专利名称：彩色照明系统和使用该系统的投影型图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过从光源发射的白光中分离彩色光从而照射彩色光束的彩色照明系统和应用该彩色照明系统的投影型图像显示装置，更具体的，本发明涉及一种照射高效率彩色光并且使得整个光学系统的尺寸最小化的彩色照明系统，及应用该彩色照明系统的投影型图像显示装置。
背景技术：
通常，投影型图像显示装置依靠光源装置，通过投射由例如液晶显示器或数字微反射镜显示器(digital micro-mirror display)等的微显示系统(micro-display system)产生的图像而在屏幕上成像。
这样的投影型图像显示装置根据使用的微显示器的数量可以归类为1-面板型显示器和3-面板型显示器。3-面板投影型图像显示器使用三个排列在独立红、蓝和绿光束路径上的微显示器确保了更高光的效率，但是其结构复杂并具有更高的制造成本。
一般的1-面板投影型图像显示装置带有使用彩色转轮的简单结构可以从入射的白光中周期性地分离红色、绿色和蓝色的光，但是由于彩色转轮的应用该装置具有差的光效率，导致损耗了三分之二的入射光。由此，制造1-面板投影型图像显示装置要考虑光效率的减小。
传统1-面板投影型图像显示装置如图1所示。在传统的1-面板，投影型图像显示装置中，非偏振(non-ploarized)的白光由光源11产生并射出。发射的白光在通过“蝇眼”透镜阵列(fly-eye lens array)13时被均匀化并射向起偏器15。起偏器15将从光源11发射的白光偏振为具有预定偏振成分的白光。穿过起偏器15的所述白光由第一分色透镜17和第二分色透镜19被分为红、蓝和绿光束。所述第一分色透镜17反射入射白光中的蓝光波长的光而使其他波长光通过。通过第一分色透镜17的光由第二分色透镜19被分为绿色和红色光束。
周期性地滚动(scroll)入射光的第一扫描棱镜21、第二扫描棱镜23和第三扫描棱镜25设置在分色光束的光学路径上。第一扫描棱镜21、第二扫描棱镜23和第三扫描棱镜25具有矩形棱镜并由驱动器(未示出)转动。当第一扫描棱镜21、第二扫描棱镜23和第三扫描棱镜25转动时，每个第一扫描棱镜21、第二扫描棱镜23和第三扫描棱镜25的侧壁相对于光轴的角度发生改变。通过每个第一扫描棱镜21、第二扫描棱镜23和第三扫描棱镜25的光的光路被周期性地改变。
当旋转第一扫描棱镜21、第二扫描棱镜23和第三扫描棱镜25时，每个第一扫描棱镜21、第二扫描棱镜23和第三扫描棱镜25的初始旋转角度被设定为使得显示器33的有效图像区域均匀地被通过第一扫描棱镜21、第二扫描棱镜23和第三扫描棱镜25的光所分隔。随着第一扫描棱镜21、第二扫描棱镜23和第三扫描棱镜25旋转，彩色光束组(B，R，G)、(G，B，R)和(R，G，B)轮流地进入显示器33的有效图像区域。
通过第一扫描棱镜21和第二扫描棱镜23的光束被第三分色镜27结合在一起并随即由第四分色镜29与通过第三扫描棱镜25的光束结合。反射镜18设置在第一分色镜17和第三分色镜27之间，反射镜20设置在第二分色镜19和第四分色镜29之间，用来改变光路。
通过第四分色镜29的滚动的光进入偏振光束分离器31，该分光镜根据入射光的偏振态透射或反射入射光。被偏振光束分离器31反射的光周期性地滚动(scrolled)使得如图2所示的彩色光束组轮流地进入显示器33。显示器33由入射光而成像。所述图像通过改变光偏振态而形成并以象素单位的形式输出。只有在入射到显示器33上后偏振成分改变的光允许透射过偏振光束分离器31而射向投射透镜单元35。所述投射透镜单元35放大并投射接收到的图像到屏幕50上。
所述投影型图像显示装置包括多个设置在光路的中继透镜41到48用以导引从光源11发出的光到显示器33。
虽然上述传统投影型图像显示装置仅包括一个形成彩色图像的显示器，其光学结构仍是复杂的。而且，三个扫描棱镜为了滚动光束相互独立转动，很困难通过驱动显示器将它们同步。
发明内容
本发明提供一种高效率的、结构紧凑的、带有改进的彩色分离和滚动结构的彩色照明系统。
本发明还提供一种高效率的、结构紧凑的、单面板投影型图像显示装置，该显示装置带有通过螺旋型透镜的旋转运动而获得线性滚动光束的简单光学结构。
在本发明的一个方面，提供一种彩色照明系统，包括产生和发射白光的光源；螺旋型透镜盘，该螺旋型透镜盘通过旋转运动周期性地滚动光束并且在该螺旋型透镜盘的至少一个表面上具有螺旋圆柱型透镜阵列，该阵列包括多个圆柱型透镜；和分离从光源发射的白光中不同波长的光束并导引该光束进入螺旋型透镜盘的至少两个有效区域的光学单元。
在本发明的另一方面，提供一种投影型图像显示装置，包括产生和发射白光的光源；螺旋型透镜盘，该螺旋型透镜盘通过旋转运动周期性地滚动光束并且在该螺旋型透镜盘的至少一个表面上具有螺旋圆柱型透镜阵列，该阵列包括多个圆柱型透镜；和分离从光源发射的白光中不同波长的光束并导引该光束进入螺旋型透镜盘的至少两个有效区域的光学单元；利用来自螺旋型透镜盘的光束成像的成像单元；和将由成像单元所形成的图像放大并投射到屏幕上的投射透镜单元。
