CN100350282C - 照明系统及采用该系统的投影机 - Google Patents

Abstract

公开一种通过使用发光器件或者发光器件阵列，不用滤色轮实现彩色图像的照明系统，以及采用该照明系统的投影机。照明系统包括至少一种发光器件，发射具有预定波长的光束，和一种安排在光路中的全息光学元件，以减少从发光器件发出光束的横截面。投影机包括一种照明系统，该照明系统包括至少一种发光器件，发射具有预定波长的光束，该照明系统进一步包括一种安排在光路中的全息光学元件，减少从发光器件发出光束的横截面，包括一种显示器件，按照输入图像的信号，通过处理从照明系统发出的光束形成图像，还包括投影透镜单元，放大显示器件形成的图像，并投影该放大的图像到屏幕上。

Description

照明系统及采用该系统的投影机

                           技术领域

本发明涉及照明系统及采用该系统的投影机，特别涉及通过使用发光器件或发光器件阵列，而不用滤色轮就能形成彩色图像的照明系统，以及采用该系统的投影机。

                           背景技术

参照图1，传统投影机包括光源100，汇聚光源100发出光束的第一中继镜102，用来把入射光束分为红(R)绿(G)蓝(B)三种光束的滤色轮，使通过滤色轮105的光束均匀化的蝇眼透镜107，使从蝇眼透镜107通过的光束汇聚的第二中继镜110，用于把顺序通过滤色轮105入射的RGB彩色光束形成彩色图像的显示器件112。用于放大由显示器件112形成的图像、并投射放大的图像到屏幕118上的投影透镜单元115。

光源100使用氙灯，金属卤素灯或者UHP灯。这些灯发出过多的红外和紫外射线。因此，产生许多的热量，必需有冷却风扇。然而，冷却风扇是一个噪声源。此外，既然光源的光谱在整个波长范围内广泛分布，由于窄的颜色范围，颜色的选择受限，颜色的纯度差，光源寿命短，不能做到灯的稳定使用。

在传统单平板投影机中，为了实现彩色图像，滤色轮105通过驱动马达(未示出)高速旋转，使得RGB彩色光束顺序入射到显示器件112上。可是，既然RGB颜色滤波器是在滤色轮105整个表面上等分布置，滤波器在滤色轮105旋转期间是一个一个使用的，由于显示器件112的响应速度，2/3的光被浪费了。另外，由于为了更好产生颜色而在相邻颜色滤波器之间留有预设宽度的间隔，光在这部分也浪费了。

由于滤色轮105高速旋转，会产生噪音。此外，驱动马达的机械运动会影响到稳定性，由于驱动马达的机械限制，难于超过特定的速度，会发生颜色中断现象。而且，滤色轮非常昂贵，增加制造成本。

                           发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供带有发光器件或发光器件阵列和全息光学元件的照明系统，以提高颜色纯度和颜色选择性，并形成没有滤色轮的彩色图像，以及采用该照明系统的投影机。

为了实现上述目的，提供一种照明系统包括至少一种发光器件，发射具有预定波长的光束，和设置在光路中的全息光学元件，减少从发光器件发出光束的横截面。

本发明优选照明系统的发光器件是LED(发光二极管)，LD(激光二极管)，有机EL(电致发光)，和FED(场发射显示器)之一。

本发明优选照明系统进一步包括平行光束形成单元，使从发光器件发出的光束成为平行光束。

本发明优选平行光束形成单元是准直透镜阵列或者菲涅尔透镜阵列。

本发明优选照明系统进一步包括光路改变单元，通过选择性透射或者反射从全息光学元件出射的光束，改变其光路。

本发明优选有至少一种发光器件形成阵列。

本发明优选多个发光器件或发光器件阵列排列为一行，发出具有不同波长的光。

本发明优选光路改变单元是分色镜，按照光束的波长反射或者透射从全息光学元件出射的光束。

本发明优选光路改变单元是胆甾型液晶带调制滤波器，按照光束的偏振方向和波长，反射或者透射从全息光学元件出射的光束。

本发明优选胆甾型液晶带调制滤波器包括第一镜面和第二镜面，对于具有预定波长的光束，第一镜面反射右旋圆偏振光和透射左旋圆偏振光，第二镜面透射右旋圆偏振光和反射左旋圆偏振光。

