CN1591168A - 采用辅助光源的照明装置和包括该照明装置的投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用辅助光源的照明装置及其投影系统。该照明装置包括用于发出白光的主光源单元和辅助光源单元，其中该辅助光源单元用于将预定波长频带的光导入到主光源单元的光强度弱的空间中，以增强白光的光强度。照明装置能均匀地控制空间光强度分布和频段光强度分布，并扩大了色彩再现区域，以高发光效率提供了高质量图像。

Description

采用辅助光源的照明装置和 包括该照明装置的投影系统

技术领域

本发明涉及一种照明装置和一种投影系统，更特别地是，本发明涉及一种采用辅助光源的照明装置和包括该照明装置的投影系统。

背景技术

图1是一个示意图，示出了相关技术的投影系统所使用光源的结构。参看图1，光源2包括灯5和抛物面反射器9。灯5为汞、氙或金属卤化物灯。从灯5发出的光束在灯5和光源2的抛物面反射器9之间的空间中发散。

图2是图1所示光源2的光强度分布图和分布表。参看图2，由于光不是从设置在灯5上的中心电极所在的点发出的，因此中心位置的亮度比其周围更暗。

传统光源的光强度分布不是呈高斯分布，而是呈现一种非对称的光强度分布，其中，电极中心处的光强度减弱了1/5。在光源2的光强度分布中，一个比其他区域光强度低的区域被称作死区。传统光源的光强度分布遭遇了这种空间的非均匀性和频带的非均匀性，这使得预定波长频带的光比其他波长频带的光具有更低的强度。

为了补偿波长频带中的低强度光，公开号为2002-296680的日本专利披露了一种使用照明灯合成装置的显示器。图3是公开号为2002-296680的日本专利中所披露的显示器的结构图。

参见图3，显示器1经液晶显示板3R、3G和3B调制从光源2发出的光，并将调制后的光显示在屏幕4上。光源2包含一个主光源单元6和一个辅助光源单元8。主光源单元6包括一个超高性能(UHP)灯5和抛物面反射器9。辅助光源单元8包括一个使用激光二极管(LD)或发光二极管(LED)的辅助光源7。同样，显示器1包括第一和第二蝇眼透镜(fly-eye lenses)10a和10b、偏振器12、第一和第二中继镜13和14、滤色镜17、反射镜20、聚光透镜21、偏振光分离器22、分析表面22a和色棱镜(color prism)23。

如图4所示，因为从传统显示器1中的主光源单元6发出的主光在640～660nm的波段内被损失，所以，另外提供从辅助光源7发出的辅助光来补偿受损失的主光。然而，这种辅助光源7的设置增加了显示器1的整体成本。

特别地，还应当另外提供滤色镜17作为显示器1中的照明灯合成部件，用于通过在波长频带范围内的从主光源单元6发出的那些被损失的光，并用于通过从辅助光源单元6中发出的所有补偿光。然而，制造这样的滤色镜17是困难的。另外，带有滤色镜17的显示器1补偿了在空间分布的不足，但是不能补偿从UHP灯5发出的光在光强度分布上的不足。

发明内容

本发明提供了一种采用无需附加滤色镜就能增加光强度的辅助光源的照明装置，和一种包括该照明装置的投影系统，这种投影系统能在整个屏幕内以高照明效率实现宽色彩的再现(wide color reproduction)。

根据本发明的一个方面，提供了一种照明装置，该装置包括：用于发出白光的主光源单元，和用于将预定波长频带的辅助光导入到这样的空间中的辅助光源单元，在该空间中，主光源单元的光强度低。这种布置增加了白光的光强度，并扩大了色彩再现区域。

