專利名稱：包括光分離/集成器件的照明光學(xué)系統(tǒng)及其圖像顯示設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及照明光學(xué)系統(tǒng)和包括該照明光學(xué)系統(tǒng)的圖像顯示設(shè)備，更具體地涉及設(shè)置具有衍射裝置的光分離/集成器件的照明光學(xué)系統(tǒng)和包括該照明光學(xué)系統(tǒng)的圖像顯示設(shè)備。
背景技術(shù)：
圖1是在US 5,625,738中公開的用于均勻照明光閥的設(shè)備的示意圖。參看圖1，普通照明設(shè)備包括具有聚焦反射鏡6的光源4；聚光鏡8，它靠近光源4用于收集來自光源4的光；光通道2，用于接收聚光鏡8收集的光。光通道2可以是具有內(nèi)反射壁的空腔或是由光透射材料填充的空間。光通道2長度為L、并具有矩形截面。
從光源4發(fā)出的光以與線16即光通道2的縱軸形成角“u”的角度入射到光通道2，而后光強(qiáng)被均勻化、同時(shí)該光通過光通道2。通過光通道2的光被中繼裝置10整形并傳送到光閥12。
為了表現(xiàn)彩色圖像，這種普通照明設(shè)備還包括設(shè)置在聚光鏡8與光通道2之間的光路上的用作彩色切換器件的濾色器、色盤、或X立方體(X-cube)，以便根據(jù)預(yù)定波長分離光線。但是，當(dāng)用色盤或?yàn)V色器分離光線時(shí)，只有白光中的單色光束穿過色盤或?yàn)V色器的預(yù)定區(qū)，于是導(dǎo)致光效率下降。當(dāng)使用X立方體時(shí)，由于從現(xiàn)有光源入射的光發(fā)散，使得在界面處X立方體涂層的光反射率或透射率下降，所以，發(fā)射光的整體效率下降。這是因?yàn)閄立方體涂層的光反射率或透射率取決于光的發(fā)散角。
另外，用于使光強(qiáng)度均勻的諸如光通道2的光元件在從光源入射的光的數(shù)值孔徑很小時(shí)必需被加長。因此，難以用這種光元件制作重量輕、體積小的圖像顯示設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的照明光學(xué)系統(tǒng)，該照明光學(xué)系統(tǒng)通過調(diào)整入射到該照明光學(xué)系統(tǒng)中的光分離/集成器件上的光的發(fā)散角而使光強(qiáng)度均勻化，該照明光學(xué)系統(tǒng)減少了中繼透鏡的數(shù)量，因此減小了光損耗、同時(shí)使廉價(jià)的圖像顯示設(shè)備具有高的亮度和畫面質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一個照明光學(xué)系統(tǒng)，該照明光學(xué)系統(tǒng)包括發(fā)光光源；和光分離/集成器件。該光分離/集成器件具有至少設(shè)置在一個入射側(cè)的衍射器件，該衍射器件衍射該光以將入射角減小到預(yù)定范圍。
光分離/集成器件可以是X立方體，衍射器件是衍射光學(xué)元件(DOE)或全息光學(xué)元件(HOE)。
優(yōu)選地，該照明光學(xué)系統(tǒng)還包括位于光源與光分離/集成器件之間的光路上的光導(dǎo)單元。該光導(dǎo)單元可以是光纖。
優(yōu)選地，該照明光學(xué)系統(tǒng)還包括位于光源與光分離/集成器件之間的中繼透鏡單元。
優(yōu)選地，該照明光學(xué)系統(tǒng)還包括位于光源與光分離/集成器件之間的光路分離器件，光路分離器件反射入射光并使出射光直接向前傳送。
該光路分離器件可以是全內(nèi)反射(TIR)棱鏡。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一個圖像顯示設(shè)備，它包括照明光學(xué)系統(tǒng)，該照明光學(xué)系統(tǒng)包括發(fā)光光源、和光分離/集成器件，該光分離/集成器件具有至少設(shè)置在一個入射側(cè)的衍射器件，該衍射器件衍射該光以將入射角減小到預(yù)定范圍；成像光學(xué)系統(tǒng)，它調(diào)制來自照明光學(xué)系統(tǒng)的入射光以形成圖像；和投影光學(xué)系統(tǒng)，將從成像光學(xué)系統(tǒng)反射的光投影到屏幕上。
