光学系统的制作方法

专利名称：光学系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及照明系统，特别是用于SSTV、迪斯科照明、照明控制台 和光琴(clavilux)的照明系统。
背景技术：
近年来，用于舞台、摄影棚和电视(SSTV)系统和娱乐应用的照 明投影仪需要提供多种不同的照明效果。这些照明效果，可以例如提 供变化的光束角度、改变光束形状、形成简单的图像、形成移动的图 像、改变光的方向，并提供色彩效果以及另外的其它效果。
现有技术中已知的照明投影仪使用面素灯，例如高强度放电(HID) 灯。在现有应用中使用的HID灯形成高强度光束，并且其功耗高达甚 至超过1000瓦特。
与这些HID灯一起使用的光形成元件不得不承受高温。特别地， 液晶和用作投影门(projection gate)的聚合物复合材料对温度是敏 感的。为了减少发射光被吸收的红外部分，US2003 / 0035290A1提出通 过液体过滤器单元控制温度。并且，提出采用温度吸收镜。然而，这 些元件具有增加照明系统复杂度的缺点。并且，作为系统部分的部件 越多，系统内就越容易出错。温度控制的失效不可避免地会导致对投 影门的破坏。
并且，为了实现色彩控制，建议使用各种过滤器组件(filter assemblies)并使它们能够移动。这会增加该系统的机械复杂度。另外， US2003 / 0035290A1没有为移动光束的方向提供任〗可解决方法，而这在 G0B0投影仪中经常是必须的。

发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种具有减弱的UV和IR发射以 保护有源光学元件的照明系统。本发明的另一目的是根据非机械装置 形成色彩效果。本发明的另一目的是通过非机械装置形成束偏转。本 发明的另 一 个目的是借助于低复杂度的机构提供成像和束控制。
这些和其它目的通过特别是在SSTV应用中用于形成动态光效果的
光学系统实现，所述光学系统包括为产生光束设置的光束源，为控制光束而设置的投影门，其中光束源由至少一个发光二极管构成，投影
门包括至少一个液晶(LC)光学元件。
投影门可以包括用于通过控制光以使投影图像具有局部强度变化 而成像的装置。并且,束形成和导向装置(beam shaping and direct ing means )可以包括在投影门中。可以设置束形成装置以控制光束的方向、 形状、外形和分离。可以形成成像装置以控制光束的强度和对比度， 但不控制光束形成。在投影门中成像装置和束形成装置可以选择性地 组合。所述装置可以设置成在空间上彼此分离。成像装置优选设置在 投影的焦距内并且优选设置束形成装置以靠近光学系统的透镜(在透 镜之前或之后)。两个装置都可以由LC元件构成。
该系统由液晶(LC)元件和由至少一个发光二极管(LED)制成的 光源构成。LED可以如高强度气体放电灯那样发射光。然而，LED发射 的光具有窄的光谱且不包含任何红外(IR)或紫外(UV)成分。这具 有很大的优势在于，IR和UV辐射通常被放置在光束路径中的有源光学 部件例如LC元件吸收。这会导致这些元件的过热。
本发明的另 一方面是一种包括如前所述系统的光投影仪(Hght projector)。


通过结合

，将更清楚本发明的这些和其它方面。附图中 示出了
图l:根据实施例的光投影系统；
图2A-2B:说明了根据第一实施例的投影门；
图3A-B:说明了根据第二实施例的投影门；
图4A-B:说明了根据第三实施例的投影门；
图5:说明了根据第四实施例的投影门；
图6:说明了根据第五实施例的投影门；
图7A-B:说明了^4居第一实施例的GRIN元件；
图8A-D:说明了电极图案的不同布置；
图9A-B:说明了电极图案的另一排列；
图10A-B:说明了具有极化分束器的实施例；
图11A-B:说明了具有极化分束器的另一实施例；
具体实施方式
图1说明了根据实施例的用于提供照明效果的系统2。该系统2由 外罩4、多个LED 6、投影门8和透镜10构成。图示的是作为成像装 置7和束形成装置(beam shaping means) 9的组合的投影门8。投影 门8可以包括既在空间上彼此分开设置又集成在一组装置内的这些装 置。元件4-10的布置仅是一个示例，可以根据应用需要改变。LED 6 产生被引导穿过投影门8和透镜10的光束12。如所述，成像装置7设 置在透镜10前面。优选地，成像装置设置在投影(projection)的焦 距内。束形成装置9设置在透镜10后面，但也可以设置在透镜10前 面。
