專利名稱：高效照明裝置和包括這種裝置的圖像投影設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種照明裝置，用于提供線偏振光-該線偏振光在所要照射的物體的位置處具有非轉(zhuǎn)動對稱光束橫截面，所述裝置包括一個光源、一個反射器、一個光學(xué)積分器-用于形成所述光束橫截面并用于實現(xiàn)該光束橫截面上均勻的光分布、以及用于將光源的光轉(zhuǎn)換成線偏振光的起偏系統(tǒng)。
本發(fā)明還涉及包括這種照明裝置的圖像投影設(shè)備。
術(shù)語圖像投影設(shè)備應(yīng)該被廣義理解，即它包括用于顯示例如視頻圖像、圖形圖像、數(shù)字信息或它們的組合的設(shè)備。該圖像可以是單色或彩色圖像。在后一種情況下，該設(shè)備包括一種圖像顯示系統(tǒng)，它具有用于例如適用于圖像顯示板的基色紅、綠和藍(lán)的三個顏色信道。
這種類型的裝置和設(shè)備在美國專利第5,184,248中得到描述。在該專利中描述的照明裝置具有高效率，即光源發(fā)射的光中很大的部分被用于照明由液晶圖像顯示板(稱為LCD板)構(gòu)成的物，其中照明的均勻性也是令人滿意的。借助包括該裝置的圖像投影設(shè)備，可以把具有均勻強(qiáng)度的明亮圖像投影到投影屏幕上。這是通過使光源發(fā)射的光束通過一個光學(xué)積分器而實現(xiàn)的，該光學(xué)積分器包括具有多個第一透鏡的第一透鏡板和一個具有多個第二透鏡的第二透鏡板，其中這些第一透鏡的高-寬比對應(yīng)于所要照明的LCD板的高-寬比，且第二透鏡將在第一透鏡上形成的左旋或右旋點(diǎn)以疊加的方式成像在LCD板上。因而實現(xiàn)了使LCD板的區(qū)域處的光束橫截面與該板相適合，且在該橫截面中的強(qiáng)度分布是均勻的。隨后，首先借助一個偏振敏感分束器將光束分成兩個線偏振子光束-它們具有彼此垂直的偏振方向，隨后在這些子光束之一經(jīng)歷了偏振旋轉(zhuǎn)從而使其偏振方向與另一子光束相同之后，這些子光束被再次結(jié)合。關(guān)于偏振，來自源的所有光因此而都被用于對LCD板進(jìn)行照明。
在已知的照明裝置的多數(shù)實施例中，第二透鏡板必須被成像在起偏系統(tǒng)的出射平面上或附近-為此成像需要多個透鏡，另外，該透鏡板與起偏系統(tǒng)之間需要一定的距離。
美國專利第5,184,248在圖31中顯示了一個實施例，其中起偏系統(tǒng)被直接設(shè)置在光學(xué)積分器之后，且其中起偏系統(tǒng)中沒有用于成像第二積分板的透鏡系統(tǒng)，從而使實施例較短并包括比其他實施例少的部件。然而，不同的實施例提供的光束的橫截面比其他實施例提供的光束的大，因而當(dāng)把該實施例用于投影透鏡系統(tǒng)時投影透鏡系統(tǒng)必須具有大的孔徑。另外，在美國專利5,184,248描述的裝置中，透鏡板應(yīng)該具有較大的尺寸，因而必須以彼此之間較大的距離設(shè)置，因為光學(xué)積分器被設(shè)置在具有較大橫截面的光束中。
本發(fā)明的一個目的，是提供一種在開頭段落中描述的照明裝置，該裝置比已知裝置小了很多并包括較少的光學(xué)元件，同時所提供的光束的橫截面仍然保持為有限的。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的特征，在于起偏系統(tǒng)被設(shè)置在光學(xué)積分器之前的輻射路徑中。
在此裝置中，采用了其橫截面小于反射器的出射平面的透鏡板，從而使這些板不那么昂貴并能夠被緊密地設(shè)置在一起。為此，入射到第一透鏡板上的光束應(yīng)該是會聚光束，并應(yīng)該保持反射器與第一透鏡板之間的給定距離。通過將起偏系統(tǒng)設(shè)置在反射器與第一透鏡板之間的空間中，該空間得到了優(yōu)化的利用并被用于獲得所希望的偏振光，而圖像投影設(shè)備的結(jié)構(gòu)長度不需要延長。
對于根據(jù)本發(fā)明的裝置來說重要的，是入射到光學(xué)積分器上的光束是會聚光束。這種光束能夠通過使反射器具有適當(dāng)?shù)男螤顝亩哂袝坌Ч@得。這種反射器是例如橢圓的。
然而，該裝置的進(jìn)一步的特征，可以在于在光源與起偏系統(tǒng)之間設(shè)置有一個會聚透鏡。
這種透鏡可以取代反射器的會聚作用，或者它的會聚作用可以被附加到反射器的會聚作用上，從而使光源與起偏系統(tǒng)之間的距離能夠得到減小。如果反射器不一定是會聚的，它可以在其他的方面得到優(yōu)化，例如該反射器就可以是拋物形或雙曲線形的。這種表面可以用具有高反射率的表面方便地提供。
該起偏系統(tǒng)最好包括由本申請人開發(fā)的偏振敏感分束器和一個偏振旋轉(zhuǎn)器的結(jié)合。在權(quán)利要求2-10中描述了該結(jié)合的不同的實施例。這些實施例可從美國專利第5,184,248知道，其中還描述了這些實施例的操作和優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)所述結(jié)合被用在根據(jù)本發(fā)明的新穎照明裝置中時，這些優(yōu)點(diǎn)得到了保持。
