专利名称：成像器照明系统及相应的投影仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像投影领域。更精确而言，本发明涉及发射尤其适用于成像器的系统的偏振照明束。
背景技术：
根据现有技术，使用透射LCOS或液晶型成像器的投影采用了具有均匀偏振光的照明系统。为了获得有效的投影，该照明系统使来自无偏振光源的照明束偏振并转换不期望的偏振。为此，传统系统(蝇眼或杆积分器(rodintegrator))使用PBS(偏振分束器)光栅。
根据现有技术的一种已知技术，如Minolta公司的专利文件US 6190013所阐述，照明系统包括具有第一蝇眼透镜阵列板的单个PBS半棱镜(多层偏振分束器)。第一偏振被反射并随后发射到第二透镜阵列。第二偏振穿过半棱镜并反射离开置于半棱镜分束表面之后的反射镜。第二偏振再次穿过半棱镜，并通过位于第二透镜阵列板上的λ/2(半波)片的阵列返回。
这些技术的缺点为PBS棱镜尺寸大。此外，存在PBS反差的角度限制。另外，P偏振光线在返回到PBS时存在通量损失(称为斜光线)。
发明内容
本发明的目的是减轻现有技术的这些缺点。
更具体而言，本发明的目的是使用具有高的发光效率的系统提供偏振照明。
为此，本发明提出了用于照射成像器的照明系统，该系统包括多个照明源，每个照明源产生被称为源束的照明束，该照明束具有分离的第一偏振和第二偏振。根据本发明，该系统的显著特征在于进一步包括由光源照射的格栅偏振器、反射镜和半波相移装置；各个所述源束的第一偏振在被反射镜反射之前穿过偏振器的偏振表面并再次穿过偏振器的偏振表面；各个源束的第二偏振被偏振器的偏振表面反射；以及，在穿过或者被偏振表面反射之后，该第一偏振和第二偏振中仅一个穿过该相移装置，源束的第一偏振和第二偏振空间上分离。
这样，在相移装置之后，存在单一偏振用于照明成像器。
根据优选特征，该系统的显著特征在于其包括导光管和主光源，由主光源产生的照明束透射穿过导光管而获得照明源。
根据一个具体特征，该导光管为杆积分器。
根据另一个特征，该系统的显著特征在于其包括多个发光二极管，每个二极管与一个照明源相关联。
根据一个优选特征，该反射镜的反射表面平行于偏振器的偏振表面。
有利地，格栅偏振器包括透明基板，该基板的一个面形成偏振器的偏振表面，其另一个面形成反射镜的反射表面。
优选地，该照明系统包括第一组透镜，其包含位于该照明源和偏振器之间的至少一个聚焦透镜，相移装置位于两个焦平面之间的平面上，其中该第一组将照明源聚焦，该两个焦平面分别对应于第一偏振或第二偏振。
根据一个有利特征，该照明系统包括第二组透镜和置于该第二组透镜的第一焦平面内的成像器，该第二组透镜的第二焦平面置于两个焦平面之间，其中该第一组将照明源聚焦。
优选地，该相移装置包括基板，该基板的一个面包含半波相移带。
本发明还涉及投影仪，包括该照明系统；由该照明系统照射的成像器；以及投影物镜。
通过参考附图阅读下述描述，可以更好地理解本发明，且本发明的其他特征和优点将变得显而易见。附图中图1示出了根据本发明一个具体实施方案采用成像器照明系统的背投影仪；图2和3示出了图1的照明系统；图4和5示意性示出了图2和3的系统中所采用的照明束；图6示出了图2和3的系统中采用的偏振分束器；
图7示出了图6所示偏振分束器之前的源分布；图8示出了图6所示偏振分束器之后的源的像；以及图9和10示出了图2和3的系统所采用的偏振器的备选实施方案。
具体实施例方式
图1说明了根据本发明一个具体实施方案的采用成像器16的照明系统10的背投影仪1。
背投影仪1包括照明成像器16的照明系统10；透射由成像器16产生的成像束15的投影物镜11；成像束15反射离开的折叠反射镜12和13；以及成像束15产生的图像所投影到的屏幕14。
根据本发明，该背投影仪可相对窄。然而，由于照明系统10的尺寸小且照明束被折叠，因此本发明尤其适用于小厚度(例如6或9英寸的厚度)的背投影仪。当然，本发明还适用于更宽的背投影仪(例如使用单个折叠反射镜)以及正投影仪。
图2和3分别以侧视图和透视图示出了照明系统1，该照明系统1照明透射LCD(液晶显示)型的成像器16。成像器16宽度为li，高度为hi，该宽度和高度取决于待投影的图像的纵横比。
