專利名稱：用于表面均勻多色照明的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于表面均勻、多色照明的裝置。這種照明裝置常用于包括二維調(diào)光器的投影儀中，以使二維調(diào)光器的多色照明盡可能地均勻。
背景技術(shù)：
已知的用于投影儀的照明裝置通常是使用白光源，其白光首先必須分為至少三種原色光以用于顏色調(diào)制。這又導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)相對復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到這些問題，本發(fā)明的一個目的就是提供一種用于表面均勻、多色照明的裝置，其具有十分緊湊的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過一種用于對表面進(jìn)行均勻、多色照明的裝置而實現(xiàn)，其包括發(fā)射不同顏色的光的第一和第二光源，將來自于光源的光線導(dǎo)引入公共光路中的合光元件，并包括聚光系統(tǒng)，該聚光系統(tǒng)具有位于合光元件和各個光源之間的一個第一透鏡列以及在公共光路中具有正折射能力的光學(xué)元件。
使用這種裝置，為疊加來自于不同光源的光線所需的合光元件有利地設(shè)置在所述聚光系統(tǒng)中，也就是說，位于光學(xué)元件和透鏡列之間。這樣，為聚光系統(tǒng)提供的空間實質(zhì)上全部被另一光學(xué)元件即合光元件填滿，因此所述裝置整體上非常緊湊。這樣就實現(xiàn)了所述裝置理想的緊湊結(jié)構(gòu)，同時由于該聚光系統(tǒng)包括所述的透鏡列和光學(xué)元件，因此實現(xiàn)了十分均勻的照明。
本發(fā)明裝置的一個優(yōu)選實施例具有以下特征，從所述光學(xué)元件至要照明表面之間的光學(xué)距離以及光學(xué)元件至第一透鏡列之間的距離分別對應(yīng)于該光學(xué)元件的焦距。因此，該聚光系統(tǒng)對應(yīng)于在成像側(cè)具有遠(yuǎn)心光路且空間節(jié)省的巢狀聚光系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的投影裝置的另一實施例具有以下特征，即所述聚光系統(tǒng)在第一透鏡列和相應(yīng)的光源之間包括第二透鏡列，且所述第二透鏡列的透鏡的焦點優(yōu)選地位于所述第一透鏡列的鏡面上。使用兩個彼此相隨的透鏡列能夠特別容易地將均勻性調(diào)整為表面的預(yù)定高寬比，尤其當(dāng)所述表面是矩形時。因此，可使用兩個相對于彼此成90°旋轉(zhuǎn)的柱面透鏡列，從而容易調(diào)節(jié)所需的矩形高寬比。在柱面透鏡列容易制作方面這也特別有利。
所述兩個彼此相隨的透鏡列可以設(shè)置為串連透鏡列，其中所述透鏡列設(shè)置在基體的前后表面上。因此，提供了一種非常緊湊的光學(xué)元件，使得整個照明裝置具有緊湊的結(jié)構(gòu)。所述兩個透鏡列優(yōu)選為在結(jié)構(gòu)上相同且相對于彼此可調(diào)。
代替使用兩個柱面透鏡列，還可以只使用一個透鏡列，其中透鏡設(shè)置按行或列布置，因此減少了透鏡列數(shù)。這種透鏡列可以設(shè)置為使其與兩個彼此相隨且相對于彼此成90°旋轉(zhuǎn)的串連透鏡列具有同樣的效果，當(dāng)然，也可以將其設(shè)置為串連透鏡列。
還可以在所述串連透鏡列和各個光源之間設(shè)置附加串連透鏡列。在這種情況下，兩個串連透鏡列可設(shè)置為相對于彼此旋轉(zhuǎn)的串連柱面透鏡列。兩個串連透鏡列的柱面透鏡列的不同透鏡參數(shù)能夠?qū)σ彰鞅砻孢M(jìn)行最優(yōu)調(diào)整(尤其是，如果所述表面是矩形)。
特別優(yōu)選的是，本發(fā)明裝置中的光源包括至少一個發(fā)光二極管。目前可以獲得的有紅色、綠色和藍(lán)色三種原色發(fā)光二極管，具有優(yōu)良的耐久性和良好的光電性能。因此，所述照明裝置作為一個整體可具有節(jié)電的緊湊結(jié)構(gòu)。
