專利名稱：具有掃描設(shè)備的投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于顯示圖像信息的投影系統(tǒng)，其包括用于產(chǎn)生偏振光束的照明系統(tǒng)，用于掃描偏振光束從而在屏幕上形成圖像的掃描設(shè)備，以及與掃描設(shè)備合作用于將偏振光束的掃描角放大的掃描角放大器。
這種投影系統(tǒng)能夠以緊湊的方式制造，因此可用于小型便攜電子設(shè)備中，如移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)及電子游戲設(shè)備。
這種投影系統(tǒng)可從US5751464中獲知。已知的投影系統(tǒng)能用于顯示各種各樣的信息，如數(shù)據(jù)、視頻及靜止圖像。已知的裝置包括半導(dǎo)體激光器、沿副掃描方向具有光焦度的柱面透鏡、用作第一成像系統(tǒng)的反射鏡、可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的用作光學(xué)偏轉(zhuǎn)器的多面鏡，以及用作第二成像系統(tǒng)的第一和第二曲面反射鏡。在操作中，柱面透鏡沿副掃描方向會聚激光束并將該激光束聚焦在多面鏡的反射表面上作為線圖像。由于反射鏡繞旋轉(zhuǎn)軸的中心旋轉(zhuǎn)，因此多面鏡與第一和第二曲面反射鏡相結(jié)合進(jìn)行掃描且將圖像聚焦在屏幕的表面上。
已知投影系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于固定反射鏡需要復(fù)雜的彎曲形狀和相對大的面積來進(jìn)行操作。
本發(fā)明的目的是提供一種能夠以相對容易的方式組裝并具有允許用在小型移動設(shè)備中的緊湊尺寸的投影系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明提供一種如權(quán)利要求1中限定的投影系統(tǒng)。
本發(fā)明基于，尤其是基于以下認(rèn)識，在該裝置中，可以通過利用反射光束的反射、偏振變換與光束的選擇性透射的結(jié)合來放大光束的掃描角。反射偏振器的選擇性反射允許應(yīng)用平面、未構(gòu)造的光學(xué)反射器以及為放大掃描角而定位這些反射鏡的緊湊方式。在操作中，反射偏振器僅僅透射具有沿第一預(yù)定方向偏振的線偏振光束。四分之一波片將來自反射偏振器的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)槔缱笮龍A偏振光束，并經(jīng)由四分之一波片將該圓偏振光束反射至反射偏振器。在反射時，反射鏡將光束的左旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振。四分之一波片將反射光束的右旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)檠氐诙较虻木€偏振。反射偏振器將該光束經(jīng)由四分之一波片反射回到反射鏡。四分之一波片將偏振方向沿第二方向的線偏振光束轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振光束。反射鏡再次將該圓偏振光束經(jīng)由四分之一波片反射至反射偏振器，并且在反射時，將右旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A偏振。四分之一波片將反射光束的左旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)檠氐谝环较虻木€偏振方向。反射偏振器將該線偏振光束透射至屏幕。由于穿過反射鏡兩次，光束以一定角度離開投影系統(tǒng)，所述一定角度等于反射鏡的定向與反射偏振器和四分之一波片的定向之間的預(yù)定角度的兩倍。在這種裝置中，四分之一波片和反射偏振器能夠設(shè)置在接近反射鏡區(qū)域的位置。而且，該反射鏡面積可稍大于單次反射的反射鏡所需要的反射鏡面積。因此，能夠按照相對較容易的方式以緊湊的尺寸來組裝該投影系統(tǒng)以將其結(jié)合到小型便攜式電子設(shè)備中。
權(quán)利要求2限定了另一個實(shí)施例。在這種裝置中，反射偏振器分成允許光束在反射偏振器的各個部分之間進(jìn)一步反射的兩個部分，和用于進(jìn)一步放大掃描角的反射鏡。
權(quán)利要求3中限定了另一個實(shí)施例。通過在反射偏振器中增加一個或多個第三部分，進(jìn)一步增加光束在反射鏡和反射偏振器之間的反射的次數(shù)，從而進(jìn)一步放大掃描角。
權(quán)利要求4中限定了另一個實(shí)施例。為了獲得最大的對比度，可以將四分之一波片的快軸定位為與反射偏振器的偏振軸成45度角。
權(quán)利要求5中限定了另一個實(shí)施例。反射鏡相對于反射偏振器和四分之一波片的傾斜導(dǎo)致光束的不同程度的反射從而使其沿不同方向離開系統(tǒng)。
權(quán)利要求6中限定了另一個實(shí)施例。角形束分離器濾出零級和大于二級的光束的反射。在這種裝置中，只有光束的二級反射用來成像。角形束分離器具有矩形狹縫?？蛇x擇的是，該角形濾光器可以通過柱面透鏡和光闌形成。
在另一個實(shí)施例中，反射鏡、四分之一波片以及反射偏振器具有平坦的、未構(gòu)造的表面。