優(yōu)選地，該光分離/集成器件是X立方體，衍射器件是DOE或HOE。
優(yōu)選地，該圖像顯示設(shè)備還包括位于光源與光分離/集成器件之間的光路上的光導(dǎo)單元。該光導(dǎo)單元可以是光纖。
成像光學(xué)系統(tǒng)包括一個控制板，該控制板根據(jù)圖像信號調(diào)制從照明光學(xué)系統(tǒng)入射的光、以產(chǎn)生圖像。
優(yōu)選地，照明光學(xué)系統(tǒng)還包括玻璃通道，該玻璃通道使光分離/集成器件與控制板之間的光強(qiáng)均勻化。
優(yōu)選地，成像光學(xué)系統(tǒng)還包括位于玻璃通道與控制板之間的光路上的光路分離器件，該光路分離器件反射入射光并使出射光一直向前。該光路分離器件可以是TIR棱鏡。
優(yōu)選地，成像光學(xué)系統(tǒng)還包括位于玻璃通道與光路分離器件之間的光路上的聚光鏡。
這里，投影光學(xué)系統(tǒng)包括投影透鏡，該投影透鏡將成像光學(xué)系統(tǒng)形成的圖像投影到屏幕上。
優(yōu)選地，照明光學(xué)系統(tǒng)還包括位于光源與光分離/集成器件之間的光路上的中繼透鏡。
優(yōu)選地，成像光學(xué)系統(tǒng)包括位于光分離/集成器件與投影光學(xué)系統(tǒng)之間的光路上的中繼透鏡。
成像光學(xué)系統(tǒng)還可包括位于光源與光分離/集成器件之間的光路上的光路分離器件，該光路分離器件反射入射光并使出射光一直向前。該光路分離器件可以是TIR棱鏡。
本發(fā)明提供衍射器件，它用于光分離/集成器件、以便調(diào)整入射到光分離/集成器件上的光的發(fā)散角，從而提高在光分離/集成器件內(nèi)反射光的效率。另外，由于衍射器件可具有光焦度，所以能減少用于均勻光強(qiáng)度的中繼透鏡的數(shù)量。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所作的具體說明，將使本發(fā)明的上述內(nèi)容和優(yōu)點(diǎn)變得更加清楚，在附圖中圖1是US 5,625,738中公開的用于均勻照明光閥的設(shè)備的示意圖；圖2是表示本發(fā)明第一實(shí)施例的照明光學(xué)系統(tǒng)和包括該照明光學(xué)系統(tǒng)的圖像顯示設(shè)備的示意圖；圖3是基于入射角度的變化用于不同波長光的X立方體透射率的曲線圖；圖4A是本發(fā)明第一實(shí)施例的包括X立方體的照明光學(xué)系統(tǒng)的模擬透視圖，該X立方體具有位于其入射側(cè)的用于單色光源的衍射器件；圖4B是形成在圖4A所示的X立方體上的環(huán)形圖案衍射器件的平面圖；圖4C是基于衍射器件半徑的衍射效率的曲線圖；圖5是表示本發(fā)明第二實(shí)施例的照明光學(xué)系統(tǒng)和包括該照明光學(xué)系統(tǒng)的圖像顯示設(shè)備的示意圖；
圖6A和6B是在本發(fā)明第二實(shí)施例的照明光學(xué)系統(tǒng)中、當(dāng)X立方體不具有衍射光學(xué)元件(DOE)和X立方體具有DOE時(shí)、與從X立方體所發(fā)射光的角度相對應(yīng)的光強(qiáng)曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面，將結(jié)合附圖對于照明光學(xué)系統(tǒng)及具有該照明光學(xué)系統(tǒng)的圖像顯示設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)地說明。
圖2是表示本發(fā)明第一實(shí)施例的照明光學(xué)系統(tǒng)和包括該照明光學(xué)系統(tǒng)的圖像顯示設(shè)備的示意圖。參看圖2，本發(fā)明第一實(shí)施例的照明光學(xué)系統(tǒng)包括光源22-1，它發(fā)射具有不同波長的不同彩色的光束；X立方體22-2，在其每個光入射側(cè)上設(shè)有衍射器件21。衍射器件21分別調(diào)整從光源22-1入射的不同彩色光束的入射角。光纖23也設(shè)置在每個光源與X立方體22-2的相應(yīng)側(cè)之間，以便將X立方體22-2上的光入射角調(diào)整到預(yù)定范圍內(nèi)。玻璃通道25設(shè)置在從X立方體22-2發(fā)射的光的光路上，以使光強(qiáng)度均勻。