根据本发明的特定实施例，光学单元可以包括滤色镜，该滤光镜从接收自光源的白光中分离不同波长的光束并使得所述光束沿预定方向传播；和光束分离器，该光束分离器将来自滤色镜的光分离而进入所述螺旋型透镜盘的至少两个有效区域内。
光学单元进一步包括集成光学元件，该集成光学元件改变来自螺旋型透镜盘的第一有效区域或第二有效区域的光束的滚动方向，使得来自第一有效区域和第二有效区域的光束沿相同方向滚动，并将来自第一有效区域和第二有效区域的光束结合。
参考附图，通过对实施例详细的描述，本发明上述和其他的特性和优点将会更加明晰。
图1示出了传统的1-面板投影型图像显示装置的光学设置；图2示出了当图1的扫描棱镜被驱动时转换的彩色光束的图案变化；图3示出了根据本发明的一个实施例的彩色照明系统的光学设置；图4为示出了图3中光源和滤色镜的光学设置的透视图；图5为图4中滤色镜的平面图；图6为图4中滤色镜的前视图；图7示出了图3中光束分离器的光学设置；图8为图3中螺旋型透镜盘的平面图；图9为图3中螺旋型透镜盘单元的透视图；图10示出了根据本发明一个实施例的投影型图像显示装置的光学设置；图11为图10中滚动方向改变棱镜的透视图；图12示出了图10的光束切换器；图13示出了根据本发明另一个实施例的投影型图像显示装置的光学设置；图14为图13中滚动方向改变棱镜的透视图；具体实施方式
参考图3，根据本发明一个实施例的彩色照明系统包括光源60、旋转以周期性地滚动光束的螺旋型透镜盘单元100、从接收自光源60的白光中分离预定波长的光束并导引所分离的光束到螺旋型透镜盘单元100的至少两个有效区域的光学单元。
产生并发射白光的光源60，包括发光的灯61和将灯61发出的白光反射到光路上的反射镜63。反射镜63可以为椭圆形反射镜或抛物线形反射镜。椭圆形反射镜提供两个焦点一个在灯61的位置而另一个为光聚焦的位置。抛物线形反射镜通过反射准直(collimate)从灯61发出的光。在如图3所示的彩色照明系统中，应用椭圆形反射镜作为反射镜63。
光学单元包括从光源60发射的光中分离预定波长的光束的滤色镜70和放大并将入射光分开的光束分离器93。
被滤色镜70分离的光束以不同的角度传播。滤色镜70通过抑制以不希望的方向传播的具有预定角度的入射光从而提高了光学效率。换句话说，滤色镜70使聚光能力(etendue)的变化最小，该聚光能力为光学系统中保留的光学物理量。
最后，滤色镜70通过第一分色棱镜79、第二分色棱镜81和第三分色棱镜83实现，它们反射特定波长范围的光并透射其他波长范围的光，因此将入射光L分成第一彩色光束L1、第二彩色光束L2和第三彩色光束L3，如图3到6所示。
第一分色棱镜79具有与入射光L的光轴成一个角度的第一镜面80。第一镜面80反射第一彩色光束L1并透射第二彩色光束L2和第三彩色光束L3。例如，第一镜面80可以反射蓝光束并透射其他波长范围的光。第一分色棱镜79包括第一反射表面79a和79b，在该表面上以预定角度接收的光发生内反射(internally reflected)。尤其是，由于第一分色棱镜79和外界空气介质的折射率的不同，第一反射表面79a和79b全反射接收到的比临界角大的光束，由此提高了光学效率。
第二分色棱镜81与第一分色棱镜79邻接设置，它具有与入射光L的光轴成一个角度的第二镜面82。第二镜面82反射第二彩色光L2，例如红色光，并且透射其他波长的光。
第三分色棱镜83与第二分色棱镜81邻接设置，它具有与入射光L的光轴成一个角度的第三镜面84。第三镜面84反射第三彩色光L3，例如绿色光。第三分色棱镜83可以用全反射镜来替换。
第二分色棱镜81包括第二反射表面81a和81b，第三分色棱镜83包括第三反射表面83a和83b。第二反射表面81a和81b和第三反射表面83a和83b的功能基本上与第一反射表面79a和79b的功能相同，因此对于它们的描述就不再重复。
在具有上述结构的滤色镜70中，如图4所示的在一定范围内由第一镜面80、第二镜面82和第三镜面084反射的第一光束L1、第二光束L2和第三光束L3被专门用作有效光。
具有上述结构的滤色镜70适用于利用独立于入射光偏振态的微反射镜器件作为成像单元的投影型图像显示装置。
滤色镜70可以进一步包括设置在光源60的前方的第一准直透镜71以将入射光集中为平行光。
滤色镜70可以进一步包括分别设置在第一分色棱镜79、第二分色棱镜81和第三分色棱镜83的出光表面(light exit surface)上的第一中继透镜85、第二中继透镜86和第三中继透镜87。所述第一中继透镜85、第二中继透镜86和第三中继透镜87分别将第一彩色光束L1、第二彩色光束L2和第三彩色光束L3各自以预定的角度会聚。
滤色镜70可以在第一准直透镜71和第一分色棱镜79之间的光路上进一步包括第一偏振光束分离器73和第二偏振光束分离器75以及半波片(half-wave plate)77，如图4所示。设置在第一分色棱镜79的入射表面上的第一偏振光束分离器73，透射出非偏振白色入射光中的第一偏振态成分到第一分色棱镜79，并反射第二偏振光到第二偏振光束分离器75。最后，第一偏振滤光镜74在第一偏振光束分离器73的镜表面上形成。
