專利名稱：用于滾動彩色照明的有效小型聚光光學裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光源領域，更具體地說，涉及一種用于在單面板滾動彩色投影系統(tǒng)中使用的滾動彩色照明系統(tǒng)的聚光光學裝置。
滾動彩色投影儀從單調(diào)光器或者光閥(例如液晶顯示面板)產(chǎn)生全色圖象。Janssen等人的美國專利5532763(“專利’763”)討論了有關滾動彩色投影儀的一般概念，這里將其全文引入作為參考。
如專利’763所描述的，滾動彩色投影儀用在整個液晶顯示器LCD上從頂部到底部連續(xù)滾動的多條彩色光(紅、綠、藍)照射液晶顯示器(LCD)面板。將來自強白光源例如弧光燈的光聚集并且分束為原色——紅、綠和藍。將該分色光形成為三個光源，使得每個光源看上去在“垂直”方向狹窄并且在“水平”方向較寬。采用掃描光學裝置來將三個光帶(每個為這些顏色之一)定位于LCD面板上。掃描光學裝置使得該照明帶跨過LCD面板移動。當光帶通過面板的有源區(qū)的“頂部”時，該顏色的光帶再次出現(xiàn)于面板的“底部”。因而，三種顏色連續(xù)掃過面板。


圖1示出在滾動彩色系統(tǒng)中的電光調(diào)光器面板的照明的示意圖。這種面板典型地由像素的排(或者說行)和列的矩陣構成，這些像素由按照一次一行方式尋址的單獨可尋址反射性像素電極(未示出)限定。紅、藍和綠矩形彩色光條(32、36、40)按照箭頭的方向在矩陣陣列(用盒42表示)上向下連續(xù)滾動。示出紅色條32、藍色條34和綠色條36在時刻t照射面板。色調(diào)32、36和40之間的間隔表示防護條30、34和38。
專利‘763所述的系統(tǒng)包括用來產(chǎn)生源光束的光盒。該光盒包括合適強度的燈。如上所述，并且從圖1可見，光束需要在“垂直”方向狹窄并且在“水平”方向更寬。一個典型的系統(tǒng)可能需要縱橫比為10∶1的矩形光束。同時，典型的UHP弧光燈的縱橫比是2.5∶1。因此，光盒還包括一列用來改變光束的光學透鏡，使得光束符合需要的形式，為大致均一的、具有所需縱橫比的矩形束。該系統(tǒng)還可以包括一個或者多個垂直設置的矩形開口，以進一步將來自光盒的光束或者進行分色后的三種不同顏色的光束矩形化。
不幸的是，對于這些光源存在一些問題。為了聚集由燈所產(chǎn)生的大部分的光，通常采用兩者方法之一(1)采用大量的小數(shù)值孔徑(NA)的透鏡；和(2)采用小量的高NA透鏡。兩種方法都存在不足。對于方法(1)，不足在于如此多透鏡的復雜性。對于方法(2)，高NA透鏡需要高度的熱容差(heat tolerance)。兩種方法遭受高成本之苦。
因而，所希望的是，提供一種用于滾動彩色投影儀的滾動彩色照明系統(tǒng)的改進的光源。還希望，提供一種用于將來自燈的光轉(zhuǎn)換為具有想要的形式因子的光束的更小型的光學裝置。還希望，提供一種用于滾動彩色照明系統(tǒng)的有效的聚光光學裝置。本發(fā)明致力于處理前述的一個或者多個問題。
在本發(fā)明的一個方面中，一種光源包括發(fā)光的燈；一對部分橢球反射器，每個該反射器布置為接受來自該燈的反射光并且沿第一和第二方向分別引導所接受的光；第一和第二鏡子，每個布置為接受并反射來自該部分橢球反射器之一的光；和其第一端部設有兩個棱鏡的光導，每個棱鏡把來自第一和第二鏡子中相應一個的反射光輸入到該光導中，所述光導在其第二端部提供光束。
