專利名稱：滾動裝置，彩色照明系統(tǒng)以及應用滾動裝置的投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種滾動裝置(scrolling unit)，它是利用兩個螺旋形的透鏡盤實現(xiàn)滾動，以此來增加光效率和減少所需的安裝空間，并涉及彩色照明系統(tǒng)和應用此滾動裝置的投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
投影系統(tǒng)依照光閥的數(shù)目分為三面板型和單面板型，光閥用于控制從高輸出燈光源發(fā)出的光在每個像素中開或關(guān)。單面板投影系統(tǒng)比三面板投影系統(tǒng)具有更小的光學結(jié)構(gòu)，但是只有三面板投影系統(tǒng)的1/3的效率，這是因為單面板投影系統(tǒng)利用逐次逼近法將白光分成紅(R)、綠(G)和藍(B)光束。于是，已經(jīng)進行研究和開發(fā)來增加單面板投影系統(tǒng)的發(fā)光效率。
常規(guī)的單面板投影光學系統(tǒng)用一個彩色濾光鏡將白光光源發(fā)射的光分離成R、G和B光束，依次將R、G和B光束傳輸?shù)焦忾y，依照顏色的次序來操縱光閥，從而形成圖像。因為這種單面板光學系統(tǒng)按順序使用顏色，因此單面板光學系統(tǒng)的效率僅僅是三面板光學系統(tǒng)的1/3。為了克服這個問題，提出了一種滾動方法。依照彩色滾動方法，白光分離成R、G和B光束，R、G和B光束同時傳輸?shù)焦忾y的不同位置。另外，因為只有當所有的R、G和B光束到達每個像素才能形成圖像，顏色條(color bar)用一種特定的方法以一個預定的速度移動。
如圖1所示，在常規(guī)的單面板滾動投影系統(tǒng)中，從光源100發(fā)出的白光穿過第一透鏡陣列102和第二透鏡陣列104以及偏振分束器陣列105，并由第一到第四二向色濾光器109、112、122和139分離成R、G和B光束。例如，R和G光束被第一二向色濾光器109透射，在第一光路I1上傳輸，B光束被第一二向色濾光器109反射，在第二光路I2上傳輸。沿第一光路徑I1傳輸?shù)腞和G光束又被第二二向色濾光器112再次分離，這樣R光束被第二二向色濾光器112透射，并一直在第一光路I1上傳輸，而G光束被二向色濾光器112反射而在第三光路I3上傳輸。
R、G和B光束分別被相應的第一到第三棱鏡114、135和142滾動(scrolled)。第一到第三棱鏡114、135和142分別安放在第一到第三光路I1到I3上，以恒定的速度旋轉(zhuǎn)，以滾動R、G和B顏色條。分別沿第二和第三光路I2和I3傳輸?shù)腂和G光束分別由第三二向色濾光器139透射和反射，并混合在一起。其后，R、G和B光束被第四二向色濾光器122混合，而然后被偏振分束器127傳輸，以致由光閥130形成圖像。
圖2示出R、G和B顏色條通過第一到第三棱鏡114、135和142旋轉(zhuǎn)而滾動的過程。圖2示出了當?shù)谝坏降谌忡R114、135和142彼此同步旋轉(zhuǎn)時形成于光閥130上的顏色條的移動。
光閥130依照每個像素的開/關(guān)信號處理圖像信息，以形成圖像，并且這個圖像被投影透鏡(未圖示)放大，并被傳輸?shù)狡聊簧稀?br> 在上面所述的傳統(tǒng)技術(shù)中，獨立光路被用于不同的顏色，因此，對不同顏色需要獨立光路補償透鏡，并需要會聚分離的光束的部件。因為用于不同顏色的部件需要單獨制備，導致光學系統(tǒng)的體積增大。由于復雜的制造和裝配過程，產(chǎn)量也減少了。此外，驅(qū)動三個電機來旋轉(zhuǎn)第一到第三棱鏡114、135和142會產(chǎn)生很大的噪聲，比用單個電機驅(qū)動色輪的方法要增加制造成本。
同時，用滾動方法、如圖2所示的顏色條形成一個彩色圖像，需要以恒定的速度移動。然而，在上述的結(jié)構(gòu)中難以使光閥與三個棱鏡114、135和142同步。此外，因為第一到第三棱鏡114、135和142圓周運動，滾動的速度不恒定，這會降低圖像的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種滾動裝置，用單個部件滾動顏色條。
本發(fā)明還提供一種彩色照明系統(tǒng)，用簡單的光學結(jié)構(gòu)照射滾動的光，來形成彩色圖像。
本發(fā)明還提供一種投影系統(tǒng)，其被構(gòu)造成用單個部件進行顏色滾動，由此具有較小的尺寸，能夠有效地進行顏色滾動，提高畫面質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種滾動裝置，包括第一螺旋透鏡盤，其包括排列成螺旋圖案的多個柱面透鏡單元，第一螺旋透鏡盤能夠旋轉(zhuǎn)；第二螺旋透鏡盤，它面對第一螺旋透鏡盤安裝，能夠以與第一螺旋透鏡盤同樣的速度旋轉(zhuǎn)；以及一個玻璃棒，其安裝在第一和第二螺旋透鏡盤之間。