图6示出了透射从光源发射的白光中的P-偏振态(P-polarization)成分而反射白光中的S-偏振态(S-polarization)成分的第一偏振滤光镜74的实例。
第二偏振光束分离器75再次将来自第一偏振光束分离器73的第二偏振光反射到第一分色棱镜79。如图6所示，第二偏振光束分离器75仅仅改变入射光，例如S-偏振光的光路，而不影响入射光的偏振态以便入射光与从第一偏振光束分离器73中透射的第一偏振光平行传播。最后，第二偏振光束分离器75包括反射入射光中的特定偏振成分，例如S-偏振光的第二偏振滤光镜76。第二偏振光束分离器75可以通过一个全反射入射光的全反射镜实现。
半波片77改变入射偏振光的相位180度，即从预定的线性偏振成分转变为另一线性偏振成分。图3到图6中设置在第二偏振光束分离器75和第一分色棱镜79之间的半波片77的实例，改变第二偏振光的相位以与第一偏振光相同。也就是说，半波片77将由第二偏振滤光镜反射的S-偏振光改变为第一偏振光的P-偏振光。另一方面，半波片77可以设置在第一偏振光分光镜73和第一分色棱镜79之间来将改变第一偏振光的相位以和第二偏振光相同。
第一偏振光束分离器73和第二偏振光束分离器75的应用使得可以使用液晶显示器(LCD)作为在后面描述的投影型显示装置中的成像单元。
在滤色镜70中，第一分色棱镜79、第二分色棱镜81和第三分色棱镜83可以被构造和光学排列以便它们透射特定色彩的光而反射其他色彩的光。第一分色棱镜79、第二分色棱镜81和第三分色棱镜83的制造方法在本领域是公知的，因此不再在本文中赘述。
在根据本发明的、如图3所示的彩色照明系统中，用来准直来自滤色镜70发射的第一彩色光束L1、第二彩色光束L2和第三彩色光束L3的第二准直透镜91可以被设置在滤色镜70和光束分离器93之间的光路上。
设置在第二准直透镜91和螺旋型透镜盘单元100之间的光路上的光束分离器93将每个所准直的、且具有预定波长的彩色光束分为至少两部分。换句话说，光束分离器93将具有预定波长的、所准直的彩色光束移到螺旋型透镜盘101的至少两个有效区域，来避免其到达设置在光轴上的螺旋型透镜盘单元100的驱动器105上(参见图9)。所述驱动器105将在下文中描述。
具体地，参考图7，具有“>”型截面的光束分离器93有入射面93a和出射面(exit surface)93b。入射面93a折射入射的第一彩色光束L1、第二彩色光束L2和第三彩色光束L3，使之远离光轴以至于至少两束分离的光束向螺旋型透镜盘单元100传播。出射面93b朝光轴方向折射已经被入射面93a折射的分离的光束，使之与入射到入射面93a的光平行。通过折射而分离光束是基于光束分离器93和空气之间的折射率不同以及光束分离器93的几何排列。
可以适当地设置光束分离器93的折射率n、入射面93a和出射面93b的倾斜角θ和光束分离器93的厚度D，即入射面93a和出射面93b之间的距离，以便被光束分离器93折射的光束仅仅通过相应于螺旋型透镜盘101的第一有效区域A和第二有效区域B(参见图8)的第一区域I和第三区域III，而不通过与驱动器105(参见图9)排成一列的第二区域II。通过光束分离器93分光和利用具有第一有效区域A和第二有效区域B的螺旋型透镜盘单元100可以提高有效光的总量。
充当定形器的多个圆柱体透镜95和97被设置在由光束分离器93限定的第一区域I和第三区域III中的光路中。每个圆柱体透镜95和97将通过会聚入射光的一部分并直接透射入射光的其它部分以便通过所述透镜的光束的形状与在图8中虚线所示的第一有效区域A和第二有效区域B之一相适合，所述区域在图8中用虚线表示。
如图8和9所示的螺旋型透镜盘单元100，由支架107支撑在照明系统的光路上。所述螺旋型透镜盘单元100包括至少一个螺旋型透镜盘101和与螺旋型透镜盘101中心连接的驱动器105来将其旋转。
螺旋型透镜盘101在其至少一个表面上具有螺旋圆柱体透镜阵列101a。螺旋型透镜盘101在旋转和周期性地滚动彩色光束时，改变通过滤色镜70的彩色光束的光路。使用螺旋型透镜盘101滚动光现在以假设螺旋型透镜盘101以预定速率顺时针旋转进行描述。
被滤色镜70分离的彩色光束在通过圆柱体透镜95和97时被适当地定形并进入螺旋型透镜盘101的第一有效区域A和第二有效区域B。由第一有效区域A限定的圆柱体透镜阵列101的部分和包括多个并排排列的圆柱体透镜所起的作用一样。由于第一有效区域A的几何尺寸，入射到第一有效区域A的彩色光被从螺旋型透镜盘101的内圆周滚动向外内圆周。在第二有效区域B滚动彩色光的规律与在第一有效区域A中相同。然而，在第二有效区域B滚动彩色光的方向与在第一有效区域A中相反。
螺旋型透镜盘101可包括两个盘，即第一螺旋透镜盘102和第二螺旋透镜盘103。第一透镜盘102滚动入射光，放置在与第一螺旋透镜盘102间隔预定距离的第二螺旋透镜盘103校正通过第一螺旋透镜盘102的至少两个分离光束的发散角。
