照明單元和採用該照明單元的圖像投影設備的製作方法
2023-08-09 19:11:31 1
專利名稱：照明單元和採用該照明單元的圖像投影設備的製作方法
技術領域：
本發明的總體構思涉及一種照射出光束的照明單元和一種圖像投影設備，更具體地講，涉及一種具有改進的稜鏡以合成從緊湊光源發出的光束的照明單元和一種採用該照明單元的圖像投影設備。
背景技術：
通常，照明單元包括在一個方向上發出光束的光源和傳播光束的照明光學系統。照明單元被廣泛應用於使用本身不能產生光束的圖像形成裝置，諸如LCD裝置或數字微鏡裝置來產生圖像的圖像投影設備。
採用緊湊發光裝置，諸如發光二極體(LED)或雷射二極體作為光源的照明單元和圖像投影設備已被開發出來。可以發出具有紅色、藍色和綠色波長的光束的每一個的緊湊發光裝置的優點在於它不需要附加的色輪裝置機構來產生面板式彩色圖像投影設備中的彩色圖像。為了發出各種顏色的光束，需要多個緊湊發光裝置和合成各種顏色的光束的機械裝置。
參照圖1，照明單元發出具有紅色、藍色和綠色波長的光束，並且包括布置在不同位置的第一至第三LED光源11、12和13以及使從第一至第三LED光源11、12和13所發出的光束以相同的路徑傳播的三色稜鏡20。
三色稜鏡20包括三個組合在一起的單獨的稜鏡第一至第三稜鏡P1、P2和P3；設置在第一稜鏡P1和第三稜鏡P3之間的第一濾光器21；和設置在第二稜鏡P2和第三稜鏡P3之間的第二濾光器25。第一濾光器21和第二濾光器25根據入射光束的波長來選擇性地透射或反射入射的光束。例如，第一濾光器21反射具有紅色波長的第一光束R，並且透射分別具有綠色波長和藍色波長的第二光束G和第三光束B。第二濾光器25反射第三光束B，並且透射第二光束G。
根據臨界角全反射原理，輸入到第一稜鏡P1的第一光束R被第一稜鏡P1的出射表面20a完全反射，然後向著第一濾光器21傳播。第一光束R被第一濾光器21反射，並且經過第一稜鏡P1的出射表面20a以沿著一條路徑傳播。第二光束G順序地通過第二濾光器25和第一濾光器21，並且沿著與第一光束R相同的路徑傳播。根據臨界角全反射原理，第三光束B被第三稜鏡P3的面對第一稜鏡P1的表面20b完全反射，向著第二濾光器25傳播，被第二濾光器25反射，順序地通過第三稜鏡P3和第一稜鏡P1，並且沿著與第一光束R和第二光束G相同的路徑傳播。因此，從第一至第三LED光源11、12和13所發出的第一至第三光束R、G和B被合成為彼此沿著相同的路徑傳播。
在構造為如上所述的照明單元中，為使第三光束B被第三稜鏡P3的表面20b完全反射，第一稜鏡P1和第三稜鏡P3必須在其光學布置時被分開預定的間隙Gair。這是因為，當使用臨界角全反射原理時，不但必須在第三稜鏡P3的表面20b和第三光束B之間形成一個角度，而且必須在第三稜鏡P3的折射率和其附近的折射率之間存在差異。因此，當通過使用三色稜鏡20來合成從所述多個光源發出的光束時，存在的問題是三色稜鏡20的光學布置很難。
此外，當光束被三色稜鏡20合成時，由於其在光學布置上的限制，除了發出具有不同波長，諸如紅色、藍色和綠色的光束的第一至第三光源之外，還安裝另外的發出例如黃色、紅紫色或藍綠色的光束的光源可能是困難的。因此，將被實現的顏色的範圍可能比使用四色光源的照明單元更有限。
發明內容
因此，本發明的總體構思提供了一種照明單元和一種採用該照明單元的圖像投影設備，其中，合成由緊湊光源發出的光束的稜鏡的構造得到了改進。
本發明的總體構思的附加方面和優點將部分地在下面的描述中被闡明，並且部分地將從該描述變得清楚，或通過本發明總體構思的實施被領會。
本發明總體構思的前述和/或其他方面和優點可以通過提供一種照明單元來實現，該照明單元包括發出具有不同波長的光束的多個光源單元和合成入射的光束以使從所述多個光源單元發出的光束彼此沿著相同的路徑傳播的合成稜鏡。該合成稜鏡包括第一三角形稜鏡，具有根據光束輸入的方向來透射或反射光束的第一外表面，以及第一分界面和第二分界面；第二三角形稜鏡，具有透射入射的光束的第二外表面、被布置為面對第二分界面的第三分界面、和第四分界面；第三三角形稜鏡，具有根據光束輸入的方向來透射或反射光束的第三外表面、被布置為面對第四分界面的第五分界面、和被布置為面對第一分界面的第六分界面；和顏色分離部分，布置在第二分界面和第三分界面之間、第四分界面和第五分界面之間以及第六分界面和第一分界面之間的位置中的至少一個上，以根據入射的光束的波長來選擇性地透射或反射。
第一三角形稜鏡、第二三角形稜鏡和第三三角形稜鏡可以具有相同的形狀和尺寸。第一三角形稜鏡、第二三角形稜鏡和第三三角形稜鏡中的每個可以是等腰三角形，其中，兩個分界面之間的角度是120°，並且在外表面和兩個分界面中的每個之間所形成的角度是30°。
