CN1495470A - 高效投影系统和其色彩滚动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效率投影系统和色彩滚动方法。在色彩滚动方法中，首先分光器将光源发出的光束分离成单色光束。随后，矩形光阀设置成其长轴方向与分光器将入射光分离成单色光的方向一致。之后，在光阀的长轴方向滚动单色光。在长轴方向的色彩滚动比在短轴方向矩形色彩滚动能够大大增加光效率。

Description

高效投影系统和其色彩滚动的方法

技术领域

本发明涉及一种通过在光阀的长轴方向进行色彩滚动，而具有更高光效率的投影系统和色彩滚动的方法。

背景技术

根据光阀的数量投影系统可分成3板投影系统和单板投影系统，所述光阀用于以逐个像素为基础控制从高输出灯所发出光束的开/关操作，并形成影像。单板投影系统比3板投影系统的光学系统要小，但是，其提供的光效率仅为3板投影系统光效率的1/3，因为由白光分色而来的R，G和B(红，绿和蓝)色光是逐个使用的。所以，有必要增加单板投影系统的光学效率。

在通常的单板投影系统中，用彩色滤光片将从白光光源发出的白光分离成R，G和B色光，并且该三色光被依次传送到光阀。光阀根据接收的颜色顺序操作，并产生图像。如上所述，单板光学系统顺序地使用颜色，所以光效率降低到3板光学系统的1/3。为了解决这一问题，已提出了一种滚动方法。在传统的色彩滚动方法中，白光被分成R，G和B色光，并且三色光同时传送到光阀100的不同位置，如图1所示。另一方面，光阀100被分成3个区域，R，G和B色光聚焦在相应的区域上。每个色区称作色条。因为当R，G和B色光分别到达光阀中各色区的所有像素时才能产生图像，所以色条由色彩滚动装置以恒定速度移动。色条的移动称作色彩滚动。

在上述色彩滚动方法中，R，G和B三色光束不是依次使用，而是同时使用的。因此，能够提高采用色彩滚动方法的单板投影系统的光效率。在采用这种色彩滚动法的单板光学投影系统中，光阀100的形状一般为4∶3或16∶9的矩形。在矩形光阀100中，短边对应短轴方向，长边对应长轴方向。如图1所示，形成在光阀100上的R，G和B色条，在光阀100短轴方向移动。色条的光阀短轴方向的移动(色彩滚动)，从光学效率的角度考虑不好。这可以与下文本申请作比较。

发明内容

本发明提供了一种投影系统，其结构使得色彩滚动在光阀的长轴方向进行，并提供了其色彩滚动的方法。

根据本发明的一方面，提供一种投影系统，其中分光器把光源发出的光束分离成单色光束，滚动单元滚动单色光并将已滚动的光束聚焦在光阀上，光阀根据输入的图像信号处理所滚动的光束，以形成彩色图像，放大彩色图像，并将放大的彩色图像向屏幕投射。将光阀设置成其长轴方向与分光器将入射光分离成单色光的方向一致，以便提高光效率。

根据本发明的一方面，如果屏幕设置成其短轴与光阀的长轴方向一致，那么要包括第一和第二反射镜。

根据本发明的一方面，第一反射镜相对屏幕和光阀之间光路的光轴倾斜45度。第二反射镜相对光轴倾斜45度，以使由第二反射镜反射的光束相对入射到第一反射镜上的光束旋转90度。

根据本发明的另一方面，提供一种色彩滚动的方法，包括如下步骤：用分光器将光源发出的光束分成单色光，配置矩形光阀，以使其长轴与分光器分离光束的方向一致，和在光阀的长轴方向滚动单色光。

