用于投影機的多光源照明系統的制作方法

專利名稱：用于投影機的多光源照明系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于投影機的多光源照明系統，用于對投影機的微顯示面板提供照明。屬于光學照明技術領域。
背景技術：
投影機目前主要有液晶(LCD——Liquid Crystal Display)投影機、硅上液晶(LCOS——Liquid Crystal on Silicon)投影機、數字光線處理器(DLP——Digital Light Processor)投影機，其主要工作原理是采用照明系統對微顯示面板提供合適的照明，微顯示面板上加有圖像信號，最后由照明系統將微顯示面板上的圖像投射到屏幕上。
在先技術中，LCD投影機和LCOS投影機多采用一個氣體放電燈(如高壓汞燈或氙燈等)作為光源，一對或一對以上的蠅眼透鏡作為光場均勻化的主要元件，一個偏振光束分裂器(PBS——Polarization Beam Splitter)陣列作為偏振轉換元件，再經過分色、合色等步驟得到彩色圖像，最后由投影鏡頭將彩色圖像投射到屏幕上。如中國發明專利申請號為97113662.9的“投影式液晶顯示裝置”、申請號為00102628.3的“偏振變換系統、照明系統以及投影儀”、申請號為02107464.X的“適用不同液晶顯示照明系統的可調整尺寸的光分布模組”、申請號為01138163.9的“用于液晶投影儀的照明系統”，申請號為00102630.5的“照明系統和投影儀”。
在先技術中的DLP投影機多采用一個氣體放電燈作為光源，混光棒作為光場均勻化的主要元件，由耦合透鏡將均勻化后的光投射到數字微鏡上，圖像信號加于數字微鏡上，在混光棒和耦合透鏡之間插入一個具有透過顏色分別為紅、綠、藍的三個扇形的色輪作為分色元件，各個基色采用順序顯示的方式來得到彩色圖像，最后由投影鏡頭將圖像投射到屏幕上。如中國發明專利申請號為95100606.1的“順序彩色成象的方法和設備”。
上述各類投影機的共同特點是均采用具有很高發光功率的氣體放電燈作為光源，這類光源具有很高的光能量輸出，可以很好地滿足投影機對光通量的要求，但采用這種光源的投影機有許多缺點，主要有·光源有很大的發熱、并且發熱極為集中，必須很好地解決散熱問題；·光源的壽命很短，通常只有幾百到幾千個小時；·光源的價格十分昂貴；·光源發出的通常是白光，為了處理彩色信號，投影系統必須有分色裝置，將白光分解成為紅、綠、藍三基色光，三基色光經過處理，加上圖像信號，然后再用合色裝置合成為彩色圖像；·光源所發出的白光在光譜分布上并不滿足色平衡的要求，為了滿足色平衡的要求，通常采用抑制較強色光的辦法，這樣就導致了光能量利用率的下降，在光源能量利用率和色平衡之間存在矛盾；·在傳統投影機中，白光采用分色裝置分解成為三基色光，為了提高能量利用率，紅、綠、藍三基色通常要使用盡可能大的光譜通道，但光譜通道越大、則色彩越不鮮艷，在能量利用率與色彩鮮艷要求上存在矛盾。
·由于上述原因，還導致了投影機結構的復雜和可靠性的降低。