依照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種彩色照明系統(tǒng)，包括一個發(fā)射光的光源；一個分光器，其將光源發(fā)出的光分離成具有不同種顏色光束；和一個滾動裝置。滾動裝置包括第一螺旋透鏡盤，其包括排列成螺旋圖案的多個柱面透鏡單元，并能夠旋轉(zhuǎn)；第二螺旋透鏡盤，其面對第一螺旋透鏡盤安裝、能夠以與第一螺旋透鏡盤相同的速度旋轉(zhuǎn)；以及一個玻璃棒，其安裝在第一和第二螺旋透鏡盤之間。這里，因為第一和第二螺旋透鏡盤旋轉(zhuǎn)，不同種顏色的光束在其上傳輸?shù)穆方?jīng)周期性地變化，因此，具有不同種顏色的光束被滾動。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種投影系統(tǒng)，包括光源，分光器，滾動裝置，光閥和投影透鏡單元。光源發(fā)射光線。分光器將光源發(fā)出的光線分離成具有不同顏色的光束，滾動裝置包括第一螺旋透鏡盤，其包括排列成螺旋圖案的柱面透鏡并能夠旋轉(zhuǎn)；第二螺旋透鏡盤，其面對第一螺旋透鏡盤安裝、能夠以與第一螺旋透鏡盤相同的速度旋轉(zhuǎn)；以及一個玻璃棒，其安裝在第一和第二螺旋透鏡盤的之間，其中，因為第一和第二螺旋透鏡盤的旋轉(zhuǎn)，在其上傳輸不同種顏色的光束的路經(jīng)周期性地變化，因此，具有不同種顏色的光束滾動。光閥依照圖像信號處理被滾動裝置滾動的不同種顏色的光束來形成彩色圖像。投影透鏡單元將由光閥形成的圖像放大并投射到顯示屏上。
分光器可以包括第一到第三并排排列且以不同角度傾斜的二向色濾光器。第一到第三二向色濾光器的每個依照波長有選擇地透射和反射入射光。
分光器可以包括第一二向色棱鏡，第二二向色棱鏡，第三二向色棱鏡。第一二向色棱鏡包括第一二向色鏡和第一反射平面，第一二向色鏡相對入射光的軸線傾斜。反射在入射光中的第一顏色光束，而透射其他顏色的光束。第一反射平面全反射以預定角度入射的光。第二二向色棱鏡包括第二二向色鏡和第二反射平面。第二二向色鏡相對于入射光的軸線傾斜，反射被第一二向色棱鏡透射的光中的第二顏色光束，而透射其他顏色的光束。第二反射平面全反射以預定角度入射的光。第三二向色棱鏡包括第三二向色鏡和第三反射平面。第三二向色鏡相對入射光的軸線傾斜，反射被第二二向色棱鏡透射的光中的第三顏色光束。第三反射平面全反射預定角度入射的光。
分光器還可以包括第一偏振分束器，第二偏振分束器，和1/2波片。第一偏振分束器設(shè)置在第一二向色棱鏡的入射表面上。第一偏振分束器透射入射在其上的非偏振白光中具有第一偏振方向的第一光束，以致第一光束傳輸?shù)降谝欢蛏忡R，并反射具有另一偏振方向的第二光束。第二偏振分束器反射從第一偏振分束器反射的第二光束，以致第二光束傳輸?shù)降谝欢蛏忡R。1/2波片設(shè)置在第一二向色棱鏡與第一和第二偏振分束器中的一個之間。1/2波片改變偏振方向，以致第一和第二光束具有同樣的偏振方向。因此，入射光被改變成預定偏振的彩色光束。
投影系統(tǒng)還可以包括第一柱面透鏡和第二柱面透鏡。第一柱面透鏡設(shè)置在光源和第一螺旋透鏡盤之間，并減少在第一螺旋透鏡盤中光的寬度。第二柱面透鏡設(shè)置在第二螺旋透鏡盤的后面，并使從第二螺旋透鏡盤入射的光平行。
投影系統(tǒng)還可以包括第一復眼透鏡陣列和第二復眼透鏡陣列，它們可以依照不同種顏色將滾動裝置輸出的不同種顏色的光束聚焦到光閥。


本發(fā)明上述和其它特征以及優(yōu)點通過對優(yōu)選實施例詳細描述、參考附圖將會更清楚，其中圖1為傳統(tǒng)投影系統(tǒng)圖；圖2為投影系統(tǒng)的顏色滾動操作的圖解；圖3為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的投影系統(tǒng)示意圖；圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的用于投影系統(tǒng)的分光器的分光操作的視圖；圖5A為由根據(jù)本發(fā)明的滾動裝置使用的螺旋透鏡盤的前視圖；圖5B為根據(jù)本發(fā)明的滾動裝置的透視圖；圖6A和6B分別示出當本發(fā)明的投影系統(tǒng)不包括第二螺旋透鏡盤的模擬光束發(fā)散角的結(jié)果和當本發(fā)明的投影系統(tǒng)包括第二螺旋透鏡盤的模擬光束發(fā)散角的結(jié)果；
圖7A-7C示出根據(jù)本發(fā)明投影系統(tǒng)使用玻璃棒的效果的視圖；圖8示出由根據(jù)本發(fā)明投影系統(tǒng)使用的第一柱面透鏡的效果的視圖；圖9A-圖9C示出根據(jù)本發(fā)明投影系統(tǒng)的滾動過程示意圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的投影系統(tǒng)的示意圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的投影系統(tǒng)使用光導管的范例圖；圖12示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例投影系統(tǒng)使用的光導管的另一個范例的視圖；圖13是圖12所示光導管的平面圖；以及圖14是圖12所示光導管的前視圖。
