CN1058790C - 多光源投影仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种将多个光源的输出完全充分地集成在一起的投影系统，它包含线性光束组合薄膜(9)，放置在薄膜两端的光源(19a)和(19b)沿着垂直于线性棱镜轴并且相对于薄膜(9)的平面(14)的垂直方向倾斜56.5°-63.5°的方向发射准直光线(16a，16b)，使光线基本上全部照射到线性棱镜(10)的两边之一(12，15)并且在薄膜(9)内发生全内反射，随后作为准直光线从表面(14)出射。

Description

多光源投影仪

发明领域

本发明涉及投影系统或投影仪，特别涉及透过式架空投影仪。

背景技术

随着越来越多地使用计算机生成的全彩色摄影幻灯片和液晶显示器(LCD)投影面板，需要提高投影系统的亮度。近来提高亮度的途径是着眼于采用功率更大的钨卤素灯和采用金属卤化物灯技术以及在光学元件上覆盖高效防反射涂层。采用较高功率的钨卤素灯丝的灯增加了冷却的难度，而采用象金属卤化物灯之类的电弧放电灯，则成本较高。

过去几种提高投影系统亮度方法的特点是采用多个小功率灯。如果是反射投影(常在非透明投影仪中采用)，那么利用若干光源发出的光照射不透明的拷贝就足以满足要求。被拷贝散射的光线经投影透镜射向屏幕。例如在美国专利No.4,979,813中描述了这种类型的投影系统。

在反射投影中，灯光经单个或多个聚光透镜会聚，通过投影幻灯片，随后聚焦在投影透镜上。这种投影方式通常用在35毫米胶片和架空式投影仪中，并且投影产生的图像与反射投影相比具有更高的亮度。例如可参见美国专利No.3,547,530和No.3,979,160。但是由于聚光透镜系统只能有效地将光线从某一点(光源位置)聚焦至另一点(投影透镜位置)，所以反射投影通常局限于采用单光源。这种固有的缺陷制约着屏幕亮度的提高。

为此已经提出了好几种将多个光源输出充分组合起来并将它们聚焦至公共焦点的方法。美国专利No.1,887,650描述了一种将八只灯组合起来的系统,美国专利No.3,770,344描述了一种将四只灯组合起来的架空式投影仪，而日本专利No.4-179046和5-199485描述了将两只灯组合起来的投影仪。所有这些设备存在一个相同的缺陷，即灯的组合输出并非真正意义上的集成。组合灯输出光束虽然相邻，但是在空间上是分离的。其导致的结果是，一旦某只灯出故障，屏幕图像的亮度下降不均匀，个别区域变成全黑，使得这部分的屏幕图像无法辨别。

因此更迫切需要的是将多个光源的光线真正集成在一起，使它们聚焦在公共点上。美国专利No.4,952,053描述了一种将两只灯组合在一起的架空式投影仪，美国专利No.5,231,433描述了一种借助线性凹槽反射镜或者线性凹槽衍射元件将两束准直光束集成在一起的方法。日本专利No.5-232399描述了一种借助分束镜和多通路反射镜将两光源的输出组合以及集成起来的方法。这些系统的效率受制于反射镜涂层所能达到的反射率、几何遮光损失以及折射元件的强色散。

发明内容

本发明提供一种将多个光源的输出完全充分地集成在一起的投影系统，提高了屏幕亮度，避免了已有技术的缺憾。

按照本发明的一个方面，提供了一种将图像投射到屏幕上的多光源投影系统，带有光学窗口的外壳，其特征在于包含：线性光束组合薄膜，它包括一个用来限定平面的平坦的第一表面和与所述第一表面相对并具有一定结构的第二表面，所述具有一定结构的第二表面包含多个线性三角棱镜，其每一个内角都介于58°-62°之间；以及至少一个放置在至少是所述薄膜一端的光源，所述光源沿着垂直于所述线性棱镜轴并且相对于所述薄膜的所述平面的垂直方向倾斜56.5°-63.5°的方向发射准直光线，从而使得所述光线基本上全部照射到所述线性棱镜的所述两边之一并且在所述薄膜内发生全内反射，随后从所述平坦的第一表面出射并作为准直光束射向光学窗口；以及至少一个放置在至少是所述薄膜一端的第二光源，所述第二光源沿着垂直于所述线性棱镜轴并且相对于所述薄膜的所述平面的垂直方向倾斜56.5°-63.5°的方向发射准直光线，从而使得所述光线基本上全部照射到所述线性棱镜的所述两边之另一边并且在所述薄膜内发生全内反射，随后从所述平坦的第一表面出射并作为准直光束射向光学窗口。

