带光束均匀器的投影系统的制作方法

专利名称：带光束均匀器的投影系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及投影系统的照明。
背景技术：
在投影系统中，希望在不浪费光的情况下为像素化的矩形面板提
供几乎均匀的照明。Kohler照明系统使用大致为圆形的均匀光束的中 心矩形部分，因此浪费了大量的光。在Abbe照明中，光源中存在的 任何不均匀因素同样存在于图像中。如果在光路中引入另外的均匀器 元件(例如，扩散片、透镜阵列或隧道形光导)，那么这些元件可能 会对投影仪的尺寸、复杂性、造价和/或效率产生不良影响。

发明内容
本专利申请公开了 (特别是)包括聚光器和成像器门(imagergate) 的投影系统。聚光器包含聚光器物面、聚光器像面和聚光器后焦面。 成像器门优选地设置在聚光器后焦面和聚光器像面之间，并与这两个 面隔开。该系统通常还包括大致位于聚光器物面的光源，聚光器优选 地形成光源的弯曲图像，以使得成像器门处的光分布可以被优先模糊 化，或者使得在图像中央区域均匀化，而在图像的周边区域不那么模 糊。当光源具有扩展的外部轮廓，并且在外部轮廓上不均匀地发光(例 如，具有数量为两个或更多的一组LED晶粒(die)，这些LED晶粒紧 密布置在扩展的外部轮廓的界面范围内)时，这尤其有利。
本专利申请还公开了调制光束的方法。其中一些方法包括用聚
光器将光束聚焦到聚光器的像面上，并通过对设置在聚光器像面和聚 光器后焦面之间的成像器门处的光束进行空间调制以形成图像。成像
步骤可以包括对光束的各个部分在成像器门处的偏振进行可调控制。
本专利申请还公开了包括聚光器透镜和投影透镜的投影系统。聚 光器透镜具有聚光器像面和聚光器后焦面。投影透镜具有投影物面， 该平面设置在聚光器后焦面和聚光器像面之间，且与二者隔开。
本专利申请还公开了包括光源、聚光器和反射液晶面板的投影系 统。该聚光器具有聚光器物面、聚光器像面和聚光器后焦面，当光源 位于聚光器物面时，该聚光器会在聚光器像面上形成光源的图像。反 射液晶面板设置在聚光器后焦面和聚光器像面之间，并与这两个平面 隔开，并且优选地设置在与离聚光器后焦面的距离相比更接近聚光器 像面的位置。光源可以是发光二极管阵列或者包括发光二极管阵列。 聚光器可包括至少一个消球差透镜、至少一个菲涅耳透镜和至少一个 转像透镜，并且转像透镜可根据需要在偏振光分束器的表面上形成。
本专利申请的这些方面及其他方面从下面的详细描述中将显而易 见。然而，在任何情况下以上概述都不应理解为是对受权利要求书保 护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求的限定，在审査期间可以 对其进行修改。


图1为Kohler照明系统的示意图。
图2为Abbe照明系统的示意图。
图3为基本上没有场曲的照明系统的示意图。
图4为场曲较大的照明系统的示意图。
图5为照明系统的一个实施例的平面图。
图6为示出了将不均匀扩展光源转化为均匀照明光束的示意图。 在这些图中，类似的附图标号指定类似的元件。
具体实施例方式
投影系统对电视系统、会议室和剧院而言变得越来越普遍，人们 也在持续努力使其更小和更便宜。
在一类投影系统中，由光源发出的光经过聚光器集中后投射到像 素化面板上，如硅基液晶(LCOS)面板。光经过像素化面板反射之后 由投影透镜在远处的屏幕上成像。在这类投影系统中，与屏幕上可见 的图像相比，像素化面板通常很小，并且通常认为，理想情况下应使 用数量最少的元件将光源、聚光器、像素化面板和中间光学元件(不 包括投影透镜)定位在尽可能最小的空间内。
聚光器和投影透镜之间的关系会影响投影系统的性能。图1和2 示出了两种这样的关系，分别被称为Kohler照明系统和Abbe照明 系统。当用于投影系统时，这两种关系均有不足之处，下文将对此进 行详细描述。注意图1和2所示为透射的情况；本领域的普通技术 人员可以容易地对这些系统中的任何元件进行调整，以使其适合在透 射、反射或二者的组合中使用。