本發明總體構思的前述和/或其他方面和優點也可以通過提供一種圖像投影設備來實現，該圖像投影設備包括上述照明單元、形成相應於從照明單元發出的光束的圖像的圖像形成裝置和放大由圖像形成裝置形成的圖像並將放大的圖像投影到屏幕上的投影透鏡單元。
通過下面結合附圖來對實施例進行描述，本發明總體構思的這些和/或其他方面和優點將會變得清楚和更加容易理解，其中圖1是示出傳統的照明單元的光學布置的示圖；圖2是示出根據本發明總體構思的實施例的照明單元的光學布置的示圖；圖3是示出圖2的照明單元中的光源單元的透視圖；圖4是示出圖2的照明單元中的光源單元的側視圖；圖5是示出圖2的照明單元中的光源單元的另一實例的透視圖；圖6是示出根據本發明總體構思的另一實施例的照明單元的光學布置的示圖；圖7是示出根據本發明總體構思的另一實施例的照明單元的光學布置的示圖；圖8是示出根據本發明總體構思的另一實施例的照明單元的光學布置的示圖；
圖9是示出根據本發明總體構思的實施例的圖像投影設備的光學布置的示圖；圖10是示出根據本發明總體構思的另一實施例的圖像投影設備的光學布置的示圖；和圖11是示出根據本發明總體構思的另一實施例的圖像投影設備的光學布置的示圖。
具體實施例方式
現在將詳細描述本發明的總體構思的實施例，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的總體構思。
圖2示出了根據本發明的總體構思的實施例的照明單元。參照圖2，該照明單元包括多個光源單元100，發出具有不同波長的光束；合成稜鏡200，合成入射的光束從而從所述多個光源單元100所發出的每一光束沿著相同的路徑傳播。
所述多個光源單元100包括布置在不同位置上的並且在從其發出的光束的波長上存在差異的第一光源單元110、第二光源單元120和第三光源單元130。即，第一光源單元110、第二光源單元120和第三光源單元130分別發出具有不同波長的第一光束L11、第二光束L21和第三光束L31，例如具有綠色波長、藍色波長和紅色波長的光束。
該具有三角形柱狀的合成稜鏡200包括第一三角形稜鏡210、第二三角形稜鏡220和第三三角形稜鏡230，所述每個三角形稜鏡具有根據光束入射的方向來透射或完全反射光束的外表面和與其它兩個三角形稜鏡相連的兩個分界面。在第一三角形稜鏡210、第二三角形稜鏡220和第三三角形稜鏡230之間的至少一個分界處設置了顏色分離部分，以根據入射光束的波長來選擇性地透射和反射。
第一三角形稜鏡210具有第一分界面211、第二分界面213和根據光束入射的方向來透射或反射入射的光束的第一外表面215。
第一光源單元110被布置為面對第一外表面215。因此，從第一光源單元110發出的第一光束L11直接透射通過第一外表面215，並且向著第二分界面213傳播。從第二分界面213以大於臨界角θc的角度入射在第一外表面215上的第一光束L11和第二光束L21被第一外表面215完全反射，並且向著第一分界面211傳播。然後，第一光束L11和第二光束L21透射通過第三三角形稜鏡230的第三外表面235，並且沿著相同的路徑傳播，所述第三三角形稜鏡230稍後將被描述。
全反射發生的條件是第一三角形稜鏡210的折射率比其附近部分的折射率大，並且第一光束L11和第二光束L21在第一三角形稜鏡210的內部以比臨界角θc大的角度入射。
第二三角形稜鏡220具有第三分界面221、第四分界面223和透射入射的光束的第二外表面225。第三分界面221被布置為面對第一三角形稜鏡210的第二分界面213。
第二光源單元120和第三光源單元130被布置為面對第二外表面225。從第二光源單元120發出的第二光束L21透射通過第二外表面225以向著第三分界面221傳播，而從第三光源單元130發出的第三光束L31透射通過第二外表面225以向著第四分界面223傳播。
第三三角形稜鏡230具有第五分界面231、第六分界面233和根據光束入射的方向來透射或反射入射的光束的第三外表面235。第五分界面231被布置為面對第二三角形稜鏡220的第四分界面223，而第六分界面233被布置為面對第一三角形稜鏡210的第一分界面211。因此，從第三光源單元130發出的第三光束L31被第三外表面235完全反射，並且向著第六分界面233傳播。第三光束L31然後被第六分界面233完全反射。第一光束L11、第二光束L21和來自於第六分界面233的第三光束L31透射通過第三外表面235，並且沿著相同的路徑傳播。
第一三角形稜鏡210、第二三角形稜鏡220和第三三角形稜鏡230具有相同的形狀和尺寸，因此從不同位置輸入的第一光束L11、第二光束L21和第三光束L31彼此沿著相同的路徑傳播。第一三角形稜鏡210可以是等腰三角形，其中，第一分界面211和第二分界面213之間的角度是120°，而第一分界面211和第一外表面215之間的角度及第二分界面213和第一外表面215之間的角度各為30°。同樣，第二三角形稜鏡220和第三三角形稜鏡230是具有等腰三角形形狀以及與第一三角形稜鏡210相同的條件的稜鏡。第二三角形稜鏡220和第三三角形稜鏡230可以被形成為不具有第四分界面223和第五分界面231的單塊體。
