專利名稱：彩色照明系統(tǒng)和使用該系統(tǒng)的投影型圖像顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通過從光源發(fā)射的白光中分離彩色光從而照射彩色光束的彩色照明系統(tǒng)和應用該彩色照明系統(tǒng)的投影型圖像顯示裝置，更具體的，本發(fā)明涉及一種照射高效率彩色光并且使得整個光學系統(tǒng)的尺寸最小化的彩色照明系統(tǒng)，及應用該彩色照明系統(tǒng)的投影型圖像顯示裝置。
背景技術：
通常，投影型圖像顯示裝置依靠光源裝置，通過投射由例如液晶顯示器或數字微反射鏡顯示器(digital micro-mirror display)等的微顯示系統(tǒng)(micro-display system)產生的圖像而在屏幕上成像。
這樣的投影型圖像顯示裝置根據使用的微顯示器的數量可以歸類為1-面板型顯示器和3-面板型顯示器。3-面板投影型圖像顯示器使用三個排列在獨立紅、藍和綠光束路徑上的微顯示器確保了更高光的效率，但是其結構復雜并具有更高的制造成本。
一般的1-面板投影型圖像顯示裝置帶有使用彩色轉輪的簡單結構可以從入射的白光中周期性地分離紅色、綠色和藍色的光，但是由于彩色轉輪的應用該裝置具有差的光效率，導致?lián)p耗了三分之二的入射光。由此，制造1-面板投影型圖像顯示裝置要考慮光效率的減小。
傳統(tǒng)1-面板投影型圖像顯示裝置如圖1所示。在傳統(tǒng)的1-面板，投影型圖像顯示裝置中，非偏振(non-ploarized)的白光由光源11產生并射出。發(fā)射的白光在通過“蠅眼”透鏡陣列(fly-eye lens array)13時被均勻化并射向起偏器15。起偏器15將從光源11發(fā)射的白光偏振為具有預定偏振成分的白光。穿過起偏器15的所述白光由第一分色透鏡17和第二分色透鏡19被分為紅、藍和綠光束。所述第一分色透鏡17反射入射白光中的藍光波長的光而使其他波長光通過。通過第一分色透鏡17的光由第二分色透鏡19被分為綠色和紅色光束。
周期性地滾動(scroll)入射光的第一掃描棱鏡21、第二掃描棱鏡23和第三掃描棱鏡25設置在分色光束的光學路徑上。第一掃描棱鏡21、第二掃描棱鏡23和第三掃描棱鏡25具有矩形棱鏡并由驅動器(未示出)轉動。當第一掃描棱鏡21、第二掃描棱鏡23和第三掃描棱鏡25轉動時，每個第一掃描棱鏡21、第二掃描棱鏡23和第三掃描棱鏡25的側壁相對于光軸的角度發(fā)生改變。通過每個第一掃描棱鏡21、第二掃描棱鏡23和第三掃描棱鏡25的光的光路被周期性地改變。
當旋轉第一掃描棱鏡21、第二掃描棱鏡23和第三掃描棱鏡25時，每個第一掃描棱鏡21、第二掃描棱鏡23和第三掃描棱鏡25的初始旋轉角度被設定為使得顯示器33的有效圖像區(qū)域均勻地被通過第一掃描棱鏡21、第二掃描棱鏡23和第三掃描棱鏡25的光所分隔。隨著第一掃描棱鏡21、第二掃描棱鏡23和第三掃描棱鏡25旋轉，彩色光束組(B，R，G)、(G，B，R)和(R，G，B)輪流地進入顯示器33的有效圖像區(qū)域。
通過第一掃描棱鏡21和第二掃描棱鏡23的光束被第三分色鏡27結合在一起并隨即由第四分色鏡29與通過第三掃描棱鏡25的光束結合。反射鏡18設置在第一分色鏡17和第三分色鏡27之間，反射鏡20設置在第二分色鏡19和第四分色鏡29之間，用來改變光路。
通過第四分色鏡29的滾動的光進入偏振光束分離器31，該分光鏡根據入射光的偏振態(tài)透射或反射入射光。被偏振光束分離器31反射的光周期性地滾動(scrolled)使得如圖2所示的彩色光束組輪流地進入顯示器33。顯示器33由入射光而成像。所述圖像通過改變光偏振態(tài)而形成并以象素單位的形式輸出。只有在入射到顯示器33上后偏振成分改變的光允許透射過偏振光束分離器31而射向投射透鏡單元35。所述投射透鏡單元35放大并投射接收到的圖像到屏幕50上。
所述投影型圖像顯示裝置包括多個設置在光路的中繼透鏡41到48用以導引從光源11發(fā)出的光到顯示器33。
雖然上述傳統(tǒng)投影型圖像顯示裝置僅包括一個形成彩色圖像的顯示器，其光學結構仍是復雜的。而且，三個掃描棱鏡為了滾動光束相互獨立轉動，很困難通過驅動顯示器將它們同步。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種高效率的、結構緊湊的、帶有改進的彩色分離和滾動結構的彩色照明系統(tǒng)。
本發(fā)明還提供一種高效率的、結構緊湊的、單面板投影型圖像顯示裝置，該顯示裝置帶有通過螺旋型透鏡的旋轉運動而獲得線性滾動光束的簡單光學結構。
在本發(fā)明的一個方面，提供一種彩色照明系統(tǒng)，包括產生和發(fā)射白光的光源；螺旋型透鏡盤，該螺旋型透鏡盤通過旋轉運動周期性地滾動光束并且在該螺旋型透鏡盤的至少一個表面上具有螺旋圓柱型透鏡陣列，該陣列包括多個圓柱型透鏡；和分離從光源發(fā)射的白光中不同波長的光束并導引該光束進入螺旋型透鏡盤的至少兩個有效區(qū)域的光學單元。
在本發(fā)明的另一方面，提供一種投影型圖像顯示裝置，包括產生和發(fā)射白光的光源；螺旋型透鏡盤，該螺旋型透鏡盤通過旋轉運動周期性地滾動光束并且在該螺旋型透鏡盤的至少一個表面上具有螺旋圓柱型透鏡陣列，該陣列包括多個圓柱型透鏡；和分離從光源發(fā)射的白光中不同波長的光束并導引該光束進入螺旋型透鏡盤的至少兩個有效區(qū)域的光學單元；利用來自螺旋型透鏡盤的光束成像的成像單元；和將由成像單元所形成的圖像放大并投射到屏幕上的投射透鏡單元。
