CN1624526A

CN1624526A - 投影装置

Info

Publication number: CN1624526A
Application number: CN200410083219.9A
Authority: CN
Inventors: 阿恩·特勒尔奇; 德克·米尔霍夫; 马库斯·施特雷勒
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2005-06-08
Also published as: DE10345432A1; US20050110955A1

Abstract

本发明公开了一种用于投影多颜色彩图像的投影装置，包括发射不同颜色光的光源单元(1)，光调制器单元(7、34、35、36)，设置在光源单元(1)和光调制器单元(7、34、35、36)之间并将来自光源(1)的光引导至光调制器单元(7、34、35、36)的照明光学装置(2)，设置在光调制器单元(7、34、35、36)后面的投影光学系统(8、14)，所述投影光学系统(8、14)将由光调制器单元(7、34、35、36)产生的图像投影至投影面(9、42)上，其中该光源单元(1)包括作为发光元件的发光二极管。

Description

投影装置

本发明涉及一种用于投影多色彩图像的投影装置，包括发射不同颜色光的光源单元，光调制器单元，设置在光源单元和光调制器单元之间并且把光从光源单元引导至光调制器单元上的照明光学装置，设置在光调制器单元之后的投影光学系统，所述投影光学系统把由光调制器单元产生的图像投影到投影面上。

在这样的投影装置中，通常使用白光光源作为光源，例如金属卤化物灯或者高压氙灯。这些灯的缺点在于：对于彩色投影，光必须被分成三种颜色(例如，红色、绿色、蓝色)，这导致光学的复杂性。此外，这样的灯在高压下工作，这需要相当的电子线路的复杂性用于产生所需要的电压(达到12,000V)和用于限流。并且，这样的灯还需要能够为投影仪的结构尺寸提供较低限制的反射器。最后，这样的灯的寿命比较短，并且接近1分钟的预热时间比较长。

本发明的目的在于提供一种用于多色彩图像投影的投影装置，这是一种紧凑的装置并且能够降低制造费用。

这个目的通过上述类型的投影装置来达到，其中光源单元包括作为发光元件的发光二极管。

发光二极管不需要复杂的电子线路，所以投影装置的紧凑结构已经通过这种方式达到了。此外，发光二极管可以说是单色光源，所以不再需要分色。并且，在颜色顺序操作期间(在此期间不同颜色的光被以不同的时间顺序引导至光调制器单元)发光二极管产生的热量和消耗的能量比以常规的白光光源低得多。

特别优选地，发光二极管设置成阵列。这样，提供了在需要的波长上发射彩色光的实际的两维光源。

光源单元可以优选地包括一个阵列，发射不同颜色光的发光二极管设置在该阵列上。这样，使用一个单个阵列能够产生(优选地以时间顺序)不同颜色的光，这些不同颜色的光然后被引导至光调制器。这减少了照明光学装置的光学复杂性，因为仅仅需要为所述阵列提供一个照明光学装置。

依照本发明另一个实施例的投影装置在于提供了一种控制装置，该装置具有这样的效果：在每一种情况下仅仅来自某些发光二极管的光用于照明光调制器单元。这个控制单元可以被这样设置：随着时间变化，来自不同发光二极管的光优选以不同的颜色被用于照明。这样，能够节约能量，因为在所有情况下，仅仅分别产生当前需要的光或者颜色。此外，发光二极管产生的热量能够减到最小。发光二极管能够工作在较大的电流，特别是在颜色顺序操作期间，所以光调制器单元可获得更多的光。

特别是，一方面发光二极管，另一方面照明光学装置是彼此相对可移动的。这是可以实现的，例如，通过将发光二极管设置在可转动载体上，例如可转动圆盘上。如果提供可转动圆盘，圆盘的转动轴相对照明光学装置的光轴偏移。这具有这样的效果：由于圆盘的转动，总是有不同的发光二极管被引导通过照明光学装置。控制单元总是仅仅分别接通当那些在照明光学装置前面的发光二极管或者那些光由照明光学装置引导到光调制器上的发光二极管。

此外，发光二极管能够排列圆柱体(例如鼓)的外侧，圆柱体的旋转轴与照明光学装置的光轴垂直。在这种情况下，也仅仅是那些在圆柱体转动过程中处在照明光学装置前面的发光二极管才被接通。

并且，可以在发光二极管和照明光学装置之间设置由控制单元控制的偏转单元，偏转单元随着时间变化将来自发光二极管的光耦合到照明光学装置中。因此，在这种情况下，移动由偏转单元实现，作为反射单元，可以使用检流计镜或者多边形扫描器。