在本發(fā)明的另一個方面中，一種光源包括第一和第二部分橢球反射器，每個具有第一和第二焦點，該部分橢球反射器布置為使得第一和第二部分橢球反射器的第一焦點大致重合；大致位于第一和第二部分橢球反射器的第一焦點處的燈；和設在一個位置處的光導，在該位置，當燈打開的時候，該光導通過該部分橢球反射器接受由該燈所產(chǎn)生的光的兩個獨立的像。
在本發(fā)明的又一個方面，一種光源包括產(chǎn)生光的燈，第一和第二獨立反射器，每個接受來自該燈的一部分光，和接受該光源的兩個獨立的像的光導，該像是由第一和第二獨立反射器所接受的這部分光所產(chǎn)生的。
圖1示出滾動彩色系統(tǒng)中的電光調(diào)光器的照明器的示意圖；圖2示出一個實施例中用于滾動彩色照明系統(tǒng)的光源的示意截面圖3示出用于圖2中滾動彩色照明系統(tǒng)的光源的示意頂視圖；圖4示出一個實施例中的用于滾動彩色照明系統(tǒng)的光源的側(cè)視圖；圖5示出用于圖4這個實施例中滾動彩色照明系統(tǒng)的光源的頂視圖；圖6示出用于圖4這個實施例中滾動彩色照明系統(tǒng)的光源的透視圖；圖7示出另一個實施例中用于滾動彩色照明系統(tǒng)的光源的示意截面圖。
圖2示出一個實施例中用于滾動彩色照明系統(tǒng)的光源200的截面?zhèn)纫晥D。圖3示出該光源200的頂視圖。如圖2和3所示，光源200包括包括燈212和反射器216的燈組件210；獨立的第一和第二部分橢球反射器220和230；第一和第二鏡子240和250；和光導260。
燈212可以是高強度放電(HID)燈或者超高性能(UHP)燈是有利的，并且優(yōu)選為管狀。一個示例性的燈可以是大約9mm長。
燈反射器216具有一般的半球形或者取決于燈212的形狀為半柱形也是有利的。優(yōu)選燈組件210僅僅將光發(fā)射到它的一側(cè)，如下面將要詳細地描述的。來自燈組件210的光可以是大致矩形/橢圓形。在一個示例性的實施例中，燈所產(chǎn)生的光具有2.5∶1的縱橫比。
從圖4可以很好地看出，第一和第二部分橢球反射器220和230每個限定了具有第一和第二焦點的橢球的部分表面。第一和第二部分橢球反射器220和230布置為使第一焦點大致重合是有利的。此外，從圖2可以很好地看出，第一和第二部分橢球反射器220和230每個具有限定橢圓的弧部的截面。從圖6可以很好地看出，第一和第二部分橢球反射器220和230共用一條公共邊并且在這條公共邊處連接在一起也是有利的。在一個實施例中，第一和第二部分橢球反射器220和230以單個結(jié)構形成在一起，如圖4-6所示。
光導260在第一(光入射)端部提供有第一和第二棱鏡262和264。棱鏡262和264可以用低折射率粘合劑粘合到光導260的第一端部，或者可選地，可以與光導260形成為一個整體。棱鏡262和264具有相應的光入射面262a、264a、光反射面262b、264b，以及光出射面262c、264c。反射面262b、264b提供有反射性或者鏡面涂層是有利的。
另外，如從圖5可以很好地看到的，光導260在第二(光出射)端部提供有偏振元件266是有利的。偏振元件266包括偏振分束器266a和延相器266b，下面將進一步詳細描述它們的操作。分束器266a可以用低折射率粘合劑粘合到光導260的一端，或者可選地，可以與光導260形成為一個整體。
在光源200中，燈組件210大致位于部分橢球反射器220和230的第一焦點處。同時，第一和第二鏡子240和250每個分別位于第一和第二部分橢球反射器220和230和它們相應的第二焦點之間的光路中。此外，棱鏡262和264的光入射面262a、264a每個位于相應的鏡子240、250將來自第一和第二部分橢球反射器220和230的相應一個反射器的弧像(arc image)中繼的地方。也即是說，例如，第一部分橢球反射器220和鏡子240之間的距離“x”以及鏡子240和光入射面262a之間的距離“y”之和等于第一部分橢球反射器220的第二焦點的焦距f2。
