高效照明系統、捲動單元和使用其的投影系統的製作方法

2023-05-27 04:24:51

專利名稱：高效照明系統、捲動單元和使用其的投影系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高效照明系統、一種用於捲動入射光的捲動(scrolling)單元、和一種使用該高效照明系統和捲動單元的投影系統，更具體地講，涉及一種提高以單面板結構緊密製成的光源的光效並降低其通量照度比(etendue)的高效照明系統、一種以改善的方式執行捲動的捲動單元、和一種使用該高效照明系統和捲動單元的投影系統。
背景技術：
投影系統根據光閥的數量被分為三面板投影系統和單面板投影系統，光閥基於逐像素(pixel-by-pixel)通過控制從作為光源使用的高能燈發出的光的接通/斷開操作來形成圖像。單面板投影系統在尺寸上可以具有比三面板投影系統的光學系統小的光學系統。但是，由於單面板投影系統順序地將白光分為紅(R)、綠(G)、藍(B)顏色的三束光束，所以單面板投影系統的光效降低為三面板投影系統的光效的1/3。因此，已經做出了提高單面板投影系統的光效的嘗試。
在美國第2002/191154A1號申請中公開了一種傳統投影系統。如圖1所示，在公開的傳統單面板投影系統中，從光源100發出的白光通過第一透鏡陣列102和第二透鏡陣列104及偏振光束光學分束器陣列105，然後被第一分色濾光鏡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並沿著第一光路I1前進，而B色光束被第一分色濾光鏡109反射並沿著第二光路I2前進，以被反射鏡133反射。沿著第一光路I1前進的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並沿著第一光路I1前進，以被另一反射鏡138反射，而G色光束被第二分色濾光鏡112反射並沿著第三光路I3前進。
如上所述，從光源100發出的白光被分為R、G、和B色光束，並且R、G、和B色光束被捲動以分別相應於R、G、和B色光束通過第一稜鏡114、第二稜鏡135、和第三稜鏡142。第一稜鏡114、第二稜鏡135、和第三稜鏡142分別設置在第一光路I1、第二光路I2、和第三光路I3上，並且勻速地旋轉，從而R、G、和B色光束被捲動。沿著第二光路I2前進的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混合併通過偏振光束光學分束器127，並且光閥130使用R、G、和B色光束來形成圖像。這裡，標號125指偏振片，標號118和133指光路變換單元。
圖2示出了由於第一稜鏡114、第二稜鏡135、和第三稜鏡142的旋轉而捲動R、G、和B色帶的過程。這裡，當相應於R、G、和B色光束的第一稜鏡114、第二稜鏡135、和第三稜鏡142同時以相同的速度旋轉時，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，那麼如圖2所示當R、G、和B色帶旋轉一輪時，產生一幀彩色圖像。
光閥130根據開關信號通過處理其各個像素來形成彩色圖像。投影透鏡(未示出)將彩色圖像放大並將其投影到屏上。
在上述方法中，由於光路被用於三束色光束中的每束，所以需要用於三束色光束中的每束的透鏡，並且用於聚集分離的光束的部件是必要的。因此，單面板投影系統的體積增加，裝配其困難，並且光路複雜，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。這裡，通量照度比E指光學系統中的光學保守物理量，並且被表示為方程1。
E=Asin2(12)=A(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，並且Fno表示F個透鏡。在方程1中，通量照度比取決於物體的面積和F數，並且指由光學系統的幾何結構所表達的物理量。在光學系統起點的通量照度比應等於在光學系統終點的通量照度比，從而光效被最佳化。例如，如果在光學系統終點的通量照度比大於在起點的通量照度比，那麼光學系統的體積增加。如果在終點的通量照度比小於在起點的通量照度比，那麼光可能會損失。如果光源的通量照度比很大，那麼光束入射到後續透鏡的角度變寬。因此，難以組成滿足這些需求的光學系統。但是，當降低通量照度比時可以容易地組成光學系統。
但是，在單面板捲動投影顯示裝置中，光束被分為三束色光束，然後被聚集。由於此原因，所以發散角變大，因此通量照度比增加。因此，由於通量照度比增加而導致組成光學系統變得困難。
另外，在一般的單面板投影系統中，白光被分為R、G、和B色光束，這些光束由濾光鏡順序地發送到光閥。光閥根據R、G、和B色光束的次序來操作以形成彩色圖像。如上所述，由於單面板投影系統順序地使用R、G、和B色光束，所以光效降低為三面板投影系統的光效的1/3。為了解決這些問題，建議了一種顏色捲動方法。在該顏色捲動方法中，在白光被分為R、G、和B色光束之後，R、G、和B色光束同時被發送到光閥的不同位置。所有的R、G、和B色光束必須到達一個像素以實現彩色圖像。因此，使用特定方法，每束R、G、和B色光束勻速移動。在傳統的單面板投影光學系統中，當稜鏡為了捲動而旋轉時，獨立的稜鏡用於每束色光束。但是，將稜鏡的驅動速度和光閥匹配是困難的，並且由於稜鏡的圓周運動，用於捲動色光束的速度可能不是均勻的。由於分立的部件對每束色光束是必要的，所以光學系統的體積增加，並且製造和裝配該光學系統的過程複雜。其結果是，該光學系統的產量減少。

發明內容
本發明提供一種照明系統和一種採用該照明系統的投影系統，該照明系統降低了光源的通量照度比，以實現光學系統的易於製造，獲得緊湊的光學系統，並且增加光效。
本發明還提供一種捲動單元，通過其所有的色帶能夠被捲動。
本發明還提供一種緊湊的單面板投影系統，其通過採用該捲動單元而具有提高的光效。
根據本發明的一方面，提供一種照明系統，包括燈泡，用於發光；反射鏡，用於反射從燈泡發出的光，並且具有被反射的光射向其的開口；和至少一個反射單元，用於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。
根據本發明的一方面，提供另一種照明系統，包括燈泡，用於發光；反射鏡，用於反射從燈泡發出的光；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。
根據本發明的另一方面，提供一種投影系統，其使用光閥根據輸入圖像信號通過處理從照明系統發出的光，來形成圖像，放大圖像，並且使用投影捲動單元來將圖像投影到屏上。這裡，該照明系統包括燈泡，用於發光；反射鏡，用於反射從燈泡發出的光，並且具有被反射的光從燈泡射向其的開口；和至少一個反射單元，用於覆蓋反射鏡的開口的一部分。
根據本發明的另一方面，提供一種投影系統，其使用光閥根據輸入圖像信號通過處理從照明系統發出的光，來形成圖像，放大圖像，並且使用投影捲動單元來將圖像投影到屏上。這裡，該照明系統包括燈泡，用於發光；反射鏡，用於反射從燈泡發出的光；和反射單元，安裝在燈泡表面的一部分上。
根據本發明的另一方面，提供一種用於捲動入射單元的捲動單元。該捲動單元包括旋轉軸線和至少一個透鏡單元。透鏡單元包括入射端和出射端，將入射光分割為各個透鏡單元的光束，並且使捲動單元的旋轉導致為光束的直線運動。
光束的直線運動在光束變得靠近或遠離旋轉軸線的方向上做出。
捲動單元的旋轉導致光束的直線運動周期性地重複。
最好，透鏡單元成螺旋形地放置並且是柱面透鏡。
根據本發明的另一方面，提供另一種具有至少一個透鏡單元的捲動單元。在該捲動單元中，從入射到至少一個透鏡單元的光的視點來看，至少一個透鏡單元的旋轉被轉換為透鏡陣列的直線運動，從而入射光被捲動。
透鏡單元由衍射光學元件和全息光學元件中的任一個形成，從而入射光根據顏色被分割。
透鏡單元被這樣設置，當畫法線到透鏡單元時，鄰近透鏡單元之間的間隔是均勻的，並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，k表示自然數，θ2表示鄰近曲線之間的旋轉角度。
根據本發明的另一方面，提供另一種用於捲動入射光的捲動單元，其中包括至少一個透鏡單元，並且從入射光的視點來看，該至少一個透鏡單元的位置隨捲動單元繞旋轉軸線旋轉而改變。
