[发明专利]颜色分离和组合光学系统以及具有该系统的图像投影装置

说明书

本发明涉及颜色分离和组合光学系统以及具有该系统的图像投影装置。一种颜色分离和组合系统包括：第一光学系统，其包括第一光学平面；以及第二光学系统，其包括第二光学平面至第四光学平面。第一光学平面将来自光源的光引导到第二光学平面。第二光学平面将来自第一光学平面的光之中的第一颜色光引导到第三光学平面，并引导来自第一光学平面的光之中的第二颜色光。第三光学平面将第一颜色光全反射向第一图像显示元件，并且将来自第一图像显示元件的光全反射向投影光学系统。第四光学平面将第二颜色光全反射向第二图像显示元件，并且将来自第二图像显示元件的光全反射向投影光学系统。

技术领域

本发明涉及一种颜色分离和组合光学系统以及具有该系统的图像投影装置。

背景技术

传统上已知一种图像投影装置或所谓的投影仪，其将从光源产生的光束(或射束)发射到图像显示元件，在图像显示元件处根据输入视频信号调制该光束，并通过投影光学系统投射该光束。图像显示元件可以具有各种形式，并且其中之一是镜面反射型图像显示元件，例如数字微镜设备(下文中称为注册商标DMD)。

在DMD中，多个像素均具有微镜，在一个表面上展开，并形成图像显示区域。多个微镜分别可对应于图像信息在两个倾斜位置即ON状态和OFF状态之间切换。当照明光沿着与微镜的旋转轴正交且相对于图像显示区域的法线倾斜期望的角度(通常为34°)的方向进入图像显示区域，并且多个微镜变为ON状态时，光束在基本垂直于图像显示区域的方向上反射。由此，通过投影光学系统投影图像。当多个微镜变为OFF状态时，光束被反射到投影光路的外部。反射光束被视为不必要的光。另外，通过在图像信息的一帧中在ON状态和OFF状态之间高速地切换多个微镜来表示灰度，并且可以显示图像。

在多个微镜处于OFF状态时反射的光束(下文称为OFF光)是具有与ON状态下反射的光束(下文称为ON光)同样高的功率的光，并且通过通常在吸收体(例如金属)中吸收它并通过冷却吸收体而被处理。需要确保用于将OFF光引导到就设置在DMD附近的棱镜中的吸收体的适当的光路。如果不能确保适当的光路，则棱镜中的杂散光可能会降低投影图像的对比度，或者已经进入投影光学系统并然后进入镜筒的杂散光导致温度升高和分辨率性能下降。另外，当光无意地进入机械部件时，该部件可能发出烟雾、被熔化等。

另一方面，被配置为将OFF光引导到棱镜中的吸收体的适当光路可能增加棱镜的尺寸。随着棱镜尺寸的增加，投影光学系统的后焦距变长，并且投影光学系统变大。

WO 2015/194454公开了一种投影仪，其确保棱镜中的适当光路并相对于棱镜旋转DMD，以便适当地吸收辐射器中的OFF光，从而避免棱镜的大尺寸。图12A和图12B示出了在WO2015/194454中的投影仪中的光束在它进入DMD之前和之后的角度分布。图12A示出了在旋转DMD之前光束的角度分布。图12B示出了在旋转DMD之后光束的角度分布。由于OFF光(不需要光)L3在与照明光L1的入射方向(Y轴方向)正交的方向(X轴方向)上具有矢量分量，因此确保引导OFF光L3到吸收体时的光路将使图中虚线部分的间隔所示的棱镜变宽。WO 2015/194454中的光学单元使DMD相对于棱镜旋转，从而使ON光(投射光)L2和OFF光L3之间的X方向上的距离变窄，并且减小棱镜宽度。

在WO 2015/194454的投影仪中，由于DMD的操作原理，OFF光L3必须在与照明光L1的入射方向正交的方向上具有矢量分量。因此，即使旋转DMD，原则上也存在小型化限制。另外，在WO 2015/194454的投影仪中，由于OFF光L3被引导到ON光L2正上方的位置，因此需要在投影光学系统和棱镜之间设置用于OFF光的处理单元。为了适当地处理OFF光，OFF光处理单元需要冷却和一定量的空间。此时，可能使投影光学系统的后焦距更长。由于图像显示元件实际上包括驱动电路板和用于冷却的散热器，因此如果旋转DMD，这些部件和棱镜可能相互干扰。为了避免干扰，需要将图像显示元件与棱镜分开以获得空间宽容度，这也导致投影光学系统的后焦距更长。

发明内容