專利名稱：照明透鏡系統(tǒng)和包括它的投影系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種照明透鏡系統(tǒng)和包括它的投影系統(tǒng)，更具體地說，本發(fā)明涉及一種減小色差和降低生產成本的照明透鏡系統(tǒng)，以及包括該照明透鏡系統(tǒng)的投影系統(tǒng)。
本申請要求韓國專利申請No.10-2004-0052337的優(yōu)先權，該韓國專利申請于2004年7月16日向韓國知識產權局提交申請。該文獻在此全文結合引用。
背景技術：
根據(jù)用于開和關像素以控制從光源發(fā)射的光的顯示器的數(shù)量，投影系統(tǒng)通常分為三板投影系統(tǒng)和單板投影系統(tǒng)。光源是產生彩色圖像的高能燈。與三板投影系統(tǒng)相比，在單板投影系統(tǒng)中，光學系統(tǒng)的結構可以被制作得更小，但利用一種順序法白光被分解為紅(R)、綠(G)和藍(B)顏色。這樣，單板投影系統(tǒng)的光效率是三板投影系統(tǒng)的光效率的1/3。因此，已致力于增加單板投影系統(tǒng)的光效率。
在常規(guī)的單板投影系統(tǒng)中，利用濾色器，從白色光源輻射的光束被分解為RGB顏色光束，并且該RGB光束被相繼傳送到顯示器。該顯示器相繼操作并形成圖像。
如圖1A所示，常規(guī)的單板投影系統(tǒng)包括光源100；色輪115，其將從光源100發(fā)射來的光束分解為RGB顏色光束；積分器(integrator)117，其使已穿過積分器117的RGB光束成形；全反射棱鏡125，其使已穿過色輪115的RGB光束全反射；和顯示器122，其接收由全反射棱鏡125反射的RGB光束，根據(jù)輸出的圖像信號處理RGB光束，并形成彩色圖像。該系統(tǒng)還包括投影透鏡單元130，其將由顯示器122形成的彩色圖像放大和投影到屏幕上。
使穿過積分器117的RGB光束聚光的照明透鏡系統(tǒng)120被沿光路設置在積分器117和全反射棱鏡125之間。
全反射棱鏡125包括入射棱鏡125a，其使從光源100發(fā)射的光束全反射到顯示器122上；和發(fā)射棱鏡125b，其使由顯示器122反射的光束透射到投影透鏡單元130。
如圖1B所示，照明透鏡系統(tǒng)120由第一到第四透鏡120a、120b、120c和120d組成。第一到第四透鏡120a、120b、120c和120d的示例性設計數(shù)據(jù)見表1。在此，R表示曲率半徑，Dn表示透鏡的厚度或透鏡之間的距離，N表示折射率，而v表示阿貝數(shù)。
面S6是非球面的，其定義如下。
當X軸被設定為圖1B中的光軸，Y軸被設定光軸的垂直方向時，光束的向前方向是正的，并且可以被如下述表示。在此，x表示透鏡的頂點到光軸的距離，y表示從光軸朝向垂直方向的一距離，K表示錐體常量，A、B、C和D表示非球面的系數(shù)，而c表示透鏡的頂點的折射半徑的倒數(shù)(1/R)。
x=cy21+1-(K+1)c2y2+Ay4+By6+Cy8+Dy10---(1)]]>非球面S8的系數(shù)是K＝0.0，A＝0.112753E-04，B＝-0.665984E-8，C＝0.112495E-9，和D＝-0.262361E-12。在表1中，S9，S10，S11，S12，S13，和S14表示全反射棱鏡125和顯示器122的各個面。
參見圖2，圖1B的照明透鏡系統(tǒng)的色差的計算基于5個區(qū)域a、b、c、d和e，當光束從積分器117被發(fā)射時。每個區(qū)域的坐標見表2。
參見圖2的色差圖，常規(guī)的照明透鏡系統(tǒng)即使采用昂貴的非球面透鏡，仍然發(fā)生色差。色差導致照明幅度(illumination margin)的下降，當從積分器11發(fā)射的光束輻射到顯示器122上時。即，從積分器117輸出的并具有與顯示器122的形狀相應的形狀的光束應該一律地輻射到顯示器122上。然而，大量的色差減少了有效地輻射到顯示器122上的光束，由此降低了圖像質量。
由于采用非球面，常規(guī)的照明透鏡系統(tǒng)還花費許多資金。
發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例提供可減少色差和成本的照明透鏡系統(tǒng)，以及包括該照明透鏡系統(tǒng)的投影系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種投影系統(tǒng)，其包括光源；濾色器，其將從光源發(fā)射來的光束分解為彩色光束；照明透鏡系統(tǒng)，其包括使彩色光束聚光的第一到第三透鏡組，第二透鏡組包括由具有高色散負折射本領的第一透鏡和具有低色散正折射本領的第二透鏡組成的雙透鏡；顯示器，根據(jù)輸出的圖像信號處理從照明透鏡系統(tǒng)發(fā)射來的光束，并形成彩色圖像；和投影透鏡單元，其將由顯示器形成的彩色圖像放大并投影到屏幕上。
