專利名稱：圖像投影系統(tǒng)或者可視化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于投影或者可視化圖像的系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種包括具有光學(xué)積分器的照明裝置的這種類型的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
為了投影或者可視化圖像，已知使用例如，由諸如透射型或者反射型液晶系統(tǒng)的光閥(optical valve)組成的成像器，其中，將每一個圖像形成器(image-formatter)元件的透明度被控制為要形成圖像的每一個點(diǎn)的亮度的函數(shù)。
在投影的情況下，由照明裝置來提供光能量，其中最經(jīng)常地，該照明裝置由燈和反光器組成，反光器用于將光束定向到光閥。
因為在系統(tǒng)中存在許多的光損失，需要成像器的照明是均勻的并且使用較高的光通量來執(zhí)行成像器的照明，以使投影或者可視化的圖像正確地再現(xiàn)在閥中形成的圖像。特別是由于照明來自具有有限范圍的光源，并且由于照明光源由非偏振光組成，因此，不容易解決這個問題。液晶閥使用偏振光進(jìn)行工作，然而，這需要在閥的輸入端和輸出端使用偏光器。這些偏光器極大地降低了在系統(tǒng)輸出端的光通量。
為了避免以上的缺陷，已經(jīng)提出了幾種解決方案。
第一解決方案在于使用與偏振分光器關(guān)聯(lián)的光學(xué)積分器。圖1表示該解決方案的實例。在該實例中，照明裝置1包括與反光器3關(guān)聯(lián)的光源2組成。積分器4收集由反光器3反射的、使用箭頭f表示的光束，以下將更詳細(xì)地描述這一情況。反光器3由將與會聚透鏡關(guān)聯(lián)的拋物面反光器、或者橢圓反光器組成，光源位于橢圓的焦點(diǎn)的其中之一上。積分器4由具有與成像器相同的長寬比的兩個透鏡陣列4a和4b組成。設(shè)置第二陣列4b的透鏡，以使這些透鏡在成像器7上形成第一陣列4a的透鏡的圖像。此外，在圖1的實施例中，在積分器4的輸出端設(shè)置了偏振分光器或者PBS 5。定位PBS，以便在PBS的每一個第二梯形元件中交替地形成、由積分器4的第一透鏡陣列4a形成的光源的實際圖像，而在下面將會更詳細(xì)地描述PBS。如圖2所示，在這種情況下使用的偏振分光器或者PBS 5由一排元件50組成，每一個元件50由透射光的元件51分離。由透射光的材料形成的元件50是梯形形狀的元件，該元件在接收光的表面上，可以有選擇地具有吸收層52，以及在其中一個側(cè)面上，具有執(zhí)行偏振分光的薄膜53。在與輸入面相反的面上，元件50具有用于將p偏振轉(zhuǎn)換為s偏振的半波膜54，以及在表面53上，元件50具有膜55，該膜反射偏振光，但并不修改該偏振光。這些不同的元件是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的，并且不將作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
因此，圖2的PBS行5按照以下的方式工作。由偏振分光器膜53來分路到達(dá)透明元件的輸入面的非偏振光，以致于該偏振分光器膜將P偏振光透射到元件50，并且將s偏振光反射到元件51。然后通過半波膜，將透射的偏振光轉(zhuǎn)換為s偏振光，在圖2中為該光束指定參考符號S1。此外，由下一個元件50的面54來反射已經(jīng)反射到元件51上的光，并且以參考符號為s2的s偏振光束的形式出現(xiàn)。為了獲得平行光束S1和S2，側(cè)面54和53相對于光束的方向傾斜45°。如果將半波膜放置在元件51上而不是元件50上，則還可以獲得p偏振輸出光束。
在圖1所表示的系統(tǒng)中，透鏡6位于偏振分光器5之后，該透鏡將第一陣列4a的透鏡的圖像疊放在由諸如液晶閥組成的成像器7上。在這種情況下，由正確偏振的光束均勻地照射成像器。
然而，系統(tǒng)需要在液晶閥的前面使用物鏡，該物鏡的功能是在接物鏡(objective)的入瞳上形成光源的圖像。但是，特別在成像器為反射型的系統(tǒng)的情況下，由于尺寸的緣故，該透鏡存在問題。
