專利名稱：用于投影儀的成像系統(tǒng)和對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。具體而言，本發(fā)明涉及正投影類型的視頻投影儀或者背向投影儀(rear projector)中的成像系統(tǒng)或用于成像器的照明系統(tǒng)。
背景技術：
根據(jù)技術背景，如圖1所示，照明系統(tǒng)10被用來對長16mm、寬10mm的透射LCD型成像器11進行照明。
常規(guī)的，照明系統(tǒng)10包括-具有橢圓形反射器的照明源100；-色輪107；-矩形導向器102，其長為4cm左右，橫截面小于成像器11的橫截面的0.5倍；以及-由若干中繼透鏡103至105構成的系統(tǒng)。
照明源100用光束101照射位于矩形導向器102的入口處、照明源100的橢圓形反射器的焦點上的色輪107。矩形導向器102用來將照明光束的圓形橫截面轉(zhuǎn)換成矩形橫截面，并使光束在空間上均勻。該系統(tǒng)例如為2000年7月14日公開的CANON KK公司的專利文件JP2000-193911中所述的系統(tǒng)。
導向器102的輸出通過由至少兩個而經(jīng)常為三個或四個中繼透鏡構成的系統(tǒng)被成像在成像器11上，其中照明優(yōu)選是遠心的(telecentric)。
如果成像器11是DMD類型(來自得州儀器公司的“數(shù)字微鏡器件”)的，則在照明系統(tǒng)10和成像器11之間設置一TIR棱鏡，以便分光。如果成像器11是透射LCD類型(“液晶顯示器”)的，則TIR棱鏡不是必需的，或者如果成像器11是LCOS類型(“硅上液晶”)的，則該棱鏡可以用PBS替代。
本領域技術目前存在的主要缺陷在于光學部件的數(shù)量(通常為一個導向器和至少兩個中繼透鏡)以及/或者它們(透鏡或棱鏡)的尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于緩解現(xiàn)有技術中的這些缺陷。
具體而言，本發(fā)明的目的是簡化圖像投影儀中的照明系統(tǒng)的結構。
為此，本發(fā)明提出了一種用于投影儀的成像系統(tǒng)，其包括-照明源，其產(chǎn)生由若干種顏色構成的、稱為白色光束的照明光束；-至少一個色輪，用于將聚焦在所述色輪上的所述白色光束轉(zhuǎn)變成按顏色排序的光束；-積分儀導向器(integrator guide)；-成像器，所述系統(tǒng)的特點在于其在所述色輪和所述積分儀導向器之間包括至少一個準直透鏡。
優(yōu)選，所述成像器設置在所述導向器之后，而在所述導向器和所述成像器之間沒有中繼透鏡。
根據(jù)一具體特性，所述成像器是反射型的，并且該系統(tǒng)在所述導向器的出口和所述成像器之間包括一棱鏡。
根據(jù)一優(yōu)選特性，所述棱鏡設置成緊接在所述導向器的出口之后。
根據(jù)一具體特性，所述成像器是DMD成像器，并且所述棱鏡是非偏振分光的全內(nèi)反射棱鏡。
根據(jù)另一特性，所述成像器是LCOS成像器，并且所述棱鏡是偏振分光棱鏡。
根據(jù)另一特性，所述成像器是透射型的，并且設置成緊接在所述導向器之后。
根據(jù)一優(yōu)選特性，所述準直透鏡包括至少一個凸表面。
優(yōu)選地，所述系統(tǒng)在所述色輪和所述導向器之間包括單個透鏡。
優(yōu)選，所述導向器的長度大于一定值，使得所述導向器的出口處的照明基本上均勻。
優(yōu)選地，所述導向器的光學長度大于或等于6cm，更優(yōu)選地是大于或等于8cm。
根據(jù)一優(yōu)選特性，所述導向器的橫截面大于或等于所述成像器的橫截面的0.6倍，而小于或等于所述成像器的橫截面的0.9倍。
本發(fā)明還涉及包括上述根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和投影物鏡的投影儀。


通過閱讀以下結合附圖做出的描述，可以更好地理解本發(fā)明，而且其它的特征和優(yōu)點也會變得顯而易見。所述附圖中圖1示出了本身已知的照明系統(tǒng)；圖2是根據(jù)本發(fā)明的投影儀的一個非常示意性的圖示；圖3示出了在圖2所示投影儀中實現(xiàn)的照明系統(tǒng)；圖4示出了圖3所示照明系統(tǒng)的棱鏡；圖5示出了在圖2所示投影儀的成像器平面中的照明光束強度；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的變形、實現(xiàn)LCOS的照明系統(tǒng)；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的變形、實現(xiàn)反射型LCD的照明系統(tǒng)。
