專利名稱：成像器照明系統(tǒng)及相應的投影儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圖像投影領域。更精確而言，本發(fā)明涉及發(fā)射尤其適用于成像器的系統(tǒng)的偏振照明束。
背景技術：
根據現有技術，使用透射LCOS或液晶型成像器的投影采用了具有均勻偏振光的照明系統(tǒng)。為了獲得有效的投影，該照明系統(tǒng)使來自無偏振光源的照明束偏振并轉換不期望的偏振。為此，傳統(tǒng)系統(tǒng)(蠅眼或桿積分器(rodintegrator))使用PBS(偏振分束器)光柵。
根據現有技術的一種已知技術，如Minolta公司的專利文件US 6190013所闡述，照明系統(tǒng)包括具有第一蠅眼透鏡陣列板的單個PBS半棱鏡(多層偏振分束器)。第一偏振被反射并隨后發(fā)射到第二透鏡陣列。第二偏振穿過半棱鏡并反射離開置于半棱鏡分束表面之后的反射鏡。第二偏振再次穿過半棱鏡，并通過位于第二透鏡陣列板上的λ/2(半波)片的陣列返回。
這些技術的缺點為PBS棱鏡尺寸大。此外，存在PBS反差的角度限制。另外，P偏振光線在返回到PBS時存在通量損失(稱為斜光線)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是減輕現有技術的這些缺點。
更具體而言，本發(fā)明的目的是使用具有高的發(fā)光效率的系統(tǒng)提供偏振照明。
為此，本發(fā)明提出了用于照射成像器的照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個照明源，每個照明源產生被稱為源束的照明束，該照明束具有分離的第一偏振和第二偏振。根據本發(fā)明，該系統(tǒng)的顯著特征在于進一步包括由光源照射的格柵偏振器、反射鏡和半波相移裝置；各個所述源束的第一偏振在被反射鏡反射之前穿過偏振器的偏振表面并再次穿過偏振器的偏振表面；各個源束的第二偏振被偏振器的偏振表面反射；以及，在穿過或者被偏振表面反射之后，該第一偏振和第二偏振中僅一個穿過該相移裝置，源束的第一偏振和第二偏振空間上分離。
這樣，在相移裝置之后，存在單一偏振用于照明成像器。
根據優(yōu)選特征，該系統(tǒng)的顯著特征在于其包括導光管和主光源，由主光源產生的照明束透射穿過導光管而獲得照明源。
根據一個具體特征，該導光管為桿積分器。
根據另一個特征，該系統(tǒng)的顯著特征在于其包括多個發(fā)光二極管，每個二極管與一個照明源相關聯(lián)。
根據一個優(yōu)選特征，該反射鏡的反射表面平行于偏振器的偏振表面。
有利地，格柵偏振器包括透明基板，該基板的一個面形成偏振器的偏振表面，其另一個面形成反射鏡的反射表面。
優(yōu)選地，該照明系統(tǒng)包括第一組透鏡，其包含位于該照明源和偏振器之間的至少一個聚焦透鏡，相移裝置位于兩個焦平面之間的平面上，其中該第一組將照明源聚焦，該兩個焦平面分別對應于第一偏振或第二偏振。
根據一個有利特征，該照明系統(tǒng)包括第二組透鏡和置于該第二組透鏡的第一焦平面內的成像器，該第二組透鏡的第二焦平面置于兩個焦平面之間，其中該第一組將照明源聚焦。
優(yōu)選地，該相移裝置包括基板，該基板的一個面包含半波相移帶。
本發(fā)明還涉及投影儀，包括該照明系統(tǒng)；由該照明系統(tǒng)照射的成像器；以及投影物鏡。