控制通过第一螺旋透镜盘102的光束的发散角的玻璃棒111可以设置在第一螺旋透镜盘102和第二螺旋透镜盘103之间的光路上。玻璃棒111允许被第一螺旋透镜盘102的每个单元会聚的光未发散地进入第二螺旋透镜盘103。
在一实施例中，根据本发明的彩色照明系统可进一步包括蝇眼透镜阵列120、圆柱体透镜131和第四中继透镜133。
蝇眼透镜阵列120与第二螺旋透镜盘103邻接设置并从通过螺旋透镜盘101的光形成分离区域带的彩色光。最后，蝇眼透镜阵列120包括第一蝇眼透镜121和第二蝇眼透镜123，每个蝇眼透镜具有在入射表面和/或发射表面上的突出两维阵列。第一蝇眼透镜121可以定位在第二螺旋型透镜盘103的焦平面上。每个第一蝇眼透镜121和第二蝇眼透镜123的突起分别一对一地对应于螺旋型透镜盘101的第一有效区域A和第二有效区域B中的阵列101a中的各个圆柱体透镜。由螺旋型透镜盘101滚动的各个彩色光束在通过第一蝇眼透镜121和第二蝇眼透镜123时被会聚并形成分离的不同颜色的光带。
在分离的光路中设置的圆柱体透镜131将通过第二蝇眼透镜123的两个光束通过第一有效区域A和第二有效区域B定形成不同颜色的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束。
第四中继透镜133将通过蝇眼透镜阵列120的光束中继到预定位置，例如，成像单元165的位置(参见图10)。
在下文中将参考图3到图9描述根据本发明的、具有上述结构的彩色照明系统的操作。
从光源60发射的白光被第一准直透镜71会聚为平行或接近平行的发散光束。通过第一准直透镜71的光被滤色镜70分为第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束，光束被第二准直透镜91会聚并被光束分离器93分离使得所分离的光束通过第一区域I和第三区域III，而不通过驱动器105的第二区域II。所分离的光束被圆柱体透镜95和97定形为预定的形状并进入螺旋型透镜盘101的第一有效区域A和第二有效区域B。
随着第一螺旋型透镜盘102和第二螺旋型透镜盘103被驱动器105旋转，当入射到第一有效区域A和第二有效区域B的光束被圆柱体透镜阵列101a滚动和会聚时，所述光束分离为不同色彩的光束。当所分离的光束通过蝇眼透镜阵列120、圆柱体透镜131和第四中继透镜133，就在预定的位置改变了不同颜色的光带。例如，不同颜色的光带可以以蓝色(B)，绿色(G)和红色(R)的顺序排列。在这种情况下，入射到第一有效区域A的光束被滚动，以(B，G，R)->(G，R，B)->(R，B，G)为顺序形成不同颜色的光带。入射到第二有效区域B的光束被滚动，以(B，G，R)->(R，B，G)->(G，R，B)为顺序形成不同颜色的光带。换句话说，第一有效区域A的不同颜色的滚动光带的顺序以与第二有效区域B中的不同颜色的滚动光带的顺序相反的顺序排序。
下文中，将参考附图，详细地描述根据本发明的投影型图像显示装置的实施例。
参考图10，根据本发明实施例的投影型图像显示装置包括上述的彩色照明系统、使用通过彩色照明系统的螺旋型透镜盘单元100的光成像的成像单元、和放大并投影由成像单元所形成的像的投影透镜单元170。
彩色照明系统包括光源60、光学单元、第一准直透镜71和第二准直透镜92、圆柱体透镜95、97和131、螺旋型透镜盘单元100和蝇眼透镜阵列120。所述光学单元包括从入射光分离不同波长的光束的滤色镜70以及光束分离器93，该光束分离器将预定波长的光移向螺旋透镜盘101的至少两个有效区域。彩色照明系统的组成元件的结构、设置和功能基本上与上述参考图3到9的根据本发明的照明系统相同，因此在这里不提供对每个组成元件的详细描述。
另外，光学单元可以进一步包括组合由光束分离器93分离的光束，并且当来自圆柱体透镜97的光束通过螺旋型透镜盘101的第一有效区域A和第二有效区域B时使改变三个彩色光带的相同图案滚动的集成光学元件。
参考图10到12，集成光学元件包括滚动方向转换棱镜140，当来自圆柱体透镜97的光束通过螺旋型透镜盘101的第一有效区域A和第二有效区域B时，该棱镜使三个色彩的光的相同转换图案滚动；和光束移位器150，移位由光束分离器93分离的光束之一以组合它们。
滚动方向转换棱镜140设置在对准螺旋型透镜盘101的第一有效区域A和第二有效区域B之一的光路上，用于转换上述螺旋型透镜盘101滚动的方向。最后，所述滚动方向转换棱镜140可以象补偿棱镜(Amichi prism)一样形成。
参考图11，滚动方向转换棱镜140包括入射面141、出射面147、相互垂直并且与出射面147成角度θ2倾斜的第一反射平面143a和143b、发射和第二反射平面145，将第一反射平面143a和143b反射的光再次向出射面147反射。因此，当以箭头C方向滚动的光入射到滚动方向转换棱镜140的入射面141，所述光由于第一反射平面143a和143b的倾斜θ2而非垂直的射向第二反射平面145。光被第一反射平面143a和143b反射使得光水平的传播。特别的，入射到第一反射平面143a并被其反射的光朝向第一反射平面143b传播并再次被第一反射平面143b反射向第二反射平面145。入射到第一反射平面143a并被其反射的光被第一反射平面143b再次反射向第二反射平面145。这样，入射到滚动方向转换棱镜140的光沿图11中箭头D所示的方向滚动。
