高效照明系统、卷动单元和使用其的投影系统的制作方法

专利名称：高效照明系统、卷动单元和使用其的投影系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高效照明系统、一种用于卷动入射光的卷动(scrolling)单元、和一种使用该高效照明系统和卷动单元的投影系统，更具体地讲，涉及一种提高以单面板结构紧密制成的光源的光效并降低其通量照度比(etendue)的高效照明系统、一种以改善的方式执行卷动的卷动单元、和一种使用该高效照明系统和卷动单元的投影系统。
背景技术：
投影系统根据光阀的数量被分为三面板投影系统和单面板投影系统，光阀基于逐像素(pixel-by-pixel)通过控制从作为光源使用的高能灯发出的光的接通/断开操作来形成图像。单面板投影系统在尺寸上可以具有比三面板投影系统的光学系统小的光学系统。但是，由于单面板投影系统顺序地将白光分为红(R)、绿(G)、蓝(B)颜色的三束光束，所以单面板投影系统的光效降低为三面板投影系统的光效的1/3。因此，已经做出了提高单面板投影系统的光效的尝试。
在美国第2002/191154A1号申请中公开了一种传统投影系统。如图1所示，在公开的传统单面板投影系统中，从光源100发出的白光通过第一透镜阵列102和第二透镜阵列104及偏振光束光学分束器阵列105，然后被第一分色滤光镜109、第二分色滤光镜112、第三分色滤光镜122、和第四分色滤光镜139分为R、G、和B色光束。R和G色光束传播通过第一分色滤光镜109并沿着第一光路I1前进，而B色光束被第一分色滤光镜109反射并沿着第二光路I2前进，以被反射镜133反射。沿着第一光路I1前进的R和G色光束被第二分色滤光镜112相互分离。换句话说，R色光束传播通过第二分色滤光镜112并沿着第一光路I1前进，以被另一反射镜138反射，而G色光束被第二分色滤光镜112反射并沿着第三光路I3前进。
如上所述，从光源100发出的白光被分为R、G、和B色光束，并且R、G、和B色光束被卷动以分别相应于R、G、和B色光束通过第一棱镜114、第二棱镜135、和第三棱镜142。第一棱镜114、第二棱镜135、和第三棱镜142分别设置在第一光路I1、第二光路I2、和第三光路I3上，并且匀速地旋转，从而R、G、和B色光束被卷动。沿着第二光路I2前进的B色光束传播通过第四分色滤光镜139，沿着第三光路I3前进的G色光束被第三分色滤光镜139反射，从而G和B色光束混合。最终，R、G、和B色光束由第四分色滤光镜122混合并通过偏振光束光学分束器127，并且光阀130使用R、G、和B色光束来形成图像。这里，标号125指偏振片，标号118和133指光路变换单元。
图2示出了由于第一棱镜114、第二棱镜135、和第三棱镜142的旋转而卷动R、G、和B色带的过程。这里，当相应于R、G、和B色光束的第一棱镜114、第二棱镜135、和第三棱镜142同时以相同的速度旋转时，在光阀130表面上形成的R、G、和B色带周期性地移动。例如，如果R、G、和B色带在在光阀130上形成，那么如图2所示当R、G、和B色带旋转一轮时，产生一帧彩色图像。
光阀130根据开关信号通过处理其各个像素来形成彩色图像。投影透镜(未示出)将彩色图像放大并将其投影到屏上。
在上述方法中，由于光路被用于三束色光束中的每束，所以需要用于三束色光束中的每束的透镜，并且用于聚集分离的光束的部件是必要的。因此，单面板投影系统的体积增加，装配其困难，并且光路复杂，使得安排光轴变得困难。另外，在将光分为三束色光束和聚集该三束色光束的过程中，光束的通量照度比增加。这里，通量照度比E指光学系统中的光学保守物理量，并且被表示为方程1。
E=πAsin2(θ12)=πA(4Fno)2···(1)]]>其中，A表示物体的面积，该物体的通量照度比被测量，并且Fno表示F个透镜。在方程1中，通量照度比取决于物体的面积和F数，并且指由光学系统的几何结构所表达的物理量。在光学系统起点的通量照度比应等于在光学系统终点的通量照度比，从而光效被最佳化。例如，如果在光学系统终点的通量照度比大于在起点的通量照度比，那么光学系统的体积增加。如果在终点的通量照度比小于在起点的通量照度比，那么光可能会损失。如果光源的通量照度比很大，那么光束入射到后续透镜的角度变宽。因此，难以组成满足这些需求的光学系统。但是，当降低通量照度比时可以容易地组成光学系统。
但是，在单面板卷动投影显示装置中，光束被分为三束色光束，然后被聚集。由于此原因，所以发散角变大，因此通量照度比增加。因此，由于通量照度比增加而导致组成光学系统变得困难。
另外，在一般的单面板投影系统中，白光被分为R、G、和B色光束，这些光束由滤光镜顺序地发送到光阀。光阀根据R、G、和B色光束的次序来操作以形成彩色图像。如上所述，由于单面板投影系统顺序地使用R、G、和B色光束，所以光效降低为三面板投影系统的光效的1/3。为了解决这些问题，建议了一种颜色卷动方法。在该颜色卷动方法中，在白光被分为R、G、和B色光束之后，R、G、和B色光束同时被发送到光阀的不同位置。所有的R、G、和B色光束必须到达一个像素以实现彩色图像。因此，使用特定方法，每束R、G、和B色光束匀速移动。在传统的单面板投影光学系统中，当棱镜为了卷动而旋转时，独立的棱镜用于每束色光束。但是，将棱镜的驱动速度和光阀匹配是困难的，并且由于棱镜的圆周运动，用于卷动色光束的速度可能不是均匀的。由于分立的部件对每束色光束是必要的，所以光学系统的体积增加，并且制造和装配该光学系统的过程复杂。其结果是，该光学系统的产量减少。

发明内容
本发明提供一种照明系统和一种采用该照明系统的投影系统，该照明系统降低了光源的通量照度比，以实现光学系统的易于制造，获得紧凑的光学系统，并且增加光效。
本发明还提供一种卷动单元，通过其所有的色带能够被卷动。
本发明还提供一种紧凑的单面板投影系统，其通过采用该卷动单元而具有提高的光效。
根据本发明的一方面，提供一种照明系统，包括灯泡，用于发光；反射镜，用于反射从灯泡发出的光，并且具有被反射的光射向其的开口；和至少一个反射单元，用于覆盖反射镜的开口的一部分。
反射镜可以是椭圆形反射镜或抛物线形反射镜。
根据本发明的一方面，提供另一种照明系统，包括灯泡，用于发光；反射镜，用于反射从灯泡发出的光；和反射单元，安装在灯泡表面的一部分上。
反射单元最好安装在面向反射镜的灯泡的半球面的一部分上。
根据本发明的另一方面，提供一种投影系统，其使用光阀根据输入图像信号通过处理从照明系统发出的光，来形成图像，放大图像，并且使用投影卷动单元来将图像投影到屏上。这里，该照明系统包括灯泡，用于发光；反射镜，用于反射从灯泡发出的光，并且具有被反射的光从灯泡射向其的开口；和至少一个反射单元，用于覆盖反射镜的开口的一部分。
根据本发明的另一方面，提供一种投影系统，其使用光阀根据输入图像信号通过处理从照明系统发出的光，来形成图像，放大图像，并且使用投影卷动单元来将图像投影到屏上。这里，该照明系统包括灯泡，用于发光；反射镜，用于反射从灯泡发出的光；和反射单元，安装在灯泡表面的一部分上。
根据本发明的另一方面，提供一种用于卷动入射单元的卷动单元。该卷动单元包括旋转轴线和至少一个透镜单元。透镜单元包括入射端和出射端，将入射光分割为各个透镜单元的光束，并且使卷动单元的旋转导致为光束的直线运动。
光束的直线运动在光束变得靠近或远离旋转轴线的方向上做出。
卷动单元的旋转导致光束的直线运动周期性地重复。
最好，透镜单元成螺旋形地放置并且是柱面透镜。
根据本发明的另一方面，提供另一种具有至少一个透镜单元的卷动单元。在该卷动单元中，从入射到至少一个透镜单元的光的视点来看，至少一个透镜单元的旋转被转换为透镜阵列的直线运动，从而入射光被卷动。
透镜单元由衍射光学元件和全息光学元件中的任一个形成，从而入射光根据颜色被分割。
透镜单元被这样设置，当画法线到透镜单元时，邻近透镜单元之间的间隔是均匀的，并且邻近透镜单元的法线矢量相同。
透镜单元的螺旋轨迹(Qkx，Qky)满足下面的方程Qkx＝Q1，xcos(k-1)θ2-Q1，ysin(k-1)θ2Qky＝Q1，ysin(k-1)θ2-Q1，ycos(k-1)θ2其中，Q1，x和Q1，y分别表示第一透镜单元的x和y坐标，k表示自然数，θ2表示邻近曲线之间的旋转角度。
