專利名稱：用于投影系統(tǒng)的高效弧光燈照明器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及弧光燈照明器。
背景技術(shù)：
單面板滾動彩色投影顯示系統(tǒng)的特征在于諸如液晶顯示(LCD)面板(panel)的單個光調(diào)制器面板具有個別圖像元素或像素的光柵，利用水平延伸的紅、綠、藍照明條(bar)或條帶(stripe)對面板照明。這些條帶在面板上垂直地連續(xù)滾動，同時利用對應著當時入射條帶色彩的顯示信息對像素行同步尋址。例如，參見1994年3月25日授予P.Janssen的美國專利5,410,370“Single panel color projectionvideo display improved scanning”和1995年5月16日授予P.Janssen等人的美國專利5,416,514“Single panel colorprojection video display having control circuitry forsynchronizing the color illumination system withreading/writing of the light valve”。
在三面板液晶顯示(LCD)投影儀中常用的照明器采用高強度弧光燈來提供投影系統(tǒng)所需的強度等級(level of intensity)。這種照明器利用透鏡陣列使來自弧光燈的光在光閥上同樣也在屏幕上均勻化(homogenize)。美國專利5,986,809描述了一種照明器，其中是這樣來改善照明的均勻一致性將一個源光束分離成會聚在一個會聚位置的多個中間光束；使中間光束聚光；將每個中間光束空間分離成S偏振光束(polarized beam)和P偏振光束；和然后使偏振的光束重疊。
盡管這種照明器確實能實現(xiàn)均勻照明，卻沒有按最佳可能的途徑利用角度空間。對于一個具有小角度范圍的滾動彩色系統(tǒng)，這會導致亮度比理論上可能的亮度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種開頭段落中所述類型的弧光燈照明器，用于提供較高亮度。
為了實現(xiàn)這一目的，在權(quán)利要求1中限定了根據(jù)本發(fā)明的弧光燈照明器。
用于投影系統(tǒng)的一種弧光燈照明器包括一個或多個偏振變換系統(tǒng)，用來橫向擴展弧光影像，產(chǎn)生一個或多個主、次弧光影像。對于單面板滾動彩色投影系統(tǒng)，主、次影像被間隔開，以允許交錯，從而形成近似滾動條帶的幾何結(jié)構(gòu)的延伸弧光影像。
按照一個實施例，弧光燈照明器具有用于沿第一和第二路徑投影弧光影像的一對投影透鏡。對于每條路徑，此照明器包括偏振變換系統(tǒng)、用于將投影的弧光影像引導(direct)到偏振變換系統(tǒng)的向場透鏡和用于將投影的弧光影像引導到向場透鏡的平面鏡。
投影透鏡可以沿著橫向平面內(nèi)的路徑投影弧光影像，在這種情況下平面鏡與橫向平面垂直，以便將投影的影像反射到向場透鏡。
或者，投影透鏡沿著橫向平面的上、下方的路徑投影弧光影像，并且平面鏡與橫向平面平行，分別位于橫向平面的上、下方，從而將投影的影像反射到向場透鏡。
按照另一實施例，弧光燈照明器具有三個投影透鏡，用于沿著三條不同的路徑(即，中央路徑和兩個外部路徑)投影弧光影像。對于每條路徑，此照明器包括偏振變換系統(tǒng)和用于將投影的弧光影像引導到偏振變換系統(tǒng)的小鏡片。對于兩個外部路徑，提供一個大鏡片，用于將投影的弧光影像引導到小鏡片。
偏振變換系統(tǒng)一般實施為偏振變換棱鏡，而旋轉(zhuǎn)器裝置一般是四分之一波片(wave plate)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，這種照明器能夠使用較長的弧光燈并提供照明的均勻一致性，同時使諸如單平面滾動彩色系統(tǒng)的具有小角度范圍的系統(tǒng)的亮度最大。
本發(fā)明的再一目的是提供一種投影系統(tǒng)，包括在開頭段落中所述的弧光燈照明器，用來提供較高的亮度。
為了實現(xiàn)這一目的，在權(quán)利要求9中限定根據(jù)本發(fā)明的投影系統(tǒng)。


