CN1890984A - 用于降低的聚光本领(etendue)的彩色视频投影系统的有效的照明系统 - Google Patents

Abstract

一种照明系统装备有至少一个第一反射装置，该第一反射装置具有在弧光灯的弧面处的第一焦点。该反射装置的第二焦点位于复合抛物形聚光器(CPC)的输入端处。CPC光学地与光学积分器耦合。射出光学积分器的光可被用于低聚光本领的投影系统中。

Description

用于降低的聚光本领(etendue)的 彩色视频投影系统的有效的照明系统

相关申请

本申请是申请号为No.10/150,527的“SINGLE-PATH COLOR VIDEOPROJECTION SYSTEMS EMPLOYING REFLECTIVE LIQUID CRYSTALDISPLAY DEVICES(使用反射式液晶显示装置的单通道彩色视频投影系统)”的继续申请。

联邦资助的研究或开发

不适用

技术领域

本发明涉及彩色视频投影系统，并且更特别地涉及适用于具有低聚光本领(etendue)的这样的系统中的照明系统。

发明背景

为了诸如指导销售示范、商务会议、课堂训练的目的和为了用于家庭影院，多媒体投影系统已经变得流行。在典型的操作中，多媒体投影系统从视频单元中接收模拟视频信号，并将该视频信号转换为数字信息，以控制一个或多个数字驱动的光阀。根据特定的投影系统的成本、亮度和图像质量目标，光阀可以有各种尺寸和分辨率，可以是透射的或反射的，并且可被用在单个或多个光路配置中。(在下文中，投影系统也可被称为“投影仪”。)

已经通过使用反射式光阀实现了多媒体投影仪特性的优化集合，这些反射式光阀光学装置的最普通的类型是偏转镜阵列和反射液晶光阀。偏转镜阵列是非常有效的反射器，这些偏转镜阵列并不需要起偏器用于操作。然而，这些偏转镜阵列相当昂贵，需要轴外照明，并且经常使用诸如专用棱镜之类的不常用的光学元件，以补偿所生成的轴外光路角(off-axis light path angle)。

反射液晶光阀一般在硅衬底上制作，并且因此被称为硅上液晶(“LCOS”)光阀。这些反射液晶光阀比反射镜装置便宜很多，但是需要专用起偏器来操作，这导致相当大的光传输损耗。

基于LCOS光阀的投影仪结构使用线性偏振光敏装置，用于从任意偏振的光源中接收光、将光反射离开光阀、并且根据其偏振方向或状态重定向所反射的光(或者通过投影透镜输出或者朝向光源返回)。光的偏振状态由被涂敷到光阀的电子图像图案来确定。

有几种用于使用LCOS光阀的不同的光学结构。一种变型是为每个基色(红、蓝和绿)光提供独立的通道的多通道光学结构。不同的彩色光通过一系列偏振分光器、滤光器和波片被发送到颜色特定的反射LCOS光阀。光学分割多色光，以给三条路径中的每条路径提供与其相关联的彩色光。在每条路径中所设置的光阀利用其相应的彩色数据来调制。随后，单独的路径被重组为会聚投影的彩色图像。另一种变型是典型地包括基于色轮的帧连续的彩色(“FSC”，frame-sequentialcolor)光学装置的单通道多媒体投影仪。在这种装置中，由光源所发射的多色光线通过色轮的滤色镜段来定向。得到的FSC光沿着将单个光阀彩色分时的单条光路行进。

多通道光学结构通常提供与单通道结构相比增强的图像亮度。图像亮度也是从灯中收集到的光量和色彩效率的函数，该色彩效率通常低于单通道结构。然而，通常优选单通道结构，因为得到的系统往往重量更轻、成本更低并且尺寸更紧凑。如果由灯(光源)所产生的光能够有效地被收集并且通过为了低的聚光本领而优化的光学组件来传播，则所有这些因素能够进一步被改善，这使得能够使用减小尺寸的光学组件。