根据本发明的另一方面，提供了一种投影系统，该系统包括：照明装置；用来将发自照明装置的光分成多色光的分光器；显示单元，用来根据所提供的图像信号对从分光器发出的多色光进行调制和成像；以及投影器，用来以放大的比例将显示单元发出的光投影在屏幕上，其中，照明装置包括：用于发出白光的主光源单元；和用于将预定波长频带的辅助光导入到这样一空间的辅助光源单元，在该空间中，主光源单元光强度低。这种布置增加了白光的光强度，并扩大了色彩再现区域。

附图说明

通过参照附图，详细描述示范性的实施例，本发明的上述和其它特征及优点将更为明显，图中：

图1是相关技术投影系统中照明装置结构的示意性剖面图；

图2是图1所示光源的光强度的分布图和分布曲线图；

图3是公开号为2002-296680的日本专利中所披露的显示器的结构图；

图4是根据图3中所示的显示器的波长的光强度的变化的曲线图；

图5是根据本发明第一示范性实施例的照明装置的示意性剖面图；

图6是根据图5所示显示器的照明位置处的光强度分布曲线图；

图7是图5所示照明装置的光谱分布曲线图；

图8是根据本发明第二示范性实施例的照明装置的示意性剖面图；

图9是图8所示照明装置的空间光强度分布曲线图；

图10是根据图8所示照明装置的波长的光强度的分布曲线图；

图11是根据本发明第三示范性实施例的照明装置的示意性剖面图；

图12是如图11所示照明装置的第一反射棱镜的透视图；

图13是根据本发明第四示范性实施例的照明装置的示意性剖面图；

图14是如图13所示照明装置的第二反射棱镜的透视图；

图15是根据本发明第五示范性实施例的照明装置的示意性剖面图；

图16是如图15所示照明装置的光强度的分布曲线图；

图17到19分别是根据图15所示照明装置的其它实施例中的第三反射棱镜的透视图；

图20是根据本发明第六示范性实施例的照明装置的示意性剖面图；

图21是如图20所示照明装置中反射镜的俯视图；

图22是根据本发明第七示范性实施例的照明装置的示意性剖面图；

图23是根据本发明第八示范性实施例的照明装置的示意性剖面图；以及

图24是根据本发明示范性实施例的投影系统的结构示意性剖面图。

具体实施方式

将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的示范性实施例。所描述的示范性实施例意在辅助理解本发明，而并不是想以任何方式来限制本发明的范围。所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

参看图5，根据本发明第一示范性实施例的照明装置48包括：光源部分211；积分部分44，该积分部分包括用于对光源211发出的光束进行积分从而得到均匀光强度分布的第一和第二积分器44a和44b；设置在光源部分211和积分部分44之间的路径上、用来过滤紫外线光的紫外线过滤器49；以及设置在紫外线过滤器49的中心部分上、用来准直辅助光的准直透镜47。

光源部分211包括主光源单元41和辅助光源单元213。主光源单元41包括用于产生白光的灯43和用于将发自灯43的白光沿平行路径进行反射的反射器45。这里，灯43位于反射器45的中心部分上。灯43为汞、氙或金属卤化物灯。反射器45为椭圆反射器或抛物面反射器。在这里，发自灯43的白光中红光的光强度比其它光的光强度低，电极E所在点发出的光强比灯上其它位置的低很多。

辅助光源单元213包括用于以高强度发出预定波长频带的单色光的辅助光源40，和用来引导辅助光的光导42。辅助光源40为激光二极管(LD)或发光二极管(LED)。光导42为波导管(wave guide)或光纤。

辅助光源40可以被直接安装在灯43的电极E处。在这种情况下，光导42被排除在辅助光源单元213的元件之外。同样，辅助光源40可以被设置在主光源单元41外，并通过光导42连接到电极E。在这种情况下，光导42引导发自辅助光源40的辅助光，并沿着与发自灯43的白光相同的路径发出辅助光。