依照本发明的装置的特别优选的实施例在于该光源单元包括两个光传播方向一样的发光二极管阵列，从光传播方向看，所述发光二极管阵列设置在彼此后面，并且成像光学装置设置在所述两个阵列之间，所述成像光学装置将在第二阵列的发光二极管之间的第一阵列的发光二极管成像。例如，所述成像光学装置可以是1∶1的成像光学装置。这增加了第二发光二极管阵列的有效照明面积，并且同时把产生的热量有利地分布在两个阵列之间，所以单独的阵列，特别是第二阵列不会太热。

第二阵列的发光二极管优选地相连在承载板上，该承载板在发光二极管之间具有用于来自第一阵列发光二极管的光的通孔。

在依照本发明的投影装置的另一个实施例中，光源单元包括至少两个发射不同颜色光的发光二极管光源，并且照明光学装置包括组合单元，该组合单元将来自发光二极管光源的光导引至通向光调制器单元的共同光路上。这使得它能够提供一种只具有一个光调制器的投影装置，来自两个发光二极管光源的不同颜色的光按时间顺序引导至这个光调制器。特别是，也可以设置第三发光二极管光源，该光源的光也由组合单元导引至共同的光路。当三个发光二极管光源在使用时，优选地使用产生红、绿、蓝基色的发光二极管光源。

在依照本发明的投影装置的另一个实施例中，光源单元包括至少两个发射不同颜色光的发光二极管光源，并且光调制器单元包括用于每个发光二极管光源的光调制器，来自各发光二极管光源的光被引导至所述光调制器，设置在投影光学系统和光调制器之间的组合单元将来自光调制器的调制光引导至通向投影光学装置的共同光路。在这个实施例中，要被投影图像的部分颜色图像能够以单独的光调制器同时产生，所以投影可以具有很大的光强。

使用的光调制器优选的是透射光调制器，例如液晶(LCD)模块。当然反射光调制器，例如也可以用LCoS模块和倾斜镜矩阵。

依照本发明的投影装置的另一个实施例在于照明光学装置包括第一透镜阵列和设置在其后的具有正折射能力的光学装置。在这个连接中，从第一透镜阵列到所述光学装置的光程和从该光学装置到光调制器单元的距离优选与光学装置的焦距对应。在这种情况，照明光学装置设置为蜂巢状聚光器系统，该系统具有在图像一侧远心的和集光率守恒(etendue conservation)的光路。

依照本发明的投影装置的优选实施例在于聚光器系统包括，在第一透镜阵列和光源单元的相应光源之间的第二透镜阵列，光源单元包括一个或者多个光源(优选是发光二极管光源)，第二透镜阵列透镜的焦点优选设置在第一透镜阵列的平面内。使用排列成相互跟随的两个透镜阵列使得调节均匀性以确定光调制器单元中要被照明表面的纵横比特别容易，特别是如果所说的要被照明表面是矩形。这样，例如，可以使用相互相对旋转为90°的两个圆柱体透镜阵列，使得需要的矩形纵横比是容易可调节的。就圆柱体透镜阵列容易制造这一点来说是特别有利的。

相互跟随排列的两个透镜阵列可以设置为串联的透镜阵列，其中透镜阵列设置在衬底的前表面和后表面。这样，提供了非常紧凑的光学元件，使投影装置具有紧凑的结构。两个透镜阵列优选地在结构上是一样的并且可以彼此相对调节。

可以使用一个单独的透镜阵列代替两个圆柱体透镜阵列，其中该透镜设置成行和列，这样减少了阵列的数目。这样的透镜阵列可以设置成使它具有与排列成相互跟随的两个圆柱体透镜阵列相同的光学效果，这两个圆柱体透镜阵列优选地彼此相对旋转90°，并且它当然也可以进一步实施为串联排列的透镜阵列。

还可以在串联的透镜阵列和相应的光源之间设置附加的串联透镜阵列。在这种情况下，两个串联透镜阵列都可以设置为串联圆柱体透镜阵列，其可以彼此相对旋转。两个串联圆柱体阵列的圆柱体透镜阵列的不同的透镜参数能够对要被照明的表面(特别是如果所述表面是矩形的)进行最佳调节。

此外，依照本发明的投影装置优选具有控制单元，它在给定图像数据的基础上控制光调制器单元并且优选也控制光源单元。

下面将结合附图以举例方式详细说明本发明，其中：

图1示出依照第一实施例的投影装置；

图2示出图1的光源单元的具体实施例；

图3示出依照第二实施例的投影装置；

图4示出依照第三实施例的投影装置；

图5示出依照第四实施例的投影装置；

图6示出照明光学装置的一个例子。

从图1看很显然，这个实施例的投影装置包括光源单元1，该光源单元1设置为发光二极管阵列，发光二极管阵列包括发射红、绿、蓝光的发光二极管。设置在发光二极管阵列1之后的是照明光学装置2，其包括光束调节光学装置3和中继系统4。光束调节光学装置2可以是光混合棒，例如，通过其产生需要的照明横截面。在照明光学装置之后以这样的顺序设置：偏振器5，偏振光分束器6和反射的LcoS模块7。此外，还设置有投影透镜8，用来将由光调制器7产生的图像投影到投影面9上。该投影装置还包括控制单元(未示出)，它根据给定的图像数据像控制发光二极管阵列1一样控制光调制器7。

