專利名稱：高效照明系統(tǒng)、卷動單元和使用其的投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高效照明系統(tǒng)、一種用于卷動入射光的卷動(scrolling)單元、和一種使用該高效照明系統(tǒng)和卷動單元的投影系統(tǒng)，更具體地講，涉及一種提高以單面板結(jié)構(gòu)緊密制成的光源的光效并降低其通量照度比(etendue)的高效照明系統(tǒng)、一種以改善的方式執(zhí)行卷動的卷動單元、和一種使用該高效照明系統(tǒng)和卷動單元的投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
投影系統(tǒng)根據(jù)光閥的數(shù)量被分為三面板投影系統(tǒng)和單面板投影系統(tǒng)，光閥基于逐像素(pixel-by-pixel)通過控制從作為光源使用的高能燈發(fā)出的光的接通/斷開操作來形成圖像。單面板投影系統(tǒng)在尺寸上可以具有比三面板投影系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)小的光學(xué)系統(tǒng)。但是，由于單面板投影系統(tǒng)順序地將白光分為紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)顏色的三束光束，所以單面板投影系統(tǒng)的光效降低為三面板投影系統(tǒng)的光效的1/3。因此，已經(jīng)做出了提高單面板投影系統(tǒng)的光效的嘗試。
在美國第2002/191154A1號申請中公開了一種傳統(tǒng)投影系統(tǒng)。如圖1所示，在公開的傳統(tǒng)單面板投影系統(tǒng)中，從光源100發(fā)出的白光通過第一透鏡陣列102和第二透鏡陣列104及偏振光束光學(xué)分束器陣列105，然后被第一分色濾光鏡109、第二分色濾光鏡112、第三分色濾光鏡122、和第四分色濾光鏡139分為R、G、和B色光束。R和G色光束傳播通過第一分色濾光鏡109并沿著第一光路I1前進(jìn)，而B色光束被第一分色濾光鏡109反射并沿著第二光路I2前進(jìn)，以被反射鏡133反射。沿著第一光路I1前進(jìn)的R和G色光束被第二分色濾光鏡112相互分離。換句話說，R色光束傳播通過第二分色濾光鏡112并沿著第一光路I1前進(jìn)，以被另一反射鏡138反射，而G色光束被第二分色濾光鏡112反射并沿著第三光路I3前進(jìn)。
如上所述，從光源100發(fā)出的白光被分為R、G、和B色光束，并且R、G、和B色光束被卷動以分別相應(yīng)于R、G、和B色光束通過第一棱鏡114、第二棱鏡135、和第三棱鏡142。第一棱鏡114、第二棱鏡135、和第三棱鏡142分別設(shè)置在第一光路I1、第二光路I2、和第三光路I3上，并且勻速地旋轉(zhuǎn)，從而R、G、和B色光束被卷動。沿著第二光路I2前進(jìn)的B色光束傳播通過第四分色濾光鏡139，沿著第三光路I3前進(jìn)的G色光束被第三分色濾光鏡139反射，從而G和B色光束混合。最終，R、G、和B色光束由第四分色濾光鏡122混合并通過偏振光束光學(xué)分束器127，并且光閥130使用R、G、和B色光束來形成圖像。這里，標(biāo)號125指偏振片，標(biāo)號118和133指光路變換單元。
圖2示出了由于第一棱鏡114、第二棱鏡135、和第三棱鏡142的旋轉(zhuǎn)而卷動R、G、和B色帶的過程。這里，當(dāng)相應(yīng)于R、G、和B色光束的第一棱鏡114、第二棱鏡135、和第三棱鏡142同時(shí)以相同的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，在光閥130表面上形成的R、G、和B色帶周期性地移動。例如，如果R、G、和B色帶在在光閥130上形成，那么如圖2所示當(dāng)R、G、和B色帶旋轉(zhuǎn)一輪時(shí)，產(chǎn)生一幀彩色圖像。
光閥130根據(jù)開關(guān)信號通過處理其各個(gè)像素來形成彩色圖像。投影透鏡(未示出)將彩色圖像放大并將其投影到屏上。
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鏡，并且用于聚集分離的光束的部件是必要的。因此，單面板投影系統(tǒng)的體積增加，裝配其困難，并且光路復(fù)雜，使得安排光軸變得困難。另外，在將光分為三束色光束和聚集該三束色光束的過程中，光束的通量照度比增加。這里，通量照度比E指光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)保守物理量，并且被表示為方程1。
E=πAsin2(θ12)=πA(4Fno)2···(1)]]>其中，A表示物體的面積，該物體的通量照度比被測量，并且Fno表示F個(gè)透鏡。在方程1中，通量照度比取決于物體的面積和F數(shù)，并且指由光學(xué)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)所表達(dá)的物理量。在光學(xué)系統(tǒng)起點(diǎn)的通量照度比應(yīng)等于在光學(xué)系統(tǒng)終點(diǎn)的通量照度比，從而光效被最佳化。例如，如果在光學(xué)系統(tǒng)終點(diǎn)的通量照度比大于在起點(diǎn)的通量照度比，那么光學(xué)系統(tǒng)的體積增加。如果在終點(diǎn)的通量照度比小于在起點(diǎn)的通量照度比，那么光可能會損失。如果光源的通量照度比很大，那么光束入射到后續(xù)透鏡的角度變寬。因此，難以組成滿足這些需求的光學(xué)系統(tǒng)。但是，當(dāng)降低通量照度比時(shí)可以容易地組成光學(xué)系統(tǒng)。
但是，在單面板卷動投影顯示裝置中，光束被分為三束色光束，然后被聚集。由于此原因，所以發(fā)散角變大，因此通量照度比增加。因此，由于通量照度比增加而導(dǎo)致組成光學(xué)系統(tǒng)變得困難。
另外，在一般的單面板投影系統(tǒng)中，白光被分為R、G、和B色光束，這些光束由濾光鏡順序地發(fā)送到光閥。光閥根據(jù)R、G、和B色光束的次序來操作以形成彩色圖像。如上所述，由于單面板投影系統(tǒng)順序地使用R、G、和B色光束，所以光效降低為三面板投影系統(tǒng)的光效的1/3。為了解決這些問題，建議了一種顏色卷動方法。在該顏色卷動方法中，在白光被分為R、G、和B色光束之后，R、G、和B色光束同時(shí)被發(fā)送到光閥的不同位置。所有的R、G、和B色光束必須到達(dá)一個(gè)像素以實(shí)現(xiàn)彩色圖像。因此，使用特定方法，每束R、G、和B色光束勻速移動。在傳統(tǒng)的單面板投影光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)棱鏡為了卷動而旋轉(zhuǎn)時(shí)，獨(dú)立的棱鏡用于每束色光束。但是，將棱鏡的驅(qū)動速度和光閥匹配是困難的，并且由于棱鏡的圓周運(yùn)動，用于卷動色光束的速度可能不是均勻的。由于分立的部件對每束色光束是必要的，所以光學(xué)系統(tǒng)的體積增加，并且制造和裝配該光學(xué)系統(tǒng)的過程復(fù)雜。其結(jié)果是，該光學(xué)系統(tǒng)的產(chǎn)量減少。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種照明系統(tǒng)和一種采用該照明系統(tǒng)的投影系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)降低了光源的通量照度比，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的易于制造，獲得緊湊的光學(xué)系統(tǒng)，并且增加光效。
本發(fā)明還提供一種卷動單元，通過其所有的色帶能夠被卷動。
本發(fā)明還提供一種緊湊的單面板投影系統(tǒng)，其通過采用該卷動單元而具有提高的光效。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種照明系統(tǒng)，包括燈泡，用于發(fā)光；反射鏡，用于反射從燈泡發(fā)出的光，并且具有被反射的光射向其的開口；和至少一個(gè)反射單元，用于覆蓋反射鏡的開口的一部分。
反射鏡可以是橢圓形反射鏡或拋物線形反射鏡。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供另一種照明系統(tǒng)，包括燈泡，用于發(fā)光；反射鏡，用于反射從燈泡發(fā)出的光；和反射單元，安裝在燈泡表面的一部分上。
反射單元最好安裝在面向反射鏡的燈泡的半球面的一部分上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種投影系統(tǒng)，其使用光閥根據(jù)輸入圖像信號通過處理從照明系統(tǒng)發(fā)出的光，來形成圖像，放大圖像，并且使用投影卷動單元來將圖像投影到屏上。這里，該照明系統(tǒng)包括燈泡，用于發(fā)光；反射鏡，用于反射從燈泡發(fā)出的光，并且具有被反射的光從燈泡射向其的開口；和至少一個(gè)反射單元，用于覆蓋反射鏡的開口的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種投影系統(tǒng)，其使用光閥根據(jù)輸入圖像信號通過處理從照明系統(tǒng)發(fā)出的光，來形成圖像，放大圖像，并且使用投影卷動單元來將圖像投影到屏上。這里，該照明系統(tǒng)包括燈泡，用于發(fā)光；反射鏡，用于反射從燈泡發(fā)出的光；和反射單元，安裝在燈泡表面的一部分上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于卷動入射單元的卷動單元。該卷動單元包括旋轉(zhuǎn)軸線和至少一個(gè)透鏡單元。透鏡單元包括入射端和出射端，將入射光分割為各個(gè)透鏡單元的光束，并且使卷動單元的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致為光束的直線運(yùn)動。
光束的直線運(yùn)動在光束變得靠近或遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸線的方向上做出。
卷動單元的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致光束的直線運(yùn)動周期性地重復(fù)。
最好，透鏡單元成螺旋形地放置并且是柱面透鏡。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供另一種具有至少一個(gè)透鏡單元的卷動單元。在該卷動單元中，從入射到至少一個(gè)透鏡單元的光的視點(diǎn)來看，至少一個(gè)透鏡單元的旋轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換為透鏡陣列的直線運(yùn)動，從而入射光被卷動。
透鏡單元由衍射光學(xué)元件和全息光學(xué)元件中的任一個(gè)形成，從而入射光根據(jù)顏色被分割。
透鏡單元被這樣設(shè)置，當(dāng)畫法線到透鏡單元時(shí)，鄰近透鏡單元之間的間隔是均勻的，并且鄰近透鏡單元的法線矢量相同。
