用于DMD的棱镜系统及采用该棱镜系统的投影仪

摘要

一种用于DMD的TIR棱镜系统和采用该棱镜系统的投影仪,可以减小入射光的损耗,并具有较小尺寸和较轻重量。在具有DMD和用于根据对DMD的控制将入射光全反射至一定方向的TIR棱镜系统中,本发明的TIR棱镜系统包括:第一棱镜,用于接收预设表面上的入射光,折射该光束,并且输出该折射光;和第二棱镜,耦合至第一棱镜,用于接收从第一棱镜输出的光束,将该光束透射至DMD,并且将该透射光在根据对DMD的控制全反射之后加以输出,从而可以减小该系统内光能的损耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于DMD(数字微反射镜装置，Digital MicromirrorDevice)的TIR(全内反射)棱镜系统及一种采用该棱镜系统的投影仪，具体地说，涉及一种降低入射光损耗并具有较小尺寸和较轻重量的用于DMD的TIR棱镜系统及一种采用该棱镜系统的投影仪。

背景技术

当今普遍使用的投影仪是一种采用显示元件例如LCD(液晶显示器)元件或DMD(数字微反射镜装置)来显示图像的装置，因为其具有较小尺寸和较轻重量，所以被广泛应用。此处，LCD元件具有光阀显示元件的作用，DMD具有光开关显示元件的作用。

DMD是由美国的TI(Texas Instruments)研制出来的一种投影型显示元件，用于控制DLP(数字光处理，Digital Light Processing)系统中的光束，它是一种微晶片，制作成使得多个16μm的微反射镜(或微铝反射镜)以1μm的间隔设置在一个硅晶片上。可以在微晶片上设置千百万个微反射镜。

设置在微晶片上的千百万个微反射镜通过控制其位置(开和关两种模式)以在+10°至-10°的角度范围内反射入射光而将图像显示在屏幕上。此处，从DMD输出光的强度决定于一定角度的光的输出时间，因此若一定角度的光的输出时间越长，则光强越强。

下面说明DMD的一般工作特性。

图1为示出采用DMD的投影仪一般工作特性的方框图，如图中所示，该投影仪包括：光源9例如灯；DMD 10，用于接收从光源9输出的光束并且根据一定信号以一定角度反射该入射光；投影透镜11，用于将从DMD 10反射的光束投射到一定的屏幕15上；和吸收板13，用于吸收从DMD 10以一定角度反射但是未入射在投影透镜11上的光束。

这里，DMD 10包括：黑板1；设置在该黑板1上的多个电极3；用于接收从光源9输出的光束并且以一定角度反射该光束的数字微反射镜5；和用于支承数字微反射镜5的支承部件7。

多个电极3通过从外部输入的电压信号产生静电场以支持支承部件7的运动。然后固定在支承部件7上的16μm微小正方形状的数字微反射镜5在±10°的角度范围内转动，并且根据其转动的角度将从光源9输入的光束反射至投影透镜11或者反射至吸收板13。投影透镜11接收从DMD 10反射的光束并将该光束投影至屏幕15上以在其上显示图像。

下面更详细地说明上述构造的投影仪的操作。

数字微反射镜5与平面成一定初始角度倾斜，当从光源9输出的光束投射在微反射镜5上时，数字微反射镜5不是将光束反射至投影透镜11，而是将其反射至吸收板13。因此，屏幕15变黑。

并且，当向设置于黑板1上的多个电极3输入一电压信号时，该多个电极3产生静电场以便将支承部件7在+10°至-10°的一定角度范围内加以转动。此时，连接在支承部件7上的数字微反射镜5随着支承部件7一起转动，因而将输入至数字微反射镜5的光束反射至投影透镜11上。当输入至投影透镜11的光束通过投影透镜11反射至屏幕15时，屏幕15变白。

因此，当来自外部电源的电压信号输送至多个电极3时，电极3产生静电场以便在±10°的角度范围内转动支承部件7。相应地，数字微反射镜5将从光源9输出的光束投射至屏幕15上。此时，数字微反射镜5根据所输入的运动图像信号进行高速旋转(开/关操作)。