根據本發(fā)明的特定實施例，光學單元可以包括濾色鏡，該濾光鏡從接收自光源的白光中分離不同波長的光束并使得所述光束沿預定方向傳播；和光束分離器，該光束分離器將來自濾色鏡的光分離而進入所述螺旋型透鏡盤的至少兩個有效區(qū)域內。
光學單元進一步包括集成光學元件，該集成光學元件改變來自螺旋型透鏡盤的第一有效區(qū)域或第二有效區(qū)域的光束的滾動方向，使得來自第一有效區(qū)域和第二有效區(qū)域的光束沿相同方向滾動，并將來自第一有效區(qū)域和第二有效區(qū)域的光束結合。


參考附圖，通過對實施例詳細的描述，本發(fā)明上述和其他的特性和優(yōu)點將會更加明晰。
圖1示出了傳統(tǒng)的1-面板投影型圖像顯示裝置的光學設置；圖2示出了當圖1的掃描棱鏡被驅動時轉換的彩色光束的圖案變化；圖3示出了根據本發(fā)明的一個實施例的彩色照明系統(tǒng)的光學設置；圖4為示出了圖3中光源和濾色鏡的光學設置的透視圖；圖5為圖4中濾色鏡的平面圖；圖6為圖4中濾色鏡的前視圖；圖7示出了圖3中光束分離器的光學設置；圖8為圖3中螺旋型透鏡盤的平面圖；圖9為圖3中螺旋型透鏡盤單元的透視圖；圖10示出了根據本發(fā)明一個實施例的投影型圖像顯示裝置的光學設置；圖11為圖10中滾動方向改變棱鏡的透視圖；圖12示出了圖10的光束切換器；圖13示出了根據本發(fā)明另一個實施例的投影型圖像顯示裝置的光學設置；圖14為圖13中滾動方向改變棱鏡的透視圖；具體實施方式
參考圖3，根據本發(fā)明一個實施例的彩色照明系統(tǒng)包括光源60、旋轉以周期性地滾動光束的螺旋型透鏡盤單元100、從接收自光源60的白光中分離預定波長的光束并導引所分離的光束到螺旋型透鏡盤單元100的至少兩個有效區(qū)域的光學單元。
產生并發(fā)射白光的光源60，包括發(fā)光的燈61和將燈61發(fā)出的白光反射到光路上的反射鏡63。反射鏡63可以為橢圓形反射鏡或拋物線形反射鏡。橢圓形反射鏡提供兩個焦點一個在燈61的位置而另一個為光聚焦的位置。拋物線形反射鏡通過反射準直(collimate)從燈61發(fā)出的光。在如圖3所示的彩色照明系統(tǒng)中，應用橢圓形反射鏡作為反射鏡63。
光學單元包括從光源60發(fā)射的光中分離預定波長的光束的濾色鏡70和放大并將入射光分開的光束分離器93。
被濾色鏡70分離的光束以不同的角度傳播。濾色鏡70通過抑制以不希望的方向傳播的具有預定角度的入射光從而提高了光學效率。換句話說，濾色鏡70使聚光能力(etendue)的變化最小，該聚光能力為光學系統(tǒng)中保留的光學物理量。
最后，濾色鏡70通過第一分色棱鏡79、第二分色棱鏡81和第三分色棱鏡83實現，它們反射特定波長范圍的光并透射其他波長范圍的光，因此將入射光L分成第一彩色光束L1、第二彩色光束L2和第三彩色光束L3，如圖3到6所示。
第一分色棱鏡79具有與入射光L的光軸成一個角度的第一鏡面80。第一鏡面80反射第一彩色光束L1并透射第二彩色光束L2和第三彩色光束L3。例如，第一鏡面80可以反射藍光束并透射其他波長范圍的光。第一分色棱鏡79包括第一反射表面79a和79b，在該表面上以預定角度接收的光發(fā)生內反射(internally reflected)。尤其是，由于第一分色棱鏡79和外界空氣介質的折射率的不同，第一反射表面79a和79b全反射接收到的比臨界角大的光束，由此提高了光學效率。
第二分色棱鏡81與第一分色棱鏡79鄰接設置，它具有與入射光L的光軸成一個角度的第二鏡面82。第二鏡面82反射第二彩色光L2，例如紅色光，并且透射其他波長的光。
第三分色棱鏡83與第二分色棱鏡81鄰接設置，它具有與入射光L的光軸成一個角度的第三鏡面84。第三鏡面84反射第三彩色光L3，例如綠色光。第三分色棱鏡83可以用全反射鏡來替換。
第二分色棱鏡81包括第二反射表面81a和81b，第三分色棱鏡83包括第三反射表面83a和83b。第二反射表面81a和81b和第三反射表面83a和83b的功能基本上與第一反射表面79a和79b的功能相同，因此對于它們的描述就不再重復。
在具有上述結構的濾色鏡70中，如圖4所示的在一定范圍內由第一鏡面80、第二鏡面82和第三鏡面084反射的第一光束L1、第二光束L2和第三光束L3被專門用作有效光。
具有上述結構的濾色鏡70適用于利用獨立于入射光偏振態(tài)的微反射鏡器件作為成像單元的投影型圖像顯示裝置。
濾色鏡70可以進一步包括設置在光源60的前方的第一準直透鏡71以將入射光集中為平行光。
濾色鏡70可以進一步包括分別設置在第一分色棱鏡79、第二分色棱鏡81和第三分色棱鏡83的出光表面(light exit surface)上的第一中繼透鏡85、第二中繼透鏡86和第三中繼透鏡87。所述第一中繼透鏡85、第二中繼透鏡86和第三中繼透鏡87分別將第一彩色光束L1、第二彩色光束L2和第三彩色光束L3各自以預定的角度會聚。
濾色鏡70可以在第一準直透鏡71和第一分色棱鏡79之間的光路上進一步包括第一偏振光束分離器73和第二偏振光束分離器75以及半波片(half-wave plate)77，如圖4所示。設置在第一分色棱鏡79的入射表面上的第一偏振光束分離器73，透射出非偏振白色入射光中的第一偏振態(tài)成分到第一分色棱鏡79，并反射第二偏振光到第二偏振光束分離器75。最后，第一偏振濾光鏡74在第一偏振光束分離器73的鏡表面上形成。
圖6示出了透射從光源發(fā)射的白光中的P-偏振態(tài)(P-polarization)成分而反射白光中的S-偏振態(tài)(S-polarization)成分的第一偏振濾光鏡74的實例。