图1-3进一步详细地说明了这些问题。特别地，图1示出了与单通道结构多媒体投影系统结合使用的现有技术的传统光源100。该光源包括被设置在椭圆反射器102的焦点处的弧光灯101。由弧光灯101所发射的多色光线由椭圆反射器102会聚，以沿着光轴106通过色轮103的滤色镜段和光学积分器104传播。色轮103一般包括R、G、B和淡紫色滤色镜段。因为来自弧光灯101的光典型地呈绿色(红色不足)，淡紫色(非白色)滤色镜段为多媒体投影仪生成更精确的白色点和整个色域。在某些多媒体投影仪中，用其它类型的彩色调制器取代色轮103，该其它类型的彩色调制器诸如基于液晶的彩色转换器。对具有多通道型结构的投影仪来说，不使用彩色调制器，并且多色光直接通过图像投影光学系统来传播。在FSC光穿过色轮103(单通道结构)之后，在该FSC光进入图像投影系统105的剩余组件之前，该FSC光穿过光学积分器。光学积分器104一般是具有被弄成方形的平的入口端104a和出口端104b的拉长的隧道型积分器。

照明系统的功能目的之一是输出大量的光能。然而，所发射的光能既受光源的物理尺寸的限制，又受下游光学组件可接受的光量的限制。光学组件可接受的光量是其面积和光通量吞吐量(throughput)的函数，或者是聚光本领的函数。几何实体(聚光本领E)被定义为光束的横截面面积与射束的发散角的乘积。聚光本领也被称为几何程度(geometric extent)。

参考图2，聚光本领E是由方程式1数学表示的几何实体：

$E=\∫\∫\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\mathrm{dAd\Ω}=\mathrm{A\Ω}=\mathrm{A\π}{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\mathrm{A\π}}{4{(f/\#)}^2},$ 方程式1

其中，Ω限定通过横截面面积A发散的锥形光束201。

因为在光学系统中如果没有光通量的相应减少则聚光本领不能被减少，所以该聚光本领是很重要的。该聚光本领在来自诸如光源100的光源的光通量的有效收集中是特别重要的，对整个光学系统来说，这有效地建立了聚光本领的下限。

使用如图1中图解说明的单个同轴椭圆反射器或使用同轴抛物面反射器(未示出)的照明系统具有降低光的聚光本领的“在角度上放大(magnification-over-angle)”的本质变化，从而降低来自照明源的输出。

图3示出了对传统的锥形反射器装置的这种基本限制的一个所尝试的解决方案。特别地，光源301使用了具有第一焦点302和第二焦点307的双抛物面反射器305。光线由其弧面位于双抛物面反射器305的第一焦点302处的弧光灯304产生。弧光灯304还在其远离双抛物面反射器305的表面上包括反射镜涂膜303，以将光线306通过弧面反射回去，以与光线结合并进一步强化光线。这种光源301在期望的聚光本领(小于7mm²·sr)的情况下实现了适当的光收集效率(大于大约40％)。然而，这种光源的缺点是第二反射的离开角太陡而不能由下游的光学组件完全利用。这种漫射光降低了照明系统的效率。

因此，仍然需要的是在小的聚光本领的情况下实现适当的光收集效率的照明系统。这样的照明系统将有利于设计一种紧凑的、轻便的、和/或不引人注意的多媒体投影系统，该多媒体投影系统优选地以相对低的成本实现明亮的和/或高质量投影的图像。

附图简述

图1是使用标准锥形反射器的现有技术的多媒体投影仪系统的简化图示的平面图。

图2是限定光线束的聚光本领的参数的简化图示的表示。

图3是结合双抛物面反射器使用轴外弧光灯的现有技术的多媒体投影仪系统的简化图示的平面图。

图4是按照本发明的一个实施方式的轴外弧光灯的简化图示的平面图，该轴外弧光灯与被优化用于具有小的聚光本领的多媒体投影系统的双抛物面反射器一起使用。

图5是表示通过诸如在图4中所示出的复合抛物形聚光器的光线追踪的简化图示的横截面图。

图6是本发明的另一个实施方式的光源的简化图示的平面图，该平面图按照一个实施方式示出将来自双弧光灯的光线通过复合抛物形聚光器、光积分隧道(light-integrating tunnel)和色轮反射离相关联的反射器，用于改善中小的聚光本领的情况下的光学系统的照明效率。