發光二極管(LED)具有發光效率高、發熱低、發光顏色純的特點，以往LED的最大缺點是發光功率太低，難以滿足投影機對光功率的要求。近來，在大功率LED方面已經取得了很大的進步，使用多個LED組合作為照明光源已經可以滿足投影機對亮度的要求，其中要解決的主要技術問題是1.如何將多個LED發出的光以滿足均勻度的要求照射到微顯示面板上，以滿足投影機對光場均勻性的要求；2.如何提高光能量的利用率；3.如果微顯示面板為液晶面板，對照明系統除滿足均勻性的要求外，還必須將照明光轉換為偏振光。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種用于投影機的多光源照明系統，結構簡單，能實現很好的色彩鮮艷程度，而對系統的散熱要求低，不需要使用分色裝置，不需要犧牲光能量來實現色平衡。
本發明是這樣實現的由一個LED、一個準直鏡、一個第一蠅眼透鏡以及一個第二蠅眼透鏡構成一個照明單元，一個或數個照明單元與一個會聚透鏡構成了本發明的照明系統。
本發明的第一蠅眼透鏡由多個矩形透鏡組成，矩形透鏡的數量一般為m×n個，m和n分別表示蠅眼透鏡單元的行和列上的矩形透鏡數量，m和n既可以是奇數、也可以是偶數，矩形透鏡的數量由投影機對光場均勻性的要求確定，一般來說，均勻性要求高，則矩形透鏡的數量要求多一些。對于中心不在光軸上的矩形透鏡，透過矩形透鏡中心的光線與光軸是不平行的，必須校正這種不平行，一種校正方法是在這些矩形透鏡的后面加一光契(相當于矩形透鏡的輸出端為一傾斜平面)，另外一種校正方法是將矩形透鏡的曲面傾斜放置(相當于將一個圓形透鏡偏心地切割出一個矩形透鏡)，這樣第一蠅眼透鏡的輸出面成為一個平面，這樣的改變在工藝上是有利的。
本發明的第二蠅眼透鏡是由多個相同的矩形透鏡組成，矩形透鏡的數量與第一蠅眼透鏡相同，并與第一蠅眼透鏡上的矩形透鏡一一對應。
在原理上，一個LED、一個準直鏡、一個第一蠅眼透鏡和一個第二蠅眼透鏡構成了本發明的一個照明單元。準直鏡用于收集LED發出的光、并壓縮其光束發散角，通常使用透鏡或反射鏡作為準直鏡，在使用透鏡時，準直鏡位于LED與第一蠅眼透鏡之間，LED發出的光經準直鏡后照射到第一蠅眼透鏡上；在使用反射鏡作為準直鏡時，準直鏡位于LED端，LED發出的光角度較小的部分直接照射到第一蠅眼透鏡上，角度較大的部分經反射鏡反射后照射到第一蠅眼透鏡上。
一般來說，單個LED難以滿足投影機的光通量要求，需要多個單元同時工作，但本發明并不排斥使用單個LED，實際上，在能夠滿足光通量要求的情況下，應盡可能考慮使用較少的LED、甚至使用單個LED的可能性。在使用多個照明單元時，各照明單元并排放置，其中的第一蠅眼透鏡并排放置，組合成為第一蠅眼透鏡組，第二蠅眼透鏡并排放置，組合成為第二蠅眼透鏡組，在第二蠅眼透鏡組的光束出射方向放置一個會聚透鏡，從而構成本發明的多光源照明系統，被照明物體——微顯示面板被放置在會聚透鏡的焦平面附近，在需要時微顯示面板也可以以傾斜的方式放置，但其中心仍應放置在會聚透鏡的焦點附近。
需要特別指出的是本發明的照明系統并不是唯一的，在不違背本發明實質的前提下，本發明的照明系統可以有其他變形，如將第一蠅眼透鏡的輸入、輸出面對調等。此外，以本發明的照明系統作為基本照明單元可以構成多種照明系統，這仍不違背本發明的實質。
本發明的微顯示面板可以是液晶面板、硅上液晶面板或是數字微鏡(DMD——Digital Micro-reflector Device)。
本發明是這樣工作的光源LED發出的光由準直鏡壓縮其光束發散角，之后照射到第一蠅眼透鏡上，光束被第一蠅眼透鏡分割成為與構成第一蠅眼透鏡的矩形透鏡數目相同的多個細光束，每個細光束都被分別會聚到第二蠅眼透鏡上相應的矩形透鏡附近，透過第二蠅眼透鏡后由會聚透鏡會聚到微顯示面板上。