根據本發明的另一方面，提供一種緊湊的單面板投影系統，其包括光源、光學分束器、至少一個捲動單元、和光閥。光學分束器根據波長分離從光源發出的光。至少一個捲動單元具有至少一個透鏡單元。在捲動單元中，對由透鏡單元透射的光來說，透鏡單元的旋轉被轉換為透鏡陣列的直線運動，從而入射光被捲動。從光源發射的光被光學分束器和捲動單元分離為色光束，並且色光束聚焦在光閥上。光閥根據輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
最好，至少一個複眼透鏡陣列被安裝在捲動單元和光閥之間的光路上。
包括用於將由至少一個複眼透鏡陣列透射的光聚焦在光閥上的轉像透鏡。
光學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波長有選擇地透射或反射入射光，並且捲動單元被安裝在光學分束器之後。
光學分束器包括並行放置的第一到第三分色濾光鏡以根據波長有選擇地透射或反射入射光，並且捲動單元被安裝在光學分束器之前。
最好，第一柱面透鏡被安裝在至少一個捲動單元之前，並且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在捲動單元之後，以控制入射光束的寬度。
確定在至少一個捲動單元上的透鏡單元的數量，以便捲動單元可與光閥的工作頻率同步工作。
根據本發明的另一方面，提供了另一種包括光源、至少一個捲動單元、和光閥的緊湊的單面板投影系統。該至少一個捲動單元具有至少一個單元，並由衍射光學元件和全息光學元件的任一個製造，以便根據波長分離從光源發射的光並且通過將單元的旋轉轉換成單元陣列的直線運動來捲動入射光。從光源發射的光被光學分束器和捲動單元分離為色光束，並且色光束聚焦在光閥上。光閥根據輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
根據本發明的另一方面，提供了另一種包括光源、光學分束器、至少一個捲動單元、和光閥的緊湊的單面板投影系統。該光學分束器根據波長將從光源發射的光分開。該至少一個捲動單元具有至少一個透鏡單元。該透鏡單元具有入射方和射出方，並將入射光分割為光束。透鏡單元的旋轉引起光束的直線運動以實現入射光的捲動。從光源發射的光被光學分束器和捲動單元分離為色光束，並且色光束聚焦在光閥上。光閥根據輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
根據本發明的另一方面，提供了另一種包括光源、光學分束器、至少一個捲動單元、和光閥的緊湊的單面板投影系統。該光學分束器根據波長將從光源發射的光分開。該至少一個捲動單元具有至少一個透鏡單元。從入射光的視點，當捲動單元圍繞旋轉軸旋轉時該至少一個透鏡單元的位置改變。從光源發射的光被光學分束器和捲動單元分離為色光束，並且色光束聚焦在光閥上。光閥根據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的投影系統；圖2是用於解釋在圖1所示的投影系統中使用的捲動色帶(scrolling colorbars)的方法的視圖；圖3是根據本發明第一實施例的投影系統的分解透視圖；圖4A和圖4B是顯示根據本發明實施例的照明系統的視圖；圖5和圖6是顯示根據本發明另一實施例的照明系統的視圖；圖7A是顯示根據本發明另一實施例的顏色捲動單元的正視圖；圖7B是沿圖7A中的VII-VII線所取的截面圖；圖7C是用於解釋設計圖7A中的顏色捲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中和在包括柱面透鏡的投影系統中，當光束通過捲動單元時光束的形狀；圖9是根據本發明第二實施例的投影系統的方框圖；圖10顯示了按照根據本發明的捲動單元的旋轉，顏色捲動的操作；圖11A至圖11C顯示了在根據本發明的投影系統中執行的顏色捲動方法；圖12是根據本發明第三實施例的投影系統的正視圖；圖13是根據本發明第三實施例的投影系統的分解透視圖；圖14A是根據本發明第四實施例的投影系統的正視圖；圖14B顯示了在根據本發明的第四實施例中執行的顏色捲動方法；
圖15是根據本發明第五實施例的投影系統的正視圖；圖16A和圖16B示出了由在根據本發明第五實施例的投影系統中適用的衍射光學元件(DOE)捲動單元執行的衍射；圖17是顯示相對於光柵的半徑光柵間隔的變化的圖形；圖18示出了由波帶板導致的光束會聚；圖19A至圖19C示出了製造在根據本發明第四實施例的投影系統中使用的DOE捲動單元的過程；圖20示出了體積全息類型的捲動單元的製造；圖21A是連續浮雕類型的DOE捲動單元的結構視圖；圖21B是多級衍射(MOD)透鏡類型的DOE捲動單元的結構視圖；圖21C是雙類型的DOE捲動單元的結構視圖；圖21D是多階類型的DOE捲動單元的結構視圖；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。
具體實施例方式
現在將詳細參照本發明的實施例，其示例在附圖中示出，其中，相同的標號始終表示相同的部件。下面通過參照附圖來描述這些實施例以解釋本發明。
參照圖3，根據本發明第一實施例的投影系統包括光源10；光學分束器15，用於根據波長將從光源10發出的光分為多個色光束；至少一個捲動單元20，用於捲動由光學分束器15分開的色光束；和光閥40，用於根據圖像信號來處理由捲動單元20捲動的色光束，以形成彩色圖像。
至少一個複眼透鏡(例如，第一複眼透鏡25和第二複眼透鏡26)和透鏡組30還可以安裝在捲動單元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(未示出)放大並投影在屏上。
參照圖4A和圖4B，光源10發出白光並且該光源是燈光源，其中從具有放電尖端1的燈泡3發出的光(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，其第一個焦點是燈泡3，第二個焦點是光聚焦的點。或者，反射鏡5可以是拋物線形反射鏡，其使用燈泡3作為焦點，並且準直從放電尖端1發出的並被反射鏡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。其餘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反射，並且反射的光束從光源10通過開口2射出。
適當數目的反射單元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可以置於反射鏡5的開口2的一側。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，它們基於反射鏡5的開口2對稱地放置。這裡，第一反射單元8a和第二反射單元8b對稱地放置在於反射鏡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於反射鏡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發出輻射光。這裡，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發出的第一光束用A表示，朝第二反射鏡5b發出的第二光束用B表示。首先，朝第一反射鏡5a發出的第一光束A被第一反射鏡5a反射，並且立即射向光源10的外部。朝第二反射鏡5b發出的第二光束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，並且通過開口2的實際開口射向光源10的外部。
最終，燈泡3通過其發光的開口2的實際區域可被減少，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。當光通過其射出的反射鏡的開口2的實際區域減少時，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基於開口2對稱地安裝的情況。這裡，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發出輻射光，該輻射光的一部分被第四反射鏡5d反射並立即向外射出，剩餘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，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，並且經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的實際區域能夠被減少，由此降低通量照度比E。
