專利名稱:使幾束光束混合的照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及用于照明目標(biāo)的光學(xué)照明系統(tǒng),尤其涉及在圖像投影或背投裝置中用于照明空間光調(diào)制器(spatial light modulator)的系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及采用這種照明系統(tǒng)的投影儀或背投儀。
背景技術(shù):
在投影領(lǐng)域,需要使用多個(gè)光源照明空間光調(diào)制器。例如,當(dāng)期望使用有限功率水平的燈或當(dāng)期望使用其發(fā)射光譜相互補(bǔ)償?shù)臒魰r(shí)是這種情況。因此,為了傳送單一的照明光束到調(diào)制器上,需要混合由這些光源發(fā)射的光束。
已知諸如在專利US 6 224 217(參見(jiàn)圖1)公開(kāi)的各種系統(tǒng),其中來(lái)自兩個(gè)光源的光束被兩個(gè)反射面(諸如棱鏡的外表面)沿相同的方向反射。但是,在這種系統(tǒng)中難以獲得完全重疊的兩束復(fù)合光束,以獲得具有均勻照明的單一光束。
諸如在專利US 5 504 544(參見(jiàn)圖2)中公開(kāi)的其它系統(tǒng)提供用兩準(zhǔn)直光束照明的棱鏡陣列。來(lái)自每束光束的光經(jīng)過(guò)棱鏡的一個(gè)表面透過(guò)每個(gè)棱鏡,并且由于在該另一表面的內(nèi)部反射(internal reflection)而在棱鏡的另一表面上反射。從而陣列棱鏡的組合沿單方向混合兩光束。該系統(tǒng)要求昂貴元件的棱鏡陣列。此外,作為從棱鏡陣列輸出獲得的光束照明均勻性取決于光源發(fā)射的光束均勻性。
文獻(xiàn)US 6 341 876和US 2001/048562公開(kāi)了一種用于混合和集成光束的光學(xué)元件,其從上游到下游包括在上游,由形成二面體(dihedron)的稱為入射面的第一表面和第二表面限定的至少一個(gè)棱鏡,入射面接收來(lái)自光源的光束之一,光束透過(guò)棱鏡,然后,由于內(nèi)部反射而在第二表面上至少部分地反射;和在下游,包括透明材料柱形棒的光積分器(light integrator),其在稱為入射端的一端接收被至少一個(gè)棱鏡反射的所述光束,棒的長(zhǎng)度是這樣,即,所述光束的光在棒的內(nèi)壁上反射多次,從而在稱為出射端的另一端傳送幾乎均勻的照明光束。
棱鏡可以是與積分器棒分開(kāi)的零件,如文獻(xiàn)US 6 341 876,或者它們可以形成積分器系統(tǒng)的棒的整體零件,如文獻(xiàn)US 2001/048562。
這種用于混合和集成光束的光學(xué)元件的一個(gè)缺點(diǎn)是它需要許多棱鏡,即,每束混合的光束需要一個(gè)棱鏡。當(dāng)混合的光束數(shù)量大于2時(shí),這成為更大的問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供解決上述缺點(diǎn)的照明系統(tǒng)。
因此,本發(fā)明涉及包括至少發(fā)射非共線和非校準(zhǔn)光束的兩個(gè)光源,和由形成二面體的至少第一和第二入射面以及由出射面限定的棱鏡。每束光束經(jīng)過(guò)所述入射面之一透過(guò)棱鏡,并且在所述入射面中的另一個(gè)上由于內(nèi)部反射而朝出射面至少部分地反射。該系統(tǒng)還包括光積分器,該光積分器光學(xué)連接所述出射面且經(jīng)過(guò)一個(gè)入射面接收被棱鏡反射的所述光束。棒的長(zhǎng)度是這樣,即,所述光束的光在積分器的內(nèi)壁上反射多次,從而光積分器經(jīng)過(guò)出射面?zhèn)鬏攷缀蹙鶆虻恼彰鞴馐?。在這種照明系統(tǒng)中,積分器和至少一個(gè)棱鏡是分開(kāi)的零件。