該裝置的光學(xué)積分器可以由一個光波導(dǎo)管構(gòu)成，在該光波導(dǎo)管中光通過在內(nèi)壁上的反射而傳播，且其進(jìn)入面適配于從起偏系統(tǒng)出射的光束的橫截面，而與所要照明的物相對地設(shè)置的光波導(dǎo)管的形狀和尺寸適配于所要照明的物。
然而，該光學(xué)積分器最好包括一個第一和一個第二透鏡板。這種光學(xué)積分器的不同實施例在權(quán)利要求12-16中得到描述。這些實施例本身可從美國專利第5,184,248號知道，該專利還描述了這些實施例的操作和優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)所述光學(xué)積分器被用在根據(jù)本發(fā)明的新穎照明裝置中時，這些優(yōu)點(diǎn)得到了保持。
本發(fā)明還涉及一種圖像投影設(shè)備，它包括一個照明裝置、用于產(chǎn)生所要投影的圖像并帶有至少一個圖像顯示板的圖像顯示系統(tǒng)、和用于將圖像顯示系統(tǒng)形成的圖像投影到一個投影屏幕上的投影透鏡系統(tǒng)。該設(shè)備的特征在于照明裝置是以如上所述的方式實施的。
用于投影彩色圖像的該設(shè)備的一個優(yōu)選實施例的進(jìn)一步的特征，在于圖像顯示系統(tǒng)包括用于將光束分成三個不同的彩色子光束的顏色選擇分束器和用于各個子光束的單獨(dú)的圖像顯示板，以及用于將來自圖像顯示板的子光束結(jié)合成一個彩色光束的光束重新結(jié)合裝置。
彩色圖像投影設(shè)備的另一實施例帶有三個彩色信道，其每一個都包括根據(jù)本發(fā)明的照明裝置。
從以下結(jié)合實施例進(jìn)行的描述，本發(fā)明的這些和其他方面將變得顯而易見。
在附圖中

圖1顯示了圖像投影裝置；圖2顯示了用于根據(jù)本發(fā)明的照明裝置中的分束器的第一實施例；圖3顯示了該分束器的操作；圖4顯示了在一個出射面上帶有偏振旋轉(zhuǎn)器的這種分束器；圖5顯示了分束器的第二實施例；圖6顯示了已知的照明裝置的立體圖；圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的照明裝置的橫截面圖；圖8顯示了已知照明裝置的橫截面圖，圖9和10分別是光學(xué)積分器的第一透鏡板的前和后立體圖；圖11顯示了包括一個照明裝置和透射圖像顯示板的彩色圖像投影設(shè)備的一個實施例；
圖12顯示了包括一個照明裝置和反射圖像顯示板的彩色圖像投影設(shè)備的一個實施例；且圖13顯示了各個彩色信道包括單獨(dú)的照明裝置的彩色圖像投影設(shè)備。
在圖1中，塊A表示了發(fā)射光束b的照明裝置，其中光束b的主軸與圖像投影設(shè)備的光軸OO’相重合。該光束入射到圖像顯示系統(tǒng)B上，而如果需要投影的是單色圖像則系統(tǒng)B具有一個圖像顯示板1。該板是例如液晶顯示板(或LCD板)。這種板包括包圍在兩個透明的、例如是玻璃的板2和3之間的一層液晶材料4，例如向列型液晶材料。在這些板的每一個上設(shè)置有驅(qū)動電極5和6。這些電極可以被分成大量的行和列，而這些行和列限定了圖像顯示板中的大量的像素。不同的像素此時可通過驅(qū)動矩陣電極(如借助驅(qū)動端7和8示意顯示的)而得到驅(qū)動。因而可以把電場在所希望的位置處加在液晶材料4上。這種電場造成了材料4的有效折射率的改變，從而使通過給定像素的光根據(jù)在有關(guān)像素位置處是否有局部電場而經(jīng)歷或不經(jīng)歷偏振方向旋轉(zhuǎn)。
除了這種無源驅(qū)動圖像顯示板，也可以采用有源驅(qū)動的板。在后一種圖像顯示板中，支撐板之一包括一個電極，而另一個板帶有半導(dǎo)體驅(qū)動電極。各個像素現(xiàn)在由其自己的有源驅(qū)動元件(例如薄膜晶體管)進(jìn)行驅(qū)動。這兩個直接驅(qū)動圖像顯示板都在例如歐州專利申請第0 266 184號中得到了描述。
入射到圖像顯示板1上的光束應(yīng)該得到偏振，最好是線偏振。然而，照明系統(tǒng)A提供的是未偏振光。通常的方法是借助吸收偏振器10從這種光中選擇具有所希望的偏振方向的分量。在圖像顯示板透射的光的路徑上，設(shè)置了一個分析器11-其偏振方向例如與偏振器10的偏振方向平行。因此，來自受到激勵和不改變光束的偏振方向的像素的光通過分析器透射到一個投影透鏡系統(tǒng)C。來自未受激勵且使光束的偏振方向轉(zhuǎn)動90°的像素的光，被分析器所阻擋。該分析器因而將光束的偏振調(diào)制轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度調(diào)制。投影透鏡系統(tǒng)C將形成在板1上的圖像投影到一個投影屏幕D上。這種投影圖像能夠被處于投影屏幕之后的空間中的觀眾W所觀測。
圖像顯示板也可以是一個彌散板，例如在其之前有一個偏振器和在其之后有一個分析器的PDLC(聚合物彌散液晶)板，如在Japan Display，pp.531-634中的文章“A full color TFT-LCD with PolymerDispersedStructure”中描述的。
