CN1525208A - 滚动装置，彩色照明系统以及应用滚动装置的投影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过滚动形成彩色图像的滚动装置，和使用具有这种滚动装置的彩色照明系统和投影系统。滚动装置包括第一螺旋透镜盘，第二螺旋透镜盘和玻璃棒。第一螺旋透镜盘包括多个排列成螺旋图案的柱面透镜单元并能够旋转。第二螺旋透镜盘面对第一螺旋透镜盘安装，并能够以与第一螺旋透镜盘相同的速度旋转。玻璃棒安置在第一和第二螺旋透镜盘之间。投影系统包括光源，分光器，其将从光源发出的光分离成具有不同颜色的光束，滚动装置，该装置通过周期性地改变光束传输路径来滚动光束，光阀，其利用通过滚动装置后的光束形成图像，以及一投影透镜单元，用于将由光阀形成的图像放大和投射到显示屏上。

Description

滚动装置，彩色照明系统以及 应用滚动装置的投影系统
技术领域
本发明涉及一种滚动装置(scrolling unit)，它是利用两个螺旋形的透镜盘实现滚动，以此来增加光效率和减少所需的安装空间，并涉及彩色照明系统和应用此滚动装置的投影系统。
背景技术
投影系统依照光阀的数目分为三面板型和单面板型，光阀用于控制从高输出灯光源发出的光在每个像素中开或关。单面板投影系统比三面板投影系统具有更小的光学结构，但是只有三面板投影系统的1/3的效率，这是因为单面板投影系统利用逐次逼近法将白光分成红(R)、绿(G)和蓝(B)光束。于是，已经进行研究和开发来增加单面板投影系统的发光效率。
常规的单面板投影光学系统用一个彩色滤光镜将白光光源发射的光分离成R、G和B光束，依次将R、G和B光束传输到光阀，依照颜色的次序来操纵光阀，从而形成图像。因为这种单面板光学系统按顺序使用颜色，因此单面板光学系统的效率仅仅是三面板光学系统的1/3。为了克服这个问题，提出了一种滚动方法。依照彩色滚动方法，白光分离成R、G和B光束，R、G和B光束同时传输到光阀的不同位置。另外，因为只有当所有的R、G和B光束到达每个像素才能形成图像，颜色条(color bar)用一种特定的方法以一个预定的速度移动。
如图1所示，在常规的单面板滚动投影系统中，从光源100发出的白光穿过第一透镜阵列102和第二透镜阵列104以及偏振分束器阵列105，并由第一到第四二向色滤光器109、112、122和139分离成R、G和B光束。例如，R和G光束被第一二向色滤光器109透射，在第一光路I1上传输，B光束被第一二向色滤光器109反射，在第二光路I2上传输。沿第一光路径I1传输的R和G光束又被第二二向色滤光器112再次分离，这样R光束被第二二向色滤光器112透射，并一直在第一光路I1上传输，而G光束被二向色滤光器112反射而在第三光路I3上传输。
R、G和B光束分别被相应的第一到第三棱镜114、135和142滚动(scrolled)。第一到第三棱镜114、135和142分别安放在第一到第三光路I1到I3上，以恒定的速度旋转，以滚动R、G和B颜色条。分别沿第二和第三光路I2和I3传输的B和G光束分别由第三二向色滤光器139透射和反射，并混合在一起。其后，R、G和B光束被第四二向色滤光器122混合，而然后被偏振分束器127传输，以致由光阀130形成图像。
图2示出R、G和B颜色条通过第一到第三棱镜114、135和142旋转而滚动的过程。图2示出了当第一到第三棱镜114、135和142彼此同步旋转时形成于光阀130上的颜色条的移动。
光阀130依照每个像素的开/关信号处理图像信息，以形成图像，并且这个图像被投影透镜(未图示)放大，并被传输到屏幕上。
在上面所述的传统技术中，独立光路被用于不同的颜色，因此，对不同颜色需要独立光路补偿透镜，并需要会聚分离的光束的部件。因为用于不同颜色的部件需要单独制备，导致光学系统的体积增大。由于复杂的制造和装配过程，产量也减少了。此外，驱动三个电机来旋转第一到第三棱镜114、135和142会产生很大的噪声，比用单个电机驱动色轮的方法要增加制造成本。
同时，用滚动方法、如图2所示的颜色条形成一个彩色图像，需要以恒定的速度移动。然而，在上述的结构中难以使光阀与三个棱镜114、135和142同步。此外，因为第一到第三棱镜114、135和142圆周运动，滚动的速度不恒定，这会降低图像的质量。
发明内容
本发明提供了一种滚动装置，用单个部件滚动颜色条。
本发明还提供一种彩色照明系统，用简单的光学结构照射滚动的光，来形成彩色图像。