諸如衍射光學(xué)元件(DOE)或全息光學(xué)元件(HOE)的光學(xué)器件被用作衍射器件21、并可直接形成在X立方體22-2的入射側(cè)或分開制作后安裝到X立方體22-2上。X立方體22-2是光分離/集成器件，它包括透射光或反射光的X形涂層。X立方體22-2的涂層具有基于光入射角的不同的反射率和透射率，所以必須將涂層上的光入射角調(diào)整到預(yù)定范圍內(nèi)、以減小光損失。
圖3是基于入射角度的變化用于不同波長光的X立方體透射率的曲線圖。參看圖3，當(dāng)具有400nm-700nm范圍波長的光以0角度入射到X立方體22-2的涂層上時(shí)(即，X-Cube-p_0的情況)，透射率最高。當(dāng)入射角增加時(shí)，透射率降低。當(dāng)入射角超過11度(X-Cube-p_11)且至少是12度(X-Cube-p_12)時(shí)，透射率降到50％以下。
照明光學(xué)系統(tǒng)22包括衍射器件21，衍射器件21衍射從光纖23入射的光，使該光以最小為0度、最大為4-8度的發(fā)散角入射到X立方體22-2的涂層上，從而使X立方體22-2的透射率增加70％或更大、以使透射光的損失最小。不過，圖3所示的透射率只是一個實(shí)例，當(dāng)形成高質(zhì)量的涂層時(shí)、該透射率可增加80％或更大。另外，具有衍射器件21的光分離/集成器件不限于X立方體22-2。
包括用作具有衍射器件的光分離/集成器件X立方體22-2的照明光學(xué)系統(tǒng)22被整體設(shè)置在圖2所示的圖像顯示設(shè)備內(nèi)。參看圖2，光從照明光學(xué)系統(tǒng)22的光源22-1發(fā)出，而后透射通過具有全反射的光纖23，之后在形成有涂層的X立方體22-2的界面分離成具有不同波長的紅(R)、綠(G)和蘭(B)光束。R、G、和B光束入射到成像光學(xué)系統(tǒng)24、并根據(jù)電圖像信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生圖像。用投影光學(xué)系統(tǒng)26將該圖像投影到屏幕(未示出)上。
成像光學(xué)系統(tǒng)24包括聚光鏡27，它收集從玻璃通道25入射的光；控制板24-1，它根據(jù)電圖像信號轉(zhuǎn)換從聚光鏡27入射的光以形成圖像；和光路分離器件24-2，它設(shè)置在聚光鏡27和控制板24-1之間的光路上，用于將從聚光鏡27入射的光反射到控制板24-1、并把從控制板24-1反射的光傳送到投影光學(xué)系統(tǒng)26。數(shù)字微反射鏡器件(DMD)和全內(nèi)反射(TIR)棱鏡可分別用作控制板24-1和光路分離器件24-2。另外，硅基液晶(liquid crystal on silicon)(LCOS)和偏振分束器(PBS)也可分別用作控制板24-1和光路分離器件24-2。
投影光學(xué)系統(tǒng)26包括投影透鏡26-1，投影透鏡26-1將從控制板24-1反射并穿過光路分離器件24-2的光發(fā)射到屏幕上，從而再現(xiàn)控制板24-1所產(chǎn)生的圖像。成像光學(xué)系統(tǒng)24和投影光學(xué)系統(tǒng)26也可根據(jù)需要設(shè)置聚光鏡或?qū)Ч庠?br> 圖4A是本發(fā)明一個實(shí)施例的包括X立方體22-2的照明光學(xué)系統(tǒng)的模擬透視圖，該X立方體22-2具有位于其入射側(cè)的用于單色光源的衍射器件21a。圖4B是形成在環(huán)形圖案中的衍射器件21a的平面圖。
參看圖4A，通過光纖23傳輸?shù)墓獗谎苌淦骷?1a衍射而使該光以最小為0度、最大為4-8度的發(fā)散角入射到X立方體22-2并且以最大的光效率從X立方體22-2輸出。形成在X立方體22-2上的環(huán)形圖案具有約0.2nm的半徑、并且可用作機(jī)械不規(guī)則形光柵的DOE或用作由參考光與標(biāo)準(zhǔn)光之間的干涉圖案形成光柵的HOE。當(dāng)衍射器件21被用作HOE時(shí)，光輸出的衍射角可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)光柵間距、即柵距和適當(dāng)調(diào)節(jié)光柵深度而進(jìn)行調(diào)整。