此外，在這樣的系統(tǒng)中，不可能產(chǎn)生對成像器的遠(yuǎn)心型(telecentric-type)照射。當(dāng)在成像器的任何一點(diǎn)，主光線與成像器的表面垂直時，照射是遠(yuǎn)心型的。這樣的照射特征具有兩個主要的優(yōu)點(diǎn)1)不再需要具有物鏡，2)既然主光線都與光軸平行地排列，由于光通過雙色分色鏡，因此在屏幕上將不會有空間上的顏色變化的問題。
此外，對于上述的系統(tǒng)，不能修改照射的表面區(qū)域而使其能夠適合具有不同尺寸的閥。
為了克服成像器的照射均勻性的問題，還提出在照射裝置的輸出使用積分器管。該管的目的是混合來自光源的光，以便產(chǎn)生對成像器的均勻照射。選擇積分器管以使它的輸出面具有與成像器相同的長寬比，也就是說，當(dāng)舉例來說，系統(tǒng)被用于電視時，使用4∶3或者16∶9的比率。在本系統(tǒng)中，借助于透鏡的系統(tǒng)，在成像器上形成積分器的端面的圖像。該系統(tǒng)具有更加均勻地照射成像器的優(yōu)點(diǎn)，以及具有與成像器相同的長寬比的光束的優(yōu)點(diǎn)。然而，當(dāng)成像器由液晶閥組成時，需要使用偏振器，該偏振器在光到達(dá)成像器之前，會吸收超過50％的光。此外，吸收的光被轉(zhuǎn)換為熱，該熱量可能會損壞偏振器的性能。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種新穎的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以獲得具有較高的光通量，并且具有較小的散熱的均勻照射。
本發(fā)明另一目的是提供一種新穎的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以容易地適合于幾種尺寸的光閥。
因此，本發(fā)明涉及一種用于投影和可視化圖像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有成像器；用于照射成像器的裝置，該裝置包括光源、以及用于將來自光源的光束指向成像器的裝置；由光導(dǎo)組成的光學(xué)積分器，所述的光導(dǎo)之后跟隨著用于將在光導(dǎo)內(nèi)光束反射期間產(chǎn)生的虛照明光源指向成像器的裝置，其特征在于該系統(tǒng)包括在用于指引虛照明光源的裝置之后的偏振分光器裝置；以及用于指引虛照明光源的裝置執(zhí)行將所述的虛光源成像到偏振分光器裝置上。對于上述的系統(tǒng)，通過使用由虛光源組成的多個照明光源，獲得對成像器的均勻照射。
依據(jù)不同的實施例，光導(dǎo)是反射型的。因此，光導(dǎo)可以由其內(nèi)壁是反射鏡的中空管形成，或者由諸如玻璃的材料的固體棒組成，其中反射以全內(nèi)反射的方式發(fā)生。依據(jù)成像器的橫截面，該光導(dǎo)可以具有平行六面體的形狀、或者具有矩形或者也可能為方形橫截面的截棱錐的形狀。此外，光導(dǎo)的輸出橫截面具有與成像器相同的長寬比，并且光導(dǎo)的輸入面位于用于將來自光源的光束指向成像器的裝置的焦平面上。用于將來自光源的光束指向成像器的所述裝置可以由與會聚透鏡關(guān)聯(lián)的橢圓反光器或者拋物面反光器組成。
依據(jù)本發(fā)明的其他的特征，用于指引虛照明光源的裝置由至少一個第一透鏡組組成。偏振分光器裝置由與半波膜關(guān)聯(lián)的薄膜偏振分光器元件形成的行組成，其中半波膜用于將所有非偏振的光束轉(zhuǎn)換為單一的偏振光。分光器元件組由相互平行的梯形元件形成。用于將光導(dǎo)的輸出成像到成像器上的第二透鏡組位于偏振分光器裝置的后面。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，第二透鏡組包括可以在PBS的輸出之間移動的透鏡，以及將光束聚焦到成像器上的透鏡，從而使該裝置適合各種尺寸的閥。該特征還可以將照射的尺寸優(yōu)化為閥的定位公差的函數(shù)，以便獲得最大限度的通量。
此外，在第二透鏡組和成像器之間設(shè)置收集透鏡，以致于在輸出時，所有的光束到達(dá)成像器，也就是說，在偏振分光器側(cè)，第一透鏡組是遠(yuǎn)心的，而在輸入端和輸出端，即在偏振分光器側(cè)和在成像器側(cè)，第二透鏡組是遠(yuǎn)心的。依據(jù)優(yōu)選的實施例，成像器由液晶閥組成。