第二偏振光束分離器75再次將來自第一偏振光束分離器73的第二偏振光反射到第一分色棱鏡79。如圖6所示，第二偏振光束分離器75僅僅改變入射光，例如S-偏振光的光路，而不影響入射光的偏振態(tài)以便入射光與從第一偏振光束分離器73中透射的第一偏振光平行傳播。最后，第二偏振光束分離器75包括反射入射光中的特定偏振成分，例如S-偏振光的第二偏振濾光鏡76。第二偏振光束分離器75可以通過一個全反射入射光的全反射鏡實現。
半波片77改變入射偏振光的相位180度，即從預定的線性偏振成分轉變?yōu)榱硪痪€性偏振成分。圖3到圖6中設置在第二偏振光束分離器75和第一分色棱鏡79之間的半波片77的實例，改變第二偏振光的相位以與第一偏振光相同。也就是說，半波片77將由第二偏振濾光鏡反射的S-偏振光改變?yōu)榈谝黄窆獾腜-偏振光。另一方面，半波片77可以設置在第一偏振光分光鏡73和第一分色棱鏡79之間來將改變第一偏振光的相位以和第二偏振光相同。
第一偏振光束分離器73和第二偏振光束分離器75的應用使得可以使用液晶顯示器(LCD)作為在后面描述的投影型顯示裝置中的成像單元。
在濾色鏡70中，第一分色棱鏡79、第二分色棱鏡81和第三分色棱鏡83可以被構造和光學排列以便它們透射特定色彩的光而反射其他色彩的光。第一分色棱鏡79、第二分色棱鏡81和第三分色棱鏡83的制造方法在本領域是公知的，因此不再在本文中贅述。
在根據本發(fā)明的、如圖3所示的彩色照明系統(tǒng)中，用來準直來自濾色鏡70發(fā)射的第一彩色光束L1、第二彩色光束L2和第三彩色光束L3的第二準直透鏡91可以被設置在濾色鏡70和光束分離器93之間的光路上。
設置在第二準直透鏡91和螺旋型透鏡盤單元100之間的光路上的光束分離器93將每個所準直的、且具有預定波長的彩色光束分為至少兩部分。換句話說，光束分離器93將具有預定波長的、所準直的彩色光束移到螺旋型透鏡盤101的至少兩個有效區(qū)域，來避免其到達設置在光軸上的螺旋型透鏡盤單元100的驅動器105上(參見圖9)。所述驅動器105將在下文中描述。
具體地，參考圖7，具有“>”型截面的光束分離器93有入射面93a和出射面(exit surface)93b。入射面93a折射入射的第一彩色光束L1、第二彩色光束L2和第三彩色光束L3，使之遠離光軸以至于至少兩束分離的光束向螺旋型透鏡盤單元100傳播。出射面93b朝光軸方向折射已經被入射面93a折射的分離的光束，使之與入射到入射面93a的光平行。通過折射而分離光束是基于光束分離器93和空氣之間的折射率不同以及光束分離器93的幾何排列。
可以適當地設置光束分離器93的折射率n、入射面93a和出射面93b的傾斜角θ和光束分離器93的厚度D，即入射面93a和出射面93b之間的距離，以便被光束分離器93折射的光束僅僅通過相應于螺旋型透鏡盤101的第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B(參見圖8)的第一區(qū)域I和第三區(qū)域III，而不通過與驅動器105(參見圖9)排成一列的第二區(qū)域II。通過光束分離器93分光和利用具有第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B的螺旋型透鏡盤單元100可以提高有效光的總量。
充當定形器的多個圓柱體透鏡95和97被設置在由光束分離器93限定的第一區(qū)域I和第三區(qū)域III中的光路中。每個圓柱體透鏡95和97將通過會聚入射光的一部分并直接透射入射光的其它部分以便通過所述透鏡的光束的形狀與在圖8中虛線所示的第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B之一相適合，所述區(qū)域在圖8中用虛線表示。
如圖8和9所示的螺旋型透鏡盤單元100，由支架107支撐在照明系統(tǒng)的光路上。所述螺旋型透鏡盤單元100包括至少一個螺旋型透鏡盤101和與螺旋型透鏡盤101中心連接的驅動器105來將其旋轉。
螺旋型透鏡盤101在其至少一個表面上具有螺旋圓柱體透鏡陣列101a。螺旋型透鏡盤101在旋轉和周期性地滾動彩色光束時，改變通過濾色鏡70的彩色光束的光路。使用螺旋型透鏡盤101滾動光現在以假設螺旋型透鏡盤101以預定速率順時針旋轉進行描述。
被濾色鏡70分離的彩色光束在通過圓柱體透鏡95和97時被適當地定形并進入螺旋型透鏡盤101的第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B。由第一有效區(qū)域A限定的圓柱體透鏡陣列101的部分和包括多個并排排列的圓柱體透鏡所起的作用一樣。由于第一有效區(qū)域A的幾何尺寸，入射到第一有效區(qū)域A的彩色光被從螺旋型透鏡盤101的內圓周滾動向外內圓周。在第二有效區(qū)域B滾動彩色光的規(guī)律與在第一有效區(qū)域A中相同。然而，在第二有效區(qū)域B滾動彩色光的方向與在第一有效區(qū)域A中相反。
螺旋型透鏡盤101可包括兩個盤，即第一螺旋透鏡盤102和第二螺旋透鏡盤103。第一透鏡盤102滾動入射光，放置在與第一螺旋透鏡盤102間隔預定距離的第二螺旋透鏡盤103校正通過第一螺旋透鏡盤102的至少兩個分離光束的發(fā)散角。
控制通過第一螺旋透鏡盤102的光束的發(fā)散角的玻璃棒111可以設置在第一螺旋透鏡盤102和第二螺旋透鏡盤103之間的光路上。玻璃棒111允許被第一螺旋透鏡盤102的每個單元會聚的光未發(fā)散地進入第二螺旋透鏡盤103。
在一實施例中，根據本發(fā)明的彩色照明系統(tǒng)可進一步包括蠅眼透鏡陣列120、圓柱體透鏡131和第四中繼透鏡133。
