CN100390600C - 使几束光束混合的照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混合两束光束(12.1、12.2)的照明系统。由形成二面体的两个入射面(20.1、20.2)限定的棱镜(20)。积分器(30)与棱镜的出射面(20.3)连接。每束光束经过入射面之一透过棱镜。所述光束在另一入射面上由于内部反射而朝出射面(20.3)反射。所述光束基本上聚焦到积分器的入射面，从而得到几乎均匀的出射光束(40)。本发明可用于投影和高层投影装置。

Description

使几束光束混合的照明系统
技术领域
本发明涉及用于照明目标的光学照明系统，尤其涉及在图像投影或背投装置中用于照明空间光调制器(spatial light modulator)的系统。本发明还涉及采用这种照明系统的投影仪或背投仪。
背景技术
在投影领域，需要使用多个光源照明空间光调制器。例如，当期望使用有限功率水平的灯或当期望使用其发射光谱相互补偿的灯时是这种情况。因此，为了传送单一的照明光束到调制器上，需要混合由这些光源发射的光束。
已知诸如在专利US 6224217(参见图1)公开的各种系统，其中来自两个光源的光束被两个反射面(诸如棱镜的外表面)沿相同的方向反射。但是，在这种系统中难以获得完全重叠的两束复合光束，以获得具有均匀照明的单一光束。
诸如在专利US 5504544(参见图2)中公开的其它系统提供用两准直光束照明的棱镜阵列。来自每束光束的光经过棱镜的一个表面透过每个棱镜，并且由于在该另一表面的内部反射(internal reflection)而在棱镜的另一表面上反射。从而阵列棱镜的组合沿单方向混合两光束。该系统要求昂贵元件的棱镜阵列。此外，作为从棱镜阵列输出获得的光束照明均匀性取决于光源发射的光束均匀性。
文献US 6341876和US 2001/048562公开了一种用于混合和集成光束的光学元件，其从上游到下游包括：
在上游，由形成二面体(dihedron)的称为入射面的第一表面和第二表面限定的至少一个棱镜，入射面接收来自光源的光束之一，光束透过棱镜，然后，由于内部反射而在第二表面上至少部分地反射；和
在下游，包括透明材料柱形棒的光积分器(light integrator)，其在称为入射端的一端接收被至少一个棱镜反射的所述光束，棒的长度是这样，即，所述光束的光在棒的内壁上反射多次，从而在称为出射端的另一端传送几乎均匀的照明光束。
棱镜可以是与积分器棒分开的零件，如文献US 6341876，或者它们可以形成积分器系统的棒的整体零件，如文献US 2001/048562。
这种用于混合和集成光束的光学元件的一个缺点是它需要许多棱镜，即，每束混合的光束需要一个棱镜。当混合的光束数量大于2时，这成为更大的问题。
发明内容
本发明提供解决上述缺点的照明系统。
因此，本发明涉及包括至少发射非共线和非校准光束的两个光源，和由形成二面体的至少第一和第二入射面以及由出射面限定的棱镜。每束光束经过所述入射面之一透过棱镜，并且在所述入射面中的另一个上由于内部反射而朝出射面至少部分地反射。该系统还包括光积分器，该光积分器光学连接所述出射面且经过一个入射面接收被棱镜反射的所述光束。棒的长度是这样，即，所述光束的光在积分器的内壁上反射多次，从而光积分器经过出射面传输几乎均匀的照明光束。在这种照明系统中，积分器和至少一个棱镜是分开的零件。
更具体地说，本发明的主题是一种照明系统，其包括至少发射非共线和非准直光束的两个光源，用于混合和集成这些光束的光学元件，其中元件放在这些光束的路径上，并从所述路径的上游端到下游端包括：
在上游，由形成二面体的第一的第二入射面限定的至少一个棱镜，每束光束透过入射面之一，然后，在另一入射面上被内部反射至少部分地反射；和