透鏡單元的螺旋軌跡(Qkx，Qky)滿足下面的方程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分別表示第一透鏡單元的x和y坐標(biāo)，k表示自然數(shù)，θ2表示鄰近曲線之間的旋轉(zhuǎn)角度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供另一種用于卷動入射光的卷動單元，其中包括至少一個(gè)透鏡單元，并且從入射光的視點(diǎn)來看，該至少一個(gè)透鏡單元的位置隨卷動單元繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)而改變。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種緊湊的單面板投影系統(tǒng)，其包括光源、光學(xué)分束器、至少一個(gè)卷動單元、和光閥。光學(xué)分束器根據(jù)波長分離從光源發(fā)出的光。至少一個(gè)卷動單元具有至少一個(gè)透鏡單元。在卷動單元中，對由透鏡單元透射的光來說，透鏡單元的旋轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換為透鏡陣列的直線運(yùn)動，從而入射光被卷動。從光源發(fā)射的光被光學(xué)分束器和卷動單元分離為色光束，并且色光束聚焦在光閥上。光閥根據(jù)輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
最好，至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列被安裝在卷動單元和光閥之間的光路上。
包括用于將由至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列透射的光聚焦在光閥上的轉(zhuǎn)像透鏡。
光學(xué)分束器包括以不同角度相鄰放置的第一到第三分色濾光鏡以根據(jù)波長有選擇地透射或反射入射光，并且卷動單元被安裝在光學(xué)分束器之后。
光學(xué)分束器包括并行放置的第一到第三分色濾光鏡以根據(jù)波長有選擇地透射或反射入射光，并且卷動單元被安裝在光學(xué)分束器之前。
最好，第一柱面透鏡被安裝在至少一個(gè)卷動單元之前，并且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在卷動單元之后，以控制入射光束的寬度。
確定在至少一個(gè)卷動單元上的透鏡單元的數(shù)量，以便卷動單元可與光閥的工作頻率同步工作。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了另一種包括光源、至少一個(gè)卷動單元、和光閥的緊湊的單面板投影系統(tǒng)。該至少一個(gè)卷動單元具有至少一個(gè)單元，并由衍射光學(xué)元件和全息光學(xué)元件的任一個(gè)制造，以便根據(jù)波長分離從光源發(fā)射的光并且通過將單元的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成單元陣列的直線運(yùn)動來卷動入射光。從光源發(fā)射的光被光學(xué)分束器和卷動單元分離為色光束，并且色光束聚焦在光閥上。光閥根據(jù)輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了另一種包括光源、光學(xué)分束器、至少一個(gè)卷動單元、和光閥的緊湊的單面板投影系統(tǒng)。該光學(xué)分束器根據(jù)波長將從光源發(fā)射的光分開。該至少一個(gè)卷動單元具有至少一個(gè)透鏡單元。該透鏡單元具有入射方和射出方，并將入射光分割為光束。透鏡單元的旋轉(zhuǎn)引起光束的直線運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)入射光的卷動。從光源發(fā)射的光被光學(xué)分束器和卷動單元分離為色光束，并且色光束聚焦在光閥上。光閥根據(jù)輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了另一種包括光源、光學(xué)分束器、至少一個(gè)卷動單元、和光閥的緊湊的單面板投影系統(tǒng)。該光學(xué)分束器根據(jù)波長將從光源發(fā)射的光分開。該至少一個(gè)卷動單元具有至少一個(gè)透鏡單元。從入射光的視點(diǎn)，當(dāng)卷動單元圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)該至少一個(gè)透鏡單元的位置改變。從光源發(fā)射的光被光學(xué)分束器和卷動單元分離為色光束，并且色光束聚焦在光閥上。光閥根據(jù)輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
圖1顯示了在美國第2002/191154 A1號申請中公開的傳統(tǒng)的投影系統(tǒng)；圖2是用于解釋在圖1所示的投影系統(tǒng)中使用的卷動色帶(scrolling colorbars)的方法的視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的投影系統(tǒng)的分解透視圖；圖4A和圖4B是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的照明系統(tǒng)的視圖；圖5和圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的照明系統(tǒng)的視圖；圖7A是顯示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的顏色卷動單元的正視圖；圖7B是沿圖7A中的VII-VII線所取的截面圖；圖7C是用于解釋設(shè)計(jì)圖7A中的顏色卷動單元的過程的圖解；圖8顯示了在沒有包括柱面透鏡的投影系統(tǒng)中和在包括柱面透鏡的投影系統(tǒng)中，當(dāng)光束通過卷動單元時(shí)光束的形狀；圖9是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的投影系統(tǒng)的方框圖；圖10顯示了按照根據(jù)本發(fā)明的卷動單元的旋轉(zhuǎn)，顏色卷動的操作；圖11A至圖11C顯示了在根據(jù)本發(fā)明的投影系統(tǒng)中執(zhí)行的顏色卷動方法；圖12是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的投影系統(tǒng)的正視圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的投影系統(tǒng)的分解透視圖；圖14A是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的投影系統(tǒng)的正視圖；圖14B顯示了在根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例中執(zhí)行的顏色卷動方法；
圖15是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的投影系統(tǒng)的正視圖；圖16A和圖16B示出了由在根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的投影系統(tǒng)中適用的衍射光學(xué)元件(DOE)卷動單元執(zhí)行的衍射；圖17是顯示相對于光柵的半徑光柵間隔的變化的圖形；圖18示出了由波帶板導(dǎo)致的光束會聚；圖19A至圖19C示出了制造在根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的投影系統(tǒng)中使用的DOE卷動單元的過程；圖20示出了體積全息類型的卷動單元的制造；圖21A是連續(xù)浮雕類型的DOE卷動單元的結(jié)構(gòu)視圖；圖21B是多級衍射(MOD)透鏡類型的DOE卷動單元的結(jié)構(gòu)視圖；圖21C是雙類型的DOE卷動單元的結(jié)構(gòu)視圖；圖21D是多階類型的DOE卷動單元的結(jié)構(gòu)視圖；和圖22是顯示相對于波長的一般DOE透鏡的衍射效率和MOD透鏡的衍射效率的圖形。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)參照本發(fā)明的實(shí)施例，其示例在附圖中示出，其中，相同的標(biāo)號始終表示相同的部件。下面通過參照附圖來描述這些實(shí)施例以解釋本發(fā)明。
參照圖3，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的投影系統(tǒng)包括光源10；光學(xué)分束器15，用于根據(jù)波長將從光源10發(fā)出的光分為多個(gè)色光束；至少一個(gè)卷動單元20，用于卷動由光學(xué)分束器15分開的色光束；和光閥40，用于根據(jù)圖像信號來處理由卷動單元20卷動的色光束，以形成彩色圖像。
至少一個(gè)復(fù)眼透鏡(例如，第一復(fù)眼透鏡25和第二復(fù)眼透鏡26)和透鏡組30還可以安裝在卷動單元20和光閥40之間的光路上。由光閥40形成的彩色圖像由投影透鏡系統(tǒng)(未示出)放大并投影在屏上。
參照圖4A和圖4B，光源10發(fā)出白光并且該光源是燈光源，其中從具有放電尖端1的燈泡3發(fā)出的光(輻射光或弧光)被反射鏡5反射。如圖4A所示，至少一個(gè)反射單元7安裝在光源10上，以覆蓋(遮住)光源10的開口2的一部分，從而降低通量照度比E。反射鏡5可以是橢圓反射鏡，其第一個(gè)焦點(diǎn)是燈泡3，第二個(gè)焦點(diǎn)是光聚焦的點(diǎn)?；蛘?，反射鏡5可以是拋物線形反射鏡，其使用燈泡3作為焦點(diǎn)，并且準(zhǔn)直從放電尖端1發(fā)出的并被反射鏡5反射的光束。圖4A和圖4B中所示的反射鏡5是拋物線形反射鏡。
參照圖4B，從具有放電尖端1的燈泡3發(fā)出的光束被反射鏡5反射。一部分反射的光束從光源10通過開口2射出。其余的光束也被反射單元7朝反射鏡5反射。反射鏡5將接收到的光束朝相對側(cè)反射，并且反射的光束從光源10通過開口2射出。
適當(dāng)數(shù)目的反射單元7可以按各種形狀放置在合適的位置，以降低光源的通量照度比E。例如，反射單元7可以置于反射鏡5的開口2的一側(cè)。如圖4B所示，反射單元7可以放置在反射鏡5的開口2的上半圓部分。除了這些部分之外，反射單元7還可以放置在反射鏡5的開口2的下半圓部分、左半圓部分、或右半圓部分。在這些情況下，通量照度比E是相同的。
在如圖5所示的另一種方法中，安裝了第一反射單元8a和第二反射單元8b，它們基于反射鏡5的開口2對稱地放置。這里，第一反射單元8a和第二反射單元8b對稱地放置在于反射鏡5的開口2的上位置和下位置。但是，第一反射單元8a和第二反射單元8b也可以對稱地放置在于反射鏡5的開口2的左位置和右位置。D表示開口2的整個(gè)直徑，R表示第一反射單元8a和第二反射單元8b的寬度。另外，開口2的實(shí)際(有效)開口的直徑(長度)D′由公式(D-2R)＝D′表示。
下面將描述通過安裝至少一個(gè)反射單元以遮住反射鏡5的開口2來降低通量照度比E的過程。參照圖4B，燈泡3發(fā)出輻射光。這里，反射鏡5分為其上沒有安裝反射單元7的第一反射鏡5a、和其上安裝了反射單元7的第二反射鏡5b。朝第一反射鏡5a發(fā)出的第一光束用A表示，朝第二反射鏡5b發(fā)出的第二光束用B表示。首先，朝第一反射鏡5a發(fā)出的第一光束A被第一反射鏡5a反射，并且立即射向光源10的外部。朝第二反射鏡5b發(fā)出的第二光束B被第二反射鏡5b反射，被反射單元7朝第二反射鏡5b再次反射，朝第一反射鏡5a反射，并且通過開口2的實(shí)際開口射向光源10的外部。
最終，燈泡3通過其發(fā)光的開口2的實(shí)際區(qū)域可被減少，而不損失光的總量。換句話說，在沒有安裝反射單元7的情況下，光通過反射鏡5的整個(gè)開口2而射出。但是，通過安裝反射單元7，與通過反射鏡5的整個(gè)開口2射出的光相同量的光可以只通過反射鏡5的開口2的一部分而射出。當(dāng)光通過其射出的反射鏡的開口2的實(shí)際區(qū)域減少時(shí)，光源10的通量照度比E能夠被降低。