根据光束向DMD的输入/输出方式，可以将采用DMD工作特性的投影仪分成直接反射式投影仪和TIR棱镜式投影仪。

图2示出根据传统技术、用于DMD的直接反射式投影仪的透视图。如图中所示，该投影仪包括：光源19，用于将从光源19输出的光束的颜色改变成红色、绿色和蓝色并且输出该光束的色盘(a color wheel)17，和用于接收来自色盘17的光束并将该光束反射至屏幕23的DMD 20。其中，DMD 20制作成晶片并固定在面板21上。

上述投影仪通过用DMD 20反射从光源19输出的光束将图像显示在屏幕23上。其中，色盘17是一个轮盘，具有用于将光束颜色变成红色、绿色和蓝色并将其输出的元件，并且以一定转速旋转。

然而，直接反射式投影仪不能减小光学系统的尺寸，因而研制出采用例如TIR棱镜的光学系统的投影仪。

图3A为示出根据传统技术的用于DMD的采用TIR棱镜系统的投影仪平面图，图3B是图3A的透视图。如图中所示，该投影仪包括：光源25；色盘27，用于将从光源25输入的光束的颜色变成红色、绿色和蓝色并且输出所改变颜色；棒状透镜(stick lens)29，用于接收从色盘27输出的光束并输出一定光强的光束；第一会聚透镜30，用于聚集从棒状透镜29输出的光束并减小光束的直径；反射镜31，用于以一定角度反射从第一会聚透镜30输出的光束；第二会聚透镜32，用于会聚从反射镜31输出的光束并输出该光束；TIR棱镜系统33，用于接收从第二会聚透镜32输出的光束并根据一定图像信号输出该光束；DMD 35，用于控制传播进入TIR棱镜系统33的光束；和投影透镜37，用于接收从TIR棱镜系统33输出的光束并将其输出至一特定屏幕38上。其中，用于DMD 35的TIR棱镜系统33将在下文更详细地说明。

图4A为示出图3中所示TIR棱镜系统33的透视图，图4B为图4A的侧视图。如图中所示，TIR棱镜系统33包括：入射棱镜33-1，用于接收来自光源25射在表面IS5上一定位置P1的光束，并且将该光束全部投射(IS4；P2和IS2；P3)；和输出棱镜33-2，以一定角度耦合至入射镜33-1，用于接收从入射棱镜33-1透过的光束(OS4；P3)，在内部对该光束全反射(OS1；P4和OS4；P5)，同时在光入射时不会全反射，并且接着输出该光束(OS6；P6)。也就是说，入射棱镜33-1与输出棱镜33-2以一微小间隙耦合，因而从入射棱镜33-1传播至输出棱镜33-2的光束不会在耦合表面(即，入射棱镜33-1与输出棱镜33-2耦合的表面)全反射，并且输入至输出棱镜33-2的光束在该耦合表面全反射从而被输出。

此处，在相应表面中所标记的虚线和实线表示立体视图的后表面，标记的实线表示立体视图的前表面。

另一方面，固定在输出棱镜33-2的下表面OS1上的DMD 35将通过下表面(OS1；P4)将输入的光束全反射，并且通过输出棱镜33-2的倾斜表面(OS4；P5)并通过输出表面(OS2；P6)将该光束输出。

下面更详细地说明包含在TIR棱镜系统33中的入射棱镜33-1和输出棱镜33-2。

图5A为示出图4A中所示TIR棱镜系统的输出棱镜33-2的透视图。如图中所示，输出棱镜33-2为直角棱镜，其中与DMD接触的表面OS1与用于输出光束的表面OS2构成直角，并且用于全反射由DMD所反射光束的倾斜表面OS4包括在输出棱镜33-2中。