在下游，包括透明材料柱形棒的光积分器，其在称为入射端的一端接收被至少一个棱镜反射的光束，棒的长度是这样，这些光束在棒的内壁反射多次，从而在称为出射端的另一端传输几乎均匀的照明光束。
在后面的照明系统中，至少一个棱镜和积分器棒只可以形成单个零件。因此，每个(至少一个)棱镜混合光源发射的所有光束。这样导致比文件US 6341876的图7中所示结构或文件US 2001/048562的图1中所述结构更简单和更便宜的结构，上述已知技术的每个光源需要一个棱镜。在待混合的三个光源的情况下，例如可以用于投影或背投装置的三种不同原色光源，由于本发明仅仅使用单个棱镜，其是以矩形为底面或以正方形为底面的棱镜。因此，这种相同的棱镜甚至可以用于混合四种光源。因此，照明系统优选包括至少三个光源和/或在上游光学元件只包括单个棱镜。
而且，由于使用非准直光束，有利地，在下游积分器棒的内壁上具有许多反射，即使用有限的长度，在另一端产生更多均匀的照明光束。优选地，每束光束的孔径大于或等于2。
优选地，光源的布置与至少一个棱镜的几何形状和材料被适配成使得由至少一个棱镜反射的各束光束的光轴(optical axis)彼此近似平行，并且平行于积分器的棒的柱体的轴，至少平行于在所述棒的入射端的该柱体的轴。这是因为棱镜的几何形状和棱镜材料的系数决定棱镜出射的光束方向。
优选地，至少一个棱镜的第一和第二入射面在它们之间形成大约60度的角。而且，优选这两个面的等分平面(bisector plane)平行于积分器的棒的柱体的轴。
此外，提供每束光束在积分器的入射端充分会聚。
所述棱镜为锥形，其出射面是具有偶数边的规则多边形，其侧面作为入射面。
在本发明的可替换实施例中，提供两个直角三角形横截面的棱镜。确定每个棱镜的直角的第一面与积分器的入射面接合。确定每个棱镜的直角的第二面围绕分束器。
本发明可应用于使用在此描述的照明系统的投影或背投装置。因而空间光调制器用透过积分器出射面的光照明。
空间光调制器包括液晶单元。
附图说明
本发明的各个方面和特征在下列说明和附图中显而易见，附图中：
图1和2，本领域和上面已经描述的已知照明系统；
图3a-3c，根据本发明的照明系统的示例性实施例；
图4，本发明系统的可替换实施例，其中入射棱镜具有四个入射面；和
图5，本发明系统的可替换实施例，包括被分束器分开的两个棱镜。
具体实施方式
因此，参照附图3a描述根据本发明的照明系统的示例性实施例。
该系统包括两个光源10.1-11.1和10.2-11.2，每个光源发出非准直光束12.1和12.2。每束光束传输到棱镜20的入射面，以这种方式透入棱镜，然后，由于内部反射而在棱镜的相对表面上反射。因此，光束12.1经过表面20.2透过棱镜20，并且在相对表面20.1上反射。同样，光束12.2经过表面20.1透过棱镜，并且在相对内部表面20.2上反射。
所反射的光束13.1和13.2经过棱镜的表面20.3透射到以具有对称轴的光波导或棒形式的光学积分器30。该积分器的横截面可以是圆形或多边形。
在图3a所示的示例性实施例中，棒的对称轴与棱镜20的轴对齐。光束13.1和13.2基本上聚焦在光积分器30的入射面上，或至少在积分器的入射面的光束包迹(envelopes of the beams)是全部光束透过积分器。从而光束13.1和13.2透过棒，其中它们在棒的内壁30.1上经历多次反射。此后，它们经过出射面以单一均匀光束40再度出现，用于照明目标50，例如，空间光调制器。
不脱离本发明的范围，很显然，在积分器的出射面和目标40之间可能提供用于适应光束40的尺寸的光学元件给要照明的目标面积。
在图3a所示的示例性实施例中，积分器棒的入射面与棱镜的底面接合，所述棱镜的底面用作棱镜出射面。