本发明还提供一种投影系统，其被构造成用单个部件进行颜色滚动，由此具有较小的尺寸，能够有效地进行颜色滚动，提高画面质量。
根据本发明的一个方面，提供了一种滚动装置，包括：第一螺旋透镜盘，其包括排列成螺旋图案的多个柱面透镜单元，第一螺旋透镜盘能够旋转；第二螺旋透镜盘，它面对第一螺旋透镜盘安装，能够以与第一螺旋透镜盘同样的速度旋转；以及一个玻璃棒，其安装在第一和第二螺旋透镜盘之间。
依照本发明的另一个方面，提供了一种彩色照明系统，包括：一个发射光的光源；一个分光器，其将光源发出的光分离成具有不同种颜色光束；和一个滚动装置。滚动装置包括：第一螺旋透镜盘，其包括排列成螺旋图案的多个柱面透镜单元，并能够旋转；第二螺旋透镜盘，其面对第一螺旋透镜盘安装、能够以与第一螺旋透镜盘相同的速度旋转；以及一个玻璃棒，其安装在第一和第二螺旋透镜盘之间。这里，因为第一和第二螺旋透镜盘旋转，不同种颜色的光束在其上传输的路经周期性地变化，因此，具有不同种颜色的光束被滚动。
根据本发明的另一个方面，提供一种投影系统，包括：光源，分光器，滚动装置，光阀和投影透镜单元。光源发射光线。分光器将光源发出的光线分离成具有不同颜色的光束，滚动装置包括：第一螺旋透镜盘，其包括排列成螺旋图案的柱面透镜并能够旋转；第二螺旋透镜盘，其面对第一螺旋透镜盘安装、能够以与第一螺旋透镜盘相同的速度旋转；以及一个玻璃棒，其安装在第一和第二螺旋透镜盘的之间，其中，因为第一和第二螺旋透镜盘的旋转，在其上传输不同种颜色的光束的路经周期性地变化，因此，具有不同种颜色的光束滚动。光阀依照图像信号处理被滚动装置滚动的不同种颜色的光束来形成彩色图像。投影透镜单元将由光阀形成的图像放大并投射到显示屏上。
分光器可以包括第一到第三并排排列且以不同角度倾斜的二向色滤光器。第一到第三二向色滤光器的每个依照波长有选择地透射和反射入射光。
分光器可以包括第一二向色棱镜，第二二向色棱镜，第三二向色棱镜。第一二向色棱镜包括第一二向色镜和第一反射平面，第一二向色镜相对入射光的轴线倾斜。反射在入射光中的第一颜色光束，而透射其他颜色的光束。第一反射平面全反射以预定角度入射的光。第二二向色棱镜包括第二二向色镜和第二反射平面。第二二向色镜相对于入射光的轴线倾斜，反射被第一二向色棱镜透射的光中的第二颜色光束，而透射其他颜色的光束。第二反射平面全反射以预定角度入射的光。第三二向色棱镜包括第三二向色镜和第三反射平面。第三二向色镜相对入射光的轴线倾斜，反射被第二二向色棱镜透射的光中的第三颜色光束。第三反射平面全反射预定角度入射的光。
分光器还可以包括第一偏振分束器，第二偏振分束器，和1/2波片。第一偏振分束器设置在第一二向色棱镜的入射表面上。第一偏振分束器透射入射在其上的非偏振白光中具有第一偏振方向的第一光束，以致第一光束传输到第一二向色棱镜，并反射具有另一偏振方向的第二光束。第二偏振分束器反射从第一偏振分束器反射的第二光束，以致第二光束传输到第一二向色棱镜。1/2波片设置在第一二向色棱镜与第一和第二偏振分束器中的一个之间。1/2波片改变偏振方向，以致第一和第二光束具有同样的偏振方向。因此，入射光被改变成预定偏振的彩色光束。
投影系统还可以包括第一柱面透镜和第二柱面透镜。第一柱面透镜设置在光源和第一螺旋透镜盘之间，并减少在第一螺旋透镜盘中光的宽度。第二柱面透镜设置在第二螺旋透镜盘的后面，并使从第二螺旋透镜盘入射的光平行。
投影系统还可以包括第一复眼透镜阵列和第二复眼透镜阵列，它们可以依照不同种颜色将滚动装置输出的不同种颜色的光束聚焦到光阀。
附图说明
本发明上述和其它特征以及优点通过对优选实施例详细描述、参考附图将会更清楚，其中：
图1为传统投影系统图；
图2为投影系统的颜色滚动操作的图解；
图3为根据本发明第一实施例的投影系统示意图；
图4为示出根据本发明的用于投影系统的分光器的分光操作的视图；
图5A为由根据本发明的滚动装置使用的螺旋透镜盘的前视图；
图5B为根据本发明的滚动装置的透视图；
图6A和6B分别示出当本发明的投影系统不包括第二螺旋透镜盘的模拟光束发散角的结果和当本发明的投影系统包括第二螺旋透镜盘的模拟光束发散角的结果；
图7A-7C示出根据本发明投影系统使用玻璃棒的效果的视图；
图8示出由根据本发明投影系统使用的第一柱面透镜的效果的视图；
图9A-图9C示出根据本发明投影系统的滚动过程示意图；
图10是根据本发明第二实施例的投影系统的示意图；
图11是根据本发明第二实施例的投影系统使用光导管的范例图；