該投影系統(tǒng)還包括在照明透鏡系統(tǒng)和顯示器之間的全反射棱鏡，其使從照明透鏡系統(tǒng)發(fā)射的光束向顯示器聚光，并將由顯示器反射的光束引導到投影透鏡單元。
該投影系統(tǒng)還包括在照明透鏡系統(tǒng)和顯示器之間的凹面鏡，其使從照明透鏡系統(tǒng)發(fā)射的光束聚光到顯示器上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種照明透鏡系統(tǒng)，其被用于投影系統(tǒng)，將從光源發(fā)射的光束聚光到形成圖像的顯示器上，其包括第一到第三透鏡組，第二透鏡組包括由具有高色散負折射本領的第一透鏡和具有低色散正折射本領的第二透鏡組成的雙透鏡。
設f1是第一透鏡組的有效焦距，f3是第三透鏡組的有效焦距，d是第一透鏡組的主平面和第三透鏡組的主平面之間的距離，那么照明透鏡系統(tǒng)可以滿足下面的條件0.8≤df1+f3≤1.2]]>投影系統(tǒng)還可以包括光束成形器，其使從光源發(fā)射的光束成形，從而該光束具有與顯示器的形狀相對應的橫截面形狀，在此，m是從顯示器發(fā)射的光束的尺寸，f1是第一透鏡組的有效焦距，f3是第三透鏡組的有效焦距，照明透鏡系統(tǒng)可以滿足下面的條件0.8m≤f3f1≤1.2m]]>在一個優(yōu)選實施例中，照明透鏡系統(tǒng)可以只包括球面透鏡。
以下參考附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本發(fā)明的上述方面和特征將會更加清楚，其中圖1A是常規(guī)投影系統(tǒng)的示意圖；圖1B是包括在圖1所示投影系統(tǒng)中的照明透鏡系統(tǒng)的示意圖；圖2是說明用于計算圖1B所示照明透鏡系統(tǒng)的色差的區(qū)域的圖；圖3示出圖1B所示照明透鏡系統(tǒng)的色差；圖4A是根據(jù)本發(fā)明實施例的投影系統(tǒng)的示意圖；圖4B示出根據(jù)本發(fā)明實施例的投影系統(tǒng)的一個修改示例；圖5是根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的照明透鏡系統(tǒng)的示意圖；圖6示出圖5所示照明透鏡系統(tǒng)的色差；圖7是根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的照明透鏡系統(tǒng)的示意圖；
圖8是示出圖1B所示照明透鏡系統(tǒng)的色差；圖9是根據(jù)本發(fā)明第三示例性實施例的照明透鏡系統(tǒng)的示意圖；圖10示出圖9所示照明透鏡系統(tǒng)的色差；圖11是根據(jù)本發(fā)明第四示例性實施例的照明透鏡系統(tǒng)的示意圖；圖12示出圖11所示照明透鏡系統(tǒng)的色差；具體實施方式
參見圖4A，該投影系統(tǒng)包括光源5；濾色器8，其將從光源發(fā)射來的光束分解為彩色光束；和顯示器30，其根據(jù)輸出的圖像信號處理從照明透鏡系統(tǒng)發(fā)射來的光束，并形成彩色圖像。投影透鏡單元35將由顯示器形成的彩色圖像放大并投影到屏幕(未示出)上。
濾色器8例如可以是色輪。紫外線濾光器7被設置在光源5和濾色器8之間的光路上，使從光源5發(fā)射的光束成形的光束成形器10被設置在濾色器8和顯示器30之間的光路上。光束成形器10可以是積分器、光隧道(lighttunnel)或玻璃棒。光束成形器10使光束成形，從而光束具有與顯示器30相對應的橫截面形狀和均勻的強度。
全反射棱鏡33引導由光束成形器10發(fā)射的光束到顯示器30，并引導由顯示器30反射的光束到投影透鏡單元35。
參見圖5，包括第一到第三透鏡組I、II和III的照明透鏡系統(tǒng)20A使在光束成形器10和全反射棱鏡33之間的光路上的光束聚光。第二透鏡組II包括由具有高色散負折射本領的第一透鏡23和具有低色散正折射本領的第二透鏡24組成的雙透鏡。
全反射棱鏡33為在顯示器30上入射的光束和由顯示器30反射的光束產生不同的光路。全反射棱鏡33可以具有彼此相對的第一和第二棱鏡33a和33b。第一棱鏡33a是入射棱鏡，直接全反射入射光束到顯示器30上，而第二棱鏡33b是發(fā)射棱鏡，透射由顯示器30反射的光束直接到投影透鏡單元35。