顏色分離部分被布置在第二分界面213和第三分界面221之間、第四分界面223和第五分界面231之間及第六分界面233和第一分界面211之間的位置中的至少一個上。在圖2的實施例中，顏色分離部分可以包括分別設置在第二分界面213和第三分界面221之間及第六分界面233和第一分界面211之間的第一二向色濾光器241和第二二向色濾光器245。
第一二向色濾光器241反射從第一光源單元110發出的在第一波長範圍內的第一光束L11，並且透射從第二光源單元120發出的在第二波長範圍內的第二光束L21。例如，相對於在綠色和藍色之間的預定的波長，例如500nm的波長，在相對較長波長範圍內的光束被反射，並且在相對較短波長範圍內的光束被透射。因此，當第一光束L11是綠色波長範圍內的光束並且第二光束L21是藍色波長範圍內的光束時，第一光束L11被第一二向色濾光器241反射，第二光束L21透射通過第一二向色濾光器241，並且沿著與第一光束L11相同的路徑傳播。
第二二向色濾光器245反射在第三波長範圍內，例如紅色波長範圍內的第三光束L31，並且透射在其他波長範圍內的第一光束L11和第二光束L21。例如，相對於在紅色和綠色之間的預定的波長，例如565nm的波長，在相對較長波長範圍內的光束被反射，並且在相對較短波長範圍內的光束被透射。因此，當第一光束L11和第二光束L21是綠色和藍色波長範圍內的光束並且第三光束L31是紅色波長範圍內的光束時，第一光束L11和第二光束L21透射通過第二二向色濾光器245，並且第三光束L31被第二二向色濾光器245反射並沿著與第一光束L11和第二光束L21相同的路徑傳播。
如圖3至5所示，第一光源單元110、第二光源單元120和第三光源單元130中的每一個由至少一個光學模塊140構成。
參照圖3至圖5，光學模塊140包括具有反射表面的準直儀150和發出具有預定波長的光束的光源160。準直儀150包括具有拋物面的第一反射表面151和具有矩形截面的玻璃條155。光源160是具有至少一個發光二極體(LED)或雷射二極體的緊湊光源，並且其發光部分位於第一反射表面151的焦點F上及其附近。第一反射表面151通過將玻璃條155的部分加工為拋物面和在該拋物面的外部進行反射塗覆(reflection-coating)來形成。準直儀150還具有面對第一反射表面151在準直儀150的一部分上形成的第二反射表面153。第二反射表面153通過在除從光源160直接發出的光束所通過的區域G以外的準直儀150的一部分上進行反射塗覆來形成。
在從光源160發出的光束的預定輻射角度範圍內的光束被第一反射表面151反射，並且成為平行光束。平行光束通過玻璃條155的內部並且通過出射表面157。同時，由於光源160的發光部分沒有形成為一點，而是有一個預定的區域，因此不是所有的發光部分都能被布置在焦點F上。因此，從光源160發出的部分光束被第一反射表面151反射，並且向著第二反射表面153傳播。第二反射表面153反射入射的光束以向著出射表面157傳播。這裡，每個出射表面157可以被安放為面對合成稜鏡200的第一外表面215、第二外表面225和第三外表面235中的相應一個。
由於光學模塊140使用第一反射表面151而不是使用透鏡來使從光源160發出的光束成為平行光，因此由於當使用透鏡時產生的原理限制，諸如通量照度比(etendue)所帶來的效率降低的問題可以被完全解決。
儘管上面描述了使用玻璃條155的準直儀150，但是本發明的總體構思並不限於此，並且可以在具有中空而不是玻璃條155的光學隧道(未示出)的一邊形成拋物面以及通過反射處理光學隧道的內部來形成反射表面。
在圖2的照明單元中，第一光源單元110、第二光源單元120和第三光源單元130中的每個可以由多個排列成陣列的光學模塊140來構成，如圖5所示。在這種情況下，構成每個第一光源單元110、第二光源單元120和第三光源單元130的每個光學模塊140發出具有紅色、綠色或藍色波長的光束。因此，通過同時或順序地驅動第一光源單元110、第二光源單元120和第三光源單元130來發出各個光束，可以發出通過將這些光束組合而形成的全色光束。此外，當上述照明單元被應用於稍後將要描述的圖像投影設備時，不用產生顏色的色輪來就可以照射出彩色光束。
在構造為如上所述的照明單元中，由於使用具有三角形稜鏡結構的合成稜鏡200來合成從第一光源單元110、第二光源單元120和第三光源單元130發出的光束，因此使用臨界角全反射原理可以很容易地改變光路，並且與傳統的三色稜鏡結構相比，光學布置變得容易。
圖6是示出根據本發明的總體構思的另一實施例的照明單元的光學布置的示圖。參照圖6，該照明單元包括多個光源單元100，發出具有不同波長的光束；和合成稜鏡200，合成入射的光束從而從該光源單元100所發出的每一光束沿著相同的路徑傳播。