图5B为示出图4A中所示TIR棱镜系统的入射棱镜33-1的透视图。下面说明由一定直角杆制作入射棱镜33-1的方法。

首先，直角杆对于表面IS1以一定角度a1＝∠T1T4T3进行切割，然后以一定角度a2＝∠T1T2T3切割直角杆。从而制成具有表面IS3的直角杆。接着，对于表面IS5以角度a3＝∠T1T2T6切割直角杆，并且对于表面IS2以角度a4＝∠T4T3T7切割，从而制成入射棱镜33-1。

此处，考虑到DMD的多个微反射镜的转动方向(即，DMD边缘的倾斜方向)，入射棱镜33-1的角度被确定成使得输入至入射棱镜内的光束在经全反射之后能到达DMD的微反射镜。相应地，确定耦合至入射棱镜的输出棱镜的角度。

如上制作的采用TIR棱镜系统33-1和33-2的投影仪通过控制由光源产生的光束将图像显示在屏幕38上，以使其通过色盘27、棒状透镜29，第一会聚透镜30，反射镜31，第二会聚透镜33，TIR棱镜系统33，DMD 35，以及投影透镜37来投射至屏幕38上。

然而，采用反射式TIR棱镜系统的投影仪具有较大的TIR棱镜系统33，由于DMD固定在TIR棱镜系统33的下表面上使得所制造的产品具有较大尺寸。

而且，TIR棱镜系统制造成使得输入至入射棱镜的光束以相对于传播方向垂直表面的倾斜方向传播并到达DMD以便全反射至DMD，而且至少计算四个角度。因此，该棱镜系统难于制造，并且需要较高的成本。

而且，如图4A和4B所示，由于TIR棱镜系统通过P1的透射、P2处的全反射、P3处的透射、P4处DMD的反射、P5处的全反射，以及P6处的透射等过程将光束输出，所以降低了光能的效率。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于，提供一种用于DMD(数字微反射镜装置)的TIR(全内反射)棱镜系统，可以由之减小入射光的损耗。

本发明的另一个目的在于，提供一种采用用于DMD的TIR棱镜系统的投影仪，可以由之减小投影仪的尺寸和重量。

为了实现此处所涵盖并广义描述的根据本发明目的的这些和其它优点，提供了一种用于DMD的TIR棱镜系统，其中设置有DMD，光束根据对DMD的控制被全内反射，包括：第一棱镜，用于接收一预设表面上的光束并加以折射，然后输出该折射光；和第二棱镜，耦合至第一棱镜，用于接收从第一棱镜输出的光束并将其透射至DMD，并且根据DMD的控制对该光束全内反射和输出。

另外，提供了一种采用用于DMD的TIR棱镜系统的投影仪，包括：光源，用于产生和输出一定光束；光处理单元，用于对从光源输出的光束进行处理并输出平行光；TIR棱镜系统，用于接收从光处理单元输出的光束并且通过3次透射和1次全反射输出该光束；DMD，用于控制光束的通过，使得全反射的光束可以从TIR棱镜系统输出；和投影透镜370，用于接收从DMD输出的光束并将其输出至一定屏幕。

从本发明结合附图给出的下述详细说明中可以更清楚本发明的上述和其它目的、特色、方面和优点。

附图说明

所包含的附图用以提供对本发明的进一步理解，其被结合在此并构成本说明书的一部分，说明本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1为用于说明采用DMD的投影仪的一般工作特性的方框图；