更具體地說(shuō),本發(fā)明的主題是一種照明系統(tǒng),其包括至少發(fā)射非共線和非準(zhǔn)直光束的兩個(gè)光源,用于混合和集成這些光束的光學(xué)元件,其中元件放在這些光束的路徑上,并從所述路徑的上游端到下游端包括在上游,由形成二面體的第一的第二入射面限定的至少一個(gè)棱鏡,每束光束透過(guò)入射面之一,然后,在另一入射面上被內(nèi)部反射至少部分地反射;和在下游,包括透明材料柱形棒的光積分器,其在稱為入射端的一端接收被至少一個(gè)棱鏡反射的光束,棒的長(zhǎng)度是這樣,這些光束在棒的內(nèi)壁反射多次,從而在稱為出射端的另一端傳輸幾乎均勻的照明光束。
在后面的照明系統(tǒng)中,至少一個(gè)棱鏡和積分器棒只可以形成單個(gè)零件。因此,每個(gè)(至少一個(gè))棱鏡混合光源發(fā)射的所有光束。這樣導(dǎo)致比文件US 6 341 876的圖7中所示結(jié)構(gòu)或文件US 2001/048562的圖1中所述結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單和更便宜的結(jié)構(gòu),上述已知技術(shù)的每個(gè)光源需要一個(gè)棱鏡。在待混合的三個(gè)光源的情況下,例如可以用于投影或背投裝置的三種不同原色光源,由于本發(fā)明僅僅使用單個(gè)棱鏡,其是以矩形為底面或以正方形為底面的棱鏡。因此,這種相同的棱鏡甚至可以用于混合四種光源。因此,照明系統(tǒng)優(yōu)選包括至少三個(gè)光源和/或在上游光學(xué)元件只包括單個(gè)棱鏡。
而且,由于使用非準(zhǔn)直光束,有利地,在下游積分器棒的內(nèi)壁上具有許多反射,即使用有限的長(zhǎng)度,在另一端產(chǎn)生更多均勻的照明光束。優(yōu)選地,每束光束的孔徑大于或等于2。
優(yōu)選地,光源的布置與至少一個(gè)棱鏡的幾何形狀和材料被適配成使得由至少一個(gè)棱鏡反射的各束光束的平均方向(average directions)彼此近似平行,并且平行于積分器的棒的柱體的軸,至少平行于在所述棒的入射端的該柱體的軸。這是因?yàn)槔忡R的幾何形狀和棱鏡材料的系數(shù)決定棱鏡出射的光束方向。
優(yōu)選地,至少一個(gè)棱鏡的第一和第二入射面在它們之間形成大約60度的角。而且,優(yōu)選這兩個(gè)面的等分平面(bisector plane)平行于積分器的棒的柱體的軸。
此外,提供每束光束在積分器的入射端充分會(huì)聚。
所述棱鏡為錐形,其出射面是具有偶數(shù)邊的規(guī)則多邊形,其側(cè)面作為入射面。
在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中,提供兩個(gè)直角三角形橫截面的棱鏡。確定每個(gè)棱鏡的直角的第一面與積分器的入射面接合。確定每個(gè)棱鏡的直角的第二面圍繞分束器。
本發(fā)明可應(yīng)用于使用在此描述的照明系統(tǒng)的投影或背投裝置。因而空間光調(diào)制器用透過(guò)積分器出射面的光照明。
空間光調(diào)制器包括液晶單元。
本發(fā)明的各個(gè)方面和特征在下列說(shuō)明和附圖中顯而易見(jiàn),附圖中圖1和2,本領(lǐng)域和上面已經(jīng)描述的已知照明系統(tǒng);圖3a-3c,根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的示例性實(shí)施例;圖4,本發(fā)明系統(tǒng)的可替換實(shí)施例,其中入射棱鏡具有四個(gè)入射面;和圖5,本發(fā)明系統(tǒng)的可替換實(shí)施例,包括被分束器分開(kāi)的兩個(gè)棱鏡。
具體實(shí)施例方式
因此,參照附圖3a描述根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
