导光管、采用它的彩色照明系统和投影系统的制作方法

专利名称：导光管、采用它的彩色照明系统和投影系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种导光管，该导光管通过没有损耗地对入射光进行分色并滚动该分色光束，来提高光效率和获得小尺寸，还涉及采用该导光管的彩色照明系统和采用该彩色照明系统的投影系统。
背景技术：
发出按照光阀的数量，投影系统被分为三面板投影系统和单面板投影系统，该光阀通过控制象素阵列基板上的高输出灯泡所发出光的通断，构成的一幅图像。单面板投影系统具有比三面板投影系统更小的光学系统，但因为依次使用由白光分离成的红、绿和蓝(R、G和B)颜色光，单面板投影系统仅提供小于三面板投影系统1/3的光效率。因此，有人进行了增加单面板投影系统的光效率的尝试。
在一般的单面板投影系统中，使用彩色滤光器将白光源辐射的光分离成R、G和B颜色，三种颜色依次传输到光阀。光阀根据接收到的颜色顺序适当操作并形成图像。如上所述，单面板投影系统依次使用颜色光，所以光效率被减少到三面板光学系统光效率的1/3。一种滚动的方法被提出来解决这个问题。在彩色滚动的方法中，白光被分离成R、G和B颜色，三种颜色光被传送到光阀的不同位置上。因为直到每个像素的全部R、G和B颜色光都到达光阀，才能产生图像，所以，要用特定的方法以恒定的速度移动彩色条带。
在常规的单面板滚动投影系统中，如图1所示，由光源100发出的白光经过第一和第二透镜阵列102和104和偏振光分束器阵列105，并被第一至第四二向色滤光器109、112、122和139分离成R、G和B光束。更为具体地讲，例如，红色光束R和绿色光束G透过第一二向色滤光器109并沿第一光路11前进，而蓝色光束B被第一二向色滤光器109反射并沿光路12传播时，在第一光路11上的红色光束R和绿色光束G被第二二向色滤光器112分离。第二二向色滤光器112使红色光束R沿第一光路11透射，并使绿色光束G沿第三光路13反射。
如上所述，由光源100发出的光被分离成红色光束R、绿色光束G和蓝色光束B，这些光束在经过相应的第一至第三棱镜114、135和142时被滚动。第一至第三棱镜114、135和142分别放置在第一至第三光路11、12和13上，并以相同的速度旋转以使R、G和B彩色条带被滚动。分别沿第二和第三光路12和13传播的绿色光束G和蓝色光束B分别被第三二向色滤光器139透射和反射，进而合成在一起。最后，通过第四二向色滤光器122，将R、G和B光束合成。该合成光束透过偏振分束器127，并借助光阀130形成图像。
由于第一至第三棱镜114、135和142的旋转而产生的R、G和B彩色光束的滚动表示在图2中。当相应颜色的棱镜同步旋转时，在光阀130的表面上便形成了代表彩色条带移动的滚动。
光阀130通过处理每个像素的开关信号所决定的图像信息来形成图像。形成的该图像被投影透镜(未示出)放大并投影到屏幕上。
因为实施了为每种颜色提供一种光路这样的方法，就必须为每个颜色提供光路校正透镜，且必须为每个颜色提供用于再合成分离光束的部件。因此，光学系统是庞大的，并且由于复杂的制造和安装过程而使生产量降低。另外，由于旋转第一至第三棱镜114、135和142的三个电动机的运转产生了大量噪声，而且与采用一个电机的色盘方法相比，采用上述方法的常规投影系统的制造成本增加了。
为了使用滚动技术产生彩色图像，如图2所示的彩色条带必须以恒定速度移动。为了实现滚动，常规投影系统必须使光阀与三个棱镜同步。然而，控制同步并不容易。此外，棱镜114、135和142的滚动是圆周运动，三个滚动棱镜的彩色滚动速度是不一致的，因此降低了图像质量。

发明内容
本发明一方面提供一种设计成将入射白光分离成多个彩色光束的导光管。
本发明另一方面提供一种具有简单光学构造并能用滚动的彩色光束照射显示装置的彩色照明系统。
本发明再另一方面提供一种单面板投影系统，它被设计成具有简单光学构造且使得滚动容易与显示装置同步的单面板投影系统。
本发明提供一种导光管和采用该导光管的投影系统，该导光管通过根据颜色辨别彩色条带区域能提供不同色域或不同色温。
本发明还提供一投影系统，其通过包括单一彩色滚动单元变得紧凑并通过有效地执行彩色滚动来改善图像质量。
按照本发明的一方面，提供一基于本发明第一实施例的导光管，其包括第一、第二和第三二向色棱镜。第一二向色棱镜具有第一镜面，其相对于入射光的光轴倾斜并反射白光中的第一彩色光束而透射其他颜色光束。第二二向色棱镜具有第二镜面，其相对于入射光的光轴倾斜并反射透过第一二向色棱镜的彩色光束中的第二彩色光束而透射其他颜色光束。第三二向色棱镜具有第三镜面，其相对于入射光的光轴倾斜并反射透过第二二向色棱镜透射的第三彩色光束。
按照本发明的一方面，提供一基于本发明第二实施例的导光管，其包括第一、第二和第三二向色镜面。第一二向色镜面反射入射光中的第一彩色光束而透射第二和第三彩色光束。第二二向色镜面安装在透过第一二向色镜面的光的路径上，且具有与第一二向色镜面相同或不同的面积，并反射第二彩色光束而透射第三彩色光束。第三二向色镜面安装在透过第二二向色镜面的光的路径上，具有至少与第一和第二二向色镜面之一不相同的面积，并反射第三彩色光束。
按照本发明的一方面，提供一基于本发明第三实施例的导光管，其包括透过非偏振白光中的一偏振方向光，并同时反射另一个偏振方向反射光的第一偏振分束器、安装在第一偏振分束器下面的第二偏振分束器、与第一和第二偏振分束器邻接安装的多个偏振分束器、分别安装在多个偏振分束器前面用于改变入射光中相应颜色光束的偏振方向的多个彩色选择偏振器，和安装在第一和第二偏振分束器之一与距第一和第二偏振分束器最近的彩色选择偏振器之间的1/2波长。
在基于本发明第三实施例的导光管中，多个偏振分束器为依次与第一和第二偏振分束器邻接地依次安装的第三、第四和第五偏振分束器。多个彩色选择偏振器是安装在第一和第二偏振分束器阵列与第三偏振分束器之间并改变入射光中第一彩色光束偏振方向的第一彩色选择偏振器，和安装在第三与第四偏振分束器之间并改变入射光中第二彩色光束偏振方向的第二彩色选择偏振器。偏振转换器安装在第四与第五偏振分束器之间并改变入射光中第三彩色光束的偏振方向。偏振转换器是第三彩色选择偏振器或1/2波片。
按照本发明的另一方面，提供一种彩色照明系统，其包括产生并辐射光的光源、基于本发明第一实施例的导光管、用于聚焦分离光束的第一聚焦透镜和用于改变被第一聚焦透镜聚焦的分离光束的路径并周期性滚动该分离光束的滚动单元。导光管根据波长范围分离入射光并使被分离的光束以不同角度前进。第一、第二和第三二向色棱镜各自的外面，是由因其与外界折射率不同而使以预定角度入射的光在第一、二、三二向色棱镜内传播的反射面构成的。
按照本发明的另一方面，提供另一彩色照明系统，其包括产生并辐射光的光源、基于本发明第三实施例的导光管、和通过周期性改变已被导光管从光源辐射光分离成彩色光束的路径来执行彩色滚动的滚动单元。多个偏振分束器为依次与第一和第二偏振分束器邻接安装的第三、第四和第五偏振分束器。多个彩色选择偏振器是安装在第一和第二偏振分束器阵列与第三偏振分束器之间并改变入射光中第一彩色光束偏振方向的第一彩色选择偏振器，和安装在第三与第四偏振分束器之间并改变入射光中第二彩色光束偏振方向的第二彩色选择偏振器。偏振转换器安装在第五和第五偏振分束器之间并改变入射光中第三彩色光束的偏振方向。偏振转换器是第三彩色选择偏振器或1/2波片。
按照本发明再另一方面，提供一基于本发明第一实施例的投影系统，这投影系统包括产生并辐射光的光源、基于本发明第一实施例的导光管、聚焦分离光束的第一聚焦透镜、改变被第一聚焦透镜聚焦的分离光束路径并周期性滚动该分离光束的滚动单元、再次聚焦滚动单元透射光束的第二聚焦透镜、传动滚动单元透镜射光束的蝇眼透镜阵列、从透过蝇眼透镜阵列的光束产生图像的光阀、和放大被光阀产生的图像并投影该放大图像到屏幕上的投影透镜单元。
按照本发明另一方面，提供一基于本发明第二实施例的投影系统，其采用基于本发明第二实施例的导光管。
按照本发明另一方面，提供一基于本发明第三实施例的投影系统，该投影系统包括产生并辐射光的光源、基于本发明第三实施例的导光管、通过周期性改变已被导光管从光源辐射光分离成彩色光束的路径来执行彩色滚动的滚动单元、用于根据图像信号处理滚动光束而形成彩色图像的光阀、和放大被光阀所产生的图像并投影该放大图像到屏幕上的投影透镜单元。