照明系统1包括产生无偏振光(即具有至少两种不同的偏振)的多个光源，这些光源在垂直传播轴的平面内被分离；焦距为F1的第二透镜22(或多个透镜的组)；格栅偏振器23；位于格栅偏振器23后的反射镜24；半波相移装置，例如形式为置于透明基板26(例如由玻璃制成)上的λ/2带25，例如通过在基板26上层叠而获得该带25；以及焦距为F2的第二透镜27(或多个透镜的组)。
格栅偏振23例如由MOXTEK公司提供，一个面对应于偏振表面，另一个面例如被处理成反射的。
透镜22的放大倍率等于G1(带25的平面相对于导光管21的入射平面)。
优选地，λ/2带25在可见光谱范围是消色的延迟随波长而变化，使得寻常折射率和异常折射率之间的差值等于半波长除以可见光谱范围内的带25的厚度。
根据变形，λ/2带25在可见光谱范围上具有固定或者基本上固定的延迟。λ/2带25相移了可见光谱范围内精确频率的半波长。优选地，该频率为可见光谱的中心频率。
根据本发明一个具体实施方案，使用灯型主光源20以及高H、长L和深p的导光管产生多个光源。主光源产生的源照明束透射穿过导光管而由此获得这些光源。导光管例如为固态杆积分器或者具有反射壁的中空导光管。
照明系统照明使用偏振照明束工作的成像器16。此外，根据本发明的变形，该成像器为与偏振分束器(格栅偏振器或PBS)相关联以重新引导该成像束的LCOS(硅上液晶)型。
根据其他变形，偏振器置于成像器之前的偏振照明束路径上，从而纯化偏振并提高对比度。
图4和5分别示意性示出了根据垂直和水平偏振用于系统10的照明束。
灯20照射平行z轴的导光管21的入口，该导光管的高度和深度分别平行于x轴和y轴。从导光管出射之后，出现多个虚源，形成了包括多行和多列的矩阵。
第一透镜22将导光管21的入口成像到靠近λ/2带25的平面，将导光管21的出口成像到无穷远(透镜22和导光管出口之间的距离等于F1)。因此，与导光管21入口的源相对应的多个虚源出现在λ/2带25平面周围。如图所示，在图4和5中在导光管21入口示出了三个源40至42。如图7所示，该图示出了置于导光管入口的虚源，这些虚源沿x轴分隔距离h，沿y轴分隔距离p。每个这些虚源发射无偏振光。
源的数目取决于灯的孔径角度，该孔径角度定义了光束在导光管21内反射次数。优选地，虚源形成由至少三行和三列组成的矩阵。
位于照明束路径中第一透镜22后的格栅偏振器23将水平偏振分束成垂直偏振。格栅偏振器相对于z轴倾斜，优选倾斜角为45°，其中照明束沿该z轴传播。偏振器的格栅取向为沿x方向，垂直于由y轴和z轴定义的传播平面。因此，照明束的垂直偏振被反射为沿y方向。然而，水平偏振穿过偏振器23的偏振表面和基底。
垂直偏振随后穿过条25以外区域内的基板26，随后穿过第二透镜27，该第二透镜27将导光管21的出口成像到成像器16上。
第一次穿过偏振器23之后，水平偏振被反射镜24反射，其中反射镜24平行于偏振器23的偏振表面并置成距该表面距离e。接着，照明束的水平偏振再次穿过偏振器23，入射到使偏振旋转的条25，该水平偏振由此变为垂直的。通过直接透射从导光管21出射的垂直偏振以及返回水平偏振而获得垂直偏振，因此从基板26出射时，该照明束仅包括该垂直偏振。因此，照明束的使用得到优化。
根据备选实施方案，偏振器的格栅取向为垂直x方向。其于是为被反射的照明束的水平偏振。在本实施方案中，垂直偏振穿过偏振表面。这种情况下，从基板26出射时，照明束因此仅包括水平偏振(如果条或带25置于相同位置)。
如图8所示，基板为承载半波条25的玻璃板26。基板置于照明束路径中的带25之前或者之后无关紧要。各个列的分隔距离为G1p/2，两个列中的一个对应于被偏振器23反射的照明束部分，另一列对应于被反射镜24反射的照明束部分。优选地，带25(或基板26)的面积为使得其收集源的至少六个列，带的数目取决于行数。更优选地，基板26的面积为使得其收集源的至少八个列。基板的面积大于穿过透镜27的物镜的孔径。
图6详细示出了入射偏振器23的照明束的光线60的路径。