如圖5所示，將描述第一反射單元8a和第二反射單元8b基于開口2對稱地安裝的情況。這里，反射鏡5分為其上安裝了第一反射單元8a的第三反射鏡5c、其上沒有安裝第一反射單元8a和第二反射單元8b的第四反射鏡5d、和其上安裝了第二反射單元8b的第五反射鏡5e。
燈泡3發(fā)出輻射光，該輻射光的一部分被第四反射鏡5d反射并立即向外射出，剩余部分的光被第三反射鏡5c和第五反射鏡5e反射，朝第一反射單元8a和第二反射單元8b前進(jìn)，被第一反射單元8a和第二反射單元8b反射，被第三反射鏡5c和第五反射鏡5e反射，并且經(jīng)過沒有被第一反射單元8a和第二反射單元8b覆蓋的開口2的部分射出。因此，光通過其射出的反射鏡5的開口2的實(shí)際區(qū)域能夠被減少，由此降低通量照度比E。
詳細(xì)地，朝第三反射鏡5c發(fā)出的光被第一反射單元8a反射，被第三反射鏡5c和第五反射鏡5c再次反射，并且通過具有直徑D′而且不具有任何安裝的反射單元的實(shí)際開口而射出。另外，朝第五反射鏡5e發(fā)出的光被第二反射單元8b反射，被第五反射鏡5e和第四反射鏡5d再次反射，并且通過具有直徑D′而且不具有任何安裝的反射單元的實(shí)際開口而射出。因此，光通過其射出的實(shí)際區(qū)域比沒有安裝第一反射單元8a和第二反射單元8b的情形減少，以降低通量照度比E。
參照圖6，在包括反射鏡5的另一光源10中，反射鏡5具有燈泡3，燈泡3帶有放電尖端1，燈泡3只有一部分覆蓋有反射膜或反射單元9，以降低光源10的通量照度比E。例如，面向反射鏡5的燈泡3的一部分覆蓋有反射膜或反射單元9。從沒有覆蓋上反射膜或反射單元9的燈泡3的剩余部分發(fā)出的一部分輻射光被反射鏡5反射，并且射向光源10的外部。朝反射膜或反射單元9發(fā)出的光被反射膜或反射單元9朝反射鏡5反射，被反射鏡5再次反射，并且射向光源10的外部。這里，D表示反射鏡5的開口2的整個(gè)直徑，E表示由于反射膜或反射單元9使光不通過其射出的開口2的第一區(qū)域的直徑，D″表示光通過其射出的開口2的第二區(qū)域的直徑。在圖6中，反射膜或反射單元9在燈泡3的半球面上近似地形成。但是，反射膜或反射單元9在其中安裝的區(qū)域和位置可以改變。因此，光源10的通量照度比能夠被充分地控制。
使用上述方法降低了通量照度比之后，從光源10發(fā)出的光被光學(xué)分束器15分為至少兩束色光束。例如，光學(xué)分束器15可以由第一分色濾光鏡15a、第二分色濾光鏡15b、和第三分色濾光鏡15c組成，放置這些分色濾光鏡以相對于光源10分開合適的角度。從光源10發(fā)出的光被第一分色濾光鏡15a、第二分色濾光鏡15b、和第三分色濾光鏡15c分別分為R、G、和B色光束，然后被卷動單元20卷動。卷動單元20雖然其中只包括一個(gè)卷動單元20，但也可以包括兩個(gè)或更多的卷動單元20。
參照圖7A，通過成螺旋形地設(shè)置至少一個(gè)透鏡單元20a來形成卷動單元20。如圖7B所示，卷動單元20的截面具有柱面透鏡陣列結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，每個(gè)柱面透鏡具有曲率半徑rarc。例如，透鏡單元20a可以是柱面透鏡，并且卷動單元20可以具有圓盤形狀。但是，卷動單元20的形狀不限于圓盤形狀，也可以是圓柱形狀。因此，透鏡單元20a可以環(huán)繞圓柱形卷動單元20的曲面成螺旋形地放置。
通過使用漸開線函數(shù)成螺旋形地設(shè)置透鏡單元20a來設(shè)計(jì)卷動單元20。漸開線函數(shù)廣泛用于齒輪設(shè)計(jì)并能夠被認(rèn)為從線軸解開的螺紋終點(diǎn)沿著經(jīng)過的跡線。參照圖7C來更詳細(xì)地解釋，從卷動單元20的中心圓21的接觸點(diǎn)P畫切線至任意點(diǎn)Q，并且線段PQ被等分以創(chuàng)建虛構(gòu)的等分點(diǎn)P1、P2、P3、和P4。當(dāng)每個(gè)點(diǎn)被認(rèn)為以預(yù)定短的長度從線軸解開的螺紋的終點(diǎn)時(shí)，可以得到方程1I＝r*θOP→=r(cosθ,sinθ)···(1)]]>其中，r表示中心圓21的半徑，I表示線段PQ的長度，θ表示具有長度I的開端繞中心圓21的角度， 表示從原點(diǎn)O到P點(diǎn)的矢量。由于 是從P點(diǎn)畫線到切線的矢量，所以 是 的切線矢量并具有長度I。因此， 能以方程2表達(dá)PQ→=I(sinθ,-cosθ)=rθ(sinθ,-cosθ)···(2)]]>參照方程1和2，使用方程3可獲得 OQ→=OP→+PQ→]]>=(rcosθ+rθsinθ,rsinθ-rθcosθ)···(3)]]>如果 的切線矢量是 并且 的大小是I，則使用方程4來獲得
Q′→=I(cosθ,sinθ)=rθ(cosθ,sinθ)···(4)]]>點(diǎn)P1、P2、P3、和P4的矢量 和 具有在中心圓21上的相同接觸點(diǎn)，相同的半徑r、和相同的角度θ。因此，從方程4中可以看出，在每個(gè)點(diǎn)的切線矢量 相同。
另外，在鄰近的螺旋曲線(S1和S2)、(S2和S3)或(S3和S4)中，第二螺旋曲線可以被認(rèn)為已經(jīng)從第一螺旋曲線旋轉(zhuǎn)了預(yù)定角度θ2。如果假設(shè)卷動單元被分為n個(gè)單元，那么能夠使用方程5來獲得鄰近的螺旋曲線(S1和S2)、(S2和S3)或(S3和S4)之間的旋轉(zhuǎn)角度θ2θ2=2πn···(5)]]>根據(jù)方程1， 的大小I與θ成比例，所以鄰近點(diǎn)P1和P2、P2和P3、或P3和P4之間的距離d也與旋轉(zhuǎn)角度θ2成比例。因此，鄰近點(diǎn)P1和P2、P2和P3、或P3和P4之間的距離與鄰近的螺旋曲線(S1和S2)、(S2和S3)或(S3和S4)之間的最短距離d相同，并且可以使用方程6來獲得距離dd=r*θ2=r*2πn···(6)]]>從方程6中可以看出，因?yàn)閚和r是常數(shù)，所以鄰近的螺旋曲線(S1和S2)、(S2和S3)或(S3和S4)之間的最短距離d是常數(shù)。通過將第一條曲線S1旋轉(zhuǎn)(k-1)*θ2來獲得第k條曲線Sk的坐標(biāo)QK。因此，當(dāng)?shù)谝粭l曲線S1的坐標(biāo)是Q1時(shí)，第k條曲線Sk的坐標(biāo)QK可表示為方程7Qk=Rot((k-1)*θ2)*θ1=Rot(2π(k-1)n)*Q1···(7)]]>其中，Rot表示在任意角度旋轉(zhuǎn)一個(gè)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)單位矢量。方程7可被表示為如方程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)]]>參照方程8，從方程9可獲得第k條曲線Sk的x和y坐標(biāo)Qkx＝Q1，xcos(k-1)θ2-Q1，ysin(k-1)θ2Qky＝Q1，ysin(k-1)θ2-Q1，ycos(k-1)θ2...(9)透鏡單元的曲線可沿著由方程9獲得的軌跡而形成，卷動單元的截面形狀是具有有曲率半徑rarc的半圓形，并且卷動單元的的大小沒有被特定地限制。使用方程6來計(jì)算鄰近曲線之間的距離d。另外，卷動單元的內(nèi)徑必須大于線軸即中心圓的內(nèi)徑，卷動單元的外徑?jīng)]有限制。如上所述，設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的卷動單元以具有螺旋形狀，在該螺旋形狀中，當(dāng)相對于線軸即中心圓上的任意切線以規(guī)則的間隔畫法線時(shí)，在切線和每條法線之間的交點(diǎn)P1、P2、P3、和P4的切線矢量滿足相同的條件。由于距離d是卷動單元上的鄰近透鏡單元之間的最短距離，并且在交點(diǎn)P1、P2、P3、和P4的切線矢量相同，所以透鏡單元的形狀具有相同的曲率。
返回參照圖3，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的投影系統(tǒng)的光源10包括反射單元7，并因此能夠降低光源10的通量照度比，而沒有光的損失。從光源10發(fā)出的光被光學(xué)分束器15分為色光束。例如，光學(xué)分束器15可由相對于入射光軸線以不同的角度傾斜地放置的第一分色濾光鏡15a、第二分色濾光鏡15b、和第三分色濾光鏡15c組建。光學(xué)分束器15根據(jù)預(yù)定波長范圍將入射光分離，并且使分離的光束以不同的角度前進(jìn)。例如，第一分色濾光鏡15a從白入射光中反射在紅波長范圍內(nèi)的R光束，并且同時(shí)透射在綠波長范圍內(nèi)的G光束和在藍(lán)波長范圍內(nèi)的B光束。第二分色濾光鏡15b從由第一分色濾光鏡15a透射的光束中反射G光束，并且同時(shí)透射B光束。第三分色濾光鏡15c反射由第一分色濾光鏡15a和第二分色濾光鏡15b透射的B光束。
入射光被第一分色濾光鏡15a、第二分色濾光鏡15b、和第三分色濾光鏡15c根據(jù)波長分離為R、G、和B光束，這些光束以不同的角度被反射。例如，R和B光束會聚在G光束上。分離的顏色入射到卷動單元20上，并且每個(gè)被卷動單元20卷動。隨后將描述卷動單元。
最好，第一柱面透鏡13設(shè)置在卷動單元20之前，更具體地講，在光學(xué)分束器15之前，并且第二柱面透鏡22還設(shè)置在卷動單元20之后。第一柱面透鏡13減少入射到卷動單元20上的光束的寬度，并且第二柱面透鏡22將經(jīng)過卷動單元20而發(fā)散的光束準(zhǔn)直。參照圖8，比較了從光源10發(fā)出的并且沒有經(jīng)過第一柱面透鏡13而入射到卷動單元20上的光束和具有由第一柱面透鏡13減少了的寬度然后入射到卷動單元20上的光束。
當(dāng)經(jīng)過卷動單元20的光束相對寬時(shí)，螺旋透鏡陣列與光束的寬度不匹配，由此導(dǎo)致不匹配區(qū)域的光損失。為了最小化光損失，最好設(shè)置第一柱面透鏡13以減小光束的寬度，從而螺旋透鏡陣列的形狀盡可能地匹配光束的寬度。
此后，經(jīng)過卷動單元20的光束被第二柱面透鏡22轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄?。如上所述，光的寬度由第一柱面透鏡13和第二柱面透鏡22控制，由此，降低光損失并提高彩色圖像的質(zhì)量。
經(jīng)過卷動單元20的光的路徑由光路轉(zhuǎn)換單元23改變，然后路徑改變后的光聚焦在第一復(fù)眼透鏡陣列25和第二復(fù)眼透鏡陣列26上。入射到第一復(fù)眼透鏡陣列25和第二復(fù)眼透鏡陣列26上的光被透鏡單元25a和25b分割，并且相同顏色的光被透鏡組30重疊并聚焦在光閥40上，由此形成色帶。這里，不同顏色的光聚焦在光閥40的不同區(qū)域。透鏡組30可以由聚光透鏡和轉(zhuǎn)像透鏡組成。
還將棱鏡35設(shè)置在透鏡組30和光閥40之間，以有選擇性地改變光路。例如，棱鏡35透射經(jīng)過透鏡組30朝光閥40前進(jìn)的光束，并且將由光閥40反射的光束朝投影透鏡單元(未示出)反射。由光閥40形成的圖像被投影透鏡單元放大，并且放大后的圖像落在屏上。這樣就生成了彩色圖像。光閥40可以是LCD、LCOS、DMD等。
參照圖9，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的投影系統(tǒng)包括光源50；光學(xué)分束器55，用于根據(jù)波長將從光源50發(fā)出的光分為色光束；至少一個(gè)卷動單元60，用于卷動由光學(xué)分束器55分離的色光束；和光閥67，用于根據(jù)圖像信號來處理由卷動單元60卷動的色光束，以形成彩色圖像。由光閥67形成的彩色圖像被投影透鏡系統(tǒng)68放大并投影到屏70上。
光源50發(fā)出白光，并且包括產(chǎn)生光的燈51、和反射從燈51發(fā)出的光并引導(dǎo)被反射的光的路徑的反射鏡53。反射鏡53可以是橢圓形反射鏡，其第一焦點(diǎn)f1是燈51的位置，并且第二焦點(diǎn)f2是光聚焦的點(diǎn)?；蛘?，反射鏡53可以是拋物線形反射鏡，將燈51的位置設(shè)置為該拋物線形反射鏡的焦點(diǎn)，并且該拋物線形反射鏡能夠準(zhǔn)直從燈51發(fā)出的并被反射鏡53反射的光束。圖9中所示的反射鏡5是橢圓形反射鏡。如果拋物線形反射鏡被用作反射鏡53，那么在光源50的后面還必須包括用于聚光的透鏡。