图1和图2有几个共同的元件，在区分Kohler照明系统和 Abbe照明系统之前，以通用的术语对这些元件进行描述是有益的。在 这些图中，有聚光器11和投影透镜17。为了便于读者理解，在图1 和图2的底部标注与聚光器有关的元件(编号为11到16)。相比 之下，在这些图的顶部标注与投影透镜有关的元件(元件17-19)。正 如下文进一步讨论的，适当设定投影元件(17-19)相对于聚光器元件 (11-16)的位置可使投影系统的光学性能达到最佳。
元件11为聚光器。为便于举例说明，将其绘制为简单的单片透 镜，但读者应当理解，它可以是一个或多个折射元件、反射元件和/或 衍射元件的组合。例如，聚光器11可包括消球差的复合透镜，意味 着该复合透镜不会对透射光束产生任何球面像差。聚光器11还可以 包括一个或多个微晶复制元件，例如，菲涅耳透镜。菲涅耳透镜一般
比对应的块状光学透镜更薄、更轻，因而可能是理想的。聚光器还可 以包括一个或多个转像透镜，以及一个或多个变形元件(如圆柱形表 面)，以使得聚光器沿垂直横向轴具有不同程度的放大。
注意，与投影透镜17 (—般有减小的波前像差)不同的是，聚光 器11可以可选地具有明显的波前像差，例如，球面像差、彗差、像 散、场曲、失真和/或色差。 一般来讲，聚光器11内存在的波前像差 可能不降低整个投影系统的性能。
无论聚光器11为单片透镜还是由折射元件、反射元件和/或衍射 元件构成的更加复杂的组合，均具有与其相关的三个轴向位置，这些
位置在图1和图2中全部以竖直虚线表示。有聚光器物面12和聚 光器像面14，各自所处的位置使得位于聚光器物面12处的物体在聚 光器像面14处形成近轴像。注意，聚光器11内可以存在可选的波 前像差，该像差会使聚光器实际成像失真，从而无需是完全的平面。 然而，这并不会影响聚光器像面14的位置，该位置为近轴量。此外， 还存在聚光器后焦面13。与这三个轴向位置相关的平面本质上都是近 轴的，因此也是精确平面，但读者应当理解，在实际的光学系统中(尤 其是在诸如本发明所公开的系统之类的广角系统中)，非近轴光线可 能起重要作用，并且实像面、物面和焦面可能会在远离光轴的横向位 置处明显偏离近轴平面，而在光轴上则会与各自的近轴平面重合。
光源15可以是或者包括任何合适的光源，例如，发光二极管 (LED)、 LED阵列、弧光灯、卤素灯、荧光灯、激光二极管的一个或 多个输出面和其他光源。尽管可以使用点光源，但光源15优选地具 有有限的空间范围。图1和图2示意性地示出了这一有限范围，在 该范围内，从光源中心发出的光线用实线示出，从光源15边缘发出 的光线则用虚线示出。示出的实线和虚线光束以相同的取向和相同的 锥角发射；这是许多光源的良好近似，其中光源的发射特性通常与光 源的空间位置无关。
元件11-16合在一起时，与聚光器子系统有关。
元件17-19形成投影子系统。成像器门18内容纳待成像的结 构，例如， 一块像素化面板或一张胶片。投影透镜17在屏幕19上 形成成像器门18内容纳的结构的图像。
成像器门18的命名具有历史原因；对于开盘式电影放映机而言， 相应结构被称为胶片门。当胶片转动通过放映机时，胶片门固定胶片， 并确保胶片的轴向位置位于投影透镜的物面上，但其自身一般不会在 屏幕上成像。类似地，成像器门18是框架、基底或将所关注的物体 固定到位的其他结构，例如，包含观众将看到的图像的像素化面板或 胶片。成像器门可以具有任何合适的形状和尺寸。对LCOS面板而言， 成像器门的空间范围与LCOS面板上的像素化区域的空间范围相同， 通常是以光轴为中心的基本上为矩形的区域，且纵横比为16:9或 4:3，但也可使用具有其他纵横比的矩形以及圆形以外的其他形状。
注意，聚光器将扩展光源15在聚光器像面上成像，并且限定图 像的像素化面板或胶片位于成像器门处。选择聚光器的放大率使得光 源的图像与像素化面板的尺寸基本上相同。这可以在两个垂直横向方 向中的任意一个方向上实现。因此，如果聚光器沿此横向方向具有相 同的放大率，则光源的形状优选地全等于成像器门的形状，例如，纵
横比为4:3或16:9的矩形。然而，如果聚光器变形，沿垂直横向方 向具有不同的放大率(例如，因圆柱形反射表面或折射表面所致)，
那么光源形状可以与成像器门形状具有不同的纵横比，具体取决于沿 垂直横向方向的相对放大率。当聚光器内部或光学系统的其他位置具 有一个或多个变形元件时，可能有利于将光源的形状和尺寸与像素化 面板的形状和尺寸相匹配。
投影透镜17也被示出为简单的单片透镜，但可以是一个或多个