本发明优选多个发光器件或发光器件阵列以预定的角度分开排列，并发出具有不同波长的光。

本发明优选光路改变单元是X棱镜或者X类型分色镜。

本发明优选发光器件或发光器件阵列和全息光学元件进一步排列成多层结构。

为了实现上述目的，提供一种投影机，其包括一照明系统，该照明系统包括至少一种发光器件，发射具有预定波长的光束，该照明系统进一步包括安排在光路中的全息光学元件，用于减少从发光器件发出光束的横截面，还包括显示器件和投影透镜单元，显示器件按照输入图像的信号，把照明系统发出的光束处理后，形成图像，投影透镜单元用于放大显示器件形成的图像，并投影该放大的图像到屏幕上。

本发明优选如权利要求28中的投影机，进一步包括蝇眼透镜和中继镜，蝇眼透镜使从照明系统发射的光束成为平行光，中继镜把透过蝇眼透镜的光束向显示器件汇聚。

                           附图说明

通过参照以下附图，详细描述优选实例，本发明的上述目的和优点会更明确，其中：

图1表示传统投影机的结构图；

图2是按照本发明的优选实例照明系统的透视图；

图3为图2照明系统的前视图；

图4为图2照明系统的平面图；

图5为按照本发明的另一优选实例照明系统的光路图；

图6也是按照本发明的另一优选实例照明系统的透视图；

图7是图6照明系统的平面图；

图8是采用本发明优选实例照明系统的投影机结构透视图。

                           具体实施方式

参照图2，依照本发明优选实例的照明系统包括：至少一个发光器件或发光器件阵列10，发出具有预定波长的光束；全息光学元件18，设计来最小化发光器件或发光器件阵列10发出光束的横截面；光路改变单元30，通过选择性的透射或反射透过全息光学元件18的光束，能改变光路。

发光器件10能用LED(发光二极管)，LD(激光二极管)，有机EL(电致发光)，和FED(场发射显示器)之一构成。此外至少一类发光器件能被排列为阵列。

发光器件或发光器件阵列10能由第一、第二和第三发光器件或发光器件阵列10a、10b和10c构成，其中每一个器件发出的光束具有不同的波长。此外，发光器件阵列能进一步采用多层结构。例如能在发光器件阵列10a、10b和10c的下面形成另一个发光器件阵列20。

全息光学元件18和28对称布置在发光器件阵列10和20之间。全息光学元件18和28设计用来反射从发光器件阵列10和20发射的光束，并使光束的横截面最小。也就是，如图3所示，当从发光器件阵列10和20发射的光束被全息光学元件18和28反射时，被全息光学元件18和28反射的全部光束横截面小于入射到全息光学元件18和28上的全部光束横截面。这样，照明系统的体积能被减小，对于同样数量的光束，光的浪费能被减少。

这里，在发光器件阵列10和全息光学元件18之间，以及发光器件阵列20和全息光学元件28之间，进一步提供平行光束形成单元15和25，比如用准直透镜阵列或者菲涅尔透镜阵列，能使从发光器件阵列10和20发射的光束变为平行光束。在本实例中，准直透镜阵列用作为平行光束形成单元15和25。

由于发光器件阵列10和20对称布置，包括准直透镜阵列15和25，和全息光学元件18和28，发光器件阵列10和20的光学功能是相同的。这里只对发光器件阵列10进行说明。

依照本发明的一个优选实例，如图4所示，第一、第二和第三发光器件阵列10a、10b和10c能被排列成一行。从第一、第二和第三发光器件阵列10a、10b和10c中每一个发出的光束，通过准直透镜阵列15和全息光学元件18，并向前传送到光路改变单元30。光路改变单元30选择性透射或反射入射的光束，使沿着不同光路入射的光束能沿着相同的光路前进。光路改变单元30可以包括第一、第二和第三分色镜30a、30b和30c，并按照从第一、第二和第三发光器件阵列10a、10b和10c中每一个发出光束的波长反射或透射。例如，具有红(R)，绿(G)和蓝(B)波长的光束能由第一、第二和第三发光器件阵列10a、10b和10c分别发出。

第一分色镜30a只反射R光，透过其他包括G和B波长的光束。第二分色镜30b只反射G光，透过其他包括R和B波长的光束。第三分色镜30c只反射B光，透过其他包括R和G波长的光束。这样，当从第一发光器件阵列10a发出的R光束，经过准直透镜阵列15和全息光学元件18入射到第一分色镜30a时，该光束被第一分色镜30a反射，并沿着图4所示箭头A指示的方向前进。同样，当从第二发光器件阵列10b发出的G光束，经过准直透镜阵列15和全息光学元件18入射到第二分色镜30b时，该光束被第二分色镜30b反射，然后通过第一分色镜30a，并沿着箭头A指示的方向前进。当从第三发光器件阵列10c发出的B光束，经过准直透镜阵列15和全息光学元件18入射到第三分色镜30c时，该光束被第三分色镜30c反射，然后通过第二和第一分色镜30b和30a，并沿着箭头A的方向前进。结果，以不同光路入射的R，G和B彩色光束，沿着同样的光路前进。