蠅眼透鏡陣列120與第二螺旋透鏡盤103鄰接設置并從通過螺旋透鏡盤101的光形成分離區(qū)域帶的彩色光。最后，蠅眼透鏡陣列120包括第一蠅眼透鏡121和第二蠅眼透鏡123，每個蠅眼透鏡具有在入射表面和/或發(fā)射表面上的突出兩維陣列。第一蠅眼透鏡121可以定位在第二螺旋型透鏡盤103的焦平面上。每個第一蠅眼透鏡121和第二蠅眼透鏡123的突起分別一對一地對應于螺旋型透鏡盤101的第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B中的陣列101a中的各個圓柱體透鏡。由螺旋型透鏡盤101滾動的各個彩色光束在通過第一蠅眼透鏡121和第二蠅眼透鏡123時被會聚并形成分離的不同顏色的光帶。
在分離的光路中設置的圓柱體透鏡131將通過第二蠅眼透鏡123的兩個光束通過第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B定形成不同顏色的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束。
第四中繼透鏡133將通過蠅眼透鏡陣列120的光束中繼到預定位置，例如，成像單元165的位置(參見圖10)。
在下文中將參考圖3到圖9描述根據本發(fā)明的、具有上述結構的彩色照明系統(tǒng)的操作。
從光源60發(fā)射的白光被第一準直透鏡71會聚為平行或接近平行的發(fā)散光束。通過第一準直透鏡71的光被濾色鏡70分為第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束，光束被第二準直透鏡91會聚并被光束分離器93分離使得所分離的光束通過第一區(qū)域I和第三區(qū)域III，而不通過驅動器105的第二區(qū)域II。所分離的光束被圓柱體透鏡95和97定形為預定的形狀并進入螺旋型透鏡盤101的第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B。
隨著第一螺旋型透鏡盤102和第二螺旋型透鏡盤103被驅動器105旋轉，當入射到第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B的光束被圓柱體透鏡陣列101a滾動和會聚時，所述光束分離為不同色彩的光束。當所分離的光束通過蠅眼透鏡陣列120、圓柱體透鏡131和第四中繼透鏡133，就在預定的位置改變了不同顏色的光帶。例如，不同顏色的光帶可以以藍色(B)，綠色(G)和紅色(R)的順序排列。在這種情況下，入射到第一有效區(qū)域A的光束被滾動，以(B，G，R)->(G，R，B)->(R，B，G)為順序形成不同顏色的光帶。入射到第二有效區(qū)域B的光束被滾動，以(B，G，R)->(R，B，G)->(G，R，B)為順序形成不同顏色的光帶。換句話說，第一有效區(qū)域A的不同顏色的滾動光帶的順序以與第二有效區(qū)域B中的不同顏色的滾動光帶的順序相反的順序排序。
下文中，將參考附圖，詳細地描述根據本發(fā)明的投影型圖像顯示裝置的實施例。
參考圖10，根據本發(fā)明實施例的投影型圖像顯示裝置包括上述的彩色照明系統(tǒng)、使用通過彩色照明系統(tǒng)的螺旋型透鏡盤單元100的光成像的成像單元、和放大并投影由成像單元所形成的像的投影透鏡單元170。
彩色照明系統(tǒng)包括光源60、光學單元、第一準直透鏡71和第二準直透鏡92、圓柱體透鏡95、97和131、螺旋型透鏡盤單元100和蠅眼透鏡陣列120。所述光學單元包括從入射光分離不同波長的光束的濾色鏡70以及光束分離器93，該光束分離器將預定波長的光移向螺旋透鏡盤101的至少兩個有效區(qū)域。彩色照明系統(tǒng)的組成元件的結構、設置和功能基本上與上述參考圖3到9的根據本發(fā)明的照明系統(tǒng)相同，因此在這里不提供對每個組成元件的詳細描述。
另外，光學單元可以進一步包括組合由光束分離器93分離的光束，并且當來自圓柱體透鏡97的光束通過螺旋型透鏡盤101的第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B時使改變三個彩色光帶的相同圖案滾動的集成光學元件。
參考圖10到12，集成光學元件包括滾動方向轉換棱鏡140，當來自圓柱體透鏡97的光束通過螺旋型透鏡盤101的第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B時，該棱鏡使三個色彩的光的相同轉換圖案滾動；和光束移位器150，移位由光束分離器93分離的光束之一以組合它們。
滾動方向轉換棱鏡140設置在對準螺旋型透鏡盤101的第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B之一的光路上，用于轉換上述螺旋型透鏡盤101滾動的方向。最后，所述滾動方向轉換棱鏡140可以象補償棱鏡(Amichi prism)一樣形成。
參考圖11，滾動方向轉換棱鏡140包括入射面141、出射面147、相互垂直并且與出射面147成角度θ2傾斜的第一反射平面143a和143b、發(fā)射和第二反射平面145，將第一反射平面143a和143b反射的光再次向出射面147反射。因此，當以箭頭C方向滾動的光入射到滾動方向轉換棱鏡140的入射面141，所述光由于第一反射平面143a和143b的傾斜θ2而非垂直的射向第二反射平面145。光被第一反射平面143a和143b反射使得光水平的傳播。特別的，入射到第一反射平面143a并被其反射的光朝向第一反射平面143b傳播并再次被第一反射平面143b反射向第二反射平面145。入射到第一反射平面143a并被其反射的光被第一反射平面143b再次反射向第二反射平面145。這樣，入射到滾動方向轉換棱鏡140的光沿圖11中箭頭D所示的方向滾動。