图12示出根据本发明第二实施例投影系统使用的光导管的另一个范例的视图；
图13是图12所示光导管的平面图；以及
图14是图12所示光导管的前视图。
具体实施方式
参考图3，根据本发明第一实施例彩色照明系统包括：光源10；将光源10发出的光分离成不同波长的分光器15；和滚动装置18，其滚动由分光器15分离的红(R)、绿(G)和蓝(B)三种光束。根据本发明第一实施例的投影系统包括：光源10；将光源10发出的光分离成不同波长的分光器15；和滚动装置18，其滚动由分光器15分离的R、G和B三种光束；以及光阀30，其依照图像信号处理被滚动装置18滚动的光束，以形成彩色图像。
光源10发射白光，包括产生光的灯11和反射镜13，后者反射从灯11发出的光，以将光引导到一个预定的路径。反射镜13可以用椭圆反射镜来实现，灯11的位置作为椭圆反射镜的一个焦点，光线会聚的一点作为另一个焦点。作为选择，反射镜13可以用抛物面反射镜来实现，灯11的位置作为抛物面反射镜的焦点，并将灯11发出的光反射成平行光。在图3中，椭圆反射镜用作反射镜13。当抛物面反射镜用作反射镜13时，还需要聚集光线的透镜。
在光源10和分光器15之间的光路上设置有准直透镜14，该准直透镜准直入射光在。光源10与光源10发出的光所会聚的焦点“f”之间的距离用P表示时，校准透镜14优选地设置在与焦点“f”距离P/5处。校准透镜14这种配置能够减少集光率(etendue)，延长指的是测量光束尺寸的守恒物理量。当延长减少时，光学系统能够小型化以及容易构造。
如图4所示，分光器15可以包括第一、第二和第三二向色滤光器15a、15b和15c，它们相对于入射光的光轴倾斜不同的角度θ1、θ2和θ3(其中θ1＞θ2＞θ3)。
参照图5A到5B，滚动装置18包括彼此分开一个预定的距离的第一和第二螺旋透镜盘20和21，以及一个玻璃棒23，其设置在第一和第二螺旋透镜盘20和21之间。柱面透镜单元20a以螺旋图案排列在第一螺旋透镜盘20的至少一侧上。同样地，柱面透镜单元21a以螺旋图案排列在第二螺旋透镜盘21的至少一侧上。每个螺旋透镜盘20和21的横截面具有个柱面透镜阵列结构。第一和第二螺旋透镜盘20和21由支架34支撑，由驱动源31驱动以相同的速度旋转。
第一柱面透镜17设置在第一螺旋透镜盘20之前，第二柱面透镜24设置在第二螺旋透镜盘21之后。第一和第二柱面透镜17和24可以被具有预定衍射图案的第一和第二衍射光学部件替换，仅用于聚焦在特定方向入射的光。
在第二螺旋透镜盘21和光阀30之间的光路上还可以设置第一和第二复眼透镜阵列25和26和中继透镜29。多个凸起部分25a以二维方式排列在第一复眼透镜阵列25的入射和出射表面的至少一个上。同样地，多个凸起部分26a以二维方式排列在第二复眼透镜阵列26的入射和出射表面的至少一个上。由光阀30形成的彩色图像被投影透镜单元35放大并投影到显示屏40上。
下面描述与具有上述结构的投影系统的操作有关。
从光源10发出的白光被分光器15分离成R、G和B三种光束。分光器15将入射光分离成预定的不同波长，并以不同角度输出被分离的光束。例如，第一二向色滤光器15a接收到白光，反射在红色波长范围内的R光束，透射其他波长范围内的G和B光束。第二二向色滤光器15b接收被第一二向色镜15a透射的光，反射在绿色波长范围内的G光束，并透射在蓝色波长范围内的B光束。第三二向色滤光器15c反射被第一和第二二向色镜15a和15b透射的在蓝色波长范围内的B光束。
由第一到第三二向色滤光器15a到15c分离成不同的波长的R、G和B光束以不同的角度反射。例如，R和B光束朝G光束倾斜，以致R、G和B光束聚焦到第一螺旋透镜盘20。每个被分色的光束经由第一螺旋透镜盘20入射到玻璃棒23上。
已经过玻璃棒23的光入射到第二螺旋透镜盘21上。玻璃棒23和第二螺旋透镜盘21防止光由第一螺旋透镜盘20造成发散。
图6A和6B示出检测第二螺旋透镜盘21防止光发散效果的模拟结果。图6A示出在没有第二螺旋透镜21的第一种情况下，已通过第一螺旋透镜盘20的光束的模拟发散角结果，图6B示出在具有第二螺旋透镜21的第二种情况下，已通过第一螺旋透镜盘20的光束的模拟发散角结果。在图6A和6B中，图示的仅仅是分别为第一和第二螺旋透镜盘20和21的单个透镜单元20a和21a。
透镜单元20a和21a具有0.104的数值孔径(NA)。表1示出不同波长光束在像平面上的发散角。
表1
  第一种情况(E)   第二种情况(E)
    F1R1     0     0