具體實施例方式
參考圖3，根據(jù)本發(fā)明第一實施例彩色照明系統(tǒng)包括光源10；將光源10發(fā)出的光分離成不同波長的分光器15；和滾動裝置18，其滾動由分光器15分離的紅(R)、綠(G)和藍(B)三種光束。根據(jù)本發(fā)明第一實施例的投影系統(tǒng)包括光源10；將光源10發(fā)出的光分離成不同波長的分光器15；和滾動裝置18，其滾動由分光器15分離的R、G和B三種光束；以及光閥30，其依照圖像信號處理被滾動裝置18滾動的光束，以形成彩色圖像。
光源10發(fā)射白光，包括產(chǎn)生光的燈11和反射鏡13，后者反射從燈11發(fā)出的光，以將光引導到一個預定的路徑。反射鏡13可以用橢圓反射鏡來實現(xiàn)，燈11的位置作為橢圓反射鏡的一個焦點，光線會聚的一點作為另一個焦點。作為選擇，反射鏡13可以用拋物面反射鏡來實現(xiàn)，燈11的位置作為拋物面反射鏡的焦點，并將燈11發(fā)出的光反射成平行光。在圖3中，橢圓反射鏡用作反射鏡13。當拋物面反射鏡用作反射鏡13時，還需要聚集光線的透鏡。
在光源10和分光器15之間的光路上設(shè)置有準直透鏡14，該準直透鏡準直入射光在。光源10與光源10發(fā)出的光所會聚的焦點“f”之間的距離用P表示時，校準透鏡14優(yōu)選地設(shè)置在與焦點“f”距離P/5處。校準透鏡14這種配置能夠減少集光率(etendue)，延長指的是測量光束尺寸的守恒物理量。當延長減少時，光學系統(tǒng)能夠小型化以及容易構(gòu)造。
如圖4所示，分光器15可以包括第一、第二和第三二向色濾光器15a、15b和15c，它們相對于入射光的光軸傾斜不同的角度θ1、θ2和θ3(其中θ1＞θ2＞θ3)。
參照圖5A到5B，滾動裝置18包括彼此分開一個預定的距離的第一和第二螺旋透鏡盤20和21，以及一個玻璃棒23，其設(shè)置在第一和第二螺旋透鏡盤20和21之間。柱面透鏡單元20a以螺旋圖案排列在第一螺旋透鏡盤20的至少一側(cè)上。同樣地，柱面透鏡單元21a以螺旋圖案排列在第二螺旋透鏡盤21的至少一側(cè)上。每個螺旋透鏡盤20和21的橫截面具有個柱面透鏡陣列結(jié)構(gòu)。第一和第二螺旋透鏡盤20和21由支架34支撐，由驅(qū)動源31驅(qū)動以相同的速度旋轉(zhuǎn)。
第一柱面透鏡17設(shè)置在第一螺旋透鏡盤20之前，第二柱面透鏡24設(shè)置在第二螺旋透鏡盤21之后。第一和第二柱面透鏡17和24可以被具有預定衍射圖案的第一和第二衍射光學部件替換，僅用于聚焦在特定方向入射的光。
在第二螺旋透鏡盤21和光閥30之間的光路上還可以設(shè)置第一和第二復眼透鏡陣列25和26和中繼透鏡29。多個凸起部分25a以二維方式排列在第一復眼透鏡陣列25的入射和出射表面的至少一個上。同樣地，多個凸起部分26a以二維方式排列在第二復眼透鏡陣列26的入射和出射表面的至少一個上。由光閥30形成的彩色圖像被投影透鏡單元35放大并投影到顯示屏40上。
下面描述與具有上述結(jié)構(gòu)的投影系統(tǒng)的操作有關(guān)。
從光源10發(fā)出的白光被分光器15分離成R、G和B三種光束。分光器15將入射光分離成預定的不同波長，并以不同角度輸出被分離的光束。例如，第一二向色濾光器15a接收到白光，反射在紅色波長范圍內(nèi)的R光束，透射其他波長范圍內(nèi)的G和B光束。第二二向色濾光器15b接收被第一二向色鏡15a透射的光，反射在綠色波長范圍內(nèi)的G光束，并透射在藍色波長范圍內(nèi)的B光束。第三二向色濾光器15c反射被第一和第二二向色鏡15a和15b透射的在藍色波長范圍內(nèi)的B光束。
由第一到第三二向色濾光器15a到15c分離成不同的波長的R、G和B光束以不同的角度反射。例如，R和B光束朝G光束傾斜，以致R、G和B光束聚焦到第一螺旋透鏡盤20。每個被分色的光束經(jīng)由第一螺旋透鏡盤20入射到玻璃棒23上。
已經(jīng)過玻璃棒23的光入射到第二螺旋透鏡盤21上。玻璃棒23和第二螺旋透鏡盤21防止光由第一螺旋透鏡盤20造成發(fā)散。
圖6A和6B示出檢測第二螺旋透鏡盤21防止光發(fā)散效果的模擬結(jié)果。圖6A示出在沒有第二螺旋透鏡21的第一種情況下，已通過第一螺旋透鏡盤20的光束的模擬發(fā)散角結(jié)果，圖6B示出在具有第二螺旋透鏡21的第二種情況下，已通過第一螺旋透鏡盤20的光束的模擬發(fā)散角結(jié)果。在圖6A和6B中，圖示的僅僅是分別為第一和第二螺旋透鏡盤20和21的單個透鏡單元20a和21a。
透鏡單元20a和21a具有0.104的數(shù)值孔徑(NA)。表1示出不同波長光束在像平面上的發(fā)散角。
表1