折射元件、反射元件和/或衍射元件的组合。更常见的是，投影透镜17 具有多个折射元件，并通常为了波前像差而经过很好的校正。与聚光 器11类似，投影透镜17具有相关的投影物面和投影像面。在使用 过程中，成像器门18位于投影物面，屏幕19位于投影像面。由于
投影透镜17的放大率通常很大，因此可以轴向平移投影透镜17并 且保持成像器门18固定，从而使屏幕上的图像清晰。作为另外一种 选择，可以平移成像器门18，或者使投影透镜17和成像器门18相 对互相平移。投影透镜17还可具有可选的縮放能力，其实现方式通 常为以预定方式使一个或多个透镜元件相对于其他元件轴向平移； 这可改变放大率而不会明显改变焦距。 一般来讲，投影透镜17的波
前像差在投影仪的整个焦距范围和縮放范围内得到良好控制，以使得
成像器门18所固定的物体精确复制到屏幕19上。
例如，屏幕19可以是真实的屏幕(例如，电影院或会议室里的 屏幕)，并且可以与投影仪相连或不相连。作为另外一种选择，该屏 幕可以是虚拟屏幕(例如，耳机显示的虚拟屏幕)，在该屏幕的规定 空间位置形成虚像。
元件17-19合在一起时，形成投影子系统。
聚光器子系统和投影子系统之间的关系确定成像器门18处的照 明效果。更具体地讲，投影子系统相对于聚光器的轴向位置有助于确 定照明的效果。通常，比较理想的是，使成像器门18整个范围内的 照明尽可能地均匀，同时使浪费的光量降至最小。这两个约束条件通 常很难同时得到满足，正如将要对图1和图2所示照明方案进行描 述的那样。
图1示出了采用Kohler照明的光学系统10。在Kohler照明系 统中，成像器门18位于聚光器后焦面13处。可选的是，使得光源16 的图像与投影透镜的入瞳(未示出)重合。Kohler照明系统的一个理想特征是，成像器门18受到基本均匀 的照明。胶片门18上的每个点都接纳来自光源15上几乎每个位置 的光线。图1所示光线示意性地反映了这一点，在该图中，成像器门 18的顶部、中部和底部全部接纳光源15中心发出的光线(实线表示) 和边缘发出的光线(虚线表示)。
Kohler照明系统的一个不良特征是，在聚光器后焦面13处的均 匀照明的形状通常为圆形。(出现这种情况的原因是，由光源每一部 分发出的光线的锥面基本呈圆形对称，而与聚光器11的实际构造和 光源15自身的形状关系甚微。)像素化面板(或位于成像器门18处 的其他物体)通常不是圆形，而往往是纵横比为4:3或16:9的矩形， 例如，显示器或电视的情况。如果我们规定位于均匀照明的圆形区域 内的中央矩形部分，并将该矩形部分用于矩形成像器门18，那么就会 超出成像器门的填充范围，并浪费大量光能，在某些系统中，浪费的 光能可以为40%或更多。
图2示出了使用Abbe照明的光学系统20，这种照明也称为临 界照明。在Abbe照明中，成像器门18位于光源16自身的图像处。
Abbe照明的一个理想特征是，通过选择适当形状的光源15，可 以在不浪费大量光的情况下，为通常是矩形的成像器门18提供照明。 例如，如果成像器门18是具有具体纵横比的矩形，那么，使用纵横 比相同的矩形光源15为成像器门18提供照明不会超出填充范围， 前提条件是适当选择聚光器11的放大率。光源16的外部轮廓可以 定制为与成像器门18的外部轮廓相匹配，从而减小浪费的光能。
Abbe照明的一个不良特征是，光源15外部轮廓内的任何不均匀 因素都被直接传递到屏幕19上的图像。成像器门18处的空间照明 图案被直接叠加到像素化面板上，继而被精确地在屏幕19上成像。
如果光源15的一部分比另一部分更亮，那么成像器门18的一部分 所受到的照明就比另一部分多，同样，屏幕19上的图像的一部分看
起来也会比另一部分更亮。例如，如果光源15为LED晶粒或LED 阵列，其中具有合适的外部轮廓并且一般较亮的发射场有具体的(并 且一般是不可避免的)暗区，该暗区对应于不透明粘结垫、接线位置、 相邻晶粒之间的间隙和/或其他晶粒结构，那么该暗区在屏幕19所投 影的图像中清晰可见。
为了改善成像器门处的均匀性，可以在成像器门18的前面将另 外的均匀器元件(例如，扩散片、透镜阵列、隧道形光导等等)引入 光路，但这些元件可能会对投影仪的尺寸、复杂性、造价或效率产生 不良影响。
因此，在本文所描述的投影系统中，聚光器子系统和投影子系统