圖4C是基于衍射器件從形成在X立方體22-2入射側(cè)上的衍射器件21a的中心計(jì)算的半徑的衍射效率的曲線圖。參看圖4C，在入射側(cè)中心的衍射效率是98.7％。盡管在半徑增加時(shí)衍射效率反復(fù)地提高和降低，但最小衍射效率仍大于97％。從圖4C所示的曲線可知，能通過適當(dāng)調(diào)節(jié)柵距和光柵深度而將光的發(fā)散角在最大的4-8度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整的衍射器件21a具有超過97％的高衍射效率。
圖5是表示本發(fā)明第二實(shí)施例的照明光學(xué)系統(tǒng)32和包括該照明光學(xué)系統(tǒng)32的圖像顯示設(shè)備的示意圖。參看圖5，照明光學(xué)系統(tǒng)32包括光源32-1，它發(fā)射白光；X立方體32-2，它具有在其入射側(cè)上用于調(diào)節(jié)從光源32-1入射的光的發(fā)散角的衍射器件31和通過波長將入射光分離成R、G和B光束并透射和反射R、G和B光束的涂層。玻璃通道33也設(shè)置在光源32-1與X立方體32-2之間的光路上、用以使光強(qiáng)度均勻。中繼透鏡35可設(shè)置在玻璃通道33前面的光路中以使光強(qiáng)度均勻。中繼透鏡35可用于準(zhǔn)直該光束。光路分離器件32-3設(shè)置在中繼透鏡35與X立方體32-2之間的光路中。光路分離器件32-3將來自中繼透鏡3 5的光反射到X立方體32-2、并將來自X立方體32-2的光傳送到投影光學(xué)系統(tǒng)36。
與本發(fā)明第一實(shí)施例中的照明光學(xué)系統(tǒng)32中的衍射器件21相似，設(shè)置在X立方體32-2入射側(cè)的衍射器件31具有光柵，該光柵使光衍射角在最小的0度與最大的4-8度之間調(diào)整，從而使X立方體32-2內(nèi)的光分離和集成時(shí)的光損失最小。另外，本發(fā)明第二實(shí)施例設(shè)置在照明光學(xué)系統(tǒng)中的衍射器件31具有光焦度，所以用于均勻光強(qiáng)的中繼透鏡35的數(shù)量可減少，因而可使照明光學(xué)系統(tǒng)32小型化。與第一實(shí)施例的衍射器件21相似，衍射器件31被用作DOE或HOE。
設(shè)有第二實(shí)施例的照明光學(xué)系統(tǒng)32的圖像顯示設(shè)備還包括成像光學(xué)系統(tǒng)34，它具有三個控制板34-1，控制板34-1接收來自照明光學(xué)系統(tǒng)32的光并根據(jù)電圖像信號調(diào)制接收的光以產(chǎn)生圖像；和投影光學(xué)系統(tǒng)36，它具有投影透鏡36-1，投影透鏡36-1將來自成像光學(xué)系統(tǒng)34的反射光投影到屏幕(未示出)。在需要時(shí)，成像光學(xué)系統(tǒng)34和投影光學(xué)系統(tǒng)36還可包括聚光鏡或?qū)Ч庠?br> 圖6A和6B是在本發(fā)明第二實(shí)施例的照明光學(xué)系統(tǒng)中、當(dāng)X立方體31不具有DOE和X立方體31具有DOE時(shí)、與從X立方體31所發(fā)射光的角度的相對應(yīng)的光強(qiáng)曲線圖。參看圖6A，當(dāng)X立方體31不具有DOE時(shí)，光強(qiáng)在0-±10度的角范圍內(nèi)是均勻的，因此可知在光束傳送時(shí)光損失增加。反之，參看圖6B，當(dāng)X立方體31具有DOE時(shí)，光強(qiáng)在0度角附近很高、并具有Δ函數(shù)分布。因此可知，盡管光束傳送，但光損失明顯下降。
本發(fā)明提供用于光分離/集成器件的諸如X立方體的衍射器件、以便調(diào)節(jié)入射到光分離/集成器件的光的發(fā)散角，從而使光在X立方體內(nèi)的涂層上透射和反射，進(jìn)而降低光損失并提高輸出到成像光學(xué)系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)的光效率。此外，由于可減少設(shè)置在照明光學(xué)系統(tǒng)中的中繼透鏡的數(shù)量，因此，可制作出重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單的圖像顯示設(shè)備。