滚动方向转换棱镜140可以象五角棱镜一样形成。
图10中的光束移位器150可以通过折射光学元件151实现，该元件为六面体并以一个角度设置在光路上。折射光学元件151具有与入射光光轴倾斜一角度的入射面和与入射面平行并分开一定距离的出射面。折射光学元件151折射并透射入射光以将其移向滚动方向转换棱镜140。
而且，光束移位器150可以通过反射光学部件153实现，如图12所示，该部件通过全反射移位入射光。
反射光学部件153具有入射表面153a和发射表面153b，它们垂直于入射光的光轴，和第一反射平面155和第二反射平面157，它们与入射光的光轴成一个角度。第一反射平面155相应于入射面153a的宽度，即入射光的宽度倾斜一个高度Δd，来移位入射光而不影响入射光滚动的方向。
当使用上述结构的集成光学元件时，第四中继透镜161可以进一步设置在集成光学元件和成像单元165之间的光路上。
如图13所示，集成光学元件可以包括改变进入螺旋型透镜盘102的第一有效区域A和第二有效区域B之一的光的偏振态的偏振片94、滚动方向转换棱镜140、和第三偏振光束分离器146。
偏振片94设置在光束分离器93与螺旋型透镜盘102的第一有效区域A和第二有效区域B中的一个有效区域之间的光路上。偏振片94改变通过第一偏振光束分离器73和第二偏振光束分离器75和半波片77(参见图6)光束的偏振态，使得具有不同偏振态的光束透射出螺旋型透镜盘101的第一有效区域A和第二有效区域B。
图13中的滚动方向转换棱镜140的结构和功能基本上与图10中的滚动方向转换棱镜相同，该结构已经结合集成光学元件进行了描述。然而，不同于图10中的方向转换棱镜，图13中的滚动方向转换棱镜140包括第三偏振光束分离器146而不是第二反光平面145(参见图11)。
第三偏振光束分离器146设置在滚动方向转换棱镜140的一个表面上，根据入射光的偏振态选择性地透射或反射入射光，使得从第一有效区域A和第二有效区域B透射出的光束沿相同的光路向成像单元传播。特别是，从偏振片94透射以使其偏振态改变的光由第一反射平面143a和143b反射(参见图14)从而使光反向滚动并朝向第三偏振光束分离器146传播。所述光束接着从第三偏振光束分离器146反射。同时，没有从偏振片94透射的光从滚动方向转换棱镜140和第三偏振光束分离器146透射并沿着被第三偏振光束分离器146反射的光相同的路径传播。
另外，根据本发明的投影型图像显示装置可以进一步包括多个第四中继透镜261和263来使得被螺旋型透镜盘101滚动的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束沿着相同的光路进入成像单元。第四中继透镜261和263设置在各自的光路中，滚动方向转换棱镜140的第一有效区域A和第二有效区域B位于该光路中，所述中继透镜与圆柱体透镜131分开不同的距离以使得滚动方向转换棱镜140补偿光程差。
成像单元位于所滚动的红色、蓝色和绿色三个光束光带的焦平面上，具有滚动的红色、蓝色和绿色光束进入的三个分开的子成像区域。
如图10所示，根据本发明的成像单元的实施例可以包括反射型液晶显示器(LCD)165和光束分离器163。
反射型LCD 165是一种光阀，其决定是否改变入射到象素基面的偏振光的偏振态。反射型LCD 165通过基于像素调制从螺旋型透镜盘101发射的滚动的光束而成像。
光束分离器163设置在反射型LCD 165之前以改变入射光的光路。特别是，光束分离器163使从光学单元接收到的预定偏振态的光朝反射型LCD 165传播并反射由反射型LCD 165反射的光束到投影透镜单元170。虽然在图10中示出单个反射型LCD 165，但是可以理解可以应用至少两个反射型LCD165而不限于图10示出的结构。
如图13示出的、根据本发明的成像单元包括微反射镜器件270，该器件通过调制来自螺旋型透镜盘101的滚动光而成像并以预定的方向反射所形成的像。在微反射镜器件270中，微反射镜是基于像素单个驱动以将入射光反射到不同的光路并从而成像。微反射镜器件270的结构是本领域公知的，在此不提供详细的描述。
投影透镜单元170设置在成像单元和屏幕180之间。投影透镜单元170放大并投影由成像元件所形成的像到屏幕180。
如上所述，根据本发明的彩色照明系统利用带有两个有效区域的螺旋型透镜盘单元来提高有效光量，用于高效率的彩色光照明。螺旋型透镜盘单元简化了照明系统的光学结构并减小了整个系统的尺寸。
根据本发明的、应用彩色照明系统的投影型图像显示装置，由于使用带有在其主体上限定的两个有效区域、可以滚动光束的螺旋型透镜盘单元，不需要附加元件来同步滚动光束。