采用本發明的投影機將具備以下優點1.本發明采用LED作為光源，LED是一種冷光源，單個LED的發熱比常用的高壓汞燈、氙燈等放電光源要低得多，在采用多個LED工作時發熱比較分散，因而對系統散熱的技術要求較低；2.LED具有很長的壽命，可以保證投影機整個壽命期不再需要更換光源；3.可以在投影機中使用紅、綠、藍三基色的LED，因而在這類投影機中不需要使用分色裝置；
4.采用LED為照明光源的投影機中，色平衡的實現可以有兩種辦法一種是采用不同數量的三基色LED實現色平衡；另一種是通過控制三基色LED的發光時間以實現色平衡，因而可以不需要犧牲光能量來實現色平衡；5.LED發光的譜線寬度較小，可以實現很好的色彩鮮艷程度。


圖1為本發明多光源照明系統的結構組成示意圖。
圖1中，1為LED，2為準直鏡，3為第一蠅眼透鏡，4為第二蠅眼透鏡，5為會聚透鏡，6為微顯示面板。
圖2為本發明實施例的照明單元之一。
圖2中，1為LED，2為準直鏡，3為第一蠅眼透鏡，4為第二蠅眼透鏡。
圖3為本發明實施例的照明單元之二。
圖3與圖2不同的是，準直鏡2采用了反射鏡。
圖4為本發明實施例的照明單元之三。
圖4中采用了與圖2不同結構的第一蠅眼透鏡3。
圖5為采用本發明照明系統的液晶投影機的光學系統。
圖5中，7為PBS陣列，8為投影鏡頭，9為X型棱鏡，微顯示面板6采用透射式液晶面。
圖6為采用本發明的DLP投影機的光學系統。
圖6中，8為投影鏡頭，微顯示面板6采用為數字微鏡。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的技術方案作進一步的描述。
圖1所示是本發明多光源照明系統的一個實施例的結構組成示意。圖中的虛線范圍內是一個照明單元，由一個發光二極管1、一個準直鏡2、一個第一蠅眼透鏡3以及一個第二蠅眼透鏡4構成一個照明單元。各照明單元并排放置，其中的第一蠅眼透鏡3并排放置，組合成為第一蠅眼透鏡組，第二蠅眼透鏡4并排放置，組合成為第二蠅眼透鏡組，在第二蠅眼透鏡組的光束出射方向放置一個會聚透鏡5，數個照明單元與一個會聚透鏡5構成了本發明的多光源照明系統。被照明物體——微顯示面板6被放置在會聚透鏡5的焦平面附近。
第一蠅眼透鏡3由多個矩形透鏡組成，第二蠅眼透鏡4是由多個相同的矩形透鏡組成，矩形透鏡的數量與第一蠅眼透鏡3相同，并與第一蠅眼透鏡3上的矩形透鏡一一對應。
圖1中的第一蠅眼透鏡3和第二蠅眼透鏡4是分別制作在一個基板上制成的，這樣做在某些時候是方便的，例如在試制蠅眼透鏡時，比較多地采用先制造獨立的矩形透鏡，然后將這些矩形透鏡在一塊基板上膠合而得到蠅眼透鏡初樣；又比如在用模壓方法制造蠅眼透鏡時，也需要一個基板，便于做模壓后的后期加工、固定等。需要特別指出的是構成照明系統的照明單元數應該根據投影機對光通量的要求來決定，并不僅限于圖1所顯示的照明單元數目，實際上，大多數情況下需要更多的照明單元才能滿足投影機對光通量的要求。
在工作時，LED1發出的光通過準直鏡2后，被第一蠅眼透鏡3分割為多個細光束，每個細光束都會聚到第二蠅眼透鏡4上的對應矩形透鏡附近，然后由會聚透鏡5會聚到微顯示面板6上，微顯示面板6可能是LCD面板、LCOS面板、DMD面板或其他可能形式的微顯示面板。