按照本发明的另一方面，提供了一种多光源投影系统，其中光源发射的所述准直光线的所述倾角与所述棱镜边所夹的所述内角满足下列关系： $\mathrm{\θ}=90-(\frac{\mathrm{\α}}{2}+\arcsin \left(n\cos \left(\frac{3}{2}\mathrm{\α}\right)\right))$

这里：

θ＝所述准直光线的所述倾角

α＝所述棱镜两边的所述夹角

n＝所述薄膜材料的折射率

按照本发明的另一方面，提供了一种多光源投影系统，其中每个光源发射的光线照射到屏幕的整个区域。

按照本发明的另一方面，提供了一种多光源投影系统，其中光学窗口(21)的形状为矩形。

按照本发明的另一方面，提供了一种多光源投影系统，进一步包括用来使光源发射的光线准直的矩形准直仪。

按照本发明的另一方面，提供了一种多光源投影系统，其中矩形准直仪为菲涅尔透镜。

附图的简要说明

图1为已有技术的线性棱镜薄膜的剖面示意图，光束经过该薄膜的折射和全内反射发生偏转。

图2为本发明60°顶角线性棱镜薄膜的剖面示意图。

图3为本发明棱镜薄膜的剖面示意图并且图示出两束准直光束集成在一起的情形。

图4是将两只灯的输出组合与集成在一起的透射架空式投影仪系统的示意图。

图5是将两只灯的输出以另一种方式组合与集成在一起的投影系统的示意图。

图6是将四只灯的输出组合与集成在一起的投影系统示意图。

图7为表示本发明中所用透镜形状的透视图。

图8为表示本发明中所用聚焦光学的透视图，利用该聚焦光学在矩形菲涅尔透镜准直仪中形成椭圆形光束。

图9是将两只灯的输出组合与集成在一起的集成液晶投影系统的示意图。

实施发明的较佳方式

如图1所示，美国专利No.4,984,144描述了一种色散线性棱镜薄膜1，光束经过折射和全内反射发生偏转。等腰三角形微棱镜2的顶角α为69°。入射光线3以75°的入射角θ进入小面4后发生折射。随后在小面5被全内反射，并且光线7垂直于平面8出射。对于这种原来在高纵横比灯具中使用的棱镜透镜来说，需要75°这样大的入射角。

图2示出了本发明的线性棱镜薄膜9，它由一系列顶角α为60°的等腰三角形微棱镜10组成。当扩展了面积的准直光束11以60°的特定入射角θ垂直于小面12进入薄膜时，光线13垂直于平面14出射，其偏转完全由小面15的全内反射决定。由于表面12或14处没有产生折射，所以不会发生色散并且光束的偏转与材料的折射系数无关。而且，由于入射光束11既能到达相邻微型凹槽的峰，又能到达它们的谷，所以入射光束11分布于整个TIR小面15上，并且不会产生几何损失或者杂散光束偏转。

对于顶角为60°的薄膜，由图3所示，可以将两条准直入射光束16a和16b充分地在空间内组合起来。从微观尺度观察，左右两条入射光束16a和16b的出射光束17a和17b互相交错，从而足以保证薄膜9总面积上的光强是原来的两倍。