作为选择，胆甾型液晶带调制滤波器35，能够依照入射光的偏振方向选择性地透射或反射，它能用作光路改变单元，如图5所示。胆甾型液晶带调制滤波器35能改变具有预定波长光束的光路，例如通过反射右旋圆偏振光和透射左旋圆偏振光，或者通过透射右旋圆偏振光和反射左旋圆偏振光。胆甾型液晶带调制滤波器35能包括第一、第二和第三胆甾型液晶带调制滤波器35a、35b和35c，它们依照R光束、G光束和B光束的圆偏振方向，分别选择性地透射或反射。

为了同时使用右旋圆偏振和左旋圆偏振光束以提高光效率，第一、第二和第三胆甾型液晶带调制滤波器35a、35b和35c中的每一个都包括适当布置的第一镜面37，用于反射右旋圆偏振光束和透过左旋圆偏振光束，和第二镜面38透射右旋圆偏振光束和反射左旋圆偏振光束，波长则对应于各自滤波器。这里，右旋圆偏振光束和左旋圆偏振光束分别用+和一表示。例如，R+代表右旋圆偏振R光束，而R-代表左旋圆偏振R光束。

从第一、第二和第三发光器件阵列10a、10b和10c中每一个发出的光束通过准直透镜阵列15和全息光学元件18，分别前进到第一、第二和第三胆甾型液晶带调制滤波器35a、35b和35c。第一、第二和第三胆甾型液晶带调制滤波器35a、35b和35c中的每一个里面，按照输入光束的方向以对角线方式提供第一和第二镜面37和38。

就R光束的光路来说，当R光束的右旋圆偏振(R+)光束从全息光学元件18反射到第一镜面37时，光束被第一镜面37反射。然后，当该光束在光路中遇到第二镜面38时，光束是透射的，沿着图5所示箭头A’指示的方向前进。同时，当光束首先遇到第二镜面38时，光束透过第二镜面38，并由第一镜面37反射，沿着方向A’前进。相反，当R光的左旋圆偏振(R-)光束从全息光学元件18反射到第一镜面37时，光束被第一镜面37透射。然后，当该光束在光路中遇到第二镜面38时，光束被第二镜面38反射，沿着方向A’前进。同时，当该光束首先遇到第二镜面38时，光束由第二镜面38反射，沿着方向A’前进。

上面的过程同样应用到G光束的右旋圆偏振(G+)和左旋圆偏振(G-)，也应用到B光束的右旋圆偏振(B+)和左旋圆偏振(B-)，使得所有的光束最终都沿着相同的方向A’前进。第一、第二和第三胆甾型液晶带调制滤波器35a、35b和35c分别选择性透过和反射对应其滤波器波长的光束，而透过其他所有其他波长的光束，无论其偏振方向。这样，由于全部的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光都能有效利用，光效率很高

图6表示依照本发明的另一个优选实例的照明系统。参照图6，依照本发明的另一个优选实例的照明系统包括：第一、第二和第三发光器件阵列40a、40b和40c，其中每一个发射不同波长的光束；平行光束形成单元45a、45b和45c，比如第一、第二和第三准直透镜阵列或者菲涅耳透镜阵列，用于使从第一、第二和第三发光器件阵列发出的光束平行；第一、第二和第三全息光学元件48a、48b和48c，用于反射经过平行光束形成单元45a、45b和45c的入射光束，同时减少该光束的横截面；和光路改变单元，用于改变从不同方向输入的光束的光路。

这里，分别对称于第一发光器件阵列40a，第一准直透镜阵列45a和第一全息光学元件48a，能进一步提供第四发光器件阵列50a，第四准直透镜阵列55a，和第四全息光学元件58a。当然，上述结构能同样应用到第二发光器件阵列40b和第三发光阵列40c。也就是，分别对称于第二和第三发光器件阵列40b和40c，第二和第三准直透镜阵列45b和45c，第二和第三全息光学元件48b和48c，能进一步提供第五和第六发光器件阵列50b和50c，第五和第六准直透镜阵列55b和55c，和第五和第六全息光学元件58b和58c。通过形成多层发光器件阵列，能在最小的空间产生最大的光量。由于第一到第三发光器件阵列40a、40b和40c，与第四到第六发光器件阵列50a、50b和50c相同，所以只描述第一到第三发光器件阵列40a、40b和40c的工作。