根据本发明的另一方面，提供另一种用于卷动入射光的卷动单元，其中包括至少一个透镜单元，并且从入射光的视点来看，该至少一个透镜单元的位置随卷动单元绕旋转轴线旋转而改变。
根据本发明的另一方面，提供一种紧凑的单面板投影系统，其包括光源、光学分束器、至少一个卷动单元、和光阀。光学分束器根据波长分离从光源发出的光。至少一个卷动单元具有至少一个透镜单元。在卷动单元中，对由透镜单元透射的光来说，透镜单元的旋转被转换为透镜阵列的直线运动，从而入射光被卷动。从光源发射的光被光学分束器和卷动单元分离为色光束，并且色光束聚焦在光阀上。光阀根据输入图像信号处理入射光以形成彩色图像。
最好，至少一个复眼透镜阵列被安装在卷动单元和光阀之间的光路上。
包括用于将由至少一个复眼透镜阵列透射的光聚焦在光阀上的转像透镜。
光学分束器包括以不同角度相邻放置的第一到第三分色滤光镜以根据波长有选择地透射或反射入射光，并且卷动单元被安装在光学分束器之后。
光学分束器包括并行放置的第一到第三分色滤光镜以根据波长有选择地透射或反射入射光，并且卷动单元被安装在光学分束器之前。
最好，第一柱面透镜被安装在至少一个卷动单元之前，并且与第一柱面透镜成对的第二柱面透镜被安装在卷动单元之后，以控制入射光束的宽度。
确定在至少一个卷动单元上的透镜单元的数量，以便卷动单元可与光阀的工作频率同步工作。
根据本发明的另一方面，提供了另一种包括光源、至少一个卷动单元、和光阀的紧凑的单面板投影系统。该至少一个卷动单元具有至少一个单元，并由衍射光学元件和全息光学元件的任一个制造，以便根据波长分离从光源发射的光并且通过将单元的旋转转换成单元阵列的直线运动来卷动入射光。从光源发射的光被光学分束器和卷动单元分离为色光束，并且色光束聚焦在光阀上。光阀根据输入图像信号处理入射光以形成彩色图像。
根据本发明的另一方面，提供了另一种包括光源、光学分束器、至少一个卷动单元、和光阀的紧凑的单面板投影系统。该光学分束器根据波长将从光源发射的光分开。该至少一个卷动单元具有至少一个透镜单元。该透镜单元具有入射方和射出方，并将入射光分割为光束。透镜单元的旋转引起光束的直线运动以实现入射光的卷动。从光源发射的光被光学分束器和卷动单元分离为色光束，并且色光束聚焦在光阀上。光阀根据输入图像信号处理入射光以形成彩色图像。
根据本发明的另一方面，提供了另一种包括光源、光学分束器、至少一个卷动单元、和光阀的紧凑的单面板投影系统。该光学分束器根据波长将从光源发射的光分开。该至少一个卷动单元具有至少一个透镜单元。从入射光的视点，当卷动单元围绕旋转轴旋转时该至少一个透镜单元的位置改变。从光源发射的光被光学分束器和卷动单元分离为色光束，并且色光束聚焦在光阀上。光阀根据输入图像信号处理入射光以形成彩色图像。


图1显示了在美国第2002/191154 A1号申请中公开的传统的投影系统；图2是用于解释在图1所示的投影系统中使用的卷动色带(scrolling colorbars)的方法的视图；图3是根据本发明第一实施例的投影系统的分解透视图；图4A和图4B是显示根据本发明实施例的照明系统的视图；图5和图6是显示根据本发明另一实施例的照明系统的视图；图7A是显示根据本发明另一实施例的颜色卷动单元的正视图；图7B是沿图7A中的VII-VII线所取的截面图；图7C是用于解释设计图7A中的颜色卷动单元的过程的图解；图8显示了在没有包括柱面透镜的投影系统中和在包括柱面透镜的投影系统中，当光束通过卷动单元时光束的形状；图9是根据本发明第二实施例的投影系统的方框图；图10显示了按照根据本发明的卷动单元的旋转，颜色卷动的操作；图11A至图11C显示了在根据本发明的投影系统中执行的颜色卷动方法；图12是根据本发明第三实施例的投影系统的正视图；图13是根据本发明第三实施例的投影系统的分解透视图；图14A是根据本发明第四实施例的投影系统的正视图；图14B显示了在根据本发明的第四实施例中执行的颜色卷动方法；
图15是根据本发明第五实施例的投影系统的正视图；图16A和图16B示出了由在根据本发明第五实施例的投影系统中适用的衍射光学元件(DOE)卷动单元执行的衍射；图17是显示相对于光栅的半径光栅间隔的变化的图形；图18示出了由波带板导致的光束会聚；图19A至图19C示出了制造在根据本发明第四实施例的投影系统中使用的DOE卷动单元的过程；图20示出了体积全息类型的卷动单元的制造；图21A是连续浮雕类型的DOE卷动单元的结构视图；图21B是多级衍射(MOD)透镜类型的DOE卷动单元的结构视图；图21C是双类型的DOE卷动单元的结构视图；图21D是多阶类型的DOE卷动单元的结构视图；和图22是显示相对于波长的一般DOE透镜的衍射效率和MOD透镜的衍射效率的图形。
具体实施例方式
现在将详细参照本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图来描述这些实施例以解释本发明。
参照图3，根据本发明第一实施例的投影系统包括光源10；光学分束器15，用于根据波长将从光源10发出的光分为多个色光束；至少一个卷动单元20，用于卷动由光学分束器15分开的色光束；和光阀40，用于根据图像信号来处理由卷动单元20卷动的色光束，以形成彩色图像。
至少一个复眼透镜(例如，第一复眼透镜25和第二复眼透镜26)和透镜组30还可以安装在卷动单元20和光阀40之间的光路上。由光阀40形成的彩色图像由投影透镜系统(未示出)放大并投影在屏上。
参照图4A和图4B，光源10发出白光并且该光源是灯光源，其中从具有放电尖端1的灯泡3发出的光(辐射光或弧光)被反射镜5反射。如图4A所示，至少一个反射单元7安装在光源10上，以覆盖(遮住)光源10的开口2的一部分，从而降低通量照度比E。反射镜5可以是椭圆反射镜，其第一个焦点是灯泡3，第二个焦点是光聚焦的点。或者，反射镜5可以是抛物线形反射镜，其使用灯泡3作为焦点，并且准直从放电尖端1发出的并被反射镜5反射的光束。图4A和图4B中所示的反射镜5是抛物线形反射镜。
参照图4B，从具有放电尖端1的灯泡3发出的光束被反射镜5反射。一部分反射的光束从光源10通过开口2射出。其余的光束也被反射单元7朝反射镜5反射。反射镜5将接收到的光束朝相对侧反射，并且反射的光束从光源10通过开口2射出。
适当数目的反射单元7可以按各种形状放置在合适的位置，以降低光源的通量照度比E。例如，反射单元7可以置于反射镜5的开口2的一侧。如图4B所示，反射单元7可以放置在反射镜5的开口2的上半圆部分。除了这些部分之外，反射单元7还可以放置在反射镜5的开口2的下半圆部分、左半圆部分、或右半圆部分。在这些情况下，通量照度比E是相同的。
在如图5所示的另一种方法中，安装了第一反射单元8a和第二反射单元8b，它们基于反射镜5的开口2对称地放置。这里，第一反射单元8a和第二反射单元8b对称地放置在于反射镜5的开口2的上位置和下位置。但是，第一反射单元8a和第二反射单元8b也可以对称地放置在于反射镜5的开口2的左位置和右位置。D表示开口2的整个直径，R表示第一反射单元8a和第二反射单元8b的宽度。另外，开口2的实际(有效)开口的直径(长度)D′由公式(D-2R)＝D′表示。
下面将描述通过安装至少一个反射单元以遮住反射镜5的开口2来降低通量照度比E的过程。参照图4B，灯泡3发出辐射光。这里，反射镜5分为其上没有安装反射单元7的第一反射镜5a、和其上安装了反射单元7的第二反射镜5b。朝第一反射镜5a发出的第一光束用A表示，朝第二反射镜5b发出的第二光束用B表示。首先，朝第一反射镜5a发出的第一光束A被第一反射镜5a反射，并且立即射向光源10的外部。朝第二反射镜5b发出的第二光束B被第二反射镜5b反射，被反射单元7朝第二反射镜5b再次反射，朝第一反射镜5a反射，并且通过开口2的实际开口射向光源10的外部。
最终，灯泡3通过其发光的开口2的实际区域可被减少，而不损失光的总量。换句话说，在没有安装反射单元7的情况下，光通过反射镜5的整个开口2而射出。但是，通过安装反射单元7，与通过反射镜5的整个开口2射出的光相同量的光可以只通过反射镜5的开口2的一部分而射出。当光通过其射出的反射镜的开口2的实际区域减少时，光源10的通量照度比E能够被降低。