对于本发明的线性棱镜光束组合薄膜9，为了能最大限度地挖掘其潜力，需要满足以下的条件：

1)必须使入射光束16a和16b准直从而使每只灯发出的光线以同一入射角θ入射整个棱镜薄膜9；

2)线性棱镜光束组合薄膜9的顶角α比较好的是取值60°±2°；以及

3)入射至线性光束组合薄膜的准直光线入射角θ比较好的是取60°±3.5°。

如果棱镜顶角α大于62°，则每个反射小面的利用率不足90％。例如对于折射率n＝1.492的聚丙烯塑料棱镜薄膜，当顶角α等于62°而入射角θ等于63.5°时，每个反射小面大约只有90％的部分被利用。反射小面若过度欠填充，由相邻微棱镜产生的准直出射光束17a和17b将在空间分离，并且在光线照射的投影屏幕上出现黑带。

另一方面，如果棱镜顶角α小于58°，则垂直于薄膜出射的入射光线16a和16b不足90％。例如对于折射率n＝1.492的聚丙烯塑料棱镜薄膜，当顶角α等于58°而入射角θ等于56.5°时，每个反射小面大约有10％的入射光线未被利用。未照射到反射小面上的光束从薄膜出射时是非准直的并且方向也无法控制，因此并不能提高投影屏幕的亮度。

下面的表1示出了在各种薄膜顶角α下每个小面的光束填充分数(BFF)。BFF值小于1表示反射小面未充分填充，而BFF值大于1表示反射小面被过度填充。如上所述，当顶角α大于62°或小于58°时，入射光线从薄膜9出射后有10％以上部分在空间内分离或者被浪费。

             表1

α	θ	BFF
			50	42.3	1.55
58	56.5	1.11
			59	58.3	1.05
60	60.0	1.0
			61	61.7	0.947
62	63.5	0.895
			70	77.7	0.446

由表1可见，准直光线16a和16b的入射角θ随着顶角α的变化而以同样方式变化，但是并不呈线性关系。这是因为薄膜材料的折射系数n除了入射角θ为60°以外都有影响。在顶角α给定的情况下，为了在屏幕上产生最高的亮度，入射角θ所满足的精确关系由下式给定： $\mathrm{\θ}=90-(\frac{\mathrm{\α}}{2}+\arcsin \left(n\cos \left(\frac{3}{2}\mathrm{\α}\right)\right))$

这里：

θ＝所述准直光线的所述倾角

α＝所述棱镜两边的所述夹角

n＝所述薄膜材料的折射率

图4示出了一种将两只灯19a和19b的输出充分集成起来的投影系统18，当每只灯19a或19b单独点亮时向屏幕提供的亮度是均匀的，而当光源19a或19b同时点亮时屏幕亮度提高一倍。光源19a和19b分别位于用来使光束准直的矩形菲涅尔透镜20a和20b的焦点上。每条准直光束都以60°的入射角θ射入台阶孔径21。台阶孔径21可以做成正方形以容纳整幅架空式幻灯片，也可以做成尺寸缩小的矩形以容纳LCD投影面板。在台阶孔径21附近有60°线性棱镜薄膜9。从60°线性棱镜薄膜9出射的集成准直光束进入圆形菲涅尔透镜22并被聚焦至投影透镜23。在菲涅尔透镜22上方通常放置一块玻璃平板24用来支承架空式幻灯片或者LCD投影面板。如果60°线性棱镜薄膜9被投射小面的宽度小于正常视觉距离下的肉眼分辨率，则光源19a和19b发出的光线看上去都充分照射到了整个屏幕上。当两只灯19a和19b同时点亮时，与单只灯19a或19b点亮时的情形相比，屏幕亮度有效地增加了一倍。

图5示出了采用折叠镜25a，25b和26将两个光源19a和19b的输出组合起来的另一种实施方案。这里需要增加一个60°光束组合线性棱镜9a。

图6示出了一种将四个光源19a，19b，19c和19d的输出组合起来的构造。在该实施方案中，增加了线性棱镜薄膜元件9b、菲涅尔透镜准直仪20c和20d以及折叠镜25c和25d。这种级联式处理可以进一步推广，从而将另外增加的光源的输出集成起来。