雖然已結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例具體說明了本發(fā)明，但以上僅是對優(yōu)選實(shí)施例的說明而并不限制本發(fā)明。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，各種衍射器件和具有該衍射器件的光分離/集成器件均可被使用。因此，本發(fā)明的范圍不被上述的具體說明所限定、而由所附的權(quán)利要求書限定。
如上所述，在本發(fā)明的照明光學(xué)系統(tǒng)和具有該照明光學(xué)系統(tǒng)的圖像顯示設(shè)備中，設(shè)置用于光分離/集成器件的衍射器件，以使光以預(yù)定范圍內(nèi)的發(fā)散角入射到光分離/集成器件，從而使光分離/集成器件中的光損失最小。另外，由于該衍射器件具有光焦度，所以可減少中繼透鏡的數(shù)量，因此，可制作出重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單的圖像顯示設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一個照明光學(xué)系統(tǒng)，包括光源，用于發(fā)光；和光分離/集成器件，該光分離/集成器件具有至少設(shè)置在一個入射側(cè)的衍射器件，該衍射器件衍射該光以將入射角減小到預(yù)定范圍。
2.一個如權(quán)利要求1的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，該光分離/集成器件是X立方體。
3.一個如權(quán)利要求1或2的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，該衍射器件是衍射光學(xué)元件或全息光學(xué)元件。
4.一個如權(quán)利要求1或2的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，還包括位于光源與光分離/集成器件之間的光路上的光導(dǎo)單元。
5.一個如權(quán)利要求4的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，該光導(dǎo)單元是光纖。
6.一個如權(quán)利要求1或2的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，還包括位于光源與光分離/集成器件之間的中繼透鏡單元。
7.一個如權(quán)利要求1或2的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，還包括位于光源與光分離/集成器件之間的光路分離器件，該光路分離器件反射入射光并使出射光直接向前傳送。
8.一個如權(quán)利要求7的照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，該光路分離器件是全內(nèi)反射棱鏡。
9.一個圖像顯示設(shè)備，包括照明光學(xué)系統(tǒng)，該照明光學(xué)系統(tǒng)包括發(fā)光光源、和光分離/集成器件，該光分離/集成器件具有至少設(shè)置在一個入射側(cè)的衍射器件，該衍射器件衍射該光以將入射角減小到預(yù)定范圍；成像光學(xué)系統(tǒng)，它調(diào)制來自照明光學(xué)系統(tǒng)的入射光以形成圖像；和投影光學(xué)系統(tǒng)，它將從成像光學(xué)系統(tǒng)反射的光投影到屏幕上。
10.一個如權(quán)利要求9的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，該光分離/集成器件是X立方體。
11.一個如權(quán)利要求9的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，該衍射器件是衍射光學(xué)元件或全息光學(xué)元件。