    F1R2     6.08241185604     6.02953862536
    F1R3     6.08241185604     6.02953862536
    F2R1     4.0     0.589576931389
    F2R2     10.0290329291     6.54223989609
    F2R3     2.18773761515     5.5440169460
在表1中，F1表示在具有不同波长且在不同光路上传播的光束中的在中心传播的光束。F2表示在中心光束F1的两侧传播的光束的其中一束。因为在中心光束F1的两侧传播的光束是对称的，这里仅描述其中一侧的光束。R1、R2和R3分别表示其上传播具有相同波长的光束的不同路径。参照示出模拟结果的表1，存在第二螺旋透镜盘21的第二种情况与不存在第二螺旋透镜盘21的第一种情况相比，发散角度减小了。
当玻璃棒23设置在第一和第二螺旋透镜盘20和21之间时，玻璃棒23能够使已经穿过第一螺旋透镜盘20的光不发散地入射到第二螺旋透镜盘21上，并且也作为按原样输出入射光的波导。
图7A图示出已通过第一柱面透镜17的光入射到第一螺旋透镜盘20上的情况，其中光具有±2E的光场。在第一螺旋透镜盘20的光的尺寸为8mm，图7B示出没有用玻璃棒23时，通过第一柱面透镜17，第一和第二螺旋透镜盘20和21以及第二柱面透镜24的光路。在第一螺旋透镜盘20上的入射光的尺寸为8mm，而第二螺旋透镜盘20上的入射光尺寸大约为26mm。
当在第一螺旋透镜盘20上的入射光的尺寸与在第二螺旋透镜盘21上的入射光的尺寸不同时，入射到第二柱面透镜24上光的发散角较大。于是，如图7C所示，在第一和第二螺旋透镜20和21之间安装玻璃棒23，第一螺旋透镜盘20上的入射光的尺寸与在第二螺旋透镜盘21上的一样。玻璃棒23的长度可以为20mm。通过利用玻璃棒23减小光束发射角可减小光的损耗。
下面描述涉及到具有上述结构的滚动装置18的滚动操作。
从光源10发射的光线I被准直透镜14准直。接着，第一到第三二向色滤光器15a到15c将准直的光分离成不同波长的光，并且以不同的角度输出这些分离的光束。光束入射到第一柱面透镜17上，该透镜减小入射光的宽度。宽度被第一柱面透镜17减小的光入射到第一螺旋透镜盘20上。在图5A和5B中，通过第一螺旋透镜盘20的光用附图标记L标识。图8是用来将从光源10发射的光没有通过第一柱面透镜17入射到第一螺旋透镜盘20上的情况与从光源10发出的光在宽度被第一柱面透镜17减小后入射到第一螺旋透镜盘20的情况相比较的视图。
当通过第一螺旋透镜20的光的宽度较大时，螺旋透镜阵列的形状与光LN的形状很不一致，因此，从每个螺旋透镜偏移的对应于不同颜色区域AN的光LN损失了。因此，优选地利用第一柱形透镜17来减小光的宽度，螺旋透镜阵列的形状与光L的形状一致，以使光的损失最小。在从螺旋透镜偏移的每种颜色的光L的区域用A表示时，A＜AN。因此，当入射到第一螺旋透镜盘20的光的宽度减小时，光损失也减少。
此后，通过第一螺旋透镜盘20的光经由玻璃棒23和第二螺旋透镜盘21入射到第二柱形透镜24上。上面已经描述了在光依次通过第一螺旋透镜盘20，玻璃棒23和第二螺旋透镜盘21时光的发散角减小，因此，这里不再详细描述。
优选地将玻璃棒23设置光L的所传播的路径上，其中，光L的宽度已经被第一柱面透镜17减小。
同时，当第一和第二螺旋透镜盘20和21以相同的速度旋转时，颜色的滚动完成了。玻璃棒23固定在第一和第二螺旋透镜盘20和21之间。
当R、G和B光束(即，光L)通过第一螺旋透镜盘20时，可以相对于光L获得就好像第一螺旋透镜盘20以一个的恒定速度连续的上升或下降的效果。因此，可以获得就好像通过第一螺旋透镜盘20光束的位置连续改变的效果。这个效果在图9A-到图9C中示出。
如图9A所示，光通过第一螺旋透镜盘20，玻璃棒23，第二螺旋透镜盘21，第二柱面透镜24，第一和第二复眼透镜25和26，和中继透镜29，并按照R、G和B的顺序在光阀30上形成颜色条。其后，随着第一和第二螺旋透镜盘20和21旋转，相应的第一和第二螺旋透镜盘20和21中光已经穿过的部分向上运动。随着第一和第二螺旋透镜盘20和21移动，如图9B所示，按B、R和G顺序形成颜色条，并连续地按如图9C所示的G、B和R的顺序形成彩色条。