虽然本发明通过参照示例实施例进行详细描述和展示，但是应当理解，本领域普通技术人员可以在不偏离如权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，对其形式和细节作出多种改变。
权利要求
1.一种彩色照明系统，包括光源，用于产生并发射白光；螺旋型透镜盘，用于通过旋转运动周期性地滚动光束，并具有螺旋圆柱体透镜阵列，所述螺旋圆柱体透镜阵列在至少一个表面上包括多个圆柱体透镜；和光学单元，用于从所述光源发射的白光中分离不同波长的光束并导引所述光束进入所述螺旋型透镜盘的至少两个有效区域。
2.如权利要求1所述的彩色照明系统，其中所述光学单元包括滤色镜，用于从所述光源接收的白光中分离不同波长的光束并使所述光束沿预定方向传播；和光束分离器，用于分离来自所述滤色镜的光束以进入所述螺旋型透镜盘的至少两个有效区域。
3.如权利要求2所述的彩色照明系统，其中所述滤色镜包括第一分色棱镜，具有以一个角度倾斜于入射光光轴的第一镜面，用于反射入射白光中的第一彩色光束，而透射其他彩色光；第二分色棱镜，与所述第一分色棱镜邻接设置并具有以一个角度倾斜于入射光光轴的第二镜面，用于反射从所述第一分色棱镜透射的光中的第二彩色光束，而透射其他彩色光；第三分色棱镜，与所述第二分色棱镜邻接设置并具有以一个角度倾斜于入射光光轴的第三镜面，用于反射从所述第二分色棱镜透射的光中的第三彩色光束，其中位于所述滤色镜内的第一分色棱镜、第二分色棱镜和第三分色棱镜的第一镜面、第二镜面和第三镜面允许以满足内部全反射条件的角度入射的光被全反射，从而最小化第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束的损耗。
4.如权利要求3所述的彩色照明系统，进一步包括第一偏振光束分离器，在所述第一分色棱镜的入射面上形成，用于向所述第一分色棱镜透射在入射的非偏振白光中的第一偏振成分并反射第二偏振光；第二偏振光束分离器，用于向所述第一分色棱镜反射被所述第一偏振光束分离器反射的第二偏振光；和半波片，设置在所述第一分色棱镜与第一偏振光束分离器和第二偏振光束分离器中的一个之间，用于改变第一偏振光或第二偏振光之一的相位以使相位彼此相同。
5.如权利要求3或4所述的彩色照明系统，进一步包括第一准直透镜，设置在所述光源和所述滤色镜之间的光路上，用于转换并透射入射的非偏振白光。
6.如权利要求3或4所述的彩色照明系统，进一步包括第一中继透镜、第二中继透镜和第三中继透镜，分别与第一分色棱镜、第二分色棱镜和第三分色棱镜的出射面相对设置，并分别以预定的角度将所述第一彩色光束、所述第二彩色光束和所述第三彩色光束发散。
7.如权利要求6所述的彩色照明系统，进一步包括第二准直透镜，设置在所述滤色镜和所述光束分离器之间的光路上，用于会聚来自所述滤色镜的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束。
8.如权利要求6所述的彩色照明系统，进一步包括多个圆柱体透镜，设置在所述光束分离器和所述螺旋型透镜盘之间的光路中，所述圆柱体透镜处于光路中以从所述螺旋型透镜盘接收光并且将从所述光束分离器以不同角度接收的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束定形。
9.如权利要求2-8中的任意一项所述的彩色照明系统，进一步包括第二准直透镜，设置在所述滤色镜和所述光束分离器之间的光路上，用于会聚来自所述滤色镜的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束。
10.如权利要求2-9中的任意一项所述的彩色照明系统，其中所述光束分离器包括入射面，具有“＞”形横截面，用于将入射的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束向远离光轴的方向折射，以便至少两个所分离的光束朝所述螺旋型透镜盘传播；和出射面，平行于所述入射面，用于将至少两个所分离的光束向靠近光轴的方向折射并与入射到所述入射面的第一光束、第二光束和第三光束平行。
11.如权利要求2-10中的任意一项所述的彩色照明系统，进一步包括多个圆柱体透镜，设置在所述光束分离器和所述螺旋型透镜盘之间的光路中，所述圆柱体透镜在光路中以接收来自所述螺旋型透镜盘的光并对来自所述光束分离器的光束定形。
12.如权利要求1所述的彩色照明系统，其中所述螺旋型透镜盘包括第一螺旋型透镜盘，用于滚动入射光；和第二螺旋型透镜盘，与所述第一螺旋型透镜盘间隔预定距离，用于校正来自所述第一螺旋型透镜盘的至少两个光束的发散角。
13.如权利要求12所述的彩色照明系统，进一步包括玻璃棒，设置在所述第一螺旋型透镜盘和所述第二螺旋型透镜盘之间的光路中，用于控制来自所述第一螺旋型透镜盘的至少两个光束的发散角。
14.如权利要求1到13中的任意一项所述的彩色照明系统，进一步包括蝇眼透镜阵列，设置在光路上以接收来自所述螺旋型透镜盘的至少两个光束，并且将从来自所述螺旋型透镜的至少两个滚动光束在分开的区域中形成不同颜色的光带。