图7是光源的简化图示的平面图，该平面图按照一个实施方式示出将来自双弧光灯的光线通过复合抛物形聚光器、准直透镜和双蝇眼透镜积分器反射离相关联的反射器。

图8是按照一个实施方式示出与包括图像投影光学系统和照明子系统的投影装置耦合的视频单元的视频投影系统的简化图示的平面图。

本发明实施方式详述

本发明包括但不限于实现用于具有小的聚光本领的多媒体投影系统中的适当的光收集效率的照明系统。本发明的设计和优点将通过在下文中给出的各种实施方式的详细描述而变得显而易见。然而，应理解的是，详细描述和特定的实例仅通过图解说明来给出，而不是限制性的。对本领域的技术人员来说，本发明范围内的各种修改将通过各种实施方式的详细描述而变得显而易见。

在此所描述的实施方式的设计和优点适用于使用各种反射或透射光阀类型以及基于棱镜和不基于棱镜的光路结构中的任何一种结构的单通道和多通道光学结构。特别地，明显的优点在降低的聚光本领的彩色视频投影系统中被实现。

图4示出了本发明的实施方式。为了优化低聚光本领系统401的效率，图3的照明系统有利地与一种新颖的两步过程结合用于聚集和结合来自光源的光线。复合抛物形聚光器(“CPC”)402以输入端402a被放置在双抛物面反射器305的第二焦点307处。参考图5，光线可以在宽范围的接受角度(例如，高达90°)501上进入CPC 502，但是可以具有很少量反射的相对小且恒定的出射角(例如，30°或更小)505射出。光从CPC的输出402b随后穿过光学积分器404。这个实施方式中所使用的光学积分器404是具有输入孔404a和输出孔404b的固态玻璃光积分隧道。光积分隧道404通过全内反射运行，而且可以具有锥形横截面，以适于特定的应用。输入孔404a可以包括镜面。输出孔404b可以具有与“下游”光阀(未示出)的长宽比匹配的长宽比。尽管这个实施方式描述了玻璃棒积分器，本发明的其它实施方式仍可以使用一射出积分器就提供基本上均匀的光分布的双蝇眼透镜积分器或任何其它充分有效的积分装置。

在各种实施方式中，光学积分器404b的出口孔径具有提供与传统的显示标准兼容的投影显示格式的横截面长宽比。显示标准的一些实例包括SVGA(高级视频图形阵列)、XGA(扩展图形阵列)、SXGA(高级XGA)、UXGA(超级XGA)和WUXGA(宽屏幕超级XGA)。这些显示标准通常是分辨率、以比特为单位测量的色深度和以赫兹为单位测量的刷新率的组合。SVGA、XGA和UXGA都具有4∶3的长宽比；即图像宽度与高度之间的比例为4∶3。SXGA的长宽比是5∶4，而WUXGA的长宽比是16∶10。

射出输出孔404b的、基本上均匀分布的光通过光学色轮403传播，并进入图像投影光学系统405、诸如(但不限于)上面所讨论的单通道或多通道光学结构的光学系统。

图4的照明系统是有利的，因为该照明系统在小的聚光本领的情况下提供了增强的光收集效率，这允许适当快速的光学系统同时使用更小的并因此成本更低的光学组件、最特别的色轮、透反射式(transflective)偏振分束器、LCD(例如，可以使用1.27厘米(0.5英寸)的LCD)和投影透镜。小的光学组件特别地可用于制造紧凑的、轻便的便携式投影仪。

图6示出了本发明的另一个实施方式。这个实施方式克服了另外的现有技术的限制、即弧面的1∶1成像，该弧面的1∶1成像在一个方向上被限制到±90°角而在正交的方向上被限制到±45°角。此外，这个实施方式为光学系统提供改善的亮度、照明均匀性和照明效率，该光学系统包括那些具有小聚光本领和/或使用限制聚光本领的、限制尺寸的光学组件。对于本实施方式来说，光源601使用两个弧光灯602和613以及相关联的反射器系统604和615，这两个反射器系统604和615以90°角偏移并且被如此放置，以致其第二焦点重合608。这种布置使两个弧光灯图像在第二焦点处重叠，并且在两个正交的轴提供±90°的角度分布607。