用于準(zhǔn)直入射光的準(zhǔn)直透鏡54安裝在光源50和光學(xué)分束器55之間的光路上。最好，距離第二焦點(diǎn)f2p/5來安裝準(zhǔn)直透鏡54。這里，p表示燈51和從燈51發(fā)出的光聚焦的第二焦點(diǎn)f2之間的距離。通過以這種方式安裝投影系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以被制造得更緊湊。
從光源50發(fā)出的光被光學(xué)分束器55分為至少兩束色光束。光學(xué)分束器55可以由相對于入射光軸線以不同的角度傾斜地放置的第一分色濾光鏡55a、第二分色濾光鏡55b、和第三分色濾光鏡55c構(gòu)成。光學(xué)分束器55根據(jù)預(yù)定波長范圍將入射光分離，并且使分離的光束以不同的角度前進(jìn)。例如，第一分色濾光鏡55a從白入射光中反射在紅波長范圍內(nèi)的R光束，并且同時(shí)透射在綠波長范圍內(nèi)的G光束和在藍(lán)波長范圍內(nèi)的B光束。第二分色濾光鏡55b從由第一分色濾光鏡55a透射的光束中反射G光束，并且同時(shí)透射B光束。第三分色濾光鏡55c反射由第一分色濾光鏡55a和第二分色濾光鏡55b透射的B光束。
入射光被第一分色濾光鏡55a、第二分色濾光鏡55b、和第三分色濾光鏡55c根據(jù)波長分離為R、G、和B光束，這些光束以不同的角度被反射。例如，R和B光束會聚在G光束上，并且會聚的R、G、和B色光束入射到卷動單元20上。
卷動單元60是可旋轉(zhuǎn)的。最好放置至少一個(gè)透鏡單元60a以將卷動單元60的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為入射光的直線運(yùn)動。例如，通過成螺旋形地放置至少一個(gè)透鏡單元60a來形成卷動單元60。每個(gè)透鏡單元60a將入射光分割為多個(gè)光束。這里，透鏡單元60a可以是柱面透鏡。
最好將第一柱面透鏡56和第二柱面透鏡57分別安裝在卷動單元20的前面和后面。第一復(fù)眼透鏡63和第二復(fù)眼透鏡64與轉(zhuǎn)像透鏡65沿著卷動單元60和光閥67之間的光路而安裝。
如上所述，入射到卷動單元60上的光的寬度被第一柱面透鏡56減小。
現(xiàn)在將參照圖11A到11C描述由卷動單元60執(zhí)行的卷動操作。
在開始卷動操作的描述之前，參照圖10，入射光被第一、第二、和第三分色鏡55a、55b、和55c分割為具有不同波長的光束(即，R、G、B光束)，并且具有不同波長的光束以不同的角度向卷動單元60前進(jìn)。入射光被光學(xué)分束器55分成的至少兩個(gè)色光束重復(fù)入射到透鏡單元60的每個(gè)上。這里，由卷動單元60發(fā)送的光束由參考符號L指示。該至少兩個(gè)色光束(例如，R、G、B光束)以這樣的方式聚焦在卷動單元60上，即不同色光束聚焦在不同區(qū)域上。當(dāng)卷動單元60以均勻的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，可獲得光束L似乎做直線運(yùn)動的效果。在光束L變?yōu)殡x卷動單元60的旋轉(zhuǎn)軸更遠(yuǎn)或更近的方向做直線運(yùn)動。在圖10中，當(dāng)卷動單元60沿由箭頭J指示的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，入射在卷動單元60上的光束似乎在光束L變?yōu)檫h(yuǎn)離卷動單元60的旋轉(zhuǎn)軸的方向做直線運(yùn)動。
另一方面，從光束L的視點(diǎn)，當(dāng)卷動單元60旋轉(zhuǎn)時(shí)安裝在光束L的路徑上的透鏡陣列似乎做直線運(yùn)動。換句話說，當(dāng)卷動單元60旋轉(zhuǎn)時(shí)，由卷動單元60透射的光束的位置似乎改變。這個(gè)位置改變是在光束L變?yōu)殡x卷動單元60的旋轉(zhuǎn)軸更遠(yuǎn)或更近的方向直線地進(jìn)行的。然而，如果卷動單元60是圓柱形的，則基于卷動單元60的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行透鏡陣列的直線運(yùn)動。
如圖11A中所示，光被光學(xué)分束器55分成的色光束被卷動單元60分布在透鏡單元60a上，相同顏色的光束被第一和第二復(fù)眼透鏡陣列63和64及轉(zhuǎn)像透鏡65彼此重疊以在光閥67上形成不同色帶。第一和第二復(fù)眼透鏡陣列63和64及轉(zhuǎn)像透鏡65起到通過重疊相同顏色的光束來在光閥67的不同區(qū)域上形成不同色帶的色帶形成單元的作用。
首先，光束通過卷動單元60，第一和第二復(fù)眼透鏡陣列63和64及轉(zhuǎn)像透鏡65在光閥67上形成色帶，例如，依R、G、和B的順序。然后，當(dāng)卷動單元60旋轉(zhuǎn)時(shí)，卷動單元60的透鏡表面在光束通過卷動單元60時(shí)逐漸地向上或向下移動。相應(yīng)地，當(dāng)卷動單元60移動時(shí)，由卷動單元60透射的每個(gè)色光束的焦點(diǎn)改變，以便形成如圖11B中所示的依G、B、和R順序的色帶。然后，當(dāng)卷動單元60旋轉(zhuǎn)以被卷動時(shí)，形成如圖11C中所示的依B、R、和G順序的色帶。換句話說，光束入射在其上的透鏡的位置根據(jù)卷動單元60的旋轉(zhuǎn)改變，并且卷動單元60的旋轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換成在卷動單元60的橫截面的透鏡陣列63和64的直線運(yùn)動，以便卷動被執(zhí)行。這樣的卷動被周期性地重復(fù)。
在本發(fā)明中，具體地講，卷動單元60可具有各種以其可通過將卷動單元60的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成入射光或透鏡陣列的直線運(yùn)動實(shí)現(xiàn)顏色卷動的形狀。除了上述的螺旋排列之外，透鏡單元可以不同的方式排列。例如，透鏡單元可螺旋地排列在圓柱形的卷動單元的曲面上，或者在圓柱形的卷動單元的長度方向排列。
如上所述，在本發(fā)明中，因?yàn)榫韯訂卧?0對所有色光束被共用而不需要為每個(gè)顏色安裝一個(gè)卷動單元，所以可使投影系統(tǒng)緊湊，并且各顏色可更容易地與一種顏色同步。色線形成在卷動單元60的透鏡單元60a的每個(gè)上，并且色線形成在第一復(fù)眼透鏡陣列63的透鏡單元的每個(gè)上以與形成在透鏡單元60a上的色線匹配。因此，最好被由卷動單元60透射的光束單獨(dú)占據(jù)的透鏡單元與第一和第二復(fù)眼透鏡陣列63和64的行陣列對應(yīng)。如果被由卷動單元60透射的光束占據(jù)的透鏡單元的數(shù)量為4，則最好第一和第二復(fù)眼透鏡陣列63和64的行陣列的數(shù)量為4。
如上所述，當(dāng)卷動單元60旋轉(zhuǎn)時(shí)，色帶被重復(fù)卷動。具體地講，由于卷動單元60在一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)而不改變旋轉(zhuǎn)方向以執(zhí)行卷動，所以可保證連續(xù)性和一致性。另外，使用單一卷動單元60的卷動有助于保持色帶的速度恒定并有助于容易地將色帶同步。
卷動單元60通過將透鏡單元60a的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成透鏡陣列的直線運(yùn)動來卷動入射光束。也就是說，當(dāng)卷動單元60旋轉(zhuǎn)時(shí)，可從卷動單元60的橫截面的視點(diǎn)觀察到透鏡陣列直線移動以遠(yuǎn)離或靠近卷動單元60的旋轉(zhuǎn)軸。由于具有窄的寬度的光束通過卷動單元60，所以可獲得通過直線移動的透鏡陣列的光束的影響。
可控制在卷動單元60上的透鏡單元60a的數(shù)量，以使卷動單元60與光閥67的工作頻率同步。也就是說，如果光閥67的工作頻率高，則包括更多的透鏡單元，以便可在保持卷動單元60的旋轉(zhuǎn)速度恒定時(shí)將卷動速度控制為更快。
另一方面，可通過保持在卷動單元上的透鏡單元的數(shù)量一致并增加卷動單元的旋轉(zhuǎn)頻率來將卷動單元與光閥的工作頻率同步。例如，當(dāng)光閥67的工作頻率為960Hz時(shí)，即當(dāng)光閥67在1/960秒操作每幀從而每秒再現(xiàn)960幀時(shí)，可如下構(gòu)造卷動單元60。卷動單元60的最外面的直徑為140mm，最里面的直徑為60mm，透鏡單元60a的數(shù)量為32，每個(gè)透鏡單元60a的寬度為5.0mm，并且每個(gè)透鏡單元60a的曲率半徑為24.9mm。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，如果卷動單元20每一旋轉(zhuǎn)再現(xiàn)32幀，則其必須每秒旋轉(zhuǎn)30次以每秒再現(xiàn)960幀。以這個(gè)速度，卷動單元60必須在60秒中旋轉(zhuǎn)1800次，相應(yīng)地，其具有1800rpm的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)光閥67的工作頻率增加一半因此光閥67工作在1440Hz時(shí)，卷動單元60必須以2700rpm的速度旋轉(zhuǎn)以與增加的光閥67的工作頻率同步。
雖然圖9顯示了單一卷動單元60，但可根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則包括多個(gè)卷動單元?，F(xiàn)在將參照圖12描述根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的投影系統(tǒng)。第三實(shí)施例在光學(xué)分束器的結(jié)構(gòu)方面與第二實(shí)施例不同。在第二實(shí)施例中的光學(xué)分束器55包括分別以不同角度放置的第一、第二、和第三分色濾光鏡55a、55b、和55c，而根據(jù)第三實(shí)施例的光學(xué)分束器75包括彼此平行的第一、第二、和第三分色濾光鏡75a、75b、和75c。
參照圖12，根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的投影系統(tǒng)包括光源70、卷動單元73、用于根據(jù)顏色將通過卷動單元73的光分開的光學(xué)分束器75、用于使由光學(xué)分束器75分開的色光束一個(gè)色光束被另一相同顏色的色光束地重疊的色帶形成單元、和用于通過根據(jù)接收到的圖像信號打開/關(guān)閉單獨(dú)的像素來形成彩色圖像的光閥80。卷動單元73在光學(xué)分束器75之前被安裝，并且還在卷動單元73和光學(xué)分束器75之間設(shè)置棱鏡74。如果光源70是橢圓形的鏡子，則最好還在光源70和卷動單元73之間設(shè)置準(zhǔn)直透鏡72。
從光源70發(fā)射的光束被卷動單元73透射，然后經(jīng)棱鏡74入射在光學(xué)分束器75上。由于卷動單元73與在第二實(shí)施例中的卷動單元60相同，所以將不對其進(jìn)行詳細(xì)描述。光學(xué)分束器75包括彼此平行的第一、第二、和第三分色濾光鏡75a、75b、和75c。