圖2所示為本發明的一個照明單元，由一個發光二極管1、一個準直鏡2、一個第一蠅眼透鏡3和一個第二蠅眼透鏡4構成。光源采用LED，LED本身發出的光具有較大的發散角、同時其發光的光場分布也不均勻，必須采取措施收集光能量、并改善其光場的分布，以滿足投影機對光場均勻性以及光能量的要求。LED1發出的光通過準直鏡2后，其發散角被壓縮到一個較小的角度，之后被第一蠅眼透鏡3分割為多個細光束，并會聚到第二蠅眼透鏡4上的對應矩形透鏡附近。第一蠅眼透鏡3由多個矩形透鏡組成，矩形透鏡的數量一般為m×n個，m和n分別表示蠅眼透鏡的行和列上的矩形透鏡數量，m和n既可以是奇數、也可以是偶數，矩形透鏡的數量與投影機對光場均勻性的要求有關，一般來說，均勻性要求高，則矩形透鏡的數量要多一些，此外，對于中心不在光軸上的矩形透鏡，透過矩形透鏡中心的光線與光軸是不平行的，必須校正這種不平行，一種校正方法是在這些矩形透鏡的后面加一光契，使得光束的主光線在通過光契后能與光軸平行，光契的角度θ可以由下式確定θ=αn-1]]>式中α為主光線與光軸的夾角、n為光契材料的折射率。
第二蠅眼透鏡4是由多個相同矩形透鏡組成的，矩形透鏡的數量與第一蠅眼透鏡3相同，并與第一蠅眼透鏡3上的矩形透鏡一一對應。
圖3是本發明實施例的照明單元之二，與圖2不同的是在本實施例的照明單元中，準直鏡2采用的是反射鏡。
圖4是本發明實施例的照明單元之三，其中的第一蠅眼透鏡3采用了與圖2不同的結構，主要差別在于對透過矩形透鏡中心的光線與光軸的不平行的校正，采用的方法是將矩形透鏡的曲面傾斜放置(相當于將一個圓形透鏡偏心地切割出一個矩形透鏡)，這樣第一蠅眼透鏡3的輸出面就變為一個平面。
本發明的照明系統依據的是光積分的原理。如圖1所示，被第一蠅眼透鏡3分割的光束在透過第二蠅眼透鏡4和會聚透鏡5之后，光束被分布到微顯示面板6上，這樣微顯示面板6上的每一個點都可以得到來自每個細光束的照明，即實現所謂的光積分。同時，為了得到清晰的照明范圍，第二蠅眼透鏡4的焦平面位于第一蠅眼透鏡3上，微顯示面板6位于會聚透鏡5的焦平面上，這樣，微顯示面板6與第一蠅眼透鏡3的每一個矩形透鏡均構成物像關系，照明區域的大小為會聚透鏡5的焦距與組成第二蠅眼透鏡4的矩形透鏡的焦距的比值乘以矩形透鏡的尺寸。
作為本發明的具體應用之一，圖5顯示了采用本發明照明系統的三板式液晶投影機的光路結構。在該投影機中，使用了三個照明系統，三個照明系統分別使用紅、綠、藍三基色的LED，以提供三基色的照明。為了給微顯示面板6提供正常工作所需要的偏振光照明，在第二蠅眼透鏡4與會聚透鏡5之間插入PBS陣列7，微顯示面板6采用液晶面板，每一個液晶面板實際上都是一個組件，至少包含了一個液晶面板和一個偏振片，攜帶圖像信號的三基色光由X型棱鏡9合成為彩色圖像，最后由投影鏡頭8投射到屏幕上。
作為本發明的具體應用之二，圖6顯示了采用本發明照明系統的數字光線處理器(DLP——Digital Light Processor)投影機的光路結構。該投影機采用了數字微鏡DMD作為微顯示面板6。為了處理彩色信號，照明系統使用了三基色的LED作為光源，三基色LED在一個圖像顯示周期內被依次點亮，對DMD提供照明，與之相對應，外部電路依次給DMD加以對應顏色的圖象信號，由于人眼的視覺暫留，在屏幕將看到彩色的圖像。
在本實施例中，由于微顯示面板6是傾斜放置的，微顯示面板6與組成第一蠅眼透鏡3的矩形透鏡間不再是嚴格的物像關系，盡管如此，微顯示面板6的中心仍然必須放置在與矩形透鏡中心成物像關系的位置。
