CN1837893A - 用于投影仪的成像系统和对应的投影仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于投影仪(2)的成像系统，其包括：照明源(200)，其产生由若干种颜色构成的、称为白色光束的照明光束(201)；至少一个色轮(202)，用于将聚焦在所述色轮上的所述白色光束转变成按颜色排序的光束；积分仪导向器(204)；和成像器(206)。根据本发明，该系统在所述色轮和所述积分仪导向器之间包括至少一个准直透镜(2030、2031)。本发明还涉及具有所述系统的投影仪。

Description

用于投影仪的成像系统和对应的投影仪
技术领域
本发明涉及图像投影领域。具体而言，本发明涉及正投影类型的视频投影仪或者背向投影仪(rear projector)中的成像系统或用于成像器的照明系统。
背景技术
根据技术背景，如图1所示，照明系统10被用来对长16mm、宽10mm的透射LCD型成像器11进行照明。
常规的，照明系统10包括：
-具有椭圆形反射器的照明源100；
-色轮107；
-矩形导向器102，其长为4cm左右，横截面小于成像器11的横截面的0.5倍；以及
-由若干中继透镜103至105构成的系统。
照明源100用光束101照射位于矩形导向器102的入口处、照明源100的椭圆形反射器的焦点上的色轮107。矩形导向器102用来将照明光束的圆形横截面转换成矩形横截面，并使光束在空间上均匀。该系统例如为2000年7月14日公开的CANON KK公司的专利文件JP2000-193911中所述的系统。
导向器102的输出通过由至少两个而经常为三个或四个中继透镜构成的系统被成像在成像器11上，其中照明优选是远心的(telecentric)。
如果成像器11是DMD类型(来自得州仪器公司的“数字微镜器件”)的，则在照明系统10和成像器11之间设置一TIR棱镜，以便分光。如果成像器11是透射LCD类型(“液晶显示器”)的，则TIR棱镜不是必需的，或者如果成像器11是LCOS类型(“硅上液晶”)的，则该棱镜可以用PBS替代。
本领域技术目前存在的主要缺陷在于光学部件的数量(通常为一个导向器和至少两个中继透镜)以及/或者它们(透镜或棱镜)的尺寸。
发明内容
本发明目的在于缓解现有技术中的这些缺陷。
具体而言，本发明的目的是简化图像投影仪中的照明系统的结构。
为此，本发明提出了一种用于投影仪的成像系统，其包括：
-照明源，其产生由若干种颜色构成的、称为白色光束的照明光束；
-至少一个色轮，用于将聚焦在所述色轮上的所述白色光束转变成按颜色排序的光束；
-积分仪导向器(integrator guide)；
-成像器，
所述系统的特点在于其在所述色轮和所述积分仪导向器之间包括至少一个准直透镜。
优选，所述成像器设置在所述导向器之后，而在所述导向器和所述成像器之间没有中继透镜。
根据一具体特性，所述成像器是反射型的，并且该系统在所述导向器的出口和所述成像器之间包括一棱镜。
根据一优选特性，所述棱镜设置成紧接在所述导向器的出口之后。
根据一具体特性，所述成像器是DMD成像器，并且所述棱镜是非偏振分光的全内反射棱镜。
根据另一特性，所述成像器是LCOS成像器，并且所述棱镜是偏振分光棱镜。
根据另一特性，所述成像器是透射型的，并且设置成紧接在所述导向器之后。
根据一优选特性，所述准直透镜包括至少一个凸表面。
优选地，所述系统在所述色轮和所述导向器之间包括单个透镜。
优选，所述导向器的长度大于一定值，使得所述导向器的出口处的照明基本上均匀。
优选地，所述导向器的光学长度大于或等于6cm，更优选地是大于或等于8cm。
根据一优选特性，所述导向器的横截面大于或等于所述成像器的横截面的0.6倍，而小于或等于所述成像器的横截面的0.9倍。
本发明还涉及包括上述根据本发明的系统和投影物镜的投影仪。
附图说明
通过阅读以下结合附图做出的描述，可以更好地理解本发明，而且其它的特征和优点也会变得显而易见。所述附图中：