由卷動單元73透射的光束被透鏡單元73a的每個(gè)分割為不同角度的會聚光束，然后在第一、第二、和第三分色濾光鏡75a、75b、和75c上的不同位置被反射。其后，由第一、第二、和第三分色濾光鏡75a、75b、和75c反射的光束聚焦在色帶形成單元上。色帶形成單元包括第一和第二復(fù)眼透鏡陣列76和77以及透鏡組79。透鏡組79可包括聚光透鏡和轉(zhuǎn)像透鏡。光被光學(xué)分束器75分成的至少兩個(gè)色光束聚焦在第一復(fù)眼透鏡陣列76的每個(gè)透鏡單元上，并被第二復(fù)眼透鏡陣列77根據(jù)顏色重疊。透鏡組79使重疊地傳播的光束被透射到光閥80并對不同的顏色聚焦在不同的區(qū)域上，由此形成色帶。這里，透鏡組79可由至少一個(gè)轉(zhuǎn)像透鏡替代。
具有這樣的結(jié)構(gòu)的投影系統(tǒng)以均勻的速度旋轉(zhuǎn)卷動單元73以卷動形成在光閥80上的色帶。這個(gè)卷動操作產(chǎn)生彩色圖像。由于以上已描述了卷動操作，所以這里將不對其進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖13表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的投影系統(tǒng)的另一例子，其中卷動單元73包括用于減小射在卷動單元73上的光束的寬度的第一柱面透鏡71和用于準(zhǔn)直由卷動單元73透射的光的第二柱面透鏡76。第一柱面透鏡71沿在光源70和卷動單元73之間的光路設(shè)置，第二柱面透鏡76沿在光學(xué)分束器75和第一復(fù)眼透鏡陣列77之間的光路設(shè)置。
在從光源70發(fā)射的光射在卷動單元73上之前，該光束的寬度被第一柱面透鏡71減小。通過減小射在卷動單元73上的光束的寬度，可減小因透鏡單元73a的螺旋形狀與射在透鏡單元73a上的光的形狀的不一致引起的光損失。也就是說，當(dāng)光的寬度減小時(shí)，可減小因螺旋曲線形狀引起的差別。然后，第二柱面透鏡76將其寬度已被第一柱面透鏡71減小的光束恢復(fù)為原始的平行光束。
參照圖14A，根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的投影系統(tǒng)包括光源81、衍射光學(xué)元件(DOE)卷動單元82、和光閥90。設(shè)置DOE卷動單元82以根據(jù)波長分離從光源81發(fā)射的光并卷動分離的光束。光閥90根據(jù)輸入信號處理由DOE卷動單元82透射的光以形成圖像。第一和第二復(fù)眼透鏡陣列87和88以及透鏡組89被安裝在DOE卷動單元82和光閥90之間。第一和第二復(fù)眼透鏡陣列87和88以及透鏡組89使由DOE卷動單元82透射的光束根據(jù)顏色聚焦在不同區(qū)域上，由此形成色帶。
最好，第一和第二柱面透鏡91和92分別放置在DOE卷動單元82之前和之后。
DOE卷動單元82具有螺旋放置的透鏡單元82a以實(shí)現(xiàn)上述的從光源81發(fā)射的光的分離和光的卷動，并且為衍射光學(xué)器件類型。由于DOE卷動單元82的透鏡單元被螺旋地放置，所以當(dāng)DOE卷動單元82旋轉(zhuǎn)時(shí)在預(yù)定區(qū)域上的透鏡陣列移動以變?yōu)檫h(yuǎn)離或靠近DOE卷動單元82的旋轉(zhuǎn)軸。當(dāng)DOE卷動單元82旋轉(zhuǎn)時(shí)，入射光通過其的透鏡單元的位置移動如圖14B中所示，從而射在光閥90上的色帶的位置改變。
當(dāng)形成在光閥90上的色帶的位置旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)由光閥90接收的圖像信號形成彩色圖像。當(dāng)從光源81發(fā)射的光通過DOE卷動單元82時(shí)，該光根據(jù)顏色聚焦在DOE卷動單元82上的不同位置上，從而發(fā)生光分離。DOE卷動單元82可由全息光學(xué)元件(HOE)類型的卷動單元替代。
由于DOE或HOE類型的卷動單元的使用，所以可減小制造成本，并且可大規(guī)模生產(chǎn)。更具體地講，由于單一卷動單元實(shí)現(xiàn)了光分離和光卷動，所以可獲得具有減小的數(shù)量的組成部分的光系統(tǒng)。用于聚焦從光源81發(fā)射的光的透鏡可包括在光源81和第一柱面透鏡91之間。
參照圖15，根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的投影系統(tǒng)包括光源81、用于卷動從光源81發(fā)射的光的DOE卷動單元83、用于根據(jù)波長將通過DOE卷動單元83的光分開的光學(xué)分束器85、和用于通過根據(jù)接收到的圖像信號處理入射光來形成圖像的光閥90。還在DOE卷動單元83和光學(xué)分束器85之間設(shè)置棱鏡84，并且還沿在光學(xué)分束器85和光閥90之間的光路設(shè)置第一和第二復(fù)眼透鏡陣列87和88以及透鏡組89。
在DOE卷動單元83中，至少一個(gè)單元83a被螺旋地排列。另一方面，DOE卷動單元83可由HOE-類型卷動單元替代。在第四實(shí)施例中的DOE卷動單元82執(zhí)行顏色卷動和顏色分離，而DOE卷動單元83僅執(zhí)行顏色卷動。
最好，第一柱面透鏡91設(shè)置在光源81和DOE卷動單元83之間，并且第二柱面透鏡92設(shè)置在光學(xué)分束器85和第一復(fù)眼透鏡陣列87之間。此外，還在DOE卷動單元83和光學(xué)分束器85之間設(shè)置棱鏡84。
在具有這樣的結(jié)構(gòu)的投影系統(tǒng)的操作中，首先，從光源81發(fā)射的光束通過DOE卷動單元83，然后經(jīng)棱鏡84入射在光學(xué)分束器85上。當(dāng)DOE卷動單元83以均勻的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成在光閥90上的色帶被卷動，以便形成彩色圖像。例如，光學(xué)分束器85可包括彼此平行的第一、第二、和第三分色濾光鏡85a、85b、和85c。通過DOE卷動單元83的光束在通過各單元83a時(shí)沿不同路徑傳播，并在第一、第二、和第三分色濾光鏡85a、85b、和85c上的不同位置被反射。其后，由第一、第二、和第三分色濾光鏡85a、85b、和85c反射的光束被第一和第二復(fù)眼透鏡陣列87和88以及透鏡組89聚焦在光閥90的不同區(qū)域上，由此形成色帶。
雖然光學(xué)分束器85具有彼此平行的第一、第二、和第三分色濾光鏡85a、85b、和85c，但該分色濾光鏡可如圖9中所示以不同角度放置。如果分色濾光鏡85a、85b、和85c以不同角度放置，則最好將DOE卷動單元83安裝在光學(xué)分束器85之后。
因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明第四和第五實(shí)施例的投影系統(tǒng)采用DOE或HOE卷動單元，所以減小了其制造成本。
為了將DOE卷動單元82或83的工作頻率與光閥90的工作頻率同步，或者改變在DOE卷動單元82或83上的透鏡單元82a或83a的數(shù)量，或者控制DOE卷動單元82或83的旋轉(zhuǎn)速度。如果光閥90的工作頻率增加，則包括更多的透鏡單元而不改變DOE卷動單元82或83的旋轉(zhuǎn)速度，以便卷動單元的卷動速度可增加。另一方面，可通過增加卷動單元的旋轉(zhuǎn)速度而不改變在卷動單元上的透鏡單元的數(shù)量來將DOE卷動單元82或83與光閥90的工作頻率同步。
設(shè)計(jì)在第四實(shí)施例中使用的DOE卷動單元82，以實(shí)現(xiàn)顏色分離和光卷動。然而，在第五實(shí)施例中，設(shè)計(jì)DOE卷動單元83以實(shí)現(xiàn)僅光卷動，而光分離由光學(xué)分束器85實(shí)現(xiàn)。
在描述DOE卷動單元82的光分離之前將首先描述單色光束的光柵理論。
參照圖16A，以預(yù)定間隔s形成光柵，并形成因通過光柵的第m級衍射光束的光路差(OPD)引起的干涉圖樣。如果第m級衍射光束的OPD滿足方程10，則觀察到亮圖像。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級，s表示光柵間隔，λ表示入射光束的波長。當(dāng)平行光束入射在光柵上時(shí)，方程10中的θ0為0。相應(yīng)地，獲得方程11如下s sinθm＝mλ(m＝0，±1，±2，...)s=mλsinθm···(11)]]>平行入射光束中的±第一級光束的光路如圖16B中所示。如果在方程11中的衍射角θm很小，則可獲得近似公式sinθm≈θm。相應(yīng)地，可使用方程12獲得光柵間隔ss=mλθm···(12)]]>根據(jù)方程12，當(dāng)入射光束的波長固定時(shí)，可通過控制光柵間隔s來獲得希望的衍射角θm。同時(shí)，在圖17中顯示根據(jù)為響相應(yīng)于綠色而設(shè)計(jì)的DOE盤的半徑的光柵間隔s的變化。從圖13的曲線圖可看出光柵間隔與DOE類型盤的半徑成反比。基于這個(gè)理論，可制造如圖18中所示的具有圓光柵的波帶板(zone panel)。當(dāng)從波帶板的內(nèi)圓周向波帶板的外圓周前進(jìn)時(shí)，光柵間隔減小，像s1＞s2＞s3＞s4＞s5＞s6。隨著光柵間隔的減小，衍射角增大，像θ1＜θ2＜θ3＜θ4＜θ5＜θ6。因此，通過波帶板的光束會聚在一點(diǎn)。
基于這個(gè)衍射理論，制造基于本發(fā)明實(shí)施例的DOE卷動單元。
參照圖19A，關(guān)于為相應(yīng)于綠色而設(shè)計(jì)的DOE，當(dāng)±第一級衍射光束的衍射角θgreen為2.2°并且其波長λgreen為587nm時(shí)，使用方程Sgreen＝λ/θgreen計(jì)算出的綠色DOE的最小光柵間隔Sgreen為15μm。例如，光柵凹槽深度為1個(gè)波(1λgreen)，即587nm。
參照圖19B，關(guān)于為相應(yīng)于紅色而設(shè)計(jì)的DOE，當(dāng)±第一級衍射光束的衍射角θred為3.7°并且其波長λred為670nm時(shí)，使用方程Sred＝λ/θred計(jì)算出的紅色DOE的最小光柵間隔Sred為10.4μm。例如，光柵凹槽深度為1λred，即670nm。
使用分別在圖19A和19B中顯示的綠色和紅色DOE的設(shè)計(jì)條件形成單一DOE，以便該單一DOE可將入射光分離為綠色光束和紅色光束。例如，如在圖15C中所示，單一DOE具有以綠色光柵間隔Sgreen分隔的光柵和以紅色光柵間隔Sred分隔的光柵。入射光束被具有上述結(jié)構(gòu)的DOE分離為紅色光束和綠色光束，然后，綠色和紅色光束聚焦在圖像表面上的不同位置上。雖然僅描述了綠色和紅色光柵間隔，但可以相同的方式計(jì)算藍(lán)色光柵間隔。換句話說，可使用方程13分別從綠色、紅色、和藍(lán)色波長λgreen、λred、和λblue以及綠色、紅色、和藍(lán)色光束的衍射角θgreen、θred、和θblue計(jì)算出綠色、紅色、和藍(lán)色光柵間隔Sgreen、Sred和、Sbluesgreen=mλgreenθgreen]]>sred=mλredθred···(13)]]>sblue=mλblueθblue]]>單一DOE使用綠色、紅色、和藍(lán)色光柵間隔Sgreen、Sred和、Sblue以將白光分離為R、G、和B光束并將該三個(gè)光束聚焦在成像表面上的不同位置上。相應(yīng)地，使用DOE實(shí)現(xiàn)光分離，并且由通過使DOE螺旋上升來形成的卷動單元實(shí)現(xiàn)卷動。
可使用HOE而非DOE制造根據(jù)本發(fā)明的卷動單元。為了制造HOE類型卷動單元，如圖20所示，物光和參考光被投影到螺旋干板(spiral dry panel)上以形成干涉圖樣。這里，起到物光作用的R、G、和B光束以不同角度入射到該干板上。這種全息照片稱為體積全息照片，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類型卷動單元。相應(yīng)地，DOE卷動單元的例子是如圖21A中所示具有連續(xù)二次閃耀輪廓的連續(xù)浮雕透鏡盤、具有連續(xù)二次閃耀輪廓(quadrative blaze profile)的衍射菲涅耳透鏡盤、如圖21B中所示的多級衍射(MOD)透鏡盤、和深閃耀表面透鏡盤。MOD透鏡盤具有較少的凹槽，但是它們比連續(xù)浮雕透鏡盤的凹槽深。因此，MOD透鏡盤易于制造，并提供更高的衍射效率。稍后衍射效率將參照圖22來描述。