當(dāng)用于透射時，液晶圖像顯示板的效率很低，例如只有入射到一個單色板上的輻射的30％和只有入射到彩色板上的輻射的10％被傳送到投影透鏡系統(tǒng)。另外，這種系統(tǒng)以放大的方式對板進(jìn)行成像，從而使照明光束當(dāng)屏幕上單位面積表面上的輻射強(qiáng)度足夠大時應(yīng)該具有大的強(qiáng)度。采用具有更高強(qiáng)度的燈的形式的光源，只能夠提供有限的優(yōu)點(diǎn)。實際上，具有更高的光強(qiáng)的燈通常也具有更大的、燈弧形式的輻射表面，從而使照明系統(tǒng)的出射孔徑變得更大。如果減小光束孔徑以限制投影設(shè)備中后面的光學(xué)部件的尺寸，則光能的一部分將再次被損失。因而希望俘獲并利用盡可能多的來自燈的光并將其會聚成一個窄的光束。進(jìn)一步的要求，是使該光束的橫截面盡可能令人滿意地與圖像顯示板的矩形形狀相匹配，從而最小量的光沿著該板入射。
為了滿足這些要求，美國專利第5,184,248號的裝置中采取了若干措施。首先，利用來自光源的光的兩個偏振分量來照明圖像顯示板。為此，采用了專用偏振敏感分束器和偏振轉(zhuǎn)換器的組合。其次，保證了入射到LCD板上的光束具有特定的橫截面。
圖2顯示了偏振敏感分束器的橫截面。分束器20包括兩個例如為玻璃的棱鏡21和25以及一個雙折射層27。該層由例如液晶材料構(gòu)成。尋常折射率n0基本上總是等于1.5，而非尋常折射率ne根據(jù)層27的構(gòu)成可以具有1.6與1.8之間的值。取向?qū)?8和29被設(shè)置在這些棱鏡上，并保證了層27的光軸在此情況下與圖所在的平面垂直。該軸由圖2中的標(biāo)號30表示。已經(jīng)保證了棱鏡材料的折射率n1等于層27的ne-例如為1.7。如果未偏振光束經(jīng)過棱鏡21而以大于或等于臨界角的入射角度φ入射到層27上，該光束的P偏振分量由于層27適用于該分量的尋常折射率而被全反射向棱鏡21的出射面23，其中該折射率小于棱鏡21的折射率。P偏振分量是這樣的分量，即其偏振方向與入射面相平行，其中入射面即通過層27上的法線n和入射光束的主光線的平面，也就是圖2的圖所在的平面。對于S偏振分量-即其偏振方向與入射面相交的偏振分量，層27的非尋常折射率使該分量在通過分束器時的折射率沒有任何不同，因而成功地沿著原來的方向通過了棱鏡21、層27和棱鏡25。
P分量的臨界角φ1由sinφ1＝n0/n1或φ1＝arcsin(n0/n1)給定，從而如果要使P分量得到完全反射，對于入射角度φ有φ＞arcsin(n0/n1)。另外，如果層27的非尋常折射率ne不等于棱鏡材料的n1，則只要入射角度φ小于臨界角φ2，S分量就完全透射，其中對于φ2有
sinφ2＝ne/n1或φ2＝arcsin(ne/n1)。因而獲得層27的分束的入射角度φ的全部條件為(φ1＝) arcsin(n0/n1)＜φ＜arcsin(ne/n1)(＝φ2)。
角φ1和φ2如圖2所示。
液晶材料的折射率差Δn＝ne-n0可以較大，從而使分束器20適合于大的入射角度φ的范圍(φ2-φ1)。另外，保證了棱鏡材料的折射率和層27的折射率在入射光的波長變化時以相同的方式變化，從而使分束器對于大的波長范圍具有大的偏振分離效率。圖2的分束器的一個非常大的優(yōu)點(diǎn)，是它成本低廉，因為不需要昂貴的雙折射棱鏡材料(象在Wollaston棱鏡中那樣)，且該棱鏡能夠以比較簡單的方式制成。
棱鏡21和25不一定是固體的；這些棱鏡可以具有玻璃或其他透明的壁，其中提供有等于層27的折射率的高折射率透明液體或合成材料。這些壁此時應(yīng)該具有與液體或合成材料相同的折射率，而這些材料不應(yīng)該具有任何消偏振效果。
除了液晶層，最好用雙折射附著層作圖2的分束器中的偏振分離層。與具有液晶層的分束器相比，具有雙折射附著層的分束器的優(yōu)點(diǎn)，是容易制作且溫度依賴性較小、對耐高溫性能較好且更可能與層和棱鏡的折射率相匹配。
雙折射附著層最好是單軸取向聚合物層。例如通過摩擦棱鏡表面-在它們之間必須沿著一個方向設(shè)置該層，而獲得所希望的取向，從而能夠在所要摩擦的這些表面上實際設(shè)置聚酰胺層。
一種非常耐高溫的分束器，是其中聚合物層具有彎曲的液晶單體組成的分束器。
圖3顯示了入射到分束器20上的照明光束b是如何被這種分束器分成兩個彼此垂直的線偏振光束分量bp和bs的。只顯示了照明光束b的兩個邊界光線和主光線，這些光線通過面22進(jìn)入棱鏡21。該面與分隔層27成角α，因而在經(jīng)過該面的折射之后，層27上的光束的入射角度φ具有上述臨界角φ1和φ2之間的一個值，從而使p偏振光束分量bp得到完全反射并經(jīng)過出射面23而離開棱鏡21。S偏振分量進(jìn)入棱鏡25并經(jīng)過出射面26而離開該棱鏡。出射面23和26還與分隔層27成角α，從而使光束分量bp和bs有效地穿過平面平行板，因而在經(jīng)過面23、26的折射之后與入射光束b平行。
光束b位于層27的一側(cè)。出射的光束分量bp和bs具有圓形的橫截面并位于圓32中的主軸的不同側(cè)，如圖3的右邊所示。
如果，如圖4所示，在出射面之一(例如面26)上設(shè)置一個λ/2波片31，則分量bs的偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°，因而從板31出射的光束也是P偏振的。從由分束器20和偏振旋轉(zhuǎn)器31構(gòu)成的起偏系統(tǒng)，出射出完全適合于照明圖4的板1的線偏振光。