具體實施例方式
本發(fā)明使得可以將中繼透鏡配置在導向器的出口處，以減小靠近成像器的光學元件(具體而言為棱鏡)的尺寸，從而減小用于投影儀的照明系統(tǒng)的成本。例如，設置在LCOS成像器前方的PBS棱鏡(或“偏振分光器”)可以比根據(jù)現(xiàn)有技術得到的更小，因為根據(jù)現(xiàn)有技術的中繼透鏡必須是遠心的，因此對于反射型成像器而言必須尺寸較大。此外，機械結構以及組裝的簡化可以降低制造成本。
圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的背向投影儀2的非常示意性的圖示。
投影儀2包括-照明成像器208的照明系統(tǒng)20(整體形成一成像系統(tǒng))；-接收由照明系統(tǒng)20產(chǎn)生的照明光束26并產(chǎn)生光束25的物鏡21；-用光束25照明的背向投影屏幕24；和-使光束25折返從而使得可以減小投影儀2的深度P的兩個折返反射鏡22和23。
物鏡21、反射鏡22和23及屏幕24，以及它們的布置都是本領域技術人員所公知的，在此不再詳細說明。
圖3詳細示出了在平面xy內(nèi)照明系統(tǒng)20對成像器208的照明，其中包括
-具有橢圓形反射器的照明源200，所述橢圓形反射器表現(xiàn)出大約30°的聚焦度(degree of focusing)；-色輪202；-一組準直透鏡2030和2031；-具有反射外表面(除了入口2041和出口2042)的中空矩形導向器204；和-TIR棱鏡205。
成像器208是反射型DMD類型(來自得州儀器公司的“數(shù)字微鏡器件”)的，并且例如長為16mm，寬10mm。當其被照明光束207照明時，其產(chǎn)生成像光束26(對應于黑色像素的未被使用的光束部分用虛線表示)。
照明源200用光束201照明設置在照明源200的橢圓形反射器的焦點處的色輪202。
光束201也聚焦在色輪202上。
透鏡2030和2031優(yōu)選尺寸較小，從而可以降低成本。它們的橫截面優(yōu)選略微大于導向器204的橫截面，以便確保機械保持力(例如，它們的直徑比導向器的對角線大2mm)。
矩形導向器204用于將照明光束的圓橫截面轉(zhuǎn)換成矩形橫截面，并使該光束空間上均勻。其長度為8cm左右。其尺寸適應于成像器208的尺寸以及源200的聚焦度，以便以基本上均勻的方式照明成像器208。通常，矩形導向器的長度至少為現(xiàn)有技術中的長度的兩倍，以便獲得具有良好均勻性的用于照明成像器的光束207。具體而言，照明光束201的光線的角度一般小于現(xiàn)有技術中的角度。優(yōu)選，導向器的長度和橫截面適應于成像器208的尺寸以及源200的聚焦度。優(yōu)選，導向器204的長度大于或等于6cm，更優(yōu)選為8cm。
根據(jù)本發(fā)明的變形，導向器204是實心的，其由具有反射外表面的透明材料構成。其長度取決于材料的折射率n。一般，所述長度對應于折射率與中空導向器的長度的乘積。因此，對于折射率n等于1.5的情況，其長度優(yōu)選等于9cm(即6×1.5cm)，更優(yōu)選為12cm(即8cm×1.5)。
根據(jù)圖3所示模式，或者根據(jù)變型，優(yōu)選導向器204的橫截面在成像器208的橫截面S的0.6和0.9倍之間(0.6S≤s≤0.9S)。更優(yōu)選的是，導向器204的橫截面s在成像器208的橫截面S的0.7和0.9倍之間(0.7S≤s≤0.9S)
透鏡2030和2031優(yōu)選是平凸或雙凸的，使得可以在導向器204中獲得準遠心的光線，優(yōu)選最大射束孔徑小于或等于12°。更優(yōu)選的是，最大射束孔徑小于或等于物鏡的孔徑。透鏡2030和2031使得不必(象現(xiàn)有技術中一樣)在導向器204的出口處設置中繼透鏡。它們的功能實質(zhì)上是基本準直通過入口2041進入導向器204的光束。此外，TIR棱鏡205優(yōu)選設置成緊接在導向器204的出口2042之后，并且優(yōu)選鄰接出口2042，以便防止照明光束在導向器204和棱鏡205之間擴散，由此造成效率損失。這同時也使得可以減小照明系統(tǒng)的比例，有利于其制造。
TIR棱鏡205尤其可以防止由反射型DMD產(chǎn)生的成像光束返回導向器204。