該系統(tǒng)包括兩個(gè)光源10.1-11.1和10.2-11.2,每個(gè)光源發(fā)出非準(zhǔn)直光束12.1和12.2。每束光束傳輸?shù)嚼忡R20的入射面,以這種方式透入棱鏡,然后,由于內(nèi)部反射而在棱鏡的相對(duì)表面上反射。因此,光束12.1經(jīng)過(guò)表面20.2透過(guò)棱鏡20,并且在相對(duì)表面20.1上反射。同樣,光束12.2經(jīng)過(guò)表面20.1透過(guò)棱鏡,并且在相對(duì)內(nèi)部表面20.2上反射。
所反射的光束13.1和13.2經(jīng)過(guò)棱鏡的表面20.3透射到以具有對(duì)稱軸的光波導(dǎo)或棒形式的光學(xué)積分器30。該積分器的橫截面可以是圓形或多邊形。
在圖3a所示的示例性實(shí)施例中,棒的對(duì)稱軸與棱鏡20的軸對(duì)齊。光束13.1和13.2基本上聚焦在光積分器30的入射面上,或至少在積分器的入射面的光束包跡(envelopes of the beams)是全部光束透過(guò)積分器。從而光束13.1和13.2透過(guò)棒,其中它們?cè)诎舻膬?nèi)壁30.1上經(jīng)歷多次反射。此后,它們經(jīng)過(guò)出射面30.2以單一均勻光束40再度出現(xiàn),用于照明目標(biāo)50,例如,空間光調(diào)制器。
不脫離本發(fā)明的范圍,很顯然,在積分器的出射面30.2和目標(biāo)40之間可能提供用于適應(yīng)光束40的尺寸的光學(xué)元件給要照明的目標(biāo)面積。
在圖3a所示的示例性實(shí)施例中,積分器棒的入射面與棱鏡的底面接合,所述棱鏡的底面用作棱鏡出射面。
在棱鏡頂點(diǎn)的角度和在棱鏡表面20.1和20.2上的光束入射角是這樣,即,被表面20.1和20.2反射的光束13.1和13.2與棱鏡軸和積分器棒的軸形成相當(dāng)小的角度,甚至為零。光源10.1-11.1和10.2-11.2相對(duì)棱鏡的軸XX′對(duì)稱地放置,并以相同的入射角照明表面20.1和20.2。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例,透過(guò)積分器30的光束沿平行于積分器對(duì)稱軸的方向傳播。因此,圖3b的基本示圖表示,如果由光源發(fā)出的光束垂直于棱鏡的入射面,和如果期望透過(guò)積分器的光束13.1和13.2的確平行,那么需要有在入射面20.1和20.2之間形成60度角的棱鏡。因而圖3c表示根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng),其中進(jìn)入積分器的光束沿平行于積分器軸的方向傳播。因而該實(shí)施例是優(yōu)選實(shí)施例。
不脫離本發(fā)明的范圍,可能有這樣的實(shí)施例,其中進(jìn)入棱鏡的光束12.1和12.2的方向不垂直棱鏡的入射面20.1和20.2,給定這些光束的多數(shù)入射光線的入射角小于上面限定的在入射面上反射的角度。還有可能具有這樣的實(shí)施例,其中表面20.1和20.2之間的角度不同于60度。
同樣,圖3c表示聚焦在積分器棒的入射面上的光束,盡管這不是強(qiáng)制性的。在通過(guò)棱鏡后,對(duì)于每束光束包跡的全部要求是包括在積分器棒內(nèi)。
在圖3a-3c中的棱鏡20具有兩個(gè)入射面20.1和20.2,讓兩束光束混合成單一照明光束。在圖4所示的本發(fā)明可替換實(shí)施例中,棱鏡20可以是其底面為具有偶數(shù)邊的規(guī)則多邊形的棱錐形式的棱鏡。這種入射棱鏡讓多于兩束入射光束混合。根據(jù)圖4所示的實(shí)例,底面可以是正方形。在這種情況下,棱鏡具有四個(gè)入射面20.10-20.13。這種結(jié)構(gòu)使它可能將來(lái)自四個(gè)光源S0-S3的光射入棱鏡,從而射入積分器。來(lái)自光源S0的光經(jīng)過(guò)表面20.10透過(guò)棱鏡,并且在相對(duì)軸XX′與表面20.10對(duì)稱的表面20.12上反射(在圖中看不見(jiàn))。來(lái)自光源S1的光經(jīng)過(guò)表面20.11透過(guò)棱鏡,并且在表面20.13上反射,等等。
