投影光学系统和使用投影光学系统的投影显示单元

摘要

本发明提供了一种提高照明效率的投影光学系统，其包括：光源；光学波导，来自所述光源的光进入所述光学波导并且所述光作为被反射的光从所述光学波导射出；扩散器，所述扩散器扩散从所述光学波导射出的光；棱镜片，被所述扩散器扩散的光进入所述棱镜片并且在所述棱镜片中棱镜布置在一个平面上；以及柱形积分器，透射通过所述棱镜片的光进入所述柱形积分器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种投影光学系统，该投影光学系统能够提高将激光用作光源的投影显示单元(下文中被称作投影仪)的光使用效率。

背景技术

投影仪使用的是具有一定发散度的光束。使该光束直接进入柱形积分器中并且在柱形积分器内被反射，由此使光均匀地进入光阀。

在这些当前的环境下，正在研发具有激光光源的小型投影仪。原因包括：(1)激光光源的大范围的色彩再现性和高的单色性；(2)因为发光点小造成光高度集中，所以可以得到高清晰度和高强度的图像；(3)激光是偏振的，因此与液晶面板具有良好的兼容性；以及(4)激光光源没有产生诸如红外光和紫外光这样的不需要的光，并且比超高压汞灯具有更长的寿命。

然而，激光光源具有高度的方向性，并且发射的光束具有极低的发散度。因此，如果使激光束直接进入投影仪的柱形积分器，则这种方向性防止光束在柱形积分器中被反射(即，被反射的光束的量小)，因此使得通过柱形积分器的光束分布不均匀。

为了解决这个问题，已经提出一种基于激光的投影仪的方法，在该方法中，在柱形积分器前方设置凸透镜，以在光束进入柱形积分器之前将光束分散或变窄，由此造成光束在柱形积分器内被反射(专利文献1：JP2002-49096A)。

然而，使用凸透镜的该方法需要空间将凸透镜设置在光源与柱形积分器之间的部分中，由此增大光学系统的尺寸。

另一方面，可以设想出一种结构，在该结构中，在柱形积分器的入射端前方设置扩散器，以使光束分散。存在一种可以将光束沿着特定方向扩散的已知的扩散器技术(专利文献2：JP2003-330110A)。

仅需要用于扩散器厚度的小空间将这种扩散器设置在柱形积分器的入射端前方。

然而，在该结构中，不是所有的光束都进入柱形积分器中；一部分光束被扩散器反射，其它的光束被扩散器扩散成比柱形积分器入射端处的开口更宽并且射出。因此，进入柱形积分器中的光量减少，光使用效率降低。

[专利文献1]JP2002-49096A

[专利文献2]JP2003-330110A

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于投影仪的投影光学系统，其能够解决上述背景技术中的问题。本发明的目的实例是显著增加进入柱形积分器中的光量。

本发明的投影光学系统的方面包括：光源；光学波导，来自所述光源的光进入所述光学波导并且所述光作为被反射的光从所述光学波导射出；扩散器，所述扩散器扩散从所述光学波导射出的光；棱镜片，被所述扩散器扩散的光进入所述棱镜片；以及柱形积分器，透射通过所述棱镜片的光进入所述柱形积分器。所述棱镜片具有布置在其一个表面上的棱镜。

附图说明

图1是示出根据本发明的投影光学系统的示例性实施例的示意图；

图2是示出本发明中使用的棱镜片的详细构造的示意图；

图3是示出由图2中的棱镜片提供的光束光路的示意图；

图4是示出其中使用本发明的投影光学系统的DLP投影仪的示意图；

图5是示出本发明的投影光学系统的另一个示例性实施例的示意图；

图6是示出其中使用图5中的投影光学系统的LCD投影仪的示意图；

图7是示出本发明中使用的棱镜片部分的另一个示例性构造的示意图；以及

图8是示出本发明中使用的光学波导部分的另一个示例性构造的示意图。

符号说明

100：棱镜片中的一部分的放大图

110、110(R)、110(G)、110(B)：激光光源

120：光学波导

130：扩散器

140：棱镜片

150：柱形积分器

160、170、190：聚光透镜

180：反射镜

200：DMD

210、440：投影透镜

220、230：二向色镜

300、300(R)、300(G)、300(B)：投影光学系统

410：场镜(Field lens)