從下面所描述的實施例中明白本發(fā)明的這些與其他方面，并且本發(fā)明的這些與其他方面將參照下面所述的實施例進行闡述。
在附圖中圖1A和1B分別是現(xiàn)有技術(shù)中用于投影系統(tǒng)的一種弧光燈照明器的軸向和橫向視圖，表示弧光影像的投影視圖；圖1C是本發(fā)明的弧光燈照明器的橫向視圖，表示主、次弧光影像的投影視圖；圖2是本發(fā)明的一個二透鏡弧光燈照明器的橫向視圖，表示兩個主和兩個次弧光影像的投影視圖；圖3A和3B分別是本發(fā)明的另一種二透鏡弧光燈照明器的軸向和橫向視圖，圖3B表示在不同平面內(nèi)的光分布的投影視圖；圖4是本發(fā)明的一種三透鏡弧光燈照明器的軸向視圖，表示在不同平面內(nèi)的光分布的投影視圖；圖5是一種緊湊聚光(compact light collection)結(jié)構(gòu)的軸向視圖，包括用于本發(fā)明的二透鏡弧光燈照明器的一個復合(compound)光波導；以及圖6是包括本發(fā)明的弧光燈照明器的一種投影系統(tǒng)的方框圖。
這些附圖是示意性的并且不是按比例繪制的，而且一般地利用相同的標號代表相同的部件。
具體實施例方式
參見圖1A和1B，分別表示現(xiàn)有技術(shù)中用于投影系統(tǒng)的一種弧光燈照明器的軸向和橫向視圖，弧光燈10的延伸弧光12的影像被聚光透鏡14投影到影像平面I上?；」?2的定向分別利用軸向和橫向平面來限定，軸向和橫向平面均穿過聚光透鏡14的光軸0。弧光燈的位置使得弧光12與軸向平面橫截并位于橫向平面中。在圖1A的軸向視圖中，沿截面A-A’看到的弧光影像16出現(xiàn)在垂直定向的影像平面上，在圖1B的橫向視圖中沿截面B-B’看到的弧光影像18是水平定向的。按照本發(fā)明，能夠利用偏振變換光學鏡片從弧光影像18中構(gòu)造近似照明條帶形狀的影像。
同樣是橫向視圖的圖1C表示在影像平面I處的光學路徑中插入一個偏振變換裝置20對弧光影像的影響。弧光影像18被PCD20有效地分離成主(P)與次(S)弧光影像32與34。PCD20是由兩個復合棱鏡22和24構(gòu)成的公知類型的PCD，每個棱鏡包括分別以一對棱鏡(23，25)和(26，28)為邊界的內(nèi)部定向偏振器(27，30)。在操作中，來自聚光透鏡14的非偏振光進入棱鏡26。一部分光被偏振器30變換成P偏振光。此P光穿過棱鏡28以形成主弧光影像32，而剩余的光被偏振器30變換成S偏振光，分別利用偏振器30和27反射，并穿過棱鏡25以形成次弧光影像34。插入主影像路徑中的半波片31將它的光從P變換成S。
PCD20被取向，以使得平面偏振器27和30與橫向平面垂直，從而延伸的弧光影像沿著其縱軸被橫向分離，得到對于大于原始弧光影像長度的距離沿弧光軸延伸的延伸照明光束。圖1C中的偏振器27和30被分開，從而使主、次弧光影像完全分離?；蛘?，可以使主、次弧光影像部分重疊，以增強所得到的照明光束的照明均勻一致性。這通過使偏振器27和30在空間上更靠近或利用一個或多個輔助透鏡元件部分地會聚主、次弧光影像的射線能實現(xiàn)；自然，結(jié)果是輸入影像不再固定在棱鏡邊界所構(gòu)成的孔中，并且會損失一些光。
圖2是本發(fā)明的二透鏡弧光燈照明器的橫向視圖，表示本發(fā)明原理的根據(jù)弧光影像形成條帶的進一步擴展。聚光透鏡36和38將弧光影像路徑分離成橫向遠離中央軸線C定向的兩條路徑。這種布局能夠使用一對PCD 44和50在影像平面上形成總共四個弧光影像(56，58，60，62)。由于本實施例中聚光透鏡36和38的尺寸相對大并且距影像平面比較近，采用平面鏡39和41分別將發(fā)散的影像路徑朝著中央軸線C反射回到向場透鏡40和42，并隨后反射到PCD 44和50。
PCD44和50與圖1C中的PCD20不同。不是兩個復合棱鏡，PCD44和50是由具有完全內(nèi)反射(TIR)表面(48，54)的復合棱鏡(46，52)和另一棱鏡(47，53)構(gòu)成的。來自復合棱鏡46和52的光被TIR表面48和54橫向約束，使影像平面I處輸出的光均勻化。半波片55和57將出射P分量旋轉(zhuǎn)90度，變換成S分量，就象圖1C中半波片31的情況一樣。在美國專利5,896,809中描述了一種適合在本發(fā)明中使用的這樣一種PCD的一個示例性實施例。