附图说明

通过参照附图对本发明示范性实施例详细地描述，本发明的上述和其它特征与优点将更多地表现出来，其中：

图1是传统色彩滚动的方法；

图2A是韩国专利申请第2002-40399号公开的投影系统的示意图；

图2B是表示在图2A中所示的分光器根据颜色分离光束的方向；

图2C表示一种光阀，被配置成实现根据本发明色彩滚动的方法；

图2D表示一种光阀，配置成光阀的长轴方向与所分离的白光的Y方向相同；

图3A表示具有对称分布的光源实例；

图3B表示矩形光阀；

图4A表示在图3B光阀的短轴方向进行色彩滚动操作的实例；

图4B表示图4A所示的情况下色条能量(etendue)的计算方法；

图5A表示在图3B的光阀长轴方向进行色彩滚动操作的实例；

图5B表示图5A所示的情况下色条能量(etendue)的计算方法；

图6A表示一种光阀和屏幕的配置，光阀的长轴与屏幕的短轴方向一致，在此情况下在光阀的长轴方向进行滚动；和

图6B表示用于旋转光阀上所形成图像的单元，使图像聚焦在屏幕上，在此情况下如图6A所示光阀的长轴与屏幕的短轴方向一致。

具体实施方式

为实现本发明的色彩滚动方法，设置矩形光阀，使其长轴平行于彩色光束的分束方向，该彩色光束是由分光器将光源发出的光分成的彩色光束。换言之，因为色彩分离方向与光阀的长轴方向相同，所以在光阀的长轴方向形成色条。由色彩滚动单元在光阀的长轴方向进行色彩滚动。

本发明应用到以滚动方法产生彩色图像的所有投影系统中。根据本发明示意性，且非限定性的实施例，投影系统包括：一个光源，一个用于将光源发出的光依照波长分成彩色光束的分光器，一个用于滚动由分光器产生的彩色光束的滚动单元，和一个用于根据输入的图像信号通过开或关像素来产生彩色图像的光阀。由分光器和滚动单元产生的彩色光束被聚焦在光阀上，用这种方法，不同色彩的光束聚焦在不同区域。设置光阀使得其长轴方向平行于分光器将入射光分成单色光的分束方向。

根据本发明的色彩滚动方法，使用该方法的投影系统的例子由图2A表示。图2A所示的投影系统包括一个光源10，一个用于将光源10发出的光根据波长分光的分光器15，一个用于滚动由分光器15产生的红(R)，绿(G)和蓝(B)三色光的滚动单元20，和一个用于根据图像信号处理已滚动的R，G和B光以获得彩色图像的光阀40。

如图2A和2B所示，滚动单元20包括至少一个透镜单元20a。滚动单元20的旋转(在J方向上发生的)被转换成透镜单元20a一有限面积部分的直线运动(在Q方向发生的)，所述面积由L指示，光束由此通过。

透镜单元20a可以是柱面透镜或者螺旋布置。

滚动单元20可以是圆盘形或者圆柱形。光阀40根据图像信号，处理由滚动单元20滚动的R，G和B光，来获得彩色图像。

在滚动单元20和光阀40之间的光路上，可进一步设置复眼透镜阵列25和透镜组30。由光阀40形成的彩色图像通过投影透镜单元(未示出)放大并向屏幕投射。

如上所述，从光源10发出的光束由分光器15分成R，G和B色光束。例如，分光器15可以具有相对入射光束的光轴倾斜不同角度的第一，第二，和第三个二向色分光镜15a，15b，和15c。分光器15将入射光束分成具有不同波长的光束。例如，第一二向色分光镜15a反射入射白光中所包含的红光波长的R光，并透射其它波长的G和B光。第二二向色分光镜15b反射由第一二向色分光镜15a透过的绿光波长的G光，并透射剩下的B光。第三二向色分光镜15c反射由第一和第二二向色分光镜15a和15b透过的蓝光波长的B光。

分别由第一，第二，和第三二向色分光镜15a，15b，和15c按照波长分开的R，G和B三色光束以不同角度反射。例如，R和B光向G光聚集，并聚焦在滚动单元20上。所述被分开的单色光由滚动单元20滚动。

滚动单元20由螺旋布置的柱面透镜单元形成，以使滚动单元20的旋转转换成直线运动。由于滚动单元20的旋转转换成直线运动，故实现了色彩滚动。

现在将描述投影系统执行本发明色彩滚动方法的情况。图2C更详细地表示出用分光器15将白光分离成R，G和B色光。参照图2C，白光在Y方向被分成R，G和B色光。参照图2D，设置光阀40，以使光阀40的长轴与分离白光的Y方向相同。在光阀40的长轴方向进行色彩滚动，因此形成彩色图像。箭头91表示色彩分离方向。