詳細地，朝第三反射鏡5c發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，並且通過具有直徑D′而且不具有任何安裝的反射單元的實際開口而射出。另外，朝第五反射鏡5e發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，並且通過具有直徑D′而且不具有任何安裝的反射單元的實際開口而射出。因此，光通過其射出的實際區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隻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的剩餘部分發出的一部分輻射光被反射鏡5反射，並且射向光源10的外部。朝反射膜或反射單元9發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，並且射向光源10的外部。這裡，D表示反射鏡5的開口2的整個直徑，E表示由於反射膜或反射單元9使光不通過其射出的開口2的第一區域的直徑，D″表示光通過其射出的開口2的第二區域的直徑。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後，從光源10發出的光被光學分束器15分為至少兩束色光束。例如，光學分束器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於光源10分開合適的角度。從光源10發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，然後被捲動單元20捲動。捲動單元20雖然其中只包括一個捲動單元20，但也可以包括兩個或更多的捲動單元20。
參照圖7A，通過成螺旋形地設置至少一個透鏡單元20a來形成捲動單元20。如圖7B所示，捲動單元20的截面具有柱面透鏡陣列結構，在該結構中，每個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，並且捲動單元20可以具有圓盤形狀。但是，捲動單元20的形狀不限於圓盤形狀，也可以是圓柱形狀。因此，透鏡單元20a可以環繞圓柱形捲動單元20的曲面成螺旋形地放置。
通過使用漸開線函數成螺旋形地設置透鏡單元20a來設計捲動單元20。漸開線函數廣泛用於齒輪設計並能夠被認為從線軸解開的螺紋終點沿著經過的跡線。參照圖7C來更詳細地解釋，從捲動單元20的中心圓21的接觸點P畫切線至任意點Q，並且線段PQ被等分以創建虛構的等分點P1、P2、P3、和P4。當每個點被認為以預定短的長度從線軸解開的螺紋的終點時，可以得到方程1I＝r*θOP=r(cos,sin)(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O到P點的矢量。由於 是從P點畫線到切線的矢量，所以 是 的切線矢量並具有長度I。因此， 能以方程2表達PQ=I(sin,-cos)=r(sin,-cos)(2)]]>參照方程1和2，使用方程3可獲得 OQ=OP+PQ]]>=(rcos+rsin,rsin-rcos)(3)]]>如果 的切線矢量是 並且 的大小是I，則使用方程4來獲得
Q=I(cos,sin)=r(cos,sin)(4)]]>點P1、P2、P3、和P4的矢量 和 具有在中心圓21上的相同接觸點，相同的半徑r、和相同的角度θ。因此，從方程4中可以看出，在每個點的切線矢量 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為已經從第一螺旋曲線旋轉了預定角度θ2。如果假設捲動單元被分為n個單元，那麼能夠使用方程5來獲得鄰近的螺旋曲線(S1和S2)、(S2和S3)或(S3和S4)之間的旋轉角度θ22=2n(5)]]>根據方程1， 的大小I與θ成比例，所以鄰近點P1和P2、P2和P3、或P3和P4之間的距離d也與旋轉角度θ2成比例。因此，鄰近點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，並且可以使用方程6來獲得距離dd=r*2=r*2n(6)]]>從方程6中可以看出，因為n和r是常數，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。通過將第一條曲線S1旋轉(k-1)*θ2來獲得第k條曲線Sk的坐標QK。因此，當第一條曲線S1的坐標是Q1時，第k條曲線Sk的坐標QK可表示為方程7Qk=Rot((k-1)*2)*1=Rot(2(k-1)n)*Q1(7)]]>其中，Rot表示在任意角度旋轉一個點的旋轉單位矢量。方程7可被表示為如方程8的行列式Qk,xQk,y=cos(k-1)2-sin(k-1)2sin(k-1)2cos(k-1)2Q1,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，捲動單元的截面形狀是具有有曲率半徑rarc的半圓形，並且捲動單元的的大小沒有被特定地限制。使用方程6來計算鄰近曲線之間的距離d。另外，捲動單元的內徑必須大於線軸即中心圓的內徑，捲動單元的外徑沒有限制。如上所述，設計根據本發明的捲動單元以具有螺旋形狀，在該螺旋形狀中，當相對於線軸即中心圓上的任意切線以規則的間隔畫法線時，在切線和每條法線之間的交點P1、P2、P3、和P4的切線矢量滿足相同的條件。由於距離d是捲動單元上的鄰近透鏡單元之間的最短距離，並且在交點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，根據本發明第一實施例的投影系統的光源10包括反射單元7，並因此能夠降低光源10的通量照度比，而沒有光的損失。從光源10發出的光被光學分束器15分為色光束。例如，光學分束器15可由相對於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。光學分束器15根據預定波長範圍將入射光分離，並且使分離的光束以不同的角度前進。例如，第一分色濾光鏡15a從白入射光中反射在紅波長範圍內的R光束，並且同時透射在綠波長範圍內的G光束和在藍波長範圍內的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，並且同時透射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。分離的顏色入射到捲動單元20上，並且每個被捲動單元20捲動。隨後將描述捲動單元。
最好，第一柱面透鏡13設置在捲動單元20之前，更具體地講，在光學分束器15之前，並且第二柱面透鏡22還設置在捲動單元20之後。第一柱面透鏡13減少入射到捲動單元20上的光束的寬度，並且第二柱面透鏡22將經過捲動單元20而發散的光束準直。參照圖8，比較了從光源10發出的並且沒有經過第一柱面透鏡13而入射到捲動單元20上的光束和具有由第一柱面透鏡13減少了的寬度然後入射到捲動單元20上的光束。
當經過捲動單元20的光束相對寬時，螺旋透鏡陣列與光束的寬度不匹配，由此導致不匹配區域的光損失。為了最小化光損失，最好設置第一柱面透鏡13以減小光束的寬度，從而螺旋透鏡陣列的形狀儘可能地匹配光束的寬度。
此後，經過捲動單元20的光束被第二柱面透鏡22轉變為平行光。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，降低光損失並提高彩色圖像的質量。
經過捲動單元20的光的路徑由光路轉換單元23改變，然後路徑改變後的光聚焦在第一複眼透鏡陣列25和第二複眼透鏡陣列26上。入射到第一複眼透鏡陣列25和第二複眼透鏡陣列26上的光被透鏡單元25a和25b分割，並且相同顏色的光被透鏡組30重疊並聚焦在光閥40上，由此形成色帶。這裡，不同顏色的光聚焦在光閥40的不同區域。透鏡組30可以由聚光透鏡和轉像透鏡組成。
還將稜鏡35設置在透鏡組30和光閥40之間，以有選擇性地改變光路。例如，稜鏡35透射經過透鏡組30朝光閥40前進的光束，並且將由光閥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，並且放大後的圖像落在屏上。這樣就生成了彩色圖像。光閥40可以是LCD、LCOS、DMD等。
