CN1551999A - 用于投影系统的高效弧光灯照明器 - Google Patents

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Abstract

用于投影系统的一种弧光灯照明器包括一个或多个偏振变换棱镜，用于横向扩展弧光影像。一对或三个投影透镜能够与镜片和向场透镜一起用于沿着独立的路径将弧光影像引导到分离的偏振变换棱镜，以便进一步横向扩展原始弧光影像。一种紧凑结构的二路径实施例能够使用复合光波导，包括一对弧光影像大小的输入端口、用于沿着公共路径引导弧光影像的一对TIR棱镜、以及用于将弧光影像引导到偏振变换系统的矩形光波导。

Description

用于投影系统的高效弧光灯照明器
技术领域
本发明涉及弧光灯照明器。
背景技术
单面板滚动彩色投影显示系统的特征在于：诸如液晶显示(LCD)面板(panel)的单个光调制器面板具有个别图像元素或像素的光栅，利用水平延伸的红、绿、蓝照明条(bar)或条带(stripe)对面板照明。这些条带在面板上垂直地连续滚动，同时利用对应着当时入射条带色彩的显示信息对像素行同步寻址。例如，参见1994年3月25日授予P.Janssen的美国专利5,410,370“Single panel color projectionvideo display improved scanning”和1995年5月16日授予P.Janssen等人的美国专利5,416,514“Single panel colorprojection video display having control circuitry forsynchronizing the color illumination system withreading/writing of the light valve”。
在三面板液晶显示(LCD)投影仪中常用的照明器采用高强度弧光灯来提供投影系统所需的强度等级(level of intensity)。这种照明器利用透镜阵列使来自弧光灯的光在光阀上同样也在屏幕上均匀化(homogenize)。美国专利5,986,809描述了一种照明器，其中是这样来改善照明的均匀一致性：将一个源光束分离成会聚在一个会聚位置的多个中间光束；使中间光束聚光；将每个中间光束空间分离成S偏振光束(polarized beam)和P偏振光束；和然后使偏振的光束重叠。
尽管这种照明器确实能实现均匀照明，却没有按最佳可能的途径利用角度空间。对于一个具有小角度范围的滚动彩色系统，这会导致亮度比理论上可能的亮度降低。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种开头段落中所述类型的弧光灯照明器，用于提供较高亮度。
为了实现这一目的，在权利要求1中限定了根据本发明的弧光灯照明器。
用于投影系统的一种弧光灯照明器包括一个或多个偏振变换系统，用来横向扩展弧光影像，产生一个或多个主、次弧光影像。对于单面板滚动彩色投影系统，主、次影像被间隔开，以允许交错，从而形成近似滚动条带的几何结构的延伸弧光影像。
按照一个实施例，弧光灯照明器具有用于沿第一和第二路径投影弧光影像的一对投影透镜。对于每条路径，此照明器包括偏振变换系统、用于将投影的弧光影像引导(direct)到偏振变换系统的向场透镜和用于将投影的弧光影像引导到向场透镜的平面镜。
投影透镜可以沿着横向平面内的路径投影弧光影像，在这种情况下平面镜与横向平面垂直，以便将投影的影像反射到向场透镜。
或者，投影透镜沿着横向平面的上、下方的路径投影弧光影像，并且平面镜与横向平面平行，分别位于横向平面的上、下方，从而将投影的影像反射到向场透镜。
按照另一实施例，弧光灯照明器具有三个投影透镜，用于沿着三条不同的路径(即，中央路径和两个外部路径)投影弧光影像。对于每条路径，此照明器包括偏振变换系统和用于将投影的弧光影像引导到偏振变换系统的小镜片。对于两个外部路径，提供一个大镜片，用于将投影的弧光影像引导到小镜片。