在上述投影系统中，由滚动单元20传输的光束的方向必须与色彩分离的方向相同。

在本发明中，在光阀的长轴方向进行色彩滚动，因此形成彩色图像。由色彩滚动引起的能量(etendue)增加最小，并改善了光效率。

能量(etendue)(E)表示在光学系统中光守恒量，用所测物体的面积(A)计算，并且为θ_1/2正弦值的2次方，如等式1所示：

$E=\mathrm{\πAsi}{n}^2\left({\mathrm{\θ}}_{\frac{1}{2}}\right)=\frac{\mathrm{\πA}}{4{(F/\mathrm{No})}^2}---\left(1\right)$

其中θ_1/2表示入射到具有面积(A)的物体的光束或者从物体发出的光束角度的一半，F/No表示所用光学系统透镜的F数。这里sin(θ_1/2)等于1/(2F/No)。如果平板器件的尺寸是30×40mm，F/No是3.5，由等式2计算：

根据等式1，能量(etendue)(E)由物体的面积以及单色光的入射角度或透镜的F数来确定。能量(etendue)(E)是一个物理量，取决于光学系统的几何结构。为了获得优化的光效率，光学系统起始点的能量(etendue)必须等于结尾点的能量(etendue)。如果在结尾处的能量(etendue)比起始点大，那么当F/No恒定时等式1中的物体面积大。因此，光学系统变得笨重。另一方面，如果结尾点的能量(etendue)比起始点的小，那么将会产生光损失。

如果光源的能量(etendue)高，入射到后面透镜的光束角度增大，且因而，后面透镜的入射表面必须变得较大。后面透镜的入射表面增大引起象差、体积增加，即实际上难于恰当地配置光学系统。因此，在光学系统起始点处降低能量(etendue)，例如光源处，可以通过简单的光学系统结构解决并提高光效率。可是，如果不能改变光源，那么鉴于光效率，优选使在光学系统结尾处的能量(etendue)等于光源处的能量(etendue)。

下面将描述应用到投影系统中的能量(etendue)理论。用于投影系统的光阀通常是具有纵横比为4∶3或16∶9的矩形。这种矩形光学元组件部分的能量(etendue)由等式3获得：

E＝4Asin(θ_1/2)sin(φ_1/2)                               (3)

其中θ_1/2表示光线入射到光阀横向侧角度的一半，φ_1/2表示光线入射到光阀垂直侧角度的一半。可是，因为从光源发出的光束有一个半径，对称的轮廓，所以矩形光学单元部分的能量(etendue)可由等式1计算出来。

在用色彩滚动方法传输彩色图像的系统中，从光源发出的光束被分成单色光，并且单色光聚焦在光阀的一部分上。即，光束聚焦在比现有单板投影系统更窄的区域上，其中现有投影系统的单色光顺序聚焦在光阀的整个表面上，因此，采用色彩滚动方法的投影系统的光入射到光阀上的角度比现有单板投影系统的角度大。当入射光角度的一半增加时，能量(etendue)增加。另一方面，因为单色光入射到光阀一部分时的入射角度大于单色光入射到光阀的整个区域时的入射角度，所以基于色彩滚动的单板投影系统的能量(etendue)比现有顺序单板投影系统的能量(etendue)大。

假定从光源所发出光束的光线是对称且均匀的，计算采用色彩滚动方法的投影系统的能量(etendue)。

图3A和3B分别表示光源45和光阀50。光源45是一个40mm×40mm的正方形，假定光源45发散的光束的角度是±2度。光阀50是一个16mm×9mm的矩形，理想地假定光源的能量(etendue)等于光阀的能量(etendue)。即，在假设E_光源等于E_光阀的基础上，可以得到光束到光阀的入射角度和光学系统的F/No。

用等式1可以得到光源的能量(etendue)，如等式4所示：

E_光源＝πAsin²(2°)＝6.12(mm²-立体弧度)             (4)

用等式5可以计算光束到光阀的入射角度，该等式表示了E_光阀＝E_光源的关系

E_光阀＝E_光源＝πAsin²(θ_1/2)＝6.12                  (5)