在與圖2的實施例相比較的圖6的實施例中，考慮到合成稜鏡200在第一外表面215和第三外表面235的全反射性質，還設置了第一反射層251和第二反射層255。然而除了以上的層251和255以外，由於其他組成部件的構造和布置與圖2的照明單元基本上相同，因此在這裡略掉其詳細的描述。
通過對第一外表面215的一部分進行全反射塗覆來形成第一反射層251，以完全反射被第一二向色濾光器241反射或通過第一二向色濾光器241的第一光束L11和第二光束L21。由於第一反射層251不在第一外表面215的第一光束L11從第一光源單元110直接發出的一部分形成，因此它不影響第一光束L11向著第一二向色濾光器241傳播。
通過對第三外表面235的一部分進行全反射塗覆來形成第二反射層255，以反射直接從第三光源單元130發出的第三光束L31。由於第二反射層255不在這樣一個光路上被形成，通過第二二向色濾光器245或被第二二向色濾光器245反射的第一光束L11、第二光束L21和第三光束L31沿所述光路傳播，因此它不影響第一光束L11、第二光束L21和第三光束L31通過第三外表面235傳播。當第一反射層251和第二反射層255在合成稜鏡200上被形成時，入射的光束可以不必以大於臨界角θc的角度入射。
圖7是示出根據本發明的總體構思的另一實施例的照明單元的光學布置的示圖。參照圖7，該照明單元包括發出具有不同波長的光束的多個光源單元300和合成入射的光束從而從該多個光源單元300所發出的每一光束沿著相同的路徑傳播的合成稜鏡400。
該光源單元300包括布置在不同位置上並且在從其發出的光束的波長上存在差異的第一光源單元310、第二光源單元320、第三光源單元330和第四光源單元340。即，第一光源單元310、第二光源單元320、第三光源單元330和第四光源單元340分別發出具有不同波長的第一光束L12、第二光束L22、第三光束L32和第四光束L42，例如具有綠色波長、藍色波長、紅色波長和黃色波長的光束。由於第一光源單元310、第二光源單元320、第三光源單元330和第四光源單元340中的每個的構造都與參照圖3至圖5所述的相同，因此在這裡略掉其詳細的描述。
該合成稜鏡400具有三角形柱狀，並且包括第一三角形稜鏡410、第二三角形稜鏡420和第三三角形稜鏡430，所述每個三角形稜鏡具有根據光束入射的方向來透射或完全反射光束的外表面和與其它兩個三角形稜鏡相連的兩個分界面。在第一三角形稜鏡410、第二三角形稜鏡420和第三三角形稜鏡430之間的分界處中的至少一處設置了顏色分離部分，以根據入射的光束的波長來選擇性地透射或反射。
第一三角形稜鏡410包括第一分界面411、第二分界面413和根據光束的波長來透射或反射入射的光束的外表面415。第二三角形稜鏡420包括第三分界面421、第四分界面423和透射入射的光束的第二外表面425。第三三角形稜鏡430包括第五分界面431、第六分界面433和根據光束的波長來透射或反射入射的光束的第三外表面435。第一三角形稜鏡410、第二三角形稜鏡420和第三三角形稜鏡430中的每個的布置以及第一光源單元310、第二光源單元320和第三光源單元330的布置基本上與圖2中的第一三角形稜鏡210、第二三角形稜鏡220和第三三角形稜鏡230的布置以及第一光源單元110、第二光源單元120和第三光源單元130的布置相同。
第四光源單元340被布置為面對第三外表面435。因此，從第四光源單元340發出的第四光束L42透射通過第三外表面435以向著第五分界面431傳播。
在圖7的實施例中，顏色分離部分包括分別設置在第二分界面413和第三分界面421之間、第六分界面433和第一分界面411之間及第四分界面423和第五分界面431之間的第一二向色濾光器441、第二二向色濾光器445和第三二向色濾光器447。
第三二向色濾光器447被設置為分離分別從第三光源單元330和第四光源單元340發出的第三光束L32和第四光束L42。第三二向色濾光器447透射從第三光源單元330發出的在第三波長範圍內的第三光束L32，並且反射從第四光源單元340發出的在第四波長範圍內的第四光束L42。例如，相對於紅色和黃色之間的預定的波長，例如600nm的波長，在相對較長波長範圍內的光束被透射，而在相對較短波長範圍內的光束被反射。因此，當第三光束L32是在紅色波長範圍內的光束並且第四光束L42是在黃色波長範圍內的光束時，第三光束L32被第三二向色濾光器447透射，而第四光束L42被反射，從而這兩束光沿著相同的路徑傳播。
由於第一二向色濾光器441和第二二向色濾光器445執行基本上與圖2的第一二向色濾光器241和第二二向色濾光器245相同的操作，因此在這裡略掉其詳細的描述。第二二向色濾光器445透射第一光束L12和第二光束L22，並且反射第三光束L32和第四光束L42，從而這些光束沿著相同的路徑傳播。