随着第一和第二螺旋透镜盘20和21旋转，上面描述的滚动操作重复进行。换句话说，第一和第二螺旋透镜盘20和21的旋转运动导致相应的第一和第二螺旋透镜盘20和21上的光束入射到其上的位置发生改变，并在第一和第二螺旋透镜盘20和21的横截面上被转换成直线运动，从而完成滚动。
这里，因为是通过在不改变旋转方向前提下沿一个方向连续旋转第一和第二螺旋透镜盘20和21来完成滚动的，因此可以获得连续性和一致性。另外，因为滚动是用单个部件，即滚动装置18来完成的，因此颜色条的变化速度可以更好保持恒定。而且，由于利用第一和第二螺旋透镜盘20和21以及玻璃棒23来减小光束发散角，因此光的损失可以减少。
因为光束在穿过第一和第二螺旋透镜盘20和21的同时由第一柱形透镜17的作用而具有较窄的宽度，可以获得好像光束通过柱面透镜阵列进行直线运动的效果。在通过第二螺旋透镜盘21后，光束被柱面透镜24恢复到最初的宽度并成为平行光。
接着，已通过第二柱形透镜24的光由第一和第二复眼透镜阵列25和26分颜色传输到光阀30上。例如，当光阀30被分成三个部分时，R、G和B光束分别地传输到光阀30的上面、中间和下面部分，形成颜色条。当第一和第二复眼透镜阵列25和26不存在时，R、G和B光束在光阀30的每个像素上滚动。当在每个像素上进行滚动操作时，也许很难控制，发生错误的可能性很高，且画面的质量下降。然而，在本发明中，因为颜色条是利用第一和第二复眼透镜阵列25和26传输R、G和B光束到光阀30的三个部分上而形成并被滚动，因此它容易控制滚动操作。
第一和第二复眼透镜阵列25和26也使照射到光阀30上的光的强度均匀。
中继透镜29将已经通过第一和第二复眼透镜阵列25和26的光传输到一个预定的位置，例如，光阀30。
为了使光阀30的工作频率与第一和第二螺旋透镜盘20和21的旋转频率同步，可以调节第一和第二螺旋透镜盘20和21的透镜单元20a和21a的数量。换句话说，当光阀30的工作频率增大时，提供更多的透镜单元20a和21a，以致滚动速度增加，而第一和第二螺旋透镜盘20和21的旋转速度保持恒定。
可替换的，通过调整第一和第二螺旋透镜盘的20和21的旋转频率同时透镜单元20a和21a的数量保持不变，可以使第一和第二螺旋透镜盘20和21与光阀30同步。例如，在光阀30的工作频率为960Hz时，即在光阀30以每帧1/960秒的速度工作并且每秒再现960帧时，第一和第二螺旋透镜盘20和21中每一个可构造为：最大直径为140mm，最小直径为60mm，32个透镜单元20a或21a，每个透镜单元的宽度为5.0mm，曲率半径为24.9mm。当第一和第二螺旋透镜盘20和21每转再现32帧时，它们每秒旋转30次来实现每秒再现960帧。在这种情况下，第一和第二螺旋透镜盘20和21每60秒旋转1800次，也就是速度为1800rpm。当光阀30的工作频率增加0.5倍且光阀30的工作频率为1440Hz时，第一和第二螺旋透镜盘20和21以2700rpm的速度旋转，以与光阀30同步。
在本发明中，通过利用滚动装置18可以使单面板投影系统的光效率最大化。
下面的描述涉及根据本发明的第二个实施例的照明系统和投影系统。
如图10所示，根据本发明的第二实施例的投影系统包括：光源10；光导管70，其将光源10发出的光分离成预定的不同波长；滚动装置18，其滚动由光导管15分离的R、G和B三束光束；以及光阀30，其根据照图像信号处理由滚动装置18滚动的光束，以形成彩色图像。
根据本发明的第二实施例投影系统用光导管70代替本发明第一实施例中投影系统使用的包括第一到第三二向色滤光器15a-15c的分光器15。在图3和图10中，相同的附图标记表示具有相同功能的部件，因此，这里省略对其的详细描述。
光导管70将入射光分离成预定的不同波长，然后以不同的角度输出该分离的光束。光导管70还防止以预定角度入射的光线沿期望的方向以外的方向输出，以致光的效率可以提高。
要实现上述的功能，如图11所示，光导管70包括第一到第三二向色棱镜79、81和83，每个二向色棱镜反射特定波长的光，并透射其他波长的光，以将入射光I分离为第一到第三颜色光束I1、I2和I3。这里，附图标记H表示像平面。
第一二向色棱镜79包括第一二向色镜80，该第一二向色镜相对于入射光I的轴以θN1角倾斜。第一二向色镜80反射第一颜色光束I1并透射第二、第三光束I2、I3。例如，第一二向色镜80反射R光束，而透射G和B光束。
第二二向色棱镜81附在第一二向色棱镜79上，并包括第二二向色镜82，该第二二向色镜相对于入射光I的轴以角θN2倾斜。第二二向色棱镜81反射第二颜色光束I2，例如G光束，而透射其他颜色的光束。
