CN1614504A

CN1614504A - 用于表面均匀多色照明的装置

Info

Publication number: CN1614504A
Application number: CN200410083347.3A
Authority: CN
Inventors: 阿尔内·特罗尔施; 乌韦·德特勒夫·蔡特内尔; 彼得·施赖伯; 拉尔夫·瓦尔德霍伊斯尔
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2005-05-11
Also published as: DE10345431B4; DE10345431A1; US20050068504A1

Abstract

提供了一种用于对表面(8)进行均匀、多色照明的装置，包括发射不同颜色的光的第一和第二光源(1，2，3)，将来自于光源(1至3)的光线导引入公共光路中的合光元件(5)，其还包括一聚光***，该聚光***具有位于合光元件(5)和各光源(1至3)之间的第一透镜列(9)和位于公共光路中具有正折射能力的光学元件(11)。

Description

用于表面均匀多色照明的装置

发明领域

本发明涉及一种用于表面均匀、多色照明的装置。这种照明装置常用于包括二维调光器的投影仪中，以使二维调光器的多色照明尽可能地均匀。

发明背景

已知的用于投影仪的照明装置通常是使用白光源，其白光首先必须分为至少三种原色光以用于颜色调制。这又导致光学***相对复杂。

发明内容

考虑到这些问题，本发明的一个目的就是提供一种用于表面均匀、多色照明的装置，其具有十分紧凑的结构。

根据本发明，该目的通过一种用于对表面进行均匀、多色照明的装置而实现，其包括发射不同颜色的光的第一和第二光源，将来自于光源的光线导引入公共光路中的合光元件，并包括聚光***，该聚光***具有位于合光元件和各个光源之间的一个第一透镜列以及在公共光路中具有正折射能力的光学元件。

使用这种装置，为叠加来自于不同光源的光线所需的合光元件有利地设置在所述聚光***中，也就是说，位于光学元件和透镜列之间。这样，为聚光***提供的空间实质上全部被另一光学元件即合光元件填满，因此所述装置整体上非常紧凑。这样就实现了所述装置理想的紧凑结构，同时由于该聚光***包括所述的透镜列和光学元件，因此实现了十分均匀的照明。

本发明装置的一个优选实施例具有以下特征，从所述光学元件至要照明表面之间的光学距离以及光学元件至第一透镜列之间的距离分别对应于该光学元件的焦距。因此，该聚光***对应于在成像侧具有远心光路且空间节省的巢状聚光***。

根据本发明的投影装置的另一实施例具有以下特征，即所述聚光***在第一透镜列和相应的光源之间包括第二透镜列，且所述第二透镜列的透镜的焦点优选地位于所述第一透镜列的镜面上。使用两个彼此相随的透镜列能够特别容易地将均匀性调整为表面的预定高宽比，尤其当所述表面是矩形时。因此，可使用两个相对于彼此成90°旋转的柱面透镜列，从而容易调节所需的矩形高宽比。在柱面透镜列容易制作方面这也特别有利。

所述两个彼此相随的透镜列可以设置为串连透镜列，其中所述透镜列设置在基体的前后表面上。因此，提供了一种非常紧凑的光学元件，使得整个照明装置具有紧凑的结构。所述两个透镜列优选为在结构上相同且相对于彼此可调。

代替使用两个柱面透镜列，还可以只使用一个透镜列，其中透镜设置按行或列布置，因此减少了透镜列数。这种透镜列可以设置为使其与两个彼此相随且相对于彼此成90°旋转的串连透镜列具有同样的效果，当然，也可以将其设置为串连透镜列。

还可以在所述串连透镜列和各个光源之间设置附加串连透镜列。在这种情况下，两个串连透镜列可设置为相对于彼此旋转的串连柱面透镜列。两个串连透镜列的柱面透镜列的不同透镜参数能够对要照明表面进行最优调整(尤其是，如果所述表面是矩形)。

特别优选的是，本发明装置中的光源包括至少一个发光二极管。目前可以获得的有红色、绿色和蓝色三种原色发光二极管，具有优良的耐久性和良好的光电性能。因此，所述照明装置作为一个整体可具有节电的紧凑结构。

如果每个光源都使用发光二极管，则可在发光二极管和第一透镜列之间设置由非球面透镜构成的准直仪光学器件。因此，就能产生很好的准直光束。而且，可以借助于所述准直仪光学元件实现空间节省的校准。

此外，所述光学元件可以包括设置为菲涅尔透镜的透镜或者可以只由菲涅尔透镜组成。这样所带来的好处就是使透镜和合光元件之间的空间增大，而所述装置的整体尺寸并不会增大。

根据本发明的投影装置中的光学元件还可优选设置为非球面透镜。因而，所需的图像特性便也可只借助于一个透镜来实现。

另外，还可设置第三光源(该光源同样优选包括发光二极管)，其所产生的光由合光元件导入公共光路中。因此，可将优选地发射红、绿和蓝三种原色光的三个光源用于对要照明的表面进行均匀、多色照明。