图2为示出传统技术的用于DMD的直接反射式投影仪的透视图；

图3A为示出采用传统技术的用于DMD的TIR棱镜系统的投影仪的平面图；

图3B为图3A的透视图；

图4A为示出图3中所示TIR棱镜系统的立体图；

图4B为图4A的侧视图；

图5A为示出图4A中所示TIR棱镜系统的输出棱镜的透视图；

图5B为示出图4A中所示TIR棱镜系统的入射棱镜的透视图；

图6为示出采用本发明的用于DMD的TIR棱镜系统的投影仪的平面图；

图7A为示出图6中用于DMD的TIR棱镜系统的透视图；

图7B为图7A的平面图；

图8A为示出图7A中所示用于DMD的TIR棱镜系统的入射棱镜的透视图；

图8B为示出图7A中所示用于DMD的TIR棱镜系统的输出棱镜的透视图；以及

图9A和9B为示出图7中所示用于DMD的TIR棱镜系统的工作特性的平面图。

具体实施方式

下面详细说明本发明的优选实施例，其实例示于附图中。

图6为示出采用本发明的用于DMD的TIR棱镜系统的投影仪的平面图。如图中所示，该投影仪包括：光源250；色盘270，用于将从光源250输出的光束的颜色改变成红色、绿色和蓝色并且输出该光束；棒状透镜290，用于接收从色盘270输出的光束并通过产生一定光强的光束而输出光束；第一会聚透镜300，用于聚集从棒状透镜290输出的光束并减小其直径；反射镜310，用于以一定角度反射从棒状透镜290输出的光束；第二会聚透镜320，用于会聚从反射镜310输出的光束并输出该光束；TIR(全内反射)棱镜系统330，用于接收从第二会聚透镜320输出的光束并根据一定图像信号输出该光束；DMD(数字微反射镜装置)350，用于控制在TIR棱镜系统330内传播的光束；和投影透镜370，用于接收从TIR棱镜系统330输出的光束并将其输出至一定屏幕380。其中，用于DMD 350的TIR棱镜系统330将在下文更详细地说明。

图7A为示出图6所示用于DMD的TIR棱镜系统330的透视图，图7B为图7A的平面图。如图中所示，该TIR棱镜系统包括：入射棱镜330-1，用于接收从光源250传播至一定表面IS5上的光束，并且将该光束透射至表面IS3；和输出棱镜330-2，以一定角度耦合至入射棱镜330-1，用于全反射在表面OS1上从入射棱镜330-1透过的光束，并通过输出表面OS5输出该光束。此处，入射棱镜330-1与输出棱镜330-2以其间具有一微小间隙而耦合，因而输入至输出棱镜330-2的光束在该耦合表面处全反射地输出，而不发生透射。

此处，在相应表面中所标记的虚线和实线表示立体视图的后表面，标记的实线表示立体视图的前表面。

另一方面，连接在输出棱镜330-2的侧表面OS2(反射表面)上的DMD350，将通过输出棱镜330-2的侧表面(OS2；P3)输入DMD 350的光束，由输出棱镜330-2的倾斜表面(OS3；P4)加以全反射并且通过输出表面(OS5；P5)将其输出。

下面更详细地说明包括在TIR棱镜系统330中的入射棱镜330-1和输出棱镜330-2。

图8A为示出图7A所示用于DMD的TIR棱镜系统的输出棱镜330-2的透视图。如图中所示，该输出棱镜为直角棱镜，其中与DMD接触的表面OS2和输出表面OS5构成直角，并且包括有用于全反射由DMD所反射光束的倾斜表面OS3。

图8B为示出图7A所示用于DMD的TIR棱镜系统330的入射棱镜330-1的透视图，下面说明其由直角杆制作的方法。

首先，直角杆对于表面IS2以角度b1＝∠T2T3T6或∠T1T4T7进行切割，然后对于表面IS1以角度b2＝∠T4T1T2或∠T7T5T6进行切割，从而制成入射棱镜330-1。

其中，用于制造该棱镜的角度(或表面角)的计算方法下面更详细地加以说明。

如图7A和7B所示，当与纸面平行的光束入射在入射棱镜330-1的表面IS5上时，使其相对于表面IS3成角度b2从而以一定角度折射该光束。然后，输入至入射棱镜330-1并由其折射的光束透过耦合表面IS2或OS3，并输入到连接在输出棱镜330-2的侧表面OS2上的DMD 350上。从DMD 350反射的光束在耦合表面OS3或IS2处全部反射。该全反射光束通过输出棱镜330-2的表面OS5输出。