图1示出了本身已知的照明系统；
图2是根据本发明的投影仪的一个非常示意性的图示；
图3示出了在图2所示投影仪中实现的照明系统；
图4示出了图3所示照明系统的棱镜；
图5示出了在图2所示投影仪的成像器平面中的照明光束强度；
图6示出了根据本发明的变形、实现LCOS的照明系统；
图7示出了根据本发明的变形、实现反射型LCD的照明系统。
具体实施方式
本发明使得可以将中继透镜配置在导向器的出口处，以减小靠近成像器的光学元件(具体而言为棱镜)的尺寸，从而减小用于投影仪的照明系统的成本。例如，设置在LCOS成像器前方的PBS棱镜(或“偏振分光器”)可以比根据现有技术得到的更小，因为根据现有技术的中继透镜必须是远心的，因此对于反射型成像器而言必须尺寸较大。此外，机械结构以及组装的简化可以降低制造成本。
图2是根据本发明第一实施例的背向投影仪2的非常示意性的图示。
投影仪2包括：
-照明成像器208的照明系统20(整体形成一成像系统)；
-接收由照明系统20产生的照明光束26并产生光束25的物镜21；
-用光束25照明的背向投影屏幕24；和
-使光束25折返从而使得可以减小投影仪2的深度P的两个折返反射镜22和23。
物镜21、反射镜22和23及屏幕24，以及它们的布置都是本领域技术人员所公知的，在此不再详细说明。
图3详细示出了在平面xy内照明系统20对成像器208的照明，其中包括：
-具有椭圆形反射器的照明源200，所述椭圆形反射器表现出大约30°的聚焦度(degree of focusing)；
-色轮202；
-一组准直透镜2030和2031；
-具有反射外表面(除了入口2041和出口2042)的中空矩形导向器204；和
-TIR棱镜205。
成像器208是反射型DMD类型(来自得州仪器公司的“数字微镜器件”)的，并且例如长为16mm，宽10mm。当其被照明光束207照明时，其产生成像光束26(对应于黑色像素的未被使用的光束部分用虚线表示)。
照明源200用光束201照明设置在照明源200的椭圆形反射器的焦点处的色轮202。
光束201也聚焦在色轮202上。
透镜2030和2031优选尺寸较小，从而可以降低成本。它们的横截面优选略微大于导向器204的横截面，以便确保机械保持力(例如，它们的直径比导向器的对角线大2mm)。
矩形导向器204用于将照明光束的圆横截面转换成矩形横截面，并使该光束空间上均匀。其长度为8cm左右。其尺寸适应于成像器208的尺寸以及源200的聚焦度，以便以基本上均匀的方式照明成像器208。通常，矩形导向器的长度至少为现有技术中的长度的两倍，以便获得具有良好均匀性的用于照明成像器的光束207。具体而言，照明光束201的光线的角度一般小于现有技术中的角度。优选，导向器的长度和横截面适应于成像器208的尺寸以及源200的聚焦度。优选，导向器204的长度大于或等于6cm，更优选为8cm。
根据本发明的变形，导向器204是实心的，其由具有反射外表面的透明材料构成。其长度取决于材料的折射率n。一般，所述长度对应于折射率与中空导向器的长度的乘积。因此，对于折射率n等于1.5的情况，其长度优选等于9cm(即6×1.5cm)，更优选为12cm(即8cm×1.5)。
根据图3所示模式，或者根据变型，优选导向器204的横截面在成像器208的横截面S的0.6和0.9倍之间(0.6S≤s≤0.9S)。更优选的是，导向器204的横截面s在成像器208的横截面S的0.7和0.9倍之间(0.7S≤s≤0.9S)
透镜2030和2031优选是平凸或双凸的，使得可以在导向器204中获得准远心的光线，优选最大射束孔径小于或等于12°。更优选的是，最大射束孔径小于或等于物镜的孔径。透镜2030和2031使得不必(象现有技术中一样)在导向器204的出口处设置中继透镜。它们的功能实质上是基本准直通过入口2041进入导向器204的光束。此外，TIR棱镜205优选设置成紧接在导向器204的出口2042之后，并且优选邻接出口2042，以便防止照明光束在导向器204和棱镜205之间扩散，由此造成效率损失。这同时也使得可以减小照明系统的比例，有利于其制造。