通過參考附圖閱讀下述描述，可以更好地理解本發(fā)明，且本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將變得顯而易見。附圖中圖1示出了根據本發(fā)明一個具體實施方案采用成像器照明系統(tǒng)的背投影儀；圖2和3示出了圖1的照明系統(tǒng)；圖4和5示意性示出了圖2和3的系統(tǒng)中所采用的照明束；圖6示出了圖2和3的系統(tǒng)中采用的偏振分束器；
圖7示出了圖6所示偏振分束器之前的源分布；圖8示出了圖6所示偏振分束器之后的源的像；以及圖9和10示出了圖2和3的系統(tǒng)所采用的偏振器的備選實施方案。
具體實施例方式
圖1說明了根據本發(fā)明一個具體實施方案的采用成像器16的照明系統(tǒng)10的背投影儀1。
背投影儀1包括照明成像器16的照明系統(tǒng)10；透射由成像器16產生的成像束15的投影物鏡11；成像束15反射離開的折疊反射鏡12和13；以及成像束15產生的圖像所投影到的屏幕14。
根據本發(fā)明，該背投影儀可相對窄。然而，由于照明系統(tǒng)10的尺寸小且照明束被折疊，因此本發(fā)明尤其適用于小厚度(例如6或9英寸的厚度)的背投影儀。當然，本發(fā)明還適用于更寬的背投影儀(例如使用單個折疊反射鏡)以及正投影儀。
圖2和3分別以側視圖和透視圖示出了照明系統(tǒng)1，該照明系統(tǒng)1照明透射LCD(液晶顯示)型的成像器16。成像器16寬度為li，高度為hi，該寬度和高度取決于待投影的圖像的縱橫比。
照明系統(tǒng)1包括產生無偏振光(即具有至少兩種不同的偏振)的多個光源，這些光源在垂直傳播軸的平面內被分離；焦距為F1的第二透鏡22(或多個透鏡的組)；格柵偏振器23；位于格柵偏振器23后的反射鏡24；半波相移裝置，例如形式為置于透明基板26(例如由玻璃制成)上的λ/2帶25，例如通過在基板26上層疊而獲得該帶25；以及焦距為F2的第二透鏡27(或多個透鏡的組)。
格柵偏振23例如由MOXTEK公司提供，一個面對應于偏振表面，另一個面例如被處理成反射的。
透鏡22的放大倍率等于G1(帶25的平面相對于導光管21的入射平面)。
優(yōu)選地，λ/2帶25在可見光譜范圍是消色的延遲隨波長而變化，使得尋常折射率和異常折射率之間的差值等于半波長除以可見光譜范圍內的帶25的厚度。
根據變形，λ/2帶25在可見光譜范圍上具有固定或者基本上固定的延遲。λ/2帶25相移了可見光譜范圍內精確頻率的半波長。優(yōu)選地，該頻率為可見光譜的中心頻率。
根據本發(fā)明一個具體實施方案，使用燈型主光源20以及高H、長L和深p的導光管產生多個光源。主光源產生的源照明束透射穿過導光管而由此獲得這些光源。導光管例如為固態(tài)桿積分器或者具有反射壁的中空導光管。
照明系統(tǒng)照明使用偏振照明束工作的成像器16。此外，根據本發(fā)明的變形，該成像器為與偏振分束器(格柵偏振器或PBS)相關聯(lián)以重新引導該成像束的LCOS(硅上液晶)型。
根據其他變形，偏振器置于成像器之前的偏振照明束路徑上，從而純化偏振并提高對比度。
圖4和5分別示意性示出了根據垂直和水平偏振用于系統(tǒng)10的照明束。
燈20照射平行z軸的導光管21的入口，該導光管的高度和深度分別平行于x軸和y軸。從導光管出射之后，出現多個虛源，形成了包括多行和多列的矩陣。
第一透鏡22將導光管21的入口成像到靠近λ/2帶25的平面，將導光管21的出口成像到無窮遠(透鏡22和導光管出口之間的距離等于F1)。因此，與導光管21入口的源相對應的多個虛源出現在λ/2帶25平面周圍。如圖所示，在圖4和5中在導光管21入口示出了三個源40至42。如圖7所示，該圖示出了置于導光管入口的虛源，這些虛源沿x軸分隔距離h，沿y軸分隔距離p。每個這些虛源發(fā)射無偏振光。