参看图6，主光的强度在点A和A’之间有两个峰值P1和P2，在电极E的位置处有一个波谷。主光光强度分布中的波谷由发自辅助光源40的辅助光加以补偿。

参看图7，主光的峰值出现在光谱的蓝色和绿色区域，波谷出现在红色区域。也就是说，仅使用主光源单元41在屏幕上所形成的图像将红光不足。这是由主光光谱强度的非均匀分布造成的。然而，如果提供了发出红光的辅助光源单元213，那么，在红光波长频带上的光谱强度将得到增强，这样就可以在红光、绿光和蓝光的所有波长频带上获得均匀的光强。

参看图8，根据本发明第二示范性实施例的照明装置58与图5中所示照明装置48相似，不同之处在于，光源部分211包括辅助光源单元223和第一、第二光导52a和52b，该辅助光源单元223包括第一和第二辅助光源50a和50b。

第一和第二辅助光源50a和50b分别发出具有不同波长频带的第一和第二辅助光。该第一和第二辅助光以重叠状态到达如图9所示主光损失的电极E处。另外，第一和第二辅助光源50a和50b使用发出蓝光和红光的LD或LED。当第一和第二辅助光源50a和50b被设置在主光源单元41外部时，第一和第二光导52a和52b被用作辅助光源单元223的元件。第一和第二光导52a和52b分别引导第一和第二辅助光从第一和第二辅助光源50a和50b到达电极E。于是，如图10所示，照明装置58增强了红光和蓝光区域的光谱强度。

参看图11，根据本发明第三示范性实施例的照明装置68包括光源部分231和积分部分44。光源部分231包括主光源单元41和发出辅助光的辅助光源单元233，该辅助光垂直于发自主光源单元41的主光的路径。

辅助光源单元233包括发出辅助光的辅助光源60，位于辅助光路径中用来准直辅助光的准直透镜67，和作为路径改变元件的第一反射棱镜66。该辅助光源60设置于主光源单元41的一侧，优选地尽可能地靠近主光源单元41。第一反射棱镜66将辅助光路径由与主光垂直改变为与主光平行，这样，主光和辅助光就沿着相同的路径。

参看图12，第一反射棱镜66为具有成角度的反射表面66a的直角棱镜，用来反射从辅助光源60发出的单一辅助光。

图11中，优选地，但非必要的是，反射棱镜66的宽度W与主光源单元41的死区的宽度相同。因为发自主光源单元41电极E的光强度非常弱，因此，被第一反射棱镜66反射的主光中的一部分可以被忽略。通过使用与死区同宽度的反射棱镜66，死区中的光强度可以得到增强。因此，根据本发明第三示范性实施例的照明装置通过将辅助光聚焦于主光源单元41的死区来控制光强度分布，并通过适当地对辅助光源60进行选择来控制光谱分布。

参看图13，根据本发明第四示范性实施例的照明装置78与图11中所示照明装置68相似，不同之处在于，光源部分241包括辅助光源单元243，该辅助光源单元243包括第一和第二辅助光源70a和70b。第一和第二辅助光源70a和70b彼此面对放置，且主光束位于两者之间。第一和第二辅助光源70a和70b分别发出与发自主光源单元41的主光路径垂直的第一辅助光和第二辅助光。第二反射棱镜76位于第一和第二辅助光源70a和70b之间的主光路径内，该第二反射棱镜具有反射第一辅助光的第一表面76a和反射第二辅助光的45度的第二表面76b。第一和第二准直透镜77a和77b被分别设置在第一和第二辅助光源70a和70b以及第二反射棱镜76的路径内，用来准直辅助光。