之间的关系满足下列要求光束基本均匀(即，将光源的亮区和暗区 相混合，以提高成像器门的所选非圆形外部轮廓上的照明均匀性)并 且没有浪费大量光能(例如，用过大的圆形光束照明矩形成像器门时 所发生的情况)，而且光源和成像器门之间的光路也无需另外的均匀 器元件。
图3示出了光学系统30，其将照明光束均匀化并且没有浪费大 量的光能，并且包括的光学元件不多于图1和2所示系统中的元件。 此处，成像器门18沿轴向被转移至远离光源16的图像而靠近聚光 器后焦面13的位置。
将成像器门18放置在靠近(但与之隔开)光源16的图像(或 聚光器像面14)处，会产生两种影响(1)成像器门18处的照明区 域与光源16的图像相比大致具有相同的尺寸和相同的外部轮廓，并 且(2)光源12存在的亮区和暗区(在聚光器像面14上被清楚地复 制)在成像器门18处共同变得模糊。下文将详细说明这两种影响。
首先，为了量化照明区域的尺寸，我们得出光束尺寸在不同轴向 位置的一些估算值，该轴向位置基于傍轴近似。当光源15的完整空 间范围(沿具体的维数，例如，矩形区域的长度或宽度方向)为2H光
源，且聚光器11的放大率以M表示时，光源16的图像的空间范围 为2MH光源。如果我们假设光源15发出的光进入对称的锥体内，其中 该锥体被表示成全角为2NA 的近轴角，并且其中NA表示数值孔 径，那么光经过聚光器之后，(会聚的)锥体的全角为2NA^ =2NA 光源/M，其中下标"入射"表示在成像器门18上的锥体入射。我们用X 表示聚光器后焦面13和聚光器像面14之间的轴向距离，注意，在 聚光器后焦面13处，每个照明光束的空间范围为(2NA入w)Xz(2NA 光源/M) X。
作为确保成像器门18处的照明尺寸合适的粗略指导，我们优选 地强制规定，光束在聚光器后焦面13处的空间范围与光源16的图 像尺寸相等，二者都应近似等于成像器门的尺寸。结合图3的图示来 看，这能确保元件13和14之间最下方的虚线光线基本上是水平的， 虽然其在图3中被绘制为从左向右略微降低。因此，光源15发出的 所有光线都会被约束在最下方的该虚线光线和对应的最上方的虚线光 线(未示出)之间，这两条虚线光线都基本上平行于光轴。其数学关 系如以下段落所示。
光源16的图像的全尺寸为2MH * 。聚光器后焦面13处光束 的全尺寸为(2NA光源/M) X。我们将这两个量设定为互相相等，注意， 它们可以都大约等于成像器门的全尺寸，以2H成像器n表示
2MH光源二(2NA光源/M)X (1)
由于成像器门18的尺寸2H成像節最有可能取决于像素化面板 (例如，矩形LCOS面板)的尺寸，并且从诸如LED晶粒之类的光 源发出的光束发散角2NA^最有可能由光源的制造商确定，此外，X
可能受设计要求的约束(例如，具有特定尺寸或特定最小尺寸的体积 包络)，因此，我们对聚光器放大率M和光源尺寸2H^进行求解
M = NA光源X / H成像器n (2)
H光源=H成像器门/ M (3)
注意，上一段的数学分析仅为示例性目的，旨在为估算提供粗略 指导，而不是任何光学系统的固定要求。即使不满足上述公式和条件， 光学系统30仍然可以正常工作。所引用的任何空间范围均可以沿任 何具体的横向尺寸进行测量，包括最短尺寸、最长尺寸、对角尺寸或 其他任何合适的尺寸。此外，上述分析假设光源15和成像器门18为 圆形而不是矩形；在实际情况中，对于矩形光源，光束轮廓从聚光器 后焦面13处的圆形转变为聚光器像面14处的矩形。
还应注意，如果光源发出的光线不对称，那么Kohler照明区域 通常也不对称。在一些情况下，期望将Kohler照明的长轴和短轴与矩 形像素化面板的长边和短边对齐。可选的是，可以使用另外的变形光 学元件来改变光束的纵横比，优选的是将被照明区域的尺寸和形状与 像素化面板的尺寸和形状相匹配，以确保既不超出像素化面板的填充 范围，又不使像素化面板的填充范围不足。示例性变形元件包括一个 或多个圆柱形透镜，该透镜会影响沿一个具体维数上的光束准直，但 不影响沿正交维数上的光束准直。圆柱形透镜可以成对使用，也可以 单个使用。另一个例子是变形棱镜，其可以沿一个维数(但不是沿正 交维数)压縮或扩展光束。变形棱镜可以单个使用，也可以成对使用。 这些可选的变形光学元件中的任何元件都可以位于光源和像素化面板 之间的光路中的任何位置。此外，可选变形元件可以是分立光学元件 (例如，圆柱形透镜或棱镜)，或者可以整合在光路中的一个或多个 现有元件中。