控制这样实现：使用发光二极管阵列1，按时间顺序产生红、绿、蓝光，所述光由偏振器5在需要的方向上(例如p偏振)预先线性地偏振，然后通过偏振分束器6照射在反射光调制器7上。作为被显示的像素函数，光调制器7旋转入射光的偏振方向并且将它反射回到其原来的方向，所以光或者再次返回通过偏振分束器6或者直接被偏振分束器6向上偏转90°(见图1)，然后由投影透镜8投影到投影面9上。这使红、绿、蓝部分颜色图像能够按时间顺序产生。这连续地实现如此之快以致于观众只能感觉到部分颜色图像叠加的情况，这样就是多色彩图像。发光二极管的使用使整个投影装置能够具有紧凑的结构。此外，在所描述的投影装置中，在所有情况下，仅仅那些在那个时刻实际需要的发光二极管被接通，所以投影装置总体上节约了很多能量。

如果使用倾斜镜矩阵代替反射LCoS模块，偏振器5可以被省略并且偏振分束器6被部分透射镜或者TIR棱镜(全内反射棱镜)取代。所述镜子或者所述TIR棱镜然后设置成这样：处于第一倾斜位置的倾斜镜矩阵的倾斜镜所反射的光由投影透镜8投影到投影面9上，而处于第二倾斜位置的倾斜镜所反射的光被相对于透镜8设置在侧面的光阑(未示出)截断。

图2示出了图1的光源单元的可选择的实施例。在这个实施例中，光源单元1包括两个设置成相互跟随的发光二极管阵列10、11和设置在它们之间的透镜光学装置12。通孔设置在发光二极管阵列11的发光二极管之间，并且发光二极管阵列10的发光二极管被与透镜光学装置12一起以这样的方式设置，使它们被成像在所述孔中。由微透镜11的成像能够在所谓的4f排列中获得1∶1的成像。在这种情况下，从透镜光学装置12的透镜到两个阵列10、11的距离在所有情况下等于透镜焦距的2倍。

图3示出了投影装置的第二实施例。这个实施例与图1所示的实施例仅仅在光源单元本质上不同。因此，相同部分以相同的附图标记表明，并且对于它们的描述参考上面的说明。

光源单元包括三个分别发射蓝、绿、和红光的发光二极管阵列13、14和15。发光二极管阵列13至15的光由颜色组合单元16引导到右侧，如图3所示，朝向照明光学元件2，颜色组合单元16包括两个相互垂直并彼此交叉的分色层17和18。随后的光路和图3的实施例中的一样。在这个实施例中，能够实现紧凑的排列，同时在显示的图像中能有很大的亮度，因为总有一个阵列13、14、15提供一种颜色。

图4示出了依照本发明的投影装置的第三实施例，它在提供了可旋转的发光二极管圆盘20代替发光二极管阵列1的这一点与图1所示的实施例不同。图4在左侧示出了圆盘20的顶视图。发光二极管圆盘20的旋转轴线21相对照明光学装置的光轴线OA偏移，所以在发光二极管圆盘20旋转时，总有不同的发光二极管位于照明光学装置的前面。这些发光二极管在工作时被接通，所以(在分段排列红、绿、蓝发光二极管的情况下)红、绿、蓝光能够经照明光学装置被交替引导至光调制器6上。由于发光二极管圆盘20上的发光二极管在旋转时一次只被接通很短时间，所以能够避免在某些情况下可能损坏发光二极管的过度的热负载。

图5显示了投影装置的第四实施例，其中为红、绿、蓝每种颜色分别提供了发光二极管阵列25、26、27，和在其后面设置的偏振器28、29和30，以及照明光学装置31、32、33，和在其后设置的透射LCD模块34，35和36。LCD模块34至36被设置在颜色组合立方体37的三个侧面，颜色组合立方体37具有分色层38和39，颜色组合立方体37将LCD模块34至36的部分颜色图像彼此叠加在一起。叠加的部分颜色图像由只允许变亮的像素通过的偏振器40提供，并且由设置在所述偏振器40后面的投影光学装置41投影到投影面42上。这种设置允许部分颜色的图像同时被产生，所以被投影的多色彩图像可以非常明亮。