通過閱讀參考附圖而在以下給出的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，圖1是依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有包括光學(xué)積分器的照明系統(tǒng)的投影系統(tǒng)的示意圖，已經(jīng)對其進(jìn)行了描述，圖2是一行偏振分光器元件或者PBS的示意的截面圖，圖3A和3B是對于可移動透鏡的不同位置，依據(jù)本發(fā)明的具有包括光學(xué)積分器的照明裝置的投影系統(tǒng)的示意圖，圖4和5是圖3中的元件的局部視圖，從而可以解釋本發(fā)明工作的方式，圖6表示由圖5的系統(tǒng)創(chuàng)建的多個光源的位置，圖7A和7B是圍繞在圖3A和3B中分別表示的PBS的透鏡系統(tǒng)的示意圖，圖8A和8B是光導(dǎo)的另一的實施例的示意透視圖，圖9A和9B示意地顯示在圖8a中的該類型的光導(dǎo)中的光束的路徑，以及圖10表示由圖9A和9B的系統(tǒng)獲得的多個虛光源的位置。
為了簡化描述，在圖中相同的元件表示相同的參考符號。
具體實施例方式
首先，將參考圖3A和3B描述依據(jù)本發(fā)明的投影系統(tǒng)的實施例。示意性地，依據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)具有由光源11和用于將光束指向成像器17上的反光器12組成的照明裝置10。依據(jù)本發(fā)明，將由積分器光導(dǎo)13組成的光學(xué)積分器系統(tǒng)設(shè)置在反光器12之后。在光導(dǎo)的輸出設(shè)置第一透鏡14，然后設(shè)置偏振分光器或者PBS15、第二透鏡組16、以及成像器17。現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述本系統(tǒng)的各個元件。在所表示的實施例中，光源11由放電燈即氙或者M(jìn)HL類型的弧光燈組成。由反光器12將來自光源11的光束指向成像器17。反光器12可以是與會聚透鏡關(guān)聯(lián)的拋物面反光器，該會聚透鏡被放置在拋物面反光器的輸出端，以便聚焦已經(jīng)反射到積分器光導(dǎo)13的光束。反光器還可以由橢圓反光器組成，光源的位置與橢圓的第一焦點(diǎn)對齊，而光導(dǎo)13的輸入面位于橢圓的第二焦點(diǎn)的平面上。在所表示的實施例中，光導(dǎo)13由直角平行六面體組成，也就是說，由輸出橫截面具有與成像器相同的長寬比的管組成。該管具有四個反射面。并且該管充滿空氣。光導(dǎo)還可以由按照全內(nèi)反射工作的玻璃棒組成。選擇管的長度以便在該管的輸出端獲得照射的均勻性，以及特別地如圖9所示，通過多次反射傳播輸入端的光直到管的末端。通過透鏡系統(tǒng)14，將來自光導(dǎo)13的光束指向偏振分光器或者PBS 15，以下將更詳細(xì)地描述這一情況。偏振分光器15由一行諸如參考圖2所描述的元件組成。透鏡14的系統(tǒng)執(zhí)行將在光導(dǎo)內(nèi)的多次反射期間獲得的虛光源陣列(圖5和6)，成像到偏振分光器元件的行上，以下將會更詳細(xì)地描述這一情況。將來自PBS15的s偏振光線或者p偏振光線通過透鏡系統(tǒng)16，發(fā)送到成像器17上，在所表示的實施例中，成像器由液晶閥組成。依據(jù)本發(fā)明，透鏡系統(tǒng)16包括固定透鏡16a和可移動透鏡16b，它們一起將光導(dǎo)的輸出13b成像到成像器17上。可移動透鏡改變照射成像器的光矩形尺寸的放大倍數(shù)，并且固定的透鏡將光束聚集到可移動透鏡。在圖3A的實施例中，透鏡16b位置離PBS 15較近，并且照射與圖3B的情況相比具有更小尺寸的成像器，在圖3B中，透鏡10b離透鏡16a較近。