如图5所示，将描述第一反射单元8a和第二反射单元8b基于开口2对称地安装的情况。这里，反射镜5分为其上安装了第一反射单元8a的第三反射镜5c、其上没有安装第一反射单元8a和第二反射单元8b的第四反射镜5d、和其上安装了第二反射单元8b的第五反射镜5e。
灯泡3发出辐射光，该辐射光的一部分被第四反射镜5d反射并立即向外射出，剩余部分的光被第三反射镜5c和第五反射镜5e反射，朝第一反射单元8a和第二反射单元8b前进，被第一反射单元8a和第二反射单元8b反射，被第三反射镜5c和第五反射镜5e反射，并且经过没有被第一反射单元8a和第二反射单元8b覆盖的开口2的部分射出。因此，光通过其射出的反射镜5的开口2的实际区域能够被减少，由此降低通量照度比E。
详细地，朝第三反射镜5c发出的光被第一反射单元8a反射，被第三反射镜5c和第五反射镜5c再次反射，并且通过具有直径D′而且不具有任何安装的反射单元的实际开口而射出。另外，朝第五反射镜5e发出的光被第二反射单元8b反射，被第五反射镜5e和第四反射镜5d再次反射，并且通过具有直径D′而且不具有任何安装的反射单元的实际开口而射出。因此，光通过其射出的实际区域比没有安装第一反射单元8a和第二反射单元8b的情形减少，以降低通量照度比E。
参照图6，在包括反射镜5的另一光源10中，反射镜5具有灯泡3，灯泡3带有放电尖端1，灯泡3只有一部分覆盖有反射膜或反射单元9，以降低光源10的通量照度比E。例如，面向反射镜5的灯泡3的一部分覆盖有反射膜或反射单元9。从没有覆盖上反射膜或反射单元9的灯泡3的剩余部分发出的一部分辐射光被反射镜5反射，并且射向光源10的外部。朝反射膜或反射单元9发出的光被反射膜或反射单元9朝反射镜5反射，被反射镜5再次反射，并且射向光源10的外部。这里，D表示反射镜5的开口2的整个直径，E表示由于反射膜或反射单元9使光不通过其射出的开口2的第一区域的直径，D″表示光通过其射出的开口2的第二区域的直径。在图6中，反射膜或反射单元9在灯泡3的半球面上近似地形成。但是，反射膜或反射单元9在其中安装的区域和位置可以改变。因此，光源10的通量照度比能够被充分地控制。
使用上述方法降低了通量照度比之后，从光源10发出的光被光学分束器15分为至少两束色光束。例如，光学分束器15可以由第一分色滤光镜15a、第二分色滤光镜15b、和第三分色滤光镜15c组成，放置这些分色滤光镜以相对于光源10分开合适的角度。从光源10发出的光被第一分色滤光镜15a、第二分色滤光镜15b、和第三分色滤光镜15c分别分为R、G、和B色光束，然后被卷动单元20卷动。卷动单元20虽然其中只包括一个卷动单元20，但也可以包括两个或更多的卷动单元20。
参照图7A，通过成螺旋形地设置至少一个透镜单元20a来形成卷动单元20。如图7B所示，卷动单元20的截面具有柱面透镜阵列结构，在该结构中，每个柱面透镜具有曲率半径rarc。例如，透镜单元20a可以是柱面透镜，并且卷动单元20可以具有圆盘形状。但是，卷动单元20的形状不限于圆盘形状，也可以是圆柱形状。因此，透镜单元20a可以环绕圆柱形卷动单元20的曲面成螺旋形地放置。
通过使用渐开线函数成螺旋形地设置透镜单元20a来设计卷动单元20。渐开线函数广泛用于齿轮设计并能够被认为从线轴解开的螺纹终点沿着经过的迹线。参照图7C来更详细地解释，从卷动单元20的中心圆21的接触点P画切线至任意点Q，并且线段PQ被等分以创建虚构的等分点P1、P2、P3、和P4。当每个点被认为以预定短的长度从线轴解开的螺纹的终点时，可以得到方程1I＝r*θOP→=r(cosθ,sinθ)···(1)]]>其中，r表示中心圆21的半径，I表示线段PQ的长度，θ表示具有长度I的开端绕中心圆21的角度， 表示从原点O到P点的矢量。由于 是从P点画线到切线的矢量，所以 是 的切线矢量并具有长度I。因此， 能以方程2表达PQ→=I(sinθ,-cosθ)=rθ(sinθ,-cosθ)···(2)]]>参照方程1和2，使用方程3可获得 OQ→=OP→+PQ→]]>=(rcosθ+rθsinθ,rsinθ-rθcosθ)···(3)]]>如果 的切线矢量是 并且 的大小是I，则使用方程4来获得
Q′→=I(cosθ,sinθ)=rθ(cosθ,sinθ)···(4)]]>点P1、P2、P3、和P4的矢量 和 具有在中心圆21上的相同接触点，相同的半径r、和相同的角度θ。因此，从方程4中可以看出，在每个点的切线矢量 相同。
另外，在邻近的螺旋曲线(S1和S2)、(S2和S3)或(S3和S4)中，第二螺旋曲线可以被认为已经从第一螺旋曲线旋转了预定角度θ2。如果假设卷动单元被分为n个单元，那么能够使用方程5来获得邻近的螺旋曲线(S1和S2)、(S2和S3)或(S3和S4)之间的旋转角度θ2θ2=2πn···(5)]]>根据方程1， 的大小I与θ成比例，所以邻近点P1和P2、P2和P3、或P3和P4之间的距离d也与旋转角度θ2成比例。因此，邻近点P1和P2、P2和P3、或P3和P4之间的距离与邻近的螺旋曲线(S1和S2)、(S2和S3)或(S3和S4)之间的最短距离d相同，并且可以使用方程6来获得距离dd=r*θ2=r*2πn···(6)]]>从方程6中可以看出，因为n和r是常数，所以邻近的螺旋曲线(S1和S2)、(S2和S3)或(S3和S4)之间的最短距离d是常数。通过将第一条曲线S1旋转(k-1)*θ2来获得第k条曲线Sk的坐标QK。因此，当第一条曲线S1的坐标是Q1时，第k条曲线Sk的坐标QK可表示为方程7Qk=Rot((k-1)*θ2)*θ1=Rot(2π(k-1)n)*Q1···(7)]]>其中，Rot表示在任意角度旋转一个点的旋转单位矢量。方程7可被表示为如方程8的行列式Qk,xQk,y=cos(k-1)θ2-sin(k-1)θ2sin(k-1)θ2cos(k-1)θ2Q1,xQ1,y···(8)]]>参照方程8，从方程9可获得第k条曲线Sk的x和y坐标Qkx＝Q1，xcos(k-1)θ2-Q1，ysin(k-1)θ2Qky＝Q1，ysin(k-1)θ2-Q1，ycos(k-1)θ2...(9)透镜单元的曲线可沿着由方程9获得的轨迹而形成，卷动单元的截面形状是具有有曲率半径rarc的半圆形，并且卷动单元的的大小没有被特定地限制。使用方程6来计算邻近曲线之间的距离d。另外，卷动单元的内径必须大于线轴即中心圆的内径，卷动单元的外径没有限制。如上所述，设计根据本发明的卷动单元以具有螺旋形状，在该螺旋形状中，当相对于线轴即中心圆上的任意切线以规则的间隔画法线时，在切线和每条法线之间的交点P1、P2、P3、和P4的切线矢量满足相同的条件。由于距离d是卷动单元上的邻近透镜单元之间的最短距离，并且在交点P1、P2、P3、和P4的切线矢量相同，所以透镜单元的形状具有相同的曲率。
返回参照图3，根据本发明第一实施例的投影系统的光源10包括反射单元7，并因此能够降低光源10的通量照度比，而没有光的损失。从光源10发出的光被光学分束器15分为色光束。例如，光学分束器15可由相对于入射光轴线以不同的角度倾斜地放置的第一分色滤光镜15a、第二分色滤光镜15b、和第三分色滤光镜15c组建。光学分束器15根据预定波长范围将入射光分离，并且使分离的光束以不同的角度前进。例如，第一分色滤光镜15a从白入射光中反射在红波长范围内的R光束，并且同时透射在绿波长范围内的G光束和在蓝波长范围内的B光束。第二分色滤光镜15b从由第一分色滤光镜15a透射的光束中反射G光束，并且同时透射B光束。第三分色滤光镜15c反射由第一分色滤光镜15a和第二分色滤光镜15b透射的B光束。
入射光被第一分色滤光镜15a、第二分色滤光镜15b、和第三分色滤光镜15c根据波长分离为R、G、和B光束，这些光束以不同的角度被反射。例如，R和B光束会聚在G光束上。分离的颜色入射到卷动单元20上，并且每个被卷动单元20卷动。随后将描述卷动单元。
最好，第一柱面透镜13设置在卷动单元20之前，更具体地讲，在光学分束器15之前，并且第二柱面透镜22还设置在卷动单元20之后。第一柱面透镜13减少入射到卷动单元20上的光束的宽度，并且第二柱面透镜22将经过卷动单元20而发散的光束准直。参照图8，比较了从光源10发出的并且没有经过第一柱面透镜13而入射到卷动单元20上的光束和具有由第一柱面透镜13减少了的宽度然后入射到卷动单元20上的光束。