根據(jù)為這種照明器預想的具體應用，其它的光學設(shè)計是可能的，其中利用聚光透鏡使影像路徑直接對準向場透鏡，或者甚至直接對準PCD，這使得鏡片和/或向場透鏡就顯得不必要了。這種設(shè)計當然具有在本發(fā)明的范圍內(nèi)的允許改變。
在圖3A和3B中表示圖2中的二路徑實施例的一種變化，其中聚光透鏡64和65在軸向和橫向上均偏移中央軸線C。平面鏡66和67的位置與軸向平面橫截并且與橫向平面平行，從而將來自聚光透鏡64和65的軸向發(fā)散光線朝著中央軸線C反射回并反射到向場透鏡68和70，后者又將光線引導到PCD72和73，并隨后引導到半波片74和75，這些半波片在結(jié)構(gòu)及其操作上類似于圖2中所示的PCD44和50以及半波片55和57。
截面圖B-B’和C-C’分別表示在被PCD分離前、后的光分布的投影視圖。截面圖B-B’中延伸的弧光影像83和84在截面圖C-C’中已經(jīng)借助于構(gòu)成矩形光波導的棱鏡TIR界面(interface)的積分特性被變換成矩形形狀的影像85-88。將光反向回射到弧光上的鏡片在此圖中沒有表示出。
圖4表示本發(fā)明的另一實施例，其中三個聚光透鏡(即，中央透鏡82和橫向偏移側(cè)透鏡84和86)將弧光燈光劃分成三條光學路徑，即，沿著中央軸線C的中央路徑，以及從中央路徑軸向發(fā)散的側(cè)路徑。圖中表示的一個大平面鏡88朝著中央軸線將側(cè)路徑光線反射到間隔剛好足夠?qū)碜赃@多條路徑的光線引導到PCD陣列9 2的鏡片89-91，這以前述的方式分離弧光影像。如截面圖A-A’所示，陣列92由三個PCD93、94和96構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)和工作方式類似于上文所述的PCD44和50。
和圖3B中一樣，圖4中的截面圖B-B’和C-C’表示弧光影像在被PCD分離前、后的投影視圖。和圖3的實施例中一樣，弧光影像112-114在分離成弧光影像118-123之前已經(jīng)被棱鏡邊界限制成了矩形形狀。
3個鏡片在軸向上彼此稍微偏移，從而將每個離軸光束恢復成同軸。
圖5表示用來形成一對弧光影像的一種緊湊結(jié)構(gòu)，然后用一個偏振變換系統(tǒng)以上述的方式將這些影像分離。透鏡125和127形成弧光12的分離影像137和139，而折疊鏡片129和131將這些影像引導到復合光波導141的相對輸入端口133和135。輸入端口133和135的輸入孔尺寸與弧光影像尺寸匹配，如圖B-B’中所示。來自兩個端口133和135的光束被TIR棱鏡143和145折疊到平行路徑中，并且利用單一矩形光波導147進一步傳送到偏振變換系統(tǒng)(未示出)。
圖6是包括本發(fā)明的弧光燈照明器的一種投影系統(tǒng)的方框圖。照明器600給光調(diào)制器面板610提供照明，后者按照來自電信號輸入源620的顯示信息來調(diào)制光。投影透鏡630將調(diào)制的光投影到?jīng)]有表示出的一個顯示表面上。雖然本發(fā)明的照明器能夠用于任何投影顯示系統(tǒng)中，但最適合用在需要條帶形照明的投影系統(tǒng)中，例如單面板滾動彩色投影系統(tǒng)。例如，在引入在本文中以供參考的以下文獻中就描述了這種系統(tǒng)，參見1994年3月25日授予P.Janssen的美國專利5,410,370“Single panel color projection video display improvedscanning”和1995年5月16日授予P.Janssen等人的美國專利5,416,514“Singlepanel color projection video display havingcontrol circuitry for synchronizing the color illuminationsystem with reading/writing of the light valve”。