上文引用的第二个影响是，存在于光源12处的亮区和暗区在成 像器门18处共同变得模糊。该模糊效应类似于人们从散焦所看到的
模糊。我们可以将其视为从光源图像的"向后传播"，其具有预期的 散焦效应。在这种情况下，成像器门18与光源16的图像轴向分离， 其间距足够大，使得光源15处存在的亮区和暗区被充分地混合在一 起。注意，不需要在该系统中实际形成实像；由于像素化面板可以位 于光源和光源图像之间，所以在形成实像之前，光线沿光轴的传播会 与像素化面板相互作用。光源16的该图像可以被视为虚像。
图3中，聚光器11具有基本平坦的像场，或基本为零的场曲。 换句话讲，平面物体的图像也是平面的。因此，光源16的图像基本 上是平坦的，并且在"向后传播"过程中、对成像器门18的散焦效 应在成像器门的范围内基本上是均匀的，因此对照明图案的中心和边 缘所产生的影响是相同的。
在一些情况下，期望照明图案的一些部分的模糊程度比其他部分 的模糊程度更高。例如，我们可能需要使照明区域的中心非常模糊， 而使边缘不那么模糊，以使得照明图案的边缘仍具有一定的清晰度。 这在光学系统40中是可能的。聚光器41具有明显的场曲，像场边 缘朝向聚光器41方向向内弯曲。作为另外一种选择，像场边缘可以 朝远离聚光器41的方向弯曲。聚光器41还具有聚光器物面42、聚 光器后焦面43和聚光器像面44。位于聚光器物面42处的光源45 此时形成弯曲图像46，其中心与光轴相交于聚光器像面44。
成像器门18与光源46的图像轴向分离。与边缘处相比，成像 器门18的中心处距离光源46的图像的轴向平移更大，因此导致中 心处比边缘处产生更大的散焦模糊。
通过想象照明光束在光学系统40内不同假想观察平面上的情 况，可以理解高场曲的影响。
在聚光器像面44处，照明光束类似于光源45，其中光束的中央
部分成像清晰，边缘部分则因场曲而模糊。在该平面处，光束的中央 部分显示光源的亮区和暗区而没有任何模糊。
向聚光器41稍作轴向移动，可以发现存在远离光束中心并且成 像清晰的特定圆环，在该特定圆环以内和以外都变得更加模糊。该圆 环对应于我们的观察平面与光源46的弯曲图像相交处的点的轨迹。 沿着该圆环，光源的亮区和暗区成像清晰，没有任何模糊。
向聚光器41进一步轴向移动，可以发现成像清晰的圆环朝远离 光轴的方向移动，成像清晰的该圆环以内和以外都变得更加模糊。
如果继续向聚光器41轴向移动，直到观察平面刚好与光源46
的弯曲图像的最外部分相交，那么可以看到，照明图案的最外缘显示
出光源45的明暗细节，并且照明图案内部的模糊程度逐渐增大。尽 管很多情况下希望照明图案有清晰的边缘，但往往不期望光源的亮区 和暗区在照明图案边缘处成像清晰。然而，根据场曲的尺寸和系统要 求，这样的照明图案在一些实施例中是可以接受的。
最后，如果向聚光器41进一步轴向移动，在光源46的图像的 弯曲边缘之外，则会看到照明图案略感模糊的边缘，其模糊程度足以 降低亮斑和暗斑之间的对比度，但又不至于很模糊，以使得照明图案 的边缘或周边仍旧保持相对较高的清晰度。在操作过程中，可以将该 边缘与成像器门18的边缘叠加。在照明图案的内部，模糊效应比边
缘处更加强烈，并且在相应散焦效应的作用下，成像器门18处的照 明图案得到非常好的均匀化。
在图1至图4中，聚光器11和41被绘制成不具有可察觉到 的球面像差。可选的是，这些聚光器可以具有明显的球面像差，该球 面像差可以用类似于场曲的方式增加期望的模糊效应。优选的是，聚 光器41可以具有较大的负球面像差(意味着横跨光轴的照明光束边
缘的光线要比光束中心附近的光线距离聚光器更远)。作为另外一种 选择，聚光器41可以具有较大的正球面像差，或量值合适的任何球 面像差(包括零球面像差)。
图5示出了光学系统50的一个示例性实施例，其中，像素化面
板的位置与图4中的位置类似，但是用于反射。图5的实施例仅仅
是实例，并不旨在以任何方式形成限制。光路中的各个元件将在下文 进行详细描述。