圖5表示本發(fā)明的可替換實(shí)施例,其中棱鏡20被沿積分器30的軸XX′設(shè)置的分束板(或?qū)?22分成兩個(gè)直角棱鏡21.1和21.2。兩個(gè)棱鏡21.1和21.2經(jīng)過(guò)它們的形成棱鏡直角的表面之一與積分器的入射面接合,而它們經(jīng)過(guò)形成該直角的其它表面與位于這兩個(gè)表面之間的分束器22接合。棱鏡的斜面形成棱鏡的入射面20.1和20.2。
由光源10.1-11.1發(fā)射的光束12.1經(jīng)過(guò)表面20.2透過(guò)棱鏡21.1。該光束的第一部分透過(guò)分束器到棱鏡21.2的表面20.1,其以透過(guò)積分器30的光束13.1的形式反射所接收的光,如上所述。光束12.1的第二部分被分束器22反射到棱鏡21.1的表面20.2,其以透過(guò)積分器30的光束15.1的形式反射所接收的光。因而后者以兩束光束13.1和15.1的形式接收由光源10.1-11.1發(fā)射的光。這樣產(chǎn)生由積分器輸出的光束40的更好的均勻性。
在圖5中,僅僅示出由光源10.1-11.1發(fā)射的光束12.1的路徑。由光源10.2-11.2發(fā)射的光束路徑與上述路徑對(duì)稱。但是,應(yīng)該指出,由光源10.2-11.2發(fā)射的光束12.2被分束器22分成兩部分。如果兩個(gè)光源相對(duì)包含分束器22的平面對(duì)稱布置,和如果兩個(gè)棱鏡平行于該平面,那么被分束器透射的光束的部分疊加在被分束器反射的光束12.1的部分(在圖5中用虛線表示)上,并混合成光束15.1。被分束器反射的光束12.2的部分疊加在被分束器透射的光束12.1的部分,并且與后面的部分混合成光束13.1。
因此,來(lái)自兩個(gè)光源的光通過(guò)棱鏡21.1和21.2分布在積分器30的入射面的上部和下部。
因而這種布置提高出射光束40的均勻性。當(dāng)光源燈具有不同光譜特性時(shí),這樣更有利。而且,當(dāng)燈之一不發(fā)出光束時(shí),系統(tǒng)能夠保持其照明均勻性。
本發(fā)明還應(yīng)用于棱鏡與積分器系統(tǒng)的棒形成單個(gè)零件的情況。本發(fā)明尤其應(yīng)用于照明系統(tǒng)包括多于兩個(gè)光源的情況,并且有利地減少混合光束所需的棱鏡數(shù)量。
因此,本發(fā)明可應(yīng)用于圖5中示意性表示的投影儀(或背投影儀)。在這種情況下,目標(biāo)50是空間光調(diào)制器,例如,液晶單元。那么,該系統(tǒng)必須包括以本身公知的方式布置的投影光學(xué)元件,用于把從被積分器透射到空間光調(diào)制器50的光被調(diào)制而獲得的圖像投影到屏幕上。
權(quán)利要求
1.一種照明系統(tǒng),包括發(fā)射非共線和非準(zhǔn)直光束的至少兩個(gè)光源(10.1-11.1和10.2-11.2);用于混合和集成所述光束的光學(xué)元件,其放在所述光束的路徑上,從所述路徑的上游端到下游端包括在上游,由形成二面體的至少第一和第二入射面(20.1、20.2)限定的至少一個(gè)棱鏡(20),至少所述入射面(20.1,20.2)之一接收所述光束之一,所述光束之一透過(guò)所述棱鏡,然后在所述入射面中的另一個(gè)上由于內(nèi)部反射而至少部分地被反射;和在下游,包括由透明材料制成的柱形棒的光積分器(30),其在稱為入射端的一端接收被至少一個(gè)棱鏡(20)反射的所述光束,所述棒的長(zhǎng)度是這樣,即,所述光束的光在所述棒的內(nèi)壁(30.1)上反射多次,從而在稱為出射端的另一端發(fā)出幾乎均勻的照明光束(40),其特征在于,來(lái)自所有光源的每束光束透過(guò)每個(gè)棱鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng),其特征在于,所述光源的布置與至少一個(gè)棱鏡的幾何形狀和材料被適配成使得由至少一個(gè)棱鏡(20)反射的各束光束的平均方向大約彼此平行,并且平行于所述積分器(30)的棒的柱體的軸。