因此，在導向器204和棱鏡205之間沒有中繼透鏡，從而可以降低成本和減小導向器出口處的TIR棱鏡的尺寸。此外，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的構造還使得可以相對于現(xiàn)有技術中所使用的TIR棱鏡，減小TIR棱鏡的尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的變型，兩個透鏡2030和2031用單個準直透鏡替代，該準直透鏡是雙凸或者平凸的，其提供相同的準直功能。
根據(jù)另一個變形實施例，兩個準直透鏡2030和2031用至少三個準直透鏡(例如，三個、四個等)來替代。
圖4示出了空間xyz中棱鏡205的透視圖。
具體地說，棱鏡205具有高度h(沿y軸)和寬度l(沿z軸)，它們分別大于導向器204的出口2042的高度和寬度，使得從導向器204出射的所有光通量都進入棱鏡205，并且在分光表面上的反射以及隨后在反射鏡206上的反射都基本上沒有光通量損失。
另外，棱鏡205具有深度p(沿x軸)。
通過圖示，根據(jù)一特定實施例，我們設想成像器206橫截面S等于17.51mm×9.85mm，導向器204的橫截面s等于11.38mm×6.40mm(則比例s/S為0.65)。我們還設想TIR棱鏡的高度h等于45.50mm，深度p等于29.50mm，寬度l等于28.40mm。這些尺寸比現(xiàn)有技術的任何照明系統(tǒng)中使用的TIR小大約20％。
圖5示出了成像器208的平面中光束207的光強。
因此，可以注意到，照明成像器的光通量非常均勻，分別對應于照度的70％和50％的區(qū)域51和52基本上為矩形，并且?guī)缀跖c成像器208的表面重合。對應于90％的區(qū)域50也基本上為矩形，并且以成像器208為中心。
本發(fā)明所適用的成像器并不一定是透射型LCD(“液晶顯示器”)類型的成像器，本發(fā)明可以與任何類型的成像器，尤其是DMD(來自得州儀器公司的“數(shù)字微鏡器件”)或LCOS(“硅上液晶”)類型的。
圖6示出了實現(xiàn)LCOS(“硅上液晶”)類型的成像器62。在LCOS的情況下，TIR棱鏡用PBS 61(或“偏振分光器”)替代。
具體而言，系統(tǒng)60包括-照明源200；-色輪202；-一組準直透鏡2030和2031；-矩形導向器204；和-PBS棱鏡(偏振分光器)61。
系統(tǒng)20和60通用的元件使用相同名稱和標號，以下不再描述。
LCOS成像器62具有例如16mm的長度和10mm的寬度。當其被照明光束64照射時，其產(chǎn)生成像光束63。被成像器62返回的成像光束63被PBS61的分光表面返回向物鏡21。
導向器204的橫截面s在成像器62的橫截面S的0.6和0.9倍之間(0.6S≤s≤0.9S)。更優(yōu)選的是，導向器204的橫截面s在成像器62的橫截面S的0.7和0.9倍之間(0.7S≤s≤0.9S)PBS棱鏡61設置成緊接在導向器204的出口2042之后，優(yōu)選鄰接導向器204的出口2042，以防止照明光束在導向器204和棱鏡61之間擴散從而導致效率損失。
因此，在導向器204和棱鏡61之間沒有中繼透鏡，從而可以降低成本和減小導向器出口處的PBS棱鏡的尺寸。此外，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的構造還使得可以相對于現(xiàn)有技術減小PBS棱鏡的尺寸。
圖7示出了實現(xiàn)透射型LCD類型的成像器71的照明系統(tǒng)70。該實施例在導向器的出口處不包括任何棱鏡。
具體而言，系統(tǒng)70包括-照明源200；-色輪202；-一組準直透鏡2030和2031；和
-矩形導向器204。
系統(tǒng)20和70通用的元件具有相同的名稱，并且以下將不再說明。
透射型LCD成像器71具有例如16mm的長度和10mm的寬度。當其被照明光束照射時，其產(chǎn)生成像光束72。
透射型LCD成像器71設置成緊接在導向器204的出口2042之后，優(yōu)選鄰接導向器204的出口2042，以防止照明光束在導向器204和成像器71之間擴散從而導致效率損失。
因此，在導向器204和成像器71之間沒有中繼透鏡，從而可以降低系統(tǒng)的成本。
當然，本發(fā)明不限于上述實施例。
本發(fā)明與各種類型、尺寸和形狀的成像器兼容。因此，本發(fā)明適用于用于任何類型的成像器并且具有用于成像器的正確操作所必需的適配裝置的照明系統(tǒng)(例如TIR或PBS或任何其它適合的類型的棱鏡)。
本發(fā)明還適用于除了具有透光色段的色輪以外的其它類型的濾色器。其尤其適用于根據(jù)反射模式使用色輪的情況，或者更一般地說，適用于適合于進行圖像投影的色輪(具體而言，適用于用兩個(或更多)色輪替代一個色輪的情況)。