当经过卷动单元20的光束相对宽时，螺旋透镜阵列与光束的宽度不匹配，由此导致不匹配区域的光损失。为了最小化光损失，最好设置第一柱面透镜13以减小光束的宽度，从而螺旋透镜阵列的形状尽可能地匹配光束的宽度。
此后，经过卷动单元20的光束被第二柱面透镜22转变为平行光。如上所述，光的宽度由第一柱面透镜13和第二柱面透镜22控制，由此，降低光损失并提高彩色图像的质量。
经过卷动单元20的光的路径由光路转换单元23改变，然后路径改变后的光聚焦在第一复眼透镜阵列25和第二复眼透镜阵列26上。入射到第一复眼透镜阵列25和第二复眼透镜阵列26上的光被透镜单元25a和25b分割，并且相同颜色的光被透镜组30重叠并聚焦在光阀40上，由此形成色带。这里，不同颜色的光聚焦在光阀40的不同区域。透镜组30可以由聚光透镜和转像透镜组成。
还将棱镜35设置在透镜组30和光阀40之间，以有选择性地改变光路。例如，棱镜35透射经过透镜组30朝光阀40前进的光束，并且将由光阀40反射的光束朝投影透镜单元(未示出)反射。由光阀40形成的图像被投影透镜单元放大，并且放大后的图像落在屏上。这样就生成了彩色图像。光阀40可以是LCD、LCOS、DMD等。
参照图9，根据本发明第二实施例的投影系统包括光源50；光学分束器55，用于根据波长将从光源50发出的光分为色光束；至少一个卷动单元60，用于卷动由光学分束器55分离的色光束；和光阀67，用于根据图像信号来处理由卷动单元60卷动的色光束，以形成彩色图像。由光阀67形成的彩色图像被投影透镜系统68放大并投影到屏70上。
光源50发出白光，并且包括产生光的灯51、和反射从灯51发出的光并引导被反射的光的路径的反射镜53。反射镜53可以是椭圆形反射镜，其第一焦点f1是灯51的位置，并且第二焦点f2是光聚焦的点。或者，反射镜53可以是抛物线形反射镜，将灯51的位置设置为该抛物线形反射镜的焦点，并且该抛物线形反射镜能够准直从灯51发出的并被反射镜53反射的光束。图9中所示的反射镜5是椭圆形反射镜。如果抛物线形反射镜被用作反射镜53，那么在光源50的后面还必须包括用于聚光的透镜。
用于准直入射光的准直透镜54安装在光源50和光学分束器55之间的光路上。最好，距离第二焦点f2p/5来安装准直透镜54。这里，p表示灯51和从灯51发出的光聚焦的第二焦点f2之间的距离。通过以这种方式安装投影系统，光学系统的结构可以被制造得更紧凑。
从光源50发出的光被光学分束器55分为至少两束色光束。光学分束器55可以由相对于入射光轴线以不同的角度倾斜地放置的第一分色滤光镜55a、第二分色滤光镜55b、和第三分色滤光镜55c构成。光学分束器55根据预定波长范围将入射光分离，并且使分离的光束以不同的角度前进。例如，第一分色滤光镜55a从白入射光中反射在红波长范围内的R光束，并且同时透射在绿波长范围内的G光束和在蓝波长范围内的B光束。第二分色滤光镜55b从由第一分色滤光镜55a透射的光束中反射G光束，并且同时透射B光束。第三分色滤光镜55c反射由第一分色滤光镜55a和第二分色滤光镜55b透射的B光束。
入射光被第一分色滤光镜55a、第二分色滤光镜55b、和第三分色滤光镜55c根据波长分离为R、G、和B光束，这些光束以不同的角度被反射。例如，R和B光束会聚在G光束上，并且会聚的R、G、和B色光束入射到卷动单元20上。
卷动单元60是可旋转的。最好放置至少一个透镜单元60a以将卷动单元60的旋转转换为入射光的直线运动。例如，通过成螺旋形地放置至少一个透镜单元60a来形成卷动单元60。每个透镜单元60a将入射光分割为多个光束。这里，透镜单元60a可以是柱面透镜。
最好将第一柱面透镜56和第二柱面透镜57分别安装在卷动单元20的前面和后面。第一复眼透镜63和第二复眼透镜64与转像透镜65沿着卷动单元60和光阀67之间的光路而安装。
如上所述，入射到卷动单元60上的光的宽度被第一柱面透镜56减小。
现在将参照图11A到11C描述由卷动单元60执行的卷动操作。
在开始卷动操作的描述之前，参照图10，入射光被第一、第二、和第三分色镜55a、55b、和55c分割为具有不同波长的光束(即，R、G、B光束)，并且具有不同波长的光束以不同的角度向卷动单元60前进。入射光被光学分束器55分成的至少两个色光束重复入射到透镜单元60的每个上。这里，由卷动单元60发送的光束由参考符号L指示。该至少两个色光束(例如，R、G、B光束)以这样的方式聚焦在卷动单元60上，即不同色光束聚焦在不同区域上。当卷动单元60以均匀的速度旋转时，可获得光束L似乎做直线运动的效果。在光束L变为离卷动单元60的旋转轴更远或更近的方向做直线运动。在图10中，当卷动单元60沿由箭头J指示的方向旋转时，入射在卷动单元60上的光束似乎在光束L变为远离卷动单元60的旋转轴的方向做直线运动。
另一方面，从光束L的视点，当卷动单元60旋转时安装在光束L的路径上的透镜阵列似乎做直线运动。换句话说，当卷动单元60旋转时，由卷动单元60透射的光束的位置似乎改变。这个位置改变是在光束L变为离卷动单元60的旋转轴更远或更近的方向直线地进行的。然而，如果卷动单元60是圆柱形的，则基于卷动单元60的旋转轴进行透镜阵列的直线运动。
如图11A中所示，光被光学分束器55分成的色光束被卷动单元60分布在透镜单元60a上，相同颜色的光束被第一和第二复眼透镜阵列63和64及转像透镜65彼此重叠以在光阀67上形成不同色带。第一和第二复眼透镜阵列63和64及转像透镜65起到通过重叠相同颜色的光束来在光阀67的不同区域上形成不同色带的色带形成单元的作用。
首先，光束通过卷动单元60，第一和第二复眼透镜阵列63和64及转像透镜65在光阀67上形成色带，例如，依R、G、和B的顺序。然后，当卷动单元60旋转时，卷动单元60的透镜表面在光束通过卷动单元60时逐渐地向上或向下移动。相应地，当卷动单元60移动时，由卷动单元60透射的每个色光束的焦点改变，以便形成如图11B中所示的依G、B、和R顺序的色带。然后，当卷动单元60旋转以被卷动时，形成如图11C中所示的依B、R、和G顺序的色带。换句话说，光束入射在其上的透镜的位置根据卷动单元60的旋转改变，并且卷动单元60的旋转被转换成在卷动单元60的横截面的透镜阵列63和64的直线运动，以便卷动被执行。这样的卷动被周期性地重复。
在本发明中，具体地讲，卷动单元60可具有各种以其可通过将卷动单元60的旋转转换成入射光或透镜阵列的直线运动实现颜色卷动的形状。除了上述的螺旋排列之外，透镜单元可以不同的方式排列。例如，透镜单元可螺旋地排列在圆柱形的卷动单元的曲面上，或者在圆柱形的卷动单元的长度方向排列。
如上所述，在本发明中，因为卷动单元60对所有色光束被共用而不需要为每个颜色安装一个卷动单元，所以可使投影系统紧凑，并且各颜色可更容易地与一种颜色同步。色线形成在卷动单元60的透镜单元60a的每个上，并且色线形成在第一复眼透镜阵列63的透镜单元的每个上以与形成在透镜单元60a上的色线匹配。因此，最好被由卷动单元60透射的光束单独占据的透镜单元与第一和第二复眼透镜阵列63和64的行阵列对应。如果被由卷动单元60透射的光束占据的透镜单元的数量为4，则最好第一和第二复眼透镜阵列63和64的行阵列的数量为4。
如上所述，当卷动单元60旋转时，色带被重复卷动。具体地讲，由于卷动单元60在一个方向旋转而不改变旋转方向以执行卷动，所以可保证连续性和一致性。另外，使用单一卷动单元60的卷动有助于保持色带的速度恒定并有助于容易地将色带同步。
卷动单元60通过将透镜单元60a的旋转转换成透镜阵列的直线运动来卷动入射光束。也就是说，当卷动单元60旋转时，可从卷动单元60的横截面的视点观察到透镜阵列直线移动以远离或靠近卷动单元60的旋转轴。由于具有窄的宽度的光束通过卷动单元60，所以可获得通过直线移动的透镜阵列的光束的影响。
可控制在卷动单元60上的透镜单元60a的数量，以使卷动单元60与光阀67的工作频率同步。也就是说，如果光阀67的工作频率高，则包括更多的透镜单元，以便可在保持卷动单元60的旋转速度恒定时将卷动速度控制为更快。