現(xiàn)在將參考圖4、5和6，更具體地描述本發(fā)明的工作原理。在這些圖中，所示的元件具有與圖3中的相似元件相同的參考符號。所使用的反光器是拋物面反光器12，該反光器與會聚透鏡18關(guān)聯(lián)，以便將由反光器12反射的光線發(fā)送到光導(dǎo)13的輸入端。在光導(dǎo)13，發(fā)生多次反射，并且如圖4所示，混合在13b從光導(dǎo)13發(fā)出的光線。然而，如果通過沿著每一條光線追溯到位于透鏡18的焦平面上的光導(dǎo)13的輸入面級，而研究從13b發(fā)出的光線的起點(diǎn)，則觀察到的一系列的多個光源與輸入平面13a平齊。通過借助于消除側(cè)壁的光線追蹤程序來散焦光導(dǎo)的輸出，以及將反光鏡定位到光導(dǎo)的輸出，可以可視化這多個光源。如圖3所示，在不同的反射期間于光導(dǎo)內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了這些虛光源。如圖6的輻射圖所示，定位這多個虛光源VS。依據(jù)本發(fā)明，將位于光導(dǎo)的輸入側(cè)上的虛光源VS的行成像到PBS行15上，而將形成均勻照射的矩形開口的光導(dǎo)的輸出側(cè)直接成像到成像器17上。特別地，借助于在圖7A和7B中所示的透鏡系統(tǒng)來獲得這一成像。使用形成輸出13b的圖像的透鏡系統(tǒng)可以在具有低損失的成像器上獲得較高的光通量，由于PBS 15的使用，可以正確地偏振光通量。如圖7A和7B所示，形成虛光源的圖像的透鏡系統(tǒng)14由第一透鏡14a和第二透鏡14b組成，第二透鏡14b與透鏡14a互補(bǔ)。在由圖7所示的特定實施例中，透鏡系統(tǒng)14形成其瞳孔位于組14的外部的準(zhǔn)直儀。在PBS的輸出，還包括具有固定透鏡16a和可移動透鏡16b的透鏡系統(tǒng)16，以上已經(jīng)解釋了該系統(tǒng)的作用。固定透鏡16a將光線集中到成像器上，可移動透鏡16b改變13b的圖像的放大倍數(shù)。
使用上述的系統(tǒng)，可以獲得較高的照明均勻性和效率，并且照明的尺寸最優(yōu)地適合于成像器的各種尺寸。此外，在最后的步驟，將光傳輸?shù)酵队巴哥R的入瞳。由于執(zhí)行成像器的照射以使其為遠(yuǎn)心的，所以不需要使用物鏡。此外，在這樣的系統(tǒng)中，可以在成像器17和透鏡系統(tǒng)16之間插入分色組件，以便照射三個圖像，其中對于每一個顏色一個圖像。由剛好在投影透鏡之前的另一分色組件(color separation cube)執(zhí)行顏色的重組。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于分色組件的照射大致上是遠(yuǎn)心的，導(dǎo)致屏幕上幾乎沒有顏色位移。
現(xiàn)在將描述上述系統(tǒng)的實際實施例。該實施例用于仿真。

配置7A

配置7B(只改變透鏡16b的位置)現(xiàn)在將參考圖8到10，描述光導(dǎo)的另一實施例。如圖8A和8B所示，光導(dǎo)20和21可以依據(jù)成像器的橫截面，由具有矩形或者方形橫截面的截棱錐組成。
在圖8A中，光導(dǎo)20具有大于輸出橫截面20b的輸入橫截面20a，而在圖8B中，光導(dǎo)21具有小于輸出橫截面21b的輸入橫截面21a。在兩種情況下，側(cè)壁20c、20d和21c、21d的角度略微傾斜，從而可以精確地控制在偏振分光器或者PBS中光源的定位，以便透射最優(yōu)化的光通量。
在分別表示在圖8A中的光導(dǎo)20的Zx和Zy上的截面圖的圖9a和9b中，已經(jīng)表示了在輸出20b的光束去往符號表示為22的PBS的路徑。光導(dǎo)的特定形狀，可以變換如圖10所示的相對于彼此的光源的虛像VS，還可以優(yōu)化在PBS中的實際光源的定位，其中光導(dǎo)的形狀為水平的(圖9A)和垂直的(圖9B)。
顯然，僅僅是通過說明的方式給出了上述實施例，可以對其進(jìn)行修改而不脫離后面的權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于投影或者可視化圖像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有成像器(17)；用于照射成像器的裝置，該裝置包括光源(11)、以及用于將來自光源的光束指向成像器的裝置(12)；由光導(dǎo)組成的光學(xué)積分器(13，20，21)，所述光導(dǎo)之后跟隨著用于在光導(dǎo)內(nèi)的光束反射期間將虛照射源指向成