光源51为LED阵列，其优选地具有大致呈矩形的外部轮廓， 其纵横比与像素化面板的纵横比相匹配，例如，4:3或16:9。作为另 外一种选择，LED阵列可具有与像素化面板的纵横比不同的纵横比， 并且可以使用变形光学元件(如上所述)定形照明光束，用以与像素 化面板的尺寸相匹配。LED阵列可以具有明亮的发光区域，而暗区对 应于非发射结构，例如，线材或电气接头，或者晶粒或其他支撑元件 之间的间隙。典型的LED阵列可发射约20流明的光通量，但可使 用任何合适的值。这样的阵列可能消耗约一瓦特的电能，这远远小于 类似弧光灯所需的电能。注意， 一些LED阵列会发射波长范围十分 狭窄的光线。例如，LED阵列可以发出光谱中蓝色区的光线，用肉眼 观察时，其整个波长范围的光看起来基本上呈蓝色。作为另外一种选 择，LED阵列可发出光谱中红色、绿色或一些其他合适区域的光线。 在一些实施例中，可使用发射白光的LED (包含荧光粉，或包含发射 不同颜色的光的多种晶粒)。
光源51发出的光被多元件聚光器收集，在图5中该聚光器为元 件53至67构成的整体。下文将描述这些元件中的每一个元件。该 聚光器仅为示例性，可以使用任何合适的聚光器，该聚光器具有一个 或多个折射元件、反射元件和/或衍射元件。
光源发出的光进入复合封壳透镜。这些透镜可以是如图所示的一 对透镜，其具有彼此紧密接触的内透镜53和外透镜55。如果光源是 通过引线键合相连的LED晶粒阵列，则内透镜53优选地将LED晶 粒阵列和引线键合容纳在基本上平凸的空间内，其中，对凸形表面的 曲率半径和轴向位置进行选择以最大限度地縮小空间体积，从而最大
限度地縮小透镜的空间体积。此类透镜53可由液体、凝胶或固化的 聚合材料制成，并可以具有约1.5的折射率。外透镜55优选地由折 射率相对较高的材料制成，如折射率为约2或更高的玻璃。透镜55 还优选地具有凹凸形状，其外表面可设计成基本上消球差的形状，即 几乎没有或没有球面像差和彗差，至少对于光源的特定部分(例如， 光源的最外侧边缘部分或侧边缘和光轴之间的中间部分)而言是如此。 透镜55的内表面与内透镜53的外表面相匹配。名称为"LED With Compound Encapsulant Lens"(含复合封壳透镜的LED)的共同转让 美国专利申请11/322801 (代理人案巻号61677US002)中对封壳透镜 有更加详细的描述，该专利申请于2006年12月30日提交。
封壳透镜后面是一对菲涅耳透镜57。可将第一菲涅耳透镜选择为 使光束基本平行。第二菲涅耳透镜的入射面上可具有偏振膜或偏振元 件，例如，透射一种偏振光而反射另一种偏振光的反射偏振片。示例 性反射偏振片包括美国专利No. 5,882,774 (Jonza等人)中所讨论的 共挤出的多层膜，以及胆甾型反射偏振片。制作共挤出的多层偏振膜 的示例性方法在下列美国专利中公开6,916,440 (Jackson等人)、 6，939，499 (Merrill等人)、6,949,212 (Merrill等人)和6,936,209 (Jackson等人)。示例性反射偏振片还包括可得自3M Company (St. Paul, Minnesota)的Vikuiti 双层增亮薄膜(DBEF)。在第二菲涅耳 透镜上装上偏振片，或在这些菲涅耳透镜之间或靠近光源的另一位置 装上一个偏振片，可为系统中的下游光学元件提供偏振光束，这样可 能很有用，在下文中会详细描述。第二菲涅耳透镜用于会聚光束。如 果复合封壳透镜的放大率足够大，就可以省略第二菲涅耳透镜。示例 性菲涅耳透镜在名称为"FresnelLens Combination"(菲涅耳透镜组合) 的共同转让美国专利申请11/322981 (代理人案巻号61118US002)中
有所描述，该专利申请提交于2005年12月30日。
光束随后进入分光合色器59 (有时称为分光合色棱镜)，其中特 定维数中的两条斜边均具有色敏涂层，该色敏涂层可以反射一种波长 谱带的光线而透射另一种波长谱带的光线，所述涂层通常为s-偏振光 而优化。(图5示意性地示出了该合色器，因而未示出这些斜边)。 读者应当理解，为简洁起见，图5仅示出了一个色彩通道，但对于整 个彩色投影系统而言，光学系统50将具有另外两个色彩通道，每个 色彩通道均具有相同元件51、 53、 55和57，不同的是，对于给定通 道，光源51分别发射红光、绿光和蓝光。所得的三个色彩通道与合 色器59的不同边相连，从而形成红色臂、绿色臂和蓝色臂，其中每 个臂都具有各自的光源和透镜元件。合色器输出所有三个臂的光线叠