在另一個實(shí)施例中，四分之一波片和反射偏振器集成在單一的光學(xué)部件中。
權(quán)利要求12中限定了另一個實(shí)施例。半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生線偏振光束，并且能夠有效地用于該投影系統(tǒng)中。
本發(fā)明的這些和其他方面從下文描述的實(shí)施例中顯而易見，并且將參考下文描述的實(shí)施例進(jìn)行解釋。
在附圖中

圖1用圖解法示出投影系統(tǒng)的第一個實(shí)施例；圖2示出掃描反射鏡、四分之一波片及反射偏振器的第一個實(shí)施例的細(xì)節(jié)；圖3示出四分之一波片和反射偏振器的定向；圖4示出掃描反射鏡相對于四分之一波片和反射偏振器的傾斜；圖5示出掃描反射鏡、四分之一波片和反射偏振器的第二個實(shí)施例，該反射偏振器包括具有不同偏振軸的兩個部分；以及圖6示出掃描反射鏡、四分之一波片和反射偏振器的第三個實(shí)施例，該反射偏振器包括三個不同部分。
圖1示出用于顯示圖像信息的投影系統(tǒng)1的第一實(shí)施例。投影系統(tǒng)1包括照明系統(tǒng)，例如半導(dǎo)體激光器3，其具有用于產(chǎn)生具有第一偏振方向的線偏振光束的628nm的波長。在操作中，半導(dǎo)體激光器3可以通過用于調(diào)制該光束的數(shù)據(jù)信號21來驅(qū)動。此外，投影系統(tǒng)1包括由第一活動反射鏡5和致動器13形成的掃描設(shè)備，用于沿投影圖像的第一或者慢方向掃描該光束。第一活動反射鏡5可包括電流計致動器13，壓電致動器或者其他類型的振動致動器。在該實(shí)例中，該第一、慢方向平行于Y軸，垂直于圖的平面。
取代第一活動反射鏡5和致動器13，可選擇的是可以使用線性激光陣列器，該激光器陣列包括例如，在平行于Y軸的線上的128個激光源。
該掃描設(shè)備另外還包括第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7和經(jīng)由軸與第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7連接的驅(qū)動電機(jī)15，掃描設(shè)備用于掃描在平行于X軸的第二或快方向上的調(diào)制光束，從而在屏幕35上形成圖像。第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7可通過經(jīng)由軸與驅(qū)動電機(jī)15相連的可旋轉(zhuǎn)六邊形的反射面形成。此外，投影系統(tǒng)1包括由與第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7協(xié)作的四分之一波片11和反射偏振器9而形成的掃描角放大器，用于放大偏振光束的掃描角。反射偏振器的偏振方向與入射光束27的第一偏振方向平行。反射偏振器9能夠由如從3M獲得的DBEF箔來形成。可選擇的是，可以將線柵偏振器用作反射偏振器。線柵偏振器本身是已知的，并且可以從Moxtek獲得。
另外，光束穿過用于掃描沿慢掃描方向的光束的第一反射鏡和穿過用于掃描沿快掃描方向的光束的第二反射鏡的順序是可以顛倒的。
圖2示出四分之一波片11的快軸10相對于反射偏振器9的偏振軸P1和第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7的定向。為了獲得最佳的對比度，四分之一波片11的快軸10可以與反射偏振器9的偏振軸P1成45 °角。
此外，投影系統(tǒng)1包括數(shù)據(jù)處理和同步設(shè)備17。在操作中，該數(shù)據(jù)處理和同步設(shè)備會產(chǎn)生驅(qū)動信號23、25，將驅(qū)動信號23、25分別發(fā)送到第一活動掃描反射鏡5的致動器13和第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7的驅(qū)動電機(jī)15。另外，數(shù)據(jù)處理和同步設(shè)備會根據(jù)輸入的視頻或數(shù)據(jù)圖形信號19產(chǎn)生用于調(diào)制半導(dǎo)體激光器3的數(shù)據(jù)信號21，并且利用輸入的視頻信號或者數(shù)據(jù)圖形信號19使第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7和可活動反射鏡5的掃描運(yùn)動同步，以便將圖像投射在屏幕35上。