除了λ/2波片，也可以用一層旋轉(zhuǎn)液晶材料，例如一種聚合物或彼此旋轉(zhuǎn)的多個單軸雙折射層，來作為偏振旋轉(zhuǎn)器31。該偏振旋轉(zhuǎn)器不僅可以被設(shè)置在出射面23或26上，而且可以被設(shè)置在這種出射面之后。
圖5顯示了分束器的第二實施例。該分束器40的偏振敏感分隔層41包括膽甾醇液晶材料。該材料可以是左旋或右旋型的。如果該材料是左旋型的，入射的未偏振光束b的左旋偏振的分量bc.L被反射，而右旋偏振分量bc，R被透射。分量bc.R被一個專用反射器42反射至圖像顯示系統(tǒng)(未顯示)。該反射器不改變分量bc.R的偏振狀態(tài)，并包括例如右旋液晶材料。反射的分量bc.L入射到一個正常反射器43上，例如一個金屬鏡-它將左旋偏振光轉(zhuǎn)換成通過層41透射并具有與分量bc.R相同的方向的右旋偏振光。光束b因而被轉(zhuǎn)換成兩個光束分量b1和b2，它們都是右旋偏振光，并位于圓32之內(nèi)，如圖5的下部所示。
右旋偏振光的光束能夠不經(jīng)過偏振轉(zhuǎn)換而被加到圖像顯示板上。這具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即驅(qū)動板(例如向列型的)所需的場比采用線偏振輻射情況下的場小?；蛘撸梢栽诜质?0之后的對角位置處設(shè)置一個λ/4波片45，該板將圓偏振光轉(zhuǎn)換成線偏振光。
除了左旋膽甾醇層，還可以將一個右旋膽甾醇層用作分隔層41，其中反射器42此時可以由左旋材料構(gòu)成且反射器43可以是正常的鏡。此時從分束器40出射的光是左旋偏振的。
圖6顯示了根據(jù)美國專利第5,184,248號的照明裝置的立體圖，該裝置帶有光學(xué)積分器和一個起偏系統(tǒng)。該裝置進(jìn)一步包括一個燈50，它沿著圖像顯示板的方向和向后的方向(在圖6的左邊)發(fā)射光。在該燈的后側(cè)，設(shè)置有一個反射器51，該反射器將燈發(fā)射的光反射到一個光學(xué)積分器，而該光學(xué)積分器是第一透鏡板54和與其分離的第二透鏡板57的形式的。第一透鏡板54的透鏡55將入射光束分成與透鏡的數(shù)目相對應(yīng)的若干個子光束，并保證了這些子光束在第二透鏡板57的透鏡58的平面中減小直徑。透鏡55的數(shù)目等于透鏡58的數(shù)目，透鏡55每一個因而都將源成像在相應(yīng)的透鏡58上。透鏡58沿著適當(dāng)?shù)姆较蚓哂羞m當(dāng)?shù)姆糯舐?，以使它們將形成在第一透鏡板54上的輻射點(diǎn)以重疊的方式成像在一個中間像60中。因而使照明光束具有令人滿意的均勻分布，這種分布將在該裝置后面的部分中得到保持。在第二透鏡板57的區(qū)域中，產(chǎn)生了具有半圓橫截面的源像。中間像60是透鏡55的像，因而具有與這些透鏡對應(yīng)的形狀。
包括例如兩個平凸透鏡63和64的透鏡系統(tǒng)62被設(shè)置在中間像60之后。該透鏡系統(tǒng)將中間像60成像在無窮遠(yuǎn)，同時它在起偏系統(tǒng)的棱鏡20處形成了第二透鏡板57的像65。
透鏡板57以及其像65最好是半圓的，從而使棱鏡得到優(yōu)化的填充。另一個透鏡67被設(shè)置在偏振敏感分束器20之后。中間像60的像70，因而透鏡55的重疊的最后像，被產(chǎn)生在其焦平面中。圖像顯示板1被置于該最后像中。
根據(jù)本發(fā)明，已知的裝置的長度，以及透鏡板57、54的直徑，能夠通過在輻射源單元50、51與積分器54，57之間設(shè)置圖3的起偏系統(tǒng)20、31，而得到顯著的減小。圖7顯示了這種新穎照明裝置的橫截面圖。為了分量的目的，圖8顯示了已知裝置的橫截面圖。在圖8的裝置中，圖6的半圓透鏡板57被圓形透鏡板57’所取代。借助一個額外的透鏡75，可以略微縮短結(jié)構(gòu)長度。在棱鏡20之后，再次產(chǎn)生了由兩半組成的、由例如p偏振光形成的圓透鏡圖像50p。
根據(jù)本發(fā)明的照明裝置(圖7)仍然包括一個燈50、一個反射器80、一個起偏系統(tǒng)20、31、以及一個由兩個透鏡板54、57組成的光學(xué)積分器。該起偏系統(tǒng)具有與結(jié)合圖2、3和4描述的系統(tǒng)相同的結(jié)構(gòu)和操作?，F(xiàn)在，不是具有圓形橫截面的一個光束，而是有兩個子光束86和87(每一個都具有從其中心向邊緣減小的強(qiáng)度)被產(chǎn)生在起偏系統(tǒng)之后。這被顯示在圖7的框85中。在此框中顯示的輻射點(diǎn)86和87實際上略微連接在一起。由于光束85仍然與積分器54、81相交，強(qiáng)度分布被平均化，因而從積分器出射并入射到在圖像顯示板上的光束具有均勻的強(qiáng)度。這是根據(jù)本發(fā)明的裝置與圖7的裝置相比進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，而在圖7的裝置中像50’p的每一半都由具有從它們的中心向著邊緣減小的強(qiáng)度的多個子點(diǎn)組成。反射器80可以是橢圓反射器，其中燈50處于或靠近該反射器的第一焦點(diǎn)，同時第一透鏡板54被設(shè)置在第二焦點(diǎn)上或附近，因為光束的橫截面在該位置是最小的?；蛘撸梢圆捎镁哂胁煌男螤畹姆瓷淦?，例如拋物形反射器，該反射器形成燈的光的基本上平行的光束。拋物反射器的反射表面與光軸的平行不如橢圓反射器的，這簡化了高反射層在此表面上的設(shè)置。當(dāng)采用拋物反射器時，必須在該反射器之后設(shè)置一個透鏡81，從而將燈的光會聚在該第一透鏡板上。也可以將一個透鏡設(shè)置在已經(jīng)其自己已經(jīng)進(jìn)行會聚的該反射器之后，從而獲得進(jìn)一步會聚的光束。該反射器也可以是雙曲線反射器或所述反射器的組合。