在棱镜顶点的角度和在棱镜表面20.1和20.2上的光束入射角是这样，即，被表面20.1和20.2反射的光束13.1和13.2与棱镜轴和积分器棒的轴形成相当小的角度，甚至为零。光源10.1-11.1和10.2-11.2相对棱镜的轴XX′对称地放置，并以相同的入射角照明表面20.1和20.2。
根据本发明优选的实施例，透过积分器30的光束沿平行于积分器对称轴的方向传播。因此，图3b的基本示图表示，如果由光源发出的光束垂直于棱镜的入射面，和如果期望透过积分器的光束13.1和13.2的确平行，那么需要有在入射面20.1和20.2之间形成60度角的棱镜。因而图3c表示根据本发明的照明系统，其中进入积分器的光束沿平行于积分器轴的方向传播。因而该实施例是优选实施例。
不脱离本发明的范围，可能有这样的实施例，其中进入棱镜的光束12.1和12.2的方向不垂直棱镜的入射面20.1和20.2，给定这些光束的多数入射光线的入射角小于上面限定的在入射面上反射的角度。还有可能具有这样的实施例，其中表面20.1和20.2之间的角度不同于60度。
同样，图3c表示聚焦在积分器棒的入射面上的光束，尽管这不是强制性的。在通过棱镜后，对于每束光束包迹的全部要求是包括在积分器棒内。
在图3a-3c中的棱镜20具有两个入射面20.1和20.2，让两束光束混合成单一照明光束。在图4所示的本发明可替换实施例中，棱镜20可以是其底面为具有偶数边的规则多边形的棱锥形式的棱镜。这种入射棱镜让多于两束入射光束混合。根据图4所示的实例，底面可以是正方形。在这种情况下，棱镜具有四个入射面20.10-20.13。这种结构使它可能将来自四个光源S0-S3的光射入棱镜，从而射入积分器。来自光源S0的光经过表面20.10透过棱镜，并且在相对轴XX′与表面20.10对称的表面20.12上反射(在图中看不见)。来自光源S1的光经过表面20.11透过棱镜，并且在表面20.13上反射，等等。
图5表示本发明的可替换实施例，其中棱镜20被沿积分器30的轴XX′设置的分束板(或层)21分成两个直角棱镜21.1和21.2。两个棱镜21.1和21.2经过它们的形成棱镜直角的表面之一与积分器的入射面接合，而它们经过形成该直角的其它表面与位于这两个表面之间的分束器21接合。棱镜的斜面形成棱镜的入射面20.1和20.2。
由光源10.1-11.1发射的光束12.1经过表面20.2透过棱镜21.1。该光束的第一部分透过分束器到棱镜21.2的表面20.1，其以透过积分器30的光束13.1的形式反射所接收的光，如上所述。光束12.1的第二部分被分束器21反射到棱镜21.1的表面20.2，其以透过积分器30的光束15.1的形式反射所接收的光。因而后者以两束光束13.1和15.1的形式接收由光源10.1-11.1发射的光。这样产生由积分器输出的光束40的更好的均匀性。
在图5中，仅仅示出由光源10.1-11.1发射的光束12.1的路径。由光源10.2-11.2发射的光束路径与上述路径对称。但是，应该指出，由光源10.2-11.2发射的光束12.2被分束器21分成两部分。如果两个光源相对包含分束器21的平面对称布置，和如果两个棱镜平行于该平面，那么被分束器透射的光束的部分叠加在被分束器反射的光束12.1的部分(在图5中用虚线表示)上，并混合成光束15.1。被分束器反射的光束12.2的部分叠加在被分束器透射的光束12.1的部分，并且与后面的部分混合成光束13.1。
因此，来自两个光源的光通过棱镜21.1和21.2分布在积分器30的入射面的上部和下部。
因而这种布置提高出射光束40的均匀性。当光源灯具有不同光谱特性时，这样更有利。而且，当灯之一不发出光束时，系统能够保持其照明均匀性。