此处，如果输入在耦合表面上的光束以大于1/sin(n/n′)的角度入射，则光束被全部反射。这里，n和n′表示介质的折射率。也就是说，当具有不同折射率的两种介质彼此耦合时，从一种介质传播至另一种介质的光束根据入射至该介质的角度在该介质内全部反射。

例如，具有折射率(n)为1.5的介质的全反射角可以采用斯涅耳定律(Snell′s law)如下求得：

nsin(a)＝n′sin(a′)………(1)

其中，n′为空气的折射率并且假定为1，a′为折射角并应大于90°，则入射角a为大约41.8°。

根据上述关系，可以调整入射棱镜或输出棱镜的耦合表面IS2或OS3相对于有DMD固定于其上的表面的角度。

此处，由于设置在DMD上的数字微反射镜在±10°的角度内旋转，并且相对于其平面成7.1°的角度倾斜，所以从入射棱镜330-1透过输出棱镜330-2的表面OS3的光束在入射棱镜330-1处被折射。

因此，应当调整从入射棱镜330-1的表面IS2到输出棱镜330-2的表面OS3的光入射角，以便将输入至DMD的光束全部反射至输出棱镜330-2的表面OS3。也就是说，因为数字微反射镜设定为在倾斜方向±10°，以便全部反射输入DMD的光束，所以数字微反射镜改变成设定角(±10°)之一，并且该角度设定成将光束全反射至数字微反射镜。

而且，在DMD上全反射的光束在输入至表面OS3之后被全部反射，然后通过表面OS5输出该光束。此时，输入在表面OS3上的光束满足前述从DMD的全反射角。

因此，根据本发明的具有上述结构的TIR棱镜系统330输入(IS5；P1)或透射(IS2；P2)从光源传播的光束，并且反射(OS2；P3)、全反射(OS3；P4)和透射(OS5；P5)。

图9A和9B为示出用于DMD的TIR棱镜系统的操作特性的平面图，图9A示出DMD的数字微反射镜处于开(ON)状态的情况，图9B示出DMD的数字微反射镜处于关(OFF)状态的情况。

输入在具有一定折射率的入射棱镜330-1的表面IS5上的光束在入射棱镜330-1中折射，然后透过耦合表面IS5和OS3与输出棱镜330-2的表面OS3之间的空气层，输入至DMD 350中。根据设置在DMD 350上的数字微反射镜的位置决定DMD 350的开或关状态。例如，如图9A中所示，如果设置在DMD 350上的数字微反射镜相对于平面成+10°倾斜，则TIR棱镜系统330处于开状态，并且将光束输出在投影透镜370上。而且，如图9B中所示，如果设置在DMD 350上的数字微反射镜相对于平面成-10°倾斜，则TIR棱镜系统330处于关状态，光束在表面OS5上被全部反射，从而输出至不朝向投影透镜370的另一方向。

因此，采用如上制造的TIR棱镜系统330-1和330-2的投影仪通过如上操作将图像显示在屏幕上，使得由光源250产生的光束通过如所述排列在光学系统中的色盘270、棒状透镜290，第一会聚透镜300，反射镜310，第二会聚透镜320，TIR棱镜系统330，DMD 350，以及投影透镜370而投射在屏幕380上。

如上所述，TIR棱镜系统输入(IS5；P1)或透射(IS2；P2)从光源传播的光束，并且反射(OS2；P3)、全反射(OS3；P4)和透射(OS5；P5)来自DMD的光束，从而可以减小在系统内的光能损失。

而且，根据本发明的TIR棱镜系统由于只需计算两个角度所以易于以低成本制造。

而且，采用该TIR棱镜系统的投影仪具有连接在TIR棱镜系统内表面上的DMD，从而可以减小产品的高度和尺寸。

本发明可以在不偏离其主要思想或精髓的情况下以多种形式实施，而且应当理解，上述各实施例除非特别指出，否则并不受前述说明的任何细节的限制，而应理解为广泛包含在所附权利要求书所限定的其精髓和范围内，因此所有满足权利要求书并在其范围之内、或者其范围之内的等同物的改变和变型，都应理解为包含在所附权利要求中。