在等式5中，如果光阀的面积(A)是144mm²(即16mm×9mm)，那么θ_1/2是6.7°。因为光阀是矩形，能量(etendue)必须用等式3计算。可是，当考虑一般的照明系统具有对称的光学系统时，在假设矩形光阀是一个与正方形光源相一致的正方形光阀条件下，能量(etendue)优选由等式1计算。为了提高光效率，优选地，用于计算光学系统F/No的入射角设定为关于待测能量(etendue)的物体表面的短轴的。这里，如果光阀50的面积(A)假设为81mm²(即9mm×9mm)，那么在等式5中θ_1/2是8.9°。因而，用关系式sin(θ_1/2)＝1/(2F/No)，可以计算出光学系统的F/No为F/3.2。由此可见，可以计算光源的能量(etendue)，并因此计算光阀的能量(etendue)。

下面计算在光阀的短轴方向滚动和在光阀的长轴滚动时的能量(etendue)、入射角度、和F/No。

图4A表示光阀50在其短轴方向(Y方向)分成2个色区50a，50b，和50c。下面计算光阀50的3个色区之一的能量(etendue)。如图4B所示，当在短轴方向计算相应彩色区域50a的长度时，光阀50的面积(A)是9mm²(即3mm×3mm)。用等式5，从E_光源＝E_光阀＝6.12得到θ_1/2为27°，并且必须使用具有小于或等于F/1.3的F/No的光学系统。可是，这种F/No的光学系统只能用昂贵的特殊的制造技术和设备来制造。箭头93表示滚动方向。

因此，在光阀短轴方向进行色彩滚动的情况下，必须降低光源发散角，以提高光学系统的F/No。发散角的降低提高了光源的能量(etendue)，且因此光学系统的F/No被增加，以便于根据光源构造光学系统。如果光源的发散角减少±1°，那么E_光源＝πAsin²(1°)，因此，πAsin²(1 °)等于1.53(mm²-立体弧度)。从等式E_光源＝E_光阀，得到θ_1/2为13°，并可以采用F/No小于或等于F/2.3的光学系统。

根据本发明滚动的方法，如图5A所示，光阀50在长轴方向(Z方向)被分成3个色区50a′，50b′，和50c′。R，G和B色光聚焦在3色区域的每个上。如图5A所示，当形成在光阀50长轴方向的色条被滚动时，每个色区50a′，50b′，和50c′的短轴将比图4A情况的大1.7倍。即如果如图4A所示色条在光阀50的短轴方向形成，那么色条的短轴是3.0mm。如果如图5A色条在光阀50的长轴方向形成，那么色条的短轴是5.3mm。因此，在光阀长轴方向发生滚动时的入射角小于在光阀短轴方向发生滚动时的入射角。箭头95表示滚动方向。

当光源光束的发散角是±2度，且A是28.1mm²(即5.3mm×5.3mm)时，用等式5从θ_1/2＝15.2计算出图5A中光阀50处的角度，并且可以采用F/No小于或等于F/2.0的光学系统。如上所述，因为在长轴方向滚动的入射角度小于在短轴方向滚动的入射角度，所以光源光束的发散角不需要减小。

表1表示出在如图4中短轴方向滚动的情况下光阀的入射角度和光学系统的F/No，和在如图5中长轴方向滚动的情况下光阀的入射角度和光学系统的F/No。

表1

	光源的能量(etendue)	光阀的入射角度	F/No
				长轴方向滚动	6.12	15.2°	F/2.0
短轴方向滚动	6.12	27°	F/1.3

参照表1，当使用相同光源时，在光阀的长轴方向进行滚动时的光束到光阀的入射角，比在光阀的短轴方向进行滚动时的要小。因此，在光阀长轴方向进行滚动时比在光阀短轴方向进行滚动时的光损失小。从能量(etendue)守恒的观点出发前者比后者效率高。另外，在前者的情况下，当F/No增加时，更多的光束入射到光阀上，因此，光效率增加。比较图4B和图5B，可以理解在长轴方向滚动的光损失比在短轴方向滚动的光损失小。在图4B和图5B中，阴影部分表示光损失部分。

因此可以理解，即使在不减小光源光束发散角的情况下将长轴方向滚动法用于通常的光学系统时，也能够获得高的光效率。

如图6A所示，设置光阀40使其长轴方向与色彩分离方向一致，色彩滚动发生在光阀40的长轴方向。设置屏幕55使其短轴为光阀40的长轴方向。在这种情况下，需要转动由光阀40形成的图像，以便整个图像能够聚焦在屏幕55上。因此，在光阀40上形成的图像必须转动90度。箭头97表示滚动方向。