在表1中，F(xiàn)1表示在具有不同波長且在不同光路上傳播的光束中的在中心傳播的光束。F2表示在中心光束F1的兩側(cè)傳播的光束的其中一束。因為在中心光束F1的兩側(cè)傳播的光束是對稱的，這里僅描述其中一側(cè)的光束。R1、R2和R3分別表示其上傳播具有相同波長的光束的不同路徑。參照示出模擬結(jié)果的表1，存在第二螺旋透鏡盤21的第二種情況與不存在第二螺旋透鏡盤21的第一種情況相比，發(fā)散角度減小了。
當玻璃棒23設(shè)置在第一和第二螺旋透鏡盤20和21之間時，玻璃棒23能夠使已經(jīng)穿過第一螺旋透鏡盤20的光不發(fā)散地入射到第二螺旋透鏡盤21上，并且也作為按原樣輸出入射光的波導。
圖7A圖示出已通過第一柱面透鏡17的光入射到第一螺旋透鏡盤20上的情況，其中光具有±2E的光場。在第一螺旋透鏡盤20的光的尺寸為8mm，圖7B示出沒有用玻璃棒23時，通過第一柱面透鏡17，第一和第二螺旋透鏡盤20和21以及第二柱面透鏡24的光路。在第一螺旋透鏡盤20上的入射光的尺寸為8mm，而第二螺旋透鏡盤20上的入射光尺寸大約為26mm。
當在第一螺旋透鏡盤20上的入射光的尺寸與在第二螺旋透鏡盤21上的入射光的尺寸不同時，入射到第二柱面透鏡24上光的發(fā)散角較大。于是，如圖7C所示，在第一和第二螺旋透鏡20和21之間安裝玻璃棒23，第一螺旋透鏡盤20上的入射光的尺寸與在第二螺旋透鏡盤21上的一樣。玻璃棒23的長度可以為20mm。通過利用玻璃棒23減小光束發(fā)射角可減小光的損耗。
下面描述涉及到具有上述結(jié)構(gòu)的滾動裝置18的滾動操作。
從光源10發(fā)射的光線I被準直透鏡14準直。接著，第一到第三二向色濾光器15a到15c將準直的光分離成不同波長的光，并且以不同的角度輸出這些分離的光束。光束入射到第一柱面透鏡17上，該透鏡減小入射光的寬度。寬度被第一柱面透鏡17減小的光入射到第一螺旋透鏡盤20上。在圖5A和5B中，通過第一螺旋透鏡盤20的光用附圖標記L標識。圖8是用來將從光源10發(fā)射的光沒有通過第一柱面透鏡17入射到第一螺旋透鏡盤20上的情況與從光源10發(fā)出的光在寬度被第一柱面透鏡17減小后入射到第一螺旋透鏡盤20的情況相比較的視圖。
當通過第一螺旋透鏡20的光的寬度較大時，螺旋透鏡陣列的形狀與光LN的形狀很不一致，因此，從每個螺旋透鏡偏移的對應于不同顏色區(qū)域AN的光LN損失了。因此，優(yōu)選地利用第一柱形透鏡17來減小光的寬度，螺旋透鏡陣列的形狀與光L的形狀一致，以使光的損失最小。在從螺旋透鏡偏移的每種顏色的光L的區(qū)域用A表示時，A＜AN。因此，當入射到第一螺旋透鏡盤20的光的寬度減小時，光損失也減少。
此后，通過第一螺旋透鏡盤20的光經(jīng)由玻璃棒23和第二螺旋透鏡盤21入射到第二柱形透鏡24上。上面已經(jīng)描述了在光依次通過第一螺旋透鏡盤20，玻璃棒23和第二螺旋透鏡盤21時光的發(fā)散角減小，因此，這里不再詳細描述。
優(yōu)選地將玻璃棒23設(shè)置光L的所傳播的路徑上，其中，光L的寬度已經(jīng)被第一柱面透鏡17減小。
同時，當?shù)谝缓偷诙菪哥R盤20和21以相同的速度旋轉(zhuǎn)時，顏色的滾動完成了。玻璃棒23固定在第一和第二螺旋透鏡盤20和21之間。
當R、G和B光束(即，光L)通過第一螺旋透鏡盤20時，可以相對于光L獲得就好像第一螺旋透鏡盤20以一個的恒定速度連續(xù)的上升或下降的效果。因此，可以獲得就好像通過第一螺旋透鏡盤20光束的位置連續(xù)改變的效果。這個效果在圖9A-到圖9C中示出。
如圖9A所示，光通過第一螺旋透鏡盤20，玻璃棒23，第二螺旋透鏡盤21，第二柱面透鏡24，第一和第二復眼透鏡25和26，和中繼透鏡29，并按照R、G和B的順序在光閥30上形成顏色條。其后，隨著第一和第二螺旋透鏡盤20和21旋轉(zhuǎn)，相應的第一和第二螺旋透鏡盤20和21中光已經(jīng)穿過的部分向上運動。隨著第一和第二螺旋透鏡盤20和21移動，如圖9B所示，按B、R和G順序形成顏色條，并連續(xù)地按如圖9C所示的G、B和R的順序形成彩色條。
隨著第一和第二螺旋透鏡盤20和21旋轉(zhuǎn)，上面描述的滾動操作重復進行。換句話說，第一和第二螺旋透鏡盤20和21的旋轉(zhuǎn)運動導致相應的第一和第二螺旋透鏡盤20和21上的光束入射到其上的位置發(fā)生改變，并在第一和第二螺旋透鏡盤20和21的橫截面上被轉(zhuǎn)換成直線運動，從而完成滾動。
這里，因為是通過在不改變旋轉(zhuǎn)方向前提下沿一個方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)第一和第二螺旋透鏡盤20和21來完成滾動的，因此可以獲得連續(xù)性和一致性。另外，因為滾動是用單個部件，即滾動裝置18來完成的，因此顏色條的變化速度可以更好保持恒定。而且，由于利用第一和第二螺旋透鏡盤20和21以及玻璃棒23來減小光束發(fā)散角，因此光的損失可以減少。
因為光束在穿過第一和第二螺旋透鏡盤20和21的同時由第一柱形透鏡17的作用而具有較窄的寬度，可以獲得好像光束通過柱面透鏡陣列進行直線運動的效果。在通過第二螺旋透鏡盤21后，光束被柱面透鏡24恢復到最初的寬度并成為平行光。