作為選擇，如圖4B所示，全反射棱鏡33可以包括使從照明透鏡系統(tǒng)20A發(fā)射的光束反射和聚光的凹面鏡40，從而顯示器43沿與照明透鏡系統(tǒng)20A的光軸平行的光軸發(fā)射光。投影透鏡單元45使由顯示器43形成的彩色圖像放大并投影到屏幕S上。
顯示器30和43可以是反射型的液晶顯示器(LCD)或變形微晶器(DMD)。
雖然未在圖中示出，但至少一個改變彩色光束的路徑的光路變換器被設置在濾色器8和顯示器30或43之間。
參見圖5，根據(jù)本發(fā)明示例性實施例照明透鏡系統(tǒng)20A包括從物鏡側到圖像側設置的第一到第三透鏡組I、II和III。第二透鏡組包括由具有高色散負折射本領的第一透鏡23和具有低色散正折射本領的第二透鏡24組成的雙透鏡。
設f1是第一透鏡組I的有效焦距，f3是第三透鏡組III的有效焦距，d是第一透鏡組I的主平面和第三透鏡組III的主平面之間的距離，那么照明透鏡系統(tǒng)20A可以滿足下面的條件0.8≤df1+f3≤1.2---(2)]]>當照明透鏡系統(tǒng)20A具有比最大值更大的值時，在顯示器30上入射的光束具有大量的發(fā)散(diversion)，以致于照明透鏡系統(tǒng)20A脫離遠心系統(tǒng)。當照明透鏡系統(tǒng)20A具有比最小值更小的值時，在顯示器30上入射的光束具有大量的聚光，以致于照明透鏡系統(tǒng)20A不能被使用。
設在照明透鏡系統(tǒng)20A上入射的光束的尺寸與從顯示器30發(fā)射的光束的尺寸的比是m，那么照明透鏡系統(tǒng)20A可以滿足下面的條件0.8m≤f3f1≤1.2m---(3)]]>如果照明透鏡系統(tǒng)20A具有比最大值更大的值，在顯示器30上入射的光束就會具有大量的發(fā)散(radiation)，以致于照明透鏡系統(tǒng)20A不能被使用。如果照明透鏡系統(tǒng)20A具有比最小值更小的值，在顯示器30上入射的光束就會具有非常大量的聚光。
根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的照明透鏡系統(tǒng)20A的設計數(shù)據(jù)如下。
在此，R表示透鏡的曲率半徑，Dn(n是自然數(shù))表示透鏡的厚度或透鏡之間的距離，N表示折射率，而v表示阿貝數(shù)。
在表3中，S8，S9，S10，S11，和S12表示全反射透鏡33和顯示器30的各個表面。圖6示出圖5所示照明透鏡系統(tǒng)20A的色差。當透鏡在顯示器30、43上成像時，得到色差。
根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的照明透鏡系統(tǒng)20B在圖7中示出。圖7所示照明透鏡系統(tǒng)20B的設計數(shù)據(jù)如下。
圖8示出圖7所示照明透鏡系統(tǒng)20B的色差。雖然照明透鏡系統(tǒng)20B沒有使用非球面，但色差得到改善。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明第三示例性實施例的照明透鏡系統(tǒng)20C。圖9所示照明透鏡系統(tǒng)20C的示例性設計數(shù)據(jù)如下。
圖10示出圖9所示照明透鏡系統(tǒng)20C的色差。
圖11是根據(jù)本發(fā)明第四示例性實施例的照明透鏡系統(tǒng)20D的示意圖。表6示出圖11所示照明透鏡系統(tǒng)20D的示例性設計數(shù)據(jù)。在本發(fā)明第四實施例中，第一透鏡組I包括第一透鏡21和第二透鏡22，第二透鏡組II包括第三透鏡23和第四透鏡24，第三透鏡組III包括第五透鏡25。
圖10示出根據(jù)本發(fā)明第四實施例的照明透鏡系統(tǒng)20D的色差。
從圖12可以看出，在圖11所示照明透鏡系統(tǒng)20D中色差大為改善。沒有使用非球面透鏡而改善了色差，因此降低了成本，增加了照射在顯示器上的照明幅度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的照明透鏡系統(tǒng)可以不使用非球面透鏡而改善色差，從而降低了生產成本。
在包括已改善色差的照明透鏡系統(tǒng)的投影系統(tǒng)中，在顯示器上的入射光束的照明幅度得到增加，因此改善了照明投影系統(tǒng)的性能，提高了圖像質量。