所述光源可分别包括一个发光二极管，也可以是排列成阵列的几个发光二极管。

第三光源优选地具有布置在其后的第二合光元件，该元件将来自第二和第三光源的光导入从第二合光元件延伸至第一合光元件的光路中，所述光路中设有第一微透镜列作为第二和第三光源的公用微透镜阵列。因此，可以提供一种非常紧凑的照明装置，其中两个光源只需设置一个微透镜列。这样就减少了光学元件的数量，因此可降低该装置的重量和制造成本。

所述第二合光元件和/或第一合光元件可以制成线栅偏振片或者一般的偏振分光器。这种线栅偏振片目前都是标准光学元件，是可以购买到的。

而且，所述投影装置还可以这样来实施，即聚光***包括位于所述第三光源和合光元件之间的第一透镜列。在此情况下，可只借助于一个合光元件将来自第三光源的光导入公共光路中。这样可形成一个十分紧凑的结构。

所述合光元件优选为一所谓的X棱镜，其包括两个交叉的优选为相对于彼此成90°延伸的分色层，通过这些分色层，来自三个光源中的两个的光发生反射，而来自第三光源的光则发生透射。

另外，还提供了一种包括上述的均匀多色照明装置的投影装置，还包括调光器、在给出的图像数据的基础上控制所述调光器的控制元件，以及用于将所述调光器产生的图像投影到投影面上的投影光学器件，其中所述调光器的图像产生区域就是要照明的表面，或者要照明的表面成像到该投影产生区域上。

由于所述照明装置，这种投影装置可具有非常紧凑和小巧的结构。最优选地是，在光学元件和要照明表面之间还设有偏振分光器。在此情况下，所述调光器优选为偏振感光反光器。由于所述聚光***中的所述光学元件和投影面(调光器)之间的空间直接被偏振分光器用于分离on-light(显示为亮象素的光)和out-light(显示为暗象素的光)，所以整个投影装置非常紧凑。

液晶或LCoS组件甚至转镜矩阵都可用作调光器、透射或反射光调制器。多色显示器可借助于单色光调制器的依次调制来达到效果，因此所述调光器可连续地由光源发出的光照亮。还可设置多个调光器，其中由调光器发出的经过调制后的光束借助于适当的光学元件而被叠加，然后借助于投影光学器件投影。

附图说明

下面将结合附图通过举例的方式对本发明进行更加详细的描述，其中：

图1示出了根据本发明的照明装置的第一实施例；

图2示出了图1中的聚光***的原理图，以及

图3示出了包括根据第二实施例的照明装置的投影仪装置。

具体实施方式

图1中所示的照明装置包括发射绿光的发光二极管1，发射红光的发光二极管2和发射蓝光的发光二极管3，它们彼此靠近以形成朗伯(Lambert)发射特性。三个发光二极管1-3中的每一个分别具有设置在其后的非球面透镜41、42、43，用于校准来自于发光二极管的光。

所述透镜41、42、43用聚碳酸酯制成，具有以下几何参数：

透镜	中心厚度(毫米)	直径(毫米)	R1(毫米)	k1	a_4-1(毫米^-3)	a_6-1(毫米^-5)	R2(毫米)	k2	a_4-2(毫米^-3)	a_6-2(毫米^-5)
透镜	中心厚度(毫米)	直径(毫米)	R1(毫米)	k1	a_4-1(毫米^-3)	a_6-1(毫米^-5)	R2(毫米)	k2	a_4-2(毫米^-3)	a_6-2(毫米^-5)	42	4	7.8	31.7208	1.6804	0	0	-2.3178	-0.8702	0	0
43	4	7.8	31.7208	1.6804	0	0	-2.3178	-0.8702	0	0	42	4	7.8	31.7208	1.6804	0	0	-2.3178	-0.8702	0	0
43	4	7.8	31.7208	1.6804	0	0	-2.3178	-0.8702	0	0	41	3.5	7.8	-181.77	0	-9.64e-4	4.6e-5	-3.7087	-0.4386	-1.49e-3	-7.9e-5

在该表中，R1和R2是指相应的第一和第二表面F1，F2的曲率半径R；k1和k2是指各自的锥形常数(conical constant)k；a_4-1，a_4-2和a_6-1，a6_-2是指第一和第二表面F1和F2的第四和第六表面项a₄和a₆。根据下面的公式(1)可计算出像高z：

z = \frac{c \cdot r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) \cdot c^{2} \cdot r^{2}}} + α_{4} \cdot r^{4} + α_{6} \cdot r^{6} + . . . (1)

其中

C = \frac{1}{R};