接著，已通過第二柱形透鏡24的光由第一和第二復眼透鏡陣列25和26分顏色傳輸?shù)焦忾y30上。例如，當光閥30被分成三個部分時，R、G和B光束分別地傳輸?shù)焦忾y30的上面、中間和下面部分，形成顏色條。當?shù)谝缓偷诙脱弁哥R陣列25和26不存在時，R、G和B光束在光閥30的每個像素上滾動。當在每個像素上進行滾動操作時，也許很難控制，發(fā)生錯誤的可能性很高，且畫面的質(zhì)量下降。然而，在本發(fā)明中，因為顏色條是利用第一和第二復眼透鏡陣列25和26傳輸R、G和B光束到光閥30的三個部分上而形成并被滾動，因此它容易控制滾動操作。
第一和第二復眼透鏡陣列25和26也使照射到光閥30上的光的強度均勻。
中繼透鏡29將已經(jīng)通過第一和第二復眼透鏡陣列25和26的光傳輸?shù)揭粋€預定的位置，例如，光閥30。
為了使光閥30的工作頻率與第一和第二螺旋透鏡盤20和21的旋轉(zhuǎn)頻率同步，可以調(diào)節(jié)第一和第二螺旋透鏡盤20和21的透鏡單元20a和21a的數(shù)量。換句話說，當光閥30的工作頻率增大時，提供更多的透鏡單元20a和21a，以致滾動速度增加，而第一和第二螺旋透鏡盤20和21的旋轉(zhuǎn)速度保持恒定。
可替換的，通過調(diào)整第一和第二螺旋透鏡盤的20和21的旋轉(zhuǎn)頻率同時透鏡單元20a和21a的數(shù)量保持不變，可以使第一和第二螺旋透鏡盤20和21與光閥30同步。例如，在光閥30的工作頻率為960Hz時，即在光閥30以每幀1/960秒的速度工作并且每秒再現(xiàn)960幀時，第一和第二螺旋透鏡盤20和21中每一個可構(gòu)造為最大直徑為140mm，最小直徑為60mm，32個透鏡單元20a或21a，每個透鏡單元的寬度為5.0mm，曲率半徑為24.9mm。當?shù)谝缓偷诙菪哥R盤20和21每轉(zhuǎn)再現(xiàn)32幀時，它們每秒旋轉(zhuǎn)30次來實現(xiàn)每秒再現(xiàn)960幀。在這種情況下，第一和第二螺旋透鏡盤20和21每60秒旋轉(zhuǎn)1800次，也就是速度為1800rpm。當光閥30的工作頻率增加0.5倍且光閥30的工作頻率為1440Hz時，第一和第二螺旋透鏡盤20和21以2700rpm的速度旋轉(zhuǎn)，以與光閥30同步。
在本發(fā)明中，通過利用滾動裝置18可以使單面板投影系統(tǒng)的光效率最大化。
下面的描述涉及根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例的照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)。
如圖10所示，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的投影系統(tǒng)包括光源10；光導管70，其將光源10發(fā)出的光分離成預定的不同波長；滾動裝置18，其滾動由光導管15分離的R、G和B三束光束；以及光閥30，其根據(jù)照圖像信號處理由滾動裝置18滾動的光束，以形成彩色圖像。
根據(jù)本發(fā)明的第二實施例投影系統(tǒng)用光導管70代替本發(fā)明第一實施例中投影系統(tǒng)使用的包括第一到第三二向色濾光器15a-15c的分光器15。在圖3和圖10中，相同的附圖標記表示具有相同功能的部件，因此，這里省略對其的詳細描述。
光導管70將入射光分離成預定的不同波長，然后以不同的角度輸出該分離的光束。光導管70還防止以預定角度入射的光線沿期望的方向以外的方向輸出，以致光的效率可以提高。
要實現(xiàn)上述的功能，如圖11所示，光導管70包括第一到第三二向色棱鏡79、81和83，每個二向色棱鏡反射特定波長的光，并透射其他波長的光，以將入射光I分離為第一到第三顏色光束I1、I2和I3。這里，附圖標記H表示像平面。
第一二向色棱鏡79包括第一二向色鏡80，該第一二向色鏡相對于入射光I的軸以θN1角傾斜。第一二向色鏡80反射第一顏色光束I1并透射第二、第三光束I2、I3。例如，第一二向色鏡80反射R光束，而透射G和B光束。
第二二向色棱鏡81附在第一二向色棱鏡79上，并包括第二二向色鏡82，該第二二向色鏡相對于入射光I的軸以角θN2傾斜。第二二向色棱鏡81反射第二顏色光束I2，例如G光束，而透射其他顏色的光束。
第三二向色棱鏡83附在第二二向色棱鏡81上，并包括第三二向色鏡84，該第三二向色鏡相對于入射光I的軸以角θN3傾斜。第三二向色棱鏡83反射第三顏色光束I3，例如B光束，而透射其他顏色光束。第三二向色鏡84可以用反射整個入射光I的全反射鏡來代替。