参看图14，等腰三角形棱镜用作反射棱镜76，来反射第一和第二辅助光，并使它们沿着与主光相同的方向前进。

参看图15，根据本发明第五示范性实施例的照明装置88与图13中所示照明装置78相似，不同之处在于，光源部分251包括第一和第二辅助光源80a和80b、第三反射棱镜86和连接于反射器45上的紫外线过滤器49。在这里，第一和第二辅助光源80a和80b分别与反射器45的第一端A和第二端A’紧密接触，并且第三反射棱镜86被固定在紫外线过滤器49上。在照明装置88中，反射器45和第三反射棱镜86之间的距离比图13所示照明装置78中的要短，于是相应地减少了光学损失，并且通过紫外线过滤器49过滤掉紫外线，从而提高了整体的亮度。紫外线过滤器49还可以被用于其它示范性实施例中以在屏幕内增大色彩再现区域并提高发光效率。

参看图15和16，当第一和第二辅助光分别通过棱镜86的第一表面86a和第二表面86b被反射时，曲线图中示出了在电极E附近的第一和第二辅助光的峰值。从光强度分布曲线中可以看出，使用了多个辅助光源的照明装置88能确保获得比图5和图11所示照明装置48和68更均匀的光强度分布。

参看图17到19，图15所示的第三反射棱镜86可以用四面体锥棱镜96、五面体锥棱镜106或具有n(n＞5)个反射面的反射棱镜116来代替。在这种情况下，四面体锥棱镜96具有三个成45度的表面，并且辅助光源部分包括三个辅助光源，它们以120度彼此相互间隔。四面体锥棱镜96将发自三个辅助光源的第一至第三辅助光反射，使它们沿与主光相同的方向进行。

当使用了第四辅助光源时，五面体锥棱镜106被用作路径改变部件。在这种方式下，当使用了n(n＞5)个辅助光源时，就能使用具有n(n＞5)个反射表面的反射棱镜116。

参看图20，根据本发明第六示范性实施例的照明装置128包括用来发出主光M的主光源单元41和包括辅助光源120和反射元件的辅助光源单元263。辅助光源120位于主光源单元41的一侧，用来反射与主光M垂直的辅助光。例如，反射部件为具有平板结构的反射器126。该反射器126中形成有一允许辅助光A通过的孔H1，并将主光M反射到与辅助光A平行的方向上，这样，被反射的主光M沿着与辅助光A相同的方向前进。

另外，聚光透镜127进一步设置在辅助光A和被反射主光M的路径内，通过使用棒式积分器124，穿过聚光透镜127的光变得均匀。

参看图21，孔H1的直径S与辅助光A通量的直径相似，以有效实现辅助光A的直线传播。

参看图22，根据本发明第七示范性实施例的照明装置138包括如图20所示相同的辅助光源单元263，但是还包括一个与图20中所示不同的主光源单元131。

主光源单元131包括灯133和用来反射由灯133产生的主光的椭圆反射器135。该椭圆反射器135在比抛物面反射器更狭窄的立体角(solid angle)上发光。被椭圆反射器135反射的主光以大于45度的角度入射到反射器126上，再被反射出来。在这里，优选的是辅助光源120靠近主光源单元131以减少光学损失。

参看图23，根据本发明第八示范性实施例的照明装置138包括光源部分281和棒式积分器139。光源部分281包括主光源单元41和位于主光源单元41前方路径一侧的辅助光源单元283。辅助光源单元283包括一个反射元件。优选地，该反射元件为一具有孔H2和反射表面136a的球形反射器136，孔H2可以允许辅助光A直线前进，反射表面136a用来反射发自主光源单元41的主光M，使得被反射的主光M’沿着与辅助光相同的方向前进。

参看图24，根据本发明示范性实施例的投影系统包括照明装置231，用来将照明装置231发出的光根据不同波长频带分成不同颜色光的分光器235，用于根据所提供图像信号进行不同颜色光成像的显示单元237，和用来以放大比例将显示单元237发出的光投影在屏幕353上的投影仪239。