当这些光学元件的纵横比L/W都接近于1，即呈正方形时，最容易将光束变形以使它们进入多光源投影系统的矩形光学元件内。为此，比较好的是使每个增加的光学元件沿着它前面的矩形元件短边排列取向。在图4所示的双光源系统中(图7示出了其细节)，矩形线性棱镜元件9的长L₁＝8单位而宽W₁＝6单位(L₁/W₁＝1.33)，如果菲涅尔透镜准直仪20a和20b(只示出了20a)沿着W₁的方向排列取向，则准直仪的长L₂＝W₁＝6单位，而准直仪的宽W₂＝L₁/2＝4单位，由此得到的纵横比L₁/W₁＝6/4＝1.5。如果菲涅尔透镜准直仪沿着L₁的方向排列取向，则准直仪的纵横比L₂/W₂＝8/3＝2.67，因而光束变形更加困难。

同样，在图6所示的四光源系统中，矩形线性棱镜元件9的长L₁＝12单位而宽W₁＝12单位，所以线性棱镜元件9a的纵横比必须取为L₂/W₂＝12/6＝2。如果菲涅尔透镜准直仪20a和20b沿着W₂方向排列取向，则准直仪的纵横比L₃/W₃＝6/6＝1，这就是理想的光束变形要求。

另外需要着重指出的是，随着光源数量的依次增加(例如采用两个光源、四个光源或者八个光源)，另外增加的线性棱镜元件或者菲涅尔准直器的面积都依次减半。这制约了所能获得的聚光效果并且限制了实际应用中所能集成的灯的数量。

与图4一样，图9也示出了一种将两只灯的输出充分集成起来的投影系统，因此当每只灯单独点亮时向屏幕提供的亮度也是均匀的，而当两个光源同时点亮时屏幕亮度也提高一倍。在菲涅尔透镜22和60°线性棱镜薄膜9之间放置有偏振调制显示器32(例如液晶显示器)，从而限定出一个来自光源的光线通过的光学窗口。该液晶显示器面板32包含一层夹在两块透明衬底或者平板之间的液晶材料，它可以是扭转向列型液晶也可以是超扭转向列型液晶。每块平板都包含有透明控制电极，这些电极被分割为大量的行与列，从而将显示器面板划分为大量的图像单元。这些图像单元通过驱动电极来控制，而这样的图像显示器面板被称为无源控制型显示器面板。另一种情况是在其中一块衬底上提供一个电极而在另一块衬底上提供半导体驱动电路。采用这种控制方式的器件被称为有源控制型图像显示器面板。

                            实例

图7和8示出了一种LCD架空式投影仪的具体构造。在矩形台阶孔径尺寸中，长L₁＝228.6毫米(9.0英寸)而宽W₁＝171.5毫米(6.75英寸)，从而给出的纵横比为L₁/W₁＝4/3，对于许多LCD投影面板来说通常都取这样一个比率。光源19a(只画出一个)位于一对用来聚光并将光线引向菲涅尔透镜准直仪a的玻璃聚光镜27之后，相距11毫米左右。光源19a为400瓦的36伏平展铁心盒型灯，ANSI标准名称为EVD。球面反射镜28的直径为60毫米而曲面半径为32.5毫米，它被用来聚焦前行的反射光线。焦距为55毫米左右而直径为60毫米的消球差对称Pyrex聚光镜29将灯26发出的光线聚焦至圆形横截面的光锥处。在靠近Pyrex聚光镜29的位置放置一个由光学冕牌玻璃做成的正方形圆柱形透镜30，其焦距约为175毫米而大小为82×82毫米。该圆柱形透镜30将圆形光锥沿着某一方向进一步压缩从而形成椭圆状光束31。单元件菲涅尔透镜准直仪20a的焦距为178毫米，工作于f/.75与f/1.0之间，并且与垂直方向呈30°角对称取向排列。菲涅尔准直仪20a的高度W₂是台阶孔径长度L₁的一半，即W₂＝114.3毫米(4.5英寸)，而菲涅尔准直仪20a的宽度L₂与台阶孔径宽度相等，即L₂＝171.5毫米(6.75英寸)。这样准直菲涅尔透镜的纵横比L₂/W₂即为1.5。为了充分填满准直菲涅尔透镜的矩形孔径，纵横比应该近似地满足下列关系：L₂/W₂＝A/B，这里的A和B是光束在如图8所示菲涅尔准直仪平面处的椭圆横截面31的长轴和短轴。