盡管已參考本發(fā)明示例性實施例具體示出和描述了本發(fā)明，但本領域技術人員應該理解，在沒有脫離由所附權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明做出各種形式上和細節(jié)上的改變。
權利要求
1.一種投影系統(tǒng)，其包括一光源；一濾色器，其將從所述光源發(fā)射來的光束分解為彩色光束；一照明透鏡系統(tǒng)，其包括使所述彩色光束聚光的一第一透鏡組、一第二透鏡組和一第三透鏡組，所述第二透鏡組包括由具有高色散負折射本領的一第一透鏡和具有低色散正折射本領的一第二透鏡組成的一個雙透鏡；一顯示器，根據(jù)一輸出的圖像信號處理從所述照明透鏡系統(tǒng)發(fā)射來的一光束，并形成一彩色圖像；和一投影透鏡單元，其將由所述顯示器形成的彩色圖像放大并投影到一屏幕上。
2.如權利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中，f1是所述第一透鏡組的一有效焦距，f3是所述第三透鏡組的一有效焦距，d是所述第一透鏡組的一主平面和所述第三透鏡組的一主平面之間的距離，那么所述照明透鏡系統(tǒng)滿足下面的條件0.8≤df1+f3≤1.2]]>
3.如權利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中，包括設置在所述濾色器和所述顯示器之間的一光路上的一光束成形器。
4.如權利要求3所述的投影系統(tǒng)，其中，m是在所述光束成形器中發(fā)射的一光束的尺寸與從所述顯示器發(fā)射的一光束的尺寸的比，f1是所述第一透鏡組的一有效焦距，f3是所述第三透鏡組的一有效焦距，那么所述照明透鏡系統(tǒng)滿足下面的條件0.8m≤f3f1≤1.2m]]>
5.如權利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中，進一步包括在所述照明透鏡系統(tǒng)和所述顯示器之間的一全反射棱鏡，其使從所述照明透鏡系統(tǒng)發(fā)射的光束向所述顯示器聚光，并將由所述顯示器反射的光束引導向所述投影透鏡單元。
6.如權利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中，進一步包括在所述照明透鏡系統(tǒng)和所述顯示器之間的一凹面鏡，其使從所述照明透鏡系統(tǒng)發(fā)射的光束聚光到所述顯示器上。
7.如權利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中，所述照明透鏡系統(tǒng)只包括球面透鏡。
8.一種照明透鏡系統(tǒng)，其被用于一投影系統(tǒng)，將從一光源發(fā)射的一光束聚光到形成圖像的一顯示器上，其包括一第一透鏡組、一第二透鏡組和一第三透鏡組，該第二透鏡組包括由具有高色散負折射本領的一第一透鏡和具有低色散正折射本領的一第二透鏡組成的一個雙透鏡。
9.如權利要求8所述的照明透鏡系統(tǒng)，其中，f1是所述第一透鏡組的一有效焦距，f3是所述第三透鏡組的一有效焦距，d是所述第一透鏡組的一主平面和所述第三透鏡組的一主平面之間的距離，那么所述照明透鏡系統(tǒng)滿足下面的條件0.8≤df1+f3≤1.2]]>
10.如權利要求8所述的照明透鏡系統(tǒng)，其中，所述投影系統(tǒng)進一步包括使從所述光源發(fā)射的光束成形的一光束成形器，從而所述光束具有與所述顯示器的形狀相對應的橫截面形狀，m是從所述顯示器發(fā)射的一光束的一尺寸，f1是所述第一透鏡組的一有效焦距，f3是所述第三透鏡組的一有效焦距，所述照明透鏡系統(tǒng)滿足下面的條件0.8m≤f3f1≤1.2m]]>
11.如權利要求8所述的照明透鏡系統(tǒng)，其中，所述照明透鏡系統(tǒng)只包括球面透鏡。
全文摘要
本發(fā)明提供一種照明透鏡系統(tǒng)和包括它的投影系統(tǒng)。用于投影系統(tǒng)的照明透鏡系統(tǒng)使從光源發(fā)射的光束聚光到形成圖像的顯示器上。該照明透鏡系統(tǒng)包括第一到第三透鏡組，第二透鏡組包括由具有高可變負折射本領的第一透鏡和具有低可變正折射本領的第二透鏡組成的雙透鏡。該照明透鏡系統(tǒng)可以不使用非球面透鏡而減小色差，由此降低了生產成本。
文檔編號G02B27/10GK1719305SQ20051008138
公開日2006年1月11日 申請日期2005年6月30日 優(yōu)先權日2004年7月6日
發(fā)明者全基郁 申請人:三星電子株式會社