光路改变单元能由一个X棱镜60或X类型分色镜膜构成。第一到第三发光器件阵列40a、40b和40c对于X棱镜60以预定角度分开布置。X棱镜60带有：第一、第二和第三入射表面61、62和63，布置成分别与全息光学元件48a，48b和48c相对，使得被第一、第二和第三全息光学元件48a、48b和48c反射的光束能被接收；以及一输出表面64。同时，X棱镜60带有第三镜面60a，反射入射到第三入射表面61上的光束，并使光束透射到第二和第三入射表面62和63上，第四镜面60b反射入射到第三入射表面63的光束，并使光束透射到第一和第二入射表面61和62上。第三和第四镜面60a和60b互相交叉，就像字母X，选择性地透射或反射对应其波长的入射光束。例如，第三镜面60a反射R光束，并透射其他具有G和B波长的光束。第四镜面60b反射B光束，并透射其他具有R和G波长的光束。

图7是图6所描述系统的平面图。参照图7，从第一到第三发光器件阵列40a、40b和40c发出的、并透过第一到第三全息光学元件48a、48b和48c的R、G和B光束，入射到对应的X棱镜60的第一到第三入射表面61、62和63。沿着不同的路径输入的R、G和B光束被第三和第四镜面60a和60b透射或者反射，然后从输出表面64以相同的方向透过。

依照上述优选实例的发光器件阵列能以不同的方法布置，光路改变单元30，35和60能对于不同的布置适当选择。

同样，本发明提供采用上述发光器件照明系统的投影机。采用依照本发明发光器件照明系统的投影机，如图8所示，包括发出光束的照明系统，用于把从照明系统发出的R、G和B光束形成图像的显示器件75，和把显示器件75形成的图像投影到屏幕80上的投影透镜单元77。照明系统包括多个至少由一个发光器件构成的发光器件阵列10和20，用于发射具有预定波长的光束，全息光学元件18和28设计来反射从发光器件阵列10和20发射的光束，同时最小化光束的横截面，和通过选择性透射或反射从全息光学元件18和28入射的光束，光路改变单元30能改变光路。

发光器件阵列10由第一到第三发光器件阵列10a、10b和10c构成，分别发射R、G和B光束。为了保证充足的光束量，能进一步对称提供一层或者多层具有相同结构的发光器件阵列20。当第一到第三发光器件阵列10a、10b和10c被排列成一行时，全息光学元件18反射的R、G和B光束以相同的方向互相平行输出。光路改变单元30包括第一到第三分色镜30a、30b和30c，改变按照其波长选择性透射或反射的R、G和B光束的光路。

蝇眼透镜65使从第一到第三分色镜30a、30b和30c以相同方向输出的R、G和B光束均匀分布，并能进一步提供中继镜70向显示器件75汇聚光束。这里，彩色图像由显示器件75利用R、G和B光束形成。显示器件75可以是移动反射镜设备，通过微小镜面的开关切换实现彩色图像，或者是LCD器件通过调制入射光束的偏振实现彩色图像。

以上描述中，第一到第三分色镜30a、30b和30c用作光路改变单元30。然而，胆甾型液晶带调制滤波器35根据入射光的圆偏振方向透射或者反射也能用作光路改变单元30。

同样，X棱镜60或者X类型分色镜也能用来改变R、G和B光束的光路，按照入射光的波长通过反射或者透射，使从不同方向输入的光能从相同的方向输出。这里，第一到第三发光器件阵列40a、40b和40c，按照X棱镜60或者X类型分色镜确定的预定角度分隔排列，如图7所示。具有上述结构的照明系统能代替包括第一到第三发光器件阵列10a、10b和10c和分光镜30a、30b和30c的照明系统。

从上述照明系统发出的R、G和B光束经过蝇眼透镜65和中继镜70入射到显示器件75，形成彩色图像。该彩色图像被投影透镜单元77放大并投影到屏幕80上。

综上所述，由于按照本发明发光器件照明系统发出的光束具有所需波长的窄带频谱，颜色纯度提高了，能实现具有更广分布的颜色域。此外，全息光学元件最小化发出的光束横截面，照明系统更紧凑，减少光的浪费。进而，与传统灯光源相比，产生更少的热量，也延长寿命。此外，在采用本发明发光器件照明系统的投影机中，由于通过发光器件照明系统驱动时间序列是可能的，不需要滤色轮。此外，由于光束能比滤色轮的可能旋转速度更快的切换，能实现高帧频，能减少功率消耗。因此，采用本发明发光器件照明系统的投影机能提供高可见度和高质量的图像。

