CN1205499C - 包括光分离/集成器件的照明光学系统及其图像显示设备 - Google Patents

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Abstract

提供具有衍射器件的照明光学系统和包括该照明光学系统的图像显示设备。所述照明光学系统，包括：光源，用于发光；和光分离/集成器件，该光分离/集成器件具有至少设置在一个入射侧的衍射器件，该衍射器件衍射该光以将入射角减小到预定范围。该图像显示设备，包括：所述的照明光学系统；成像光学系统，它调制来自照明光学系统的入射光以形成图像；和投影光学系统，它将从成像光学系统反射的光投影到屏幕上。

Description

包括光分离/集成器件的照明光学系统 及其图像显示设备
技术领域
本发明涉及照明光学系统和包括该照明光学系统的图像显示设备，更具体地涉及设置具有衍射装置的光分离/集成器件的照明光学系统和包括该照明光学系统的图像显示设备。
背景技术
图1是在US 5,625,738中公开的用于均匀照明光阀的设备的示意图。参看图1，普通照明设备包括：具有聚焦反射镜6的光源4；聚光镜8，它靠近光源4用于收集来自光源4的光；光通道2，用于接收聚光镜8收集的光。光通道2可以是具有内反射壁的空腔或是由光透射材料填充的空间。光通道2长度为L、并具有矩形截面。
从光源4发出的光以与线16即光通道2的纵轴形成角“u”的角度入射到光通道2，而后光强被均匀化、同时该光通过光通道2。通过光通道2的光被中继装置10整形并传送到光阀12。
为了表现彩色图像，这种普通照明设备还包括设置在聚光镜8与光通道2之间的光路上的用作彩色切换器件的滤色器、色盘、或X立方体(X-cube)，以便根据预定波长分离光线。但是，当用色盘或滤色器分离光线时，只有白光中的单色光束穿过色盘或滤色器的预定区，于是导致光效率下降。当使用X立方体时，由于从现有光源入射的光发散，使得在界面处X立方体涂层的光反射率或透射率下降，所以，发射光的整体效率下降。这是因为X立方体涂层的光反射率或透射率取决于光的发散角。
另外，用于使光强度均匀的诸如光通道2的光元件在从光源入射的光的数值孔径很小时必需被加长。因此，难以用这种光元件制作重量轻、体积小的图像显示设备。
发明内容
本发明提供体积小、结构紧凑的照明光学系统，该照明光学系统通过调整入射到该照明光学系统中的光分离/集成器件上的光的发散角而使光强度均匀化，该照明光学系统减少了中继透镜的数量，因此减小了光损耗、同时使廉价的图像显示设备具有高的亮度和画面质量。
根据本发明的一个方面，提供一个照明光学系统，该照明光学系统包括：发光光源；和光分离/集成器件。该光分离/集成器件具有至少设置在一个入射侧的衍射器件，该衍射器件衍射该光以将入射角减小到预定范围。
光分离/集成器件可以是X立方体，衍射器件是衍射光学元件(DOE)或全息光学元件(HOE)。
优选地，该照明光学系统还包括位于光源与光分离/集成器件之间的光路上的光导单元。该光导单元可以是光纤。
优选地，该照明光学系统还包括位于光源与光分离/集成器件之间的中继透镜单元。
优选地，该照明光学系统还包括位于光源与光分离/集成器件之间的光路分离器件，光路分离器件反射入射光并使出射光直接向前传送。
该光路分离器件可以是全内反射(TIR)棱镜。
根据本发明的另一个方面，提供一个图像显示设备，它包括：照明光学系统，该照明光学系统包括发光光源、和光分离/集成器件，该光分离/集成器件具有至少设置在一个入射侧的衍射器件，该衍射器件衍射该光以将入射角减小到预定范围；成像光学系统，它调制来自照明光学系统的入射光以形成图像；和投影光学系统，将从成像光学系统反射的光投影到屏幕上。
优选地，该光分离/集成器件是X立方体，衍射器件是DOE或HOE。
优选地，该图像显示设备还包括位于光源与光分离/集成器件之间的光路上的光导单元。该光导单元可以是光纤。
成像光学系统包括一个控制板，该控制板根据图像信号调制从照明光学系统入射的光、以产生图像。
优选地，照明光学系统还包括玻璃通道，该玻璃通道使光分离/集成器件与控制板之间的光强均匀化。
优选地，成像光学系统还包括位于玻璃通道与控制板之间的光路上的光路分离器件，该光路分离器件反射入射光并使出射光一直向前。该光路分离器件可以是TIR棱镜。
优选地，成像光学系统还包括位于玻璃通道与光路分离器件之间的光路上的聚光镜。