如果每個光源都使用發(fā)光二極管，則可在發(fā)光二極管和第一透鏡列之間設(shè)置由非球面透鏡構(gòu)成的準(zhǔn)直儀光學(xué)器件。因此，就能產(chǎn)生很好的準(zhǔn)直光束。而且，可以借助于所述準(zhǔn)直儀光學(xué)元件實現(xiàn)空間節(jié)省的校準(zhǔn)。
此外，所述光學(xué)元件可以包括設(shè)置為菲涅爾透鏡的透鏡或者可以只由菲涅爾透鏡組成。這樣所帶來的好處就是使透鏡和合光元件之間的空間增大，而所述裝置的整體尺寸并不會增大。
根據(jù)本發(fā)明的投影裝置中的光學(xué)元件還可優(yōu)選設(shè)置為非球面透鏡。因而，所需的圖像特性便也可只借助于一個透鏡來實現(xiàn)。
另外，還可設(shè)置第三光源(該光源同樣優(yōu)選包括發(fā)光二極管)，其所產(chǎn)生的光由合光元件導(dǎo)入公共光路中。因此，可將優(yōu)選地發(fā)射紅、綠和藍(lán)三種原色光的三個光源用于對要照明的表面進(jìn)行均勻、多色照明。
所述光源可分別包括一個發(fā)光二極管，也可以是排列成陣列的幾個發(fā)光二極管。
第三光源優(yōu)選地具有布置在其后的第二合光元件，該元件將來自第二和第三光源的光導(dǎo)入從第二合光元件延伸至第一合光元件的光路中，所述光路中設(shè)有第一微透鏡列作為第二和第三光源的公用微透鏡陣列。因此，可以提供一種非常緊湊的照明裝置，其中兩個光源只需設(shè)置一個微透鏡列。這樣就減少了光學(xué)元件的數(shù)量，因此可降低該裝置的重量和制造成本。
所述第二合光元件和/或第一合光元件可以制成線柵偏振片或者一般的偏振分光器。這種線柵偏振片目前都是標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件，是可以購買到的。
而且，所述投影裝置還可以這樣來實施，即聚光系統(tǒng)包括位于所述第三光源和合光元件之間的第一透鏡列。在此情況下，可只借助于一個合光元件將來自第三光源的光導(dǎo)入公共光路中。這樣可形成一個十分緊湊的結(jié)構(gòu)。
所述合光元件優(yōu)選為一所謂的X棱鏡，其包括兩個交叉的優(yōu)選為相對于彼此成90°延伸的分色層，通過這些分色層，來自三個光源中的兩個的光發(fā)生反射，而來自第三光源的光則發(fā)生透射。
另外，還提供了一種包括上述的均勻多色照明裝置的投影裝置，還包括調(diào)光器、在給出的圖像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上控制所述調(diào)光器的控制元件，以及用于將所述調(diào)光器產(chǎn)生的圖像投影到投影面上的投影光學(xué)器件，其中所述調(diào)光器的圖像產(chǎn)生區(qū)域就是要照明的表面，或者要照明的表面成像到該投影產(chǎn)生區(qū)域上。
由于所述照明裝置，這種投影裝置可具有非常緊湊和小巧的結(jié)構(gòu)。最優(yōu)選地是，在光學(xué)元件和要照明表面之間還設(shè)有偏振分光器。在此情況下，所述調(diào)光器優(yōu)選為偏振感光反光器。由于所述聚光系統(tǒng)中的所述光學(xué)元件和投影面(調(diào)光器)之間的空間直接被偏振分光器用于分離on-light(顯示為亮象素的光)和out-light(顯示為暗象素的光)，所以整個投影裝置非常緊湊。
液晶或LCoS組件甚至轉(zhuǎn)鏡矩陣都可用作調(diào)光器、透射或反射光調(diào)制器。多色顯示器可借助于單色光調(diào)制器的依次調(diào)制來達(dá)到效果，因此所述調(diào)光器可連續(xù)地由光源發(fā)出的光照亮。還可設(shè)置多個調(diào)光器，其中由調(diào)光器發(fā)出的經(jīng)過調(diào)制后的光束借助于適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件而被疊加，然后借助于投影光學(xué)器件投影。


下面將結(jié)合附圖通過舉例的方式對本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的描述，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的照明裝置的第一實施例；圖2示出了圖1中的聚光系統(tǒng)的原理圖，以及圖3示出了包括根據(jù)第二實施例的照明裝置的投影儀裝置。