現(xiàn)在描述光源200的操作。燈212輻射光。來自燈212的光的第一部分向著燈反射器216輻射。燈反射器216將來自燈212的光的第一部分向著第一和第二部分橢球反射器220和230反射。同時，來自燈212的光的其余部分(第二部分)直接向著第一和第二部分橢球反射器220和230輻射。將燈組件210以及第一和第二部分橢球反射器220和230布置為使得基本上所有的來自燈組件210的光都照射到第一和第二部分橢球反射器220和230的內(nèi)表面上是有利的。也即，第一和第二部分橢球反射器220和230每個都沿著相應限定的橢球延伸得足夠遠，以接受基本上所有的來自燈212和燈反射器216的光。
燈212大致位于各個第一和第二部分橢球反射器220和230的第一焦點處是有利的。
第一和第二部分橢球反射器220和230接受來自燈212(或者直接或者由燈反射器216反射)的光并且產(chǎn)生被導向它們各自的第二焦點的獨立的弧像。
鏡子240和250每個位于第一和第二部分橢球反射器220和230中相應一個反射器和相應的部分橢球反射器220/230的第二焦點之間的光路上。鏡子240和250每個接受來自相應的部分橢球反射器220/230的光，并且將接受到的光向著兩個棱鏡262和264中的相應一個棱鏡反射。將兩個棱鏡262和264的光入射面262a和264a中的每個設在相應的部分橢球反射器220/230的由鏡子240和250所中繼的像的位置處。
獨立的光像通過光入射面262a和264a進入棱鏡262和264，并且由此通過到達相應的光反射面262b和264b。光經(jīng)過光反射面262b和264b反射并且通過棱鏡262和264的光出射面262c和264c進入光導260的第一端部。因而，兩個獨立的光像進入彼此“端對端”縱向相鄰布置的光導，產(chǎn)生其縱橫比為來自燈212的原始光束兩倍的組合光束。光經(jīng)光導260從內(nèi)部導出，從它的第二端部出來。
盡管所述的實施例包括鏡子240和250以及兩個棱鏡262和264，但是也可以提供其它的用于接受獨立光像以及將光像耦合到光導260的裝置。
有利的是，作為上述過程的結(jié)果，燈212所產(chǎn)生的光束的縱橫比得到有效的加倍，同時光束的“光學擴展量(etendue)”沒有相應的增加，并且效能損失或者減小得相對較少。例如，如果來自典型的UHP弧光燈的縱橫比是2.5∶1，那么從上述系統(tǒng)和過程的光導260的第二端部出來的光條的縱橫比將是5∶1。
對于滾動彩色投影儀的操作，LCD面板需要線形偏振光。然而，來自燈212的光束是非偏振的。
因而，如上所述，光導260在其光束從中出來的第二端部提供有偏振元件266是有利的。如圖6中最佳示出的，來自光導260的非偏振光束進入偏振光分束器266a。光束中具有第一(例如水平)偏振態(tài)的部分通過偏振光分束器266a，而光束中具有第二(例如垂直)偏振態(tài)的其余部分反射到達延相器266b。在沿著與具有第一(例如水平)偏振態(tài)的光所通過偏振光分束器266a的路徑相鄰且平行的路徑上反射之前，具有第二(例如垂直)偏振態(tài)的光經(jīng)過延相器266b將其相位旋轉(zhuǎn)90度，因此它的偏振態(tài)變?yōu)榈谝?例如水平)偏振態(tài)。