这里，投影光学系统包括投影透镜，该投影透镜将成像光学系统形成的图像投影到屏幕上。
优选地，照明光学系统还包括位于光源与光分离/集成器件之间的光路上的中继透镜。
优选地，成像光学系统包括位于光分离/集成器件与投影光学系统之间的光路上的中继透镜。
成像光学系统还可包括位于光源与光分离/集成器件之间的光路上的光路分离器件，该光路分离器件反射入射光并使出射光一直向前。该光路分离器件可以是TIR棱镜。
本发明提供衍射器件，它用于光分离/集成器件、以便调整入射到光分离/集成器件上的光的发散角，从而提高在光分离/集成器件内反射光的效率。另外，由于衍射器件可具有光焦度，所以能减少用于均匀光强度的中继透镜的数量。
附图说明
下面结合附图对本发明优选实施例所作的具体说明，将使本发明的上述内容和优点变得更加清楚，在附图中：
图1是US 5,625,738中公开的用于均匀照明光阀的设备的示意图；
图2是表示本发明第一实施例的照明光学系统和包括该照明光学系统的图像显示设备的示意图；
图3是基于入射角度的变化用于不同波长光的X立方体透射率的曲线图；
图4A是本发明第一实施例的包括X立方体的照明光学系统的模拟透视图，该X立方体具有位于其入射侧的用于单色光源的衍射器件；
图4B是形成在图4A所示的X立方体上的环形图案衍射器件的平面图；
图4C是基于衍射器件半径的衍射效率的曲线图；
图5是表示本发明第二实施例的照明光学系统和包括该照明光学系统的图像显示设备的示意图；
图6A和6B是在本发明第二实施例的照明光学系统中、当X立方体不具有衍射光学元件(DOE)和X立方体具有DOE时、与从X立方体所发射光的角度相对应的光强曲线图。
具体实施方式
下面，将结合附图对于照明光学系统及具有该照明光学系统的图像显示设备的优选实施例进行详细地说明。
图2是表示本发明第一实施例的照明光学系统和包括该照明光学系统的图像显示设备的示意图。参看图2，本发明第一实施例的照明光学系统包括：光源22-1，它发射具有不同波长的不同彩色的光束；X立方体22-2，在其每个光入射侧上设有衍射器件21。衍射器件21分别调整从光源22-1入射的不同彩色光束的入射角。光纤23也设置在每个光源与X立方体22-2的相应侧之间，以便将X立方体22-2上的光入射角调整到预定范围内。玻璃通道25设置在从X立方体22-2发射的光的光路上，以使光强度均匀。
诸如衍射光学元件(DOE)或全息光学元件(HOE)的光学器件被用作衍射器件21、并可直接形成在X立方体22-2的入射侧或分开制作后安装到X立方体22-2上。X立方体22-2是光分离/集成器件，它包括透射光或反射光的X形涂层。X立方体22-2的涂层具有基于光入射角的不同的反射率和透射率，所以必须将涂层上的光入射角调整到预定范围内、以减小光损失。
图3是基于入射角度的变化用于不同波长光的X立方体透射率的曲线图。参看图3，当具有400nm-700nm范围波长的光以0角度入射到X立方体22-2的涂层上时(即，X-Cube-p_0的情况)，透射率最高。当入射角增加时，透射率降低。当入射角超过11度(X-Cube-p_11)且至少是12度(X-Cube-p_12)时，透射率降到50％以下。
照明光学系统22包括衍射器件21，衍射器件21衍射从光纤23入射的光，使该光以最小为0度、最大为4-8度的发散角入射到X立方体22-2的涂层上，从而使X立方体22-2的透射率增加到70％或更大、以使透射光的损失最小。不过，图3所示的透射率只是一个实例，当形成高质量的涂层时、该透射率可增加到80％或更大。另外，具有衍射器件21的光分离/集成器件不限于X立方体22-2。
包括用作具有衍射器件的光分离/集成器件X立方体22-2的照明光学系统22被整体设置在图2所示的图像显示设备内。参看图2，光从照明光学系统22的光源22-1发出，而后透射通过具有全反射的光纤23，之后在形成有涂层的X立方体22-2的界面分离成具有不同波长的红(R)、绿(G)和兰(B)光束。R、G、和B光束入射到成像光学系统24、并根据电图像信号进行转换以产生图像。用投影光学系统26将该图像投影到屏幕(未示出)上。