參照圖9，根據本發明第二實施例的投影系統包括光源50；光學分束器55，用於根據波長將從光源50發出的光分為色光束；至少一個捲動單元60，用於捲動由光學分束器55分離的色光束；和光閥67，用於根據圖像信號來處理由捲動單元60捲動的色光束，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68放大並投影到屏70上。
光源50發出白光，並且包括產生光的燈51、和反射從燈51發出的光並引導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f1是燈51的位置，並且第二焦點f2是光聚焦的點。或者，反射鏡53可以是拋物線形反射鏡，將燈51的位置設置為該拋物線形反射鏡的焦點，並且該拋物線形反射鏡能夠準直從燈51發出的並被反射鏡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，那麼在光源50的後面還必須包括用於聚光的透鏡。
用於準直入射光的準直透鏡54安裝在光源50和光學分束器55之間的光路上。最好，距離第二焦點f2p/5來安裝準直透鏡54。這裡，p表示燈51和從燈51發出的光聚焦的第二焦點f2之間的距離。通過以這種方式安裝投影系統，光學系統的結構可以被製造得更緊湊。
從光源50發出的光被光學分束器55分為至少兩束色光束。光學分束器55可以由相對於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構成。光學分束器55根據預定波長範圍將入射光分離，並且使分離的光束以不同的角度前進。例如，第一分色濾光鏡55a從白入射光中反射在紅波長範圍內的R光束，並且同時透射在綠波長範圍內的G光束和在藍波長範圍內的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，並且同時透射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，並且會聚的R、G、和B色光束入射到捲動單元20上。
捲動單元60是可旋轉的。最好放置至少一個透鏡單元60a以將捲動單元60的旋轉轉換為入射光的直線運動。例如，通過成螺旋形地放置至少一個透鏡單元60a來形成捲動單元60。每個透鏡單元60a將入射光分割為多個光束。這裡，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分別安裝在捲動單元20的前面和後面。第一複眼透鏡63和第二複眼透鏡64與轉像透鏡65沿著捲動單元60和光閥67之間的光路而安裝。
如上所述，入射到捲動單元60上的光的寬度被第一柱面透鏡56減小。
現在將參照圖11A到11C描述由捲動單元60執行的捲動操作。
在開始捲動操作的描述之前，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)，並且具有不同波長的光束以不同的角度向捲動單元60前進。入射光被光學分束器55分成的至少兩個色光束重複入射到透鏡單元60的每個上。這裡，由捲動單元60發送的光束由參考符號L指示。該至少兩個色光束(例如，R、G、B光束)以這樣的方式聚焦在捲動單元60上，即不同色光束聚焦在不同區域上。當捲動單元60以均勻的速度旋轉時，可獲得光束L似乎做直線運動的效果。在光束L變為離捲動單元60的旋轉軸更遠或更近的方向做直線運動。在圖10中，當捲動單元60沿由箭頭J指示的方向旋轉時，入射在捲動單元60上的光束似乎在光束L變為遠離捲動單元60的旋轉軸的方向做直線運動。
另一方面，從光束L的視點，當捲動單元60旋轉時安裝在光束L的路徑上的透鏡陣列似乎做直線運動。換句話說，當捲動單元60旋轉時，由捲動單元60透射的光束的位置似乎改變。這個位置改變是在光束L變為離捲動單元60的旋轉軸更遠或更近的方向直線地進行的。然而，如果捲動單元60是圓柱形的，則基於捲動單元60的旋轉軸進行透鏡陣列的直線運動。
如圖11A中所示，光被光學分束器55分成的色光束被捲動單元60分布在透鏡單元60a上，相同顏色的光束被第一和第二複眼透鏡陣列63和64及轉像透鏡65彼此重疊以在光閥67上形成不同色帶。第一和第二複眼透鏡陣列63和64及轉像透鏡65起到通過重疊相同顏色的光束來在光閥67的不同區域上形成不同色帶的色帶形成單元的作用。
首先，光束通過捲動單元60，第一和第二複眼透鏡陣列63和64及轉像透鏡65在光閥67上形成色帶，例如，依R、G、和B的順序。然後，當捲動單元60旋轉時，捲動單元60的透鏡表面在光束通過捲動單元60時逐漸地向上或向下移動。相應地，當捲動單元60移動時，由捲動單元60透射的每個色光束的焦點改變，以便形成如圖11B中所示的依G、B、和R順序的色帶。然後，當捲動單元60旋轉以被捲動時，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捲動單元60的旋轉改變，並且捲動單元60的旋轉被轉換成在捲動單元60的橫截面的透鏡陣列63和64的直線運動，以便捲動被執行。這樣的捲動被周期性地重複。
在本發明中，具體地講，捲動單元60可具有各種以其可通過將捲動單元60的旋轉轉換成入射光或透鏡陣列的直線運動實現顏色捲動的形狀。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捲動單元的曲面上，或者在圓柱形的捲動單元的長度方向排列。
如上所述，在本發明中，因為捲動單元60對所有色光束被共用而不需要為每個顏色安裝一個捲動單元，所以可使投影系統緊湊，並且各顏色可更容易地與一種顏色同步。色線形成在捲動單元60的透鏡單元60a的每個上，並且色線形成在第一複眼透鏡陣列63的透鏡單元的每個上以與形成在透鏡單元60a上的色線匹配。因此，最好被由捲動單元60透射的光束單獨佔據的透鏡單元與第一和第二複眼透鏡陣列63和64的行陣列對應。如果被由捲動單元60透射的光束佔據的透鏡單元的數量為4，則最好第一和第二複眼透鏡陣列63和64的行陣列的數量為4。
如上所述，當捲動單元60旋轉時，色帶被重複捲動。具體地講，由於捲動單元60在一個方向旋轉而不改變旋轉方向以執行捲動，所以可保證連續性和一致性。另外，使用單一捲動單元60的捲動有助於保持色帶的速度恆定並有助於容易地將色帶同步。
捲動單元60通過將透鏡單元60a的旋轉轉換成透鏡陣列的直線運動來捲動入射光束。也就是說，當捲動單元60旋轉時，可從捲動單元60的橫截面的視點觀察到透鏡陣列直線移動以遠離或靠近捲動單元60的旋轉軸。由於具有窄的寬度的光束通過捲動單元60，所以可獲得通過直線移動的透鏡陣列的光束的影響。
可控制在捲動單元60上的透鏡單元60a的數量，以使捲動單元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，以便可在保持捲動單元60的旋轉速度恆定時將捲動速度控制為更快。
另一方面，可通過保持在捲動單元上的透鏡單元的數量一致並增加捲動單元的旋轉頻率來將捲動單元與光閥的工作頻率同步。例如，當光閥67的工作頻率為960Hz時，即當光閥67在1/960秒操作每幀從而每秒再現960幀時，可如下構造捲動單元60。捲動單元60的最外面的直徑為140mm，最裡面的直徑為60mm，透鏡單元60a的數量為32，每個透鏡單元60a的寬度為5.0mm，並且每個透鏡單元60a的曲率半徑為24.9mm。在這個結構中，如果捲動單元20每一旋轉再現32幀，則其必須每秒旋轉30次以每秒再現960幀。以這個速度，捲動單元60必須在60秒中旋轉1800次，相應地，其具有1800rpm的旋轉速度。當光閥67的工作頻率增加一半因此光閥67工作在1440Hz時，捲動單元60必須以2700rpm的速度旋轉以與增加的光閥67的工作頻率同步。
雖然圖9顯示了單一捲動單元60，但可根據設計規則包括多個捲動單元。現在將參照圖12描述根據本發明第三實施例的投影系統。第三實施例在光學分束器的結構方面與第二實施例不同。在第二實施例中的光學分束器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，而根據第三實施例的光學分束器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，根據本發明第三實施例的投影系統包括光源70、捲動單元73、用於根據顏色將通過捲動單元73的光分開的光學分束器75、用於使由光學分束器75分開的色光束一個色光束被另一相同顏色的色光束地重疊的色帶形成單元、和用於通過根據接收到的圖像信號打開/關閉單獨的像素來形成彩色圖像的光閥80。捲動單元73在光學分束器75之前被安裝，並且還在捲動單元73和光學分束器75之間設置稜鏡74。如果光源70是橢圓形的鏡子，則最好還在光源70和捲動單元73之間設置準直透鏡72。