本发明的上述及其他特征和优点通过参照附图对其典型实施例的详细描述将变得更加明显，其中图1是采用常规彩色照明系统的常规单面板投影系统的光学结构示意图；图2图解说明了R、G和B彩色条带是如何由图1棱镜的旋转而产生滚动；图3表示基于本发明第一实施例的彩色照明系统的光学结构，和基于采用该彩色照明系统的本发明第一实施例的投影系统的光学结构；图4是基于图3所示的本发明第一实施例的导光管光学结构的示意图；图5是图3光源和图4导光管一变型的光学结构的示意透视图；图6是图5的俯视图；图7是图5的正视图；图8是表示一驱动源和一在图3中被用作滚动单元的柱面透镜阵列的透视图；图9是图8的横截面；图10、11和12是说明图3彩色照明系统操作的示意图；图13是图3彩色照明系统一变型的光学结构的示意图；图14是自图13中选取的主要元件的示意透视图；图15是图3彩色照明系统另一变型的光学结构的示意图；图16表示基于本发明第二实施例的一投影系统的光学结构，其采用了基于本发明第二实施例的一导光管；图17是图16的导光管的俯视图；
图18是图16的导光管一变型的透视图；图19是图18的导光管的俯视图；图20是图16的导光管另一变型的俯视图；图21A是用于图16投影系统采用的滚动单元中一螺旋透镜盘的正视图；图21B是图16投影系统采用的滚动单元的透视图；图22表示由基于本发明一导光管形成的彩色条带的形状；图23表示基于本发明第三实施例中的一导光管的透视图；图24是表示基于本发明第三实施例的投影系统光学结构；图25A是图24中的导光管的俯视图；图25B是图24中导光管的正视图；图26A和26B分别表示基于本发明的第三实施例的投影系统当不包括第二螺旋透镜盘和包括第二螺旋透镜盘时模拟的光束发散角；图27A至27C基于本发明的第三实施例的投影系统采用的玻璃棒的工作效果的说明图；图28是图23中投影系统的一变型的整个结构的示意图；图29表示通过改变图28中变型投影系统的光学结构获得的光学结构。
具体实施例方式
图3表示基于本发明第一实施例的彩色照明系统的光学结构和基于采用该彩色照明系统的本发明第一实施例的投影系统的光学结构。参照图3，基于本发明第一实施例的彩色照明系统包括光源60、导光管70、第一聚焦透镜85和滚动单元90。导光管70按波长范围分离从光源60发出的光。第一聚焦透镜85聚焦被导光管70分离的光束。滚动单元90通过改变不同波长范围的分离光束的传播路径形成彩色条带，并且滚动入射的分离光束以使彩色条带周期性地滚动。
光源60产生并发出白光，其包括产生光的灯泡61，反射从灯泡61发出的光并引导该反射光路径的反射镜63。反射镜63可以是椭圆形反射镜，其第一焦点在灯泡61的位置上，其第二焦点是光的聚焦点。此外，反射镜63可以是抛物线形反射镜，其用灯泡61作为一焦点，其被设计成使得从灯泡61发出并被抛物线形镜反射的光束是准直的。图3所示的反射镜63是椭圆形镜。
导光管70根据一波长范围分离入射光并使该分离光束以不同的角度前进。而且，导光管70可以通过防止分离光束以非理想方向发出来提高光的使用效率。
为此，基于本发明第一实施例的导光管70包括多个二向色棱镜，其各自都反射一特定波长范围的光并同时透射其他波长范围的光，以便可以根据波长范围分离入射光(L)。如图4所示，导光管70包括用于把入射光L分离成第一、第二和第三彩色光束L1、L2和L3的第一、第二和第三二向色棱镜79、81和83。
第一二向色棱镜79具有第一镜面80，其相对于入射光L的光轴以θ1角度倾斜。第一镜面80反射入射光L中的第一彩色光束L1并透射第二和第三彩色光束L2和L3。换句话说，第一镜面80反射蓝色光束B而透射其他颜色的光束。
第一二向色棱镜79还具有第一反射面79a和79b，其形成了第一二向色棱镜79的外面。第一反射面79a和79b反射入射光以使其在第一二向色棱镜79内传播。由于第一二向色棱镜79与外界的折射率的不同，入射光有一角度。更详细地，由于第一二向色棱镜79与外界的折射率的不同，第一反射面79a和79b完全反射以大于预定角(即临界角)的角度入射的光。从而，入射光L的光使用效率被提高。
第二二向色棱镜81靠近第一二向色棱镜79安装并有一第二镜面82，该面相对于入射光L的光轴以θ2角度倾斜。第二镜面82反射入射光L中的第二彩色光束L2，例如一红色光束R，并透射第一和第三彩色光束L1和L3。
第三二向色棱镜83靠近第二二向色棱镜81安装并有一第三镜面84，该面相对于入射光L的光轴以θ3角度倾斜。第三镜面84反射入射光L中的第三彩色光束L3，例如一绿色光束G，并透射第一和第二彩色光束L1和L2。第三镜面可以被能反射全部入射光的全反射镜代替。
第二和第三二向色棱镜81和83也分别有第二反射面81a和81b和第三反射面83a和83b，其构成了第二和第三二向色棱镜81和83的外面。由于第二反射面81a和81b和第三反射面83a和83b与第一反射面79a和79b所起的作用实质相同，所以不在这里详述。
如上所述，由于采使用第一、第二和第三反射面79a和79b、81a和81b和83a和83b，提高了光效率，因此能减小集光率(etendue)的变化对光学系统的影响。集光率表示一光学系统的光学守恒量。
θ1、θ2和θ3被设置成钝角，以使分别被第一、第二和第三镜面80、82和84反射的第一、第二和第三彩色光束L1、L2和L3能聚焦在图3中第一聚焦透镜85的像面(H)上。为此，钝角θ1、θ2和θ3最好满足等式1θ1＞θ2＞θ3…(1)但考虑到由第一、第二和第三镜面80、82和84相对于入射光L形成的角度，钝角θ1、θ2和θ3可以相同。在这种情况下，第一、第二和第三二向色棱镜79、81和83具有相同的尺寸。而且，分别被第一、第二和第三镜面80、82和84反射的第一、第二和第三彩色光束L1、L2和L3中的在如图4所示范围的第一、第二和第三彩色光束L1、L2和L3被用作有效光束，其余光束不被使用。
图4的导光管70适用于图像投影仪，该投影仪用作图像产生部件，如一微镜装置(未示出)或其它可以与入射光偏振方向无关地产生图像的部件的。
更好地，在第一二向色棱镜79光入射面的前面，导光管70还包括聚焦入射光L的聚焦透镜71。
参照图5至7，图4中导光管70的一种变型包括第一和第二偏振分束器73和75，1/2波片77和第一、第二和第三二向色棱镜79、81和83。第一、第二和第三二向色棱镜79、81和83各自都反射特定波长范围的光，并同时透射其他波长范围的光，以使入射光(L)被分离成第一、第二和第三彩色光束L1、L2和L3。该第一、第二和第三彩色光束通过第一、第二和第三镜面80、82和84被聚焦在图3的第一聚焦透镜85的像面(H)上。
第一偏振分束器73安装在第一二向色棱镜79的光入射面上，该分束器使具有非偏振白光中一个偏振方向的第一光束透过而传输到第一二向色棱镜79，同时将具有另一个偏振方向的第二光束反射向第二偏振分束器75。为此，将第一偏振滤光器74形成在第一偏振分束器73的镜面上。
图7表示了一个例子，其中光源60发出非偏振(P+S)白光，第一偏振滤光器74透射作为P+S白光中的第一光束的P偏振光，并反射作为第二光束的S偏振光。
参照图7，第二偏振分束器75再次反射由第一偏振分束器73反射的S偏振光，并使P偏振光向第一二向色棱镜79前进。由于第二偏振分束器75只改变S偏振光的路径并不改变其偏振方向，所以S偏振光的传播平行于透过第一偏振分束器75的P偏振光束。为此，第二偏振分束器75包括用于反射一偏振光的第二偏振滤光器75，例如入射白光中的S偏振光。第二偏振分束器75可由完全反射入射光束的全反射镜组成。
1/2波片77将一偏振方向接收光的相位改变90度。换句话说，1/2波片77将一偏振方向接收光变为另一偏振方向的光。在图5和图7中，1/2波片77安装在第二偏振分束器75和第一二向色棱镜79之间，且其将接收的第二光束的偏振方向转换成第一光束的偏振方向。换句话说，1/2波片77将第二偏振滤光器76所反射的S偏振光变为P偏振光。
作为选择，1/2波片77可以安装在第一偏振分束器73和第一二向色棱镜79之间，以便将接收的第一光束的偏振方向变为第二光束的偏振方向。
因为第一、第二和第三二向色棱镜79、81和83已经参照图4在上面文描述过，所以将不在这里描述。
更好地，图7中的导光管70，在第一偏振分束器73的光入射面的前面，还包括聚焦非偏振入射白光的聚焦透镜71。
具有如图5至图7所示的结构的导光管70能用于采用液晶显示作为图像产生部件的投影系统，该系统将稍后描述。
和上文描述形成对照，第一、第二和第三二向色棱镜79、81和83可以透射一特定颜色的光束且同时反射其他颜色的光束。而且，第一、第二和第三二向色棱镜79、81和83的光学布置可以改变。因为第一、第二和第三二向色棱镜79、81和83的制造过程在光学应用领域是熟知的，所以将不在这里描述。
参照前面的图3，第一聚焦透镜85聚焦已经被第一、第二和第三二向色棱镜79、81和83分束的入射光。为此，第一聚焦透镜85优选地是一柱面透镜。
作为选择，第一聚焦透镜85可以是一光学衍射元件，该元件为其上形成有衍射图案的平板，这样使得以相同方向传播的光束被聚焦。因为由衍射图案汇聚或发散入射光的透镜结构和制造过程是被广泛知晓的，所以将不在这里描述。