滾動方向轉換棱鏡140可以象五角棱鏡一樣形成。
圖10中的光束移位器150可以通過折射光學元件151實現，該元件為六面體并以一個角度設置在光路上。折射光學元件151具有與入射光光軸傾斜一角度的入射面和與入射面平行并分開一定距離的出射面。折射光學元件151折射并透射入射光以將其移向滾動方向轉換棱鏡140。
而且，光束移位器150可以通過反射光學部件153實現，如圖12所示，該部件通過全反射移位入射光。
反射光學部件153具有入射表面153a和發(fā)射表面153b，它們垂直于入射光的光軸，和第一反射平面155和第二反射平面157，它們與入射光的光軸成一個角度。第一反射平面155相應于入射面153a的寬度，即入射光的寬度傾斜一個高度Δd，來移位入射光而不影響入射光滾動的方向。
當使用上述結構的集成光學元件時，第四中繼透鏡161可以進一步設置在集成光學元件和成像單元165之間的光路上。
如圖13所示，集成光學元件可以包括改變進入螺旋型透鏡盤102的第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B之一的光的偏振態(tài)的偏振片94、滾動方向轉換棱鏡140、和第三偏振光束分離器146。
偏振片94設置在光束分離器93與螺旋型透鏡盤102的第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B中的一個有效區(qū)域之間的光路上。偏振片94改變通過第一偏振光束分離器73和第二偏振光束分離器75和半波片77(參見圖6)光束的偏振態(tài)，使得具有不同偏振態(tài)的光束透射出螺旋型透鏡盤101的第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B。
圖13中的滾動方向轉換棱鏡140的結構和功能基本上與圖10中的滾動方向轉換棱鏡相同，該結構已經結合集成光學元件進行了描述。然而，不同于圖10中的方向轉換棱鏡，圖13中的滾動方向轉換棱鏡140包括第三偏振光束分離器146而不是第二反光平面145(參見圖11)。
第三偏振光束分離器146設置在滾動方向轉換棱鏡140的一個表面上，根據入射光的偏振態(tài)選擇性地透射或反射入射光，使得從第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B透射出的光束沿相同的光路向成像單元傳播。特別是，從偏振片94透射以使其偏振態(tài)改變的光由第一反射平面143a和143b反射(參見圖14)從而使光反向滾動并朝向第三偏振光束分離器146傳播。所述光束接著從第三偏振光束分離器146反射。同時，沒有從偏振片94透射的光從滾動方向轉換棱鏡140和第三偏振光束分離器146透射并沿著被第三偏振光束分離器146反射的光相同的路徑傳播。
另外，根據本發(fā)明的投影型圖像顯示裝置可以進一步包括多個第四中繼透鏡261和263來使得被螺旋型透鏡盤101滾動的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束沿著相同的光路進入成像單元。第四中繼透鏡261和263設置在各自的光路中，滾動方向轉換棱鏡140的第一有效區(qū)域A和第二有效區(qū)域B位于該光路中，所述中繼透鏡與圓柱體透鏡131分開不同的距離以使得滾動方向轉換棱鏡140補償光程差。
成像單元位于所滾動的紅色、藍色和綠色三個光束光帶的焦平面上，具有滾動的紅色、藍色和綠色光束進入的三個分開的子成像區(qū)域。
如圖10所示，根據本發(fā)明的成像單元的實施例可以包括反射型液晶顯示器(LCD)165和光束分離器163。
反射型LCD 165是一種光閥，其決定是否改變入射到象素基面的偏振光的偏振態(tài)。反射型LCD 165通過基于像素調制從螺旋型透鏡盤101發(fā)射的滾動的光束而成像。
光束分離器163設置在反射型LCD 165之前以改變入射光的光路。特別是，光束分離器163使從光學單元接收到的預定偏振態(tài)的光朝反射型LCD 165傳播并反射由反射型LCD 165反射的光束到投影透鏡單元170。雖然在圖10中示出單個反射型LCD 165，但是可以理解可以應用至少兩個反射型LCD165而不限于圖10示出的結構。
如圖13示出的、根據本發(fā)明的成像單元包括微反射鏡器件270，該器件通過調制來自螺旋型透鏡盤101的滾動光而成像并以預定的方向反射所形成的像。在微反射鏡器件270中，微反射鏡是基于像素單個驅動以將入射光反射到不同的光路并從而成像。微反射鏡器件270的結構是本領域公知的，在此不提供詳細的描述。
投影透鏡單元170設置在成像單元和屏幕180之間。投影透鏡單元170放大并投影由成像元件所形成的像到屏幕180。
如上所述，根據本發(fā)明的彩色照明系統(tǒng)利用帶有兩個有效區(qū)域的螺旋型透鏡盤單元來提高有效光量，用于高效率的彩色光照明。螺旋型透鏡盤單元簡化了照明系統(tǒng)的光學結構并減小了整個系統(tǒng)的尺寸。
根據本發(fā)明的、應用彩色照明系統(tǒng)的投影型圖像顯示裝置，由于使用帶有在其主體上限定的兩個有效區(qū)域、可以滾動光束的螺旋型透鏡盤單元，不需要附加元件來同步滾動光束。