在圖21C和21D中分別顯示雙DOE卷動單元和多階DOE卷動單元作為DOC卷動單元的例子。多階透鏡盤具有一個(gè)階輪廓，但圖21D的多階透鏡盤具有三階輪廓。更具體地講，衍射效率隨階數(shù)的增加而增加。另外，折射菲涅耳透鏡盤(未顯示)可為根據(jù)本發(fā)明的DOE卷動單元的例子。
圖22是顯示通常的DOE透鏡的衍射效率和MOD透鏡的衍射效率的仿真結(jié)果的曲線圖。根據(jù)在圖18中顯示的仿真結(jié)果，與通常的DOE透鏡形成對比的是MOD透鏡的衍射效率在寬波長區(qū)中幾乎始終很高。因此，由于使用采用MOD透鏡的卷動單元，所以可在寬波長區(qū)中使用高效衍射的光，此外，衍射效率均勻地分布在整個(gè)可見光波段內(nèi)。因此，提高了彩色圖像的質(zhì)量。
在第二到第五實(shí)施例中，至少一個(gè)反射單元被安裝在光源上，以便減小光源的通量照度比。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明的投影系統(tǒng)通過減小光源的通量照度比來增加光效率。因此，整個(gè)系統(tǒng)可易于制造。更具體地講，在使用卷動方法形成彩色圖像的投影系統(tǒng)中，如果不做改變地使用其F數(shù)為3.0的現(xiàn)有投影透鏡，則光效率大約比現(xiàn)有重疊光學(xué)系統(tǒng)中的效率高1.5倍。如果使用其F數(shù)為2.5的投影系統(tǒng)，則光效率近似為兩倍。如上所述，如果減小投影透鏡的F數(shù)，則可得到更高的光效率。
因此，由于根據(jù)本發(fā)明的投影系統(tǒng)比現(xiàn)有重疊光學(xué)系統(tǒng)具有更高的光效率并比3板光學(xué)系統(tǒng)具有更緊湊的結(jié)構(gòu)，所以可提高競爭力。
此外，通過將卷動單元的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成光通過其的透鏡陣列的直線運(yùn)動，可使用單一卷動單元執(zhí)行所有顏色的卷動。因此，卷動易于控制，部件的數(shù)量減小，并且可獲得輕便、低價(jià)的投影系統(tǒng)。卷動單元可具有盤或圓柱的形狀。卷動單元可整體變換成任何可以其將卷動單元的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成光通過其的透鏡陣列的直線運(yùn)動的形狀。另外，當(dāng)使用DOE或MOD透鏡制造卷動單元時(shí)，其可以低成本大規(guī)模生產(chǎn)。由于光分離和卷動都可由單一卷動單元實(shí)現(xiàn)，所以使用該卷動單元的投影系統(tǒng)易于裝配。此外，由于該卷動單元因減小制造誤差而提供提高的性能，所以使用該螺旋盤的投影系統(tǒng)提供高質(zhì)量圖像。
由于傳統(tǒng)的單面板投影系統(tǒng)通過順序地將白光分離成R、G、和B光束來產(chǎn)生彩色圖像，所以將由光閥使用的光效率降低為三面板投影系統(tǒng)的光效率的1/3。然而，采用根據(jù)本發(fā)明的卷動技術(shù)的單面板投影系統(tǒng)一次將白光分離為R、G、和B光束，并卷動該三個(gè)色光束以形成彩色圖像。因此，根據(jù)本發(fā)明的單面板投影系統(tǒng)，可獲得與三面板投影系統(tǒng)的光效率相同的光效率。
權(quán)利要求
1.一種照明系統(tǒng)，包括燈泡，用于發(fā)光；反射鏡，用于反射從燈泡發(fā)出的光，并且具有被反射的光射向其的開口；和至少一個(gè)反射單元，用于覆蓋反射鏡的開口的一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，反射鏡是橢圓形反射鏡或拋物線形反射鏡中的一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，還包括另一個(gè)反射單元，用于覆蓋反射鏡的開口的另一部分，其中，相對于反射鏡的開口的中心對稱地設(shè)置該至少一個(gè)和另一個(gè)反射單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其中，設(shè)置該至少一個(gè)反射單元以將光朝反射鏡的開口的剩余部分反射。
5.一種照明系統(tǒng)，包括燈泡，用于發(fā)光；反射鏡，用于反射從燈泡發(fā)出的光；和一個(gè)反射單元，安裝在燈泡表面的一部分上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的照明系統(tǒng)，其中，反射鏡是橢圓形反射鏡或拋物線形反射鏡中的一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的照明系統(tǒng)，其中，反射單元安裝在面向反射鏡的燈泡的半球面的一部分上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明系統(tǒng)，其中，反射單元覆蓋在燈泡的半球面上。
9.一種投影系統(tǒng)，其使用光閥根據(jù)輸入圖像信號通過處理從照明系統(tǒng)發(fā)出的光來形成圖像，放大圖像，并且使用投影卷動單元來將圖像投影到屏上，其中，該照明系統(tǒng)包括燈泡，用于發(fā)光；反射鏡，用于反射從燈泡發(fā)出的光，并且具有被反射的光從燈泡射向其的開口；和至少一個(gè)反射單元，用于覆蓋反射鏡的開口的一部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影系統(tǒng)，其中，反射鏡是橢圓形反射鏡或拋物線形反射鏡中的一個(gè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的投影系統(tǒng)，包括光學(xué)分束器，用于根據(jù)波長分離從照明系統(tǒng)發(fā)出的光；和卷動單元，具有至少一個(gè)透鏡單元并將該至少一個(gè)透鏡單元的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為光通過的透鏡單元的直線運(yùn)動，從而從照明系統(tǒng)發(fā)出的光被卷動。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的投影系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列，用于根據(jù)波長將由卷動單元透射的光聚焦在光閥的至少兩個(gè)不同區(qū)域上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的投影系統(tǒng)，還包括轉(zhuǎn)像透鏡，用于將由至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列透射的光透射到光閥。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括以不同的角度鄰近地放置的第一至第三分色濾光鏡，以根據(jù)波長有選擇性到地透射或反射入射光。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括平行放置的第一至第三分色濾光鏡，以根據(jù)波長有選擇性到地透射或反射入射光。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的投影系統(tǒng)，還包括位于光學(xué)分束器前面的棱鏡。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的投影系統(tǒng)，其中，第一柱面透鏡安裝在至少一個(gè)卷動單元之前，并且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡安裝在卷動單元之后，以控制入射光束的寬度。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的投影系統(tǒng)，其中，卷動單元包括至少一個(gè)透鏡單元，并且對入射到卷動單元的光來說，卷動單元的旋轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換為透鏡單元的直線運(yùn)動。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的投影系統(tǒng)，其中，至少一個(gè)透鏡單元成螺旋形地放置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的投影系統(tǒng)，其中，卷動單元具有圓盤形狀。
22.一種投影系統(tǒng)，其使用光閥根據(jù)輸入圖像信號通過處理從照明系統(tǒng)發(fā)出的光來形成圖像，放大圖像，并且使用投影卷動單元來將圖像投影到屏上，其中，該照明系統(tǒng)包括燈泡，用于發(fā)光；反射鏡，用于反射從燈泡發(fā)出的光；和反射單元，安裝在燈泡表面的一部分上。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的投影系統(tǒng)，其中，反射鏡是橢圓形反射鏡或拋物線形反射鏡中的一個(gè)。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的投影系統(tǒng)，包括光學(xué)分束器，用于根據(jù)波長分離從照明系統(tǒng)發(fā)出的光；和卷動單元，具有至少一個(gè)透鏡單元并將該至少一個(gè)透鏡單元的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為光通過的透鏡單元的直線運(yùn)動，從而從照明系統(tǒng)發(fā)出的光被卷動。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的投影系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列，用于根據(jù)波長將由卷動單元透射的光聚焦在光閥的至少兩個(gè)不同區(qū)域上。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的投影系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)像透鏡用于將由至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列透射的光透射到光閥。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括以不同的角度鄰近地放置的第一至第三分色濾光鏡，以根據(jù)波長有選擇性到地透射或反射入射光。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括平行放置的第一至第三分色濾光鏡，以根據(jù)波長有選擇性到地透射或反射入射光。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的投影系統(tǒng)，還包括位于光學(xué)分束器前面的棱鏡。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的投影系統(tǒng)，其中，第一柱面透鏡安裝在至少一個(gè)卷動單元之前，并且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡安裝在卷動單元之后，以控制入射光束的寬度。