成像光学系统24包括：聚光镜27，它收集从玻璃通道25入射的光；控制板24-1，它根据电图像信号转换从聚光镜27入射的光以形成图像；和光路分离器件24-2，它设置在聚光镜27和控制板24-1之间的光路上，用于将从聚光镜27入射的光反射到控制板24-1、并把从控制板24-1反射的光传送到投影光学系统26。数字微反射镜器件(DMD)和全内反射(TIR)棱镜可分别用作控制板24-1和光路分离器件24-2。另外，硅基液晶(liquid crystal on silicon)(LCOS)和偏振分束器(PBS)也可分别用作控制板24-1和光路分离器件24-2。
投影光学系统26包括投影透镜26-1，投影透镜26-1将从控制板24-1反射并穿过光路分离器件24-2的光发射到屏幕上，从而再现控制板24-1所产生的图像。成像光学系统24和投影光学系统26也可根据需要设置聚光镜或导光元件。
图4A是本发明一个实施例的包括X立方体22-2的照明光学系统的模拟透视图，该X立方体22-2具有位于其入射侧的用于单色光源的衍射器件21a。图4B是形成在环形图案中的衍射器件21a的平面图。
参看图4A，通过光纤23传输的光被衍射器件21a衍射而使该光以最小为0度、最大为4-8度的发散角入射到X立方体22-2并且以最大的光效率从X立方体22-2输出。形成在X立方体22-2上的环形图案具有约0.2nm的半径、并且可用作机械不规则形光栅的DOE或用作由参考光与标准光之间的干涉图案形成光栅的HOE。当衍射器件21被用作HOE时，光输出的衍射角可通过适当调节光栅间距、即栅距和适当调节光栅深度而进行调整。
图4C是基于衍射器件从形成在X立方体22-2入射侧上的衍射器件21a的中心计算的半径的衍射效率的曲线图。参看图4C，在入射侧中心的衍射效率是98.7％。尽管在半径增加时衍射效率反复地提高和降低，但最小衍射效率仍大于97％。从图4C所示的曲线可知，能通过适当调节栅距和光栅深度而将光的发散角在最大的4-8度范围内进行调整的衍射器件21a具有超过97％的高衍射效率。
图5是表示本发明第二实施例的照明光学系统32和包括该照明光学系统32的图像显示设备的示意图。参看图5，照明光学系统32包括：光源32-1，它发射白光；X立方体32-2，它具有在其入射侧上用于调节从光源32-1入射的光的发散角的衍射器件31和通过波长将入射光分离成R、G和B光束并透射和反射R、G和B光束的涂层。玻璃通道33也设置在光源32-1与X立方体32-2之间的光路上、用以使光强度均匀。中继透镜35可设置在玻璃通道33前面的光路中以使光强度均匀。中继透镜35可用于准直该光束。光路分离器件32-3设置在中继透镜35与X立方体32-2之间的光路中。光路分离器件32-3将来自中继透镜35的光反射到X立方体32-2、并将来自X立方体32-2的光传送到投影光学系统36。
与本发明第一实施例中的照明光学系统32中的衍射器件21相似，设置在X立方体32-2入射侧的衍射器件31具有光栅，该光栅使光衍射角在最小的0度与最大的4-8度之间调整，从而使X立方体32-2内的光分离和集成时的光损失最小。另外，本发明第二实施例设置在照明光学系统中的衍射器件31具有光焦度，所以用于均匀光强的中继透镜35的数量可减少，因而可使照明光学系统32小型化。与第一实施例的衍射器件21相似，衍射器件31被用作DOE或HOE。
设有第二实施例的照明光学系统32的图像显示设备还包括：成像光学系统34，它具有三个控制板34-1，控制板34-1接收来自照明光学系统32的光并根据电图像信号调制接收的光以产生图像；和投影光学系统36，它具有投影透镜36-1，投影透镜36-1将来自成像光学系统34的反射光投影到屏幕(未示出)。在需要时，成像光学系统34和投影光学系统36还可包括聚光镜或导光元件。
图6A和6B是在本发明第二实施例的照明光学系统中、当X立方体31不具有DOE和X立方体31具有DOE时、与从X立方体31所发射光的角度的相对应的光强曲线图。参看图6A，当X立方体31不具有DOE时，光强在0-±10度的角范围内是均匀的，因此可知在光束传送时光损失增加。反之，参看图6B，当X立方体31具有DOE时，光强在0度角附近很高、并具有Δ函数分布。因此可知，尽管光束传送，但光损失明显下降。
本发明提供用于光分离/集成器件的诸如X立方体的衍射器件、以便调节入射到光分离/集成器件的光的发散角，从而使光在X立方体内的涂层上透射和反射，进而降低光损失并提高输出到成像光学系统和投影光学系统的光效率。此外，由于可减少设置在照明光学系统中的中继透镜的数量，因此，可制作出重量轻、体积小、结构简单的图像显示设备。