另一方面，可通过保持在卷动单元上的透镜单元的数量一致并增加卷动单元的旋转频率来将卷动单元与光阀的工作频率同步。例如，当光阀67的工作频率为960Hz时，即当光阀67在1/960秒操作每帧从而每秒再现960帧时，可如下构造卷动单元60。卷动单元60的最外面的直径为140mm，最里面的直径为60mm，透镜单元60a的数量为32，每个透镜单元60a的宽度为5.0mm，并且每个透镜单元60a的曲率半径为24.9mm。在这个结构中，如果卷动单元20每一旋转再现32帧，则其必须每秒旋转30次以每秒再现960帧。以这个速度，卷动单元60必须在60秒中旋转1800次，相应地，其具有1800rpm的旋转速度。当光阀67的工作频率增加一半因此光阀67工作在1440Hz时，卷动单元60必须以2700rpm的速度旋转以与增加的光阀67的工作频率同步。
虽然图9显示了单一卷动单元60，但可根据设计规则包括多个卷动单元。现在将参照图12描述根据本发明第三实施例的投影系统。第三实施例在光学分束器的结构方面与第二实施例不同。在第二实施例中的光学分束器55包括分别以不同角度放置的第一、第二、和第三分色滤光镜55a、55b、和55c，而根据第三实施例的光学分束器75包括彼此平行的第一、第二、和第三分色滤光镜75a、75b、和75c。
参照图12，根据本发明第三实施例的投影系统包括光源70、卷动单元73、用于根据颜色将通过卷动单元73的光分开的光学分束器75、用于使由光学分束器75分开的色光束一个色光束被另一相同颜色的色光束地重叠的色带形成单元、和用于通过根据接收到的图像信号打开/关闭单独的像素来形成彩色图像的光阀80。卷动单元73在光学分束器75之前被安装，并且还在卷动单元73和光学分束器75之间设置棱镜74。如果光源70是椭圆形的镜子，则最好还在光源70和卷动单元73之间设置准直透镜72。
从光源70发射的光束被卷动单元73透射，然后经棱镜74入射在光学分束器75上。由于卷动单元73与在第二实施例中的卷动单元60相同，所以将不对其进行详细描述。光学分束器75包括彼此平行的第一、第二、和第三分色滤光镜75a、75b、和75c。
由卷动单元73透射的光束被透镜单元73a的每个分割为不同角度的会聚光束，然后在第一、第二、和第三分色滤光镜75a、75b、和75c上的不同位置被反射。其后，由第一、第二、和第三分色滤光镜75a、75b、和75c反射的光束聚焦在色带形成单元上。色带形成单元包括第一和第二复眼透镜阵列76和77以及透镜组79。透镜组79可包括聚光透镜和转像透镜。光被光学分束器75分成的至少两个色光束聚焦在第一复眼透镜阵列76的每个透镜单元上，并被第二复眼透镜阵列77根据颜色重叠。透镜组79使重叠地传播的光束被透射到光阀80并对不同的颜色聚焦在不同的区域上，由此形成色带。这里，透镜组79可由至少一个转像透镜替代。
具有这样的结构的投影系统以均匀的速度旋转卷动单元73以卷动形成在光阀80上的色带。这个卷动操作产生彩色图像。由于以上已描述了卷动操作，所以这里将不对其进行详细描述。
图13表示根据本发明第三实施例的投影系统的另一例子，其中卷动单元73包括用于减小射在卷动单元73上的光束的宽度的第一柱面透镜71和用于准直由卷动单元73透射的光的第二柱面透镜76。第一柱面透镜71沿在光源70和卷动单元73之间的光路设置，第二柱面透镜76沿在光学分束器75和第一复眼透镜阵列77之间的光路设置。
在从光源70发射的光射在卷动单元73上之前，该光束的宽度被第一柱面透镜71减小。通过减小射在卷动单元73上的光束的宽度，可减小因透镜单元73a的螺旋形状与射在透镜单元73a上的光的形状的不一致引起的光损失。也就是说，当光的宽度减小时，可减小因螺旋曲线形状引起的差别。然后，第二柱面透镜76将其宽度已被第一柱面透镜71减小的光束恢复为原始的平行光束。
参照图14A，根据本发明第四实施例的投影系统包括光源81、衍射光学元件(DOE)卷动单元82、和光阀90。设置DOE卷动单元82以根据波长分离从光源81发射的光并卷动分离的光束。光阀90根据输入信号处理由DOE卷动单元82透射的光以形成图像。第一和第二复眼透镜阵列87和88以及透镜组89被安装在DOE卷动单元82和光阀90之间。第一和第二复眼透镜阵列87和88以及透镜组89使由DOE卷动单元82透射的光束根据颜色聚焦在不同区域上，由此形成色带。
最好，第一和第二柱面透镜91和92分别放置在DOE卷动单元82之前和之后。
DOE卷动单元82具有螺旋放置的透镜单元82a以实现上述的从光源81发射的光的分离和光的卷动，并且为衍射光学器件类型。由于DOE卷动单元82的透镜单元被螺旋地放置，所以当DOE卷动单元82旋转时在预定区域上的透镜阵列移动以变为远离或靠近DOE卷动单元82的旋转轴。当DOE卷动单元82旋转时，入射光通过其的透镜单元的位置移动如图14B中所示，从而射在光阀90上的色带的位置改变。
当形成在光阀90上的色带的位置旋转时，根据由光阀90接收的图像信号形成彩色图像。当从光源81发射的光通过DOE卷动单元82时，该光根据颜色聚焦在DOE卷动单元82上的不同位置上，从而发生光分离。DOE卷动单元82可由全息光学元件(HOE)类型的卷动单元替代。
由于DOE或HOE类型的卷动单元的使用，所以可减小制造成本，并且可大规模生产。更具体地讲，由于单一卷动单元实现了光分离和光卷动，所以可获得具有减小的数量的组成部分的光系统。用于聚焦从光源81发射的光的透镜可包括在光源81和第一柱面透镜91之间。
参照图15，根据本发明第五实施例的投影系统包括光源81、用于卷动从光源81发射的光的DOE卷动单元83、用于根据波长将通过DOE卷动单元83的光分开的光学分束器85、和用于通过根据接收到的图像信号处理入射光来形成图像的光阀90。还在DOE卷动单元83和光学分束器85之间设置棱镜84，并且还沿在光学分束器85和光阀90之间的光路设置第一和第二复眼透镜阵列87和88以及透镜组89。
在DOE卷动单元83中，至少一个单元83a被螺旋地排列。另一方面，DOE卷动单元83可由HOE-类型卷动单元替代。在第四实施例中的DOE卷动单元82执行颜色卷动和颜色分离，而DOE卷动单元83仅执行颜色卷动。
最好，第一柱面透镜91设置在光源81和DOE卷动单元83之间，并且第二柱面透镜92设置在光学分束器85和第一复眼透镜阵列87之间。此外，还在DOE卷动单元83和光学分束器85之间设置棱镜84。
在具有这样的结构的投影系统的操作中，首先，从光源81发射的光束通过DOE卷动单元83，然后经棱镜84入射在光学分束器85上。当DOE卷动单元83以均匀的速度旋转时，形成在光阀90上的色带被卷动，以便形成彩色图像。例如，光学分束器85可包括彼此平行的第一、第二、和第三分色滤光镜85a、85b、和85c。通过DOE卷动单元83的光束在通过各单元83a时沿不同路径传播，并在第一、第二、和第三分色滤光镜85a、85b、和85c上的不同位置被反射。其后，由第一、第二、和第三分色滤光镜85a、85b、和85c反射的光束被第一和第二复眼透镜阵列87和88以及透镜组89聚焦在光阀90的不同区域上，由此形成色带。
虽然光学分束器85具有彼此平行的第一、第二、和第三分色滤光镜85a、85b、和85c，但该分色滤光镜可如图9中所示以不同角度放置。如果分色滤光镜85a、85b、和85c以不同角度放置，则最好将DOE卷动单元83安装在光学分束器85之后。
因为根据本发明第四和第五实施例的投影系统采用DOE或HOE卷动单元，所以减小了其制造成本。
为了将DOE卷动单元82或83的工作频率与光阀90的工作频率同步，或者改变在DOE卷动单元82或83上的透镜单元82a或83a的数量，或者控制DOE卷动单元82或83的旋转速度。如果光阀90的工作频率增加，则包括更多的透镜单元而不改变DOE卷动单元82或83的旋转速度，以便卷动单元的卷动速度可增加。另一方面，可通过增加卷动单元的旋转速度而不改变在卷动单元上的透镜单元的数量来将DOE卷动单元82或83与光阀90的工作频率同步。
设计在第四实施例中使用的DOE卷动单元82，以实现颜色分离和光卷动。然而，在第五实施例中，设计DOE卷动单元83以实现仅光卷动，而光分离由光学分束器85实现。
在描述DOE卷动单元82的光分离之前将首先描述单色光束的光栅理论。