第一透鏡板54面向光源的一側(cè)設(shè)置有多個透鏡55，且另一側(cè)56最好是平面。圖9顯示了這種板的立體圖，而圖1O顯示了這種板的后視圖。板54包括例如10個透鏡。這些透鏡每一個都將源50成像在第二透鏡板57的相應(yīng)透鏡58上。該板面向光源的一側(cè)59具有與第一透鏡板54基本相同的形狀，并且是平面的，而背離源的一側(cè)支撐多個透鏡58。第二透鏡板57的透鏡58的數(shù)目等于或-如果反射器51在燈旁邊形成了燈的象-兩倍于透鏡板54的透鏡55的數(shù)目。為了借助不同的透鏡551，……5510而將光源50成像在相應(yīng)的透鏡581，……5810上，每次采用入射到透鏡板54上的光束的不同部分。透鏡551，……5510沿著適當(dāng)方向具有適當(dāng)?shù)姆糯舐?，從而使通過它們的子光束的光束在透鏡58的平面中減小直徑，同時它們的主光線指向相應(yīng)的透鏡58的中心。透鏡58沿著適當(dāng)?shù)姆较蚓哂羞m當(dāng)?shù)姆糯舐?，從而使它們將形成在透鏡55上的輻射點(diǎn)以重疊的方式成像在所要照明的物上，例如LCD板上，或者成像在與該物共扼的中間象上。因而實現(xiàn)了使物或中間象處的光束具有令人滿意的均勻強(qiáng)度分布。
在這些位置處的光束的橫截面此時適配于所要照明的物的橫截面。用于顯示傳統(tǒng)的視頻圖像的液晶顯示板具有縱橫比b∶h＝4∶3，其中寬度b是沿著圖6中的X方向的尺寸，且高度h是沿著Y方向的尺寸。在圖9和10所示的實施例中，板54的透鏡55具有相同的縱橫比。因而實現(xiàn)了使來自輻射源單元50、80的所有輻射都通過圖像顯示板并使照明系統(tǒng)具有高收集效率。
圖像顯示板和透鏡55也可以具有不同的縱橫比，例如16∶9。
與已知的裝置類似，在這種新穎的照明裝置中，至少一個透鏡板的至少一個透鏡可以是非球形的。
非球形透鏡應(yīng)該被理解為其基本形狀為球形但其實際形狀與球形有略微的偏離的透鏡，以校正基本形狀的球差。通過在透鏡板中采用非球形透鏡，可以改善系統(tǒng)的效率。
第一透鏡還最好以這樣的方式設(shè)置并具有這樣的尺寸，即使得第一透鏡板的表面大約等于入射到其上的照明光束的橫截面。
此時，從源發(fā)射并被反射收集的最大量的光得到了接收。
第一透鏡板的直徑可以不同于第二透鏡板的直徑。但如果照明裝置是以這樣的方式實施的，即這些直徑是相等的，象第一和第二透鏡的形狀和尺寸一樣，則只采用一種類型的透鏡板，因而裝置的成本可以得到降低且組裝能夠得到簡化。
第二透鏡板的透鏡的形狀和尺寸可以如此地得到選擇，即使它們在第二透鏡的平面中準(zhǔn)確地適合于由第一透鏡板形成的子光束的光束的橫截面，從而使照明裝置的效率得到提高。
第一和第二透鏡板的透鏡不僅可以被設(shè)置在面對和背離光源的相應(yīng)板的各側(cè)，而且還可以分別被設(shè)置在相應(yīng)板背離和面對光源的各側(cè)上。
當(dāng)透鏡板之前或之后有一個透鏡時，該透鏡和板可以如美國專利第5,184,248號的圖17和18所示并如該專利中所述的那樣，被集成為一種元件。
另外，如美國專利第5,184,248號的圖19所示，第一透鏡板的透鏡支撐表面可以是彎曲的，從而使圖像顯示板上的照明光束的強(qiáng)度在光束的邊緣小于在中間，從而在投影屏幕上獲得更為自然的圖像，如在美國專利第5,184,248號中已經(jīng)描述的那樣。
由于在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，第二透鏡板57不再被成像于棱鏡20之后或之前，該裝置中的部件的數(shù)目和長度小于已知裝置的。另外，由于入射到光學(xué)積分器上的光束具有比已知裝置中小的橫截面，積分器板較小且隨后板能夠被設(shè)置得更緊密，從而使安裝長度減小。
圖11顯示了其中能夠采用根據(jù)本發(fā)明的照明裝置以獲得很大的優(yōu)點(diǎn)的彩色投影電視設(shè)備。
該設(shè)備包括三個主要部分照明系統(tǒng)A、圖像顯示系統(tǒng)B和投影透鏡系統(tǒng)C-例如變焦距透鏡。該照明系統(tǒng)的主軸OO’與設(shè)備的光軸DD’相對準(zhǔn)，而光軸DD’在所示的實施例中首先被分成三個子軸，這些子軸隨后被結(jié)合成與投影透鏡系統(tǒng)的光軸EE’相重合的光軸。