源的數目取決于燈的孔徑角度，該孔徑角度定義了光束在導光管21內反射次數。優(yōu)選地，虛源形成由至少三行和三列組成的矩陣。
位于照明束路徑中第一透鏡22后的格柵偏振器23將水平偏振分束成垂直偏振。格柵偏振器相對于z軸傾斜，優(yōu)選傾斜角為45°，其中照明束沿該z軸傳播。偏振器的格柵取向為沿x方向，垂直于由y軸和z軸定義的傳播平面。因此，照明束的垂直偏振被反射為沿y方向。然而，水平偏振穿過偏振器23的偏振表面和基底。
垂直偏振隨后穿過條25以外區(qū)域內的基板26，隨后穿過第二透鏡27，該第二透鏡27將導光管21的出口成像到成像器16上。
第一次穿過偏振器23之后，水平偏振被反射鏡24反射，其中反射鏡24平行于偏振器23的偏振表面并置成距該表面距離e。接著，照明束的水平偏振再次穿過偏振器23，入射到使偏振旋轉的條25，該水平偏振由此變?yōu)榇怪钡摹Ｍㄟ^直接透射從導光管21出射的垂直偏振以及返回水平偏振而獲得垂直偏振，因此從基板26出射時，該照明束僅包括該垂直偏振。因此，照明束的使用得到優(yōu)化。
根據備選實施方案，偏振器的格柵取向為垂直x方向。其于是為被反射的照明束的水平偏振。在本實施方案中，垂直偏振穿過偏振表面。這種情況下，從基板26出射時，照明束因此僅包括水平偏振(如果條或帶25置于相同位置)。
如圖8所示，基板為承載半波條25的玻璃板26?；逯糜谡彰魇窂街械膸?5之前或者之后無關緊要。各個列的分隔距離為G1p/2，兩個列中的一個對應于被偏振器23反射的照明束部分，另一列對應于被反射鏡24反射的照明束部分。優(yōu)選地，帶25(或基板26)的面積為使得其收集源的至少六個列，帶的數目取決于行數。更優(yōu)選地，基板26的面積為使得其收集源的至少八個列。基板的面積大于穿過透鏡27的物鏡的孔徑。
圖6詳細示出了入射偏振器23的照明束的光線60的路徑。
入射光線60與偏振器23的分束表面法線成θext角。入射光線60被偏振表面部分反射而形成垂直偏振光線61，并被部分折射而形成水平偏振光線62。光線62被反射鏡24反射而形成光線63，光線63本身被偏振表面折射而形成光線64。
偏振器23的偏振表面與反射鏡24被光學折射率為n厚度為e的材料分隔。如圖6所示，光線61和64分隔距離d，根據如下方程取決于參數n和ensin(θint)＝sin(θext)以及d＝2etan(θint)cos(θext)＝G1p/2基板26包括平行于x軸的λ/2相移帶25，該相移帶改變偏振。各個帶與相鄰帶的間隔為d，本身寬度為d。布置來使得光線61穿過基板26而不穿過帶25，并使得，對應地，光線64穿過帶25而使其偏振改變，隨后穿過第二透鏡27，該第二透鏡27將導光管21的出口成像于成像器16上。
根據本發(fā)明備選實施方案，帶25置于被偏振器23偏振表面反射的偏振的路徑內，穿過該表面的偏振不照射帶25。
因此，根據偏振器23的格柵的取向以及帶25的放置，從基板26出射的偏振是水平或者垂直的。成像器16必須根據照射其的照明束的偏振而準確地取向。
置于導光管21入口的虛源(特別是源41至42)通過第一透鏡22被聚焦到兩個平面65和67上，其中這兩個平面根據入射到偏振器23的光線的偏振而略微偏移第一平面65對應于被偏振器23反射的光線的聚焦；以及第二平面67對應于穿過偏振器23的光線的聚焦。
這兩個平面的偏移對應于這些光線之間的光程差，即Δ，其滿足如下方程Δ＝2ne/cos(θint)-2etan(θint)/sin(θext)＝2e/cos(θint)×(n-1/n).