滚动单元90包括第一柱面透镜阵列91和第一驱动源100。第一柱面透镜阵列91由多个相互邻接布置并具有相同折射功率的柱面透镜91a形成。该柱面透镜91a独立聚焦或发散光。如图3所示，柱面透镜91a是凹面的，以便分散入射光。另一方面，柱面透镜91a可以通过在平板上形成衍射图案的方法形成。
更好地，滚动单元90还可包括一第二柱面透镜阵列93和一用于驱动第二柱面透镜阵列93的第二驱动源100′。第二柱面透镜阵列93安装在透过第一柱面透镜阵列91的光的路径上，并为了滚动入射光与第一柱面透镜阵列91协同工作。与第一柱面透镜阵列91类似，第二柱面透镜阵列93由多个相互邻接布置并具有相同折射功率的柱面透镜93a形成。这些柱面透镜93a独立聚焦或发散光。如图3所示，柱面透镜93a是凹面的，以便分散入射光。另一方面，柱面透镜93a可以是其上形成有衍射图案的平板。
第一和第二驱动源100和100′分别驱动第一和第二柱面透镜阵列91和93，以使透过第一和第二柱面透镜阵列91和93的光可以形成彩色条带，并且使该彩色条带可以被滚动。这样，彩色条带被形成在稍后描述的一图像产生部件130上的不同位置，并被滚动。例如三种颜色的光束R、G和B先按照G、R和B次序，然后按R、B和G次序，最后按B、G和R次序到达图像产生部件130上的不同区域。重复上述方式。驱动单元140可以是一音圈电动机或一根据压电原理被驱动的压电传动器即。
更好地，考虑到滚动单元90透射光的焦点位置和一致性，根据图3所示的本发明第一实施例的彩色照明系统包括第二聚焦透镜87、蝇眼(fly-eye)透镜110、和中继透镜120。中继透镜120在保持光恒量的大小的同时传送光到达一预定位置。
第二聚焦透镜87对透过滚动单元90的光进行再聚焦。更好地，第二聚焦透镜87是一设计为用于使入射光束中以相同方向传播的光束聚焦的柱面透镜。作为选择，第二聚焦透镜87可以是一光学衍射元件，该元件为其上形成有衍射图案的平板，以便聚焦以相同方向传播的光束。
蝇眼透镜阵列110安装在第二聚焦透镜87和中继透镜120之间的光路上，并与中继透镜120协同工作，以使在蝇眼透镜阵列110上形成的彩色条带阵列聚焦在一预定元件，即光阀130的不同颜色区上。而且，蝇眼透镜阵列110均衡落在光阀130上光束的强度。为此，蝇眼透镜阵列110包括第一蝇眼透镜111，其具有二维地排列在其入射或出射面上的多个凸起部分111a，还包括邻接第一蝇眼透镜111安装的第二蝇眼透镜113，其也具有二维地排列在第二蝇眼透镜113的入射或出射面上的多个凸起部分113a。
中继透镜120将透过蝇眼透镜阵列110的光传送到一预定位置，例如光阀130。
具有这样结构的基于本发明第一实施例的彩色照明装置的操作现将参照图3和图10至图12描述。
图10表示由图3中第一和第二驱动源100和100′驱动而引起的第一和第二柱面透镜阵列91和93的一种排列。在这种情况下，被图3中的导光管70分离的不同波长的彩色光束被聚焦在第一聚焦透镜85上。被聚焦的光束再由柱面透镜阵列91分成多个光束。分离光束经过第二柱面透镜阵列93、第二聚焦透镜87、蝇眼透镜阵列110和中继透镜120，并在图3中光阀130的不同颜色区域形成彩色条带。形成的彩色条带按如附图标记130a表示的G、R和B次序向下排列。如上所述，不同彩色条带可以到达光阀130的不同颜色区域上。
更好地，设定由第一和第二聚焦透镜85和87、第一和第二柱面透镜阵列91和93所形成的焦距，以便当平行光束投射在第一聚焦透镜85上时，由第二聚焦透镜87发出的光束可被聚焦在蝇眼透镜111上。焦距通过适当选择第一和第二聚焦透镜85和87和第一和第二柱面透镜阵列91和93每一个的折射功率来确定。因为这个焦距的确定方法是熟知的，所以将不在这里作更详细地描述。
图11表示由第一和第二驱动源100和100′的驱动引起的第一和第二柱面透镜阵列91和93的另一种排列。与图10相比，图11中第一柱面透镜阵列91被放置在高于图10中第一柱面透镜阵列91的位置，第二柱面透镜阵列93被放置在低于图10中第二柱面透镜阵列93的位置。在这种情况下，彩色条带按照如附图标记130b表示的R、B和G的次序向下排列。
图12表示由第一和第二驱动源100和100′的驱动引起的第一和第二柱面透镜阵列91和93的再一种排列。与图10和图11相比，图12中第一柱面透镜阵列91被放置在高于图11的第一柱面透镜阵列91的位置，图12中第二柱面透镜阵列93被放置在低于图11的第二柱面透镜阵列93的位置。在这种情况下，彩色条带按照如附图标记130c表示的R、B和G的次序向下排列。
通过重复图10至图12所示的第一和第二柱面透镜阵列91和93的三种排列的方式，可重复彩色条带的排列图案130a、130b和130c。
参照前面的图3，基于本发明第一实施例的投影系统由上述彩色照明系统、光阀130和投影透镜单元140构成。光阀130从借助蝇眼透镜阵列110接收到的光束中产生一图像。投影透镜单元140放大该图像并将该放大图像投影到屏幕150上。
如上所述，基于本发明第一实施例的彩色照明系统包括产生并投射光的光源60、根据波长范围分离入射光的导光管70、第一和第二聚焦透镜85和87、滚动单元90和蝇眼透镜阵列110。因为基于本发明第一实施例的彩色照明系统的每个组成部分的结构和作用及其排列都已经参考图3至12在上文描述过，所以将不在这里描述。
光阀130安装在被滚动单元90滚动的彩色条带到达的位置。R、G和B光束在被滚动的同时，投射到光阀130的有效图像区域，于是形成了彩色条带。
如图3所示，光阀130是透射型液晶显示。在这种情况下，透射型液晶显示器通过透射或阻挡每个像素的入射光束而产生图像。
作为选择，光阀130可以是一反射型液晶显示或单独像素沿不同路径反射其入射光束的微镜装置。在这种情况下，可在光路上另外安装一光学元件，用于使光阀130形成的图像向屏幕150前进，例如光束分离器(未图示)。因为光阀130的结构和作用是熟知的，所以将不在这里作更详细地描述。
投影透镜单元140安装在光阀130和屏幕150之间，其放大入射光并将放大的光投射在屏幕150上。
图13表示图3中的彩色照明系统一变型的光学结构。改进的彩色照明系统包括光源60、导光管70、第一聚焦透镜85和一滚动单元190。因为光源60、导光管70、第一聚焦透镜85和滚动单元190都已在上文描述过，所以将不在这里详述。
改进的彩色照明系统具有滚动单元190，不同于图3中的彩色照明系统。参照图13和14，该滚动单元190由旋转柱面透镜阵列195构成，该阵列转动安装在光路上，并由驱动源200使其转动。
旋转柱面透镜阵列195具有圆柱体形状。具有相同的折射功率多个柱面透镜195a可彼此邻接地排列在旋转柱面透镜阵列195的外围。柱面透镜195a具有几何凹面。旋转柱面透镜阵列195可以是其上形成有用来聚焦或发散入射光的衍射图案的平板。
驱动源200是一典型的旋转驱动装置，例如一电动机。因为典型的旋转驱动装置的结构是被广泛知晓的，所以将不在这里作更详细地描述。
如上所述，和图3的彩色照明系统包括的滚动单元90形成对照，该滚动单元190采用旋转柱面透镜阵列195，以便连续滚动分离的彩色条带。
更好地，图13的改进的彩色照明系统还包括第二聚焦透镜187、蝇眼透镜阵列110和中继透镜120。
如图14所示，第二聚焦透镜187被放置在旋转柱面透镜阵列195的一些柱面透镜195a的对面，并基本具有与第一聚焦透镜85相同的半圆柱的形状。第二聚焦透镜187由具有不同曲率的第一和第二部分187a、187b组成。如图14所示，第一部分187a对应于第二聚焦透镜187的外侧两个部分，第二部分187b对应于位于第二聚焦透镜187的两个外侧部分之间的一部分。因为第一和第二部分187a、187b具有不同曲率，所以由第一部分187a透射的两光束和由第二部分187b透射的光束能被聚焦在相同的平面上。
参照前面的图13，蝇眼透镜阵列110被安装在第二聚焦透镜187和中继透镜120之间的光路上。因为蝇眼透镜阵列110的结构和作用已经在上文描述过，所以将不在这里作更详细地描述。
图15是图3彩色照明系统的另一变型的光学结构的示意图。参照图15，该改进的彩色照明系统包括光源60、导光管70、第一聚焦透镜85、滚动单元190、第二聚焦透镜287、蝇眼透镜阵列110和中继透镜120。因为光源60、导光管70、第一聚焦透镜85和滚动单元190的结构和作用已经在上文描述过，所以将不在这里作更详细地描述。
图15中改进的彩色照明系统的特征在于第二聚焦透镜187被安装在不同于其在图13改进的彩色照明系统中的位置。换句话说，在图15改进的彩色照明系统中，第二聚焦透镜187被安装于蝇眼透镜阵列110的第一和第二蝇眼透镜111和113之间。
