专利名称：图像投影系统或者可视化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于投影或者可视化图像的系统，更具体地说，涉及一种包括具有光学积分器的照明装置的这种类型的系统。
背景技术：
为了投影或者可视化图像，已知使用例如，由诸如透射型或者反射型液晶系统的光阀(optical valve)组成的成像器，其中，将每一个图像形成器(image-formatter)元件的透明度被控制为要形成图像的每一个点的亮度的函数。
在投影的情况下，由照明装置来提供光能量，其中最经常地，该照明装置由灯和反光器组成，反光器用于将光束定向到光阀。
因为在系统中存在许多的光损失，需要成像器的照明是均匀的并且使用较高的光通量来执行成像器的照明，以使投影或者可视化的图像正确地再现在阀中形成的图像。特别是由于照明来自具有有限范围的光源，并且由于照明光源由非偏振光组成，因此，不容易解决这个问题。液晶阀使用偏振光进行工作，然而，这需要在阀的输入端和输出端使用偏光器。这些偏光器极大地降低了在系统输出端的光通量。
为了避免以上的缺陷，已经提出了几种解决方案。
第一解决方案在于使用与偏振分光器关联的光学积分器。图1表示该解决方案的实例。在该实例中，照明装置1包括与反光器3关联的光源2组成。积分器4收集由反光器3反射的、使用箭头f表示的光束，以下将更详细地描述这一情况。反光器3由将与会聚透镜关联的抛物面反光器、或者椭圆反光器组成，光源位于椭圆的焦点的其中之一上。积分器4由具有与成像器相同的长宽比的两个透镜阵列4a和4b组成。设置第二阵列4b的透镜，以使这些透镜在成像器7上形成第一阵列4a的透镜的图像。此外，在图1的实施例中，在积分器4的输出端设置了偏振分光器或者PBS 5。定位PBS，以便在PBS的每一个第二梯形元件中交替地形成、由积分器4的第一透镜阵列4a形成的光源的实际图像，而在下面将会更详细地描述PBS。如图2所示，在这种情况下使用的偏振分光器或者PBS 5由一排元件50组成，每一个元件50由透射光的元件51分离。由透射光的材料形成的元件50是梯形形状的元件，该元件在接收光的表面上，可以有选择地具有吸收层52，以及在其中一个侧面上，具有执行偏振分光的薄膜53。在与输入面相反的面上，元件50具有用于将p偏振转换为s偏振的半波膜54，以及在表面53上，元件50具有膜55，该膜反射偏振光，但并不修改该偏振光。这些不同的元件是本领域的技术人员所熟知的，并且不将作进一步地详细描述。
因此，图2的PBS行5按照以下的方式工作。由偏振分光器膜53来分路到达透明元件的输入面的非偏振光，以致于该偏振分光器膜将P偏振光透射到元件50，并且将s偏振光反射到元件51。然后通过半波膜，将透射的偏振光转换为s偏振光，在图2中为该光束指定参考符号S1。此外，由下一个元件50的面54来反射已经反射到元件51上的光，并且以参考符号为s2的s偏振光束的形式出现。为了获得平行光束S1和S2，侧面54和53相对于光束的方向倾斜45°。如果将半波膜放置在元件51上而不是元件50上，则还可以获得p偏振输出光束。
在图1所表示的系统中，透镜6位于偏振分光器5之后，该透镜将第一阵列4a的透镜的图像叠放在由诸如液晶阀组成的成像器7上。在这种情况下，由正确偏振的光束均匀地照射成像器。
然而，系统需要在液晶阀的前面使用物镜，该物镜的功能是在接物镜(objective)的入瞳上形成光源的图像。但是，特别在成像器为反射型的系统的情况下，由于尺寸的缘故，该透镜存在问题。
此外，在这样的系统中，不可能产生对成像器的远心型(telecentric-type)照射。当在成像器的任何一点，主光线与成像器的表面垂直时，照射是远心型的。这样的照射特征具有两个主要的优点1)不再需要具有物镜，2)既然主光线都与光轴平行地排列，由于光通过双色分色镜，因此在屏幕上将不会有空间上的颜色变化的问题。
此外，对于上述的系统，不能修改照射的表面区域而使其能够适合具有不同尺寸的阀。