420：液晶面板

430：正交二向色棱镜

500：入射光通量

510、520、530、540：出射光通量

610、620、630：入射到棱镜上的光束

700、710：反射镜

720：波片

730：反射偏振器

800、810：棱镜片

820：扩散器

830：来自光学波导的入射光

840：射到柱形积分器的出射光

具体实施方式

以下将参照附图描述用于执行本发明的最佳模式。

(第一示例性实施例)

图1是示出根据本发明的第一示例性实施例的投影光学系统的构造的示意图。图2是示出图1所示的棱镜片的棱镜部分的细节的示意图。

参照图1，本示例性实施例的投影光学系统包括光源110、光学波导120、扩散器130、棱镜片140和柱形积分器150。

光源110是具有高度方向性的激光光源。光学波导120由具有高透射性、厚度精确度和表面精确度的材料(例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))制成。

光学波导120的表面122和123上涂覆有反射率接近100％的反射涂层。反射镜可以替代反射涂层设置在表面122和123上。

光学波导120具有入射表面121和出射表面124，光源110的光入射到入射表面121上，并且该光通过出射表面124射出。将AR涂层(抗反射涂层)涂覆到入射表面121和出射表面124中的每个上，使得接近100％的光通过表面121和124。

扩散器130与光学波导120的出射表面124相对，以扩散向着柱形积分器150行进的光束。扩散器130由半透明的白色磨砂玻璃或树脂材料制成。

棱镜片140由丙烯酸类树脂制成。棱镜片140的结构为：形状均为三角形柱体的许多棱镜在二维平面上沿着一个方向平行布置。许多组屋顶状部平行布置在一个表面上以形成所谓的棱镜片，每组屋顶状部都包括彼此形成预定角度的两个斜面。

棱镜片140的一个平坦表面与扩散器130的出射表面132相对。

虽然示出的图1中的棱镜片140仅具有8个棱镜，但是棱镜片140实际上具有超过这个数倍的棱镜。

柱形积分器150是被切割成方形杆的透射材料的柱形透镜或者通过矩形管内设置的四个平面镜的组合形成的光通道。

以下将描述示例性实施例的投影光学系统中的光路。

从光源110发射的激光通过入射表面121进入光学波导120，被表面122反射，通过出射表面124并且入射到扩散器130的入射表面131上。调节光源110的位置，使得光束大致到达光学波导120的出射表面124的中心。

通过出射表面124射出并且入射到扩散器130的入射表面131上的光束在扩散器130的表面或其内部发生扩散，变成沿着某些方向分散的光通量，并且通过表面132射出。从扩散器130射出的光进入棱镜片140。图1中插入的放大图示出已经进入棱镜片140的部分100的光通量。

在进入棱镜片140的光通量之中，相对于棱镜片140的出射端的屋顶状表面成一定角度的光通量被透射，而成另外一定角度的光通量被反射。

透过棱镜片140的光通量通过柱形积分器150的入射端的开口表面151进入柱形积分器150，然后在柱形积分器150内被反复反射，并且最终通过出射表面152射出。

图2示出棱镜片140的结构(三角形棱镜的一个)的细节。

在扩散器130处已被以一定角度(发散角度)扩散的光束的部分500入射到棱镜的入射表面142上，如图2中所示。虽然光束入射到整个入射表面142上，但是在图2中仅示出部分光束。

通过入射表面142进入棱镜的光通量入射到斜面143上。这里，入射到斜面143上的光通量被视为单独的光通量510、520、530和540。

光通量510通过斜面143并且直接进入柱形积分器(未示出)。由于光通量510的光束相对于斜面143的入射角没有超过由棱镜折射率决定的临界角，因此光通量510通过斜面143。

在图3(a)中示出光束的光路。入射到棱镜的入射表面142上的光束610通过斜面143。如果用n表示棱镜141的折射率，用θ₁表示入射到棱镜的表面143上的光束610的入射角，则得到如下给出的表达式(1)。

[表达式1]

θ₁＜sin^-1(1/n)    ...(1)

图2中所示的光通量520的光束以大于临界角的角度入射到斜面143上，因此被斜面143全反射并且入射到另一个斜面144上。

在图3(b)中示出光束的光路。入射到折射率为n的棱镜的入射表面142上的光束620入射到斜面143上。以入射角θ₂入射到斜面143上的光束620被斜面143全反射到另一个斜面144上，这是由于入射角θ₂超过临界角。