有利的是，作為上述偏振處理的結(jié)果，從偏振元件266出來的線形偏振光束的縱橫比相對于進入偏振元件266的非偏振光束的縱橫比加倍了，同時光束的“光學擴展量”沒有相應的增加，并且效能的損失或者降低非常少。也即，通過偏振元件266的光束具有的縱橫比是由燈212原始產(chǎn)生的光的縱橫比的四倍。
因而，例如，例如，如果來自典型的UHP弧光燈的縱橫比是2.5∶1，那么進入光導260的第一端部的光條的縱橫比將是5∶1，并且從光導260的第二端部的偏振元件266出來的光條的縱橫比將是10∶1。
因此，通過提供兩個獨立的反射器(每個反射器產(chǎn)生來自燈的弧的獨立像)以及組合兩個獨立像的光，光束的光學擴展量能夠得以保持，同時調(diào)整光束的縱橫比而沒有與采用大量的小數(shù)值孔徑(NA)透鏡或者少量的高NA透鏡相關的成本和復雜度。
上面參照圖1-6所示的實施例詳細解釋的原理可以如下展開。首先，雙反射器產(chǎn)生的像可以以除了通過圖1-6所示的折疊鏡子240、250和相應的棱鏡262和264的各種方法聚集和組合。例如，可以采用“Y形”光導，它具有位于兩個獨立反射器的像點處的兩個入射面，組合光束從Y形光導的單個公共出射面出來。在那種情況下，既不需要鏡子，也不需要棱鏡。
此外，雙獨立反射器能夠采取為不是部分橢球的形狀。例如，能夠采用拋物線或者球形反射器。
圖7示出光源700的另一布置，其中采用兩個獨立拋物線反射器720、730代替圖1-6中的部分橢球反射器220和230。光源700還包括放大透鏡725和735，它們對來自燈710的光(由獨立拋物線反射器720和730反射為兩組平行光線)產(chǎn)生相應的獨立像。在所示的實施例中，每個放大透鏡725和735具有4倍的放大因子。如前，光導760布置為使得它接受兩個獨立的光像。光源700的其余結(jié)構和操作與上面詳細描述的光源200的類似，因此這里為簡單起見省略。
另外，燈反射器可以從光源中省去。盡管此時來自燈的部分光會損失掉，但是相比于圖1-6所示的燈反射器能夠把相當多的發(fā)熱光反射回燈中的情形，這種布置可以增加燈的使用壽命和可靠性。
最后，可以擴展這些原理，以產(chǎn)生具有不同縱橫比的光學擴展量-保持的光束。例如，代替“縱向”組合光像，能夠?qū)⒐鈱嬙鞛槭沟霉庀癖幌噜彽亟邮?，以產(chǎn)生更“方形”的光束，同時仍然保持原始光束的光學擴展量。此外，或者說作為選擇之一，這樣構造位于光導的第二(出射)端部的偏振元件，即，定向偏振光分束器和延相器，使得相對于進入偏振元件的非偏折光束來說，偏振光束的縱橫比切割為一半而不是兩倍。
盡管這里公開的是優(yōu)選實施例，但是許多位于本發(fā)明的思想和范圍內(nèi)的變化是可行的。這些變化在本領域普通技術人員在檢查這里的說明書、附圖和權利要求書之后將變得清楚。因此，本發(fā)明不是限制性的，只要落在所附權利要求的精神和范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種光源，包括產(chǎn)生光的燈；第一和第二部分橢球反射器，布置每個該反射器，以接受來自該燈的一部分光并且以相應的第一和第二方向引導所接受的光，每個部分橢球反射器對于由該燈產(chǎn)生的光產(chǎn)生獨立的像；第一和第二鏡子，布置每個鏡子，以接受并反射來自該部分橢球反射器之一的光；和光導，其第一端部設有兩個棱鏡，每個棱鏡把由該部分橢球反射器所產(chǎn)生的該獨立的像中相應的一個輸入到該光導中，所述光導在其第二端部提供光束。
2.如權利要求1所述的光源，還包括設在該光導的第二端部的偏振元件，所述偏振元件接受該光導的第二端部的光束，并且將該光束轉(zhuǎn)換為偏振光束，其中該偏振光束的縱橫比是該偏振元件所接受的光束的縱橫比的兩倍。