同時，第一二向色棱鏡79包括在其側(cè)壁上的第一反射平面79a和79b，以預定角度將入射到第一反射平面79a和79b上的光全反射到第一二向色棱鏡79的內(nèi)部。更明確地說，由于第一二向色棱鏡79的折射率和外部空氣的折射率不同，第一和第二反射平面79a和79b全反射以大于預定的角度(即臨界角)入射到其上的光。提供第一和第二反射平面79a和79b以為從光源10發(fā)射的光未完全由校準透鏡14平行化而發(fā)散的情況作準備。換句話說，當光I發(fā)散地入射到第一二向色棱鏡79時，利用第一和第二反射平面79a和79b可以減少通過第一棱鏡79的側(cè)壁而到達外部的光，因此，入射光I的應用效率能夠增加。
另外，第二二向色棱鏡81包括在其側(cè)壁上的第二反射平面81a和81b，第三二向色棱鏡83包括在其側(cè)壁上的第三反射平面83a和83b，第二和第三反射平面81a、81b、83a、83b實現(xiàn)的功能與第一反射平面79a和79b相同。因此，在這里省略詳細描述。
如上所述，因為利用第一到第三反射平面79a、79b、81a、81b、83a和83b可以增加光效率，可以減小集光率(etendue)值變化的影響，集光率是指測量光學系統(tǒng)光束尺寸的守恒物理量。
優(yōu)選的是，角度θN1、θN2和θN3滿足公式(1)，以致分別從第一到第三二向色鏡80、82和84反射的第一到第三顏色光束I1、I2和I3會聚到第一柱面透鏡17上。
θ′1≥θ′2≥θ′3(1)光導管70適合于例如應用微鏡裝置(未顯示)的投影系統(tǒng)，該裝置作為光閥30可以不考慮入射光的偏振特征來形成圖像。
在圖12-14中圖示了光導管70的另一個實施例。在這個實施例中，光導管70包括第一和第二偏振分束器73和75，它們設(shè)置在與光束傳播的Z方向正交的X方向上；1/2波片77，它設(shè)置在第二偏振分束器75附近，以改變偏振方向；第一到第三二向色棱鏡79、81和83，每個二向色棱鏡反射特定波長的光，而透射其他波長的光，以將入射光I分離成第一到第三顏色光束I1、I2和L3。
參考圖14，第一偏振分束器73設(shè)置在第一二向色棱鏡79的入射表面上。第一偏振分束器73透射入射于其上的非偏振白光中的具有一個偏振方向的第一光束，使得第一光束傳輸?shù)降谝欢蛏忡R79，而反射其中的具有另一偏振方向的第二光束，使得第二光束傳輸?shù)降诙穹质?5。對于這種作用，第一偏振分束器73包括第一偏振濾光片74。
圖14所示為一實例，其中光源10發(fā)射的白光中包含與S-偏振光混合的P-偏振光，第一偏振濾光片74透射P-偏振光，而反射S-偏振光。
第二偏振分束器75反射從第一偏振分束器73反射的第二光束，即S-偏振光，以致第二光束傳輸?shù)降谝欢蛏忡R79。第二偏振分束器75僅僅改變第二光束的路徑而不改變偏振，因此使第二光束與由第一偏振分束器73透射的第一光束平行。為了這種作用，第二偏振分束器75包括第二偏振濾光片76，其反射在入射光中的具有特定偏振的光，例如S-偏振光。第二偏振分束器75可以由反射所有入射光的全反射鏡來實現(xiàn)。
1/2波片77將具有預定偏振的入射光的相位改變90度，以致具有預定線性偏振的入射光改變成具有另一線性偏振的光。在如圖14所示的實例中，1/2波片77設(shè)置在第二偏振分束器75和第一二向色棱鏡79之間，以改變偏振，使得第二光束的偏振和第一光束的偏振一樣。換句話說，1/2波片77將從第二偏振分束器76反射的S-偏振光改變成跟第一光束相同偏振方向的P-偏振光。
可替換地，1/2波片77可以設(shè)置在第一偏振分束器73和第一二向色棱鏡79之間，以改變第一光束的偏振方向，使之與第二光束的偏振方向相同。由于有1/2波片77，從光源10發(fā)出的所有光都能被利用，光的效率增加了。
具有預定的偏振方向的光，例如P-偏振光，在通過第一和第二偏振分束器73和75以及1/2波片77后被第一到第三二向色棱鏡79、81和83分離成不同波長的光。第一到第三二向色棱鏡79、81和83利用第一到第三二向色鏡80、82和84分別分離入射光，參照圖11。
在圖12到14中所示的光導管70適用于利用液晶顯示器作為光閥30的投影系統(tǒng)。
回到圖10，在具有上述結(jié)構(gòu)的投影系統(tǒng)中，由光導管70和滾動裝置18來實現(xiàn)滾動。從光源10發(fā)出的光被光導管70分離成不同顏色的光束。不同顏色的被分離光束由光導管70以不同角度輸出，入射到第一柱面透鏡17上。不同顏色光束的寬度被第一柱面透鏡17減小，具有窄寬度的不同顏色光束入射到第一螺旋透鏡盤20上。此后，不同顏色光束的發(fā)散角由玻璃棒23和第二螺旋透鏡21減小，然后不同顏色光束入射到第二柱面透鏡24上。
不同顏色光束由第二柱面透鏡24互相平行。此后，相同顏色的光束由第一和第二復眼透鏡陣列25和26聚焦到光閥30上，以致在光閥30上不同顏色光束單獨地形成顏色條。顏色條經(jīng)由第一和第二螺旋透鏡盤20和21的旋轉(zhuǎn)連續(xù)地滾動而形成彩色圖像。形成在光閥30上的彩色圖像被投影透鏡單元放大并投射到顯示屏40上。
同時，根據(jù)本發(fā)明的彩色照明系統(tǒng)包括光源10；將從光源10發(fā)出的光束分離成不同波長的分光鏡；以及滾動被分離的光束的滾動裝置18。分光鏡可以包括第一到第三二向色濾光器15a到15c，它們傾斜不同角度，并根據(jù)波長而反射和透射入射光，或者參照圖11到12的描述，通過光導管70來實現(xiàn)。