TIR棱镜205尤其可以防止由反射型DMD产生的成像光束返回导向器204。
因此，在导向器204和棱镜205之间没有中继透镜，从而可以降低成本和减小导向器出口处的TIR棱镜的尺寸。此外，根据本发明的系统的构造还使得可以相对于现有技术中所使用的TIR棱镜，减小TIR棱镜的尺寸。
根据本发明的变型，两个透镜2030和2031用单个准直透镜替代，该准直透镜是双凸或者平凸的，其提供相同的准直功能。
根据另一个变形实施例，两个准直透镜2030和2031用至少三个准直透镜(例如，三个、四个等)来替代。
图4示出了空间xyz中棱镜205的透视图。
具体地说，棱镜205具有高度h(沿y轴)和宽度l(沿z轴)，它们分别大于导向器204的出口2042的高度和宽度，使得从导向器204出射的所有光通量都进入棱镜205，并且在分光表面上的反射以及随后在反射镜206上的反射都基本上没有光通量损失。
另外，棱镜205具有深度p(沿x轴)。
通过图示，根据一特定实施例，我们设想成像器206横截面S等于17.51mm×9.85mm，导向器204的横截面s等于11.38mm×6.40mm(则比例s/S为0.65)。我们还设想TIR棱镜的高度h等于45.50mm，深度p等于29.50mm，宽度l等于28.40mm。这些尺寸比现有技术的任何照明系统中使用的TIR小大约20％。
图5示出了成像器208的平面中光束207的光强。
因此，可以注意到，照明成像器的光通量非常均匀，分别对应于照度的70％和50％的区域51和52基本上为矩形，并且几乎与成像器208的表面重合。对应于90％的区域50也基本上为矩形，并且以成像器208为中心。
本发明所适用的成像器并不一定是透射型LCD(“液晶显示器”)类型的成像器，本发明可以与任何类型的成像器，尤其是DMD(来自得州仪器公司的“数字微镜器件”)或LCOS(“硅上液晶”)类型的。
图6示出了实现LCOS(“硅上液晶”)类型的成像器62。在LCOS的情况下，TIR棱镜用PBS 61(或“偏振分光器”)替代。
具体而言，系统60包括：
-照明源200；
-色轮202；
-一组准直透镜2030和2031；
-矩形导向器204；和
-PBS棱镜(偏振分光器)61。
系统20和60通用的元件使用相同名称和标号，以下不再描述。
LCOS成像器62具有例如16mm的长度和10mm的宽度。当其被照明光束64照射时，其产生成像光束63。被成像器62返回的成像光束63被PBS61的分光表面返回向物镜21。
导向器204的横截面s在成像器62的横截面S的0.6和0.9倍之间(0.6S≤s≤0.9S)。更优选的是，导向器204的横截面s在成像器62的横截面S的0.7和0.9倍之间(0.7S≤s≤0.9S)
PBS棱镜61设置成紧接在导向器204的出口2042之后，优选邻接导向器204的出口2042，以防止照明光束在导向器204和棱镜61之间扩散从而导致效率损失。
因此，在导向器204和棱镜61之间没有中继透镜，从而可以降低成本和减小导向器出口处的PBS棱镜的尺寸。此外，根据本发明的系统的构造还使得可以相对于现有技术减小PBS棱镜的尺寸。
图7示出了实现透射型LCD类型的成像器71的照明系统70。该实施例在导向器的出口处不包括任何棱镜。
具体而言，系统70包括：
-照明源200；
-色轮202；
-一组准直透镜2030和2031；和
-矩形导向器204。
系统20和70通用的元件具有相同的名称，并且以下将不再说明。
透射型LCD成像器71具有例如16mm的长度和10mm的宽度。当其被照明光束照射时，其产生成像光束72。
透射型LCD成像器71设置成紧接在导向器204的出口2042之后，优选邻接导向器204的出口2042，以防止照明光束在导向器204和成像器71之间扩散从而导致效率损失。