加，并且所有这三个波段都沿相同光路(合色器下游)照明像素化面 板。优选的是，合色器59透射绿色波长的光而反射蓝色和红色波长 的光，但也可以使用其他合适的构型。
合色器后面是偏振光分束器61，其斜边(未示出)具有对宽波段 偏振敏感的涂层或元件。该斜边透射一种偏振状态而反射垂直偏振状 态。偏振光分束器61可具有平坦的外表面，或如图所示，其外表面 可包括集成聚焦元件。在图5中，在入射面63上形成负透镜，在分 光器出射面65上形成正透镜。根据需要，这些集成透镜可以是球面 或非球面，可替代为分开制造的透镜然后再附连到分光器平坦的外表 面上。透镜63、 65可以被视为转像透镜。示例性偏振光分束器在名 称为"Method For Making Polarizing Beam Splitters"(偏振光分束器制 造方法)的共同转让美国专利申请11/192,681 (代理人案巻号 61014US002)中公开，该专利申请提交于2005年7月29日。注意， 合色器59上也可以使用集成透镜。
红色、绿色或蓝色通道的偏振光通过分光器61的斜边，然后入 射到像素化面板69上；在该面板上，从该面板反射出的、具有垂直
偏振状态的光线经反射偏离斜边，并从偏振光分束器61的某个边(例 如，图5中的最底部表面)射出，以透射穿过投影透镜并投射到屏幕 上。
元件67为像素化面板69 (优选地为LCOS面板)的盖板。像 素化面板69的活性区域(通常为矩形)与成像器门(未单独示出) 重合。LCOS面板以反射方式工作，并且以像素为单位旋转反射光束 的偏振面来响应驱动电信号。如果某个像素亮度很低，则偏振面的旋 转量很小。如果该像素的亮度很高，则偏振面会旋转近九十度。LCOS 可以同时在所有三个波长上工作，或者也可以对于每个特定的帧在这 些颜色中循环一次(场序系统或色序系统)。例如，对于60 Hz的刷 新率，其完整循环时间为1/60秒， 一种可能的循环方案首先只对红光 LED通电(而绿光和蓝光LED断电)1/180秒，然后只对绿光LED 通电1/180秒，然后只对蓝光LED通电1/180秒。这仅是一个实例， 也可以根据需要采用其他循环方法。
在图5的实施例中，光源51和像素化面板69之间的所有元件 都可视为聚光器。这些元件总体限定聚光器物面(与光源51重合)、 聚光器像面(图5中未示出，但通常设置在面板69的右侧)和聚光 器后焦面(图5中也未示出，但通常设置在面板69的左侧)。正如 上文所讨论的，像素化面板69优选地位于聚光器后焦面和聚光器像 面之间。
关于这些平面的位置，有图5示出的特殊情况，该情况在图1至 图4中没有提到。LCOS面板对有限范围的入射角(通常接近于垂直 入射角度)来说工作效率最高。因此，面板69上的入射光应优选地 作标称校准，从而入射角的范围很大程度上取决于光源51的有限空 间范围。如果我们将聚光器视为包括光源51与面板69之间的所有 元件，并且该聚光器的输出光基本上平行，那么光源(因而，还有聚 光器物面)基本上位于聚光器的前焦面，并且聚光器像面基本上位于 无限远处。对于这种情况，我们假设聚光器像面位于图5右侧的遥远
位置，以使得面板69位于聚光器后焦面(面板69左侧)和远处的 聚光器像面(面板69右侧)之间。
4在另一个特例中，设计聚光器以使得像素化面板的入射光是发 散光，而不是会聚光(如图1-图4所示)和平行光(如图5所示)。 对这种情况，聚光器像面可以位于聚光器后焦面的左侧(使用图1-图5 所示的从左到右惯例)，并且成像器门位于这两个平面之间，距离聚 光器像面比距离聚光器后焦面更近。
图6的左侧示出了几种可能的光源构型。每一种都代表发射区 域，具有因引线键合、LED晶粒之间的间隙或其他结构所引起的暗区。 附图右侧的矩形区域代表由上述光学系统在成像器门处实现的均匀照 明。
本文所提出的发明的具体实施方式
及其应用是示例性的，并非意 图限定本发明的范围。本文所公开的实施例可能存在变型和修改形式， 本领域的普通技术人员研究本专利文档后可以理解实施例中多种元件 的实际替代物和等同物。在不脱离本发明范围和精神的前提下，可以 对本文所公开的实施例应用这些以及其他的变型和修改形式。
权利要求