入射到斜面144上的光束620处于入射角θ₃。由于入射角θ₃超过临界角，因此光束620被斜面144全反射，然后通过入射表面142，并且沿着与光束620进入棱镜的方向相反的方向射出棱镜。这里，得到以下给出的表达式(2)。

[表达式2]

θ₂＞sin^-1(1/n)

θ₃＞sin^-1(1/n)      ...(2)

接着，由此从棱镜返回的光束620再次被图1所示的扩散器130扩散并且进入光学波导120。光束被表面122反射并且再次进入扩散器130，然后进入棱镜片140。进入棱镜片140的光被棱镜的斜面分成通过棱镜的光通量和被棱镜的斜面全反射的光通量，如上所述。

在光束620向着柱形积分器150射出棱镜之前，光束620反复行进通过光学波导120和棱镜片140之间的光路。

图2所示的光通量530也以大于临界角的角度入射到棱镜的斜面143上，因此被斜面143全反射，然后入射到另一个斜面144上。与光通量520不同，光通量530以比临界角小的角度入射到斜面144上，因此通过斜面144并且进入相邻的棱镜。

图3(c)中示出光束的光路。光束630入射到表面142上，然后以角度θ₂入射到斜面143上。由于入射角θ₂超过临界角，因此光束630被斜面143全反射。然后，光束630以角度θ₃入射到另一个斜面144上。由于入射角θ₃小于临界角，因此光束630通过斜面144。

通过斜面144的光束入射到相邻棱镜的斜面145上，然后以角度θ₄入射到棱镜的另一个斜面146上。由于斜面146上的入射角超过临界角，因此光束被斜面146全反射并且通过棱镜的入射表面147。这里，得到以下给出的表达式(3)。

[表达式3]

θ₂＞sin^-1(1/n)

θ₃＜sin^-1(1/n)

θ₄＞sin^-1(1/n)      ...(3)

然后，从相邻棱镜返回的光束630再次被图1所示的扩散器130扩散并且进入光学波导120。光束被表面122反射，重新进入扩散器130，然后进入棱镜片140。进入棱镜片140的光被棱镜的斜面分成通过棱镜的光通量和被棱镜的斜面全反射的光通量，如上所述。

以此方式，在光束630向着柱形积分器150射出棱镜之前，光束630反复行进通过光学波导120和棱镜片140之间的光路。

图2所示的光通量540行进通过与图3所示的光束630相同的光路。然而，光通量540在通过斜面144之后没有进入相邻的棱镜，而是被沿着横向方向直接透射。光束被浪费，但是所浪费光的量非常小，使得它对光总量的减少没有显著的影响。

在上述的投影光学系统中，棱镜片140设置在扩散器和柱形积分器之间。采用这种布置，没有进入柱形积分器的部分光束可以通过扩散器返回到柱形积分器。也就是讲，入射光得以循环。结果，可以使更多的光束进入柱形积分器。可以进入柱形积分器的光通量的量超过在没有设置本发明的棱镜片的情况下只使用扩散器分散激光而可以进入柱形积分器的光通量的两倍。

因此，与其中仅使用扩散器分散光束的角度以使光束进入柱形积分器的光学系统相比，光的量可以显著增加。也就是讲，可以显著提高照明效率。

另外，图1中的投影光学系统仅能够发射向着柱形积分器开口端的前方具有高强度分布的并且具有如同图2中的光通量510的某个角度分量的光束。

(第二示例性实施例)

将描述使用图1中的投影光学系统的基于DLP(注册商标)的投影仪(下文中被称作DLP投影仪)的构造。DLP投影仪是时分投影显示单元，其使用具有安装在半导体存储器单元上的几十万个镜元件的数字微镜器件(下文中被称作DMD)。可以控制每个镜元件的倾斜。

图4是示出使用上述的投影光学系统的本示例性实施例的DLP投影仪的示意图。

参照图4，本示例性实施例的DLP投影仪包括：图1中所示的投影光学系统；数字微镜器件(DMD)200(即，光阀)；一组聚光透镜160、170和190，用于使投影光学系统的柱形积分器50的光出射表面和光阀共轭；以及投影透镜210，其用于形成并投影通过光阀的光的放大图像。

以下将描述本示例性实施例的DLP投影仪中的光路。

绿色波长带中的光束从激光源110(G)发射，依次通过二向色镜220和230(即，分色的光学系统)，并且进入光学波导120。二向色镜220具有使绿色波长带中的光束通过并反射红色波长带中的光束的膜特性。另一方面，二向色镜230具有使绿色和红色波长带中的光束通过并反射蓝色波长带中的光束的膜特性。