曲面坐标(x，y，z)且r²＝x²+y²

该照明装置还包括第一和第二合光元件5，6，其中第二合光元件6被设置为线栅偏振片，其使S向偏振红光向右发生90°偏转并透射P向偏振蓝光，使S向偏振红光和P向偏振蓝光沿从第二合光元件6延伸至第一合光元件5的光路传播。

由于第一合光元件5同样被设置为线栅偏振片，该线栅偏振片反射S向偏振光且透射P向偏振光，所以叠加之后的红光还是需要借助于第二合光元件6进入P向偏振状态。由于蓝光已是这种情况，所以设置了颜色选择阻挡片7，其使红色光谱范围内的偏振发生约90°偏转，使上述红光也发射P向偏振。这样，红光和蓝光分别在第一合光元件5上发生偏振冲击并透射。相反，来自发光二极管1的S向偏振绿光借助于第一合光元件5向右发生90°反射，因而这三种颜色的光在第一合光元件5的后面彼此叠加在一起，并在要照明的要照明的面8上发生偏振冲击。

在所述第一和第二合光元件5和6之间以及在第一光源1和第一合光元件5之间，分别设有两个所谓的串连透镜列9和10，它们与布置在第一合光元件5之后的聚焦透镜11一起形成了一蜂巢状的聚光***，使用该***可使要照明的要照明的面8以十分均匀的方式被照明。

此处所用的串连透镜列9，10是指在每块透镜前后面上分别设有一个透镜列91，92；101，102，它们在这种情况下是完全相同的，并可相对于彼此调整。串连透镜列9，10的透镜基体厚度选择为使得前表面上的各个透镜列91，101的焦点位于透镜后表面上的各个透镜92，102的透镜主平面上。透镜列9和10被设置为两个互相串连的柱面透镜，并与要照明的表面8相适应，在本实施例中对应于11毫米×8.5毫米。

串连透镜9和10的特征如下表2所示。

透镜列	表面(w×h)[毫米²]	透镜宽度[毫米]	中心厚度[毫米]	反射率	R[毫米]	k
透镜列	表面(w×h)[毫米²]	透镜宽度[毫米]	中心厚度[毫米]	反射率	R[毫米]	k	9	8×10	0.9	2.28	1.5	0.8639	-0.7726
10	8×10	0.7	2.28	1.5	0.8639	-0.7726	9	8×10	0.9	2.28	1.5	0.8639	-0.7726

中心厚度是指串连透镜列的两个透镜列的两个相对透镜的至高点之间的距离。每个透镜列91、92、101、102的像高Z由以下公式计算得出：

z = \frac{c_{x} \cdot x^{2} + c_{y} \cdot y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k_{x}) \cdot c_{x}^{2} \cdot x^{2} - (1 - k_{y}) \cdot c_{y}^{2} \cdot y^{2}}}

其中

c_{x} = \frac{1}{R_{x}}; c_{y} = \frac{1}{R_{y}},

曲面坐标(x，y，z)。

此处描述的串连透镜列中，透镜列91，92的柱面透镜沿X方向延伸(垂直于图2中的图面)，因此在这种情况下的c_x＝0。透镜列101、102的柱面透镜沿Y方向延伸，因此，此处的c_y＝0。

聚焦透镜11的焦距为F，其中从聚焦透镜11到第一透镜列9的光距对应于焦距F，且要照明的要照明的面8与聚焦透镜11之间的距离也为焦距F。聚焦透镜11由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制成，其直径为22毫米，中心厚度为7.5毫米。表面F3和F4的曲率半径分别为-20.785毫米和13.888毫米。锥度常量k1和k2分别为-9.0076和-0.8782。聚焦透镜11的焦距F为16毫米。其像高根据公式(1)计算得出，其中最多只考虑到r的平方次。

此外，该照明装置还包括颜色选择阻挡片12，其只使绿光光谱范围内的偏振发生约90°旋转，从而由具有相同偏振的红光、绿光和蓝光照亮要照明的面8。这是必须的，尤其是在使用偏振感光图像发生器时(例如液晶基础上的图像发生器)。当然，阻挡片12也可以布置在聚焦透镜11和第一合光元件5之间。同样，阻挡件7也可以布置在第一和第二合光元件5和6之间的任何位置上。

图2还示出了所用聚光***的光学原理。两个串连透镜列9、10的透镜列91和92以及101和102彼此隔开的距离分别为透镜列91、92和101、102的焦距f，从第一串连透镜列9的透镜列92到聚焦透镜11的距离以及从聚焦透镜11到要照明的面8的距离都等于聚焦透镜11的焦距F。