第三二向色棱镜83附在第二二向色棱镜81上，并包括第三二向色镜84，该第三二向色镜相对于入射光I的轴以角θN3倾斜。第三二向色棱镜83反射第三颜色光束I3，例如B光束，而透射其他颜色光束。第三二向色镜84可以用反射整个入射光I的全反射镜来代替。
同时，第一二向色棱镜79包括在其侧壁上的第一反射平面79a和79b，以预定角度将入射到第一反射平面79a和79b上的光全反射到第一二向色棱镜79的内部。更明确地说，由于第一二向色棱镜79的折射率和外部空气的折射率不同，第一和第二反射平面79a和79b全反射以大于预定的角度(即临界角)入射到其上的光。提供第一和第二反射平面79a和79b以为从光源10发射的光未完全由校准透镜14平行化而发散的情况作准备。换句话说，当光I发散地入射到第一二向色棱镜79时，利用第一和第二反射平面79a和79b可以减少通过第一棱镜79的侧壁而到达外部的光，因此，入射光I的应用效率能够增加。
另外，第二二向色棱镜81包括在其侧壁上的第二反射平面81a和81b，第三二向色棱镜83包括在其侧壁上的第三反射平面83a和83b，第二和第三反射平面81a、81b、83a、83b实现的功能与第一反射平面79a和79b相同。因此，在这里省略详细描述。
如上所述，因为利用第一到第三反射平面79a、79b、81a、81b、83a和83b可以增加光效率，可以减小集光率(etendue)值变化的影响，集光率是指测量光学系统光束尺寸的守恒物理量。
优选的是，角度θN1、θN2和θN3满足公式(1)，以致分别从第一到第三二向色镜80、82和84反射的第一到第三颜色光束I1、I2和I3会聚到第一柱面透镜17上。
θ′1≥θ′2 ≥θ′3    (1)
光导管70适合于例如应用微镜装置(未显示)的投影系统，该装置作为光阀30可以不考虑入射光的偏振特征来形成图像。
在图12-14中图示了光导管70的另一个实施例。在这个实施例中，光导管70包括：第一和第二偏振分束器73和75，它们设置在与光束传播的Z方向正交的X方向上；1/2波片77，它设置在第二偏振分束器75附近，以改变偏振方向；第一到第三二向色棱镜79、81和83，每个二向色棱镜反射特定波长的光，而透射其他波长的光，以将入射光I分离成第一到第三颜色光束I1、I2和L3。
参考图14，第一偏振分束器73设置在第一二向色棱镜79的入射表面上。第一偏振分束器73透射入射于其上的非偏振白光中的具有一个偏振方向的第一光束，使得第一光束传输到第一二向色棱镜79，而反射其中的具有另一偏振方向的第二光束，使得第二光束传输到第二偏振分束器75。对于这种作用，第一偏振分束器73包括第一偏振滤光片74。
图14所示为一实例，其中光源10发射的白光中包含与S-偏振光混合的P-偏振光，第一偏振滤光片74透射P-偏振光，而反射S-偏振光。
第二偏振分束器75反射从第一偏振分束器73反射的第二光束，即S-偏振光，以致第二光束传输到第一二向色棱镜79。第二偏振分束器75仅仅改变第二光束的路径而不改变偏振，因此使第二光束与由第一偏振分束器73透射的第一光束平行。为了这种作用，第二偏振分束器75包括第二偏振滤光片76，其反射在入射光中的具有特定偏振的光，例如S-偏振光。第二偏振分束器75可以由反射所有入射光的全反射镜来实现。
1/2波片77将具有预定偏振的入射光的相位改变90度，以致具有预定线性偏振的入射光改变成具有另一线性偏振的光。在如图14所示的实例中，1/2波片77设置在第二偏振分束器75和第一二向色棱镜79之间，以改变偏振，使得第二光束的偏振和第一光束的偏振一样。换句话说，1/2波片77将从第二偏振分束器76反射的S-偏振光改变成跟第一光束相同偏振方向的P-偏振光。
可替换地，1/2波片77可以设置在第一偏振分束器73和第一二向色棱镜79之间，以改变第一光束的偏振方向，使之与第二光束的偏振方向相同。由于有1/2波片77，从光源10发出的所有光都能被利用，光的效率增加了。
具有预定的偏振方向的光，例如P-偏振光，在通过第一和第二偏振分束器73和75以及1/2波片77后被第一到第三二向色棱镜79、81和83分离成不同波长的光。第一到第三二向色棱镜79、81和83利用第一到第三二向色镜80、82和84分别分离入射光，参照图11。
在图12到14中所示的光导管70适用于利用液晶显示器作为光阀30的投影系统。