特别地，光源601使用第一和第二自由形状的、双椭面或者优选的双抛物面反射器604和615，所述双抛物面反射器604和615具有相应的第一焦点603和614并且具有重合的第二焦点608。光线606由其弧面位于双抛物面反射器604的第一焦点603处的第一弧光灯602来产生。同样，光线612由其弧面位于双抛物面反射器615的第一焦点614处的第二弧光灯613来产生。

第一和第二弧光灯602和613也可以在它们远离相关反射器604和615的表面上包括反射镜涂膜，以将光线606和612通过相应的弧面反射回去，以结合光线606和612并进一步强化光线606和612。然而，可替换地或额外地，反射镜涂膜被设置给邻近各自的第一和第二弧光灯602和613放置的第一和第二球面反射器605和611。

如上述所提及的那样，第一和第二反射器604和615基本上偏移大约90°的偏置角607，该偏置角607是从第二焦点608延伸至第一焦点603和614的虚线之间的角度。

光源601还包括二级光线角度变换和积分系统。第一级包括CPC、诸如CPC 402(图4和5)，该CPC将弧面图像的基本上±90°的角度分布例如转换为具有非常低数量的必需反射的基本上±30°的光线角度分布。第二级包括具有输入孔404a和输出孔404b的固态玻璃光积分隧道404。光积分隧道404通过全内反射运行，而且可以具有锥形横截面积以适合特定的应用。输入孔404a可以包括镜面。输出孔404b可以具有与“下游”光阀(未示出)的长宽比匹配的长宽比。

射出输出孔404b的、均匀分布的光通过可选的色轮403传播，并进入图像投影光学系统405、诸如(但不限于)上述投影光学系统。如上所述，如果图像投影光学系统基于多通道光学结构，则色轮可以不是必需的。在那种情况下，射出光积分隧道404的多色光将直接被传播到图像投影光学系统405中。

表1-7示出了用于一个实施方式的组件参数，并附有光源601的所计算出的光学系统参数。

表1

弧光灯602和613的弧面尺寸

弧长        1mm

弧宽        0.6mm

表2

CPC 402输入处的弧面图像参数

射线宽度角    90°

射线高度角    90°

宽度          1.5mm

高度          1mm

面积          1.5mm²

聚光本领      4.712389mm²·sr

表3

CPC 402的输出参数

射线宽度角    30°

射线高度角    30°

宽度          3mm

高度          2mm

面积          6mm²

聚光本领      4.712389mm²·sr

表4

CPC 402的输出面积与积分器404的输入面积的比率

积分器的输入面积        30.16128mm²

CPC的输出面积           6mm²

比率                    5.026881

表5

积分器404的输入参数

锥角                    30°

聚光本领                23.68862mm²·sr

输入孔面积              30.16128mm²

输入对角线              7.926917mm

输入宽度                6.341533mm

输入高度                4.75615mm

表6

积分器404的输出参数

锥角                    26.5°

聚光本领                23.68862mm²·sr

输出孔面积              37.87346mm²

输出对角线              8.88738mm

输出宽度                7.106191mm

输出高度                5.329643mm

表7

光阀照明参数

光阀对角线              17.78mm(0.7英寸)

照明溢出                7％

照明面积                173.729mm²

f/#                     2.4

照明角度                12.0247°

聚光本领                23.68862mm²·sr

因为CPC 402具有基本上±90°的接受角度，所以使用二级光线角度变换和积分系统是有利的，然而单独使用积分器隧道404将导致相当大的菲涅耳(Fresnel)损耗。CPC 402将角度降低到大约±30°，这与光积分器隧道404的接受角度是兼容。