为了克服成像器的照射均匀性的问题，还提出在照射装置的输出使用积分器管。该管的目的是混合来自光源的光，以便产生对成像器的均匀照射。选择积分器管以使它的输出面具有与成像器相同的长宽比，也就是说，当举例来说，系统被用于电视时，使用4∶3或者16∶9的比率。在本系统中，借助于透镜的系统，在成像器上形成积分器的端面的图像。该系统具有更加均匀地照射成像器的优点，以及具有与成像器相同的长宽比的光束的优点。然而，当成像器由液晶阀组成时，需要使用偏振器，该偏振器在光到达成像器之前，会吸收超过50％的光。此外，吸收的光被转换为热，该热量可能会损坏偏振器的性能。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种新颖的系统，该系统可以获得具有较高的光通量，并且具有较小的散热的均匀照射。
本发明另一目的是提供一种新颖的系统，该系统可以容易地适合于几种尺寸的光阀。
因此，本发明涉及一种用于投影和可视化图像的系统，该系统具有成像器；用于照射成像器的装置，该装置包括光源、以及用于将来自光源的光束指向成像器的装置；由光导组成的光学积分器，所述的光导之后跟随着用于将在光导内光束反射期间产生的虚照明光源指向成像器的装置，其特征在于该系统包括在用于指引虚照明光源的装置之后的偏振分光器装置；以及用于指引虚照明光源的装置执行将所述的虚光源成像到偏振分光器装置上。对于上述的系统，通过使用由虚光源组成的多个照明光源，获得对成像器的均匀照射。
依据不同的实施例，光导是反射型的。因此，光导可以由其内壁是反射镜的中空管形成，或者由诸如玻璃的材料的固体棒组成，其中反射以全内反射的方式发生。依据成像器的横截面，该光导可以具有平行六面体的形状、或者具有矩形或者也可能为方形横截面的截棱锥的形状。此外，光导的输出横截面具有与成像器相同的长宽比，并且光导的输入面位于用于将来自光源的光束指向成像器的装置的焦平面上。用于将来自光源的光束指向成像器的所述装置可以由与会聚透镜关联的椭圆反光器或者抛物面反光器组成。
依据本发明的其他的特征，用于指引虚照明光源的装置由至少一个第一透镜组组成。偏振分光器装置由与半波膜关联的薄膜偏振分光器元件形成的行组成，其中半波膜用于将所有非偏振的光束转换为单一的偏振光。分光器元件组由相互平行的梯形元件形成。用于将光导的输出成像到成像器上的第二透镜组位于偏振分光器装置的后面。
依据本发明的另一特征，第二透镜组包括可以在PBS的输出之间移动的透镜，以及将光束聚焦到成像器上的透镜，从而使该装置适合各种尺寸的阀。该特征还可以将照射的尺寸优化为阀的定位公差的函数，以便获得最大限度的通量。
此外，在第二透镜组和成像器之间设置收集透镜，以致于在输出时，所有的光束到达成像器，也就是说，在偏振分光器侧，第一透镜组是远心的，而在输入端和输出端，即在偏振分光器侧和在成像器侧，第二透镜组是远心的。依据优选的实施例，成像器由液晶阀组成。
通过阅读参考附图而在以下给出的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，图1是依据现有技术的具有包括光学积分器的照明系统的投影系统的示意图，已经对其进行了描述，图2是一行偏振分光器元件或者PBS的示意的截面图，图3A和3B是对于可移动透镜的不同位置，依据本发明的具有包括光学积分器的照明装置的投影系统的示意图，图4和5是图3中的元件的局部视图，从而可以解释本发明工作的方式，图6表示由图5的系统创建的多个光源的位置，图7A和7B是围绕在图3A和3B中分别表示的PBS的透镜系统的示意图，图8A和8B是光导的另一的实施例的示意透视图，图9A和9B示意地显示在图8a中的该类型的光导中的光束的路径，以及图10表示由图9A和9B的系统获得的多个虚光源的位置。
为了简化描述，在图中相同的元件表示相同的参考符号。
具体实施例方式