基于本发明第一实施例的投影系统可由图13或15的彩色照明系统、用自蝇眼透镜阵列110接受的光产生图像的光阀130、放大形成在光阀130上的图像光将该放大图像投影到屏幕50上的投影透镜单元140组成。不同于图3的彩色照明系统，图13或15的彩色照明系统采用滚动单元190。因为滚动单元190采用旋转柱面透镜阵列195和驱动旋转柱面透镜阵列195和滚动彩色条带的驱动源200，滚动单元190能很容易地与光阀130同步。
图16表示基于本发明第二实施例的投影系统的光学结构，其采用了基于本发明第二实施例的导光管。参照图16，基于本发明第二实施例的投影系统包括光源310、导光管315、滚动单元330、光阀340和投影透镜单元345。导光管315根据颜色分离由光源310发出的光。滚动单元330滚动由导光管315分离光源310所发出光而形成的R、G和B光束。光阀340通过根据图像信号处理滚动光束而形成一图像。投影透镜单元355放大该图像并将放大的图像投影到屏幕350上。
光源310产生并发出白光，其包括产生光的灯泡311、反射从灯泡311发出的光并引导反射光的反射镜313。反射镜313可以是一椭圆形镜，其第一焦点在灯泡311的位置上，其第二焦点是光被聚焦的点。作为选择，反射镜313可以是一抛物线形镜，其被设计成用灯泡311作为一焦点，以便准直从灯泡311发出并被抛物线形镜反射的光束。图15所示的反射镜313是一椭圆形镜。当抛物线形镜被用作反射镜313时，还需包括一聚焦光的透镜。
准直入射光的准直透镜314安装在光源310和导光管315之间的光路上。更好地，假定P表示光源310和光源310所发出光汇聚的焦点f之间的距离，则准直透镜314被安装在与焦点f相距P/5处。通过这种方法安装投影系统，光学系统的结构能变得更紧凑。
如图17所示，基于本发明第二实施例的导光管315包括第一、第二和第三二向色棱镜318、319和320。第一二向色棱镜318具有反射一特定颜色的入射光束并透射其他颜色入射光束的第一二向色镜面318a。第二二向色棱镜319安装在第一二向色棱镜318透射光的路径上，其具有反射一特定颜色的入射光束并透射其他颜色入射光束的第二二向色镜面319a。第三二向色棱镜320安装在第二二向色镜面319a透射光的路径上，其具有反射一特定颜色的入射光束并透射其他颜色的入射光束第三二向色镜面320a。如果第一、第二和第三二向色镜面318a、319a和329a的尺寸分别为S1、S2和S3，那么至少S1、S2和S3中的两个是不同的。例如，第一、第二和第三二向色镜面318a、319a和320a的尺寸能满足关系S1≥S2＞S3或S1＞S2≥S3，或逆向关系S1＜S2≤S3或S1≤S2＜S3。
导光管315由第一、第二和第三二向色棱镜318、319和320组成。更好地，具有这种结构的导光管315包括用于完全反射以一预定角度，即临界角或更大的角，入射的光的全反射面318b、319b和320b。全反射面318b、319a和320b被配置在第一、第二和第三二向色棱镜318、319和320d的除了其入射和出射面以外的外表面。
全反射面318b、319b和320b减少了光在导光管315中传播的损耗，从而增加了光效率。当光的入射角小于临界角时，在第一、第二和第三二向色棱镜318、319和320中被至少反射一次后的投射在全反射面318b、319b和320b上的光将不发生全反射而是被透射了。
如图17所示，入射白光1中的第一彩色光束11，例如红色光束R，被第一二向色棱镜318反射，而第二和第三彩色光束12和13被其透射。第二彩色光束12，例如，绿色光束G，被第二二向色棱镜319反射，而第三彩色光束13被其透射。第三彩色光束13，例如，蓝色光束B，被第三二向色棱镜320反射。按照这种方式，入射白光被分离成为第一、第二和第三彩色光束11、12和13，因为第一、第二和第三二向色镜面318a、319a和320a具有不同的尺寸，所以第一、第二和第三彩色光束11、12和13，以不同的量分别被其反射。第三二向色镜320a能由全反射镜代替。
基于本发明第二实施例的采用导光管315的投影系统能采用一可变形反射镜装置作为光阀340。
图18和19分别基于本发明第二实施例中导光管315一变型的透视图和俯视图。参照图18和19，作为导光管315变型的导光管315′其包括第一、第二和第三二向色棱镜318、319和320和第一和第二偏振分束器316和31。第一和第二偏振分束器316和317被安装在第一二向色棱镜318的前面，并反射入射光中具有一偏振方向的光而透过其他偏振方向的光。更好地，将用于改变入射光偏振方向的1/2波片324安装在第一或第二偏振分束器316或317和第一二向色棱镜318之间。在图18中，1/2波片324被放置在第二偏振分束器317和第一二向色棱镜318之间。
第一偏振分束器316被安装在第一二向色棱镜318的光入射面上，并将非偏振白光中具有一偏振方向的第一光束传输到二向色棱镜318，同时将具有其他偏振方向第二光束反射到偏振分束器317。第一偏振分束器316包括第一偏振滤光器316a，第二偏振分束器317包括第二偏振滤光器317a。
第二偏振分束器317向第一二向色棱镜318再次反射被第一偏振分束器316反射的第二光束。因为第二偏振分束器317只改变第二光的路径而不改变其偏振方向，因此第二光束平行于透过第一偏振分束器316的第一光束地传播。第二偏振分束器317可用一全反射入射光的全反射镜代替。
1/2波片324将一偏振方向的接收光改变为另一方向的光。图18和19表示1/2波片324被安装在第二偏振分束器317和第一二向色棱镜318之间，并将接收的第二光束的偏振方向改变为第一光束的偏振方向的例子。换句话说，1/2波片324将第二偏振滤光器317a反射的S偏振光改变为P偏振光。
另一方面，1/2波片324可以被安装在第一偏振分束器316和第一二向色棱镜318之间，以将接收的第一光束的偏振方向改变为第二光束的偏振方向。
如上所述，通过使用第一和第二偏振分束器316和317和1/2波片324，可使从光源310发出的光具有单一的偏振方向，且该具有单一偏振方向的光被第一、第二和第三二向色棱镜318、319和320分离成彩色光束。因为第一、第二和第三二向色棱镜318、319和320已经参照图17在上文描述过，所以将不在这里作更详细地描述。
采用导光管315′的投影系统能使用液晶显示作为光阀。
图20是导光管315″的俯视图，其是图16的导光管315的变型。参照图20，导光管315″包括一单棱镜313，其包含第一、第二和第三二向色镜321、322和323。更好地，至少第一、第二和第三二向色镜321、322和323中的两个具有不同的尺寸。若第一、第二和第三二向色镜321、322和323的尺寸分别为A1、A2和A3，其能满足例如A1≥A2＞A3或A1＞A2≥A3的关系。如图18所示，第一和第二偏振分束器316和317可以被安装在单棱镜313的前面。1/2波片324可以被安装在第一或第二偏振分束器316或317和单棱镜313之间。
如图20所示，从光源310发出的白光1经过准直透镜314被投射在导光管315″上。第一二向色镜面321反射入射白光1中的第一彩色光束11，并透射其他第二和第三彩色光束12和13。第二二向色镜面322反射第二彩色光束12并透射第三彩色光束13。第三二向色镜面323反射第三彩色光束13。因为第一、第二和第三二向色镜321、322和323具有不同的尺寸，所以第一、第二和第三彩色光束11、12和13以不同的量被其反射。
如上所述，基于本发明第一实施例的每个导光管315、315′和315″都能控制从其发出每种颜色的光量。因此每个图像的色温和色域都能得到控制。
由每个导光管315、315′和315″从白光分离成的R、G和B彩色光束11、12和13被滚动单元330滚动。
参照图21A和21B，滚动单元330包括彼此相距一预定距离的第一和第二螺旋透镜盘326和327和安装在第一和第二螺旋透镜盘326和327之间的玻璃棒328。第一和第二螺旋透镜盘326和327分别由在至少第一和第二螺旋透镜盘326和327各自一面上的螺旋排列的柱面透镜单元(cell)326a和327a形成。第一和第二螺旋透镜盘326和327各自的横截面看起来像一柱面透镜阵列。第一和第二螺旋透镜盘326和327以相同的速度旋转。
参照前面的图16，第一和第二柱面透镜325和331分别安装在第一螺旋透镜盘326的前面和第二螺旋透镜盘327的后面。第一和第二柱面透镜325和331能被各自都具有设计成可聚焦入射光束的衍射图案的第一和第二光学衍射元件代替，以使入射光束的横截面只在一个方向上减小。