來自照明系統(tǒng)A的光束入射到顏色選擇反射器90上，例如反射例如藍(lán)色分量bB并透射光束的其余部分的分色鏡。該光束部分達(dá)到一個第二顏色選擇反射器91，后者反射綠色分量bG并把其余的紅色分量bR透射到反射器92，而反射器92把紅光反射到投影透鏡系統(tǒng)。反射器92可以是中性反射器或?qū)t光優(yōu)化的反射器。藍(lán)光束被一個中性或藍(lán)選擇反射器93反射到液晶板形式的顯示板96。該板按照已知的方式受到電子驅(qū)動，從而使所要顯示的圖像的藍(lán)分量出現(xiàn)在該板上。受到藍(lán)信息調(diào)制的光束經(jīng)過一個顏色選擇反射器94和一個顏色選擇反射器95而達(dá)到投影透鏡系統(tǒng)C，反射器94透射藍(lán)光束并反射綠光束，而反射器95則反射藍(lán)光束。綠光束bG與第二顯示板97相交，在那里它受到綠圖像分量的調(diào)制并隨后被顏色選擇反射器94和95相繼地反射到投影透鏡系統(tǒng)C。紅光束bR與一個第三顯示板98相交，在那里它受到紅圖像分量的調(diào)制并隨后經(jīng)過顏色選擇反射器95而達(dá)到投影透鏡系統(tǒng)。
紅、綠和藍(lán)光束在該透鏡系統(tǒng)的輸入端處得到疊加，從而在該輸入端產(chǎn)生彩色圖像，該圖像被該系統(tǒng)以放大的形式成像在圖1 1中未顯示的一個投影屏幕上。
照明系統(tǒng)A和各個顯示板96、97和98之間的光程長度最好是相等的，從而使光束bB、bG和bR的橫截面在它們的顯示板處相等。顯示板96、97和98與投影透鏡系統(tǒng)的入射光瞳之間的光程長度也最好是相等的，從而使不同顏色的場面令人滿意地重疊在投影屏幕上。
被設(shè)置在圖像顯示板96、97和98之前的透鏡99、100和101均與圖6的透鏡73相對應(yīng)，并保證了來自照明系統(tǒng)的出射面的所有輻射都被會聚到投影透鏡系統(tǒng)C的入射光瞳上。
圖12顯示了帶有反射圖像顯示板110、111和112的彩色圖像投影設(shè)備的一個實施例。根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)提供的光束b被由兩個分色鏡116和117構(gòu)成的交叉分色鏡115分成三個不同顏色的光束bR、bG和bB。
在此圖中借助單個透鏡顯示的投影透鏡系統(tǒng)C，僅能夠接收圖像顯示板反射的光束bRE的輻射，而不能接收照明系統(tǒng)提供的光束bON的輻射。
為了使光束bON和bRE在投影透鏡的區(qū)域得到足夠的分離而又不使該系統(tǒng)與圖像顯示板之間的距離過大，采用了復(fù)合棱鏡系統(tǒng)105形式的角度依賴分束器。該系統(tǒng)包括兩個由玻璃或合成材料制成的、包圍一個空氣層108的透明棱鏡106和107。由于棱鏡材料的折射率nM(例如1.5)大于空氣的折射率n1(n1＝1.0)，以大于臨界角θg的角度θi入射到棱鏡與空氣界面上，且對sinθg＝n1/nm全部的輻射束將被全反射。在以小于該臨界角的角度入射到界面上時，該光束完全透射。在圖12的實施例中，棱鏡106和107的折射率和空氣層108的取向得到這樣的選擇，即使得來自照明系統(tǒng)A的光束bON被界面106，108所全反射向顯示系統(tǒng)，且來自該系統(tǒng)的光束bRE被該界面所完全透射。光束bON和光束bRE在該界面上的入射角度因此分別大于和小于臨界角。
該棱鏡系統(tǒng)使得光束bRE的主光線以大的角度(它可以接近90°)延伸至光束bON或主光線。因此，投影透鏡系統(tǒng)C能夠被置于顯示系統(tǒng)的附近，從而使圖像投影裝置的長度可以顯著地小于沒有該棱鏡系統(tǒng)情況下的長度。
也可以以這樣的方式選擇界面106、108相對于光束bON和bRE的方向的取向，即使得光束bON被透射到顯示系統(tǒng)-它此時在棱鏡系統(tǒng)之下，且光束bRE被反射向投影透鏡系統(tǒng)C。當(dāng)采用彩色光束投影時，后一種設(shè)置提供了調(diào)制的光束bRE中的色差較小的優(yōu)點(diǎn)。
在圖12中，通過界面106、108反射的光束bON入射到第一分色鏡116上-它反射例如藍(lán)光。藍(lán)分量bON，B入射到顯示板112上-其中產(chǎn)生了藍(lán)子圖像，且受到藍(lán)圖像信息調(diào)制的光束bRE，B被板112反射向交叉分色鏡115。帶有紅和綠分量并被分色鏡116所透射的光束，入射到第二分色鏡117上，而后者將紅分量bON，R反射向顯示板110。紅的子圖像在此板中產(chǎn)生。受到紅圖像信息調(diào)制的光束bRE，R被反射向交叉分色鏡115。通過鏡117透射的綠光束分量bON，G被綠圖像顯示板111所調(diào)制并作為光束分量bRE，G而被反射向交叉分色鏡115。由于分色鏡116和117反射返回的光束分量bRE，B和bRE，R并透射光束分量bRE，G，這些光束分量被結(jié)合成一個光束bRE-它受到了彩色圖像信息的調(diào)制。
偏振器10和分析器11最好分別被設(shè)置在照明系統(tǒng)A與圖像顯示系統(tǒng)之間和圖像顯示系統(tǒng)與投影透鏡系統(tǒng)之間，從而使這些元件同時作用在三個彩色分量上，而不用為每一種彩色分量使用這些元件組成的單獨(dú)的系統(tǒng)。