具體實施例方式
圖1中所示的照明裝置包括發(fā)射綠光的發(fā)光二極管1，發(fā)射紅光的發(fā)光二極管2和發(fā)射藍(lán)光的發(fā)光二極管3，它們彼此靠近以形成朗伯(Lambert)發(fā)射特性。三個發(fā)光二極管1-3中的每一個分別具有設(shè)置在其后的非球面透鏡41、42、43，用于校準(zhǔn)來自于發(fā)光二極管的光。
所述透鏡41、42、43用聚碳酸酯制成，具有以下幾何參數(shù)

在該表中，R1和R2是指相應(yīng)的第一和第二表面F1，F(xiàn)2的曲率半徑R；k1和k2是指各自的錐形常數(shù)(conical constant)k；a4-1，a4-2和a6-1，a6-2是指第一和第二表面F1和F2的第四和第六表面項a4和a6。根據(jù)下面的公式(1)可計算出像高zz=c·r21+1-(1+k)·c2·r2+α4·r4+α6·r6+...(1)]]>
其中C=1R;]]>曲面坐標(biāo)(x，y，z)且r2＝x2+y2該照明裝置還包括第一和第二合光元件5，6，其中第二合光元件6被設(shè)置為線柵偏振片，其使S向偏振紅光向右發(fā)生90°偏轉(zhuǎn)并透射P向偏振藍(lán)光，使S向偏振紅光和P向偏振藍(lán)光沿從第二合光元件6延伸至第一合光元件5的光路傳播。
由于第一合光元件5同樣被設(shè)置為線柵偏振片，該線柵偏振片反射S向偏振光且透射P向偏振光，所以疊加之后的紅光還是需要借助于第二合光元件6進(jìn)入P向偏振狀態(tài)。由于藍(lán)光已是這種情況，所以設(shè)置了顏色選擇阻擋片7，其使紅色光譜范圍內(nèi)的偏振發(fā)生約90°偏轉(zhuǎn)，使上述紅光也發(fā)射P向偏振。這樣，紅光和藍(lán)光分別在第一合光元件5上發(fā)生偏振沖擊并透射。相反，來自發(fā)光二極管1的S向偏振綠光借助于第一合光元件5向右發(fā)生90°反射，因而這三種顏色的光在第一合光元件5的后面彼此疊加在一起，并在要照明的要照明的面8上發(fā)生偏振沖擊。
在所述第一和第二合光元件5和6之間以及在第一光源1和第一合光元件5之間，分別設(shè)有兩個所謂的串連透鏡列9和10，它們與布置在第一合光元件5之后的聚焦透鏡11一起形成了一蜂巢狀的聚光系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可使要照明的要照明的面8以十分均勻的方式被照明。
此處所用的串連透鏡列9，10是指在每塊透鏡前后面上分別設(shè)有一個透鏡列91，92；101，102，它們在這種情況下是完全相同的，并可相對于彼此調(diào)整。串連透鏡列9，10的透鏡基體厚度選擇為使得前表面上的各個透鏡列91，101的焦點位于透鏡后表面上的各個透鏡92，102的透鏡主平面上。透鏡列9和10被設(shè)置為兩個互相串連的柱面透鏡，并與要照明的表面8相適應(yīng)，在本實施例中對應(yīng)于11毫米×8.5毫米。
串連透鏡9和10的特征如下表2所示。

中心厚度是指串連透鏡列的兩個透鏡列的兩個相對透鏡的至高點之間的距離。每個透鏡列91、92、101、102的像高Z由以下公式計算得出z=cx·x2+cy·y21+1-(1+kx)·cx2·x2-(1-ky)·cy2·y2]]>其中cx=1Rx;cy=1Ry,]]>曲面坐標(biāo)(x，y，z)。
此處描述的串連透鏡列中，透鏡列91，92的柱面透鏡沿X方向延伸(垂直于圖2中的圖面)，因此在這種情況下的cx＝0。透鏡列101、102的柱面透鏡沿Y方向延伸，因此，此處的cy＝0。
聚焦透鏡11的焦距為F，其中從聚焦透鏡11到第一透鏡列9的光距對應(yīng)于焦距F，且要照明的要照明的面8與聚焦透鏡11之間的距離也為焦距F。聚焦透鏡11由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制成，其直徑為22毫米，中心厚度為7.5毫米。表面F3和F4的曲率半徑分別為-20.785毫米和13.888毫米。錐度常量k1和k2分別為-9.0076和-0.8782。聚焦透鏡11的焦距F為16毫米。其像高根據(jù)公式(1)計算得出，其中最多只考慮到r的平方次。