成像装置7和束形成装置9包括用于提供光束改变的LC元件。
也可以三个LED—组形成一个照明元件6。在该组中， 一个LED发 射绿光， 一个LED发射红光， 一个LED发射蓝光。通过控制该三个一 组中的每一个LED，可以产生任何颜色且在不4吏用滤色器(color filther)的情况下可以实现色彩效果。
电子控制单元5可以用于控制照明元件6、成像装置7和束形成装 置9。电子控制单元5可以控制照明元件6中LED的强度以形成不同的 颜色和动态效果。电子控制单元5可以为投影门8中的电极施加电压 以产生动态照明效杲。其能控制束形成装置9以形成光束的形状和方 向。其还能控制成像装置7以形成不同的光强度、散射光并形成图像。
投影门8的成像装置7和束形成装置9可以包括液晶LC元件阵列， 每个元件可以代表投影图像的一个像素单元。LC元件可以通过控制接 口被控制。使用控制接口，可以实现LC元件的自动控制。
通过控制用于成像装置7的LC元件，光可以被传输到外罩4的外 部、反射回外罩4内、散射并折射。没有被投影透镜IO聚集的光不会 被投射。通过这种方式可以形成一定对比度的图像。
束形成装置9可以放置在投影透镜10的前面或后面，并可以用于 控制束的形状和/或方向。在下面的附图中说明了可以用于成像装置7 和束形成装置9的LC元件的结构。
图2A和2B说明了具有光学元件的成像装置7。说明了透明板14、 透明电极16和液晶凝胶18。透明板可以由承载电极16的承载衬底制 成。衬底可以例如是玻璃衬底。施加的电场可以影响凝胶18内液晶分 子的取向。例如，如图2A中所示，通过使用取向层20，可使凝胶18的液晶 分子垂直于玻璃板沿着光束12的方向取向。在这种状态下液晶凝胶18 可以形成为透明的。例如，当电才及16之间的电压为零时，图2A中的 液晶18可以形成为平行于光束方向取向。如所示，入射光束12A被引 导穿过液晶18传播并不被散射地离开成像装置7。液晶凝胶18可以由 聚合物和液晶分子构成。取向层20可以包括聚合物、表面活化分子或蒸发氧化物，其可以 导致在它们顶上的液晶分子形成不同的取向。当这些层利用如液晶显 示器工业中经常使用的织物进行抛光(buff )时，经常能得到单轴平 面取向。在所谓的图像对准的情况下，层20暴露到偏振光下，使用该 光是为了将光的偏振与液晶分子对准。 一种经常用于取向层的聚合物 是聚酰亚胺(polymide)。在电极16之间施加电压的情况下，如图2B所示，液晶凝胶18变 得离散且光束12被散射。当衬底14上的透明电极16之间的电压为零 时，液晶18是透明的，而当在电极16之间施加电压时，入射光12A 变成散射的12B 。图2A和图2B中说明的元件可以是像素化元件，每 个像素表示由成像装置7形成图像的一个像素。图3A和图3B说明了成像装置7,其与图2A和2B中说明的成像装 置7的工作方式相反。当在衬底14上的透明电极16之间提供零伏信 号时，入射光12A被散射，而当提供足够高的电压时，液晶18变得透 明并且光束12B离开投影门8。图3A和3B中示出的液晶溶胶18可以用于光在一个方向上散射的 各向异性散射。在那种情况下，如图4A和4B中所示，如取向层20导 致的，液晶18分子的初始取向平行于电极16取向。在电极14之间没 有施加电压的情况下，成像装置7是透明的。由于聚合物的存在在单 元内形成了畴，在电极14之间施加的电场导致了散射。上述LC元件可以用作成像装置的实施例，但也可以用于束形成装置 9中的束控制。投影门可以包括光反射元件。光反射元件可以是胆甾型 元件或可切换胆甾型元件，或线性偏振光反射元件。束形成装置可以 提供束偏转。束偏转可以由光栅结构或可切换元件产生。投影门也可 以包括可切换波片元件，或可切换GRIN元件。图5说明了束形成装置9的实施例。在图5中，示出束形成装置9具有透明板14、电极16和液晶18。电极16覆盖有取向层20。进一步 说明的是炫耀光4t结构(blazed grating structure) 22，其可以由 具有单个折射系数的各向同性的材料或具有多于一个折射系数的宏观导向的双折射各向异性材料制成。根据分子的取向，光会朝某一方向 折射。光栅结构16的有效折射系数可以通过在电极16之间施加或不 施加电压来改变。根据光栅结构16的折射系数，入射光束12A折射到 角度12B，或保持相同的12BC。当在电极16之间施加电场，液晶18 分子的取向可以从他们的如导向层20导致的初始方向改变。