还可以在第二螺旋透镜盘327和光阀340之间的光路上安装第一和第二蝇眼透镜阵列333和335和中继透镜338。第一和第二蝇眼透镜阵列333和335分别包括凸起部分333a的二维阵列和凸起部分335a的二维阵列。凸起部分333a和335a的二维阵列分别形成在第一和第二蝇眼透镜阵列333和335各自的入射和/或出射表面上。投影透镜单元345放大由光阀340形成的图像并将该放大图像投影到屏幕350上。
如上所述，基于本发明第二实施例的投影系统采用导光管315、315′和315″。然而只要导光管能在滚动时形成图像，它就能被应用于任何投影系统。
现在将参照图16描述每个导光管315、315′和315″和图16的投影系统的光学关系。参照图16，首先，从光源310发出的白光经过准直透镜314，然后被投射到每个导光管315、315′和315″上。
每个导光管315、315′和315″都以不同的横截面积和不同的光量将入射的白光分离成R、G和B彩色光束11、12和13。R、G和B彩色光束11、12和13组成的光当经过第一柱面透镜325时在横截面上被缩小。该被缩小横截面的光被投射到第一螺旋透镜盘326上。此后，这些光束经过玻璃棒328并接着被投射到第二螺旋透镜盘327上。玻璃棒328和第二螺旋透镜盘327防止被第一螺旋透镜盘326透射的光发散。
玻璃棒328有两个作用。第一，玻璃棒328将透过第一螺旋透镜盘326的光不被偏离地传送到第二螺旋透镜盘327上。第二，玻璃棒328可如光导一样没有改变地发射入射光。
当第一和第二螺旋透镜盘326和327以恒定速度旋转时，在R、G和B彩色光束11、12和13经过滚动单元330的同时，可获得R、G和B彩色光束11、12和13的位置看起来像连续周期变化的效果。
由于滚动形成图像的原理已经参照图10、11和12在上文描述过，所以将不在这里详述。
如图22所示，每个导光管315、315′和315″将不同横截面积的彩色条带形成在光阀340上。例如，红色条带IR能形成在光阀340的上部，绿色条带I G能形成在光阀340的中部，蓝色条带IB能被形成在光阀340的下部。若红色、绿色和蓝色条带IR、IG和IB的横截面积分别为SIR、SIG和SIB，至少横截面积SIR、SIG和SIB中的两个能是不同的。例如，横截面积SIR、SIG和SIB中能满足关系SIR≤SIG＜SIB或SIR＜SIG≤SIB或逆向关系SIR≥SIG＞SIB或SIR＞SIG≥SIB。
彩色条带的横截面积的不同取决于导光管315、315′和315″的第一二向色镜面318a和321、第二二向色镜面319a和322和第三二向色镜面320a和323的面积。
如上所述，形成彩色条带的面积不同，所以从彩色条带获得的图像的色域和色温也不同。这样，可产生图像的各种各样的颜色和基调(moods)。
图23表示基于本发明第三实施例的投影系统的光学结构。参照图23，基于本发明第三实施例的投影系统包括光源410、导光管415、滚动单元430和光阀440。导光管415根据颜色分离从光源410发出的光。滚动单元430滚动由导光管415分离光源410发出的光而形成的R、G和B光束。光阀440根据图像信号处理滚动的R、G和B光束的以形成一图像。
光源410产生并发出白光，其包括产生光的灯泡411、反射从灯泡411出射的光并引导反射光路径的反射镜413。反射镜413可以是一椭圆形镜，其第一焦点在灯泡411的位置上，其第二焦点是光被聚焦的点。作为选择，反射镜413可以是一抛物线形镜，其被设计成用灯泡411作为一焦点，以便准直从灯泡61发出并被抛物线形镜反射的光束。图23所示的反射镜413是一椭圆形镜。当抛物线形镜被用作反射镜413时，还需包括一聚焦光的透镜。
准直入射光的准直透镜414安装在光源410和导光管415之间的光路上。更好地，假定P表示光源410和光源410所发出光的汇聚焦点f之间的距离，则准直透镜414被安装在与焦点f相距P/5处。通过这种方法安装投影系统，表示光学守恒量的投影系统集光率(etendue)能被减小，因此光学系统的结构能变得更紧凑并容易形成。
如图24所示，导光管415包括反射一偏振方向的光并同时透射另一偏振方向的光的第一偏振分束器416、安装在第一偏振分束器416下面的第二偏振分束器417和与第一和第二偏振分束器416和417邻接安装的第三、第四和第五偏振分束器418、419和420。
用于改变一特定波长光偏振方向的第一彩色选择偏振器421安装在第一和第三偏振分束器416和418之间。第二彩色选择偏振器422安装在第三和第四偏振分束器418和420之间。改变入射光偏振方向的1/2波片424安装在第二偏振分束器417和第一彩色选择偏振器421之间。
参照图25A，第三、第四和第五偏振分束器418、419和420分别具有第一、第二和第三镜面418a、419a和420a。其相对于入射光L的光轴分别以θ1、θ2和θ3的角度倾斜。角θ1、θ2和θ3满足等式2θ1≥θ2≥θ3…(2)如图25B所示，第一偏振分束器416透射一偏振方向的光，例如入射白光中的P偏振光，同时反射S偏振光。第一彩色选择偏振器421只改变被第一偏振分束器416透射的P偏振光中一特定波长范围光的偏振方向。更明确地，第一色选择偏振器421只将第一色光的P偏振方向改变为S偏振方向，以便在保持第二和第三P偏振光束12P和13P的各自偏振方向的同时，获得第一S偏振色光11S。第三偏振分束器将第一S偏振色光11S向导光管415的外部反射。
第二和第三P偏振色光12P和13P经过第三偏振分束器418，接着被投射到第二色选择偏振器422上。第二色选择偏振器422将第二色光12P的P偏振方向改变为S偏振方向，以便在保持第三P偏振色光13P的偏振方向的同时，获得第二S偏振色光12S。第四偏振分束器419将第二S偏振色光12S向导光管415的外部反射。被第四偏振分束器419透射的第三P偏振色光13P投射到第三色选择偏振器423上，其偏振方向被改变为S偏振方向以获得第三S偏振色光13S。第三S偏振色光13S被第五偏振分束器420反射。这样，光源410发出的光被导光管415分离成第一、第二和第三彩色光束11、12和13。
导光管415由第一至第五偏振分束器416至420、第一至第三色选择偏振器421至423和1/2波片424组成。更好地，具有这种结构的导光管415包括用于完全反射以一预定角度(即，临界角或更大的角)入射的光的全反射面416b、417b、418b、419b和420b。全反射面416b、417b、418b、419b和420b被分别配置在第一、第二、第三、第四和第五偏振分束器416、417、418、419和420的除了其入射和出射面以外的外表面。
全反射面416b、417b、418b、419b和420b减少了光在导光管415中传播的损耗，从而增加了光效率。当光的入射角小于临界角时，在第一、第二、第三、第四和第五偏振分束器416、417、418、419和420中被至少反射一次后投射在全反射面416b、417b、418b、419b和420b上的光没有发生全反射而是被透射了。
参照前面的图23，类似于如图21A和21B所示的滚动单元330的结构，滚动单元430包括彼此相距一预定距离的第一和第二螺旋透镜盘426和427，和安装在第一和第二螺旋透镜盘426和427之间的玻璃棒428。第一和第二螺旋透镜盘426和427分别由在至少第一和第二螺旋透镜盘426和427各自一面上的螺旋排列的柱面透镜单元426a和427a形成。第一和第二螺旋透镜盘426和427各自的横截面看起来像一柱面透镜阵列。
第一和第二柱面透镜425和431分别安装在第一螺旋透镜盘426的前面和第二螺旋透镜盘427的后面。第一和第二柱面透镜425和431能被各自都具有设计成可聚焦入射光束的衍射图像的第一和第二光学衍射元件代替，以使入射光束的横截面在只一个方向上减小。
第一和第二蝇眼透镜阵列433和435和中继透镜438还可安装在第二螺旋透镜盘427和光阀440之间的光路上。第一和第二蝇眼透镜阵列433和435分别包括凸起部分433a的二维阵列和凸起部分435a的二维阵列。凸起部分433a和435a的二维阵列各自被形成在第一和第二蝇眼透镜阵列433和435各自的入射和/或出射表面上。投影透镜单元445放大由光阀440形成的图像并将该放大图像投影到屏幕450上。
基于本发明第三实施例的投影系统的彩色照明系统包括光源410、根据颜色分离从光源410发出的光的导光管415，和用于滚动由导光管415分离光源410所发出光而形成的R、G和B光束，以便连续改变R、G和B光束路径的滚动单元430。彩色照明系统还可包括第一和第二柱面透镜425和431和第一和第二蝇眼透镜阵列433和435，以便实现光源410所发出光的高效滚动。第一和第二柱面透镜425和431分别安装在滚动单元430的前面和后面，第一和第二蝇眼透镜阵列433和435能使透过滚动单元的R、G和B光束到达光阀440的三个各自彩色区域上，以形成彩色条带。