由于優(yōu)選地偏振器的偏振表面23與反射表面24之間的光程相對較小，所以兩個偏振之間的光程差本身相對較小，如同焦平面65和67之間的偏移。λ/2帶25置于介于焦平面65和67之間的平面66內。優(yōu)選地，平面66為平面65和67中心平面。因此，兩個偏振在帶25嚴格地空間分離。
此外，第一透鏡22將導光管21的出口成像于無窮遠(透鏡22和導光管出口之間的距離等于F1)。
一方面透鏡27和帶25的平面的分隔距離，以及另一方面透鏡27與成像器16的分隔距離都等于焦距F2。更準確地，成像器16位于透鏡27的第一焦平面內，而透鏡27的第二焦平面位于透鏡22的焦平面65和67之間，且優(yōu)選地位于平面65和67的中心平面內。這樣，對成像器的照明得到優(yōu)化。
此外，角度θext優(yōu)選地介于30°和60°之間。根據本發(fā)明的各種實施方案，大范圍的數值是可能的。實際上，格柵偏振器具有對入射角相對不靈敏的對比度的優(yōu)點。更為優(yōu)選地，角度θext等于45°。
照明系統(tǒng)的幾何結構還可實現照明束折疊，由此降低整體尺寸(特別是在用于窄的背投影儀或正投影儀的情況下)。因此可以根據所考慮的投影儀的具體空間限制而有利地選擇θext的值。
基板26沿x軸的尺寸為hs，沿y軸的尺寸為li。根據照射其的虛源的數目而選擇基板26的尺寸。
如所示，照明系統(tǒng)的參數可如下d＝2.5mm；n＝1.5(玻璃)；e＝3.3mm；p＝9mm時G1＝0.55(導光管剖面為9mm×5.06mm)。
導光管的尺寸通常部分地由成像器的縱橫比(例如3/4或16/9)、燈的焦點的尺寸設置，從而具有良好的收集；并由成像器的尺寸設置，從而具有約2的放大倍率(其他放大倍率也是可以的)。
小剖面的導光管使得系統(tǒng)工作時具有大角度的固定范圍(通常為15°至25°之間)。
燈20也可以是相對大功率的，因為不同于PBS偏振器，格柵偏振器23可很好地承受高光通量水平。
此外，這種偏振器還具備提供大的波長不靈敏對比度的優(yōu)點。
圖9示出了根據本發(fā)明可以用于替代偏振器23和反射鏡24的偏振器90。
偏振器90包括與偏振器23類似的格柵偏振器91和基板92，其中基板92例如由玻璃制成，在其一個面上覆蓋了反射表面93。
圖10示出了根據本發(fā)明還可以用于替代偏振器23和反射鏡24的偏振器95。
偏振器95包括與偏振器23類似的格柵偏振器96和例如由玻璃制成的基板98?；?8和偏振器96被薄的空氣層97分隔。基板98在其一個面上覆蓋了反射表面99，該反射表面優(yōu)選地與空氣層97共面。
當然，本發(fā)明不限于上述實施方案。
本發(fā)明具體涉及采用具有偏振光的照明束的各種投影儀，特別是背投影儀或正投影儀。此外，這些投影儀可包含或者不包含一個或多個平坦或彎曲折疊反射鏡。
根據本發(fā)明的不同實施方案，照明系統(tǒng)相對于成像器以各種方式放置和取向。根據優(yōu)選實施方案，其可特別地沿照射該成像器的成像束的軸旋轉180°。在投影至4/3或16/9屏幕的情形，或者更通常地當一個尺寸大于另一個尺寸時，這些源優(yōu)選地沿較長尺寸翻倍。在其他實施方案中，該旋轉等于±90°。其可相對遠離投影物鏡，該投影物鏡與投影儀結構的整體幾何結構相匹配。該物鏡使得具體地可將由成像器產生的圖像聚焦到屏幕上，并同時限制失真。然而，該投影物鏡優(yōu)選地盡可能靠近照明系統(tǒng)。
根據本發(fā)明的一個實施方案(未示出)，使用多個LED(發(fā)光二極管)獲得多個光源，各個LED對應于光源。優(yōu)選地，各個LED與光學裝置相關聯(lián)，以均勻地照射成像器。該光學裝置可以是反射器或恰當的準直或收集裝置。
權利要求