從光源70發射的光束被捲動單元73透射，然後經稜鏡74入射在光學分束器75上。由於捲動單元73與在第二實施例中的捲動單元60相同，所以將不對其進行詳細描述。光學分束器75包括彼此平行的第一、第二、和第三分色濾光鏡75a、75b、和75c。
由捲動單元73透射的光束被透鏡單元73a的每個分割為不同角度的會聚光束，然後在第一、第二、和第三分色濾光鏡75a、75b、和75c上的不同位置被反射。其後，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複眼透鏡陣列76和77以及透鏡組79。透鏡組79可包括聚光透鏡和轉像透鏡。光被光學分束器75分成的至少兩個色光束聚焦在第一複眼透鏡陣列76的每個透鏡單元上，並被第二複眼透鏡陣列77根據顏色重疊。透鏡組79使重疊地傳播的光束被透射到光閥80並對不同的顏色聚焦在不同的區域上，由此形成色帶。這裡，透鏡組79可由至少一個轉像透鏡替代。
具有這樣的結構的投影系統以均勻的速度旋轉捲動單元73以捲動形成在光閥80上的色帶。這個捲動操作產生彩色圖像。由於以上已描述了捲動操作，所以這裡將不對其進行詳細描述。
圖13表示根據本發明第三實施例的投影系統的另一例子，其中捲動單元73包括用於減小射在捲動單元73上的光束的寬度的第一柱面透鏡71和用於準直由捲動單元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和捲動單元73之間的光路設置，第二柱面透鏡76沿在光學分束器75和第一複眼透鏡陣列77之間的光路設置。
在從光源70發射的光射在捲動單元73上之前，該光束的寬度被第一柱面透鏡71減小。通過減小射在捲動單元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，當光的寬度減小時，可減小因螺旋曲線形狀引起的差別。然後，第二柱面透鏡76將其寬度已被第一柱面透鏡71減小的光束恢復為原始的平行光束。
參照圖14A，根據本發明第四實施例的投影系統包括光源81、衍射光學元件(DOE)捲動單元82、和光閥90。設置DOE捲動單元82以根據波長分離從光源81發射的光並捲動分離的光束。光閥90根據輸入信號處理由DOE捲動單元82透射的光以形成圖像。第一和第二複眼透鏡陣列87和88以及透鏡組89被安裝在DOE捲動單元82和光閥90之間。第一和第二複眼透鏡陣列87和88以及透鏡組89使由DOE捲動單元82透射的光束根據顏色聚焦在不同區域上，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捲動單元82之前和之後。
DOE捲動單元82具有螺旋放置的透鏡單元82a以實現上述的從光源81發射的光的分離和光的捲動，並且為衍射光學器件類型。由於DOE捲動單元82的透鏡單元被螺旋地放置，所以當DOE捲動單元82旋轉時在預定區域上的透鏡陣列移動以變為遠離或靠近DOE捲動單元82的旋轉軸。當DOE捲動單元82旋轉時，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。
當形成在光閥90上的色帶的位置旋轉時，根據由光閥90接收的圖像信號形成彩色圖像。當從光源81發射的光通過DOE捲動單元82時，該光根據顏色聚焦在DOE捲動單元82上的不同位置上，從而發生光分離。DOE捲動單元82可由全息光學元件(HOE)類型的捲動單元替代。
由於DOE或HOE類型的捲動單元的使用，所以可減小製造成本，並且可大規模生產。更具體地講，由於單一捲動單元實現了光分離和光捲動，所以可獲得具有減小的數量的組成部分的光系統。用於聚焦從光源81發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，根據本發明第五實施例的投影系統包括光源81、用於捲動從光源81發射的光的DOE捲動單元83、用於根據波長將通過DOE捲動單元83的光分開的光學分束器85、和用於通過根據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捲動單元83和光學分束器85之間設置稜鏡84，並且還沿在光學分束器85和光閥90之間的光路設置第一和第二複眼透鏡陣列87和88以及透鏡組89。
在DOE捲動單元83中，至少一個單元83a被螺旋地排列。另一方面，DOE捲動單元83可由HOE-類型捲動單元替代。在第四實施例中的DOE捲動單元82執行顏色捲動和顏色分離，而DOE捲動單元83僅執行顏色捲動。
最好，第一柱面透鏡91設置在光源81和DOE捲動單元83之間，並且第二柱面透鏡92設置在光學分束器85和第一複眼透鏡陣列87之間。此外，還在DOE捲動單元83和光學分束器85之間設置稜鏡84。
在具有這樣的結構的投影系統的操作中，首先，從光源81發射的光束通過DOE捲動單元83，然後經稜鏡84入射在光學分束器85上。當DOE捲動單元83以均勻的速度旋轉時，形成在光閥90上的色帶被捲動，以便形成彩色圖像。例如，光學分束器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捲動單元83的光束在通過各單元83a時沿不同路徑傳播，並在第一、第二、和第三分色濾光鏡85a、85b、和85c上的不同位置被反射。其後，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複眼透鏡陣列87和88以及透鏡組89聚焦在光閥90的不同區域上，由此形成色帶。
雖然光學分束器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捲動單元83安裝在光學分束器85之後。
因為根據本發明第四和第五實施例的投影系統採用DOE或HOE捲動單元，所以減小了其製造成本。
為了將DOE捲動單元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捲動單元82或83上的透鏡單元82a或83a的數量，或者控制DOE捲動單元82或83的旋轉速度。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捲動單元82或83的旋轉速度，以便捲動單元的捲動速度可增加。另一方面，可通過增加捲動單元的旋轉速度而不改變在捲動單元上的透鏡單元的數量來將DOE捲動單元82或83與光閥90的工作頻率同步。
設計在第四實施例中使用的DOE捲動單元82，以實現顏色分離和光捲動。然而，在第五實施例中，設計DOE捲動單元83以實現僅光捲動，而光分離由光學分束器85實現。
在描述DOE捲動單元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，以預定間隔s形成光柵，並形成因通過光柵的第m級衍射光束的光路差(OPD)引起的幹涉圖樣。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。當平行光束入射在光柵上時，方程10中的θ0為0。相應地，獲得方程11如下s sinθm＝mλ(m＝0，±1，±2，...)s=msinm(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。相應地，可使用方程12獲得光柵間隔ss=mm(12)]]>根據方程12，當入射光束的波長固定時，可通過控制光柵間隔s來獲得希望的衍射角θm。同時，在圖17中顯示根據為響相應於綠色而設計的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。基於這個理論，可製造如圖18中所示的具有圓光柵的波帶板(zone panel)。當從波帶板的內圓周向波帶板的外圓周前進時，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。
基於這個衍射理論，製造基於本發明實施例的DOE捲動單元。
參照圖19A，關於為相應於綠色而設計的DOE，當±第一級衍射光束的衍射角θgreen為2.2°並且其波長λgreen為587nm時，使用方程Sgreen＝λ/θgreen計算出的綠色DOE的最小光柵間隔Sgreen為15μm。例如，光柵凹槽深度為1個波(1λgreen)，即587nm。