雖然本發(fā)明通過參照示例實施例進行詳細描述和展示，但是應當理解，本領域普通技術人員可以在不偏離如權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對其形式和細節(jié)作出多種改變。
權利要求
1.一種彩色照明系統(tǒng)，包括光源，用于產生并發(fā)射白光；螺旋型透鏡盤，用于通過旋轉運動周期性地滾動光束，并具有螺旋圓柱體透鏡陣列，所述螺旋圓柱體透鏡陣列在至少一個表面上包括多個圓柱體透鏡；和光學單元，用于從所述光源發(fā)射的白光中分離不同波長的光束并導引所述光束進入所述螺旋型透鏡盤的至少兩個有效區(qū)域。
2.如權利要求1所述的彩色照明系統(tǒng)，其中所述光學單元包括濾色鏡，用于從所述光源接收的白光中分離不同波長的光束并使所述光束沿預定方向傳播；和光束分離器，用于分離來自所述濾色鏡的光束以進入所述螺旋型透鏡盤的至少兩個有效區(qū)域。
3.如權利要求2所述的彩色照明系統(tǒng)，其中所述濾色鏡包括第一分色棱鏡，具有以一個角度傾斜于入射光光軸的第一鏡面，用于反射入射白光中的第一彩色光束，而透射其他彩色光；第二分色棱鏡，與所述第一分色棱鏡鄰接設置并具有以一個角度傾斜于入射光光軸的第二鏡面，用于反射從所述第一分色棱鏡透射的光中的第二彩色光束，而透射其他彩色光；第三分色棱鏡，與所述第二分色棱鏡鄰接設置并具有以一個角度傾斜于入射光光軸的第三鏡面，用于反射從所述第二分色棱鏡透射的光中的第三彩色光束，其中位于所述濾色鏡內的第一分色棱鏡、第二分色棱鏡和第三分色棱鏡的第一鏡面、第二鏡面和第三鏡面允許以滿足內部全反射條件的角度入射的光被全反射，從而最小化第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束的損耗。
4.如權利要求3所述的彩色照明系統(tǒng)，進一步包括第一偏振光束分離器，在所述第一分色棱鏡的入射面上形成，用于向所述第一分色棱鏡透射在入射的非偏振白光中的第一偏振成分并反射第二偏振光；第二偏振光束分離器，用于向所述第一分色棱鏡反射被所述第一偏振光束分離器反射的第二偏振光；和半波片，設置在所述第一分色棱鏡與第一偏振光束分離器和第二偏振光束分離器中的一個之間，用于改變第一偏振光或第二偏振光之一的相位以使相位彼此相同。
5.如權利要求3或4所述的彩色照明系統(tǒng)，進一步包括第一準直透鏡，設置在所述光源和所述濾色鏡之間的光路上，用于轉換并透射入射的非偏振白光。
6.如權利要求3或4所述的彩色照明系統(tǒng)，進一步包括第一中繼透鏡、第二中繼透鏡和第三中繼透鏡，分別與第一分色棱鏡、第二分色棱鏡和第三分色棱鏡的出射面相對設置，并分別以預定的角度將所述第一彩色光束、所述第二彩色光束和所述第三彩色光束發(fā)散。
7.如權利要求6所述的彩色照明系統(tǒng)，進一步包括第二準直透鏡，設置在所述濾色鏡和所述光束分離器之間的光路上，用于會聚來自所述濾色鏡的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束。
8.如權利要求6所述的彩色照明系統(tǒng)，進一步包括多個圓柱體透鏡，設置在所述光束分離器和所述螺旋型透鏡盤之間的光路中，所述圓柱體透鏡處于光路中以從所述螺旋型透鏡盤接收光并且將從所述光束分離器以不同角度接收的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束定形。
9.如權利要求2-8中的任意一項所述的彩色照明系統(tǒng)，進一步包括第二準直透鏡，設置在所述濾色鏡和所述光束分離器之間的光路上，用于會聚來自所述濾色鏡的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束。
10.如權利要求2-9中的任意一項所述的彩色照明系統(tǒng)，其中所述光束分離器包括入射面，具有“＞”形橫截面，用于將入射的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束向遠離光軸的方向折射，以便至少兩個所分離的光束朝所述螺旋型透鏡盤傳播；和出射面，平行于所述入射面，用于將至少兩個所分離的光束向靠近光軸的方向折射并與入射到所述入射面的第一光束、第二光束和第三光束平行。
11.如權利要求2-10中的任意一項所述的彩色照明系統(tǒng)，進一步包括多個圓柱體透鏡，設置在所述光束分離器和所述螺旋型透鏡盤之間的光路中，所述圓柱體透鏡在光路中以接收來自所述螺旋型透鏡盤的光并對來自所述光束分離器的光束定形。
12.如權利要求1所述的彩色照明系統(tǒng)，其中所述螺旋型透鏡盤包括第一螺旋型透鏡盤，用于滾動入射光；和第二螺旋型透鏡盤，與所述第一螺旋型透鏡盤間隔預定距離，用于校正來自所述第一螺旋型透鏡盤的至少兩個光束的發(fā)散角。
13.如權利要求12所述的彩色照明系統(tǒng)，進一步包括玻璃棒，設置在所述第一螺旋型透鏡盤和所述第二螺旋型透鏡盤之間的光路中，用于控制來自所述第一螺旋型透鏡盤的至少兩個光束的發(fā)散角。
14.如權利要求1到13中的任意一項所述的彩色照明系統(tǒng)，進一步包括蠅眼透鏡陣列，設置在光路上以接收來自所述螺旋型透鏡盤的至少兩個光束，并且將從來自所述螺旋型透鏡的至少兩個滾動光束在分開的區(qū)域中形成不同顏色的光帶。
15.如權利要求14所述的彩色照明系統(tǒng)，所述蠅眼透鏡陣列包括多個第一蠅眼透鏡，分別設置在來自所述光束分離器的至少兩個光束的光路中，并在入射面和/或出射面上具有兩維突出陣列；和多個第二蠅眼透鏡，與所述多個第一蠅眼透鏡鄰接設置，并在入射面和/或出射面上具有兩維突出陣列。