31.根據(jù)權(quán)利要求24所述的投影系統(tǒng)，其中，卷動單元包括至少一個(gè)透鏡單元，并且從入射到卷動單元的光的視點(diǎn)來看，卷動單元的旋轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換為透鏡單元的直線運(yùn)動。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的投影系統(tǒng)，其中，至少一個(gè)透鏡單元成螺旋形地放置。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
34.根據(jù)權(quán)利要求32或33所述的投影系統(tǒng)，其中，卷動單元具有圓盤形狀。
35.一種用于卷動入射單元的卷動單元，該卷動單元包括旋轉(zhuǎn)軸線；和至少一個(gè)透鏡單元，其具有入射端和出射端，將入射光分割為各個(gè)透鏡單元的光束，并且使卷動單元的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致為光束的直線運(yùn)動。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的卷動單元，其中，光束的直線運(yùn)動在光束變得靠近或遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸線的方向上做出。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的卷動單元，其中，卷動單元的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致光束的直線運(yùn)動周期性地重復(fù)。
38.根據(jù)權(quán)利要求35至37中的任一個(gè)所述的卷動單元，其中，透鏡單元成螺旋形地放置。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的卷動單元，其中，卷動單元具有圓盤形狀。
40.根據(jù)權(quán)利要求38或39所述的卷動單元，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
41.一種卷動單元，具有至少一個(gè)透鏡單元，并且以這樣的方式卷動入射光，從入射到至少一個(gè)透鏡單元的光的視點(diǎn)來看，至少一個(gè)透鏡單元的旋轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換為透鏡陣列的直線運(yùn)動。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的卷動單元，其中，透鏡單元成螺旋形地放置。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的卷動單元，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
44.根據(jù)權(quán)利要求41至43中的任一個(gè)所述的卷動單元，其中，卷動單元具有圓盤形狀。
45.根據(jù)權(quán)利要求41至43中的任一個(gè)所述的卷動單元，其中，透鏡單元由衍射光學(xué)元件和全息光學(xué)元件中的任一個(gè)形成，從而入射光根據(jù)顏色被分割。
46.根據(jù)權(quán)利要求41至43中的任一個(gè)所述的卷動單元，其中，透鏡單元被這樣設(shè)置，當(dāng)畫法線到透鏡單元時(shí)，鄰近透鏡單元之間的間隔是均勻的，并且鄰近透鏡單元的法線矢量相同。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的卷動單元，其中，透鏡單元的螺旋軌跡(Qkx，Qky)滿足下面的方程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分別表示第一透鏡單元的x和y坐標(biāo)，k表示自然數(shù)，θ2表示鄰近曲線之間的旋轉(zhuǎn)角度。
48.根據(jù)權(quán)利要求41至43中的任一個(gè)所述的卷動單元，其中，卷動單元的截面是具有相同半徑的圓弧陣列。
49.根據(jù)權(quán)利要求46所述的卷動單元，其中，每個(gè)透鏡單元由雙透鏡、連續(xù)浮雕透鏡、多階透鏡、多級折射透鏡、薄全息透鏡、和體積全息透鏡中的任一個(gè)形成。
50.一種用于卷動入射光的卷動單元，其中包括至少一個(gè)透鏡單元，并且從入射光來看，該至少一個(gè)透鏡單元的位置隨卷動單元繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)而改變。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的卷動單元，其中，透鏡單元的位置的改變在透鏡單元變得靠近或遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸線的方向上做出。
52.根據(jù)權(quán)利要求50或51所述的卷動單元，其中，卷動單元的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致透鏡單元的位置周期性地改變。
53.根據(jù)權(quán)利要求50或51所述的卷動單元，其中，透鏡單元成螺旋形地放置。
54.根據(jù)權(quán)利要求53所述的卷動單元，卷動單元具有圓盤形狀。
55.根據(jù)權(quán)利要求50或51所述的卷動單元，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
56.一種投影系統(tǒng)，包括光源；光學(xué)分束器，用于根據(jù)波長將從光源發(fā)射的光分開；至少一個(gè)卷動單元，具有至少一個(gè)透鏡單元并以這樣的方式卷動入射光，即對于由透鏡單元透射的光似乎透鏡單元的旋轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換成透鏡陣列的直線運(yùn)動；和光閥，從光源發(fā)射的光被光學(xué)分束器和卷動單元分離為色光束并且在其上該色光束聚焦，該光閥根據(jù)輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
57.根據(jù)權(quán)利要求56所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元被螺旋排列。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
59.根據(jù)權(quán)利要求56至58的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，卷動單元具有盤的形狀。
60.根據(jù)權(quán)利要求56至58的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列被安裝在卷動單元和光閥之間的光路上。
61.根據(jù)權(quán)利要求60所述的投影系統(tǒng)，其中，包括用于將由至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列透射的光聚焦在光閥上的轉(zhuǎn)像透鏡。
62.根據(jù)權(quán)利要求56至58的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括以不同角度相鄰放置的第一到第三分色濾光鏡以根據(jù)波長有選擇地透射或反射入射光，并且卷動單元被安裝在該光學(xué)分束器之后。
63.根據(jù)權(quán)利要求56至58的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括并行放置的第一到第三分色濾光鏡以根據(jù)波長有選擇地透射或反射入射光，并且卷動單元被安裝在該光學(xué)分束器之前。
64.根據(jù)權(quán)利要求63所述的投影系統(tǒng)，還包括在光學(xué)分束器之前的棱鏡。
65.根據(jù)權(quán)利要求56至58的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個(gè)卷動單元之前，并且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在卷動單元之后，以控制入射光束的寬度。
66.根據(jù)權(quán)利要求61所述的投影系統(tǒng)，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個(gè)卷動單元之前，并且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在卷動單元之后，以控制入射光束的寬度。
67.根據(jù)權(quán)利要求56至58的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元由衍射光學(xué)元件和全息光學(xué)元件的任一個(gè)形成。
68.根據(jù)權(quán)利要求56至58的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元被這樣設(shè)置，當(dāng)畫法線到透鏡單元時(shí)，鄰近透鏡單元之間的間隔是均勻的，并且鄰近透鏡單元的法線矢量相同。
69.根據(jù)權(quán)利要求68所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元的螺旋軌跡(Qkx，Qky)滿足下面的方程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分別表示第一透鏡單元的x和y坐標(biāo)，k表示自然數(shù)，θ2表示鄰近曲線之間的旋轉(zhuǎn)角度。
70.根據(jù)權(quán)利要求56至58的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，卷動單元的橫截面是具有相同半徑的圓弧的陣列。
71.根據(jù)權(quán)利要求67所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元由雙透鏡、連續(xù)浮雕透鏡、多階透鏡、多級折射透鏡、薄全息透鏡、和體積全息透鏡的任一個(gè)形成。
72.根據(jù)權(quán)利要求56至58的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，確定在至少一個(gè)卷動單元上的透鏡單元的數(shù)量，以便卷動單元可與光閥的工作頻率同步工作。
73.根據(jù)權(quán)利要求56至58的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，卷動單元的旋轉(zhuǎn)速度被控制以與光閥的工作頻率同步。
74.一種投影系統(tǒng)，包括光源；至少一個(gè)卷動單元，具有至少一個(gè)單元，并由衍射光學(xué)元件和全息光學(xué)元件的任一個(gè)制造，以便根據(jù)波長分離從光源發(fā)射的光并且通過將單元的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成單元陣列的直線運(yùn)動來卷動入射光；和光閥，從光源發(fā)射的光被光學(xué)分束器和卷動單元分離為色光束，并且在其上該色光束聚焦，該光閥根據(jù)輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
75.根據(jù)權(quán)利要求74所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元被螺旋排列。
76.根據(jù)權(quán)利要求75所述的投影系統(tǒng)，其中，直線運(yùn)動在透鏡陣列變?yōu)榭拷蜻h(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸的方向進(jìn)行。