偏振变换系统一般实施为偏振变换棱镜，而旋转器装置一般是四分之一波片(wave plate)。
与现有技术相比，这种照明器能够使用较长的弧光灯并提供照明的均匀一致性，同时使诸如单平面滚动彩色系统的具有小角度范围的系统的亮度最大。
本发明的再一目的是提供一种投影系统，包括在开头段落中所述的弧光灯照明器，用来提供较高的亮度。
为了实现这一目的，在权利要求9中限定根据本发明的投影系统。
附图说明
从下面所描述的实施例中明白本发明的这些与其他方面，并且本发明的这些与其他方面将参照下面所述的实施例进行阐述。
在附图中：
图1A和1B分别是现有技术中用于投影系统的一种弧光灯照明器的轴向和横向视图，表示弧光影像的投影视图；
图1C是本发明的弧光灯照明器的横向视图，表示主、次弧光影像的投影视图；
图2是本发明的一个二透镜弧光灯照明器的横向视图，表示两个主和两个次弧光影像的投影视图；
图3A和3B分别是本发明的另一种二透镜弧光灯照明器的轴向和横向视图，图3B表示在不同平面内的光分布的投影视图；
图4是本发明的一种三透镜弧光灯照明器的轴向视图，表示在不同平面内的光分布的投影视图；
图5是一种紧凑聚光(compact light collection)结构的轴向视图，包括用于本发明的二透镜弧光灯照明器的一个复合(compound)光波导；以及
图6是包括本发明的弧光灯照明器的一种投影系统的方框图。
这些附图是示意性的并且不是按比例绘制的，而且一般地利用相同的标号代表相同的部件。
具体实施方式
参见图1A和1B，分别表示现有技术中用于投影系统的一种弧光灯照明器的轴向和横向视图，弧光灯10的延伸弧光12的影像被聚光透镜14投影到影像平面I上。弧光12的定向分别利用轴向和横向平面来限定，轴向和横向平面均穿过聚光透镜14的光轴0。弧光灯的位置使得弧光12与轴向平面横截并位于横向平面中。在图1A的轴向视图中，沿截面A-A’看到的弧光影像16出现在垂直定向的影像平面上，在图1B的横向视图中沿截面B-B’看到的弧光影像18是水平定向的。按照本发明，能够利用偏振变换光学镜片从弧光影像18中构造近似照明条带形状的影像。
同样是横向视图的图1C表示在影像平面I处的光学路径中插入一个偏振变换装置20对弧光影像的影响。弧光影像18被PCD20有效地分离成主(P)与次(S)弧光影像32与34。PCD20是由两个复合棱镜22和24构成的公知类型的PCD，每个棱镜包括分别以一对棱镜(23，25)和(26，28)为边界的内部定向偏振器(27，30)。在操作中，来自聚光透镜14的非偏振光进入棱镜26。一部分光被偏振器30变换成P偏振光。此P光穿过棱镜28以形成主弧光影像32，而剩余的光被偏振器30变换成S偏振光，分别利用偏振器30和27反射，并穿过棱镜25以形成次弧光影像34。插入主影像路径中的半波片31将它的光从P变换成S。
PCD20被取向，以使得平面偏振器27和30与横向平面垂直，从而延伸的弧光影像沿着其纵轴被横向分离，得到对于大于原始弧光影像长度的距离沿弧光轴延伸的延伸照明光束。图1C中的偏振器27和30被分开，从而使主、次弧光影像完全分离。或者，可以使主、次弧光影像部分重叠，以增强所得到的照明光束的照明均匀一致性。这通过使偏振器27和30在空间上更靠近或利用一个或多个辅助透镜元件部分地会聚主、次弧光影像的射线能实现；自然，结果是输入影像不再固定在棱镜边界所构成的孔中，并且会损失一些光。
图2是本发明的二透镜弧光灯照明器的横向视图，表示本发明原理的根据弧光影像形成条带的进一步扩展。聚光透镜36和38将弧光影像路径分离成横向远离中央轴线C定向的两条路径。这种布局能够使用一对PCD 44和50在影像平面上形成总共四个弧光影像(56，58，60，62)。由于本实施例中聚光透镜36和38的尺寸相对大并且距影像平面比较近，采用平面镜39和41分别将发散的影像路径朝着中央轴线C反射回到向场透镜40和42，并随后反射到PCD 44和50。