如图4所示，60°线性棱镜薄膜9由2毫米厚的丙烯酸塑料制成，其尺寸略大于台阶孔径，并且各棱镜凹槽10的宽度为0.5毫米左右。丙烯酸制成的矩形菲涅尔透镜22放置于线性棱镜薄膜9与限定出台阶孔径的玻璃平板21之间，其焦距为325毫米左右，凹槽宽度介于0.5-0.125毫米之间，并且尺寸大小与线性棱镜薄膜9基本相近。焦距为330毫米的三重投影透镜23将台阶上的图像投射到60英寸宽的屏幕上，放大倍数接近6.7。

在这种结构下，单只灯点亮时的屏幕平均亮度为140英尺-烛光，而两只灯都点亮时的屏幕平均亮度为280英尺烛光。这相当于一个7000流明的正方形孔径架空式投影仪在投射60平方英寸图像时的亮度。

对于本领域内的技术人员来说，上述较佳实施例的描述足以使他们能够实施本发明。对于他们来说，对上述实施例所作的各种改动都是显而易见的，并且这里限定的一般原理也无需创造性就可应用到其它实施例上。因此本发明并不打算借助这些实施例来限定其范围，相反，它的范围最大程度地被这里所揭示的原理和新特征所限定。

Claims (6)

1.一种将图像投射到屏幕上的多光源投影系统，带有光学窗口(21)的外壳，其特征在于包含：

线性光束组合薄膜(9)，它包括一个用来限定平面的平坦的第一表面(14)和与所述第一表面(14)相对并具有一定结构的第二表面，所述具有一定结构的第二表面包含多个线性三角棱镜(10)，其每一个内角都介于58°-62°之间；以及

至少一个放置在至少是所述薄膜一端的光源(19a)，所述光源(19a)沿着垂直于所述线性棱镜轴并且相对于所述薄膜(9)的所述平面(14)的垂直方向倾斜56.5°-63.5°的方向发射准直光线(16a)，从而使得所述光线(16a)基本上全部照射到所述线性棱镜(10)的所述两边之一(12或15)并且在所述薄膜(9)内发生全内反射，随后从所述平坦的第一表面(14)出射并作为准直光束射向光学窗口(21)；以及

至少一个放置在至少是所述薄膜一端的第二光源(19b)，所述第二光源(19b)沿着垂直于所述线性棱镜轴并且相对于所述薄膜的所述平面(14)的垂直方向倾斜56.5°-63.5°的方向发射准直光线(16b)，从而使得所述光线(16b)基本上全部照射到所述线性棱镜(10)的所述两边之另一边(12或15)并且在所述薄膜(9)内发生全内反射，随后从所述平坦的第一表面(14)出射并作为准直光束射向光学窗口(21)。

2.如权利要求1所述的多光源投影系统，其特征在于所述光源(19a，19b)发射的所述准直光线(16a，16b)的所述倾角与所述棱镜边所夹的所述内角满足下列关系： $\mathrm{\θ}=90-(\frac{\mathrm{\α}}{2}+\arcsin \left(n\cos \left(\frac{3}{2}\mathrm{\α}\right)\right))$

这里：

θ＝所述准直光线的所述倾角

α＝所述棱镜两边的所述夹角

n＝所述薄膜材料的折射率

3.如权利要求1所述的多光源投影系统，其特征在于所述每个光源(19a，19b)发射的所述光线(16a，16b)照射到屏幕的整个区域。

4.如权利要求1所述的多光源投影系统，其特征在于所述光学窗口(21)的形状为矩形。

5.如权利要求4所述的多光源投影系统，其特征在于进一步包括用来使所述光源(19a，19b)发射的所述光线(16a，16b)准直的矩形准直仪。

6.如权利要求5所述的多光源投影系统，其特征在于所述矩形准直仪为菲涅尔透镜(20a，20b)。

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