本发明还应用于棱镜与积分器系统的棒形成单个零件的情况。本发明尤其应用于照明系统包括多于两个光源的情况，并且有利地减少混合光束所需的棱镜数量。
因此，本发明可应用于图5中示意性表示的投影仪(或背投影仪)。在这种情况下，目标50是空间光调制器，例如，液晶单元。那么，该系统必须包括以本身公知的方式布置的投影光学元件，用于把从被积分器透射到空间光调制器50的光被调制而获得的图像投影到屏幕上。

Claims (9)

1.一种照明系统，包括：发射非共线和非准直光束的至少两个光源(10.1-11.1和10.2-11.2)；用于混合和集成所述光束的光学元件，其放在所述光束的路径上，从所述路径的上游端到下游端包括：
在上游，由形成二面体的至少第一和第二入射面(20.1、20.2)限定的至少一个棱镜(20)，至少所述入射面(20.1，20.2)之一接收所述光束之一，所述光束之一透过所述棱镜，然后在所述入射面中的另一个上由于内部反射而至少部分地被反射；和
在下游，包括由透明材料制成的柱形棒的光积分器(30)，其在称为入射端的一端接收被所述至少一个棱镜(20)反射的所述光束，所述棒的长度是这样，即，所述光束的光在所述棒的内壁(30.1)上反射多次，从而在称为出射端的另一端发出均匀的照明光束(40)，其特征在于，来自所有光源的每束光束透过每个棱镜。
2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述光源的布置与所述至少一个棱镜的几何形状和材料被适配成使得由所述至少一个棱镜(20)反射的各束光束的光轴彼此平行，并且平行于所述积分器(30)的棒的柱体的轴。
3.如前述权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述光学元件在上游仅包括单个棱镜。
4.如权利要求3所述的照明系统，其特征在于，它包括至少三个光源。
5.如前述权利要求1-4中任一项所述的照明系统，其特征在于，在所述至少一个棱镜的第一和第二入射面(20.1、20.2)之间形成60度的角，并且这两个表面的等分平面平行于所述积分器(30)的棒的柱体的轴。
6.如前述权利要求1-4中任一项所述的照明系统，其特征在于，每束光束(12.1，12.2)会聚在所述积分器的入射端。
7.一种照明系统，包括：发射非共线和非准直光束的至少两个光源(10.1-11.1和10.2-11.2)；放在所述光束的路径上的光学元件，从所述路径的上游端到下游端包括：
在上游，由形成二面体的至少第一和第二入射面(20.1、20.2)和由出射面(20.3)限定的至少一个棱镜(20)，每束光束经过所述入射面(20.1、20.2)之一透过棱镜，并且在所述入射面中的另一个上由于内部反射而至少部分地被反射；和
在下游，包括透明柱形棒的光积分器(30)，其在称为入射端的一端接收被所述至少一个棱镜(20)反射的所述光束，所述棒的长度是这样，即，所述光束的光在所述棒的内壁上反射多次，从而在称为出射端的另一端发出均匀的照明光束(40)，其特征在于，所述棱镜(20)由沿着所述积分器(30)的轴(XX′)定位的分束器(21)分成两个直角棱镜(21.1、21.2)，所述两个棱镜(21.1、21.2)具有直角三角形横截面，确定每个棱镜的直角且与所述积分器(30)的入射端接合的第一表面，和确定每个棱镜的直角且围绕分束器(21)的第二表面。
8.一种应用权利要求1-4和7之一所述的照明系统的投影或背投装置，其特征在于，它包括用透过所述积分器的出射端(20.3)的光照明的空间光调制器。
9.如权利要求8所述的投影或背投装置，其特征在于，所述空间光调制器包括液晶单元。
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