16.如權利要求14或15所述的彩色照明系統(tǒng)，進一步包括第四中繼透鏡，設置在來自所述蠅眼透鏡陣列的光束的光路中，用于將來自所述蠅眼透鏡的不同顏色的光帶聚焦到預定的位置。
17.一種投影型圖像顯示裝置，包括光源，用于產生和發(fā)射白光；螺旋型透鏡盤，用于通過旋轉運動周期性地滾動光，所述螺旋型透鏡盤具有螺旋圓柱體透鏡陣列，所述螺旋圓柱體透鏡陣列在至少一個表面上包括多個圓柱體透鏡；光學單元，用于從所述光源發(fā)射的白光中分離不同波長的光束并導引所述光束進入所述螺旋型透鏡盤的至少兩個有效區(qū)域；成像單元，使用來自所述螺旋型透鏡盤的光形成圖像；和投影透鏡單元，用于放大并投射由所述成像單元所形成的圖像到屏幕上。
18.如權利要求17所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述光學單元包括濾色鏡，用于從接收自所述光源的白光中分離不同波長的光束并使所述光束沿預定方向傳播；和光束分離器，用于分離來自所述濾色鏡的光束以進入所述螺旋型透鏡盤的至少兩個有效區(qū)域。
19.如權利要求18所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述濾色鏡包括第一分色棱鏡，具有以一個角度傾斜于入射光的光軸的第一鏡面，用于反射在入射白光中的第一彩色光束，而透射其他彩色光；第二分色棱鏡，與所述第一分色棱鏡鄰接設置并具有以一個角度傾斜于入射光光軸的第二鏡面，用于反射從所述第一分色棱鏡透射的光中的第二彩色光束，而透射其他彩色光；和第三分色棱鏡，與所述第二分色棱鏡鄰接設置并具有以一個角度傾斜于入射光光軸的第三鏡面，用于反射從所述第二分色棱鏡透射的光中的第三彩色光束，其中位于所述濾色鏡內的所述第一分色棱鏡、第二分色棱鏡和第三分色棱鏡的第一鏡面、第二鏡面和第三鏡面允許以滿足內部全反射條件的角度入射的光被全反射，從而最小化所述第一彩色光束、所述第二彩色光束和所述第三彩色光束的損耗。
20.如權利要求19所述的投影型圖像顯示裝置，進一步包括第一偏振光束分離器，在所述第一分色棱鏡的入射面上形成，用于向所述第一分色棱鏡透射入射的非偏振白光中的第一偏振成分并反射第二偏振光；第二偏振光束分離器，用于向所述第一分色棱鏡反射被所述第一偏振光束分離器反射的第二偏振光；和半波片，設置在所述第一分色棱鏡與所述第一偏振光束分離器和第二偏振光束分離器中的一個之間以改變所述第一偏振光或第二偏振光之一的相位，以使相位彼此相同。
21.如權利要求19或20所述的投影型圖像顯示裝置，進一步包括第一準直透鏡，設置在所述光源和所述濾色鏡之間的光路上，用于轉換并透射入射的非偏振白光。
22.如權利要求19到21中的任一項所述的投影型圖像顯示裝置，進一步包括第一中繼透鏡、第二中繼透鏡和第三中繼透鏡，分別與第一分色棱鏡、第二分色棱鏡和第三分色棱鏡的出射面相對設置，分別以預定的角度將第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束發(fā)散。
23.如權利要求22所述的投影型圖像顯示裝置，進一步包括第二準直透鏡，設置在所述濾色鏡和所述光束分離器之間的光路上，用于會聚來自所述濾色鏡的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束。
24.如權利要求22所述的投影型圖像顯示裝置，進一步包括多個圓柱體透鏡，設置在所述光束分離器和所述螺旋型透鏡盤之間的光路中，并且在光路中以接收來自所述螺旋型透鏡盤的光以及將從所述光束分離器以不同角度接收到的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束定形。
25.如權利要求18-24中的任一項所述的投影型圖像顯示裝置，進一步包括第二準直透鏡，設置在所述濾色鏡和所述光束分離器之間的光路上，用于會聚來自所述濾色鏡的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束。
26.如權利要求18-25中的任一項所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述光束分離器包括入射面，具有“＞”形橫截面，用于將入射的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束向遠離光軸的方向折射，以便至少兩個所分離的光束朝所述螺旋型透鏡盤傳播；和出射面，平行于所述入射面，用于將至少兩個所分離的光束向靠近光軸的方向折射并與入射到所述入射面的第一光束、第二光束和第三光束平行。
27.如權利要求18-26中的任一項所述的投影型圖像顯示裝置，進一步包括多個圓柱體透鏡，設置在所述光束分離器和所述螺旋型透鏡盤之間的光路中，并且在光路中以接收來自所述螺旋型透鏡盤的光以及將來自所述光束分離器的光束定形。
28.如權利要求17-27中的任一項所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述螺旋型透鏡盤包括第一螺旋型透鏡盤，用于滾動入射光；和第二螺旋型透鏡盤，與所述第一螺旋型透鏡盤分隔預定距離，用于校正來自所述第一螺旋型透鏡盤的至少兩個光束的發(fā)散角。
29.如權利要求28所述的投影型圖像顯示裝置，進一步包括玻璃棒，設置在所述第一螺旋型透鏡盤和所述第二螺旋型透鏡盤之間的光路中，用于控制來自所述第一螺旋型透鏡盤的至少兩個光束的發(fā)散角。
30.如權利要求17-29中的任一項所述的投影型圖像顯示裝置，進一步包括蠅眼透鏡陣列，設置在光路上以接收來自所述螺旋型透鏡盤的至少兩個光束，并且從來自所述螺旋型透鏡的至少兩個滾動光束在分開的區(qū)域中形成不同顏色的光帶。