12.一個如權(quán)利要求9的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，還包括位于光源與光分離/集成器件之間的光路上的光導(dǎo)單元。
13.一個如權(quán)利要求12的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，該光導(dǎo)單元是光纖。
14.一個如權(quán)利要求9的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，該成像光學(xué)系統(tǒng)包括控制板，該控制板根據(jù)圖像信號調(diào)制從照明光學(xué)系統(tǒng)入射的光、以產(chǎn)生圖像。
15.一個如權(quán)利要求14的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，該照明光學(xué)系統(tǒng)還包括玻璃通道，該玻璃通道使光分離/集成器件與控制板之間的光強(qiáng)均勻化。
16.一個如權(quán)利要求15的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，該成像光學(xué)系統(tǒng)還包括位于玻璃通道與控制板之間的光路上的光路分離器件，該光路分離器件反射入射光并使出射光一直向前。
17.一個如權(quán)利要求16的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，該成像光學(xué)系統(tǒng)還包括位于玻璃通道與光路分離器件之間的光路上的聚光鏡。
18.一個如權(quán)利要求9的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，該投影光學(xué)系統(tǒng)包括投影透鏡，該投影透鏡將成像光學(xué)系統(tǒng)形成的圖像投影到屏幕上。
19.一個如權(quán)利要求9的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，該照明光學(xué)系統(tǒng)還包括位于光源與光分離/集成器件之間的光路上的中繼透鏡。
20.一個如權(quán)利要求9或14的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，該成像光學(xué)系統(tǒng)包括位于光分離/集成器件與投影光學(xué)系統(tǒng)之間的光路上的中繼透鏡。
21.一個如權(quán)利要求9或14的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，成像光學(xué)系統(tǒng)還可包括位于光源與光分離/集成器件之間的光路上的光路分離器件，該光路分離器件反射入射光并使出射光一直向前。
22.一個如權(quán)利要求16的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，該光路分離器件是全內(nèi)反射棱鏡。
23.一個如權(quán)利要求21的圖像顯示設(shè)備，其特征在于，該光路分離器件是全內(nèi)反射棱鏡。
全文摘要
提供具有衍射器件的照明光學(xué)系統(tǒng)和包括該照明光學(xué)系統(tǒng)的圖像顯示設(shè)備。所述照明光學(xué)系統(tǒng)，包括光源，用于發(fā)光；和光分離/集成器件，該光分離/集成器件具有至少設(shè)置在一個入射側(cè)的衍射器件，該衍射器件衍射該光以將入射角減小到預(yù)定范圍。該圖像顯示設(shè)備，包括所述的照明光學(xué)系統(tǒng)；成像光學(xué)系統(tǒng)，它調(diào)制來自照明光學(xué)系統(tǒng)的入射光以形成圖像；和投影光學(xué)系統(tǒng)，它將從成像光學(xué)系統(tǒng)反射的光投影到屏幕上。
文檔編號H04N9/31GK1467536SQ03106759
公開日2004年1月14日 申請日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月25日
發(fā)明者李迎鐵 申請人:三星電子株式會社