参照图16A，以预定间隔s形成光栅，并形成因通过光栅的第m级衍射光束的光路差(OPD)引起的干涉图样。如果第m级衍射光束的OPD满足方程10，则观察到亮图像。方程10如下OPD＝d0+dm＝s sinθ0+s sinθm＝mλ(m＝0，±1，±2，...) ...(10)其中，d0表示入射光束的OPD，dm表示衍射光束的OPD，θ0表示光束的入射角，θm表示光束的衍射角，m表示衍射光束的衍射级，s表示光栅间隔，λ表示入射光束的波长。当平行光束入射在光栅上时，方程10中的θ0为0。相应地，获得方程11如下s sinθm＝mλ(m＝0，±1，±2，...)s=mλsinθm···(11)]]>平行入射光束中的±第一级光束的光路如图16B中所示。如果在方程11中的衍射角θm很小，则可获得近似公式sinθm≈θm。相应地，可使用方程12获得光栅间隔ss=mλθm···(12)]]>根据方程12，当入射光束的波长固定时，可通过控制光栅间隔s来获得希望的衍射角θm。同时，在图17中显示根据为响相应于绿色而设计的DOE盘的半径的光栅间隔s的变化。从图13的曲线图可看出光栅间隔与DOE类型盘的半径成反比。基于这个理论，可制造如图18中所示的具有圆光栅的波带板(zone panel)。当从波带板的内圆周向波带板的外圆周前进时，光栅间隔减小，像s1＞s2＞s3＞s4＞s5＞s6。随着光栅间隔的减小，衍射角增大，像θ1＜θ2＜θ3＜θ4＜θ5＜θ6。因此，通过波带板的光束会聚在一点。
基于这个衍射理论，制造基于本发明实施例的DOE卷动单元。
参照图19A，关于为相应于绿色而设计的DOE，当±第一级衍射光束的衍射角θgreen为2.2°并且其波长λgreen为587nm时，使用方程Sgreen＝λ/θgreen计算出的绿色DOE的最小光栅间隔Sgreen为15μm。例如，光栅凹槽深度为1个波(1λgreen)，即587nm。
参照图19B，关于为相应于红色而设计的DOE，当±第一级衍射光束的衍射角θred为3.7°并且其波长λred为670nm时，使用方程Sred＝λ/θred计算出的红色DOE的最小光栅间隔Sred为10.4μm。例如，光栅凹槽深度为1λred，即670nm。
使用分别在图19A和19B中显示的绿色和红色DOE的设计条件形成单一DOE，以便该单一DOE可将入射光分离为绿色光束和红色光束。例如，如在图15C中所示，单一DOE具有以绿色光栅间隔Sgreen分隔的光栅和以红色光栅间隔Sred分隔的光栅。入射光束被具有上述结构的DOE分离为红色光束和绿色光束，然后，绿色和红色光束聚焦在图像表面上的不同位置上。虽然仅描述了绿色和红色光栅间隔，但可以相同的方式计算蓝色光栅间隔。换句话说，可使用方程13分别从绿色、红色、和蓝色波长λgreen、λred、和λblue以及绿色、红色、和蓝色光束的衍射角θgreen、θred、和θblue计算出绿色、红色、和蓝色光栅间隔Sgreen、Sred和、Sbluesgreen=mλgreenθgreen]]>sred=mλredθred···(13)]]>sblue=mλblueθblue]]>单一DOE使用绿色、红色、和蓝色光栅间隔Sgreen、Sred和、Sblue以将白光分离为R、G、和B光束并将该三个光束聚焦在成像表面上的不同位置上。相应地，使用DOE实现光分离，并且由通过使DOE螺旋上升来形成的卷动单元实现卷动。
可使用HOE而非DOE制造根据本发明的卷动单元。为了制造HOE类型卷动单元，如图20所示，物光和参考光被投影到螺旋干板(spiral dry panel)上以形成干涉图样。这里，起到物光作用的R、G、和B光束以不同角度入射到该干板上。这种全息照片称为体积全息照片，并且薄的全息照片可用作HOE的全息照片。
可以很多方法制造DOE类型卷动单元。相应地，DOE卷动单元的例子是如图21A中所示具有连续二次闪耀轮廓的连续浮雕透镜盘、具有连续二次闪耀轮廓(quadrative blaze profile)的衍射菲涅耳透镜盘、如图21B中所示的多级衍射(MOD)透镜盘、和深闪耀表面透镜盘。MOD透镜盘具有较少的凹槽，但是它们比连续浮雕透镜盘的凹槽深。因此，MOD透镜盘易于制造，并提供更高的衍射效率。稍后衍射效率将参照图22来描述。
在图21C和21D中分别显示双DOE卷动单元和多阶DOE卷动单元作为DOC卷动单元的例子。多阶透镜盘具有一个阶轮廓，但图21D的多阶透镜盘具有三阶轮廓。更具体地讲，衍射效率随阶数的增加而增加。另外，折射菲涅耳透镜盘(未显示)可为根据本发明的DOE卷动单元的例子。
图22是显示通常的DOE透镜的衍射效率和MOD透镜的衍射效率的仿真结果的曲线图。根据在图18中显示的仿真结果，与通常的DOE透镜形成对比的是MOD透镜的衍射效率在宽波长区中几乎始终很高。因此，由于使用采用MOD透镜的卷动单元，所以可在宽波长区中使用高效衍射的光，此外，衍射效率均匀地分布在整个可见光波段内。因此，提高了彩色图像的质量。
在第二到第五实施例中，至少一个反射单元被安装在光源上，以便减小光源的通量照度比。
产业上的可利用性如上所述，根据本发明的投影系统通过减小光源的通量照度比来增加光效率。因此，整个系统可易于制造。更具体地讲，在使用卷动方法形成彩色图像的投影系统中，如果不做改变地使用其F数为3.0的现有投影透镜，则光效率大约比现有重叠光学系统中的效率高1.5倍。如果使用其F数为2.5的投影系统，则光效率近似为两倍。如上所述，如果减小投影透镜的F数，则可得到更高的光效率。
因此，由于根据本发明的投影系统比现有重叠光学系统具有更高的光效率并比3板光学系统具有更紧凑的结构，所以可提高竞争力。
此外，通过将卷动单元的旋转转换成光通过其的透镜阵列的直线运动，可使用单一卷动单元执行所有颜色的卷动。因此，卷动易于控制，部件的数量减小，并且可获得轻便、低价的投影系统。卷动单元可具有盘或圆柱的形状。卷动单元可整体变换成任何可以其将卷动单元的旋转转换成光通过其的透镜阵列的直线运动的形状。另外，当使用DOE或MOD透镜制造卷动单元时，其可以低成本大规模生产。由于光分离和卷动都可由单一卷动单元实现，所以使用该卷动单元的投影系统易于装配。此外，由于该卷动单元因减小制造误差而提供提高的性能，所以使用该螺旋盘的投影系统提供高质量图像。
由于传统的单面板投影系统通过顺序地将白光分离成R、G、和B光束来产生彩色图像，所以将由光阀使用的光效率降低为三面板投影系统的光效率的1/3。然而，采用根据本发明的卷动技术的单面板投影系统一次将白光分离为R、G、和B光束，并卷动该三个色光束以形成彩色图像。因此，根据本发明的单面板投影系统，可获得与三面板投影系统的光效率相同的光效率。
权利要求
1.一种照明系统，包括灯泡，用于发光；反射镜，用于反射从灯泡发出的光，并且具有被反射的光射向其的开口；和至少一个反射单元，用于覆盖反射镜的开口的一部分。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中，反射镜是椭圆形反射镜或抛物线形反射镜中的一个。
3.根据权利要求1或2所述的照明系统，还包括另一个反射单元，用于覆盖反射镜的开口的另一部分，其中，相对于反射镜的开口的中心对称地设置该至少一个和另一个反射单元。
4.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中，设置该至少一个反射单元以将光朝反射镜的开口的剩余部分反射。
5.一种照明系统，包括灯泡，用于发光；反射镜，用于反射从灯泡发出的光；和一个反射单元，安装在灯泡表面的一部分上。
6.根据权利要求5所述的照明系统，其中，反射镜是椭圆形反射镜或抛物线形反射镜中的一个。
7.根据权利要求5或6所述的照明系统，其中，反射单元安装在面向反射镜的灯泡的半球面的一部分上。
8.根据权利要求7所述的照明系统，其中，反射单元覆盖在灯泡的半球面上。
9.一种投影系统，其使用光阀根据输入图像信号通过处理从照明系统发出的光来形成图像，放大图像，并且使用投影卷动单元来将图像投影到屏上，其中，该照明系统包括灯泡，用于发光；反射镜，用于反射从灯泡发出的光，并且具有被反射的光从灯泡射向其的开口；和至少一个反射单元，用于覆盖反射镜的开口的一部分。
10.根据权利要求9所述的投影系统，其中，反射镜是椭圆形反射镜或抛物线形反射镜中的一个。
11.根据权利要求9或10所述的投影系统，包括光学分束器，用于根据波长分离从照明系统发出的光；和卷动单元，具有至少一个透镜单元并将该至少一个透镜单元的旋转转换为光通过的透镜单元的直线运动，从而从照明系统发出的光被卷动。
