也是获得图2、3情形的方法之一；其功能由延续爬行式扫描组件(1) 来完成；转动振镜(9)的转动使得反射光(7)沿着位移方向(901)运动，使得原来的投射光(6)溢出显示光阀器件显示区的上部后，再由显示区的上部向上爬入，实现延续爬行式扫描的运动模式。
[0096]
另外；振镜也可以被直线电机(903)来驱动振镜镜面往复平动，而形成平动振镜(904)；振动方向如双向箭头所指。从而反射光使得获得位移方向(902) 的平移，以及反方向平移。
[0097]
如[图6]所示：
[0098]
带有三折面镜式光带扫描光学引擎的投影机的构造包括：电气控制部分 (15)、结
构壳体(18)、光学引擎(19)；而光学引擎(19)部分的构造包括：镜头组(4)、显示光阀器件(8)(液晶透射或液晶反射面板；或dmd反射芯片)、三折面镜(16)及平动振镜(904)。
[0099]
所带有的延续爬行式扫描组件使得分色光束：能够实现延续爬行式扫描的运动模式；投影机的电气控制部分将图像信号转换成控制显示光阀器件上的透射或反射光阀像素的时序脉冲，而选择对扫描过该点的分色光束的各色光线的反射率，而达到目标色度及亮度，而实现一幅彩色画面。