需要說明的是在上述兩個本發明的具體應用中，照明系統使用的照明單元數僅作示意用途，并不是實際使用的數量，實際使用的LED數目需要根據光通量的需要確定。光學系統的結構也僅是原理性的，上述實施例和具體應用實例僅僅是為了揭示本發明的實質，并非用于限定本發明，實際上，基于本發明的原理可以構成多種形式的照明系統和投影機，而不限于上述實施例和具體應用。
權利要求
1.一種用于投影機的多光源照明系統，其特征在于由一個發光二極管(1)、一個準直鏡(2)、一個第一蠅眼透鏡(3)以及一個第二蠅眼透鏡(4)構成一個照明單元，準直鏡(2)位于發光二極管(1)與第一蠅眼透鏡(3)之間，第一蠅眼透鏡(3)由多個矩形透鏡組成，第二蠅眼透鏡(4)由多個相同的矩形透鏡組成，矩形透鏡的數量與第一蠅眼透鏡(3)相同，并與第一蠅眼透鏡(3)上的矩形透鏡一一對應，這些矩形透鏡的物方焦平面位于第一蠅眼透鏡(3)上，一個或數個照明單元與一個會聚透鏡(5)構成多光源照明系統，微顯示面板(6)放置在會聚透鏡(5)的焦平面附近，發光二極管(1)發出的光由準直鏡(2)壓縮光束的發散角，成為發散角較小的準直光束照射到第一蠅眼透鏡(3)，被第一蠅眼透鏡(3)分割為與其矩形透鏡數量相同的細光束，這些中心與光軸平行的細光束均被第一蠅眼透鏡(3)會聚到第二蠅眼透鏡(4)附近，并透過第二蠅眼透鏡(4)由會聚透鏡(5)會聚到微顯示面板(6)上。
2.如權利要求1的用于投影機的多光源照明系統，其特征在于由數個照明單元與一個會聚透鏡(5)構成的多光源照明系統中，各照明單元并排放置，其中的第一蠅眼透鏡(3)并排放置，組合成為第一蠅眼透鏡組，第二蠅眼透鏡(4)并排放置，組合成為第二蠅眼透鏡組，在第二蠅眼透鏡組的光束出射方向放置一個會聚透鏡(5)。
3.如權利要求1的用于投影機的多光源照明系統，其特征在于所述的第一蠅眼透鏡(3)中，中心不在光軸上的矩形透鏡的輸出面為傾斜平面，使穿過該矩形透鏡的主光線平行于光軸。
4.如權利要求1的用于投影機的多光源照明系統，其特征在于所述的第一蠅眼透鏡(3)中，中心不在光軸上的矩形透鏡的曲面傾斜放置，使第一蠅眼透鏡(3)的輸出面成為一個平面。
5.如權利要求1的用于投影機的多光源照明系統，其特征在于所述的準直鏡(2)為反射鏡，位于發光二極管(1)和第一蠅眼透鏡(3)之間的光源端。
全文摘要
一種用于投影機的多光源照明系統，由一個發光二極管、一個準直鏡、兩個蠅眼透鏡構成照明單元，第一蠅眼透鏡由多個矩形透鏡組成，第二蠅眼透鏡由多個相同的矩形透鏡組成，其數量與第一蠅眼透鏡相同并一一對應，一個或數個照明單元與一個會聚透鏡構成多光源照明系統。發光二極管發出的光由準直鏡壓縮光束的發散角，成為發散角較小的準直光束照射到第一蠅眼透鏡，被第一蠅眼透鏡分割為與其矩形透鏡數量相同的細光束，這些中心與光軸平行的細光束均被會聚到第二蠅眼透鏡附近，并透過第二蠅眼透鏡由會聚透鏡會聚到微顯示面板上。本發明對系統的散熱要求低，光源壽命長，不需要犧牲光能量來實現色平衡，并具有很好的色彩鮮艷度。
文檔編號G02B3/00GK1554982SQ20031012280
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月25日 優先權日2003年12月25日
發明者王蔚生, 藤森知雄, 竇曉鳴, 黃維實, 雄 申請人:上海交通大學