图6示出用在上述投影装置中的照明光学装置2，31，32，33的实施例。该照明光学装置包括两个串联的圆柱体透镜阵列50、51，其后跟随着具有正折射能力的聚焦光学装置4。这里使用的串联透镜阵列表示一个透镜阵列501、502；511、512每个设置在衬底的前表面和后表面，它们在这种情况下是一样的并且彼此调整过。两个串联透镜阵列50、51的衬底厚度被选择成这样：在前表面上的各自透镜阵列501、511的透镜的焦点位于该衬底后表面上的各自透镜阵列502、512的透镜的主平面上(焦距f)。透镜阵列50和51被具体化为两个交叉的串联圆柱体透镜阵列并且适合于要被照明的光调制器7、34、35、36的表面。

一方面从聚焦光学装置4到第二透镜阵列502的光程，另一方面，到光调制器7、34、35、36的光程，对应于聚焦光学装置4的焦距F。这样，照明光学装置2设置为蜂巢状聚光器系统，使光调制器7、34、35、36能够极好地、均匀地照明。圆柱体透镜阵列50、51优选设置成相互相对旋转90°，这样允许需要的矩形纵横比(优选的是光调制的成像区域的纵横比)的调节。当然，也可以提供仅仅一个透镜阵列或者串联透镜阵列9(未示出)，代替所述两个串联圆柱体透镜阵列，这个透镜阵列包括排列成行和列的透镜并且设置为，具体说，该单个的透镜阵列具有与所说的串联圆柱体透镜阵列50、51相同的光学效果。

Claims

1.用于投影多色彩图像的投影装置，包括发射不同颜色光的光源单元(1)，光调制器单元(7、34、35、36)，设置在该光源单元(1)和该光调制器单元(7、34、35、36)之间并且将来自光源单元(1)的光引导到该光调制器单元(7、34、35、36)上的照明光学装置(2)，设置在光调制器单元(7，34，35，36)之后的投影光学系统(8、41)，所述投影光学系统(8，41)将由光调制器单元(7、34、35、36)产生的图像投影到投影面(9、42)上，其特征在于该光源单元(1)包括作为产生光的元件的发光二极管。

2.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于该发光二极管设置为阵列。

3.如上述任何一项权利要求中所述的投影装置，其特征在于该光源单元(1)包括在其上设置有发射不同颜色光的发光二极管的阵列。

4.如上述任何一项权利要求中所述的投影装置，其特征在于设置有控制单元，该控制单元具有这样效果：在所有情况下仅仅来自某些发光二极管的光被用于光调制器单元(7、34、35、36)的照明。

5.如权利要求4所述的投影装置，其特征在于该发光二极管相对于照明光学装置(7、34、35、36)是可移动的。

6.如权利要求5所述的投影装置，其特征在于该发光二极管设置在可转动的承载板(200)上。

7.如权利要求4的投影装置，其特征在于该在发光二极管和该照明光学装置(2)之间设置有受控制单元控制的偏转单元，该偏转单元随着时间变化将来自发光二极管的光耦合进照明光学装置(2)中。

8.如上述任何一项权利要求中所述的投影装置，其特征在于该光源单元(1)包括两个光传播方向相同的发光二极管阵列(10、11)，从光传播方向看，所述发光二极管阵列(10、11)排列在彼此后面，并且成像光学装置(12)设置在所述两个阵列(10、11)之间，所述成像光学装置(12)把在第二阵列(11)的发光二极管之间的第一阵列(10)的发光二极管成像。

9.如权利要求8所述的投影装置，其特征在于该第二阵列(11)的发光二极管连接于承载板上，该承载板在发光二极管之间具有用于来自第一阵列(10)的发光二极管的光的通孔。

10.如上述任何一项权利要求中所述的投影装置，其特征在于该光源单元(1)包括至少两个发射不同颜色光的发光二极管光源，并且在该照明光学装置(2)中包括组合单元(16)，它把来自发光二极管光源的光导引至通向光调制器(7)的共同光路。

11.如权利要求1到8中任何一项中所述的投影装置，其特征在于该光源单元(1)包括至少两个发射不同颜色光的发光二极管光源(25、26、27)，并且该光调制器单元包含用于每个发光二极管光源(25、26、27)的光调制器(34、35、36)，来自相应的发光二极管光源(25、26、27)的光被引导至所述光调制器(34、35、36)，在投影光学系统(41)和光调制器(34、35、36)之间设置有组合单元(37)，它导引来自光调制器(34、35、36)的已调制光进入通向投影光学系统(41)的共同光路。

12.如上述任何一项权利要求中所述的投影装置，其特征在于该光调制器单元包括至少一个透射的光调制器。

13.如上述任何一条权利要求中所述的投影装置，其特征在于该照明光学装置包括第一透镜阵列和随后设置的具有正折射能力的光学装置。