入射光线60与偏振器23的分束表面法线成θext角。入射光线60被偏振表面部分反射而形成垂直偏振光线61，并被部分折射而形成水平偏振光线62。光线62被反射镜24反射而形成光线63，光线63本身被偏振表面折射而形成光线64。
偏振器23的偏振表面与反射镜24被光学折射率为n厚度为e的材料分隔。如图6所示，光线61和64分隔距离d，根据如下方程取决于参数n和ensin(θint)＝sin(θext)以及d＝2etan(θint)cos(θext)＝G1p/2基板26包括平行于x轴的λ/2相移带25，该相移带改变偏振。各个带与相邻带的间隔为d，本身宽度为d。布置来使得光线61穿过基板26而不穿过带25，并使得，对应地，光线64穿过带25而使其偏振改变，随后穿过第二透镜27，该第二透镜27将导光管21的出口成像于成像器16上。
根据本发明备选实施方案，带25置于被偏振器23偏振表面反射的偏振的路径内，穿过该表面的偏振不照射带25。
因此，根据偏振器23的格栅的取向以及带25的放置，从基板26出射的偏振是水平或者垂直的。成像器16必须根据照射其的照明束的偏振而准确地取向。
置于导光管21入口的虚源(特别是源41至42)通过第一透镜22被聚焦到两个平面65和67上，其中这两个平面根据入射到偏振器23的光线的偏振而略微偏移第一平面65对应于被偏振器23反射的光线的聚焦；以及第二平面67对应于穿过偏振器23的光线的聚焦。
这两个平面的偏移对应于这些光线之间的光程差，即Δ，其满足如下方程Δ＝2ne/cos(θint)-2etan(θint)/sin(θext)＝2e/cos(θint)×(n-1/n).
由于优选地偏振器的偏振表面23与反射表面24之间的光程相对较小，所以两个偏振之间的光程差本身相对较小，如同焦平面65和67之间的偏移。λ/2带25置于介于焦平面65和67之间的平面66内。优选地，平面66为平面65和67中心平面。因此，两个偏振在带25严格地空间分离。
此外，第一透镜22将导光管21的出口成像于无穷远(透镜22和导光管出口之间的距离等于F1)。
一方面透镜27和带25的平面的分隔距离，以及另一方面透镜27与成像器16的分隔距离都等于焦距F2。更准确地，成像器16位于透镜27的第一焦平面内，而透镜27的第二焦平面位于透镜22的焦平面65和67之间，且优选地位于平面65和67的中心平面内。这样，对成像器的照明得到优化。
此外，角度θext优选地介于30°和60°之间。根据本发明的各种实施方案，大范围的数值是可能的。实际上，格栅偏振器具有对入射角相对不灵敏的对比度的优点。更为优选地，角度θext等于45°。
照明系统的几何结构还可实现照明束折叠，由此降低整体尺寸(特别是在用于窄的背投影仪或正投影仪的情况下)。因此可以根据所考虑的投影仪的具体空间限制而有利地选择θext的值。
基板26沿x轴的尺寸为hs，沿y轴的尺寸为li。根据照射其的虚源的数目而选择基板26的尺寸。
如所示，照明系统的参数可如下d＝2.5mm；n＝1.5(玻璃)；e＝3.3mm；p＝9mm时G1＝0.55(导光管剖面为9mm×5.06mm)。
导光管的尺寸通常部分地由成像器的纵横比(例如3/4或16/9)、灯的焦点的尺寸设置，从而具有良好的收集；并由成像器的尺寸设置，从而具有约2的放大倍率(其他放大倍率也是可以的)。
小剖面的导光管使得系统工作时具有大角度的固定范围(通常为15°至25°之间)。
灯20也可以是相对大功率的，因为不同于PBS偏振器，格栅偏振器23可很好地承受高光通量水平。
此外，这种偏振器还具备提供大的波长不灵敏对比度的优点。
图9示出了根据本发明可以用于替代偏振器23和反射镜24的偏振器90。
偏振器90包括与偏振器23类似的格栅偏振器91和基板92，其中基板92例如由玻璃制成，在其一个面上覆盖了反射表面93。
图10示出了根据本发明还可以用于替代偏振器23和反射镜24的偏振器95。
偏振器95包括与偏振器23类似的格栅偏振器96和例如由玻璃制成的基板98。基板98和偏振器96被薄的空气层97分隔。基板98在其一个面上覆盖了反射表面99，该反射表面优选地与空气层97共面。
当然，本发明不限于上述实施方案。