在美國專利第4,239,346中，描述了一種直接驅(qū)動的反射液晶圖像顯示板。
在彩色圖像投影設(shè)備中，可以采用偏振敏感分束器來代替復(fù)合棱鏡105，從而使光束能夠垂直地入射到圖像顯示板上。該偏振敏感分束器保證了只有具有給定偏振方向的光被反射或透射向顯示板，且在被該板所反射的光中只有偏振方向與入射光束的偏振方向垂直的分量被透射或反射向投影透鏡系統(tǒng)。該偏振敏感分束器還被用作從偏振調(diào)制至強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)換器。
除了具有三單色板的圖像顯示系統(tǒng)，彩色圖像投影設(shè)備還可以帶有只有一個圖像顯示板即復(fù)合或彩色板的圖像顯示系統(tǒng)。該彩色板此時包括若干像素-它的像素數(shù)目為單色板的像素的數(shù)目的例如三倍。彩色板的像素按照三組進(jìn)行設(shè)置，借助這三組分別產(chǎn)生紅、綠和藍(lán)子圖像。各組的一個像素每次與投影屏幕上的一個像素相聯(lián)系。例如，在各個像素之前設(shè)置一個單獨(dú)的濾色器，該濾色器只透射相應(yīng)像素所希望的顏色。
該彩色板可以是一個透射板-其中例如如圖6所示地構(gòu)成了彩色圖像投影設(shè)備。如果彩色板是反射板，彩色圖像投影設(shè)備可以如例如圖12所示地構(gòu)成，其中彩色板被放置于單色板111的位置處，而板110和112以及交叉分色鏡115已經(jīng)被省略。
圖13顯示了具有分別用于基色綠、藍(lán)和紅的三個彩色信道120、121和122的彩色圖像投影裝置。這些彩色信道每一個都包括根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)A、透鏡73和透射圖像顯示板111。顯示了綠信道120中的這些元件。對于其他的信道，相應(yīng)的元件以相同的方式設(shè)置。受到圖像信息調(diào)制的不同顏色的光束bG、bB和bR，由例如交叉分色鏡115結(jié)合成一個光束bRE，該光束通過投影透鏡系統(tǒng)C投影到顯示屏幕上(未顯示)。
根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)不僅可以被用于照明液晶圖像顯示板，而且可以被用于照明一種圖像顯示系統(tǒng)-其中與光導(dǎo)層和液晶材料層相結(jié)合地采用了陰極射線管；這種圖像顯示系統(tǒng)在美國專利第4,127,322中得到了描述。
本發(fā)明可以被一般地用于這樣的情況-其中需要用具有給定偏振狀態(tài)的光來照明非圓形的物體且其中必須非常有效地利用輻射源提供的輻射。
權(quán)利要求
1.一種照明裝置，用于提供在所要照明的物體處具有非旋轉(zhuǎn)對稱光束橫截面的線偏振光束，所述裝置包括一個光源、一個反射器、一個用于形成所述光束橫截面并用于實現(xiàn)該光束橫截面上的均勻光分布的光學(xué)積分器、以及用于將該源提供的光轉(zhuǎn)換成線偏振光的起偏系統(tǒng)，其特征在于該起偏系統(tǒng)被設(shè)置在光學(xué)積分器之前的輻射路徑中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的照明裝置，其特征在于在光源與起偏系統(tǒng)之間設(shè)置了一個會聚透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的照明裝置，其中起偏系統(tǒng)由一個偏振敏感分束器和一個偏振旋轉(zhuǎn)元件組成，該偏振敏感分束器用于將光束分成兩個不同的偏振子光束-其第一個子光束直接適合于受到圖像顯示系統(tǒng)的調(diào)制，而該偏振旋轉(zhuǎn)元件用于將第二子光束轉(zhuǎn)換成具有與第一子光束相同的偏振狀態(tài)的光束，其特征在于偏振敏感分束器包括由雙折射材料構(gòu)成的取向?qū)?、這些子光束經(jīng)過通過分束器的相同的路徑長度、且從分束器和偏振旋轉(zhuǎn)元件的組件出射的子光束共同形成了具有圓形橫截面的光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的照明裝置，其特征在于分束器包括具有與入射到分束器上的照明光束的主光線平行的第一面的第一棱鏡和具有與該主光線平行的第一面的第二棱鏡，這些棱鏡具有相同的折射率，雙折射材料構(gòu)成的層位于這些棱鏡的第一面之間，而所述材料的折射率之一大約等于這些棱鏡的折射率，第一棱鏡的一個第二和一個第三面-這些面以與第一面相同大小但相反的角度延伸并分別構(gòu)成了分束器的入射面和出射面，且第二棱鏡的一個第二面與第一棱鏡的第二面相平行并構(gòu)成了分束器的第二出射面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的照明裝置，其特征在于偏振旋轉(zhuǎn)元件被設(shè)置在分束器的出射面之一上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的照明裝置，其特征在于雙折射材料是液晶材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