1.一种投影系统，包括聚光器，其具有聚光器物面、聚光器像面和聚光器后焦面；成像器门，其设置在所述聚光器后焦面和所述聚光器像面之间，并与这两个面隔开；以及光源，其通常位于所述聚光器物面处；其中所述聚光器形成所述光源的弯曲图像。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述成像器门距离所述聚 光器像面比距离所述聚光器后焦面更近。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括 具有投影物面和投影像面的投影透镜； 其中所述成像器门设置在所述投影物面内。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中所述成像器门设置在所述 聚光器后焦面和所述弯曲图像之间，并与二者隔开。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中所述弯曲图像朝向所述聚 光器向内弯曲。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中所述成像器门距离所述弯 曲图像比距离所述聚光器后焦面更近。
7. 根据权利要求1所述的系统，其中所述聚光器具有非零量的 球面像差。
8. 根据权利要求1所述的系统，其中所述光源具有扩展的外部 轮廓，并且在整个所述外部轮廓上非均匀地发光。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述光、源具有由所述外部 轮廓界定的截然不同的发光区域和不发光区域，所述发光区域包括至少一个LED晶粒。
10. 根据权利要求9所述的光学系统，其中戶万述截然不同的发光 区域对应于LED晶粒阵列，并且所述外部轮廓基本上为矩形。
11. 根据权利要求8所述的系统，其中所述外部轮廓为矩形。
12. 根据权利要求1所述的系统，还包括设置在所述成像器门处 的像素化面板。
13. 根据权利要求12所述的系统，其中所述像素化面板为反射型。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中所述像素化面板包括硅 基液晶(LOCS)面板。
15. —种调制光束的方法，包括 提供扩展光源；用聚光器将所述光源的光聚焦成光束投射到所述聚光器的像面 上，所述聚光器还具有后焦面；以及通过在成像器门处对所述光束进行空间调制以形成图像，其中所 述成像器门设置在所述聚光器像面和所述聚光器后焦面之间。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中所述聚光器限定光轴， 并将所述光源的光聚焦，用以在所述光轴上形成与^f述像面重合的所 述光源的弯曲图像。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中所述扩展光源具有光源 外部轮廓，所述成像器门具有全等于所述光源外部轮廓的成像器形状。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述光源外部轮廓和所述成像器形状为纵横比不同的矩形，并且所述聚光器包括至少一个变 形元件。
19. 根据权利要求15所述的方法，其中所述形成图像的步骤包 括以可调节的方式控制所述光束的各个部分在所述成像器门处的偏 振。
20. 根据权利要求15所述的方法，还包括用投影透镜将所述图像投影到屏幕上。
全文摘要
本发明公开了一种投影系统，其在所述聚光器和所述投影透镜之间具有规定的关系，其中，通常与投影物面重合的成像器门位于聚光器后焦面和聚光器像面之间，并且与二者隔开。所述聚光器将扩展光源在所述聚光器像面上成像，优选地具有足够的场曲，用以产生所述光源的弯曲图像。限定图像的像素化面板或胶片位于所述成像器门处。选择所述聚光器的放大率以使所述光源的所述图像与所述像素化面板具有基本相同的尺寸。将所述成像器门布置在远离所述聚光器像面的位置处，可以使所述光源的区域内的任何亮度不均匀的因素产生模糊，从而形成照明相对均匀的图案，其外部轮廓与所述成像器门的轮廓匹配。
文档编号G03B27/32GK101351745SQ200680049875
公开日2009年1月21日 申请日期2006年12月27日 优先权日2005年12月30日
发明者帕特里克·R·德斯藤 申请人:3M创新有限公司