因为二级光线角度变换和积分系统增加积分器输入孔面积与CPC输出面积的比率，从而增加了有效的再耦合的色彩效率，所以使用该二级光线角度变换和积分系统更加有利。

光学上组合多个灯通常增加了聚光本领。然而，因为光源601提供了两灯系统并同时维持了低的聚光本领，所以光源601是有利的。

两灯光源601另外的优点包括，增加的亮度和色彩均匀度、增加的系统故障之前的平均使用寿命、增加的可靠性、灯的选择和选择一个或两个灯来实现亮度变化的能力。

图7示出了本发明的另一种实施方式。在这种实施方式中，用第一和第二蝇眼透镜703和704替代了固态玻璃光积分隧道404。因为蝇眼透镜趋向于利用准直光更好地工作，所以将可选的准直透镜702放置在积分器之前。否则，本实施方式的图像投影的功能性基本上与图6的实施方式相同。

图8示出了本发明的另一种实施方式。在这种实施方式中，视频单元801将视频信号发送到投影装置803，该投影装置803包括图像投影光学系统405和照明子系统802。该照明子系统可以是在本发明的教导下所描述的各种实施方式中的任何一种。在一个实施方式中，图像投影光学系统405可以由反射式LCOS光阀光学装置组成。视频单元801可以包括个人计算机或膝上型计算机、数字通用光盘(DVD)、机顶盒(STB)、摄像机、录像机或者将视频信号发送到投影仪的任何其它适合的装置。

本发明的多媒体投影仪的优点包括但不限于比可替换的方法重量更轻、尺寸更小、成本更低和/或更容易的实施方案。本发明的投影仪重量更轻，部分是因为棱镜不是必需要求的，或者由于结合本发明的教导的光源使小聚光本领成为可能，可以使用许多更小的棱镜以获得相同的光传输效率。

而且，还可能有性能优势。因为透反射式偏振分束器和小的棱镜可以降低一般由大玻璃棱镜内的剩余或热诱发的应力引起的双折射的产生，所以本发明的投影仪可以提供更高的图像对比度。最后，本发明的实施方式能够实施具有更快的f/#的光学投影仪，导致可能更高的发光效率和屏幕上的更多流明(亮度)。这是可能的，因为在小的聚光本领的情况下光线收集效率更高。例如，受光学涂膜限制的现有的玻璃棱镜被设计为大约f/2.5。然而，结合本发明的教导的小聚光本领的投影系统可以使用大约f/2.0的棱镜。

熟练的技术人员将认识到，本发明的各种其它部分可以不同于上面所描述的用于优选的实施方式的实施方案来实施。例如，可以用较小的光学通道变型和添加物来校正散光、色差和其它光学失真。还有，波长范围、滤光镜、波片和其它光学组件可以使用适合特定显示(诸如背投、更高分辨率、仅有视频和娱乐应用)的多种特性、安放位置、间距、尺寸和长宽比。可以使用UV和/或IR滤光镜，以保护组件不受热和辐射的伤害。光源和照明系统实施方式可与多通道光学结构以及与所示出和说明的单通道系统一起使用。光源601还能够通过在一个方向上将CPC 402的输出尺寸降低到二分之一来针对单灯系统优化。这使得能够使用甚至更小的光学组件和光阀。光源601还能够被配置来利用两个以上的灯运行。最后，单通道实施方式参考G、R、B和紫色来描述，但是本发明的实施方式可以容易地适应于单色、灰度等级和其它颜色系统。

在不脱离其基本原理的情况下，还可以对本发明的上述实施方式的细节做许多其它的改变。因此，本发明的范围将仅由随后的权利要求确定。

Claims (21)

1、一种光源设备，其包括：

第一反射装置，具有第一和第二焦点；

第二反射装置，具有第三和第四焦点，该第二焦点和第四焦点基本上重合；

第一弧面，该第一弧面被放置在大约第一焦点处并且适于产生第一光线；并且

第二弧面，该第二弧面被放置在大约第三焦点处并且适于产生第二光线。

2、如权利要求1所述的设备，还包括：

复合抛物形聚光器(CPC)，其具有输入端和输出端，该输入端位于大约第二焦点和第四焦点处并且适于在第一角度范围上接收第一和第二光线，而该输出端适于在小于第一范围的第二角度范围上发射第一和第二光线。