3.如權(quán)利要求1和2任一項(xiàng)所述的照明系統(tǒng),其特征在于,它包括至少三個(gè)光源。
4.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的照明系統(tǒng),其特征在于,所述光學(xué)元件在上游僅包括單個(gè)棱鏡。
5.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的照明系統(tǒng),其特征在于,在所述至少一個(gè)棱鏡的第一和第二入射面(20.1、20.2)之間形成大約60度的角,并且這兩個(gè)表面的等分平面平行于所述積分器(30)的棒的柱體的軸。
6.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的照明系統(tǒng),其特征在于,每束光束(12.1,12.2)基本上會(huì)聚在所述積分器的入射端。
7.一種照明系統(tǒng),包括發(fā)射非共線和非準(zhǔn)直光束的至少兩個(gè)光源(10.1-11.1和10.2-11.2);放在所述光束的路徑上的光學(xué)元件,從所述路徑的上游端到下游端包括在上游,由形成二面體的至少第一和第二入射面(20.1、20.2)和由出射面(20.3)限定的至少一個(gè)棱鏡(20),每束光束經(jīng)過(guò)所述入射面(20.1、20.2)之一透過(guò)棱鏡,并且在所述入射面中的另一個(gè)上由于內(nèi)部反射而至少部分地被反射;和在下游,包括透明柱形棒的光積分器(30),其在稱為入射端的一端接收被至少一個(gè)棱鏡(20)反射的所述光束,所述棒的長(zhǎng)度是這樣,即,所述光束的光在所述棒的內(nèi)壁上反射多次,從而在稱為出射端的另一端發(fā)出幾乎均勻的照明光束(40),其特征在于,所述光學(xué)元件在上游包括具有直角三角形橫截面的兩個(gè)棱鏡(21.1、21.2),確定每個(gè)棱鏡的直角且與所述積分器(30)的入射端接合的第一表面,和確定每個(gè)棱鏡的直角且圍繞分束器(22)的第二表面。
8.一種應(yīng)用前述權(quán)利要求之一所述的照明系統(tǒng)的投影或背投裝置,其特征在于,它包括用透過(guò)所述積分器的出射端(20.3)的光照明的空間光調(diào)制器。
9.如權(quán)利要求8所述的投影或背投裝置,其特征在于,所述空間光調(diào)制器包括液晶單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及混合兩束光束(12.1、12.2)的照明系統(tǒng)。由形成二面體的兩個(gè)入射面(20.1、20.2)限定的棱鏡(20)。積分器(30)與棱鏡的出射面(20.3)連接。每束光束經(jīng)過(guò)入射面之一透過(guò)棱鏡。所述光束在另一入射面上由于內(nèi)部反射而朝出射面(20.3)反射。所述光束基本上聚焦到積分器的入射面,從而得到幾乎均勻的出射光束(40)。本發(fā)明可用于投影和高層投影裝置。
文檔編號(hào)G02B27/00GK1816766SQ200480018823
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2004年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月3日
發(fā)明者讓-雅克·薩克雷, 帕斯卡爾·貝努特 申請(qǐng)人:湯姆森特許公司