此外，該照明裝置還包括顏色選擇阻擋片12，其只使綠光光譜范圍內(nèi)的偏振發(fā)生約90°旋轉(zhuǎn)，從而由具有相同偏振的紅光、綠光和藍(lán)光照亮要照明的面8。這是必須的，尤其是在使用偏振感光圖像發(fā)生器時(例如液晶基礎(chǔ)上的圖像發(fā)生器)。當(dāng)然，阻擋片12也可以布置在聚焦透鏡11和第一合光元件5之間。同樣，阻擋件7也可以布置在第一和第二合光元件5和6之間的任何位置上。
圖2還示出了所用聚光系統(tǒng)的光學(xué)原理。兩個串連透鏡列9、10的透鏡列91和92以及101和102彼此隔開的距離分別為透鏡列91、92和101、102的焦距f，從第一串連透鏡列9的透鏡列92到聚焦透鏡11的距離以及從聚焦透鏡11到要照明的面8的距離都等于聚焦透鏡11的焦距F。
在要照明的面8中例如可以設(shè)置透射光調(diào)制器。
圖3示出了包括根據(jù)第二實施例的照明裝置的投影儀裝置，其中相同的元件用相同的附圖標(biāo)記表示，且在此不再重復(fù)描述。與圖1所示的第一實施例相比，在圖3中只設(shè)置了一個形式為X棱鏡20的顏色合成元件，其包括兩個彼此交叉且相對于彼此成90°延伸的分色層21和22。分色層21和22是電介質(zhì)層，分色層21由HfO2-、Al2O3-、TiO2-層形成，分色層22由TiO2-和SiO2-層形成，且優(yōu)選為反射S向偏振光，因此在該X棱鏡20后面，藍(lán)光和紅光基本上都是S向偏振，透過的綠光則基本上是P向偏振。因此，設(shè)置有顏色選擇λ/2阻擋片23，其可以使綠光的偏振發(fā)生約90°旋轉(zhuǎn)。
在當(dāng)前描述的實施例中，聚焦透鏡11設(shè)置為雙透鏡系統(tǒng)，緊接其后設(shè)有預(yù)偏振片24，該預(yù)偏振片吸收或反射P向偏振光，因此只有S向偏振光會出現(xiàn)在該預(yù)偏振片后面。然后偏振分光器25將所述光反射到LCoS調(diào)制器26上(沿朝下的方向，如圖3所示)，其作為給出數(shù)據(jù)的函數(shù)使入射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)或不旋轉(zhuǎn)約90°，以分別產(chǎn)生調(diào)制光束或圖像，該光束或圖像可通過投影光學(xué)器件28投影到投影面29上。
因此，偏振分光棱鏡從LCoS調(diào)制器反射出的光中分離出out-light(其象素顯示為暗象素的光)，使得此光被反射到左邊，如圖3所示，而on-light(其象素顯示為亮象素的光)則會透射投影面29并通過投影光學(xué)器件28在投影面29上成像。因此，該偏振分光棱鏡25還用作分析器。由于所述偏振分光棱鏡25是布置在聚焦透鏡11和調(diào)光器之間的一個空間中，該空間由于巢狀聚光系統(tǒng)而存在甚至是必須設(shè)置的，所以投影裝置作為一個整體可以一種非常緊湊的方式來設(shè)計。
在此處描述的投影裝置中，調(diào)光器26依次按時以紅光、綠光和藍(lán)光照亮，因此紅光、綠光和藍(lán)光單色圖像得以連續(xù)地投影。各單色圖像之間的變化很快，致使觀看者只能察覺出單色圖像的重疊狀態(tài)，因而看到的是多色圖像?？刂圃?7設(shè)置用于控制調(diào)光器26以及光源1至3。
權(quán)利要求
1.一種用于對表面(8)進(jìn)行均勻、多色照明的裝置，包括發(fā)射不同顏色的光的第一和第二光源(1，2，3)，將來自光源(1至3)的光線導(dǎo)入公共光路中的合光元件(5)，并包括聚光系統(tǒng)，該聚光系統(tǒng)具有位于合光元件(5)和各個光源(1至3)之間的一個第一透鏡列(92)以及在公共光路中具有正折射能力的光學(xué)元件(11)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中從所述光學(xué)元件(11)至要照明表面(8)之間的光學(xué)距離以及光學(xué)元件(11)至第一透鏡列(92)之間的光學(xué)距離分別對應(yīng)于該光學(xué)元件(11)的焦距。
3.如上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中所述聚光系統(tǒng)包括位于第一透鏡列(92)和各個光源(1至3)之間的第二透鏡列(91)。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述第二透鏡列(91)的透鏡的焦點位于所述第一透鏡列(92)的鏡面上。