本发明具体涉及采用具有偏振光的照明束的各种投影仪，特别是背投影仪或正投影仪。此外，这些投影仪可包含或者不包含一个或多个平坦或弯曲折叠反射镜。
根据本发明的不同实施方案，照明系统相对于成像器以各种方式放置和取向。根据优选实施方案，其可特别地沿照射该成像器的成像束的轴旋转180°。在投影至4/3或16/9屏幕的情形，或者更通常地当一个尺寸大于另一个尺寸时，这些源优选地沿较长尺寸翻倍。在其他实施方案中，该旋转等于±90°。其可相对远离投影物镜，该投影物镜与投影仪结构的整体几何结构相匹配。该物镜使得具体地可将由成像器产生的图像聚焦到屏幕上，并同时限制失真。然而，该投影物镜优选地尽可能靠近照明系统。
根据本发明的一个实施方案(未示出)，使用多个LED(发光二极管)获得多个光源，各个LED对应于光源。优选地，各个LED与光学装置相关联，以均匀地照射成像器。该光学装置可以是反射器或恰当的准直或收集装置。
权利要求
1.一种用于照射成像器(16)的照明系统(10)，所述系统包括多个照明源(40，41，42)，并具有分离的第一偏振和第二偏振，每个所述照明源产生被称为源束的照明束，其特征在于所述系统进一步包括反射镜(24)、半波相移装置(25)和由所述源束照射的格栅偏振器(23，90，95)；每个所述源束的所述第一偏振(64)在被所述反射镜反射之前穿过所述偏振器的偏振表面并再次穿过所述偏振器的偏振表面；每个所述源束的所述第二偏振(61)被所述偏振器的偏振表面反射；以及在穿过所述偏振表面或者被反射离开所述偏振表面之后，所述第一偏振和第二偏振中仅一个穿过所述相移装置，所述源束的所述第一偏振和第二偏振在空间上分离。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于其包括导光管(21)和主光源(20)，由所述主光源产生的照明束透射穿过所述导光管而获得所述照明源。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述导光管为杆积分器。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述系统包括多个发光二极管，每个所述二极管与一个所述照明源相关联。
5.如权利要求1至4任何一个所述的系统，其特征在于所述反射镜(24，99)的反射表面平行于所述偏振器(23)的偏振表面。
6.如权利要求1至5任何一个所述的系统，其特征在于所述格栅偏振器包括透明基板，所述透明基板的一个面形成所述偏振器的偏振表面，其另一个面形成所述反射镜的反射表面。
7.如权利要求1至6任何一个所述的系统，其特征在于所述照明系统包括第一组透镜(22)，其包含位于所述照明源和所述偏振器之间的至少一个聚焦透镜，所述相移装置位于两个焦平面之间的平面(66)上，其中所述第一组将所述照明源聚焦，所述两个焦平面分别对应于所述第一偏振或所述第二偏振。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于所述照明系统包括第二组透镜(27)和置于所述第二组透镜的第一焦平面内的所述成像器(16)，所述第二组透镜的第二焦平面置于所述两个焦平面(65，67)之间，其中所述第一组将所述照明源聚焦。
9.如权利要求1至6任何一个所述的系统，其特征在于所述相移装置包括基板，所述基板的一个面包含半波相移带。
10.一种投影仪，包括如权利要求1至9任何一个所述的照明系统；由所述照明系统照射的成像器；以及投影物镜。
全文摘要
本发明涉及一种用于照射成像器(16)的照明系统，该系统包括多个照明源，每个照明源产生具有分离的第一偏振和第二偏振的源束。为了优化源束的效果，源束照射格栅偏振器(23)，一个偏振在被反射镜(24)反射之前穿过偏振器的偏振表面并再次穿过该偏振表面；第二偏振被偏振表面反射，这两个偏振由此在空间上分离；接着，半波相移装置(25)仅使两个偏振之一发生相移。本发明还涉及包括该照明系统、该成像器以及投影物镜的投影仪。
文档编号H04N5/74GK1977208SQ200580021660
公开日2007年6月6日 申请日期2005年6月28日 优先权日2004年7月2日
发明者帕斯卡尔·贝努瓦 申请人:汤姆森特许公司