像器的裝置，其特征在于該系統(tǒng)包括在用于指引虛照射源的裝置(14)之后的偏振分光器裝置(15)，以及用于指引虛照射源的裝置執(zhí)行將所述的虛光源成像到偏振分光器裝置(15)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于光導(dǎo)(13、20、21)是反射型的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的系統(tǒng)，其特征在于光導(dǎo)是平行六面體或者截棱錐形的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2和3所述的系統(tǒng)，其特征在于光導(dǎo)由其內(nèi)壁是反光鏡的中空管形成，或者由以全內(nèi)反射工作的諸如玻璃的固體棒組成。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一個所述的系統(tǒng)，其特征在于光導(dǎo)的截面具有與成像器相同的長寬比。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一個所述的系統(tǒng)，其特征在于光導(dǎo)的輸入面位于用于將來自光源的光束指向成像器的裝置(12)的焦平面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于用于將來自光源的光束指向成像器的裝置(12)由與匯聚透鏡關(guān)聯(lián)的橢圓反光器或者拋物面反光器組成。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于用于指引虛照明光源的裝置由至少一個透鏡的組(14)組成。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于偏振分光器裝置由與半波膜關(guān)聯(lián)的薄膜偏振分光器元件形成的行組成，其中半波膜用于將所有的非偏振光束轉(zhuǎn)換為單一的偏振光。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于把用于將偏振分光器裝置的輸出成像到成像器上的第二透鏡組(26)設(shè)置在偏振分光器裝置之后。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于第二組(61)中的透鏡的至少一個(16a)可以在偏振分光器裝置和成像器之間移動，以把照射調(diào)節(jié)到成像器的尺寸。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于在偏振分光器裝置所處的一側(cè)的第一透鏡組(14)是遠(yuǎn)心的，并且在分光器裝置和成像器之間的第二透鏡組(16)是遠(yuǎn)心的。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于成像器是液晶光閥。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于投影或者可視化圖像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有成像器(17)；用于照明成像器的裝置，該裝置包括光源(11)、用于將來自光源的光束指向成像器的裝置(12)由光導(dǎo)組成的光學(xué)積分器(13、20、21)，所述的光導(dǎo)之后跟隨著用于在光導(dǎo)內(nèi)的光束反射期間將虛照明光源指向成像器的裝置，該系統(tǒng)具有在用于將虛照射光源指向成像器的裝置(14)之后的偏振分光器裝置(15)，其中用于指引虛照射光源的裝置執(zhí)行將所述的虛光源成像到偏振分光器裝置(15)上。本發(fā)明特別應(yīng)用于LCD成像器。
文檔編號G02F1/13357GK1547679SQ02804039
公開日2004年11月17日 申請日期2002年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月24日
發(fā)明者瓦爾特·德拉日奇, 德尼·巴塔雷爾, 巴塔雷爾, 瓦爾特 德拉日奇 申請人:湯姆森許可貿(mào)易公司