參照圖19B，關於為相應於紅色而設計的DOE，當±第一級衍射光束的衍射角θred為3.7°並且其波長λred為670nm時，使用方程Sred＝λ/θred計算出的紅色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的設計條件形成單一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構的DOE分離為紅色光束和綠色光束，然後，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算藍色光柵間隔。換句話說，可使用方程13分別從綠色、紅色、和藍色波長λgreen、λred、和λblue以及綠色、紅色、和藍色光束的衍射角θgreen、θred、和θblue計算出綠色、紅色、和藍色光柵間隔Sgreen、Sred和、Sbluesgreen=mgreengreen]]>sred=mredred(13)]]>sblue=mblueblue]]>單一DOE使用綠色、紅色、和藍色光柵間隔Sgreen、Sred和、Sblue以將白光分離為R、G、和B光束並將該三個光束聚焦在成像表面上的不同位置上。相應地，使用DOE實現光分離，並且由通過使DOE螺旋上升來形成的捲動單元實現捲動。
可使用HOE而非DOE製造根據本發明的捲動單元。為了製造HOE類型捲動單元，如圖20所示，物光和參考光被投影到螺旋幹板(spiral dry panel)上以形成幹涉圖樣。這裡，起到物光作用的R、G、和B光束以不同角度入射到該幹板上。這種全息照片稱為體積全息照片，並且薄的全息照片可用作HOE的全息照片。
可以很多方法製造DOE類型捲動單元。相應地，DOE捲動單元的例子是如圖21A中所示具有連續二次閃耀輪廓的連續浮雕透鏡盤、具有連續二次閃耀輪廓(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，但是它們比連續浮雕透鏡盤的凹槽深。因此，MOD透鏡盤易於製造，並提供更高的衍射效率。稍後衍射效率將參照圖22來描述。
在圖21C和21D中分別顯示雙DOE捲動單元和多階DOE捲動單元作為DOC捲動單元的例子。多階透鏡盤具有一個階輪廓，但圖21D的多階透鏡盤具有三階輪廓。更具體地講，衍射效率隨階數的增加而增加。另外，折射菲涅耳透鏡盤(未顯示)可為根據本發明的DOE捲動單元的例子。
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果的曲線圖。根據在圖18中顯示的仿真結果，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中幾乎始終很高。因此，由於使用採用MOD透鏡的捲動單元，所以可在寬波長區中使用高效衍射的光，此外，衍射效率均勻地分布在整個可見光波段內。因此，提高了彩色圖像的質量。
在第二到第五實施例中，至少一個反射單元被安裝在光源上，以便減小光源的通量照度比。
產業上的可利用性如上所述，根據本發明的投影系統通過減小光源的通量照度比來增加光效率。因此，整個系統可易於製造。更具體地講，在使用捲動方法形成彩色圖像的投影系統中，如果不做改變地使用其F數為3.0的現有投影透鏡，則光效率大約比現有重疊光學系統中的效率高1.5倍。如果使用其F數為2.5的投影系統，則光效率近似為兩倍。如上所述，如果減小投影透鏡的F數，則可得到更高的光效率。
因此，由於根據本發明的投影系統比現有重疊光學系統具有更高的光效率並比3板光學系統具有更緊湊的結構，所以可提高競爭力。
此外，通過將捲動單元的旋轉轉換成光通過其的透鏡陣列的直線運動，可使用單一捲動單元執行所有顏色的捲動。因此，捲動易於控制，部件的數量減小，並且可獲得輕便、低價的投影系統。捲動單元可具有盤或圓柱的形狀。捲動單元可整體變換成任何可以其將捲動單元的旋轉轉換成光通過其的透鏡陣列的直線運動的形狀。另外，當使用DOE或MOD透鏡製造捲動單元時，其可以低成本大規模生產。由於光分離和捲動都可由單一捲動單元實現，所以使用該捲動單元的投影系統易於裝配。此外，由於該捲動單元因減小製造誤差而提供提高的性能，所以使用該螺旋盤的投影系統提供高質量圖像。
由於傳統的單面板投影系統通過順序地將白光分離成R、G、和B光束來產生彩色圖像，所以將由光閥使用的光效率降低為三面板投影系統的光效率的1/3。然而，採用根據本發明的捲動技術的單面板投影系統一次將白光分離為R、G、和B光束，並捲動該三個色光束以形成彩色圖像。因此，根據本發明的單面板投影系統，可獲得與三面板投影系統的光效率相同的光效率。
權利要求
1.一種照明系統，包括燈泡，用於發光；反射鏡，用於反射從燈泡發出的光，並且具有被反射的光射向其的開口；和至少一個反射單元，用於覆蓋反射鏡的開口的一部分。
2.根據權利要求1所述的照明系統，其中，反射鏡是橢圓形反射鏡或拋物線形反射鏡中的一個。
3.根據權利要求1或2所述的照明系統，還包括另一個反射單元，用於覆蓋反射鏡的開口的另一部分，其中，相對於反射鏡的開口的中心對稱地設置該至少一個和另一個反射單元。
4.根據權利要求1或2所述的照明系統，其中，設置該至少一個反射單元以將光朝反射鏡的開口的剩餘部分反射。
5.一種照明系統，包括燈泡，用於發光；反射鏡，用於反射從燈泡發出的光；和一個反射單元，安裝在燈泡表面的一部分上。
6.根據權利要求5所述的照明系統，其中，反射鏡是橢圓形反射鏡或拋物線形反射鏡中的一個。
7.根據權利要求5或6所述的照明系統，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.根據權利要求7所述的照明系統，其中，反射單元覆蓋在燈泡的半球面上。
9.一種投影系統，其使用光閥根據輸入圖像信號通過處理從照明系統發出的光來形成圖像，放大圖像，並且使用投影捲動單元來將圖像投影到屏上，其中，該照明系統包括燈泡，用於發光；反射鏡，用於反射從燈泡發出的光，並且具有被反射的光從燈泡射向其的開口；和至少一個反射單元，用於覆蓋反射鏡的開口的一部分。
10.根據權利要求9所述的投影系統，其中，反射鏡是橢圓形反射鏡或拋物線形反射鏡中的一個。
11.根據權利要求9或10所述的投影系統，包括光學分束器，用於根據波長分離從照明系統發出的光；和捲動單元，具有至少一個透鏡單元並將該至少一個透鏡單元的旋轉轉換為光通過的透鏡單元的直線運動，從而從照明系統發出的光被捲動。
12.根據權利要求11所述的投影系統，還包括至少一個複眼透鏡陣列，用於根據波長將由捲動單元透射的光聚焦在光閥的至少兩個不同區域上。
13.根據權利要求12所述的投影系統，還包括轉像透鏡，用於將由至少一個複眼透鏡陣列透射的光透射到光閥。
14.根據權利要求11所述的投影系統，其中，光學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，以根據波長有選擇性到地透射或反射入射光。
15.根據權利要求11所述的投影系統，其中，光學分束器包括平行放置的第一至第三分色濾光鏡，以根據波長有選擇性到地透射或反射入射光。
16.根據權利要求15所述的投影系統，還包括位於光學分束器前面的稜鏡。
17.根據權利要求11所述的投影系統，其中，第一柱面透鏡安裝在至少一個捲動單元之前，並且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡安裝在捲動單元之後，以控制入射光束的寬度。
18.根據權利要求11所述的投影系統，其中，捲動單元包括至少一個透鏡單元，並且對入射到捲動單元的光來說，捲動單元的旋轉被轉換為透鏡單元的直線運動。
19.根據權利要求18所述的投影系統，其中，至少一個透鏡單元成螺旋形地放置。
20.根據權利要求19所述的投影系統，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
21.根據權利要求19或20所述的投影系統，其中，捲動單元具有圓盤形狀。
22.一種投影系統，其使用光閥根據輸入圖像信號通過處理從照明系統發出的光來形成圖像，放大圖像，並且使用投影捲動單元來將圖像投影到屏上，其中，該照明系統包括燈泡，用於發光；反射鏡，用於反射從燈泡發出的光；和反射單元，安裝在燈泡表面的一部分上。
23.根據權利要求22所述的投影系統，其中，反射鏡是橢圓形反射鏡或拋物線形反射鏡中的一個。