77.根據(jù)權(quán)利要求74至76的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，卷動單元具有盤的形狀。
78.根據(jù)權(quán)利要求74至76的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列被安裝在卷動單元和光閥之間的光路上。
79.根據(jù)權(quán)利要求78所述的投影系統(tǒng)，其中，包括用于將由至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列透射的光聚焦在光閥上的轉(zhuǎn)像透鏡。
80.根據(jù)權(quán)利要求74至76的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個(gè)卷動單元之前，并且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在卷動單元之后，以控制入射光束的寬度。
81.根據(jù)權(quán)利要求78所述的投影系統(tǒng)，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個(gè)卷動單元之前，并且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在卷動單元之后，以控制入射光束的寬度。
82.一種投影系統(tǒng)，包括光源；光學(xué)分束器，用于根據(jù)波長將從光源發(fā)射的光分開；至少一個(gè)卷動單元，具有至少一個(gè)透鏡單元，該透鏡單元具有入射方和射出方并將入射光分割為光束，在其中透鏡單元的旋轉(zhuǎn)引起光束的直線運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)入射光的卷動；和光閥，從光源發(fā)射的光被光學(xué)分束器和卷動單元分離為色光束，并且在其上色光束聚焦，該光閥根據(jù)輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
83.根據(jù)權(quán)利要求82所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元被螺旋排列。
84.根據(jù)權(quán)利要求83所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
85.根據(jù)權(quán)利要求82至84的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，卷動單元具有盤的形狀。
86.根據(jù)權(quán)利要求82至84的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，直線運(yùn)動在光束變?yōu)榭拷蜻h(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸的方向進(jìn)行。
87.根據(jù)權(quán)利要求82至84的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列被安裝在卷動單元和光閥之間的光路上。
88.根據(jù)權(quán)利要求87所述的投影系統(tǒng)，其中，包括用于將由至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列透射的光聚焦在光閥上的轉(zhuǎn)像透鏡。
89.根據(jù)權(quán)利要求82至84的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括以不同角度相鄰放置的第一到第三分色濾光鏡以根據(jù)波長有選擇地透射或反射入射光，并且卷動單元被安裝在該光學(xué)分束器之后。
90.根據(jù)權(quán)利要求87所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括以不同角度相鄰放置的第一到第三分色濾光鏡以根據(jù)波長有選擇地透射或反射入射光，并且卷動單元被安裝在該光學(xué)分束器之后。
91.根據(jù)權(quán)利要求82至84的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括并行放置的第一到第三分色濾光鏡以根據(jù)波長有選擇地透射或反射入射光，并且卷動單元被安裝在該光學(xué)分束器之前。
92.根據(jù)權(quán)利要求91所述的投影系統(tǒng)，還包括在光學(xué)分束器之前的棱鏡。
93.根據(jù)權(quán)利要求87所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括并行放置的第一到第三分色濾光鏡以根據(jù)波長有選擇地透射或反射入射光，并且卷動單元被安裝在該光學(xué)分束器之前。
94.根據(jù)權(quán)利要求82至84的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個(gè)卷動單元之前，并且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在卷動單元之后，以控制入射光束的寬度。
95.根據(jù)權(quán)利要求87所述的投影系統(tǒng)，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個(gè)卷動單元之前，并且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在卷動單元之后，以控制入射光束的寬度。
96.一種投影系統(tǒng)，包括光源；光學(xué)分束器，用于根據(jù)波長將從光源發(fā)射的光分開；至少一個(gè)卷動單元，具有至少一個(gè)透鏡單元，并且在其中從入射光看當(dāng)卷動單元圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)該至少一個(gè)透鏡單元的位置改變；和光閥，從光源發(fā)射的光被光學(xué)分束器和卷動單元分離為色光束，并且在其上色光束聚焦，該光閥根據(jù)輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
97.根據(jù)權(quán)利要求96所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元被螺旋排列。
98.根據(jù)權(quán)利要求97所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
99.根據(jù)權(quán)利要求96至98的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，卷動單元具有盤的形狀。
100.根據(jù)權(quán)利要求96至98的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，透鏡單元的位置改變以靠近或遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸。
101.根據(jù)權(quán)利要求96至98的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，用于通過根據(jù)顏色將由光學(xué)分束器和卷動單元透射的光聚焦在光閥的不同區(qū)域上來形成色帶的單元。
102.根據(jù)權(quán)利要求101所述的投影系統(tǒng)，其中，色帶形成單元包括至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列。
103.根據(jù)權(quán)利要求102所述的投影系統(tǒng)，其中，色帶形成單元包括用于將由至少一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列透射的光聚焦在光閥上的轉(zhuǎn)像透鏡。
104.根據(jù)權(quán)利要求96至98的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括以不同角度相鄰放置的第一到第三分色濾光鏡以根據(jù)波長有選擇地透射或反射入射光，并且卷動單元被安裝在該光學(xué)分束器之后。
105.根據(jù)權(quán)利要求101所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括以不同角度相鄰放置的第一到第三分色濾光鏡以根據(jù)波長有選擇地透射或反射入射光，并且卷動單元被安裝在該光學(xué)分束器之后。
106.根據(jù)權(quán)利要求96至98的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括并行放置的第一到第三分色濾光鏡以根據(jù)波長有選擇地透射或反射入射光，并且卷動單元被安裝在該光學(xué)分束器之前。
107.根據(jù)權(quán)利要求106所述的投影系統(tǒng)，還包括在光學(xué)分束器之前的棱鏡。
108.根據(jù)權(quán)利要求101所述的投影系統(tǒng)，其中，光學(xué)分束器包括并行放置的第一到第三分色濾光鏡以根據(jù)波長有選擇地透射或反射入射光，并且卷動單元被安裝在該光學(xué)分束器之前。
109.根據(jù)權(quán)利要求96至98的任一個(gè)所述的投影系統(tǒng)，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個(gè)卷動單元之前，并且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在卷動單元之后，以控制入射光束的寬度。
110.根據(jù)權(quán)利要求101所述的投影系統(tǒng)，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個(gè)卷動單元之前，并且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在卷動單元之后，以控制入射光束的寬度。
全文摘要
一種高效的照明系統(tǒng)、卷動單元、以及采用該高效的照明系統(tǒng)和卷動單元的投影系統(tǒng)。該卷動單元具有至少一個(gè)透鏡單元。從入射在該至少一個(gè)透鏡單元上的光的視點(diǎn)，該至少一個(gè)透鏡單元的旋轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換成透鏡陣列的直線運(yùn)動，以便卷動入射光。投影系統(tǒng)包括光源、光學(xué)分束器、至少一個(gè)卷動單元、和光閥。光學(xué)分束器根據(jù)波長將從光源發(fā)射的光分開。該至少一個(gè)卷動單元具有至少一個(gè)透鏡單元。該透鏡單元具有入射方和射出方并將入射光分割為光束。透鏡單元的旋轉(zhuǎn)引起光束的直線運(yùn)動，由此卷動入射光。從光源發(fā)射的光被光學(xué)分束器和卷動單元分離為色光束，并且色光束聚焦在光閥上。光閥根據(jù)輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
文檔編號G03B21/00GK1646985SQ03807768
公開日2005年7月27日 申請日期2003年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月6日
發(fā)明者金大式, 樸永浚, 趙虔晧, 李羲重, 鄭鐘三, 崔鐘喆, 金兌熙 申請人:三星電子株式會社