回到图10，在具有上述结构的投影系统中，由光导管70和滚动装置18来实现滚动。从光源10发出的光被光导管70分离成不同颜色的光束。不同颜色的被分离光束由光导管70以不同角度输出，入射到第一柱面透镜17上。不同颜色光束的宽度被第一柱面透镜17减小，具有窄宽度的不同颜色光束入射到第一螺旋透镜盘20上。此后，不同颜色光束的发散角由玻璃棒23和第二螺旋透镜21减小，然后不同颜色光束入射到第二柱面透镜24上。
不同颜色光束由第二柱面透镜24互相平行。此后，相同颜色的光束由第一和第二复眼透镜阵列25和26聚焦到光阀30上，以致在光阀30上不同颜色光束单独地形成颜色条。颜色条经由第一和第二螺旋透镜盘20和21的旋转连续地滚动而形成彩色图像。形成在光阀30上的彩色图像被投影透镜单元放大并投射到显示屏40上。
同时，根据本发明的彩色照明系统包括：光源10；将从光源10发出的光束分离成不同波长的分光镜；以及滚动被分离的光束的滚动装置18。分光镜可以包括第一到第三二向色滤光器15a到15c，它们倾斜不同角度，并根据波长而反射和透射入射光，或者参照图11到12的描述，通过光导管70来实现。
具有上述结构的彩色照明系统分离从光源发出的光线并滚动用于单面板投影系统的被分离的光。这样有利于图像的形成和增加光的效率。
如上所述，根据本发明的滚动装置使颜色条的滚动成为可能，并利于滚动操作和光阀的操作的同步，以致滚动能够容易地控制。另外，因为用于进行滚动的部件的数目能够减少，投影系统能够做得很轻和不昂贵。根据本发明的利用滚动装置的彩色照明系统通过螺旋透镜盘照射彩色光，因此，光学结构可以被简化，光效率能够提高。此外，因为用彩色照明系统形成颜色条，在颜色条单元中的彩色图像能够控制。结果，画面质量可以增加。
另外，因为上述结构的投影系统采用单面板方法，光学结构能够被简化。因为单面板投影系统用一个滚动装置滚动入射光，可以获得如三面板投影系统那样高的光效率。换句话说，根据本发明的应用滚动方法的单面板投影系统同时而不是依次将白光分离成三种颜色光束，并滚动这三种颜色光束形成彩色图像，因此获得如三面板投影系统同样高的光效率。

Claims (21)

1.一种滚动装置，包括：
第一螺旋透镜盘，其包括排列成螺旋图案的多个柱面透镜单元，第一螺旋透镜盘能够旋转；
第二螺旋透镜盘，其面对第一螺旋透镜盘安装，能够以与第一螺旋透镜盘相同的速度旋转；以及
玻璃棒，其安装在第一和第二螺旋透镜盘之间。
2.一种彩色照明系统，包括：
光源，该光源发出光线；
分光器，它将从光源发出的光线分离成具有不同颜色的光束；以及
滚动装置，它包括第一螺旋透镜盘、第二螺旋透镜盘和玻璃棒，其中第一螺旋透镜盘包括多个排列成螺旋图案的柱面透镜单元，且第一螺旋透镜盘能够旋转，第二螺旋透镜盘面对第一螺旋透镜盘安装，能够以与第一螺旋透镜盘相同的速度旋转，而玻璃棒安装在第一和第二螺旋透镜盘之间；
其中，第一和第二螺旋透镜盘旋转，在其上传输不同种颜色的光束的路径周期性地变化，并因此，具有不同颜色的光束被滚动。
3.如权利要求2所述的彩色照明系统，其中，分光器包括第一到第三二向色滤光器，它们并排排列并以不同的角度倾斜，第一到第三二向色滤光器中的每一个根据波长有选择地透射和反射入射光。
4.如权利要求2所述的彩色照明系统，其中，分光器包括：
第一二向色棱镜，包括第一二向色镜和第一反射平面，第一二向色镜相对于入射光的轴倾斜，反射在入射光中的第一颜色光束，并透射其他颜色光束，第一反射平面全反射以预定角度入射的光；
第二二向色棱镜，包括第二二向色镜和第二反射平面，第二二向色镜相对于入射光的轴倾斜，反射被第一二向色棱镜透射的光中的第二颜色光束，并透射其他颜色的光束，第二反射平面全反射以预定角度入射的光；
第三二向色棱镜，包括第三二向色镜和第三反射平面，第三二向色镜相对于入射光的轴倾斜，反射被第二二向色棱镜透射的光中的第三颜色光束，第三反射平面全反射以预定角度入射的光。
5.如权利要求4所述彩色照明系统，其中，分光镜还包括：
第一偏振分束器，其设置在第一二向色棱镜的入射表面上，第一偏振分束器透射入射到其上的非偏振白光中的具有一个偏振方向的第一光束，以致第一光束传输到第一二向色棱镜，并反射另一偏振方向的第二光束；
第二偏振分束器，其反射从第一偏振分束器反射的第二光束，以致第二光束传输到第一二向色棱镜；以及
1/2波片，其设置在第一二向色棱镜与第一和第二偏振分束器中的一个之间，1/2波片改变偏振方向，以致第一和第二光束具有相同的偏振方向；
由此，将入射光改变成具有预定偏振的各颜色光束。