圖3示出在第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7和反射偏振器9之間經(jīng)由四分之一波片11的反射和透射光束的詳圖。反射偏振器9的平面與第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7成α1角。在操作中，來自于半導(dǎo)體激光器3的入射線偏振光束27經(jīng)由反射偏振器9和四分之一波片11以相對于第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7的表面的法線成α1角而入射在第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7上。入射光束的偏振指向第一方向。反射偏振器9以其偏振軸P1平行于第一偏振方向而取向，其將偏振光束27透射到第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7。四分之一波片11將光束27的線偏振轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振，例如，轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A偏振。第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7將第一光束的左旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振，并將光束29經(jīng)由四分之一波片11反射至反射偏振器9。四分之一波片11將反射光束29的右旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂信c第一偏振方向垂直的第二偏振方向的線偏振光束。反射偏振器9具有與光束29的第二偏振方向垂直的偏振軸10，并將光束31經(jīng)由四分之一波片11反射回到第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7。四分之一波片11將具有偏振第二方向的線偏振光束31轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂杏倚龍A偏振的圓偏振光束。第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7將右旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A偏振，并將圓偏振光束33經(jīng)由四分之一波片11反射到反射偏振器9。四分之一波片11將反射光束的左旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械谝黄穹较虻木€偏振光束。反射偏振器9具有與反射光束33的偏振方向平行的偏振軸，并將該反射光束作為出射(departing)光束33透射到屏幕35。該出射光束相對于入射光束27的角α2是4α1。在這種裝置中，掃描角相對于如在具有掃描鏡而不不由掃描角放大器的常規(guī)投影系統(tǒng)中可獲得的角2α1的兩倍，該掃描角放大器包括反射偏振器9和四分之一波片11。
在另一個實(shí)施例中，通過在反射偏振器上提供相位延遲層，可以使四分之一波片11與反射偏振器9結(jié)合成一整體。另外，可旋轉(zhuǎn)反射鏡7和反射偏振器9均可具有平坦表面。在該實(shí)施例中，四分之一波片11和反射偏振器9能夠設(shè)置為鄰近可旋轉(zhuǎn)反射鏡7，因此可旋轉(zhuǎn)反射鏡7的面積幾乎等于僅具有單次反射的常規(guī)用法，并且能夠獲得緊湊的投影系統(tǒng)。第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7、四分之一波片11以及反射偏振器9的定向可平行于YX平面。
圖4示出可旋轉(zhuǎn)反射鏡7、四分之一波片11、反射偏振器9和角形束分離器的布局。該角形束分離器通過可旋轉(zhuǎn)反射鏡7相對于YX平面的傾斜而形成，同時四分之一波片11和反射偏振器9保持平行于YX平面。另外，矩形孔徑或狹縫37位于反射偏振器9與屏幕35之間。狹縫的縱向平行于X軸。由于可旋轉(zhuǎn)反射鏡7相對于反射偏振器9的垂直傾斜，因此反射光束的不同通路會以不同的角度呈現(xiàn)，然后由狹縫37將所述不同通路濾出。由于四分之一波片11和反射偏振器9的不完善，角形束分離器減少了光束的零級通路、一級通路、三級通路甚至更高級的通路。此外，代替矩形狹縫，可以使用柱面透鏡38和光闌39來僅僅透射光束的所需反射。柱面透鏡的軸平行于Y軸。
圖5示出投影系統(tǒng)的掃描角放大器的另一個實(shí)施例。該實(shí)施例包括反射偏振器9、四分之一波片11以及第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7。在該實(shí)施例中，反射偏振器9包括矩形第一部分91和矩形第二部分92，其中第一部分91的偏振方向平行于來自可旋轉(zhuǎn)反射鏡7的入射線偏振光束27的偏振方向。此外，第二部分92的偏振方向平行于出射光束的偏振方向，其中第一部分和第二部分91、92的偏振軸是互相垂直的。
在操作中，來自半導(dǎo)體激光器3的入射線偏振光束21經(jīng)由反射偏振器9的第一部分91和四分之一波片11以相對于第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7的表面法線成角α1的方向入射在第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7上。入射光束的偏振沿第一方向。反射偏振器9的第一部分91取向為使其偏振軸平行于入射線偏振光束27的第一偏振方向，該第一部分透射線偏振光束27。四分之一波片11將光束27的線偏振轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振，例如，轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A偏振。