根據(jù)一變形實施例，本發(fā)明還適用于在導向器的出口和成像器或棱鏡之間，或者在棱鏡和成像器之間設置其它光學元件的情況。
本發(fā)明類似地適用于任何類型的產(chǎn)生包括若干種顏色的光束(例如白色光束包括整個光譜或者簡單地包括可見光譜種的一部分)、向一個或多個色輪上聚焦的光源，例如具有反射器的燈，LED(發(fā)光功率二極管)。從而，當色輪旋轉(zhuǎn)時，包括若干種顏色的光束被轉(zhuǎn)變成按顏色排序的光束。
此外，本發(fā)明適用于任何類型的實現(xiàn)上述照明系統(tǒng)的投影儀，特別是適用于實現(xiàn)成像器的正投影儀或背向投影儀(特別適用于透射型LCD、DMD或LCOS類型微顯示器)。
權利要求
1.一種用于投影儀(2)的成像系統(tǒng)(20、60、70)，其包括照明源(200)，其產(chǎn)生由若干種顏色構成的、稱為白色光束的照明光束(201)；至少一個色輪(202)，用于將聚焦在所述色輪上的所述白色光束轉(zhuǎn)變成按顏色排序的光束；積分儀導向器(204)；成像器(206、62、71)，其特征在于，所述系統(tǒng)在所述色輪和所述積分儀導向器之間包括至少一個準直透鏡(2030、2031)。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述成像器設置在所述導向器之后，而在所述導向器和所述成像器之間沒有中繼透鏡。
3.如權利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述成像器(206、62)是反射型的，并且所述系統(tǒng)在所述導向器的出口和所述成像器之間包括一棱鏡(205、61)。
4.如權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述棱鏡設置成緊接在所述導向器的出口之后。
5.如權利要求3或4所述的系統(tǒng)，其中，所述成像器(206)是DMD成像器，并且所述棱鏡(205)是非偏振分光的全內(nèi)反射棱鏡。
6.如權利要求3或4所述的系統(tǒng)，其中，所述成像器(62)是LCOS成像器，并且所述棱鏡(61)是偏振分光棱鏡。
7.如權利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述成像器(71)是透射型的，并且設置成緊接在所述導向器之后。
8.如權利要求1-7中任何一個所述的系統(tǒng)，其中，所述準直透鏡(2030、2031)包括至少一個凸表面。
9.如權利要求1-8中任何一個所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)在所述色輪和所述導向器之間包括單個透鏡。
10.如權利要求1-9中任何一個所述的系統(tǒng)，其中，所述導向器的長度大于一定值，使得所述導向器的出口處的照明基本上均勻。
11.如權利要求1-10中任何一個所述的系統(tǒng)，其中，所述導向器的光學長度大于或等于6cm。
12.如權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述導向器的光學長度大于或等于8cm。
13.如權利要求1-12中任何一個所述的系統(tǒng)，其中，所述導向器的橫截面大于或等于所述成像器的橫截面的0.6倍，而小于或等于所述成像器的橫截面的0.9倍。
14.一種投影儀(2)，其包括根據(jù)權利要求1-13中任何一個所述的系統(tǒng)(20、60、70)以及投影物鏡(21)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于投影儀(2)的成像系統(tǒng)，其包括照明源(200)，其產(chǎn)生由若干種顏色構成的、稱為白色光束的照明光束(201)；至少一個色輪(202)，用于將聚焦在所述色輪上的所述白色光束轉(zhuǎn)變成按顏色排序的光束；積分儀導向器(204)；和成像器(206)。根據(jù)本發(fā)明，該系統(tǒng)在所述色輪和所述積分儀導向器之間包括至少一個準直透鏡(2030、2031)。本發(fā)明還涉及具有所述系統(tǒng)的投影儀。
文檔編號H04N9/31GK1837893SQ20061005920
公開日2006年9月27日 申請日期2006年3月15日 優(yōu)先權日2005年3月22日
發(fā)明者瓦爾特·德拉齊克, 卡萊德·薩拉耶丁 申請人:湯姆森特許公司