PCD44和50与图1C中的PCD20不同。不是两个复合棱镜，PCD44和50是由具有完全内反射(TIR)表面(48，54)的复合棱镜(46，52)和另一棱镜(47，53)构成的。来自复合棱镜46和52的光被TIR表面48和54横向约束，使影像平面I处输出的光均匀化。半波片55和57将出射P分量旋转90度，变换成S分量，就象图1C中半波片31的情况一样。在美国专利5,896,809中描述了一种适合在本发明中使用的这样一种PCD的一个示例性实施例。
根据为这种照明器预想的具体应用，其它的光学设计是可能的，其中利用聚光透镜使影像路径直接对准向场透镜，或者甚至直接对准PCD，这使得镜片和/或向场透镜就显得不必要了。这种设计当然具有在本发明的范围内的允许改变。
在图3A和3B中表示图2中的二路径实施例的一种变化，其中聚光透镜64和65在轴向和横向上均偏移中央轴线C。平面镜66和67的位置与轴向平面横截并且与横向平面平行，从而将来自聚光透镜64和65的轴向发散光线朝着中央轴线C反射回并反射到向场透镜68和70，后者又将光线引导到PCD72和73，并随后引导到半波片74和75，这些半波片在结构及其操作上类似于图2中所示的PCD44和50以及半波片55和57。
截面图B-B’和C-C’分别表示在被PCD分离前、后的光分布的投影视图。截面图B-B’中延伸的弧光影像83和84在截面图C-C’中已经借助于构成矩形光波导的棱镜TIR界面(interface)的积分特性被变换成矩形形状的影像85-88。将光反向回射到弧光上的镜片在此图中没有表示出。
图4表示本发明的另一实施例，其中三个聚光透镜(即，中央透镜82和横向偏移侧透镜84和86)将弧光灯光划分成三条光学路径，即，沿着中央轴线C的中央路径，以及从中央路径轴向发散的侧路径。图中表示的一个大平面镜88朝着中央轴线将侧路径光线反射到间隔刚好足够将来自这多条路径的光线引导到PCD阵列9 2的镜片89-91，这以前述的方式分离弧光影像。如截面图A-A’所示，阵列92由三个PCD93、94和96构成，其结构和工作方式类似于上文所述的PCD44和50。
和图3B中一样，图4中的截面图B-B’和C-C’表示弧光影像在被PCD分离前、后的投影视图。和图3的实施例中一样，弧光影像112-114在分离成弧光影像118-123之前已经被棱镜边界限制成了矩形形状。
3个镜片在轴向上彼此稍微偏移，从而将每个离轴光束恢复成同轴。
图5表示用来形成一对弧光影像的一种紧凑结构，然后用一个偏振变换系统以上述的方式将这些影像分离。透镜125和127形成弧光12的分离影像137和139，而折叠镜片129和131将这些影像引导到复合光波导141的相对输入端口133和135。输入端口133和135的输入孔尺寸与弧光影像尺寸匹配，如图B-B’中所示。来自两个端口133和135的光束被TIR棱镜143和145折叠到平行路径中，并且利用单一矩形光波导147进一步传送到偏振变换系统(未示出)。
图6是包括本发明的弧光灯照明器的一种投影系统的方框图。照明器600给光调制器面板610提供照明，后者按照来自电信号输入源620的显示信息来调制光。投影透镜630将调制的光投影到没有表示出的一个显示表面上。虽然本发明的照明器能够用于任何投影显示系统中，但最适合用在需要条带形照明的投影系统中，例如单面板滚动彩色投影系统。例如，在引入在本文中以供参考的以下文献中就描述了这种系统，参见1994年3月25日授予P.Janssen的美国专利5,410,370“Single panel color projection video display improvedscanning”和1995年5月16日授予P.Janssen等人的美国专利5,416,514“Singlepanel color projection video display havingcontrol circuitry for synchronizing the color illuminationsystem with reading/writing of the light valve”。