如图5中示出的结构，施加电场仅会影响分子有效折射系数的其 中一个。因此，仅会影响极化方向的其中一个。如果需要影响两个极 化方向，需要在结构中使用两个这样的元件，其中在这种结构中，该 元件中的液晶分子的取向彼此正交。分子的取向方向也可以保持相同， 然而在那种情况下需要在元件之间插入极化旋转体例如半波片。为了选择性地改变光束方向，可以使用可切换反射器。如图6中 所述，该反射器可以例如包括所谓的手性液晶结构(chiral liquid crystalline structure)。图6说明了具有透明板14、电极16和液晶18的束形成装置9。 电极16上被层叠有取向层20。取向层20限定液晶18分子的取向。手 性液晶分子具有反射一个波段的圆偏振光12B而通过另一个波段的具 有反指向的圓偏振光12C的特性。反射波段的位置是一个由在手性液 晶混合物中存在的所谓手性分子的量确定的特性。为了提供选择性地导向某种颜色，在透明电极16之间施加电压， 其去除了液晶63的螺旋状结构并使单元透明。为了反射两个极化方向， 可以使用双单元结构。在该结构中， 一种可能是使用包含手性材料的 单元，其反射圆偏振光的左和右极化方向。另可以使用这样的单元， 其利用之间的半波片反射相同圆偏振指向的光。为了影响光束12的形状和尺寸，提出了如图7A和7B中示出的液 晶折射系数梯度(GRIN)元件或阵列。这样的元件可以是投影门8的 一部分。图7A和7B中示出了包括透明板14、透明电极16和液晶18 的GRIN元件24。液晶18分子的宏观取向由取向层20导致，该取向层 20可以由摩擦聚合物层制成。GRIN元件的要点在于图案化的电极16。电极16在整个表面上没有均匀分布，但形成了一个图案。在所述情况下，电极16彼此对准并 形成平行的条。电极16的设置允许扩展(broaden)所述的束并使其倾斜。如所示，透明板14的两个表面都包含了图案化电极16,其中电极 16彼此对准以使图案示出了几乎完美的重叠。图7A示出了当电才及16不施加电压时电场的场线。在这种情况下， 光束12A被均匀地引导通过GRIN元件24。如图7B中所示，当在电极16之间施加电场时，直接在电极之间 的电势是最高的。场线泄漏在电极16之外，导致他们的非均匀性。结 果，液晶18的折射系数梯度形成在不包含电极的区域中。如果透明电 极包含以周期性距离隔开的线电极，如图7A和7B所示，可以导致圓 柱透镜。如图7A中所示，当电极之间施加的电压为零时，液晶分子是单轴 取向并且在GRIN元件24中没有透镜工作，然后束12A在不^皮改变的 情况下经过单元。如图7B中所示在电极16之间施加电场，形成在电 极16之间区域中感应的折射系数梯度，并且改变了光束12的路径。 如图7B中所示的圆柱透镜可以用于束扩展。如图7A和7B示出的图案化电极可以具有任何结构，在图8A-D 中示出了多种示例。通过定义电极的图案，可以形成不同的束。图8A示出了其中电极16具有圓形孔的图案的顶视图。图8B示出 了其中电极16具有六角形(hexal)孔的图案的顶视图。图8C示出了 图案顶视图，其中电极成一行对准，其对应于图7A和图7B中示出的 图案。在图8D中，电极16的图案是栅格。电极的图案没有必要在整个表面上都是均匀的。例如图9A-B示 出了电极16,其中不同的段也可以具有不同的图案。两个电极16没有必要都具有相同的图案。根据实施例，GRIN元件 24可以形成，其中仅仅一个表面上提供电极图案，另一表面不包括任 何图案。在另一实施例中，图案化电极(一个或多个)可以被具有非 常高表面电阻的层覆盖，其中所述电阻在百万欧姆/平方范围内。上述GRIN元件24显示出了极化依赖性，因为有效折射系数中的 仅仅一个被施加电场而改变。如果两个极化方向都需要被影响，在一 个结构中需要使用两个这样的元件，在所述结构中，该元件中液晶分子的取向彼此正交。在两个元件中，分子的取向方向可以保持相同， 然而在那种情况下在元件之间需要插入半波片。GRIN元件24可以用于单个像素或多个像素。在这样的像素化单元 中，可以形成不同的束形状。所述的部件原理上针对于非偏振光。如果来自光源的光通过使用 本领域已知的方法如极化分束器被转变成偏振光，则可以提供如图10A 和图10B中所述的可切换部件和效果。例如，投影门8可以包含具有液晶18的元件，该液晶18设置成 把线性偏振光的偏振方向旋转90度。这种元件可以是扭曲向列的、半 波铁电的或向列的。当这种元件与四分之一波片组合时，光可以在左 圓偏振状态和右圓偏振状态之间切换。