為了加寬照明單元的顏色範圍，第四光束L42不但不限於具有黃色波長的光束，而且可以被改變為具有各種波長的光束。例如，可以包括發出具有紅紫色或藍綠色波長的光束的光源單元。此外，儘管第一光束L12、第二光束L22、第三光束L32和第四光束L42在以上被描述為發出具有綠色、藍色、紅色和黃色波長的光束，但是本發明的總體構思不限於此。即通過改變第一至第三二向色濾光器的布置，多種變化是可能的。
在圖7的照明單元中，通過使用三角形稜鏡型的合成稜鏡400來合成從第一光源單元310、第二光源單元320、第三光源單元330和第四光源單元340發出的光束，使用臨界角全反射原理可以很容易地改變光路，並且與傳統的三色稜鏡的結構相比光學布置變得容易。此外，由於通過組合四種顏色來實現圖像，因此呈現出的顏色的範圍被加寬。
圖8是示出根據本發明的總體構思的另一實施例的照明單元的光學布置的示圖。參照圖8，該照明單元包括多個光源單元300，發出具有不同波長的光束；和合成稜鏡400，合成入射的光束從而從光源單元300所發出的每一光束沿著相同的路徑傳播。
圖8的照明單元與圖7的照明單元類似，並且還包括第一反射層451和第二反射層455以增強合成稜鏡400在第一外表面415和第三外表面435處的全反射性質。由於其他組成部件的構造和布置基本上與圖7的照明單元相同，因此在這裡略掉其詳細的描述。
通過對第一外表面415的一部分進行全反射塗覆來形成第一反射層451，以完全反射被第一二向色濾光器441反射或通過第一二向色濾光器441的第一光束L12和第二光束L22。由於第一反射層451不在第一外表面415的第一光束L12從第一光源單元310直接發出的一部分處形成，因此第一反射層451不影響第一光束L12向著第一二向色濾光器441傳播。
通過在第三外表面435的一部分進行全反射塗覆來構成第二反射層455，以反射被第三二向色濾光器447反射或通過第三二向色濾光器447的第三光束L32和第四光束L42。由於第二反射層455不在這樣一個光路上被形成，通過第二二向色濾光器445或被第二二向色濾光器445反射的第一光束L12、第二光束L22、第三光束L32和第四光束L42沿所述光路傳播，因此它不影響第一光束L12、第二光束L22、第三光束L32和第四光束L42的傳播。
圖9是示出根據本發明的總體構思的實施例的圖像投影設備的光學布置的示圖。參照圖9，該圖像投影設備包括照明單元500；圖像形成裝置550，形成與從照明單元500發出的光束的圖像信號相應的圖像；和投影透鏡單元560，放大由圖像形成裝置550所形成的圖像並將其投影到屏幕570上。
該照明單元500包括多個光源單元和合成稜鏡，以合成從多個光源單元發出的多個光束，並且通過合成從布置在不同位置的多個光源單元發出的光束來發出光束。由於該照明單元500的構造基本上與圖2、圖6、圖7和圖8中的照明單元中的一個相同，因此在這裡略掉其詳細的描述。被驅動以被順序地開啟和關閉的該照明單元500的光源單元順序地發出三種或更多種顏色的光束，例如具有綠色、藍色和紅色波長的光束或具有綠色、藍色、紅色和黃色(或紅紫色或藍綠色)波長的光束。因此，在使用單面板型圖像形成裝置來構成圖像投影設備時，該照明單元500可以代替產生彩色圖像時所使用的色輪(未示出)。
圖像形成裝置550通過以像素為單位來選擇性地反射入射的均勻的照明光束來形成圖像。該圖像形成裝置550可以是反射型液晶顯示(LCD)裝置、透射型LCD裝置或數字微鏡裝置(DMD)。反射型LCD裝置和透射型LCD裝置使用入射的光束的偏振性質來產生圖像，而DMD不使用偏振性質。因此，當DMD被用作該圖像形成裝置550時，不需要另外的偏振轉換裝置或偏振器。
如圖9所示，DMD被用作該圖像形成裝置550。DMD包括兩維的微鏡陣列，微鏡在所述的兩維上被獨立地驅動，並且DMD根據輸入圖像信號通過為每個像素獨立地設置光束的反射角來形成圖像。在這種情況下，作為改變入射的光束的路徑的單元，分束器540還被設置在該圖像形成裝置550和投影透鏡單元560之間。該分束器540改變入射光束的路徑，從而來自於照明單元500的光束向著圖像形成裝置550傳播，來自於圖像形成裝置550的光束向著屏幕570傳播。該分束器540是使用臨界角全反射性質來改變光束的路徑的臨界角稜鏡。
投影透鏡單元560被布置為面對該分束器540，並且放大由圖像形成裝置550合成並通過該分束器540的圖像，並且向著屏幕570投影放大的圖像。
如圖9所示的圖像投影設備還包括布置在照明單元500和分束器540之間以使從照明單元500發出的光束成為平行光的光學積分器520。該光學積分器520可以是具有立方體形狀的玻璃條，光束在被全反射的同時在其中傳播。在這種情況下，聚集入射光的聚光透鏡單元510還被設置在光源單元500和該光學積分器520之間。該聚光透鏡單元510由至少一個透鏡單元組成，並且聚集入射的平行光束使其入射在玻璃條上。