第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7將第一光束的左旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振，并將光束29經(jīng)由四分之一波片11反射到反射偏振器9的第一部分91。四分之一波片11將反射光束29的右旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械诙穹较虻木€偏振光束，所述第二偏振方向垂直于第一偏振方向。反射偏振器9的第一部分91的偏振軸垂直于光束29的第二偏振方向，并且該第一部分將光束31經(jīng)由四分之一波片11反射回到第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7。四分之一波片11將具有第二偏振方向的線偏振光束31轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚膱A偏振光束。第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7將右旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A偏振，并將圓偏振光束33經(jīng)由四分之一波片11反射到反射偏振器9的第二部分92。四分之一波片11將反射光束的左旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)檠氐谝黄穹较虻木€偏振。反射偏振器9的第二部分92的偏振軸垂直于光束33的第一偏振方向，并且該第二部分將該光束經(jīng)由四分之一波片11反射回到第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7。四分之一波片11將具有第二偏振方向的線偏振光束31轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂凶笮龍A偏振的圓偏振光束。第二可0旋轉(zhuǎn)反射鏡7將左旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振，并經(jīng)由四分之一波片11將圓偏振光束33反射到反射偏振器9的第二部分92。四分之一波片11將反射光束的右旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)檠氐诙穹较虻木€偏振。反射偏振器9的第二部分92的偏振軸平行于第二偏振方向，并將光束透射作為出射光束43。在這種裝置中，掃描角相對于掃描角2α1放大了3倍。
在反射偏振器包括位于第一和第二部分之間的反射偏振器的一個或多個第三部分的實(shí)施例中能夠獲得掃描角的進(jìn)一步放大。在該實(shí)施例中，第三部分是以這樣一種方式來安排的，即從可旋轉(zhuǎn)反射鏡接收反射光束的各個部分的偏振軸垂直于各自反射光束的偏振方向。
圖6示出投影系統(tǒng)的掃描角放大器的另一個實(shí)施例，其包括反射偏振器9、四分之一波片11以及第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7。在該實(shí)施例中，反射偏振器9包括兩個矩形的第一和第二部分93、95，其中，第一部分93的偏振方向平行于來自反射鏡5的入射線偏振光束27的偏振方向。第二部分95的偏振方向與出射的線偏振光束的偏振方向一致。而且，反射偏振器9包括在第一和第二部分93、95之間的第三矩形部分94。第三部分95的偏振軸與從第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7第三次反射的線偏振光束43的偏振方向垂直。
該實(shí)施例的操作與參照圖5描述的實(shí)施例的操作相似，但是，在線偏振光束從第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7第三次反射之后，由于反射偏振器的偏振軸垂直于光束43的偏振方向，因此第三部分95將線偏振光束經(jīng)由四分之一波片11反射回到第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7。四分之一波片11將光束45的線偏振轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振。第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡7將右旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮?，并且將該圓偏振光束經(jīng)由四分之一波片11反射到反射偏振器9的第三部分95。四分之一波片11將反射光束的左旋偏振轉(zhuǎn)變?yōu)檠氐诙较虻木€偏振。反射偏振器9的第二部分95的偏振方向平行于反射線偏振光束的第二偏振方向，并且將該光束透射作為出射光束47。在這種裝置中，掃描角δ相對于掃描角2α放大了4倍。
在該實(shí)施例中，可以將四分之一波片與第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡結(jié)合成一整體，以便允許具有光束的有限截面的圖像投影。