5.如權(quán)利要求3或4所述的裝置，其中兩個透鏡列(91，92)都設(shè)置為第一串連透鏡列(9)。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述聚光系統(tǒng)包括位于各個第一串連透鏡列(9)與各自光源(1至3)之間的第二串連透鏡列(10)。
7.如上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中至少一個透鏡列(91，92)設(shè)置為柱面透鏡列。
8.如上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中所述光源包括至少一個發(fā)光二極管。
9.如權(quán)利要求8的裝置，其中尤其由非球面透鏡構(gòu)成的準(zhǔn)直儀光學(xué)器件(41，42，43)設(shè)置在發(fā)光二極管和透鏡列(9)之間。
10.如上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中所述光學(xué)元件包括設(shè)置為菲涅爾透鏡的透鏡。
11.如上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中所述光學(xué)元件設(shè)置為非球面透鏡。
12.如上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中設(shè)有第三光源(3)，其所產(chǎn)生的光借助于合光元件(5)導(dǎo)入公共光路中。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述第三光源(3)具有布置在其后的第二合光元件(6)，該元件(6)將來自第二和第三光源的光導(dǎo)入從第二合光元件(6)延伸至第一合光元件(5)的光路中，所述光路中設(shè)有第一微透鏡列(9)作為第二和第三光源(2，3)的公用微透鏡陣列。
14.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述第二合光元件(6)設(shè)置為偏振分光器，尤其設(shè)置為線柵偏振片。
15.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述聚光系統(tǒng)包括位于第三光源和合成元件(5)之間的第一透鏡列。
16.一種包括上述權(quán)利要求中任一項所述的均勻多色照明裝置的投影裝置，其中所述投影裝置包括調(diào)光器(26)、在給出的圖像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上控制所述調(diào)光器的控制元件(27)，以及用于將所述調(diào)光器產(chǎn)生的圖像投影到投影面(28)上的投影光學(xué)器件(28)，其中所述調(diào)光器(26)的圖像產(chǎn)生區(qū)域就是要照明的表面(8)，或者要照明的表面(8)成像到該投影產(chǎn)生區(qū)域上。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中在光學(xué)元件(11)和要照明表面之間設(shè)有偏振分光器(25)。
全文摘要
提供了一種用于對表面(8)進(jìn)行均勻、多色照明的裝置，包括發(fā)射不同顏色的光的第一和第二光源(1，2，3)，將來自于光源(1至3)的光線導(dǎo)引入公共光路中的合光元件(5)，其還包括一聚光系統(tǒng)，該聚光系統(tǒng)具有位于合光元件(5)和各光源(1至3)之間的第一透鏡列(9)和位于公共光路中具有正折射能力的光學(xué)元件(11)。
文檔編號G02F1/13GK1614504SQ20041008334
公開日2005年5月11日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
發(fā)明者阿爾內(nèi)·特羅爾施, 烏韋·德特勒夫·蔡特內(nèi)爾, 彼得·施賴伯, 拉爾夫·瓦爾德霍伊斯?fàn)?申請人:卡爾蔡司耶拿有限公司