該圖像投影設備還包括布置在光學積分器520和分束器540之間的中繼透鏡單元530。中繼透鏡單元530由至少一個透鏡組成，以將從玻璃條輸出的均勻光束傳遞到位於圖像形成位置的DMD(圖象合成裝置550)。
圖10是示出根據本發明的總體構思的另一實施例的圖像投影設備的光學布置的示圖。參照圖10，該圖像投影設備包括照明單元600；圖像形成裝置650，形成與從照明單元600發出的光束的圖像信號相應的圖像；和投影透鏡單元660，放大由圖像形成裝置650形成的圖像並將其投影到屏幕670上。由於照明單元600的構造基本上與圖2、圖6、圖7和圖8的照明單元中的一個相同，因此在這裡略掉其詳細的描述。
圖像形成裝置650通過以像素為單位來選擇性地反射入射的均勻的照明光來形成圖像。如圖10所示，利用入射光束的偏振性質來產生圖像的反射型LCD裝置被用作該圖像形成裝置650。
在這種情況下，作為改變入射的光束的路徑的單元，該投影設備還包括布置在照明單元600、圖像形成裝置650和投影透鏡單元660之間的偏振光束分離器640。該偏振光束分離器640改變入射光束的路徑，從而來自於照明單元600的入射光束向著圖像形成裝置650傳播，並且來自於圖像形成裝置650的入射光束向著屏幕670傳播。為此，改變入射的光束的偏振方向以允許具有特定偏振的光束向著偏振光束分離器640傳播的偏振改變裝置630被布置在照明單元600和偏振光束分離器640之間。該偏振改變裝置630包括多個緊湊的偏振光束分離器和四分之一波片，並且將大多數非偏振的入射光束改變為具有特定偏振的光束。由於該偏振改變裝置630的構造是眾所周知的，因此在這裡略掉其詳細的描述。
該圖像投影設備還包括使從照明單元600發出的光束成為均勻的光束的光學積分器620。該光學積分器620由包括至少一個複眼透鏡的複眼透鏡陣列構成，所述複眼透鏡包括多個彼此相鄰排列的具有凸起或柱面形狀的透鏡單元中的每一個。
圖11是示出根據本發明的總體構思的另一實施例的圖像投影設備的光學布置的示圖。參照圖11，該圖像投影設備包括照明單元700；圖像形成裝置740，形成與從照明單元700發出的光束的圖像信號相應的圖像；和投影透鏡單元760，放大由圖像形成裝置740所形成的圖像並將其投影到屏幕770上。由於照明單元700的構造基本上與圖2、圖6、圖7和圖8的照明單元中的一個相同，因此在這裡略掉其詳細的描述。
圖像形成裝置740通過以像素為單位來選擇性地反射入射的均勻的照明光來形成圖像。如圖11所示，利用入射的光束的偏振性質來產生圖像的透射型LCD裝置被用作該圖像形成裝置740。在這種情況下，由於改變入射的光束的路徑的單元並不是必需的，因此與圖9和圖10的圖像投影設備不同，其優點是不需要分束器。
由於透射型LCD裝置使用偏振性質來形成圖像，因此在照明單元700和圖像形成裝置740之間還設置了偏振改變裝置730。此外，圖像形成裝置還包括使從照明單元700發出的入射光束成為均勻的光束的光學積分器720。光學積分器720由包括至少一個複眼透鏡單元的複眼透鏡陣列構成，所述複眼透鏡單元包括多個彼此相鄰排列的具有凸起或柱面形狀的透鏡單元中的每一個。
在照明單元中，根據本發明的總體構思，由於通過使用具有三角形稜鏡結構的合成稜鏡來合成從第一、第二和第三光源單元發出的光束，因此使用臨界角全反射原理可以很容易地改變光束的路徑，並且與傳統的三色稜鏡結構相比，光學布置變得容易。此外，在構成光源單元時，由於通過使用反射表面而不是透鏡來使光束成為平行光，因此由於當使用透鏡時產生的原理限制，諸如通量照度比所帶來的效率降低的問題可以被完全解決。當設置了另外的發出第四光束的光源單元時，可以加寬所要表示的顏色的範圍，並且可以照射出多種顏色的光束。
此外，由於根據本發明的總體構思的圖像投影設備包括照明單元，因此可以將照明單元的結構做得緊湊。此外，由於通過使用第一、第二和第三光源單元照射出具有不同波長的光束來照射出彩色光束，因此不用另外的色輪就能產生彩色圖像。
儘管示出並描述了本發明的總體構思的幾個實施例，但是本領域的技術人員應該理解，在不脫離本發明的總體構思的原則和精神的情況下，可以對這些實施例進行改變，本發明總體構思的範圍由所附的權利要求及其等同物來限定。
權利要求
1.一種照明單元，包括發出具有不同波長的光束的多個光源單元；和合成從所述多個光源單元發出的光束以彼此沿著相同的路徑傳播的合成稜鏡，該合成稜鏡包括第一三角形稜鏡，包括根據光束輸入的方向來透射或反射光束的第一部分的第一外表面，以及第一分界面和第二分界面，第二三角形稜鏡，包括透射光束的第二部分的第二外表面、被布置為面對第二分界面的第三分界面、和第四分界面，第三三角形稜鏡，包括根據光束輸入的方向來透射或反射光束的第一部分和第二部分的第三外表面、被布置為面對第四分界面的第五分界面、和被布置為面對第一分界面的第六分界面，和顏色分離部分，布置在第二分界面和第三分界面之間、第四分界面和第五分界面之間、以及第六分界面和第一分界面之間的位置中的至少一個上，以根據每一光束的波長來選擇性地透射或反射光束。