總之，本發(fā)明公開了一種用于顯示圖像信息的投影系統(tǒng)，其包括用于產(chǎn)生光束的照明系統(tǒng)、包括用于掃描所產(chǎn)生的光束從而在屏幕上形成圖像的反射鏡的掃描設(shè)備，以及與掃描設(shè)備合作以放大所產(chǎn)生的光束的掃描角的掃描角放大器。所述掃描角放大器包括反射偏振器、四分之一波片以及反射鏡，該反射鏡設(shè)置為使光束經(jīng)由四分之一波片在反射偏振器和該反射鏡之間至少反射一次。該裝置提供在小型便攜式設(shè)備中使用的投影系統(tǒng)的緊湊組裝，所述小型便攜式設(shè)備如移動電話和PDA。
顯而易見的是，在不背離隨附的權(quán)利要求的范圍的情況下可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行許多變化。
權(quán)利要求
1.一種用于顯示圖像信息的投影系統(tǒng)(1)，其包括照明系統(tǒng)(3)，用于產(chǎn)生光束，掃描設(shè)備(5，13，7，15)，包括用于掃描光束從而在屏幕(35)上形成圖像的反射鏡(5，7)，以及掃描角放大器(7，9)，其與該掃描設(shè)備合作，用以放大偏振光束的掃描角，其特征在于，該掃描角放大器包括反射偏振器(9)，四分之一波片(11)以及反射鏡(7)，被設(shè)置為使光束經(jīng)由四分之一波片在反射偏振器(9)和反射鏡(7)之間至少反射一次。
2.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中反射偏振器(9)包括第一部分(91)和第二部分(92)，其中第一部分的偏振軸垂直于第二部分的偏振軸。
3.如權(quán)利要求2所述的投影系統(tǒng)，其中反射偏振器(9)包括置于第一和第二部分(93，95)之間的一個或多個第三部分(94)，其中該一個或多個部分的偏振軸與通過各自的一個或多個第三部分從反射鏡(7)接收到的一個或多個各自的反射光束的偏振方向垂直。
4.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中四分之一波片(10)的快軸的定向與反射偏振器(9)的偏振軸P1成45°角。
5.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中反射偏振器(9)的定向和四分之一波片(11)的定向在第一平面中平行于第一軸和第二軸，所述第二軸垂直于第一軸，并且其中反射鏡(7)的定向在第二平面中平行于第一軸并與第二軸成預(yù)定傾斜角θ，用以引導(dǎo)來自反射鏡的沿不同方向的光束的高級反射。
6.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中投影系統(tǒng)具有置于反射偏振器(9)和屏幕(35)之間的角形束分離器，其用于透射預(yù)定反射級的光束。
7.如權(quán)利要求6所述的投影系統(tǒng)，其中所述角形束分離器具有矩形孔徑，該矩形孔徑的長軸平行于第一軸。
8.如權(quán)利要求6所述的投影系統(tǒng)，其中角形束分離器包括柱面透鏡和光闌。
9.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中反射鏡(7)、四分之一波片(11)以及反射偏振器(9)是平坦的、未構(gòu)造的光學(xué)元件。
10.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中四分之一波片(11)和反射偏振器(9)集成在單個光學(xué)元件中。
11.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中照明系統(tǒng)(3)包括用于產(chǎn)生線偏振光束的半導(dǎo)體激光器。
12.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中反射鏡(7)由可旋轉(zhuǎn)六邊形的反射表面形成。
13.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中投影系統(tǒng)包括用于調(diào)制偏振光束的調(diào)制設(shè)備(17)。
全文摘要
一種用于顯示圖像信息的投影系統(tǒng)，其包括用于產(chǎn)生光束的照明系統(tǒng)，包括用于掃描所產(chǎn)生的光束從而在屏幕上形成圖像的反射鏡的掃描設(shè)備，以及與掃描設(shè)備合作用以放大所產(chǎn)生的光束的掃描角的掃描機(jī)放大器。該掃描角放大器包括反射偏振器、四分之一波片以及反射鏡，被設(shè)置為使光束經(jīng)由四分之一波片在反射偏振器和該反射鏡之間至少反射一次。這種裝置提供在小型便攜式設(shè)備中使用的投影系統(tǒng)的緊湊組裝，所述小型便攜式設(shè)備如移動電話和PDA。
文檔編號G02B27/28GK1997927SQ200580010365
公開日2007年7月11日 申請日期2005年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者S·T·德茲瓦爾特, O·H·威廉森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司