第一和第二柱面透镜425和431聚焦或发射入射光束，以使该入射光束的横截面在只一个方向上减小。为减小第一和第二柱面透镜425和431各自的厚度，光学衍射元件或柱面透镜阵列都能用作第一和第二柱面透镜425和431。
现将参照图23、25A和25B描述具有这种结构的彩色照明系统和基于本发明第三实施例的投影系统的光学关系。首先，由光源410发出的光1经过准直透镜414，接着被投射在包括第一、第二和第三选择偏振器421、422和423的导光管415上。
参照图25A和25B，第一色选择偏振器421，例如Y/B色选择偏振器，在保持黄色(Y)波长光的偏振方向的同时，改变B波长光的偏振方向。换句话说，第一色选择偏振器421在保持其他波长光的偏振方向的同时，只改变B波长光的偏振方向。第二色选择偏振器422，例如，C/R色选择偏振器，在保持青色(C)波长光的偏振方向的同时，改变R波长光的偏振方向。换句话说，第二色选择偏振器422在保持其他波长光的偏振方向的同时，只改变R波长光的偏振方向。第三色选择偏振器423，例如，G/M色选择偏振器，在保持品红色(G)波长光的偏振方向的同时，改变G波长光的偏振方向。换句话说，第三色选择偏振器423在保持其他波长光的偏振方向的同时，只改变G波长光的偏振方向。
如上所述，非偏振白光1投射在包括第一、第二和第三色选择偏振器421、422和423的导光管415上。更明确地，首先，第一偏振分束器416接收非偏振的白光1并在透射P偏振光时反射入射光1中的S偏振光。其后，第一(Y/B)色选择偏振器421在保持其他波长光的P偏振态的同时，将P偏振光中的B波长光改变成S偏振的B光。然后，第三偏振分束器418反射S偏振的B光并同时向第二(C/R)色选择偏振器422透射P偏振的R光和P偏振的G光。
其次，第二(C/R)色选择偏振器422在保持G波长光的P偏振态的同时，将P偏振R光改变成S偏振的R光。然后，第四偏振分束器419反射S偏振的R光并同时向第三(G/M)色选择偏振器423透射P偏振的G光。
第三(G/M)色选择偏振器423将P偏振G光改变成被第五偏振分束器420反射的S偏振的G光。第三色选择偏振器423可由改变光偏振方向的1/2波片代替。
第一偏振分束器416反射的S偏振光再被第二偏振分束器417反射向1/2波片424。1/2波片424将S偏振光改变成P偏振光。第一色选择偏振器421接收P偏振光，并在保持R和G光的P偏振态同时，将P偏振光中的B光改变成S偏振的B光。第三偏振分束器418反射S偏振的B光，而透过P偏振的R光和P偏振的G光使其向第二色选择偏振器422行进。
然后，P偏振的R光被第二色选择偏振器422改变成S偏振的R光，并且S偏振的R光被第四偏振分束器419反射。同时，第二色选择偏振器422保持G光的P偏振态，第四偏振分束器419透射该P偏振的G光。
此后，1/2波片或第三色选择偏振器423将P偏振的G光改变成S偏振的G光，S偏振的G光又被第五偏振分束器420反射。
在图25A中，附图标记H表示R、G和B彩色光束到达的像面。
这样，被第一、第二和第三偏振分束器418、419和420反射分别R、G和B彩色光束。第一柱面透镜425减小由R、G和B彩色光束组成的光的横截面，具有狭窄横截面积的R+G+B光被投射在第一螺旋透镜盘426上。
然后，透过玻璃棒428的光被投射在第二螺旋透镜盘427上。玻璃棒428和第二螺旋透镜盘427防止透过第一螺旋透镜盘426的光进一步发散。
由第二螺旋透镜盘427进一步防止发散的光可参见图26A和26B。图26A和26B表示在没有安装第二螺旋透镜盘427的第一种情况下和安装第二螺旋透镜盘427的第二种情况下，对透过第一螺旋透镜盘426的光的发射角实施模拟的结果。为了简化，在图25A和25B中只表示出代替第一和第二螺旋透镜盘426和427的一透镜单元426a和一透镜单元427a。
已知图26A和26B的透镜单元426a和427a的数值孔径(NA)分别为0.104，表1表示不同波长光束的在像面上的发散角。


在表1中，F1表示沿不同路径传输的各个子光束中在中心传输的子光束，这些子光束构成了具有同一波长的一个光束。F2表示在中心子光束两边的其他子光束中的一个。因为在中心子光束两边的两子光束是对称的，所以只在图26A和26B表示出两子光束中的一个。从表1可看出在安装第二螺旋透镜盘427的第二种情况下的子光束F1和F2的发散角小于没有安装第二螺旋透镜盘427的第一种情况下的子光束F1和F2的发散角。
当玻璃棒428被安装在第一和第二螺旋透镜盘426和427之间，其使得被第一螺旋透镜盘426透射的光不再进一步发散地传送到第二螺旋透镜盘427。同时，玻璃棒428通过没有改变地发出入射光起到了光导的作用。
图27A表示透过视场为±2°的第一柱面透镜425的光被聚焦在第一螺旋透镜盘426上的情况。聚焦在第一螺旋透镜盘426上的光具有8mm的横截面。图27C表示不安装玻璃棒428的情况下，经过第一柱面透镜425、第一和第二螺旋透镜盘426和427和第二柱面透镜431的光路。在这种情况下，聚焦在第一螺旋透镜盘426上的光具有大约8mm的横截面，聚焦在第二螺旋透镜盘427上的光具有大约26mm的横截面。
如上所述，当聚焦在第一和第二螺旋透镜盘426和427上光的横截面积不相同时，光以一大发散角发散并接着被聚焦在第二柱面透镜431上。为克服该大发散角，如图27C所示，将玻璃棒428安装在第一和第二螺旋透镜盘426和427之间，使聚焦在第一和第二螺旋透镜盘426和427上光具有相同的横截面积。玻璃棒428可有大约20mm的长度。因此，玻璃棒428减小了光的发散角，从而减少了光损耗。
因为具有这种结构的滚动单元430的滚动与参照图11至12描述的滚动单元90的滚动相同，所以将不在这里作更详细地描述。
当第一和第二螺旋透镜盘426和427以一恒定速度旋转时，就可实现颜色的滚动。玻璃棒428安装在第一和第二螺旋透镜盘426和427之间。
当R、G和B彩色光束经过第一螺旋透镜盘426时，从光束L的观察点看来，第一螺旋透镜盘426以相同的速度连续上下移动。因此，可产生透过第一螺旋透镜盘426的光束的位置看起来像连续变化的效果。
首先，R、G和B彩色光束经过第一螺旋透镜盘426、玻璃棒428、第二螺旋透镜盘427、第二柱面透镜431、第一和第二蝇眼透镜阵列433和435和中继透镜438，并在光阀440上按R、G和B的排列形成彩色条带。其次，随着第一和第二螺旋透镜盘426和427旋转，在R、G和B彩色光束经过第一和第二螺旋透镜盘426和427的同时，第一和第二螺旋透镜盘426和427的透镜表面逐渐地向上移动。随着第一和第二螺旋透镜盘426和427移动，按G、B和R的次序形成彩色条带。然后，随着第一和第二螺旋透镜盘426和427旋转，彩色条带按B、R和G的次序形成。
R、G和B光束的这种滚动随着第一和第二螺旋透镜盘426和427重复。换句话说，R、G和B光束投射在透镜上的位置根据第一和第二螺旋透镜盘426和427的旋转改变，而第一和第二螺旋透镜盘426和427的旋转被转变成在第一和第二螺旋透镜盘426和427横截面上的柱面透镜阵列的直线运动，因此形成了滚动。
因为第一和第二螺旋透镜盘426和427为了形成滚动而不改变旋转方向地在一个方向上连续旋转，所以连续性和连贯性能得以保证。另外，使用单一螺旋透镜盘430有助于保持彩色条带速度的恒定。而且，第一和第二螺旋透镜盘426和427和玻璃棒428有助于减小R、G和B光束的发散角，从而减小光损耗。
因为横截面被第一柱面透镜425变窄的R、G和B光束通过第一和第二螺旋透镜盘426和427，所以经过柱面透镜阵列的光束可获得直线移动的效果。第二柱面透镜431接收来自第二螺旋透镜盘427的横截面变窄的R、G和B光束，并将接收光束变窄的横截面变回其原始状态，这样接收的光束被准直。
其后，透过第二柱面透镜431的R、G和B光束经第一和第二蝇眼透镜阵列433和435聚焦在光阀440的三个各自的彩色区域上。例如，R光束重叠在光阀440的上部区域上，G光束重叠在光阀440的中部区域上，B光束重叠在光阀440的下部区域上，从而形成独立的彩色条带。如果不安装第一和第二蝇眼透镜阵列433和435，R、G和B光束会到达光阀440的每个像素上，且在每个像素上的R、G和B光束被滚动。而在每个像素上的R、G和B光束的滚动不能容易地受到控制，这就增加了错误产生的可能性，并可能降低图像质量。但是，在本发明中，R、G和B光束经第一和第二蝇眼透镜阵列433和435聚焦在光阀440的三个各自的彩色区域上，从而形成彩色条带。彩色条带被滚动。且滚动彩色条带是容易的。
另一方面，第一和第二蝇眼透镜阵列433和435可使光阀440以均匀的光强度发出光。