在要照明的面8中例如可以设置透射光调制器。

图3示出了包括根据第二实施例的照明装置的投影仪装置，其中相同的元件用相同的附图标记表示，且在此不再重复描述。与图1所示的第一实施例相比，在图3中只设置了一个形式为X棱镜20的颜色合成元件，其包括两个彼此交叉且相对于彼此成90°延伸的分色层21和22。分色层21和22是电介质层，分色层21由HfO_2-、Al₂O_3-、TiO_2-层形成，分色层22由TiO_2-和SiO_2-层形成，且优选为反射S向偏振光，因此在该X棱镜20后面，蓝光和红光基本上都是S向偏振，透过的绿光则基本上是P向偏振。因此，设置有颜色选择λ/2阻挡片23，其可以使绿光的偏振发生约90°旋转。

在当前描述的实施例中，聚焦透镜11设置为双透镜***，紧接其后设有预偏振片24，该预偏振片吸收或反射P向偏振光，因此只有S向偏振光会出现在该预偏振片后面。然后偏振分光器25将所述光反射到LCoS调制器26上(沿朝下的方向，如图3所示)，其作为给出数据的函数使入射光的偏振方向旋转或不旋转约90°，以分别产生调制光束或图像，该光束或图像可通过投影光学器件28投影到投影面29上。

因此，偏振分光棱镜从LCoS调制器反射出的光中分离出out-light(其象素显示为暗象素的光)，使得此光被反射到左边，如图3所示，而on-light(其象素显示为亮象素的光)则会透射投影面29并通过投影光学器件28在投影面29上成像。因此，该偏振分光棱镜25还用作分析器。由于所述偏振分光棱镜25是布置在聚焦透镜11和调光器之间的一个空间中，该空间由于巢状聚光***而存在甚至是必须设置的，所以投影装置作为一个整体可以一种非常紧凑的方式来设计。

在此处描述的投影装置中，调光器26依次按时以红光、绿光和蓝光照亮，因此红光、绿光和蓝光单色图像得以连续地投影。各单色图像之间的变化很快，致使观看者只能察觉出单色图像的重叠状态，因而看到的是多色图像。控制元件27设置用于控制调光器26以及光源1至3。

Claims

1、一种用于对表面(8)进行均匀、多色照明的装置，包括发射不同颜色的光的第一和第二光源(1，2，3)，将来自光源(1至3)的光线导入公共光路中的合光元件(5)，并包括聚光***，该聚光***具有位于合光元件(5)和各个光源(1至3)之间的一个第一透镜列(92)以及在公共光路中具有正折射能力的光学元件(11)。

2、如权利要求1所述的装置，其中从所述光学元件(11)至要照明表面(8)之间的光学距离以及光学元件(11)至第一透镜列(92)之间的光学距离分别对应于该光学元件(11)的焦距。

3、如上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述聚光***包括位于第一透镜列(92)和各个光源(1至3)之间的第二透镜列(91)。

4、如权利要求3所述的装置，其中所述第二透镜列(91)的透镜的焦点位于所述第一透镜列(92)的镜面上。

5、如权利要求3或4所述的装置，其中两个透镜列(91，92)都设置为第一串连透镜列(9)。

6、如权利要求5所述的装置，其中所述聚光***包括位于各个第一串连透镜列(9)与各自光源(1至3)之间的第二串连透镜列(10)。

7、如上述权利要求中任一项所述的装置，其中至少一个透镜列(91，92)设置为柱面透镜列。

8、如上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光源包括至少一个发光二极管。

9、如权利要求8的装置，其中尤其由非球面透镜构成的准直仪光学器件(41，42，43)设置在发光二极管和透镜列(9)之间。

10、如上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光学元件包括设置为菲涅尔透镜的透镜。

11、如上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光学元件设置为非球面透镜。

12、如上述权利要求中任一项所述的装置，其中设有第三光源(3)，其所产生的光借助于合光元件(5)导入公共光路中。

13、如权利要求11所述的装置，其中所述第三光源(3)具有布置在其后的第二合光元件(6)，该元件(6)将来自第二和第三光源的光导入从第二合光元件(6)延伸至第一合光元件(5)的光路中，所述光路中设有第一微透镜列(9)作为第二和第三光源(2，3)的公用微透镜阵列。

14、如权利要求12所述的装置，其中所述第二合光元件(6)设置为偏振分光器，尤其设置为线栅偏振片。

15、如权利要求11所述的装置，其中所述聚光***包括位于第三光源和合成元件(5)之间的第一透镜列。

16、一种包括上述权利要求中任一项所述的均匀多色照明装置的投影装置，其中所述投影装置包括调光器(26)、在给出的图像数据的基础上控制所述调光器的控制元件(27)，以及用于将所述调光器产生的图像投影到投影面(28)上的投影光学器件(28)，其中所述调光器(26)的图像产生区域就是要照明的表面(8)，或者要照明的表面(8)成像到该投影产生区域上。

17、如权利要求16所述的装置，其中在光学元件(11)和要照明表面之间设有偏振分光器(25)。