12.根据权利要求11所述的投影系统，还包括至少一个复眼透镜阵列，用于根据波长将由卷动单元透射的光聚焦在光阀的至少两个不同区域上。
13.根据权利要求12所述的投影系统，还包括转像透镜，用于将由至少一个复眼透镜阵列透射的光透射到光阀。
14.根据权利要求11所述的投影系统，其中，光学分束器包括以不同的角度邻近地放置的第一至第三分色滤光镜，以根据波长有选择性到地透射或反射入射光。
15.根据权利要求11所述的投影系统，其中，光学分束器包括平行放置的第一至第三分色滤光镜，以根据波长有选择性到地透射或反射入射光。
16.根据权利要求15所述的投影系统，还包括位于光学分束器前面的棱镜。
17.根据权利要求11所述的投影系统，其中，第一柱面透镜安装在至少一个卷动单元之前，并且与第一柱面透镜成对的第二柱面透镜安装在卷动单元之后，以控制入射光束的宽度。
18.根据权利要求11所述的投影系统，其中，卷动单元包括至少一个透镜单元，并且对入射到卷动单元的光来说，卷动单元的旋转被转换为透镜单元的直线运动。
19.根据权利要求18所述的投影系统，其中，至少一个透镜单元成螺旋形地放置。
20.根据权利要求19所述的投影系统，其中，透镜单元是柱面透镜。
21.根据权利要求19或20所述的投影系统，其中，卷动单元具有圆盘形状。
22.一种投影系统，其使用光阀根据输入图像信号通过处理从照明系统发出的光来形成图像，放大图像，并且使用投影卷动单元来将图像投影到屏上，其中，该照明系统包括灯泡，用于发光；反射镜，用于反射从灯泡发出的光；和反射单元，安装在灯泡表面的一部分上。
23.根据权利要求22所述的投影系统，其中，反射镜是椭圆形反射镜或抛物线形反射镜中的一个。
24.根据权利要求22或23所述的投影系统，包括光学分束器，用于根据波长分离从照明系统发出的光；和卷动单元，具有至少一个透镜单元并将该至少一个透镜单元的旋转转换为光通过的透镜单元的直线运动，从而从照明系统发出的光被卷动。
25.根据权利要求24所述的投影系统，还包括至少一个复眼透镜阵列，用于根据波长将由卷动单元透射的光聚焦在光阀的至少两个不同区域上。
26.根据权利要求25所述的投影系统，其中转像透镜用于将由至少一个复眼透镜阵列透射的光透射到光阀。
27.根据权利要求24所述的投影系统，其中，光学分束器包括以不同的角度邻近地放置的第一至第三分色滤光镜，以根据波长有选择性到地透射或反射入射光。
28.根据权利要求24所述的投影系统，其中，光学分束器包括平行放置的第一至第三分色滤光镜，以根据波长有选择性到地透射或反射入射光。
29.根据权利要求28所述的投影系统，还包括位于光学分束器前面的棱镜。
30.根据权利要求24所述的投影系统，其中，第一柱面透镜安装在至少一个卷动单元之前，并且与第一柱面透镜成对的第二柱面透镜安装在卷动单元之后，以控制入射光束的宽度。
31.根据权利要求24所述的投影系统，其中，卷动单元包括至少一个透镜单元，并且从入射到卷动单元的光的视点来看，卷动单元的旋转被转换为透镜单元的直线运动。
32.根据权利要求31所述的投影系统，其中，至少一个透镜单元成螺旋形地放置。
33.根据权利要求32所述的投影系统，其中，透镜单元是柱面透镜。
34.根据权利要求32或33所述的投影系统，其中，卷动单元具有圆盘形状。
35.一种用于卷动入射单元的卷动单元，该卷动单元包括旋转轴线；和至少一个透镜单元，其具有入射端和出射端，将入射光分割为各个透镜单元的光束，并且使卷动单元的旋转导致为光束的直线运动。
36.根据权利要求35所述的卷动单元，其中，光束的直线运动在光束变得靠近或远离旋转轴线的方向上做出。
37.根据权利要求35所述的卷动单元，其中，卷动单元的旋转导致光束的直线运动周期性地重复。
38.根据权利要求35至37中的任一个所述的卷动单元，其中，透镜单元成螺旋形地放置。
39.根据权利要求38所述的卷动单元，其中，卷动单元具有圆盘形状。
40.根据权利要求38或39所述的卷动单元，其中，透镜单元是柱面透镜。
41.一种卷动单元，具有至少一个透镜单元，并且以这样的方式卷动入射光，从入射到至少一个透镜单元的光的视点来看，至少一个透镜单元的旋转被转换为透镜阵列的直线运动。
42.根据权利要求41所述的卷动单元，其中，透镜单元成螺旋形地放置。
43.根据权利要求42所述的卷动单元，其中，透镜单元是柱面透镜。
44.根据权利要求41至43中的任一个所述的卷动单元，其中，卷动单元具有圆盘形状。
45.根据权利要求41至43中的任一个所述的卷动单元，其中，透镜单元由衍射光学元件和全息光学元件中的任一个形成，从而入射光根据颜色被分割。
46.根据权利要求41至43中的任一个所述的卷动单元，其中，透镜单元被这样设置，当画法线到透镜单元时，邻近透镜单元之间的间隔是均匀的，并且邻近透镜单元的法线矢量相同。
47.根据权利要求46所述的卷动单元，其中，透镜单元的螺旋轨迹(Qkx，Qky)满足下面的方程Qkx＝Q1，xcos(k-1)θ2-Q1，ysin(k-1)θ2Qky＝Q1，ysin(k-1)θ2-Q1，ycos(k-1)θ2其中，Q1，x和Q1，y分别表示第一透镜单元的x和y坐标，k表示自然数，θ2表示邻近曲线之间的旋转角度。
48.根据权利要求41至43中的任一个所述的卷动单元，其中，卷动单元的截面是具有相同半径的圆弧阵列。
49.根据权利要求46所述的卷动单元，其中，每个透镜单元由双透镜、连续浮雕透镜、多阶透镜、多级折射透镜、薄全息透镜、和体积全息透镜中的任一个形成。
50.一种用于卷动入射光的卷动单元，其中包括至少一个透镜单元，并且从入射光来看，该至少一个透镜单元的位置随卷动单元绕旋转轴线旋转而改变。
51.根据权利要求50所述的卷动单元，其中，透镜单元的位置的改变在透镜单元变得靠近或远离旋转轴线的方向上做出。
52.根据权利要求50或51所述的卷动单元，其中，卷动单元的旋转导致透镜单元的位置周期性地改变。
53.根据权利要求50或51所述的卷动单元，其中，透镜单元成螺旋形地放置。
54.根据权利要求53所述的卷动单元，卷动单元具有圆盘形状。
55.根据权利要求50或51所述的卷动单元，其中，透镜单元是柱面透镜。
56.一种投影系统，包括光源；光学分束器，用于根据波长将从光源发射的光分开；至少一个卷动单元，具有至少一个透镜单元并以这样的方式卷动入射光，即对于由透镜单元透射的光似乎透镜单元的旋转被转换成透镜阵列的直线运动；和光阀，从光源发射的光被光学分束器和卷动单元分离为色光束并且在其上该色光束聚焦，该光阀根据输入图像信号处理入射光以形成彩色图像。
57.根据权利要求56所述的投影系统，其中，透镜单元被螺旋排列。
58.根据权利要求57所述的投影系统，其中，透镜单元是柱面透镜。
59.根据权利要求56至58的任一个所述的投影系统，其中，卷动单元具有盘的形状。
60.根据权利要求56至58的任一个所述的投影系统，其中，至少一个复眼透镜阵列被安装在卷动单元和光阀之间的光路上。
61.根据权利要求60所述的投影系统，其中，包括用于将由至少一个复眼透镜阵列透射的光聚焦在光阀上的转像透镜。
62.根据权利要求56至58的任一个所述的投影系统，其中，光学分束器包括以不同角度相邻放置的第一到第三分色滤光镜以根据波长有选择地透射或反射入射光，并且卷动单元被安装在该光学分束器之后。
63.根据权利要求56至58的任一个所述的投影系统，其中，光学分束器包括并行放置的第一到第三分色滤光镜以根据波长有选择地透射或反射入射光，并且卷动单元被安装在该光学分束器之前。
64.根据权利要求63所述的投影系统，还包括在光学分束器之前的棱镜。
65.根据权利要求56至58的任一个所述的投影系统，其中，第一柱面透镜被安装在至少一个卷动单元之前，并且与第一柱面透镜成对的第二柱面透镜被安装在卷动单元之后，以控制入射光束的宽度。
66.根据权利要求61所述的投影系统，其中，第一柱面透镜被安装在至少一个卷动单元之前，并且与第一柱面透镜成对的第二柱面透镜被安装在卷动单元之后，以控制入射光束的宽度。
67.根据权利要求56至58的任一个所述的投影系统，其中，透镜单元由衍射光学元件和全息光学元件的任一个形成。
68.根据权利要求56至58的任一个所述的投影系统，其中，透镜单元被这样设置，当画法线到透镜单元时，邻近透镜单元之间的间隔是均匀的，并且邻近透镜单元的法线矢量相同。