中继透镜438透过第一和第二蝇眼透镜阵列433和435的光束传送到一预定位置，例如，光阀440。
可以控制第一(第二)螺旋透镜盘426(427)上柱面透镜单元426a(427a)的数量，以使第一(第二)螺旋透镜盘426(427)的旋转频率与光阀440的工作频率同步。即，如果光阀440的工作频率高，那将包括更多的透镜单元，以便当保持第一(第二)螺旋透镜盘426(427)的旋转速度恒定的同时，能对更快的滚动速度进行控制。
作为选择，通过保持第一(第二)螺旋透镜盘426(427)上透镜单元数量相同和提高第一(第二)螺旋透镜盘426(427)的旋转频率，第一(第二)螺旋透镜盘426(427)能与光阀440同步。例如，当光阀440的工作频率为960Hz时，即当光阀440工作在1/960秒每帧，也就是每秒有960帧被重现时，第一(第二)螺旋透镜盘426(427)可以有如下构造。第一(第二)螺旋柱面透镜阵列(透镜盘)426(427)的外径为140mm，内径为60mm，螺旋透镜单元426a(427a)的数量是32个，螺旋透镜单元426a(427a)各自的宽度是5.0mm，螺旋透镜单元426a(427a)各自的曲率半径是24.9mm。在这个结构中，如果第一(第二)螺旋透镜盘426(427)每个旋转重现32帧，那么为了每秒重现960帧其必须每秒旋转30次。以这个速度，第一(第二)螺旋透镜盘426(427)必须每60秒旋转1800次，因而其具有1800rpm的旋转速度。当光阀440的工作频率增加一半，且由此光阀440工作在1440Hz时，为了与光阀440的增加的工作频率同步，第一(第二)螺旋透镜盘426(427)必须以2700rpm的速度旋转。
基于本发明的单面板投影系统通过使用滚动单元430能最大限度地提高光效率。
基于图23所示的本发明第三实施例的导光管、彩色照明系统和投影系统的各自变型现将参照图28和29描述。
参照图28，图23中投影系统的变型包括光源410、根据颜色分离从光源410发出的光的导光管415、滚动被导光管415分离成的彩色条带的滚动单元460、和根据图像信号处理滚动彩色光束以形成图像的光阀440。
除了采用滚动单元460以外，图28中的投影系统与图23的投影系统一样。因为与图23相同的附图标记所表示的图28中的元件也完成相同的功能，所以将不在这里描述。
如图28所示，滚动单元460包括被转动安装在光路上柱面透镜阵列457和旋转该旋转柱面透镜阵列457的驱动源459。
柱面透镜阵列457是有多个柱面透镜457a排列于其上的圆柱体。各个柱面透镜457a独立聚焦或发散光。形成几何凹面柱面透镜457a之外，柱面透镜阵列457可以是其上形成有能聚焦或发散入射光的衍射图案的平板。
驱动源459旋转柱面透镜阵列457，该驱动源是一常规的旋转驱动装置，例如电动机或类似物。因为旋转驱动装置的结构是熟知的，所以将不在这里详述。将柱面透镜阵列457这样放置，使得柱面透镜457a能面向第一和第二聚焦透镜455和458。随着柱面透镜阵列457旋转，在柱面透镜457a逐渐向上或向下移动的同时柱面透镜457a滚动起来。柱面透镜阵列457的有效表面分布在随着柱面透镜阵列457旋转而形成的柱面透镜457a滚动中，该有效表面是面向每个第一和第二聚焦透镜455和458的表面。如上所述，柱面透镜阵列457提供了双板型柱面透镜阵列工作的效果。
基于本发明第三实施例彩色照明系统的变型，通过使用光源410、导光管145和滚动单元460来实现彩色滚动。更好地，改进的彩色照明系统还包括第一和第二聚焦透镜455和458、第一和第二蝇眼透镜阵列433和435和中继透镜438。
第一和第二聚焦透镜455和458这样放置，以使其能面向柱面透镜阵列457的一些柱面透镜457a。每个第一和第二聚焦透镜455和458都可是半柱面透镜。
因为第二聚焦透镜458具有和图14的聚焦透镜实质相同的结构，所以将不在这里作更详细地描述。
如图29所示，代替第二聚焦透镜458的第二聚焦透镜465被安装在第一和第二蝇眼透镜阵列433和435之间。第二聚焦透镜465可是一柱面透镜阵列。
在基于本发明第三实施例的彩色照明系统的变型中，由导光管415分光而形成的彩色光束到达光阀440上，以便通过使用第一和第二蝇眼透镜阵列433和435而使相同颜色的光束重叠在该光阀上，从而形成彩色条带。用滚动单元460滚动彩色条带，从而形成图像。
基于本发明上述实施例的导光管能根据波长范围将入射光分离成彩色条带，还通过反射大于临界角的入射光而充分利用入射光，以使光束能在导光管内传播。因此，光的使用效率得到提高。除此之外，彩色分离单元具有不同的尺寸可根据颜色来区分不同颜色的光量，以便能获得不同的色域和色温。换句话说，每个导光管都具有尺寸不同的二向色镜面以便控制色温并产生不同基调的彩色图像。
此外，通过按颜色分离入射光来实现彩色滚动和使用P偏振光和S偏振光作为有效光，能够增加导光管的光效率。
基于本发明上述实施例的每个彩色照明系统都包括让彩色光束经过的单一滚动单元。这样，可以简化投影系统的光学构造，且能减少光损耗。另外，每个彩色照明系统都使用单一滚动单元进行滚动，因而简化了投影系统的光学构造。除此之外，因为彩色照明系统形成了彩色条带，因此通过控制彩色条带能产生不同的彩色图像，从而彩色图像的质量能得到改善。
因为基于本发明上述实施例的投影系统是单面板投影系统，所以能简化它的光学构造，且减少了实现滚动的元件数量。这样，可获得轻便、低价的投影系统。因为基于本发明的单面板投影系统通过使用滚动单元来滚动彩色条带，所以可获得与三面板投影系统相同的光效率。更明确地，基于本发明的每个单面板投影系统同时将白光分离成R、G和B光束，并滚动三个彩色光束以形成一彩色图像。因此，基于本发明的单面板投影系统可获得与三面板投影系统相同的光效率。
权利要求
1.一导光管，包括具有第一镜面的第一二向色棱镜，该第一镜面相对于入射光的光轴倾斜并反射白光中的第一彩色光束而透射其他颜色光束；具有第二镜面的第二二向色棱镜，该第二镜面相对于入射光的光轴倾斜并反射被第一二向色棱镜透射的彩色光束中的第二彩色光束而透射其他颜色光束；和具有第三镜面的第三二向色棱镜，该第三镜面相对于入射光的光轴倾斜并反射被第二二向色棱镜透射的第三彩色光束，其中第一、第二和第三二向色棱镜都包括反射面，该反射面由于其与外界折射率之间不同，使得以预定角度投射的光被反射，从而使入射光在第一、第二和第三二向色棱镜内传播，且该反射面形成在第一、第二和第三二向色棱镜的外面，减少第一、第二和第三彩色光束中的损耗。
2.如权利要求1的导光管，其特征在于，还包括安装在第一二向色棱镜光入射面上的第一偏振分束器，它使非偏振白光中一偏振方向的第一光束透射到第一二向色棱镜，并同时把另一个偏振方向的第二光束反射；第二偏振分束器，向第一二向色棱镜再反射接收自第一偏振分束器的第二光束；安装在第一偏振分束器和第一二向色棱镜之间或第二偏振分束器和第一二向色棱镜之间的1/2波片，其将第二光束的偏振方向转换成第一光束的偏振方向，以使非偏振的白光被转换成具有相同偏振方向的彩色光束。
3.如权利要求2的导光管，其特征在于，还包括一聚光透镜，其被安装在第一偏振分束器光入射面的对面，并聚焦和透射非偏振的白光。
4.如权利要求1的导光管，其中第一、第二和第三镜面相对于入射白光的光轴以不同的角度倾斜，并反射第一、第二和第三彩色光束以聚焦它们的光轴。
5.一导光管，包括反射入射光中第一彩色光束而透射第二和第三彩色光束的第一二向色镜面；安装在透过第一二向色镜面光的路径上的第二二向色镜面，其具有和第一二向色镜面相同或不同的面积，并反射第二彩色光束而透射第三彩色光束。安装在透过第二二向色镜面光的路径上的第三二向色镜面，其具有至少与第一和第二二向色镜面中一个不相同的面积，并反射第三彩色光束。
6.如权利要求5的导光管，其中第一、第二和第三二向色棱镜分别包括第一、第二和第三二向色镜面。
7.如权利要求6的导光管，其中第一、第二和第三二向色棱镜被合成为一体。
8.如权利要求5的导光管，其特征在于，还包括安装在第一二向色镜面前面的第一偏振分束器，它使非偏振白光中一偏振方向光透射到第一二向色镜面，而将另一个偏振方向光反射到第二偏振分束器向透射光的；安装在第一偏振分束器下面的第二偏振分束器，它将接收自第一偏振分束器的光再反射向第一偏振分束器；安装在第一和第二偏振分束器之一与第一二向色镜面之间的1/2波片。
9.一导光管包括第一偏振分束器，透过非偏振白光中的一偏振方向光，同时反射另一个偏振方向光；安装在第一偏振分束器下面的第二偏振分束器；与第一和第二偏振分束器邻接安装的多个偏振分束器；分别安装在多个偏振分束器前面的，改变入射光中相应颜色光束的偏振方向的多个彩色选择偏振器；安装在第一和第二偏振分束器中之一与最接近第一和第二偏振分束器的彩色选择偏振器之间的1/2波片。