首先，将参考图3A和3B描述依据本发明的投影系统的实施例。示意性地，依据本发明的系统具有由光源11和用于将光束指向成像器17上的反光器12组成的照明装置10。依据本发明，将由积分器光导13组成的光学积分器系统设置在反光器12之后。在光导的输出设置第一透镜14，然后设置偏振分光器或者PBS15、第二透镜组16、以及成像器17。现在将更详细地描述本系统的各个元件。在所表示的实施例中，光源11由放电灯即氙或者MHL类型的弧光灯组成。由反光器12将来自光源11的光束指向成像器17。反光器12可以是与会聚透镜关联的抛物面反光器，该会聚透镜被放置在抛物面反光器的输出端，以便聚焦已经反射到积分器光导13的光束。反光器还可以由椭圆反光器组成，光源的位置与椭圆的第一焦点对齐，而光导13的输入面位于椭圆的第二焦点的平面上。在所表示的实施例中，光导13由直角平行六面体组成，也就是说，由输出横截面具有与成像器相同的长宽比的管组成。该管具有四个反射面。并且该管充满空气。光导还可以由按照全内反射工作的玻璃棒组成。选择管的长度以便在该管的输出端获得照射的均匀性，以及特别地如图9所示，通过多次反射传播输入端的光直到管的末端。通过透镜系统14，将来自光导13的光束指向偏振分光器或者PBS 15，以下将更详细地描述这一情况。偏振分光器15由一行诸如参考图2所描述的元件组成。透镜14的系统执行将在光导内的多次反射期间获得的虚光源阵列(图5和6)，成像到偏振分光器元件的行上，以下将会更详细地描述这一情况。将来自PBS15的s偏振光线或者p偏振光线通过透镜系统16，发送到成像器17上，在所表示的实施例中，成像器由液晶阀组成。依据本发明，透镜系统16包括固定透镜16a和可移动透镜16b，它们一起将光导的输出13b成像到成像器17上。可移动透镜改变照射成像器的光矩形尺寸的放大倍数，并且固定的透镜将光束聚集到可移动透镜。在图3A的实施例中，透镜16b位置离PBS 15较近，并且照射与图3B的情况相比具有更小尺寸的成像器，在图3B中，透镜10b离透镜16a较近。
现在将参考图4、5和6，更具体地描述本发明的工作原理。在这些图中，所示的元件具有与图3中的相似元件相同的参考符号。所使用的反光器是抛物面反光器12，该反光器与会聚透镜18关联，以便将由反光器12反射的光线发送到光导13的输入端。在光导13，发生多次反射，并且如图4所示，混合在13b从光导13发出的光线。然而，如果通过沿着每一条光线追溯到位于透镜18的焦平面上的光导13的输入面级，而研究从13b发出的光线的起点，则观察到的一系列的多个光源与输入平面13a平齐。通过借助于消除侧壁的光线追踪程序来散焦光导的输出，以及将反光镜定位到光导的输出，可以可视化这多个光源。如图3所示，在不同的反射期间于光导内已经产生了这些虚光源。如图6的辐射图所示，定位这多个虚光源VS。依据本发明，将位于光导的输入侧上的虚光源VS的行成像到PBS行15上，而将形成均匀照射的矩形开口的光导的输出侧直接成像到成像器17上。特别地，借助于在图7A和7B中所示的透镜系统来获得这一成像。使用形成输出13b的图像的透镜系统可以在具有低损失的成像器上获得较高的光通量，由于PBS 15的使用，可以正确地偏振光通量。如图7A和7B所示，形成虚光源的图像的透镜系统14由第一透镜14a和第二透镜14b组成，第二透镜14b与透镜14a互补。在由图7所示的特定实施例中，透镜系统14形成其瞳孔位于组14的外部的准直仪。在PBS的输出，还包括具有固定透镜16a和可移动透镜16b的透镜系统16，以上已经解释了该系统的作用。固定透镜16a将光线集中到成像器上，可移动透镜16b改变13b的图像的放大倍数。
使用上述的系统，可以获得较高的照明均匀性和效率，并且照明的尺寸最优地适合于成像器的各种尺寸。此外，在最后的步骤，将光传输到投影透镜的入瞳。由于执行成像器的照射以使其为远心的，所以不需要使用物镜。此外，在这样的系统中，可以在成像器17和透镜系统16之间插入分色组件，以便照射三个图像，其中对于每一个颜色一个图像。由刚好在投影透镜之前的另一分色组件(color separation cube)执行颜色的重组。该系统的优点在于分色组件的照射大致上是远心的，导致屏幕上几乎没有颜色位移。
现在将描述上述系统的实际实施例。该实施例用于仿真。
配置7A
配置7B(只改变透镜16b的位置)现在将参考图8到10，描述光导的另一实施例。如图8A和8B所示，光导20和21可以依据成像器的横截面，由具有矩形或者方形横截面的截棱锥组成。