24.根據權利要求22或23所述的投影系統，包括光學分束器，用於根據波長分離從照明系統發出的光；和捲動單元，具有至少一個透鏡單元並將該至少一個透鏡單元的旋轉轉換為光通過的透鏡單元的直線運動，從而從照明系統發出的光被捲動。
25.根據權利要求24所述的投影系統，還包括至少一個複眼透鏡陣列，用於根據波長將由捲動單元透射的光聚焦在光閥的至少兩個不同區域上。
26.根據權利要求25所述的投影系統，其中轉像透鏡用於將由至少一個複眼透鏡陣列透射的光透射到光閥。
27.根據權利要求24所述的投影系統，其中，光學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，以根據波長有選擇性到地透射或反射入射光。
28.根據權利要求24所述的投影系統，其中，光學分束器包括平行放置的第一至第三分色濾光鏡，以根據波長有選擇性到地透射或反射入射光。
29.根據權利要求28所述的投影系統，還包括位於光學分束器前面的稜鏡。
30.根據權利要求24所述的投影系統，其中，第一柱面透鏡安裝在至少一個捲動單元之前，並且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡安裝在捲動單元之後，以控制入射光束的寬度。
31.根據權利要求24所述的投影系統，其中，捲動單元包括至少一個透鏡單元，並且從入射到捲動單元的光的視點來看，捲動單元的旋轉被轉換為透鏡單元的直線運動。
32.根據權利要求31所述的投影系統，其中，至少一個透鏡單元成螺旋形地放置。
33.根據權利要求32所述的投影系統，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
34.根據權利要求32或33所述的投影系統，其中，捲動單元具有圓盤形狀。
35.一種用於捲動入射單元的捲動單元，該捲動單元包括旋轉軸線；和至少一個透鏡單元，其具有入射端和出射端，將入射光分割為各個透鏡單元的光束，並且使捲動單元的旋轉導致為光束的直線運動。
36.根據權利要求35所述的捲動單元，其中，光束的直線運動在光束變得靠近或遠離旋轉軸線的方向上做出。
37.根據權利要求35所述的捲動單元，其中，捲動單元的旋轉導致光束的直線運動周期性地重複。
38.根據權利要求35至37中的任一個所述的捲動單元，其中，透鏡單元成螺旋形地放置。
39.根據權利要求38所述的捲動單元，其中，捲動單元具有圓盤形狀。
40.根據權利要求38或39所述的捲動單元，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
41.一種捲動單元，具有至少一個透鏡單元，並且以這樣的方式捲動入射光，從入射到至少一個透鏡單元的光的視點來看，至少一個透鏡單元的旋轉被轉換為透鏡陣列的直線運動。
42.根據權利要求41所述的捲動單元，其中，透鏡單元成螺旋形地放置。
43.根據權利要求42所述的捲動單元，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
44.根據權利要求41至43中的任一個所述的捲動單元，其中，捲動單元具有圓盤形狀。
45.根據權利要求41至43中的任一個所述的捲動單元，其中，透鏡單元由衍射光學元件和全息光學元件中的任一個形成，從而入射光根據顏色被分割。
46.根據權利要求41至43中的任一個所述的捲動單元，其中，透鏡單元被這樣設置，當畫法線到透鏡單元時，鄰近透鏡單元之間的間隔是均勻的，並且鄰近透鏡單元的法線矢量相同。
47.根據權利要求46所述的捲動單元，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，k表示自然數，θ2表示鄰近曲線之間的旋轉角度。
48.根據權利要求41至43中的任一個所述的捲動單元，其中，捲動單元的截面是具有相同半徑的圓弧陣列。
49.根據權利要求46所述的捲動單元，其中，每個透鏡單元由雙透鏡、連續浮雕透鏡、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形成。
50.一種用於捲動入射光的捲動單元，其中包括至少一個透鏡單元，並且從入射光來看，該至少一個透鏡單元的位置隨捲動單元繞旋轉軸線旋轉而改變。
51.根據權利要求50所述的捲動單元，其中，透鏡單元的位置的改變在透鏡單元變得靠近或遠離旋轉軸線的方向上做出。
52.根據權利要求50或51所述的捲動單元，其中，捲動單元的旋轉導致透鏡單元的位置周期性地改變。
53.根據權利要求50或51所述的捲動單元，其中，透鏡單元成螺旋形地放置。
54.根據權利要求53所述的捲動單元，捲動單元具有圓盤形狀。
55.根據權利要求50或51所述的捲動單元，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
56.一種投影系統，包括光源；光學分束器，用於根據波長將從光源發射的光分開；至少一個捲動單元，具有至少一個透鏡單元並以這樣的方式捲動入射光，即對於由透鏡單元透射的光似乎透鏡單元的旋轉被轉換成透鏡陣列的直線運動；和光閥，從光源發射的光被光學分束器和捲動單元分離為色光束並且在其上該色光束聚焦，該光閥根據輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
57.根據權利要求56所述的投影系統，其中，透鏡單元被螺旋排列。
58.根據權利要求57所述的投影系統，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
59.根據權利要求56至58的任一個所述的投影系統，其中，捲動單元具有盤的形狀。
60.根據權利要求56至58的任一個所述的投影系統，其中，至少一個複眼透鏡陣列被安裝在捲動單元和光閥之間的光路上。
61.根據權利要求60所述的投影系統，其中，包括用於將由至少一個複眼透鏡陣列透射的光聚焦在光閥上的轉像透鏡。
62.根據權利要求56至58的任一個所述的投影系統，其中，光學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波長有選擇地透射或反射入射光，並且捲動單元被安裝在該光學分束器之後。
63.根據權利要求56至58的任一個所述的投影系統，其中，光學分束器包括並行放置的第一到第三分色濾光鏡以根據波長有選擇地透射或反射入射光，並且捲動單元被安裝在該光學分束器之前。
64.根據權利要求63所述的投影系統，還包括在光學分束器之前的稜鏡。
65.根據權利要求56至58的任一個所述的投影系統，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個捲動單元之前，並且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在捲動單元之後，以控制入射光束的寬度。
66.根據權利要求61所述的投影系統，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個捲動單元之前，並且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在捲動單元之後，以控制入射光束的寬度。
67.根據權利要求56至58的任一個所述的投影系統，其中，透鏡單元由衍射光學元件和全息光學元件的任一個形成。
68.根據權利要求56至58的任一個所述的投影系統，其中，透鏡單元被這樣設置，當畫法線到透鏡單元時，鄰近透鏡單元之間的間隔是均勻的，並且鄰近透鏡單元的法線矢量相同。
69.根據權利要求68所述的投影系統，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，k表示自然數，θ2表示鄰近曲線之間的旋轉角度。
70.根據權利要求56至58的任一個所述的投影系統，其中，捲動單元的橫截面是具有相同半徑的圓弧的陣列。
71.根據權利要求67所述的投影系統，其中，透鏡單元由雙透鏡、連續浮雕透鏡、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形成。
72.根據權利要求56至58的任一個所述的投影系統，其中，確定在至少一個捲動單元上的透鏡單元的數量，以便捲動單元可與光閥的工作頻率同步工作。
73.根據權利要求56至58的任一個所述的投影系統，其中，捲動單元的旋轉速度被控制以與光閥的工作頻率同步。