2.根據權利要求1所述的照明單元，其中，第一三角形稜鏡、第二三角形稜鏡和第三三角形稜鏡彼此具有相同的形狀和尺寸。
3.根據權利要求2所述的照明單元，其中，第一三角形稜鏡、第二三角形稜鏡和第三三角形稜鏡中的每個是等腰三角形，其中，兩個分界面之間的角度是120°，並且在外表面和兩個分界面中的每個之間所形成的角度是30°。
4.根據權利要求1所述的照明單元，其中，所述多個光源單元中的每個包括至少一個光學模塊，該光學模塊發出平行光束並且包括具有反射表面的準直儀和安放在與反射表面相對的表面上的發出具有相應的一種波長的相應的一種光束的光源。
5.根據權利要求4所述的照明單元，其中，所述光源由形成陣列的一個或更多個LED光源或雷射二極體構成。
6.根據權利要求1所述的照明單元，其中，所述光束包括第一光束、第二光束和第三光束，並且顏色分離部分包括第一二向色濾光器，布置在第二分界面和第三分界面之間，以反射在第一波長範圍內的第一光束並且透射在第二波長範圍內的第二光束；和第二二向色濾光器，布置在第六分界面和第一分界面之間，以反射在第三波長範圍內的第三光束並且透射在第二波長範圍內的第一光束和第二光束。
7.根據權利要求6所述的照明單元，其中，所述多個光源單元包括第一光源單元，被布置為面對第一外表面，以向著第一二向色濾光器發出第一光束；第二光源單元，被布置為面對第二外表面，以向著第一二向色濾光器發出第二光束；和第三光源單元，被布置為面對第二外表面，以向著第五分界面發出第三光束。
8.根據權利要求7所述的照明單元，其中，第一光源單元和第二光源單元被這樣布置，從而經由第一二向色濾光器入射的第一光束和第二光束被第一外表面完全反射，並且經過第二二向色濾光器以向著第三外表面傳播，並且第三光源單元被這樣布置，從而從第三光源單元發出的第三光束被第三外表面反射以向著第二二向色濾光器傳播。
9.根據權利要求7所述的照明單元，其中，第一外表面和第三外表面中的每個的一部分被全反射塗覆，以分別反射經由第一二向色濾光器入射的第一光束和第二光束以及直接從第三光源單元發出的第三光束。
10.根據權利要求6所述的照明單元，其中，所述光束還包括第四光束，並且顏色分離部分還包括布置在第四分界面和第五分界面之間以反射在第四波長範圍內的第四光束並且透射在第三波長範圍的第三光束的第三二向色濾光器，並且第二二向色濾光器透射第一光束和第二光束並反射第三光束和第四光束。
11.根據權利要求10所述的照明單元，其中，光源單元包括第一光源單元，被布置為面對第一外表面以向著第一二向色濾光器發出第一光束；第二光源單元，被布置為面對第二外表面以向著第一二向色濾光器發出第二光束；第三光源單元，被布置為面對第二外表面以向著第三二向色濾光器發出第三光束；和第四光源單元，被布置為面對第三外表面以向著第三二向色濾光器發出第四光束。
12.根據權利要求11所述的照明單元，其中，第一光源單元和第二光源單元被這樣布置，從而經由第一二向色濾光器入射的第一光束和第二光束被第一外表面完全反射，並且經過第二二向色濾光器以向著第三外表面傳播，並且第三光源單元和第四光源單元被這樣布置，從而經由第三二向色濾光器入射的第三光束和第四光束分別被第三外表面完全反射並且向著第二二向色濾光器傳播。
13.根據權利要求11所述的照明單元，其中，第一外表面和第三外表面中的每個包括被全反射塗覆的一部分以分別反射經由第一二向色濾光器入射的第一光束和第二光束及經由第三二向色濾光器入射的第三光束和第四光束。
14.一種照明單元，包括發出具有多種預定波長的光束的多個光源單元；和三角形合成稜鏡，包括多個三角形稜鏡，被布置為形成三角形，從而從所述多個光源單元發出的光束被多個三角形稜鏡的表面反射或透射，以彼此沿著相同的路徑從三角形合成稜鏡被輸出，和一個或更多個二向色濾光器，每一個安放在所述多個三角形稜鏡中的兩個之間，以根據光束的波長來反射或透射從所述多個光源單元發出的光束。
15.根據權利要求14所述的照明單元，其中，三角形合成稜鏡還包括一個或更多個設置的反射層，每個被設置在三角形合成稜鏡的外表面的一部分處，以完全反射從所述多個光源單元發出的光束。
16.根據權利要求14所述的照明單元，其中，所述多個光源單元被安放在三角形合成稜鏡的外表面的多個部分處，以將光束髮射到三角形合成稜鏡中。
17.根據權利要求14所述的照明單元，其中，從所述多個光源單元發出的光束包括紅色光束；綠色光束；和藍色光束。
18.根據權利要求17所述的照明單元，其中，從所述多個光源單元發出的光束還包括黃色光束、藍綠色光束和紅紫色光束中的至少一種。