因此，在导向器204和成像器71之间没有中继透镜，从而可以降低系统的成本。
当然，本发明不限于上述实施例。
本发明与各种类型、尺寸和形状的成像器兼容。因此，本发明适用于用于任何类型的成像器并且具有用于成像器的正确操作所必需的适配装置的照明系统(例如TIR或PBS或任何其它适合的类型的棱镜)。
本发明还适用于除了具有透光色段的色轮以外的其它类型的滤色器。其尤其适用于根据反射模式使用色轮的情况，或者更一般地说，适用于适合于进行图像投影的色轮(具体而言，适用于用两个(或更多)色轮替代一个色轮的情况)。
根据一变形实施例，本发明还适用于在导向器的出口和成像器或棱镜之间，或者在棱镜和成像器之间设置其它光学元件的情况。
本发明类似地适用于任何类型的产生包括若干种颜色的光束(例如白色光束包括整个光谱或者简单地包括可见光谱种的一部分)、向一个或多个色轮上聚焦的光源，例如具有反射器的灯，LED(发光功率二极管)。从而，当色轮旋转时，包括若干种颜色的光束被转变成按颜色排序的光束。
此外，本发明适用于任何类型的实现上述照明系统的投影仪，特别是适用于实现成像器的正投影仪或背向投影仪(特别适用于透射型LCD、DMD或LCOS类型微显示器)。

Claims (14)

1.一种用于投影仪(2)的成像系统(20、60、70)，其包括：
照明源(200)，其产生由若干种颜色构成的、称为白色光束的照明光束(201)；
至少一个色轮(202)，用于将聚焦在所述色轮上的所述白色光束转变成按颜色排序的光束；
积分仪导向器(204)；
成像器(206、62、71)，
其特征在于，所述系统在所述色轮和所述积分仪导向器之间包括至少一个准直透镜(2030、2031)。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述成像器设置在所述导向器之后，而在所述导向器和所述成像器之间没有中继透镜。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述成像器(206、62)是反射型的，并且所述系统在所述导向器的出口和所述成像器之间包括一棱镜(205、61)。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述棱镜设置成紧接在所述导向器的出口之后。
5.如权利要求3或4所述的系统，其中，所述成像器(206)是DMD成像器，并且所述棱镜(205)是非偏振分光的全内反射棱镜。
6.如权利要求3或4所述的系统，其中，所述成像器(62)是LCOS成像器，并且所述棱镜(61)是偏振分光棱镜。
7.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述成像器(71)是透射型的，并且设置成紧接在所述导向器之后。
8.如权利要求1-7中任何一个所述的系统，其中，所述准直透镜(2030、2031)包括至少一个凸表面。
9.如权利要求1-8中任何一个所述的系统，其中，所述系统在所述色轮和所述导向器之间包括单个透镜。
10.如权利要求1-9中任何一个所述的系统，其中，所述导向器的长度大于一定值，使得所述导向器的出口处的照明基本上均匀。
11.如权利要求1-10中任何一个所述的系统，其中，所述导向器的光学长度大于或等于6cm。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述导向器的光学长度大于或等于8cm。
13.如权利要求1-12中任何一个所述的系统，其中，所述导向器的横截面大于或等于所述成像器的横截面的0.6倍，而小于或等于所述成像器的横截面的0.9倍。
14.一种投影仪(2)，其包括根据权利要求1-13中任何一个所述的系统(20、60、70)以及投影物镜(21)。
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