69.根据权利要求68所述的投影系统，其中，透镜单元的螺旋轨迹(Qkx，Qky)满足下面的方程Qkx＝Q1，xcos(k-1)θ2-Q1，ysin(k-1)θ2Qky＝Q1，ysin(k-1)θ2-Q1，ycos(k-1)θ2其中，Q1，x和Q1，y分别表示第一透镜单元的x和y坐标，k表示自然数，θ2表示邻近曲线之间的旋转角度。
70.根据权利要求56至58的任一个所述的投影系统，其中，卷动单元的横截面是具有相同半径的圆弧的阵列。
71.根据权利要求67所述的投影系统，其中，透镜单元由双透镜、连续浮雕透镜、多阶透镜、多级折射透镜、薄全息透镜、和体积全息透镜的任一个形成。
72.根据权利要求56至58的任一个所述的投影系统，其中，确定在至少一个卷动单元上的透镜单元的数量，以便卷动单元可与光阀的工作频率同步工作。
73.根据权利要求56至58的任一个所述的投影系统，其中，卷动单元的旋转速度被控制以与光阀的工作频率同步。
74.一种投影系统，包括光源；至少一个卷动单元，具有至少一个单元，并由衍射光学元件和全息光学元件的任一个制造，以便根据波长分离从光源发射的光并且通过将单元的旋转转换成单元阵列的直线运动来卷动入射光；和光阀，从光源发射的光被光学分束器和卷动单元分离为色光束，并且在其上该色光束聚焦，该光阀根据输入图像信号处理入射光以形成彩色图像。
75.根据权利要求74所述的投影系统，其中，透镜单元被螺旋排列。
76.根据权利要求75所述的投影系统，其中，直线运动在透镜阵列变为靠近或远离旋转轴的方向进行。
77.根据权利要求74至76的任一个所述的投影系统，其中，卷动单元具有盘的形状。
78.根据权利要求74至76的任一个所述的投影系统，其中，至少一个复眼透镜阵列被安装在卷动单元和光阀之间的光路上。
79.根据权利要求78所述的投影系统，其中，包括用于将由至少一个复眼透镜阵列透射的光聚焦在光阀上的转像透镜。
80.根据权利要求74至76的任一个所述的投影系统，其中，第一柱面透镜被安装在至少一个卷动单元之前，并且与第一柱面透镜成对的第二柱面透镜被安装在卷动单元之后，以控制入射光束的宽度。
81.根据权利要求78所述的投影系统，其中，第一柱面透镜被安装在至少一个卷动单元之前，并且与第一柱面透镜成对的第二柱面透镜被安装在卷动单元之后，以控制入射光束的宽度。
82.一种投影系统，包括光源；光学分束器，用于根据波长将从光源发射的光分开；至少一个卷动单元，具有至少一个透镜单元，该透镜单元具有入射方和射出方并将入射光分割为光束，在其中透镜单元的旋转引起光束的直线运动以实现入射光的卷动；和光阀，从光源发射的光被光学分束器和卷动单元分离为色光束，并且在其上色光束聚焦，该光阀根据输入图像信号处理入射光以形成彩色图像。
83.根据权利要求82所述的投影系统，其中，透镜单元被螺旋排列。
84.根据权利要求83所述的投影系统，其中，透镜单元是柱面透镜。
85.根据权利要求82至84的任一个所述的投影系统，其中，卷动单元具有盘的形状。
86.根据权利要求82至84的任一个所述的投影系统，其中，直线运动在光束变为靠近或远离旋转轴的方向进行。
87.根据权利要求82至84的任一个所述的投影系统，其中，至少一个复眼透镜阵列被安装在卷动单元和光阀之间的光路上。
88.根据权利要求87所述的投影系统，其中，包括用于将由至少一个复眼透镜阵列透射的光聚焦在光阀上的转像透镜。
89.根据权利要求82至84的任一个所述的投影系统，其中，光学分束器包括以不同角度相邻放置的第一到第三分色滤光镜以根据波长有选择地透射或反射入射光，并且卷动单元被安装在该光学分束器之后。
90.根据权利要求87所述的投影系统，其中，光学分束器包括以不同角度相邻放置的第一到第三分色滤光镜以根据波长有选择地透射或反射入射光，并且卷动单元被安装在该光学分束器之后。
91.根据权利要求82至84的任一个所述的投影系统，其中，光学分束器包括并行放置的第一到第三分色滤光镜以根据波长有选择地透射或反射入射光，并且卷动单元被安装在该光学分束器之前。
92.根据权利要求91所述的投影系统，还包括在光学分束器之前的棱镜。
93.根据权利要求87所述的投影系统，其中，光学分束器包括并行放置的第一到第三分色滤光镜以根据波长有选择地透射或反射入射光，并且卷动单元被安装在该光学分束器之前。
94.根据权利要求82至84的任一个所述的投影系统，其中，第一柱面透镜被安装在至少一个卷动单元之前，并且与第一柱面透镜成对的第二柱面透镜被安装在卷动单元之后，以控制入射光束的宽度。
95.根据权利要求87所述的投影系统，其中，第一柱面透镜被安装在至少一个卷动单元之前，并且与第一柱面透镜成对的第二柱面透镜被安装在卷动单元之后，以控制入射光束的宽度。
96.一种投影系统，包括光源；光学分束器，用于根据波长将从光源发射的光分开；至少一个卷动单元，具有至少一个透镜单元，并且在其中从入射光看当卷动单元围绕旋转轴旋转时该至少一个透镜单元的位置改变；和光阀，从光源发射的光被光学分束器和卷动单元分离为色光束，并且在其上色光束聚焦，该光阀根据输入图像信号处理入射光以形成彩色图像。
97.根据权利要求96所述的投影系统，其中，透镜单元被螺旋排列。
98.根据权利要求97所述的投影系统，其中，透镜单元是柱面透镜。
99.根据权利要求96至98的任一个所述的投影系统，其中，卷动单元具有盘的形状。
100.根据权利要求96至98的任一个所述的投影系统，其中，透镜单元的位置改变以靠近或远离旋转轴。
101.根据权利要求96至98的任一个所述的投影系统，其中，用于通过根据颜色将由光学分束器和卷动单元透射的光聚焦在光阀的不同区域上来形成色带的单元。
102.根据权利要求101所述的投影系统，其中，色带形成单元包括至少一个复眼透镜阵列。
103.根据权利要求102所述的投影系统，其中，色带形成单元包括用于将由至少一个复眼透镜阵列透射的光聚焦在光阀上的转像透镜。
104.根据权利要求96至98的任一个所述的投影系统，其中，光学分束器包括以不同角度相邻放置的第一到第三分色滤光镜以根据波长有选择地透射或反射入射光，并且卷动单元被安装在该光学分束器之后。
105.根据权利要求101所述的投影系统，其中，光学分束器包括以不同角度相邻放置的第一到第三分色滤光镜以根据波长有选择地透射或反射入射光，并且卷动单元被安装在该光学分束器之后。
106.根据权利要求96至98的任一个所述的投影系统，其中，光学分束器包括并行放置的第一到第三分色滤光镜以根据波长有选择地透射或反射入射光，并且卷动单元被安装在该光学分束器之前。
107.根据权利要求106所述的投影系统，还包括在光学分束器之前的棱镜。
108.根据权利要求101所述的投影系统，其中，光学分束器包括并行放置的第一到第三分色滤光镜以根据波长有选择地透射或反射入射光，并且卷动单元被安装在该光学分束器之前。
109.根据权利要求96至98的任一个所述的投影系统，其中，第一柱面透镜被安装在至少一个卷动单元之前，并且与第一柱面透镜成对的第二柱面透镜被安装在卷动单元之后，以控制入射光束的宽度。
110.根据权利要求101所述的投影系统，其中，第一柱面透镜被安装在至少一个卷动单元之前，并且与第一柱面透镜成对的第二柱面透镜被安装在卷动单元之后，以控制入射光束的宽度。
全文摘要
一种高效的照明系统、卷动单元、以及采用该高效的照明系统和卷动单元的投影系统。该卷动单元具有至少一个透镜单元。从入射在该至少一个透镜单元上的光的视点，该至少一个透镜单元的旋转被转换成透镜阵列的直线运动，以便卷动入射光。投影系统包括光源、光学分束器、至少一个卷动单元、和光阀。光学分束器根据波长将从光源发射的光分开。该至少一个卷动单元具有至少一个透镜单元。该透镜单元具有入射方和射出方并将入射光分割为光束。透镜单元的旋转引起光束的直线运动，由此卷动入射光。从光源发射的光被光学分束器和卷动单元分离为色光束，并且色光束聚焦在光阀上。光阀根据输入图像信号处理入射光以形成彩色图像。
文档编号G03B21/00GK1646985SQ03807768
公开日2005年7月27日 申请日期2003年4月4日 优先权日2002年4月6日
发明者金大式, 朴永浚, 赵虔晧, 李羲重, 郑钟三, 崔钟喆, 金兑熙 申请人:三星电子株式会社