虽然已结合本发明的优选实施例具体说明了本发明，但以上仅是对优选实施例的说明而并不限制本发明。例如，本领域的技术人员可以理解，各种衍射器件和具有该衍射器件的光分离/集成器件均可被使用。因此，本发明的范围不被上述的具体说明所限定、而由所附的权利要求书限定。
如上所述，在本发明的照明光学系统和具有该照明光学系统的图像显示设备中，设置用于光分离/集成器件的衍射器件，以使光以预定范围内的发散角入射到光分离/集成器件，从而使光分离/集成器件中的光损失最小。另外，由于该衍射器件具有光焦度，所以可减少中继透镜的数量，因此，可制作出重量轻、体积小、结构简单的图像显示设备。

Claims (23)

1.一个照明光学系统，包括：
光源，用于发光；和
光分离/集成器件，该光分离/集成器件具有至少设置在一个入射侧的衍射器件，该衍射器件衍射该光以将入射到所述光分离/集成器件的光的入射角减小到预定范围，在该范围中所述光分离/集成器件的透射率至少70％。
2.一个如权利要求1的照明光学系统，其特征在于，该光分离/集成器件是X立方体。
3.一个如权利要求1或2的照明光学系统，其特征在于，该衍射器件是衍射光学元件或全息光学元件。
4.一个如权利要求1或2的照明光学系统，其特征在于，还包括位于光源与光分离/集成器件之间的光路上的光导单元。
5.一个如权利要求4的照明光学系统，其特征在于，该光导单元是光纤。
6.一个如权利要求1或2的照明光学系统，其特征在于，还包括位于光源与光分离/集成器件之间的中继透镜单元。
7.一个如权利要求1或2的照明光学系统，其特征在于，还包括位于光源与光分离/集成器件之间的光路分离器件，该光路分离器件反射入射光并使出射光直接向前传送。
8.一个如权利要求7的照明光学系统，其特征在于，该光路分离器件是全内反射棱镜。
9.一个图像显示设备，包括：
照明光学系统，该照明光学系统包括发光光源、和光分离/集成器件，该光分离/集成器件具有至少设置在一个入射侧的衍射器件，该衍射器件衍射该光以将入射到所述光分离/集成器件的光的入射角减小到预定范围，在该范围中所述光分离/集成器件的透射率至少70％；
成像光学系统，它调制来自照明光学系统的入射光以形成图像；和
投影光学系统，它将从成像光学系统反射的光投影到屏幕上。
10.一个如权利要求9的图像显示设备，其特征在于，该光分离/集成器件是X立方体。
11.一个如权利要求9的图像显示设备，其特征在于，该衍射器件是衍射光学元件或全息光学元件。
12.一个如权利要求9的图像显示设备，其特征在于，还包括位于光源与光分离/集成器件之间的光路上的光导单元。
13.一个如权利要求12的图像显示设备，其特征在于，该光导单元是光纤。
14.一个如权利要求9的图像显示设备，其特征在于，该成像光学系统包括控制板，该控制板根据图像信号调制从照明光学系统入射的光、以产生图像。
15.一个如权利要求14的图像显示设备，其特征在于，该照明光学系统还包括玻璃通道，该玻璃通道使光分离/集成器件与控制板之间的光强均匀化。
16.一个如权利要求15的图像显示设备，其特征在于，该成像光学系统还包括位于玻璃通道与控制板之间的光路上的光路分离器件，该光路分离器件反射入射光并使出射光一直向前。
17.一个如权利要求16的图像显示设备，其特征在于，该成像光学系统还包括位于玻璃通道与光路分离器件之间的光路上的聚光镜。
18.一个如权利要求9的图像显示设备，其特征在于，该投影光学系统包括投影透镜，该投影透镜将成像光学系统形成的图像投影到屏幕上。
19.一个如权利要求9的图像显示设备，其特征在于，该照明光学系统还包括位于光源与光分离/集成器件之间的光路上的中继透镜。
20.一个如权利要求9或14的图像显示设备，其特征在于，该成像光学系统包括位于光分离/集成器件与投影光学系统之间的光路上的中继透镜。
21.一个如权利要求9或14的图像显示设备，其特征在于，成像光学系统还包括位于光源与光分离/集成器件之间的光路上的光路分离器件，该光路分离器件反射入射光并使出射光一直向前。
22.一个如权利要求16的图像显示设备，其特征在于，该光路分离器件是全内反射棱镜。
23.一个如权利要求21的图像显示设备，其特征在于，该光路分离器件是全内反射棱镜。
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