15.如权利要求14所述的彩色照明系统，所述蝇眼透镜阵列包括多个第一蝇眼透镜，分别设置在来自所述光束分离器的至少两个光束的光路中，并在入射面和/或出射面上具有两维突出阵列；和多个第二蝇眼透镜，与所述多个第一蝇眼透镜邻接设置，并在入射面和/或出射面上具有两维突出阵列。
16.如权利要求14或15所述的彩色照明系统，进一步包括第四中继透镜，设置在来自所述蝇眼透镜阵列的光束的光路中，用于将来自所述蝇眼透镜的不同颜色的光带聚焦到预定的位置。
17.一种投影型图像显示装置，包括光源，用于产生和发射白光；螺旋型透镜盘，用于通过旋转运动周期性地滚动光，所述螺旋型透镜盘具有螺旋圆柱体透镜阵列，所述螺旋圆柱体透镜阵列在至少一个表面上包括多个圆柱体透镜；光学单元，用于从所述光源发射的白光中分离不同波长的光束并导引所述光束进入所述螺旋型透镜盘的至少两个有效区域；成像单元，使用来自所述螺旋型透镜盘的光形成图像；和投影透镜单元，用于放大并投射由所述成像单元所形成的图像到屏幕上。
18.如权利要求17所述的投影型图像显示装置，其中所述光学单元包括滤色镜，用于从接收自所述光源的白光中分离不同波长的光束并使所述光束沿预定方向传播；和光束分离器，用于分离来自所述滤色镜的光束以进入所述螺旋型透镜盘的至少两个有效区域。
19.如权利要求18所述的投影型图像显示装置，其中所述滤色镜包括第一分色棱镜，具有以一个角度倾斜于入射光的光轴的第一镜面，用于反射在入射白光中的第一彩色光束，而透射其他彩色光；第二分色棱镜，与所述第一分色棱镜邻接设置并具有以一个角度倾斜于入射光光轴的第二镜面，用于反射从所述第一分色棱镜透射的光中的第二彩色光束，而透射其他彩色光；和第三分色棱镜，与所述第二分色棱镜邻接设置并具有以一个角度倾斜于入射光光轴的第三镜面，用于反射从所述第二分色棱镜透射的光中的第三彩色光束，其中位于所述滤色镜内的所述第一分色棱镜、第二分色棱镜和第三分色棱镜的第一镜面、第二镜面和第三镜面允许以满足内部全反射条件的角度入射的光被全反射，从而最小化所述第一彩色光束、所述第二彩色光束和所述第三彩色光束的损耗。
20.如权利要求19所述的投影型图像显示装置，进一步包括第一偏振光束分离器，在所述第一分色棱镜的入射面上形成，用于向所述第一分色棱镜透射入射的非偏振白光中的第一偏振成分并反射第二偏振光；第二偏振光束分离器，用于向所述第一分色棱镜反射被所述第一偏振光束分离器反射的第二偏振光；和半波片，设置在所述第一分色棱镜与所述第一偏振光束分离器和第二偏振光束分离器中的一个之间以改变所述第一偏振光或第二偏振光之一的相位，以使相位彼此相同。
21.如权利要求19或20所述的投影型图像显示装置，进一步包括第一准直透镜，设置在所述光源和所述滤色镜之间的光路上，用于转换并透射入射的非偏振白光。
22.如权利要求19到21中的任一项所述的投影型图像显示装置，进一步包括第一中继透镜、第二中继透镜和第三中继透镜，分别与第一分色棱镜、第二分色棱镜和第三分色棱镜的出射面相对设置，分别以预定的角度将第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束发散。
23.如权利要求22所述的投影型图像显示装置，进一步包括第二准直透镜，设置在所述滤色镜和所述光束分离器之间的光路上，用于会聚来自所述滤色镜的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束。
24.如权利要求22所述的投影型图像显示装置，进一步包括多个圆柱体透镜，设置在所述光束分离器和所述螺旋型透镜盘之间的光路中，并且在光路中以接收来自所述螺旋型透镜盘的光以及将从所述光束分离器以不同角度接收到的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束定形。
25.如权利要求18-24中的任一项所述的投影型图像显示装置，进一步包括第二准直透镜，设置在所述滤色镜和所述光束分离器之间的光路上，用于会聚来自所述滤色镜的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束。
26.如权利要求18-25中的任一项所述的投影型图像显示装置，其中所述光束分离器包括入射面，具有“＞”形横截面，用于将入射的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束向远离光轴的方向折射，以便至少两个所分离的光束朝所述螺旋型透镜盘传播；和出射面，平行于所述入射面，用于将至少两个所分离的光束向靠近光轴的方向折射并与入射到所述入射面的第一光束、第二光束和第三光束平行。
27.如权利要求18-26中的任一项所述的投影型图像显示装置，进一步包括多个圆柱体透镜，设置在所述光束分离器和所述螺旋型透镜盘之间的光路中，并且在光路中以接收来自所述螺旋型透镜盘的光以及将来自所述光束分离器的光束定形。