利用有限数量的实施例必要描述了本发明。根据此说明书，对于本领域的技术人员来说，其它实施例和及其变更将变得显而易见，并且这些实施例及其变化都打算被完全包括在本发明及其权利要求书的范围之内。

Claims (9)

1.用于投影系统的一种弧光灯照明器，包括：
弧光灯，包括封入具有位于横向平面内的轴线的延伸弧光(12)的外壳(10)；
至少一个投影透镜(14)，用于投影弧光(12)的影像(16)；
至少一个偏振变换系统(20)，用于将投影的弧光影像(16)沿着横向平面内的轴线分离成主、次弧光影像(32，34)；以及
旋转器装置(31)，用于将主(32)或次(34)弧光影像的偏振显示变换成对应于另一弧光影像的偏振显示。
2.按照权利要求1的弧光灯照明器，包括：
第一和第二投影透镜(36，38)，用于沿着第一和第二路径投影弧光影像(16)；
对于每条路径：偏振变换系统(44，50)；向场透镜(40，42)，用于将投影的弧光影像引导到偏振变换系统；和平面镜(39，41)，用于将投影的弧光影像引导到向场透镜。
3.按照权利要求2的弧光灯照明器，其中第一和第二投影透镜(64，65)沿着横向平面内的第一和第二路径投影弧光影像，并且用于第一和第二路径的平面镜(66，67)垂直于横向平面，以分别反射来自第一和第二投影透镜的投影影像。
4.按照权利要求2的弧光灯照明器，其中第一和第二投影透镜(64，65)沿着横向平面的上方与下方的第一和第二路径投影弧光影像，并且用于第一和第二路径的平面镜与横向平面平行而且分别位于横向平面的上方和下方，以分别反射来自第一和第二投影透镜的投影影像。
5.按照权利要求1的弧光灯照明器，包括：
第一、第二和第三投影透镜(82，84，86)，用于沿着第一、第二和第三路径投影弧光影像；
对于每条路径：偏振变换系统(93，94，96)；小镜片(89，90，91)，用于将投影的弧光影像引导到偏振变换系统；和
对于第一和第三路径，大镜片(88)，用于将投影的弧光影像引导到小镜片(89)。
6.按照权利要求1的弧光灯照明器，其中偏振变换系统(20)是偏振变换棱镜。
7.按照权利要求1的弧光灯照明器，其中旋转器装置(31)是半波片。
8.按照权利要求1的弧光灯照明器，包括：
第一和第二投影透镜(125，127)，用于沿着发散第一和第二路径投影弧光影像；
第一和第二镜片(129，131)，用于沿着会聚路径引导投影的弧光影像；
复合光波导(141)，被定位以截断会聚弧光影像，所述复合光波导(141)包括：用于输入弧光影像的一对相对输入端口(133，135)；用于沿着公共路径引导弧光影像的一对TIR棱镜(143，145)；以及用于将弧光影像引导到偏振变换系统的矩形光波导(147)。
9.一种投影系统，包括：
光调制器面板(610)，用于根据电信号来调制光影像；
透镜(630)，用于将调制的影像投影到显示屏幕上；以及
弧光灯照明器(600)，用于给光调制器面板照明，
所述照明器包括：
弧光灯，包括封入延伸弧光(12)的外壳(10)，所述弧光具有位于横向平面内的轴线；
至少一个投影透镜(14)，用于投影弧光(12)的影像(16)；
至少一个偏振变换系统(20)，用于沿着横向平面内的轴线将投影的弧光影像分离成主与次弧光影像(32，34)；以及
旋转器装置(31)，用于将主(32)或次(34)弧光影像的偏振显示变换成对应于另一弧光影像的偏振显示。
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