具有上述結(jié)構(gòu)的彩色照明系統(tǒng)分離從光源發(fā)出的光線并滾動用于單面板投影系統(tǒng)的被分離的光。這樣有利于圖像的形成和增加光的效率。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的滾動裝置使顏色條的滾動成為可能，并利于滾動操作和光閥的操作的同步，以致滾動能夠容易地控制。另外，因為用于進行滾動的部件的數(shù)目能夠減少，投影系統(tǒng)能夠做得很輕和不昂貴。根據(jù)本發(fā)明的利用滾動裝置的彩色照明系統(tǒng)通過螺旋透鏡盤照射彩色光，因此，光學結(jié)構(gòu)可以被簡化，光效率能夠提高。此外，因為用彩色照明系統(tǒng)形成顏色條，在顏色條單元中的彩色圖像能夠控制。結(jié)果，畫面質(zhì)量可以增加。
另外，因為上述結(jié)構(gòu)的投影系統(tǒng)采用單面板方法，光學結(jié)構(gòu)能夠被簡化。因為單面板投影系統(tǒng)用一個滾動裝置滾動入射光，可以獲得如三面板投影系統(tǒng)那樣高的光效率。換句話說，根據(jù)本發(fā)明的應用滾動方法的單面板投影系統(tǒng)同時而不是依次將白光分離成三種顏色光束，并滾動這三種顏色光束形成彩色圖像，因此獲得如三面板投影系統(tǒng)同樣高的光效率。
權(quán)利要求
1.一種滾動裝置，包括第一螺旋透鏡盤，其包括排列成螺旋圖案的多個柱面透鏡單元，第一螺旋透鏡盤能夠旋轉(zhuǎn)；第二螺旋透鏡盤，其面對第一螺旋透鏡盤安裝，能夠以與第一螺旋透鏡盤相同的速度旋轉(zhuǎn)；以及玻璃棒，其安裝在第一和第二螺旋透鏡盤之間。
2.一種彩色照明系統(tǒng)，包括光源，該光源發(fā)出光線；分光器，它將從光源發(fā)出的光線分離成具有不同顏色的光束；以及滾動裝置，它包括第一螺旋透鏡盤、第二螺旋透鏡盤和玻璃棒，其中第一螺旋透鏡盤包括多個排列成螺旋圖案的柱面透鏡單元，且第一螺旋透鏡盤能夠旋轉(zhuǎn)，第二螺旋透鏡盤面對第一螺旋透鏡盤安裝，能夠以與第一螺旋透鏡盤相同的速度旋轉(zhuǎn)，而玻璃棒安裝在第一和第二螺旋透鏡盤之間；其中，第一和第二螺旋透鏡盤旋轉(zhuǎn)，在其上傳輸不同種顏色的光束的路徑周期性地變化，并因此，具有不同顏色的光束被滾動。
3.如權(quán)利要求2所述的彩色照明系統(tǒng)，其中，分光器包括第一到第三二向色濾光器，它們并排排列并以不同的角度傾斜，第一到第三二向色濾光器中的每一個根據(jù)波長有選擇地透射和反射入射光。
4.如權(quán)利要求2所述的彩色照明系統(tǒng)，其中，分光器包括第一二向色棱鏡，包括第一二向色鏡和第一反射平面，第一二向色鏡相對于入射光的軸傾斜，反射在入射光中的第一顏色光束，并透射其他顏色光束，第一反射平面全反射以預定角度入射的光；第二二向色棱鏡，包括第二二向色鏡和第二反射平面，第二二向色鏡相對于入射光的軸傾斜，反射被第一二向色棱鏡透射的光中的第二顏色光束，并透射其他顏色的光束，第二反射平面全反射以預定角度入射的光；第三二向色棱鏡，包括第三二向色鏡和第三反射平面，第三二向色鏡相對于入射光的軸傾斜，反射被第二二向色棱鏡透射的光中的第三顏色光束，第三反射平面全反射以預定角度入射的光。
5.如權(quán)利要求4所述彩色照明系統(tǒng)，其中，分光鏡還包括第一偏振分束器，其設(shè)置在第一二向色棱鏡的入射表面上，第一偏振分束器透射入射到其上的非偏振白光中的具有一個偏振方向的第一光束，以致第一光束傳輸?shù)降谝欢蛏忡R，并反射另一偏振方向的第二光束；第二偏振分束器，其反射從第一偏振分束器反射的第二光束，以致第二光束傳輸?shù)降谝欢蛏忡R；以及1/2波片，其設(shè)置在第一二向色棱鏡與第一和第二偏振分束器中的一個之間，1/2波片改變偏振方向，以致第一和第二光束具有相同的偏振方向；由此，將入射光改變成具有預定偏振的各顏色光束。
6.如權(quán)利要求2所述的彩色照明系統(tǒng)，還包括一個準直透鏡，其面向分光器的入射面設(shè)置，準直透鏡使入射光平行。
7.如權(quán)利要求4所述的彩色照明系統(tǒng)，其中，當?shù)谝坏降谌蛏R分別以θN1、θN2和θN3角傾斜時，它們滿足下列公式θ′1≥θ′2≥θ′3。
8.如權(quán)利要求2所述的彩色照明系統(tǒng)，還包括第一柱面透鏡，設(shè)置在分光器和第一螺旋透鏡盤之間，第一柱面透鏡減小第一螺旋透鏡盤上的光的寬度；第二柱面透鏡，設(shè)置在第二螺旋透鏡盤的后面，第二柱面透鏡使從第二螺旋透鏡盤入射的光平行。
9.如權(quán)利要求8所述的彩色照明系統(tǒng)，還包括第一復眼透鏡陣列和第二復眼透鏡陣列，其根據(jù)不同種顏色聚焦從滾動裝置輸出的不同顏色的光束。
10.如權(quán)利要求9所述的彩色照明系統(tǒng)，還包括一個中繼透鏡，該中繼透鏡將已通過第一和第二復眼透鏡陣列的光傳輸?shù)揭粋€預定的位置。