1.一種用于照射成像器(16)的照明系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)包括多個照明源(40，41，42)，并具有分離的第一偏振和第二偏振，每個所述照明源產生被稱為源束的照明束，其特征在于所述系統(tǒng)進一步包括反射鏡(24)、半波相移裝置(25)和由所述源束照射的格柵偏振器(23，90，95)；每個所述源束的所述第一偏振(64)在被所述反射鏡反射之前穿過所述偏振器的偏振表面并再次穿過所述偏振器的偏振表面；每個所述源束的所述第二偏振(61)被所述偏振器的偏振表面反射；以及在穿過所述偏振表面或者被反射離開所述偏振表面之后，所述第一偏振和第二偏振中僅一個穿過所述相移裝置，所述源束的所述第一偏振和第二偏振在空間上分離。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于其包括導光管(21)和主光源(20)，由所述主光源產生的照明束透射穿過所述導光管而獲得所述照明源。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述導光管為桿積分器。
4.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括多個發(fā)光二極管，每個所述二極管與一個所述照明源相關聯(lián)。
5.如權利要求1至4任何一個所述的系統(tǒng)，其特征在于所述反射鏡(24，99)的反射表面平行于所述偏振器(23)的偏振表面。
6.如權利要求1至5任何一個所述的系統(tǒng)，其特征在于所述格柵偏振器包括透明基板，所述透明基板的一個面形成所述偏振器的偏振表面，其另一個面形成所述反射鏡的反射表面。
7.如權利要求1至6任何一個所述的系統(tǒng)，其特征在于所述照明系統(tǒng)包括第一組透鏡(22)，其包含位于所述照明源和所述偏振器之間的至少一個聚焦透鏡，所述相移裝置位于兩個焦平面之間的平面(66)上，其中所述第一組將所述照明源聚焦，所述兩個焦平面分別對應于所述第一偏振或所述第二偏振。
8.如權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于所述照明系統(tǒng)包括第二組透鏡(27)和置于所述第二組透鏡的第一焦平面內的所述成像器(16)，所述第二組透鏡的第二焦平面置于所述兩個焦平面(65，67)之間，其中所述第一組將所述照明源聚焦。
9.如權利要求1至6任何一個所述的系統(tǒng)，其特征在于所述相移裝置包括基板，所述基板的一個面包含半波相移帶。
10.一種投影儀，包括如權利要求1至9任何一個所述的照明系統(tǒng)；由所述照明系統(tǒng)照射的成像器；以及投影物鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于照射成像器(16)的照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個照明源，每個照明源產生具有分離的第一偏振和第二偏振的源束。為了優(yōu)化源束的效果，源束照射格柵偏振器(23)，一個偏振在被反射鏡(24)反射之前穿過偏振器的偏振表面并再次穿過該偏振表面；第二偏振被偏振表面反射，這兩個偏振由此在空間上分離；接著，半波相移裝置(25)僅使兩個偏振之一發(fā)生相移。本發(fā)明還涉及包括該照明系統(tǒng)、該成像器以及投影物鏡的投影儀。
文檔編號H04N5/74GK1977208SQ200580021660
公開日2007年6月6日 申請日期2005年6月28日 優(yōu)先權日2004年7月2日
發(fā)明者帕斯卡爾·貝努瓦 申請人:湯姆森特許公司