6.如权利要求2所述的彩色照明系统，还包括一个准直透镜，其面向分光器的入射面设置，准直透镜使入射光平行。
7.如权利要求4所述的彩色照明系统，其中，当第一到第三二向色镜分别以θN1、θN2和θN3角倾斜时，它们满足下列公式：
θ′1≥θ′2≥θ′3。
8.如权利要求2所述的彩色照明系统，还包括：
第一柱面透镜，设置在分光器和第一螺旋透镜盘之间，第一柱面透镜减小第一螺旋透镜盘上的光的宽度；
第二柱面透镜，设置在第二螺旋透镜盘的后面，第二柱面透镜使从第二螺旋透镜盘入射的光平行。
9.如权利要求8所述的彩色照明系统，还包括：
第一复眼透镜阵列和第二复眼透镜阵列，其根据不同种颜色聚焦从滚动装置输出的不同颜色的光束。
10.如权利要求9所述的彩色照明系统，还包括一个中继透镜，该中继透镜将已通过第一和第二复眼透镜阵列的光传输到一个预定的位置。
11.如权利要求2所述的彩色照明系统，还包括在分别在滚动装置前面和后面的衍射光学元件，每个衍射光学元件具有一个预定的衍射图案，仅用于聚焦特定方向入射的光。
12.一种投影系统，包括：
光源，该光源发出光线；
分光器，用于将从光源发出的光线分离成具有不同颜色的光束；以及
滚动装置，其包括第一螺旋透镜盘、第二螺旋透镜盘和玻璃棒，其中第一螺旋透镜盘包括排列成螺旋图案的多个柱面透镜单元，且第一螺旋透镜盘能够旋转，第二螺旋透镜盘面对第一螺旋透镜盘安装，并能够以与第一螺旋透镜盘相同的速度旋转，而玻璃棒安装在第一和第二螺旋透镜盘之间；其中，随着第一和第二螺旋透镜盘旋转，其上传输不同颜色的光束的路径周期性地变化，因此，具有不同种颜色的光束被滚动；
光阀，其根据图像信号处理被滚动装置滚动的具有不同颜色的光束，以形成彩色图像；
投影透镜单元，其将由光阀形成的图像放大和投射到显示屏上。
13.如权利要求12所述的投影系统，其中，分光器包括第一到第三二向色滤光器，该二向色滤光器并排排列，并以不同的角度倾斜，第一到第三二向色滤光器的每一个根据波长有选择地透射和反射入射光。
14.如权利要求12所述的投影系统，其中分光器包括：
第一二向色棱镜，包括第一二向色镜和第一反射平面，第一二向色镜相对入射光的轴倾斜，反射在入射光中的第一颜色光束，并透射其他颜色光束，第一反射平面全反射以预定角度入射的光；
第二二向色棱镜，包括第二二向色镜和第二反射平面，第二二向色镜面相对入射光的轴倾斜，反射被第一二向色棱镜透射的光中的第二颜色光束，并透射其他颜色光束，第二反射平面全反射以预定角度入射的光；
第三二向色棱镜，包括第三二向色镜和第三反射平面，第三二向色镜面相对入射光的轴倾斜，反射被第-二二向色棱镜透射的光中的第三颜色光束，第三反射平面全反射以预定角度入射的光。
15.如权利要求14所述的投影系统，其中分光镜还包括：
第一偏振分束器，设置在第一二向色棱镜的入射表面上，第一偏振分束器透射在入射到其上的非偏振白光中具有一个偏振方向的第一光束，以致第一光束传输到第一二向色棱镜，并反射具有另一偏振方向的第二光束；
第二偏振分束器，反射从第一偏振分束器反射的第二光束，以致第二光束传输到第一二向色棱镜；以及
1/2波片，设置在第一二向色棱镜与第一和第二偏振分束器中的一个之间，1/2波片改变偏振方向，以致第一和第二光束具有相同的偏振方向，
由此，将入射光改变成具有预定偏振的各颜色光束。
16.如权利要求12所述的投影系统，还包括一个准直透镜，其面向分光器的入射面设置，准直透镜使入射光平行。
17.如权利要求14所述的投影系统，其中，
当第一到第三二向色镜分别以θN1、θN2和θN3角倾斜时，它们满足下列公式：
θ′1≥θ′2≥θ′3。
18.如权利要求12所述的投影系统，还包括：
第一柱面透镜，设置在分光器和第一螺旋透镜盘之间，第一柱面透镜减小在第一螺旋透镜盘上的光的宽度；
第二柱面透镜，设置在第二螺旋透镜盘的后面，第二柱面透镜使从第二螺旋透镜盘入射的光平行。
19.如权利要求18所述的投影系统，还包括：第一复眼透镜阵列和第二复眼透镜阵列，它们根据不同颜色将从滚动装置输出的不同颜色的光束聚焦到光阀。
20.如权利要求19所述的投影系统，还包括一个中继透镜，该中继透镜将已通过第一和第二复眼透镜阵列的光传输到光阀。
21.如权利要求12所述的投影系统，还包括：分别在滚动装置前面和后面的衍射光学部件，每个衍射光学件具有一个预定的衍射图案，仅用于聚焦在特定方向入射的光。
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