11.如權(quán)利要求2所述的彩色照明系統(tǒng)，還包括在分別在滾動裝置前面和后面的衍射光學元件，每個衍射光學元件具有一個預定的衍射圖案，僅用于聚焦特定方向入射的光。
12.一種投影系統(tǒng)，包括光源，該光源發(fā)出光線；分光器，用于將從光源發(fā)出的光線分離成具有不同顏色的光束；以及滾動裝置，其包括第一螺旋透鏡盤、第二螺旋透鏡盤和玻璃棒，其中第一螺旋透鏡盤包括排列成螺旋圖案的多個柱面透鏡單元，且第一螺旋透鏡盤能夠旋轉(zhuǎn)，第二螺旋透鏡盤面對第一螺旋透鏡盤安裝，并能夠以與第一螺旋透鏡盤相同的速度旋轉(zhuǎn)，而玻璃棒安裝在第一和第二螺旋透鏡盤之間；其中，隨著第一和第二螺旋透鏡盤旋轉(zhuǎn)，其上傳輸不同顏色的光束的路徑周期性地變化，因此，具有不同種顏色的光束被滾動；光閥，其根據(jù)圖像信號處理被滾動裝置滾動的具有不同顏色的光束，以形成彩色圖像；投影透鏡單元，其將由光閥形成的圖像放大和投射到顯示屏上。
13.如權(quán)利要求12所述的投影系統(tǒng)，其中，分光器包括第一到第三二向色濾光器，該二向色濾光器并排排列，并以不同的角度傾斜，第一到第三二向色濾光器的每一個根據(jù)波長有選擇地透射和反射入射光。
14.如權(quán)利要求12所述的投影系統(tǒng)，其中分光器包括第一二向色棱鏡，包括第一二向色鏡和第一反射平面，第一二向色鏡相對入射光的軸傾斜，反射在入射光中的第一顏色光束，并透射其他顏色光束，第一反射平面全反射以預定角度入射的光；第二二向色棱鏡，包括第二二向色鏡和第二反射平面，第二二向色鏡面相對入射光的軸傾斜，反射被第一二向色棱鏡透射的光中的第二顏色光束，并透射其他顏色光束，第二反射平面全反射以預定角度入射的光；第三二向色棱鏡，包括第三二向色鏡和第三反射平面，第三二向色鏡面相對入射光的軸傾斜，反射被第-二二向色棱鏡透射的光中的第三顏色光束，第三反射平面全反射以預定角度入射的光。
15.如權(quán)利要求14所述的投影系統(tǒng)，其中分光鏡還包括第一偏振分束器，設(shè)置在第一二向色棱鏡的入射表面上，第一偏振分束器透射在入射到其上的非偏振白光中具有一個偏振方向的第一光束，以致第一光束傳輸?shù)降谝欢蛏忡R，并反射具有另一偏振方向的第二光束；第二偏振分束器，反射從第一偏振分束器反射的第二光束，以致第二光束傳輸?shù)降谝欢蛏忡R；以及1/2波片，設(shè)置在第一二向色棱鏡與第一和第二偏振分束器中的一個之間，1/2波片改變偏振方向，以致第一和第二光束具有相同的偏振方向，由此，將入射光改變成具有預定偏振的各顏色光束。
16.如權(quán)利要求12所述的投影系統(tǒng)，還包括一個準直透鏡，其面向分光器的入射面設(shè)置，準直透鏡使入射光平行。
17.如權(quán)利要求14所述的投影系統(tǒng)，其中，當?shù)谝坏降谌蛏R分別以θN1、θN2和θN3角傾斜時，它們滿足下列公式θ′1≥θ′2≥θ′3。
18.如權(quán)利要求12所述的投影系統(tǒng)，還包括第一柱面透鏡，設(shè)置在分光器和第一螺旋透鏡盤之間，第一柱面透鏡減小在第一螺旋透鏡盤上的光的寬度；第二柱面透鏡，設(shè)置在第二螺旋透鏡盤的后面，第二柱面透鏡使從第二螺旋透鏡盤入射的光平行。
19.如權(quán)利要求18所述的投影系統(tǒng)，還包括第一復眼透鏡陣列和第二復眼透鏡陣列，它們根據(jù)不同顏色將從滾動裝置輸出的不同顏色的光束聚焦到光閥。
20.如權(quán)利要求19所述的投影系統(tǒng)，還包括一個中繼透鏡，該中繼透鏡將已通過第一和第二復眼透鏡陣列的光傳輸?shù)焦忾y。
21.如權(quán)利要求12所述的投影系統(tǒng)，還包括分別在滾動裝置前面和后面的衍射光學部件，每個衍射光學件具有一個預定的衍射圖案，僅用于聚焦在特定方向入射的光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過滾動形成彩色圖像的滾動裝置，和使用具有這種滾動裝置的彩色照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)。滾動裝置包括第一螺旋透鏡盤，第二螺旋透鏡盤和玻璃棒。第一螺旋透鏡盤包括多個排列成螺旋圖案的柱面透鏡單元并能夠旋轉(zhuǎn)。第二螺旋透鏡盤面對第一螺旋透鏡盤安裝，并能夠以與第一螺旋透鏡盤相同的速度旋轉(zhuǎn)。玻璃棒安置在第一和第二螺旋透鏡盤之間。投影系統(tǒng)包括光源，分光器，其將從光源發(fā)出的光分離成具有不同顏色的光束，滾動裝置，該裝置通過周期性地改變光束傳輸路徑來滾動光束，光閥，其利用通過滾動裝置后的光束形成圖像，以及一投影透鏡單元，用于將由光閥形成的圖像放大和投射到顯示屏上。
文檔編號G02B19/00GK1525208SQ20041003009
公開日2004年9月1日 申請日期2004年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者金大式, 趙虔晧, 金成河 申請人:三星電子株式會社