当其与可切换四分之一波片结 合时，光可以在四种状态之间切换(左圆偏振(LCP )、右圓偏振(RCP )、 水平线性偏振(HLP)、垂直线性偏振(VLP))。偏振光学元件可以设置在光束路径上以形成不同的效果，例如根 据光偏振状态的光偏转或光反射。图IOA和IOB说明了具有可切换偏振旋转器26、四分之一波片28 和胆甾反射器30的束成形装置9的示例。在该示例中，光束12可以 是线性偏振光。如图IOA所示，在工作中，线性偏振光束12A通过偏振旋转器26, 然后通过四分之一波片28。在四分之一波片28中，光束12A变成圆偏 振光束12B。光束12B的圆偏振可以具有与胆甾反射器30相同的指向。 因此，光束12B被反射了。在图IOA和IOB所示的示例中，使用了胆甾(cholesteric )反射 器。也存在反射线性偏振光的反射器。在那种情况下不需要使用四分 之一波片。偏振旋转器26可以设置有液晶18,该液晶18设置成把线性偏振 光的偏振方向旋转90度。这种元件可以是扭曲向列的、半波铁电的或 向列的。如图10B所示，当通过施加电场激活该偏振滤光器时，该光 束12B呈现出相反圓偏振状态并通过胆留反射器30传输。在图11A和图11B中，示出了其中使用了偏振分束器的另一实施 例。这种偏振分束器可以是包含了各向同性和双折射层的结构。线性 偏振光束12A穿过偏振旋转器26并通过偏振分束器(polarizing beamsplitter ) 30偏转。当偏振旋转器26被激活时，偏振方向被旋转90 度并且光束12B不被偏转地穿过偏振分束器30。上述用于投影门的LC效应由施加的电场产生。因此，电子控制单 元5可以用于施加电压以^更以希望的顺序形成动态效果。并且，这些 效果能耦合到LED的强度控制单元，以使得能以所希望方式形成颜色、 强度、图像和束形状效果。虽然通过应用优选实施例的方式已经示出和描述了本发明的主要 的和新颖的特征，但是可以理解本领域技术人员在不脱离本发明精神 的情况下，可以对所述器件和方法的形式和细节作出多种省略、替换 和改变。例如，通过基本相同的方式以得到相同结果从而实现相同功 能的这些元件和/或方法步骤的组合都在本发明的范围之内。并且， 应当意识到与本发明任何描述形式或实施例结合示出或描述的结构和 /或元件和/或方法步骤，可以与任何其它描述或建议的形式或实施 例结合以实现设计选择的总目的。本发明因此仅由所附权利要求的范 围限制。应当意识到任何附图标记不应该构成为限定权利要求的范围。
权利要求
1. 一种用于形成动态光效果的光学系统，包括 -光束源(6),设置成用于产生光束； -投影门(8)，设置成用于控制所述光束，其中 -所述光束源(6)由至少一个发光二极管构成； -所述投影门(8)包括至少一个液晶(LC)光学元件。
2. 如权利要求1的光学系统，其中所述投影门(8)包括用于控 制所述光束内的强度分布的成像装置(7)。
3. 如权利要求1的光学系统，其中所述投影门(8)包括用于控 制所述光束的形状和/或方向的束形成装置(9)。
4. 如权利要求l的光学系统，其中所述投影门(8)是分段单元， 其包括至少 一段用于形成图像的光学有源部件。
5. 如权利要求1的光学系统，其中所述投影门(8)包括各向异 性无源光学元件。
6. 如权利要求1的光学系统，其中所述投影门(8)包括向列液晶。
7. 如权利要求l的光学系统，其中投影门包括至少两个用于对准 液晶的电极(16)。
8. 如权利要求1的光学系统，其中所述光束源(6)由发光二极 管阵列构成。
9. 如权利要求l的光学系统，其中所述至少一个发光二极管发白光。
10. 如权利要求9的系统，其中所述发光二极管阵列包括 -至少一个发射红或绛红光的发光二极管，和/或 -至少一个发射黄或绿色光的发光二极管，和/或-至少一个发射蓝或青色光的发光二极管。 11， 一种包括权利要求1的系统的光投影仪。
全文摘要
照明系统，特别是用于SSTV、迪斯科照明、照明控制台和光琴的照明系统。为了减小噪音并增加耐用性，系统包括设置成产生光束的光束源(6)、设置成控制光束的投影门(8)，其中光束源(6)由至少一个发光二极管构成，投影门(8)包括至少一个液晶(LC)光学元件。
文档编号F21V14/00GK101313176SQ200680043542
公开日2008年11月26日 申请日期2006年11月13日 优先权日2005年11月21日
发明者B·霍夫曼, H·范威恩加尔德, R·A·M·西克梅特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司