照明装置231包括用来发出白光的主光源单元232，和用来在波长频带内发出单色光的辅助光源单元233，在这个波长频带中，发生光学损失以增加光和光谱强度。

在这里，照明装置231可以采用选自根据第一至第八示范性实施例的照明装置，也可以是在本发明范围内的其他照明装置。

分光器235可以使白光具有均匀的光强度分布。分光器235包括：多个分色镜333；插入在照明装置和分色镜333之间、用于对发自照明装置231的光进行聚焦的第一准直透镜311；用于调节被第一准直透镜311聚焦的光的发散角的狭缝315；和用于准直从狭缝315透射的光的第二准直透镜317。分色镜333根据入射角以不同的角度反射从照明装置231反射多色光。由于分色镜333透射预定波长频带的光并只反射预定频带的光，所以所采用的分色镜的数目等于被分离光的数目。通常提供三个分色镜333a、333b和333c作为分色镜333把光分成红光、绿光和蓝光。

同样，分光器235还包括介于第二准直透镜317和分色镜333之间的第一柱面透镜319和蜗卷透镜(scrolling lens)321，和第二柱面透镜335。第一柱面透镜319减小了光通量的宽度。螺旋透镜321蜗卷从第一柱面透镜319透射的光，从而以预定周期(cycle)改变光的路径。通过成螺旋形地布置至少一个柱面透镜321a而形成的螺旋透镜盘可以被用作蜗卷透镜321。利用透镜单元(lens cell)的旋转，螺旋透镜盘能够使处于光通过位置处的透镜呈现出直线运动效果，这样，光能够入射到显示单元237的不同位置。第二柱面透镜335增加了通过分色镜333的光通量的宽度，并使该处的光回复到其初始状态。

通过分光镜235的光进入显示单元237。显示单元237包括第一和第二蝇眼透镜337a和337b，中继镜341，偏振光束分离器345和光阀347。通过第二柱面透镜335的不同色光射线分别聚焦于第一和第二蝇眼透镜337a和337b的单元上。第一和第二蝇眼透镜337a和337b通过透镜单元透射色光射线。中继镜341对色光射线进行叠加，并允许色光前进到光阀347。

在偏振光束分离器345的作用下，使通过中继镜341的一束偏振光指向光阀347。偏振光束分离器345具有透射偏振光并反射其他光的偏振光平面345a。因此，偏振光束分离器345能将单束偏振光投影到屏幕353上。光阀347根据接收到的图像信号调制入射的偏振光，以借助偏振光束分离器345反射这些光。被偏振光束分离器345反射的光通过投影仪239被投影在屏幕353上，其中在投影仪内，投影透镜351被设置成与光轴平行。

采用辅助光源的照明装置能够对发出的光的光强度的分布和光谱强度进行控制。安装在投影系统内的照明装置能放大图像，并以高发光效率提供高质量色彩再现。

如上所述，采用辅助光源的照明装置和包括该照明装置的投影系统具有的优点在于，它能够获得均匀的光强度分布，并以高发光效率实现图像全部色彩的再现。

虽然参照示范性实施例对本发明进行了具体地示范和描述，但是本发明并不限于这些实施例。本领域普通技术人员应理解的是，在不偏离由以下权利要求所限定的本发明的精神和范围下，可以对本发明进行各种形式和细节上的变化。

Claims (30)