74.一種投影系統，包括光源；至少一個捲動單元，具有至少一個單元，並由衍射光學元件和全息光學元件的任一個製造，以便根據波長分離從光源發射的光並且通過將單元的旋轉轉換成單元陣列的直線運動來捲動入射光；和光閥，從光源發射的光被光學分束器和捲動單元分離為色光束，並且在其上該色光束聚焦，該光閥根據輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
75.根據權利要求74所述的投影系統，其中，透鏡單元被螺旋排列。
76.根據權利要求75所述的投影系統，其中，直線運動在透鏡陣列變為靠近或遠離旋轉軸的方向進行。
77.根據權利要求74至76的任一個所述的投影系統，其中，捲動單元具有盤的形狀。
78.根據權利要求74至76的任一個所述的投影系統，其中，至少一個複眼透鏡陣列被安裝在捲動單元和光閥之間的光路上。
79.根據權利要求78所述的投影系統，其中，包括用於將由至少一個複眼透鏡陣列透射的光聚焦在光閥上的轉像透鏡。
80.根據權利要求74至76的任一個所述的投影系統，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個捲動單元之前，並且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在捲動單元之後，以控制入射光束的寬度。
81.根據權利要求78所述的投影系統，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個捲動單元之前，並且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在捲動單元之後，以控制入射光束的寬度。
82.一種投影系統，包括光源；光學分束器，用於根據波長將從光源發射的光分開；至少一個捲動單元，具有至少一個透鏡單元，該透鏡單元具有入射方和射出方並將入射光分割為光束，在其中透鏡單元的旋轉引起光束的直線運動以實現入射光的捲動；和光閥，從光源發射的光被光學分束器和捲動單元分離為色光束，並且在其上色光束聚焦，該光閥根據輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
83.根據權利要求82所述的投影系統，其中，透鏡單元被螺旋排列。
84.根據權利要求83所述的投影系統，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
85.根據權利要求82至84的任一個所述的投影系統，其中，捲動單元具有盤的形狀。
86.根據權利要求82至84的任一個所述的投影系統，其中，直線運動在光束變為靠近或遠離旋轉軸的方向進行。
87.根據權利要求82至84的任一個所述的投影系統，其中，至少一個複眼透鏡陣列被安裝在捲動單元和光閥之間的光路上。
88.根據權利要求87所述的投影系統，其中，包括用於將由至少一個複眼透鏡陣列透射的光聚焦在光閥上的轉像透鏡。
89.根據權利要求82至84的任一個所述的投影系統，其中，光學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波長有選擇地透射或反射入射光，並且捲動單元被安裝在該光學分束器之後。
90.根據權利要求87所述的投影系統，其中，光學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波長有選擇地透射或反射入射光，並且捲動單元被安裝在該光學分束器之後。
91.根據權利要求82至84的任一個所述的投影系統，其中，光學分束器包括並行放置的第一到第三分色濾光鏡以根據波長有選擇地透射或反射入射光，並且捲動單元被安裝在該光學分束器之前。
92.根據權利要求91所述的投影系統，還包括在光學分束器之前的稜鏡。
93.根據權利要求87所述的投影系統，其中，光學分束器包括並行放置的第一到第三分色濾光鏡以根據波長有選擇地透射或反射入射光，並且捲動單元被安裝在該光學分束器之前。
94.根據權利要求82至84的任一個所述的投影系統，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個捲動單元之前，並且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在捲動單元之後，以控制入射光束的寬度。
95.根據權利要求87所述的投影系統，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個捲動單元之前，並且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在捲動單元之後，以控制入射光束的寬度。
96.一種投影系統，包括光源；光學分束器，用於根據波長將從光源發射的光分開；至少一個捲動單元，具有至少一個透鏡單元，並且在其中從入射光看當捲動單元圍繞旋轉軸旋轉時該至少一個透鏡單元的位置改變；和光閥，從光源發射的光被光學分束器和捲動單元分離為色光束，並且在其上色光束聚焦，該光閥根據輸入圖像信號處理入射光以形成彩色圖像。
97.根據權利要求96所述的投影系統，其中，透鏡單元被螺旋排列。
98.根據權利要求97所述的投影系統，其中，透鏡單元是柱面透鏡。
99.根據權利要求96至98的任一個所述的投影系統，其中，捲動單元具有盤的形狀。
100.根據權利要求96至98的任一個所述的投影系統，其中，透鏡單元的位置改變以靠近或遠離旋轉軸。
101.根據權利要求96至98的任一個所述的投影系統，其中，用於通過根據顏色將由光學分束器和捲動單元透射的光聚焦在光閥的不同區域上來形成色帶的單元。
102.根據權利要求101所述的投影系統，其中，色帶形成單元包括至少一個複眼透鏡陣列。
103.根據權利要求102所述的投影系統，其中，色帶形成單元包括用於將由至少一個複眼透鏡陣列透射的光聚焦在光閥上的轉像透鏡。
104.根據權利要求96至98的任一個所述的投影系統，其中，光學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波長有選擇地透射或反射入射光，並且捲動單元被安裝在該光學分束器之後。
105.根據權利要求101所述的投影系統，其中，光學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波長有選擇地透射或反射入射光，並且捲動單元被安裝在該光學分束器之後。
106.根據權利要求96至98的任一個所述的投影系統，其中，光學分束器包括並行放置的第一到第三分色濾光鏡以根據波長有選擇地透射或反射入射光，並且捲動單元被安裝在該光學分束器之前。
107.根據權利要求106所述的投影系統，還包括在光學分束器之前的稜鏡。
108.根據權利要求101所述的投影系統，其中，光學分束器包括並行放置的第一到第三分色濾光鏡以根據波長有選擇地透射或反射入射光，並且捲動單元被安裝在該光學分束器之前。
109.根據權利要求96至98的任一個所述的投影系統，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個捲動單元之前，並且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在捲動單元之後，以控制入射光束的寬度。
110.根據權利要求101所述的投影系統，其中，第一柱面透鏡被安裝在至少一個捲動單元之前，並且與第一柱面透鏡成對的第二柱面透鏡被安裝在捲動單元之後，以控制入射光束的寬度。
全文摘要
一種高效的照明系統、捲動單元、以及採用該高效的照明系統和捲動單元的投影系統。該捲動單元具有至少一個透鏡單元。從入射在該至少一個透鏡單元上的光的視點，該至少一個透鏡單元的旋轉被轉換成透鏡陣列的直線運動，以便捲動入射光。投影系統包括光源、光學分束器、至少一個捲動單元、和光閥。光學分束器根據波長將從光源發射的光分開。該至少一個捲動單元具有至少一個透鏡單元。該透鏡單元具有入射方和射出方並將入射光分割為光束。透鏡單元的旋轉引起光束的直線運動，由此捲動入射光。從光源發射的光被光學分束器和捲動單元分離為色光束，並且色光束聚焦在光閥上。光閥根據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 優先權日2002年4月6日
發明者金大式, 樸永浚, 趙虔晧, 李羲重, 鄭鍾三, 崔鍾喆, 金兌熙 申請人:三星電子株式會社