5的照明裝置，其特征在于雙折射材料是雙折射附著層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的照明裝置，其特征在于該附著層是單軸向取向聚合物層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的照明裝置，其特征在于該聚合物層是由固化液晶單體混合物物構(gòu)成的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的照明裝置，其特征在于分束器具有與主軸成大約45°角設(shè)置的膽甾醇材料層，該層將照明光束分成具有第一轉(zhuǎn)動方向的第一反射圓偏振光子光束和具有相反的第二轉(zhuǎn)動方向的第二透射圓偏振光子光束，并進(jìn)一步帶有設(shè)置在第一子光束的路徑中的一個第一反射器-該反射器與主軸平行-以及一個第二反射器，該第二反射器與膽甾醇層成大約90°角地被設(shè)置在第二子光束的路徑中，且這些反射器之一顛倒了入射到其上的子光束的轉(zhuǎn)動方向。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任何一項的的照明裝置，其特征在于光學(xué)積分器依次包括一個第一透鏡板和一個第二透鏡板，該第一透鏡板帶有多個第一透鏡，而這些第一透鏡在與從起偏系統(tǒng)出射的光束的主軸相垂直的一個平面中沿著一個第一方向具有一致的寬度并沿著與該第一方向垂直的一個第二方向具有一致的高度，且第二透鏡板帶有多個球面透鏡，這些球面透鏡的數(shù)目與第一透鏡的數(shù)目成正比，第一透鏡板將入射到其上的光束分成數(shù)目與球面透鏡的數(shù)目成正比的子光束，這些子光束的光束在球面透鏡的平面中減小直徑且其主光線指向球面透鏡的中心，這些球面透鏡以重疊的方式將形成在第一透鏡上的輻射點(diǎn)成像在所要照明的物平面或與其共扼的平面上，且第一透鏡的縱橫比對應(yīng)于物平面的縱橫比。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的照明裝置，其特征在于至少一個透鏡板的至少一個透鏡是非球形的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的照明裝置，其特征在于第一透鏡的數(shù)目等于球面透鏡的數(shù)目。
14.根據(jù)權(quán)利要求11、12或13的照明裝置，其特征在于第一透鏡具有這樣的尺寸并以如此的方式設(shè)置，即使得第一透鏡板的表面面積大約等于入射到其上的光束的橫截面積。
15.根據(jù)權(quán)利要求11、12、13或14的照明裝置，其特征在于第一透鏡板被設(shè)置在一個平面中-在該平面中形成有光源的第一象，且所述象被第二透鏡板再成像在所要照明的物平面上。
16.根據(jù)權(quán)利要求11、12、13或14的照明裝置，其特征在于在各個球面透鏡上都形成有光源的縮小的圖像。
17.一種圖像投影設(shè)備，它包括一個照明裝置、用于產(chǎn)生所要投影的圖像并帶有至少一個圖像顯示板的圖像顯示系統(tǒng)、以及用于將該圖像顯示系統(tǒng)形成的圖像投影到一個投影屏幕上的投影透鏡系統(tǒng)，其特征在于該照明裝置是如權(quán)利要求1至16中任何一項所要求的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的用于投影彩色圖像的圖像投影設(shè)備，其特征在于該圖像顯示系統(tǒng)包括用于將光束分成三不同顏色的子光束的顏色選擇分束器以及用于各個子光束的分離的圖像顯示板，以及用于將來自圖像顯示板的子光束結(jié)合成一個彩色光束的光束重新結(jié)合裝置。
19.一種彩色圖像投影設(shè)備，它帶有三個彩色信道-其每一個都包括一個照明裝置和一個圖像顯示板；光束重新結(jié)合系統(tǒng)，用于將來自彩色信道的光束結(jié)合成一個彩色光束；以及，一個投影透鏡系統(tǒng)，用于將圖像顯示板成像在一個投影屏幕上，其特征在于各個照明裝置是如權(quán)利要求1至16中任何一項所要求的裝置。
全文摘要
描述了一種照明裝置，用于提供在所要照明的物體處具有非旋轉(zhuǎn)對稱光束橫截面的線偏振光束，所述裝置包括一個光源(50)、一個反射器(80)、一個用于形成所述光束橫截面并用于實現(xiàn)該光束橫截面上的均勻光分布的光學(xué)積分器(54，82)、以及用于將該源提供的光轉(zhuǎn)換成線偏振光的起偏系統(tǒng)(20，31)，由于該起偏系統(tǒng)被設(shè)置在光學(xué)積分器之前的輻射路徑中，該裝置能夠用較少的部件并以緊湊的方式實施。該裝置可被用于圖像投影設(shè)備中而產(chǎn)生很大的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04N9/31GK1152960SQ95194085
公開日1997年6月25日 申請日期1995年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月1日
發(fā)明者A·H·J·范登布蘭特 申請人:菲利浦電子有限公司