1.一种照明装置，包括：

主光源单元，用于发出白光；和

辅助光源单元，用于将预定波长频带的光导入到主光源单元的光强度弱的空间中，以增强白光的光强度并扩大色彩再现区域。

2.如权利要求1所述的照明装置，其中主光源单元包括：

用于产生白光的灯；和

置于灯周围用于沿着一条路径对白光进行反射和聚焦的反射器。

3.如权利要求2所述的照明装置，其中主光源单元还包括设置于白光路径内的紫外线过滤器，以过滤紫外线光。

4.如权利要求3所述的照明装置，其中主光源单元还包括设置于紫外线过滤器中心部位的准直透镜，以准直辅助光。

5.如权利要求1所述的照明装置，其中辅助光源单元包括用于发出辅助光的辅助灯。

6.如权利要求5所述的照明装置，其中辅助灯包括激光二极管或发光二极管。

7.如权利要求5或6所述的照明装置，其中辅助灯直接连接在主光源单元上。

8.如权利要求5或6所述的照明装置，其中辅助光源单元还包括与辅助灯连接的光导，用于将辅助光导入到主光源单元光强度弱的空间中。

9.如权利要求8所述的照明装置，其中光导是波导管或光纤。

10.如权利要求5或6所述的照明装置，其中辅助光源单元还包括设置于主光源单元的光强度弱的空间中的路径改变部件，以改变辅助光的路径。

11.如权利要求10所述的照明装置，其中路径改变部件是具有至少一个反射表面的棱镜。

12.如权利要求10所述的照明装置，其中辅助光源单元还包括设置于辅助灯和路径改变部件之间的准直透镜。

13.如权利要求5所述的照明装置，其中辅助光源单元还包括反射元件，该反射元件包括：

反射表面，用于反射从主光源单元发出的白光；和

孔，用来允许从辅助灯发出的辅助光通过反射元件，并用以指向辅助灯，以至于将辅助光导入主光源白光的光强度弱的空间中。

14.如权利要求13所述的照明装置，其中反射元件是反射镜或球形反射器。

15.如权利要求1至6任一项所述的照明装置，还包括设置在包含辅助光的白光路径内的积分器，用于获得白光的均匀的光强度。

16.一种投影系统，包括：

照明装置；

分光镜，用于将发自照明装置的光分成多色光；

显示单元，用于根据所提供的图像信号对发自分光镜的多色光进行调制和成像；和

投影仪，用于将发自显示单元的光以放大的比例投影到屏幕上，

其中照明装置包括：

主光源单元，用于发出白光；和

辅助光源单元，用于将预定波长频带的光导入到主光源单元的光强度弱的空间中，以增强白光的光强度并扩大色彩再现区域。

17.如权利要求16所述的投影系统，其中主光源单元包括：

用于产生白光的灯；和

设置于灯周围、用以沿着一条路径对白光进行聚焦的反射器。

18.如权利要求17所述的投影系统，其中主光源单元还包括设置在白光路径内的紫外线过滤器，以过滤紫外线光。

19.如权利要求18所述的投影系统，其中主光源单元还包括设置在紫外线过滤器中心部位处的准直透镜，以准直辅助光。

20.如权利要求16所述的投影系统，其中辅助光源单元包括用于发出辅助光的辅助灯。

21.如权利要求20所述的投影系统，其中辅助光包括激光二极管或发光二极管辅助灯。

22.如权利要求20或21所述的投影系统，其中辅助灯直接连接在主光源单元上。

23.如权利要求20或21所述的投影系统，其中辅助光源单元还包括连接到辅助灯上的光导，用于引导辅助光进入主光源单元光强度弱的空间中。

24.如权利要求23所述的投影系统，其中光导是波导管或光纤。

25.如权利要求20所述的投影系统，其中辅助光源单元还包括位于主光源单元的光强度弱的空间中的路径改变部件，以改变辅助光的路径。

26.如权利要求25所述的投影系统，其中路径改变部件是具有至少一个反射表面的棱镜。

27.如权利要求25所述的投影系统，其中辅助光源单元还包括设置于辅助灯和路径改变部件之间的准直透镜。

28.如权利要求21所述的投影系统，其中辅助光源单元还包括反射元件，该反射元件包括：

反射表面，用于反射发自主光源单元的白光；和

孔，用来允许发自辅助灯的辅助光通过反射部件，并用来引导辅助光，以至于将辅助光导入到主光源的白光的光强度弱的空间中。

29.如权利要求28所述的投影系统，其中反射元件是反射镜或球形反射器。

30.如权利要求16至21任一项所述的投影系统，还包括设置于包含辅助光的白光路径内的积分器，用于获得白光的均匀光强度。

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