31.如權利要求30所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述蠅眼透鏡陣列包括多個第一蠅眼透鏡，分別設置在來自所述光束分離器的至少兩個光束的光路中，并在入射面和/或出射面上具有兩維突出陣列；和多個第二蠅眼透鏡，與所述多個第一蠅眼透鏡鄰接設置，并在入射面和/或出射面上具有兩維突出陣列。
32.如權利要求17-31中的任一項所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述光學單元進一步包括集成光學元件，用于改變來自所述螺旋型透鏡盤的第一有效區(qū)域和第二有效區(qū)域之一的光的滾動方向以便來自所述第一有效區(qū)域和所述第二有效區(qū)域的光束沿相同方向滾動并組合來自所述第一有效區(qū)域和所述第二有效區(qū)域的光束。
33.如權利要求32所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述集成光學元件包括滾動方向改變棱鏡，設置在來自所述螺旋型透鏡盤的第一有效區(qū)域和第二有效區(qū)域之一的光束的光路上，用于改變來自所述第一有效區(qū)域和第二有效區(qū)域之一的光束滾動的方向以便來自所述第一有效區(qū)域和所述第二有效區(qū)域的光束沿相同方向滾動；和光束移位器，設置在來自所述螺旋型透鏡盤的第一有效區(qū)域和第二有效區(qū)域之一的光束的光路上，用于將來自所述第一有效區(qū)域和所述第二有效區(qū)域之一的光束移向來自另一有效區(qū)域的光束以組合來自所述第一有效區(qū)域和所述第二有效區(qū)域的光束。
34.如權利要求33所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述滾動方向改變棱鏡是補償棱鏡，所述補償棱鏡通過翻轉來自所述螺旋型透鏡盤的第一有效區(qū)域和第二有效區(qū)域之一的光來改變滾動方向。
35.如權利要求33所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述光束移位器通過基于折射率差折射并透射入射光來將入射光束移動，并且包括與入射光束的光軸成一個角度的入射面和與所述入射面分隔預定距離且平行設置的出射面。
36.如權利要求33所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述光束移位器通過全反射入射光束來將入射光束移動，并且包括與入射光束的光軸傾斜成一角度的第一反射平面和第二反射平面。
37.如權利要求32所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述集成光學元件包括偏振片，設置在所述螺旋型透鏡盤的第一有效區(qū)域和第二有效區(qū)域之一的前面的光路中，用于改變入射光的偏振態(tài)以便通過所述第一有效區(qū)域和第二有效區(qū)域透射的光束具有不同的偏振成分；滾動方向改變棱鏡，設置在來自所述螺旋型透鏡盤的第一有效區(qū)域和第二有效區(qū)域之一的光束的光路上，用于改變來自所述第一有效區(qū)域和所述第二有效區(qū)域之一的光束滾動的方向，以便來自所述第一有效區(qū)域和所述第二有效區(qū)域的光束沿相同方向滾動；和第三偏振光束分離器，形成在所述滾動方向改變棱鏡的一個表面上，用于根據入射光的偏振態(tài)選擇性地透射或反射入射光，以使得從所述第一有效區(qū)域和所述第二有效區(qū)域透射的光束沿著相同的光路向所述成像單元傳播。
38.如權利要求37所述的投影型圖像顯示裝置，進一步包括多個第四中繼透鏡，分別設置在來自所述螺旋型透鏡盤的第一有效區(qū)域和第二有效區(qū)域的光束的光路上，用于導引來自所述螺旋型透鏡盤的所滾動的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束以沿著相同光路進入成像單元。
39.如權利要求17-38中的任一項所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述成像單元包括反射型液晶顯示器，通過調制來自所述螺旋型透鏡盤的滾動光束來形成圖像；和光束分離器，設置在所述反射型液晶顯示器之前，用于改變入射光的光路以便來自所述光學單元的光朝向所述反射型液晶顯示器傳播并且使得來自所述反射型液晶顯示器的光朝向投影透鏡單元傳播。
40.如權利要求17-38中的任一項所述的投影型圖像顯示裝置，其中所述成像單元是通過調制來自所述螺旋型透鏡盤的滾動光來產生圖像并且以預定的方向反射所產生圖像的微反射鏡器件。
全文摘要
提供一種高效率的、緊湊的彩色照明系統(tǒng)和應用該彩色照明系統(tǒng)的投影型圖像顯示裝置。所述彩色照明系統(tǒng)包括光源、通過旋轉運動周期性地滾動光的螺旋型透鏡盤、和從光源發(fā)射的白光中分離不同波長的光束并導引分離的光束進入螺旋型透鏡盤的至少兩個有效區(qū)域的光學單元。投影型圖像顯示裝置包括彩色照明系統(tǒng)、應用來自螺旋型透鏡盤的滾動光產生圖像的成像單元和將由成像單元所形成的像放大并投影到屏幕上的投影透鏡單元。
文檔編號G03B21/14GK1538202SQ200410045120
公開日2004年10月20日 申請日期2004年1月27日 優(yōu)先權日2003年1月27日
發(fā)明者金大式, 趙虔皓, 金成河, 李羲重 申請人:三星電子株式會社