图6B表示图像旋转90度的过程。例如，可以包括第一和第二反射镜58和60来旋转图像。第一反射镜58相对入射光束的光轴倾斜45度，第二反射镜60相对于第一反射镜58反射光束的光轴倾斜45度。优选地，倾斜第二反射镜60以使从其反射的光束与入射到第一反射镜58上的光束之间的角度是90度。

在光阀40与屏幕55的长轴方向不同的情况下，需要第一和第二反射镜58和60。

本发明的色彩滚动方法可应用到用色彩滚动技术产生彩色图像所有投类型的影系统中，并且不限于色彩滚动单元。

如上所述，在本发明的色彩滚动方法中，长轴方向滚动比短轴方向滚动大大提高了光效率，而且在没有特殊单元用于减小光源发散角的情况下降低了光损失，因而获得了高效率的光学系统。

采用长轴方向滚动方法的投影系统，能够不用附加器件而容易地改善光效率，并提高光学系统的F/No，因此获得简单的光学系统。另一方面，光束到光阀的入射角减小了，因此可以提供更小尺寸的光学系统。从而在投影系统中可使用小透镜，故易于制造透镜。在色彩滚动系统中，因为在光阀上形成3个色条，光束入射到每个色条上的角度增加，因此，提供能量(etendue)的增加。可是，如果在光阀的长轴方向进行色彩滚动，能量(etendue)增加可以最小，在不添加透射单元来降低能量(etendue)的情况下，能够获得较高效率的投影系统。

在参照示范性实施例具体表示和描述了本发明的同时，本领域的普通技术人员可以理解，在没有脱离所附权利要求书和其等同物所限定的本发明构思和范围的条件下，可以进行形式和内容上的各种变化。

Claims (9)

1.一种投影系统，其中一分光器将从光源发出的光束分离成单色光束，一滚动单元滚动单色光并将已滚动的光束聚焦在一光阀上，光阀根据输入的图像信号处理所滚动的光束，形成彩色图像，并放大彩色图像，向屏幕投射放大的彩色图像，

其中将光阀设置成其长轴方向与分光器将入射光分离成单色光的方向一致，以提高光效率。

2.如权利要求1所述的投影系统，其中在安装的屏幕其短轴与光阀的长轴方向一致时，还包括第一和第二反射镜，其中第一反射镜相对屏幕和光阀之间光路的光轴倾斜4 5度，第二反射镜相对光轴倾斜45度，使由第二反射镜反射的光束相对入射到第一反射镜的光束旋转90度。

3.如权利要求1所述的投影系统，其中所述滚动单元包括至少一个透镜单元，且该滚动单元的转动被转换成至少该一个透镜单元的一部分的直线运动，所述的一部分由通过光束的面积所限定。

4.如权利要求3所述的投影系统，其中所述的至少一个透镜单元是空间地布置。

5.如权利要求3所述的投影系统，其中所述的至少一个透镜单元为柱面透镜。

6.如权利要求3所述的投影系统，其中所述滚动单元是盘形的。

7.一种色彩滚动方法，包括：

用分光器将从光源发出的光束分成单色光；

配置矩形光阀，以使其长轴与分光器分离光束的方向一致；和

在光阀的长轴方向滚动单色光。

8.如权利要求7所述的投影系统，其特征在于，当设置屏幕使其短轴与光阀的长轴方向一致时，进一步包括步骤：

用第一反射镜将入射光旋转45度，所述第一反射镜相对于投影透镜单元和光阀光路上的光轴倾斜45度；和

用第二反射镜旋转由第一反射镜反射的光束，所述第二反射镜相对入射光束的光轴倾斜45度。

9.一种投影系统包括：

将光源发出的光束分离成单色光束的分光器；

滚动单色光的滚动单元；

光阀，其根据输入的图像信号处理所滚动的光束，形成彩色图像，并放大彩色图像，向屏幕投射放大的彩色图像；

其中滚动单元将已滚动的彩色光束聚焦在光阀上；

其中将光阀设置成其长轴方向与分光器将入射光分离成单色光的方向一致，以提高光效率。

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