在图8A中，光导20具有大于输出横截面20b的输入横截面20a，而在图8B中，光导21具有小于输出横截面21b的输入横截面21a。在两种情况下，侧壁20c、20d和21c、21d的角度略微倾斜，从而可以精确地控制在偏振分光器或者PBS中光源的定位，以便透射最优化的光通量。
在分别表示在图8A中的光导20的Zx和Zy上的截面图的图9a和9b中，已经表示了在输出20b的光束去往符号表示为22的PBS的路径。光导的特定形状，可以变换如图10所示的相对于彼此的光源的虚像VS，还可以优化在PBS中的实际光源的定位，其中光导的形状为水平的(图9A)和垂直的(图9B)。
显然，仅仅是通过说明的方式给出了上述实施例，可以对其进行修改而不脱离后面的权利要求的范围。
权利要求
1.一种用于投影或者可视化图像的系统，该系统具有成像器(17)；用于照射成像器的装置，该装置包括光源(11)、以及用于将来自光源的光束指向成像器的装置(12)；由光导组成的光学积分器(13，20，21)，所述光导之后跟随着用于在光导内的光束反射期间将虚照射源指向成像器的装置，其特征在于该系统包括在用于指引虚照射源的装置(14)之后的偏振分光器装置(15)，以及用于指引虚照射源的装置执行将所述的虚光源成像到偏振分光器装置(15)上。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于光导(13、20、21)是反射型的。
3.根据权利要求1和2所述的系统，其特征在于光导是平行六面体或者截棱锥形的。
4.根据权利要求2和3所述的系统，其特征在于光导由其内壁是反光镜的中空管形成，或者由以全内反射工作的诸如玻璃的固体棒组成。
5.根据前述权利要求的任何一个所述的系统，其特征在于光导的截面具有与成像器相同的长宽比。
6.根据前述权利要求的任何一个所述的系统，其特征在于光导的输入面位于用于将来自光源的光束指向成像器的装置(12)的焦平面。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于用于将来自光源的光束指向成像器的装置(12)由与汇聚透镜关联的椭圆反光器或者抛物面反光器组成。
8.根据前述权利要求的其中之一所述的系统，其特征在于用于指引虚照明光源的装置由至少一个透镜的组(14)组成。
9.根据前述权利要求的其中之一所述的系统，其特征在于偏振分光器装置由与半波膜关联的薄膜偏振分光器元件形成的行组成，其中半波膜用于将所有的非偏振光束转换为单一的偏振光。
10.根据前述权利要求的其中之一所述的系统，其特征在于把用于将偏振分光器装置的输出成像到成像器上的第二透镜组(26)设置在偏振分光器装置之后。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于第二组(61)中的透镜的至少一个(16a)可以在偏振分光器装置和成像器之间移动，以把照射调节到成像器的尺寸。
12.根据前述权利要求的其中之一所述的系统，其特征在于在偏振分光器装置所处的一侧的第一透镜组(14)是远心的，并且在分光器装置和成像器之间的第二透镜组(16)是远心的。
13.根据前述权利要求的其中之一所述的系统，其特征在于成像器是液晶光阀。
全文摘要
本发明涉及一种用于投影或者可视化图像的系统，该系统具有成像器(17)；用于照明成像器的装置，该装置包括光源(11)、用于将来自光源的光束指向成像器的装置(12)由光导组成的光学积分器(13、20、21)，所述的光导之后跟随着用于在光导内的光束反射期间将虚照明光源指向成像器的装置，该系统具有在用于将虚照射光源指向成像器的装置(14)之后的偏振分光器装置(15)，其中用于指引虚照射光源的装置执行将所述的虚光源成像到偏振分光器装置(15)上。本发明特别应用于LCD成像器。
文档编号G02F1/13357GK1547679SQ02804039
公开日2004年11月17日 申请日期2002年1月14日 优先权日2001年1月24日
发明者瓦尔特·德拉日奇, 德尼·巴塔雷尔, 巴塔雷尔, 瓦尔特 德拉日奇 申请人:汤姆森许可贸易公司