10.如权利要求9的导光管，其中多个偏振分束器为依次与第一和第二偏振分束器邻接安装的第三、第四和第五偏振分束器，多个彩色选择偏振器是安装在第一和第二偏振分束器阵列与第三偏振分束器之间并改变入射光中第一彩色光束偏振方向的第一彩色选择偏振器，和安装在第三和第四偏振分束器之间并改变入射光中第二彩色光束的偏振方向的第二彩色选择偏振器，偏振转换器安装在第四和第五偏振分束器之间并改变入射光中第三彩色光束的偏振方向。
11.如权利要求10的导光管，其中偏振转换器是第三彩色选择偏振器和1/2波片中的一个。
12.如权利要求9的导光管，其中第一至第五偏振分束器、第一至第三彩色选择偏振器和1/2波片被一体化，以形成导光管。
13.一彩色照明系统，包括产生并辐射光的光源；导光管，其包括分别具有第一、第二和第三镜面的第一、第二和第三二向色棱镜，并根据波长范围分离入射光并使被分离的光束以不同角度前进，其中第一镜面相对于入射光的光轴倾斜并反射白光中的第一彩色光束而透射其他颜色光束，第二镜面相对于入射光的光轴倾斜并反射被第一二向色棱镜透射的彩色光束中的第二彩色光束而透射其他颜色光束，第三镜面相对于入射光的光轴倾斜并反射被第二二向色棱镜透射的第三彩色光束，第一、第二和第三二向色棱镜各自的外面由反射面形成，由于每个反射面和外界的折射率之间的不同，该反射面反射以预定角度入射的光以使入射光在第一、第二和第三二向色棱镜的传播；聚焦分离光束的第一聚焦透镜；和改变被第一聚焦透镜聚焦的分离光束的路径并周期性滚动该分离光束的滚动单元。
14.一彩色照明系统，包括产生并辐射光的光源；导光管，包括透过非偏振白光中一偏振方向光并同时反射另一个偏振方向光的第一偏振分束器；安装在第一偏振分束器下面的第二偏振分束器；与第一和第二偏振分束器邻接安装的多个偏振分束器；分别安装在多个偏振分束器前面的，改变入射光中相应颜色光束偏振方向的多个彩色选择偏振器；安装在第一和第二偏振分束器之一与最接近第一和第二偏振分束器的彩色选择偏振器之间的1/2波片，和通过周期性改变由导光管分离光源辐射光而形成的彩色光束的路径来执行彩色滚动的滚动单元。
15.如权利要求14的彩色照明系统，其中多个偏振分束器为依次与第一和第二偏振分束器邻接安装的第三、第四和第五偏振分束器，多个彩色选择偏振器是安装在第一和第二偏振分束器阵列与第三偏振分束器之间并改变入射光中第一彩色光束的偏振方向的第一彩色选择偏振器，和安装在第三和第四偏振分束器之间并改变入射光中第二彩色光束的偏振方向的第二彩色选择偏振器，偏振转换器安装在第四和第五偏振分束器之间并改变入射光中第三彩色光束的偏振方向。
16.如权利要求14的彩色照明系统，其中偏振转换器是第三彩色选择偏振器和1/2波片中的一个。
17.一投影系统，包括产生并辐射光的光源；导光管，包括分别具有第一、第二和第三镜面的第一、第二和第三二向色棱镜，并根据波长范围分离入射光并使被分离的光束以不同角度前进，其中第一镜面相对于入射光的光轴倾斜并反射白光中的第一彩色光束而透射其他颜色光束，第二镜面相对于入射光的光轴倾斜并反射被第一二向色棱镜透射的彩色光束中的第二彩色光束而透射其他颜色光束，第三镜面相对于入射光的光轴倾斜并反射被第二二向色棱镜透射的第三彩色光束，第一、第二和第三二向色棱镜各自的外部由反射面形成，由于每个反射面和外界的折射率之间的不同，该反射面反射以预定角度入射的光以使入射光在第一、第二和第三二向色棱镜内传播；聚焦分离光束的第一聚焦透镜；改变被第一聚焦透镜聚焦的分离光束的路径并周期性滚动该分离光束的滚动单元；再次聚焦滚动单元透射光束的第二聚焦透镜；传送滚动单元透射光束的蝇眼透镜阵列；从蝇眼透镜阵列透射光束产生图像的光阀；和放大光阀产生的图像并投影该放大图像到屏幕上的投影透镜单元。
18.如权利要求17的投影系统，其中第一、第二和第三镜面相对于入射白光的光轴以不同的角度倾斜并反射第一、第二和第三彩色光束以使它们的光轴被聚焦。
19.如权利要求17的投影系统，其特征在于，还包括安装在第一二向色棱镜的光入射面上的第一偏振分束器，其使非偏振白光中一偏振方向的第一光束透射到第一二向色棱镜，而将另一个偏振方向的第二光束反射到第二偏振分束器；向第一二向色棱镜再反射接收自第一偏振分束器的第二光束的第二偏振分束器；和安装在第一偏振分束器和第一二向色棱镜之间或第二偏振分束器和第一二向色棱镜之间的1/2波片，其将第二光束的偏振方向转换成第一光束的偏振方向，以使非偏振的白光转换成具有相同偏振方向的彩色光束。
20.如权利要求17的投影系统，其特征在于，还包括安装在光源和第一偏振分束器之间的光路上聚焦并透射非偏振白光的聚焦透镜。
21.如权利要求17的投影系统，其中第一和第二聚焦透镜各自为聚焦入射光束以使入射光束的横截面只在一个方向上被减小的柱面透镜。
22.如权利要求17的投影系统，其中第一和第二聚焦透镜各自为具有聚焦入射光束的衍射图案以使入射光束的横截面只在一个方向上被减小的光学衍射元件。
23.如权利要求17的投影系统，其中滚动单元包括包括多个具有相同折射功率、彼此邻接布置并独立聚焦或发散入射光束的柱面透镜的第一柱面透镜阵列；和第一驱动源，用于驱动第一柱面透镜阵列在与入射光束光轴垂直的方向往复运动，以滚动经过第一柱面透镜阵列的光束。
24.如权利要求17的投影系统，其中滚动单元包括远离第一柱面透镜阵列，包括多个具有相同折射功率、彼此邻接布置并独立聚焦或发散入射光束的柱面透镜的第二柱面透镜阵列；和驱动第二柱面透镜阵列在与入射光束的光轴垂直的方向上往复运动的第二驱动源。
25.如权利要求17的投影系统，其中滚动单元包括被旋转安装在光路上，由相同折射功率的多个柱面透镜被彼此邻接地布置在一圆柱体外围形成的旋转柱面透镜阵列；和旋转该旋转柱面透镜阵列的驱动源。
26.如权利要求25的投影系统，其中旋转柱面透镜阵列是一具有能执行柱面透镜作用的衍射图案的光学衍射元件。
27.如权利要求17的投影系统，其特征在于，还包括传送由蝇眼透镜阵列透射的光到达一预定位置的中继透镜。
28.一投影系统，将光源发出的光分离为多个彩色光束，使用一滚动单元滚动彩色光束以使彩色条带能到达一光阀，根据施加在该光阀上的图像信号处理彩色条带以形成图像，放大图像并将该放大图像投影到屏幕上，该投影系统包括导光管，该导光管包括反射入射光中第一彩色光束而透射第二和第三彩色光束的第一二向色镜面；安装在第一二向色镜面透射光路径上的第二二向色镜面，其具有和第一二向色镜面相同或不同的面积，并反射第二彩色光束而透射第三彩色光束；安装在第二二向色镜面透射光路径上的第三二向色镜面，其具有至少与第一和第二二向色镜面中一个不相同的面积，并反射第三彩色光束。
29.如权利要求28的投影系统，其中第一、第二和第三二向色棱镜分别包括第一、第二和第三二向色镜面。
30.如权利要求28的投影系统，其中第一、第二和第三二向色棱镜被合成为一体。
31.如权利要求28的投影系统，其特征在于，还包括安装在第一二向色镜面前面的第一偏振分束器，其使非偏振白光中一偏振方向的第一光束透射到向第一二向色镜面，而将另一个偏振方向的第二光束反射到第二偏振分束器；第二偏振分束器，安装在第一偏振分束器下面，并向第一二向色镜面再反射接收自第一偏振分束器的第二光束；和安装在第一和第二偏振分束器之一与第一二向色镜面之间的1/2波片。
32.如权利要求28的投影系统，其中滚动单元包括包括多个被螺旋排列的柱面透镜单元并设计成能旋转的第一螺旋透镜盘；安装在第一螺旋透镜盘对面，并设计成能以与第一螺旋透镜盘相同的速度旋转的第二螺旋透镜盘；和安装在第一和第二螺旋透镜盘之间的玻璃棒。
33.如权利要求28的投影系统，其特征在于，还包括安装在光源和导光管之间并准直入射光束以形成平行光束的准直透镜。
34.如权利要求28的投影系统，其特征在于，还包括安装在导光管和滚动单元之间的将聚焦在滚动单元上的彩色光束的横截面变窄的第一柱面透镜；和安装在第二螺旋透镜盘后面并准直入射彩色光束以形成平行光束的第二柱面透镜。
35.如权利要求28的投影系统，其特征在于，还包括第一和第二蝇眼透镜阵列，它使透过滚动单元的光束按相同颜色光束重叠在光阀上相应颜色区域的方式到达在光阀上。
全文摘要
本发明提供一种根据颜色分离入射光的导光管，采用该导光管的彩色照明系统，和采用该彩色照明系统的投影系统。因为投影系统是采用滚动单元的单面板投影系统，简化了其光学构造。除此之外，投影系统的导光管由不同尺寸的彩色分离单元组成，从而改善了色域和色温。此外，导光管包括彩色选择偏振器，其各自改变一特定波长彩色光束的偏振方向，从而提高了光效率。
文档编号G03B33/12GK1782782SQ20051012943
公开日2006年6月7日 申请日期2003年12月21日 优先权日2002年12月21日
发明者金成河, 赵虔皓, 金大式, 李羲重 申请人:三星电子株式会社