Claims (24)

1.一种照明系统，包括：

至少一种发光器件，发射具有预定波长的光束；

一种全息光学元件，安排在光路中，减少从发光器件发出光束的横截面；

其中所述照明系统进一步包括光路改变单元，通过选择性透射或者反射从全息光学元件出射光束，改变光束的光路。

2.如权利要求1所述的照明系统，其中发光器件是以下元件之一，LED，即发光二极管，LD，即激光二极管，有机EL，即有机电致发光件，和FED，即场发射显示件。

3.如权利要求2所述的照明系统，其特征在于，进一步包括平行光束形成单元，使从发光器件发出光束成为平行光束。

4.如权利要求3所述的照明系统，其中平行光束形成单元是准直透镜阵列或者菲涅尔透镜阵列。

5.如权利要求1所述的照明系统，其中至少一种发光器件形成阵列。

6.如权利要求1或5所述的照明系统，其中多个发光器件或发光器件阵列排列为一行，发出具有不同波长的光。

7.如权利要求6所述的照明系统，其中光路改变单元是分色镜，按照光束的波长反射或者透射从全息光学元件出射的光束。

8.如权利要求6所述的照明系统，其中光路改变单元是胆甾型液晶带调制滤波器，按照光束的偏振方向和波长，反射或者透射从全息光学元件出射的光束。

9.如权利要求8所述的照明系统，其中胆甾型液晶带调制滤波器包括：

第一镜面，对于具有预定波长的光束，第一镜面反射右旋圆偏振光和透射左旋圆偏振光；

和第二镜面，对于具有预定波长的光束，第二镜面透射右旋圆偏振光和反射左旋圆偏振光；

相对于输入光束的方向，以对角线方式设置所述第一和第二镜面。

10.如权利要求1或5所述的照明系统，其中多个发光器件或发光器件阵列以预定的角度分开排列，发出具有不同波长的光。

11.如权利要求10所述的照明系统，其中光路改变单元是X棱镜或者X类型分色镜。

12.如权利要求1或者5所述的照明系统，其中发光器件或发光器件阵列，和全息光学元件进一步排列成多层结构。

13.一种投影机，包括：

一种照明系统，它包括至少一种发光器件，发射具有预定波长的光束，该照明系统进一步包括一种安排在光路中的全息光学元件，减少从发光器件发出光束的横截面；

一种显示器件，按照输入图像的信号，通过处理从照明系统发出的光束，形成图像；

投影透镜单元，放大显示器件形成的图像，并投影该放大的图像到屏幕上；

所述照明系统进一步包括光路改变单元，通过选择性透射或者反射从全息光学元件出射的光束，改变其光路。

14.如权利要求13所述的投影机，其中发光器件是以下元件之一，LED即发光二极管，LD即激光二极管，有机EL即电致发光件，和FED即场发射显示件。

15.如权利要求14所述的投影机，其特征在于，进一步包括平行光束形成单元，使从发光器件发出光束成为平行光束。

16.如权利要求15所述的投影机，其中平行光束形成单元是准直透镜阵列或者菲涅尔透镜阵列。

17.如权利要求14所述的投影机，其中至少一种发光器件形成阵列。

18.如权利要求13所述的投影机，其特征在于，进一步包括：蝇眼透镜，使从照明系统发射的光束成为平行光；和中继镜，把透过蝇眼透镜的光束向显示器件汇聚。

19.如权利要求13所述的投影机，其中多个发光器件或发光器件阵列排列为一行，发出具有不同波长的光。

20.如权利要求19所述的投影机，其中光路改变单元是分色镜，按照光束的波长反射或者透射从全息光学元件出射的光束。

21.如权利要求19所述的投影机，其中光路改变单元是胆甾型液晶带调制滤波器，按照光束的偏振方向和波长，反射或者透射从全息光学元件出射的光束。

22.如权利要求13所述的投影机，其中多个发光器件或发光器件阵列以预定的角度分开排列，发出具有不同波长的光。

23.如权利要求22所述的投影机，其中光路改变单元是X棱镜或者X类型分色镜。

24.如权利要求13，19或者22所述的投影机，其中发光器件或发光器件阵列，和全息光学元件进一步排列成多层结构。

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