19.根據權利要求14所述的照明單元，其中，所述多個三角形稜鏡被布置為形成等邊三角形。
20.根據權利要求14所述的照明單元，其中，所述多個三角形稜鏡包括三個被布置為形成等邊三角形的全等的等腰三角形。
21.一種圖像投影設備，包括照明單元，包括發出具有不同波長的光束的多個光源單元，和合成從所述光源單元發出的光束以彼此沿著相同的路徑傳播的合成稜鏡，該合成稜鏡包括第一三角形稜鏡，包括根據光束輸入的方向來透射或反射光束的第一部分的第一外表面，以及第一分界面和第二分界面，第二三角形稜鏡，包括透射光束的第二部分的第二外表面、被布置為面對第二分界面的第三分界面、和第四分界面，第三三角形稜鏡，包括根據光束輸入的方向來透射或反射光束的第一部分和第二部分的第三外表面、被布置為面對第四分界面的第五分界面、和被布置為面對第一分界面的第六分界面，和顏色分離部分，布置在第二分界面和第三分界面之間、第四分界面和第五分界面之間及第六分界面和第一分界面之間的位置中的至少一個上，以根據每一光束的波長來選擇性地透射或反射光束；圖像形成裝置，形成相應於由照明單元合成的光束的圖像；投影透鏡單元，放大由圖像形成裝置形成的圖像並投影放大的圖像；和顯示投影的圖像的屏幕。
22.根據權利要求21所述的圖像投影設備，還包括布置在照明單元和圖像形成裝置之間以使從照明單元發出的光束成為均勻的光束的光學積分器。
23.根據權利要求22所述的圖像投影設備，其中，光學積分器包括通過完全反射光束來將從照明單元發出的光束傳遞到其內部的具有立方體結構的玻璃條。
24.根據權利要求22所述的圖像投影設備，其中，光學積分器包括包含至少一個複眼透鏡的複眼透鏡陣列，所述複眼透鏡包括多個彼此相鄰排列的具有凸起或柱面形狀的透鏡單元中的每一個。
25.根據權利要求22所述的圖像投影設備，其中，圖像形成裝置包括通過選擇性地反射從光學積分器發出的均勻的光束來合成圖像的反射型圖像形成裝置，並且還包括分束器，布置在照明單元和圖像形成裝置之間以改變均勻的光束和圖像的路徑，從而從光學積分器發出的均勻的光束向著圖像形成裝置傳播，並且由圖像形成裝置形成的圖像向著投影透鏡單元傳播。
26.根據權利要求25所述的圖像投影設備，其中，反射型圖像形成裝置包括數字微鏡裝置，並且分束器包括內部全反射鏡以向著數字微鏡裝置完全地反射從光學積分器發出的均勻的光束並向著投影透鏡單元透射由數字微鏡裝置形成的圖像。
27.根據權利要求25所述的圖像投影設備，還包括偏振改變裝置，布置在照明單元和分束器之間，以通過改變均勻的光束的偏振方向來使具有特定偏振的均勻的光束向著分束器傳播，其中，反射型圖像形成裝置包括反射型LCD裝置，並且分束器包括根據其偏振方向來透射或反射均勻的光束和圖像的偏振光束分離器。
28.根據權利要求22所述的圖像投影設備，還包括偏振改變裝置，布置在照明單元和圖像形成裝置之間以通過改變均勻的光束的偏振方向來使具有特定偏振的均勻的光束向著圖像形成裝置傳播，其中，圖像形成裝置包括通過選擇性地透射從光學積分器發出的均勻的光束來形成圖像的透射型LCD裝置。
29.一種圖像投影設備，包括照明單元，包括發出具有多個預定波長的光束的多個光源單元，三角形合成稜鏡，包括被布置為形成三角形的多個三角形稜鏡，從而從所述多個光源單元發出的光束被所述多個三角形稜鏡的表面反射或透射，以彼此沿著相同的路徑從三角形合成稜鏡被輸出，和一個或更多個二向色濾光器，每個安放在所述多個三角形稜鏡中的兩個之間，以根據光束的波長來反射或透射從所述多個光源單元發出的光束；和顯示裝置，顯示相應於從三角形合成稜鏡輸出的光束的圖像。
30.根據權利要求29所述的圖像投影設備，其中，顯示裝置包括顯示單元，形成相應於從三角形合成稜鏡輸出的光束的圖像；投影透鏡單元，放大該圖像並投影放大的圖像；和顯示投影的圖像的屏幕。
31.根據權利要求30所述的圖像投影設備，其中，顯示單元包括數字微鏡裝置、反射型LCD或透射型LCD中的一個。
全文摘要
一種照明單元，包括發出光束的多個光源單元和合成從多個光源單元發出的光束的合成稜鏡。合成稜鏡包括第一三角形稜鏡，具有根據光束輸入的方向來透射或反射光束的第一外表面以及第一分界面和第二分界面；第二三角形稜鏡，具有透射光束的第二外表面、被布置為面對第二分界面的第三分界面、和第四分界面；第三三角形稜鏡，具有根據光束輸入的方向來透射或反射光束的第三外表面、被布置為面對第四分界面的第五分界面、和被布置為面對第一分界面的第六分界面；和顏色分離部分，布置在第二分界面和第三分界面之間、第四分界面和第五分界面之間、以及第六分界面和第一分界面之間的位置中的至少一個上，以根據每一光束的波長來選擇性地透射或反射光束。
文檔編號G02B27/18GK1734313SQ200510088919
公開日2006年2月15日 申請日期2005年8月1日 優先權日2004年8月3日
發明者李啟薰, 李元鏞, 李迎鐵, 索克洛夫·可裡爾 申請人:三星電子株式會社