利用有限數(shù)量的實施例必要描述了本發(fā)明。根據(jù)此說明書，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其它實施例和及其變更將變得顯而易見，并且這些實施例及其變化都打算被完全包括在本發(fā)明及其權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.用于投影系統(tǒng)的一種弧光燈照明器，包括弧光燈，包括封入具有位于橫向平面內(nèi)的軸線的延伸弧光(12)的外殼(10)；至少一個投影透鏡(14)，用于投影弧光(12)的影像(16)；至少一個偏振變換系統(tǒng)(20)，用于將投影的弧光影像(16)沿著橫向平面內(nèi)的軸線分離成主、次弧光影像(32，34)；以及旋轉(zhuǎn)器裝置(31)，用于將主(32)或次(34)弧光影像的偏振顯示變換成對應于另一弧光影像的偏振顯示。
2.按照權(quán)利要求1的弧光燈照明器，包括第一和第二投影透鏡(36，38)，用于沿著第一和第二路徑投影弧光影像(16)；對于每條路徑偏振變換系統(tǒng)(44，50)；向場透鏡(40，42)，用于將投影的弧光影像引導到偏振變換系統(tǒng)；和平面鏡(39，41)，用于將投影的弧光影像引導到向場透鏡。
3.按照權(quán)利要求2的弧光燈照明器，其中第一和第二投影透鏡(64，65)沿著橫向平面內(nèi)的第一和第二路徑投影弧光影像，并且用于第一和第二路徑的平面鏡(66，67)垂直于橫向平面，以分別反射來自第一和第二投影透鏡的投影影像。
4.按照權(quán)利要求2的弧光燈照明器，其中第一和第二投影透鏡(64，65)沿著橫向平面的上方與下方的第一和第二路徑投影弧光影像，并且用于第一和第二路徑的平面鏡與橫向平面平行而且分別位于橫向平面的上方和下方，以分別反射來自第一和第二投影透鏡的投影影像。
5.按照權(quán)利要求1的弧光燈照明器，包括第一、第二和第三投影透鏡(82，84，86)，用于沿著第一、第二和第三路徑投影弧光影像；對于每條路徑偏振變換系統(tǒng)(93，94，96)；小鏡片(89，90，91)，用于將投影的弧光影像引導到偏振變換系統(tǒng)；和對于第一和第三路徑，大鏡片(88)，用于將投影的弧光影像引導到小鏡片(89)。
6.按照權(quán)利要求1的弧光燈照明器，其中偏振變換系統(tǒng)(20)是偏振變換棱鏡。
7.按照權(quán)利要求1的弧光燈照明器，其中旋轉(zhuǎn)器裝置(31)是半波片。
8.按照權(quán)利要求1的弧光燈照明器，包括第一和第二投影透鏡(125，127)，用于沿著發(fā)散第一和第二路徑投影弧光影像；第一和第二鏡片(129，131)，用于沿著會聚路徑引導投影的弧光影像；復合光波導(141)，被定位以截斷會聚弧光影像，所述復合光波導(141)包括用于輸入弧光影像的一對相對輸入端口(133，135)；用于沿著公共路徑引導弧光影像的一對TIR棱鏡(143，145)；以及用于將弧光影像引導到偏振變換系統(tǒng)的矩形光波導(147)。
9.一種投影系統(tǒng)，包括光調(diào)制器面板(610)，用于根據(jù)電信號來調(diào)制光影像；透鏡(630)，用于將調(diào)制的影像投影到顯示屏幕上；以及弧光燈照明器(600)，用于給光調(diào)制器面板照明，所述照明器包括弧光燈，包括封入延伸弧光(12)的外殼(10)，所述弧光具有位于橫向平面內(nèi)的軸線；至少一個投影透鏡(14)，用于投影弧光(12)的影像(16)；至少一個偏振變換系統(tǒng)(20)，用于沿著橫向平面內(nèi)的軸線將投影的弧光影像分離成主與次弧光影像(32，34)；以及旋轉(zhuǎn)器裝置(31)，用于將主(32)或次(34)弧光影像的偏振顯示變換成對應于另一弧光影像的偏振顯示。
全文摘要
用于投影系統(tǒng)的一種弧光燈照明器包括一個或多個偏振變換棱鏡，用于橫向擴展弧光影像。一對或三個投影透鏡能夠與鏡片和向場透鏡一起用于沿著獨立的路徑將弧光影像引導到分離的偏振變換棱鏡，以便進一步橫向擴展原始弧光影像。一種緊湊結(jié)構(gòu)的二路徑實施例能夠使用復合光波導，包括一對弧光影像大小的輸入端口、用于沿著公共路徑引導弧光影像的一對TIR棱鏡、以及用于將弧光影像引導到偏振變換系統(tǒng)的矩形光波導。
文檔編號F21V5/00GK1551999SQ02817413
公開日2004年12月1日 申請日期2002年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月7日
發(fā)明者P·J·詹森, P J 詹森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司