3、如权利要求2所述的设备，其中，所述第一和第二光线以小于大约7mm²·sr的聚光本领射出CPC。

4、如权利要求2所述的设备，其中，所述第一角度范围在0°与90°之间，而所述第二角度范围在0°与大约30°之间。

5、如权利要求2所述的设备，还包括：

光学积分器，其具有

输入孔，该输入孔适于从CPC的输出端接收第一和第二光线，和

输出孔，该输出孔适于以基本上均匀的亮度发射第一和第二光线。

6、如权利要求5所述的设备，其中，所述光学积分器包括玻璃棒积分器。

7、如权利要求6所述的设备，其中，所述玻璃棒积分器是锥形的，以致所述输入端的横截面面积小于所述输出端的横截面面积。

8、如权利要求1所述的设备，其中，所述第一和第二反射装置是相对放置的，以致通过所述第一和第二焦点的线与通过所述第三和第四焦点的线相交成大约90°角。

9、如权利要求1所述的设备，还包括第一和第二基本上为球形的反射器，这两个反射器邻近相应的第一和第二弧面来放置，并且适于接收相应的第一和第二光线的部分光线并通过相应的第一和第二弧面将该部分光线反射回。

10、如权利要求9所述的设备，其中，所述第一和第二基本上为球形的反射器包括反射镜涂膜。

11、如权利要求1所述的设备，其中，所述第一和第二反射装置中的每一个都包括由自由形状的反射器、双椭面反射器和双抛物面反射器所组成的组中所选择的一个。

12、一种用于提供照明的方法，其包括：

从被放置在第一反射装置的第一焦点处的第一弧面生成第一光线；

将该第一光线反射到该第一反射装置的第二焦点；

从被放置在第二反射装置的第三焦点处的第二弧面生成第二光线；并且

将该第二光线反射到该第二反射装置的第四焦点，该第四焦点与该第二焦点基本上重合；

13、如权利要求12所述的方法，还包括：

在所述第二和第四焦点处，利用复合抛物形聚光器(CPC)的输入端在第一角度范围上接收所述第一和第二光线；并且

利用CPC的输出端在小于第一角度范围的第二角度范围上发射所述第一和第二光线。

14、如权利要求12所述的方法，还包括：

利用邻近所述第一弧面的第一球形反射器，将一部分第一光线通过所述第一弧面并朝向所述第一反射装置反射回；并且

利用邻近所述第二弧面的第二球形反射器，将一部分第二光线通过所述第二弧面并朝向所述第二反射装置反射回。

15、如权利要求12所述的方法，其中，所述第一和第二反射装置中的每一个都包括由自由形状的反射器、双椭面反射器和双抛物面反射器组成的组中所选的一个。

16、一种系统，其包括：

视频单元，具有输出视频信号；和

投影装置，与视频单元耦合，以接收视频信号并投影视频，该投影装置包括：

照明子系统，该照明子系统包括

具有第一和第二焦点的第一反射装置；

具有第三和第四焦点的第二反射装置，该第二和第四焦点基本上重合；

第一弧面，该第一弧面被放置在大约第一焦点处并且适于产生第一光线；并且

第二弧面，该第二弧面被放置在大约第三焦点处并且适于产生第二光线；

光阀，该光阀光学地被耦合到该照明子系统；和

投影透镜，该投影透镜光学地被连接到反射式光阀光学装置。

17、如权利要求16所述的系统，其中，视频单元是由DVD、摄像机和机顶盒所组成的组中所选择的一个。

18、如权利要求16所述的系统，其中，照明子系统还包括：

复合抛物形聚光器(CPC)，其具有输入端和输出端，该输入端位于大约所述第二和第四焦点处并且适于在第一角度范围上接收所述第一和第二光线，而该输出端适于在小于第一范围的第二角度范围上发射所述第一和第二光线。

19、如权利要求18所述的系统，其中，所述照明子系统还包括：

光学积分器，该光学积分器具有

输入孔，该输入孔适于从CPC的输出端中接收所述第一和第二光线，和

输出孔，该输出孔适于以基本上均匀的亮度来发射所述第一和第二光线。

20、如权利要求16所述的系统，其中，所述第一和第二反射装置是相对放置的，以致通过所述第一和第二焦点的线与通过所述第三和第四焦点的线相交成大约90°角。

21、如权利要求16所述的系统，其中，所述光阀包括硅上液晶(LCOS)光阀。

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