28.如权利要求17-27中的任一项所述的投影型图像显示装置，其中所述螺旋型透镜盘包括第一螺旋型透镜盘，用于滚动入射光；和第二螺旋型透镜盘，与所述第一螺旋型透镜盘分隔预定距离，用于校正来自所述第一螺旋型透镜盘的至少两个光束的发散角。
29.如权利要求28所述的投影型图像显示装置，进一步包括玻璃棒，设置在所述第一螺旋型透镜盘和所述第二螺旋型透镜盘之间的光路中，用于控制来自所述第一螺旋型透镜盘的至少两个光束的发散角。
30.如权利要求17-29中的任一项所述的投影型图像显示装置，进一步包括蝇眼透镜阵列，设置在光路上以接收来自所述螺旋型透镜盘的至少两个光束，并且从来自所述螺旋型透镜的至少两个滚动光束在分开的区域中形成不同颜色的光带。
31.如权利要求30所述的投影型图像显示装置，其中所述蝇眼透镜阵列包括多个第一蝇眼透镜，分别设置在来自所述光束分离器的至少两个光束的光路中，并在入射面和/或出射面上具有两维突出阵列；和多个第二蝇眼透镜，与所述多个第一蝇眼透镜邻接设置，并在入射面和/或出射面上具有两维突出阵列。
32.如权利要求17-31中的任一项所述的投影型图像显示装置，其中所述光学单元进一步包括集成光学元件，用于改变来自所述螺旋型透镜盘的第一有效区域和第二有效区域之一的光的滚动方向以便来自所述第一有效区域和所述第二有效区域的光束沿相同方向滚动并组合来自所述第一有效区域和所述第二有效区域的光束。
33.如权利要求32所述的投影型图像显示装置，其中所述集成光学元件包括滚动方向改变棱镜，设置在来自所述螺旋型透镜盘的第一有效区域和第二有效区域之一的光束的光路上，用于改变来自所述第一有效区域和第二有效区域之一的光束滚动的方向以便来自所述第一有效区域和所述第二有效区域的光束沿相同方向滚动；和光束移位器，设置在来自所述螺旋型透镜盘的第一有效区域和第二有效区域之一的光束的光路上，用于将来自所述第一有效区域和所述第二有效区域之一的光束移向来自另一有效区域的光束以组合来自所述第一有效区域和所述第二有效区域的光束。
34.如权利要求33所述的投影型图像显示装置，其中所述滚动方向改变棱镜是补偿棱镜，所述补偿棱镜通过翻转来自所述螺旋型透镜盘的第一有效区域和第二有效区域之一的光来改变滚动方向。
35.如权利要求33所述的投影型图像显示装置，其中所述光束移位器通过基于折射率差折射并透射入射光来将入射光束移动，并且包括与入射光束的光轴成一个角度的入射面和与所述入射面分隔预定距离且平行设置的出射面。
36.如权利要求33所述的投影型图像显示装置，其中所述光束移位器通过全反射入射光束来将入射光束移动，并且包括与入射光束的光轴倾斜成一角度的第一反射平面和第二反射平面。
37.如权利要求32所述的投影型图像显示装置，其中所述集成光学元件包括偏振片，设置在所述螺旋型透镜盘的第一有效区域和第二有效区域之一的前面的光路中，用于改变入射光的偏振态以便通过所述第一有效区域和第二有效区域透射的光束具有不同的偏振成分；滚动方向改变棱镜，设置在来自所述螺旋型透镜盘的第一有效区域和第二有效区域之一的光束的光路上，用于改变来自所述第一有效区域和所述第二有效区域之一的光束滚动的方向，以便来自所述第一有效区域和所述第二有效区域的光束沿相同方向滚动；和第三偏振光束分离器，形成在所述滚动方向改变棱镜的一个表面上，用于根据入射光的偏振态选择性地透射或反射入射光，以使得从所述第一有效区域和所述第二有效区域透射的光束沿着相同的光路向所述成像单元传播。
38.如权利要求37所述的投影型图像显示装置，进一步包括多个第四中继透镜，分别设置在来自所述螺旋型透镜盘的第一有效区域和第二有效区域的光束的光路上，用于导引来自所述螺旋型透镜盘的所滚动的第一彩色光束、第二彩色光束和第三彩色光束以沿着相同光路进入成像单元。
39.如权利要求17-38中的任一项所述的投影型图像显示装置，其中所述成像单元包括反射型液晶显示器，通过调制来自所述螺旋型透镜盘的滚动光束来形成图像；和光束分离器，设置在所述反射型液晶显示器之前，用于改变入射光的光路以便来自所述光学单元的光朝向所述反射型液晶显示器传播并且使得来自所述反射型液晶显示器的光朝向投影透镜单元传播。
40.如权利要求17-38中的任一项所述的投影型图像显示装置，其中所述成像单元是通过调制来自所述螺旋型透镜盘的滚动光来产生图像并且以预定的方向反射所产生图像的微反射镜器件。
全文摘要
提供一种高效率的、紧凑的彩色照明系统和应用该彩色照明系统的投影型图像显示装置。所述彩色照明系统包括光源、通过旋转运动周期性地滚动光的螺旋型透镜盘、和从光源发射的白光中分离不同波长的光束并导引分离的光束进入螺旋型透镜盘的至少两个有效区域的光学单元。投影型图像显示装置包括彩色照明系统、应用来自螺旋型透镜盘的滚动光产生图像的成像单元和将由成像单元所形成的像放大并投影到屏幕上的投影透镜单元。
文档编号G03B21/14GK1538202SQ200410045120
公开日2004年10月20日 申请日期2004年1月27日 优先权日2003年1月27日
发明者金大式, 赵虔皓, 金成河, 李羲重 申请人:三星电子株式会社