3.如權利要求2所述的光源，其中該偏振元件包括偏振光分束器和延相器。
4.如權利要求1所述的光源，其中這對部分橢球反射器沿其公共邊結(jié)合在一起。
5.一種光源，包括第一和第二部分橢球反射器，每個具有第一和第二焦點，布置該部分橢球反射器，使得第一和第二部分橢球反射器的第一焦點大致重合；燈，大致位于第一和第二部分橢球反射器的第一焦點處；和光導，設在一個位置，在這個位置，當燈打開的時候，該光導通過該部分橢球反射器接受由該燈產(chǎn)生的光的兩個獨立的像。
6.如權利要求5所述的光源，還包括第一和第二鏡子，它們設在第一和第二部分橢球反射器中相應一個和它們各自的第二焦點之間的光路中。
7.如權利要求5所述的光源，還包括設在該光導的一個端部的第一和第二棱鏡。
8.如權利要求5所述的光源，還包括燈反射器，其布置為當燈打開的時候，把該燈所產(chǎn)生的一部分光朝著第一和第二部分橢球反射器反射。
9.如權利要求5所述的光源，還包括設在該光導的第二端部的偏振元件。
10.如權利要求9所述的光源，其中該偏振元件包括偏振光分束器和延相器。
11.如權利要求9所述的光源，其中該偏振元件把在該光導的第二端部提供的光的縱橫比加倍。
12.如權利要求5所述的光源，其中第一和第二部分橢球反射器共用一個公共邊。
13.一種光源，包括產(chǎn)生光的燈；第一和第二獨立反射器，每個接受該燈的一部分光；和光導，接受該光源的兩個獨立的像，該像是由該第一和第二獨立反射器所接受到的這部分光所產(chǎn)生的。
14.如權利要求13所述的光源，其中該第一和第二獨立反射器每個具有部分的橢圓體的形狀。
15.如權利要求13所述的光源，其中該第一和第二獨立反射器每個具有拋物線的形狀。
16.如權利要求15所述的光源，還包括一對透鏡，每個接受來自該拋物線反射器中相應一個的反射光，并且產(chǎn)生一個來自該反射光的像。
17.如權利要求16所述的光源，還包括一對鏡子，每個設在該透鏡中相應一個和它的像之間的光路上，每個所述鏡子將來自該透鏡的光導向該光導。
18.如權利要求13所述的光源，其中該光導在其輸出處提供光束，在該處光束具有的縱橫比是該燈所產(chǎn)生的光的縱橫比的兩倍。
19.如權利要求13所述的光源，還包括一對鏡子，每個接受來自該獨立反射器中相應一個的反射光，并且把該反射光導向該光導。
20.如權利要求13所述的光源，還包括設在該光導的第二端部的偏振元件，所述偏振元件接受該光導的第二端部的光束，并且將該光束轉(zhuǎn)換為線形偏振光束，其中該線形偏振光束的縱橫比是該偏振元件所接受的光束的縱橫比的兩倍。
全文摘要
一種用于滾動彩色照明系統(tǒng)的光源包括產(chǎn)生光的燈(212)、第一和第二獨立反射器(220，230)，每個接受來自燈(212)的一部分光、和接受由第一和第二獨立反射器(220，230)所接受的這部分光所產(chǎn)生的兩個獨立的像的光導(260)。通過這種布置，該光導(260)在其輸出處提供具有縱橫比為由該燈(212)產(chǎn)生的光束的縱橫比兩倍的光束，同時保持原始光學擴展量。有利的是，偏振元件(266)使來自該光導(260)的非偏振光束偏振，并且，在這個過程中，縱橫比進一步加倍，又不會增加光學擴展量。
文檔編號F21V7/00GK1798992SQ200480015042
公開日2006年7月5日 申請日期2004年5月17日 優(yōu)先權日2003年5月30日
發(fā)明者P·J·M·詹森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司