红色波长带中的光束从激光源110(R)发射，被二向色镜220反射，通过二向色镜230并且进入光学波导120。

蓝色波长带中的光束从激光源110(B)发射，被二向色镜230反射，并且进入光学波导120。

进入光学波导120的彩色光束(R、G和B)在光学波导120内被反射，然后进入扩散器130。

进入扩散器130的光束被扩散并且进入棱镜片140。进入棱镜片140的部分光束被向前(向着柱形积分器150)透射，其它光束通过扩散器130并且返回光学波导120。光束被光学波导120反射并且重新进入棱镜片140。以此方式，部分光束在光学波导120和棱镜片140之间来回行进并最终向着柱形积分器150射出。

以此方式，被扩散器130扩散没有进入柱形积分器150的部分光束可以循环作为进入柱形积分器150的光。因此，进入柱形积分器150的光量可以增大。

通过棱镜片140并进入柱形积分器150的光束在射出柱形积分器150之前在柱形积分器150内被反复反射。因此，使得射出柱形积分器的光的光强度分布均匀。

射出柱形积分器150的光束通过聚光透镜160和170，被镜180反射，通过聚光透镜190，然后进入DMD 200。光束被在DMD 200内调制，并且通过投影透镜210被投影到屏幕(未示出)上。

(第三示例性实施例)

当本发明的投影光学系统用在如图4所示的DLP投影仪中时，不需要提供用于沿着特定方向偏振光束的结构(例如PBS：偏振分束器)。然而，当投影光学系统用在LCD投影仪中时，在光进入液晶面板之前，需要根据液晶面板的透射特性将光沿着特定方向偏振。因此，在投影光学系统中需要确定偏振方向。将通过实例的方式描述这种构造。

图5是示出用在LCD投影仪中的本发明的投影光学系统的示例性实施例的示意图。

参照图5，除了图1所示的投影光学系统的组件之外，投影光学系统还包括：反射镜700和710，其形成在柱形积分器150的光入射端的表面151上；波片720，其设置在柱形积分器150的光出射端的表面152上；以及反射偏振器730，其设置在波片720上。在反射镜700和710之间存在允许光进入的开口。

将描述如上所述构造的投影光学系统300中的光路。从光源110发射的激光通过入射表面121进入光学波导120，被表面122反射，通过出射表面124，并且入射到扩散器130的入射表面131上。这里，调节光源110的位置，使得光束大致到达光学波导120的出射表面124的中心。

通过出射表面124射出并且入射到扩散器130的入射表面131上的光束在扩散器130的表面或其内部发生扩散，变成沿着某些方向分散的光通量，并且通过表面132射出。射出扩散器130的光通量进入棱镜片140。

在进入棱镜片140的光通量之中，相对于棱镜片140的出射端的屋顶状表面成一定角度的光通量被透射，而成另外一定角度的光通量被反射。

透射通过棱镜片140的光通量通过表面151进入柱形积分器150。光通过设置于表面151的反射镜700和710之间的开口进入柱形积分器150。

进入柱形积分器150的光束在柱形积分器150内被反复反射并且通过表面152射出。

射出柱形积分器150的光束通过波片720并且入射到反射偏振器730上。这里，具有某一偏振分量的光束通过反射偏振器730，而具有与该偏振分量正交的偏振分量的光束被反射。被反射的光束返回柱形积分器150的光入射端，被光入射端的表面151上的反射镜700和710反射，并且再次在柱形积分器150内反复反射，然后入射到波片720和反射偏振器730上。

当光束以此方式在反射偏振器730与反射镜700和710之间来回行进时，光束两次通过波片720以改变其偏振方向，并且当光束到达反射偏振器730时变得能够通过反射偏振器730。

因此，光束在反射偏振器730与反射镜700和710之间来回行进，只有具有沿着某一方向偏振的偏振分量的光束最终射出柱形积分器150。

在上述光的过程中，还存在被反射偏振器730反射并通过镜700和710之间的开口的光束。光束通过棱镜片140和扩散器130，被光学波导120反射并且重新进入柱形积分器150。因此，从柱形积分器150中逸出到棱镜片140外部的光束损失量极小。

(第四示例性实施例)

以下将参照图6描述使用上述的投影光学系统300的LCD投影仪的示例性构造。

本示例性实施例的LCD投影仪包括：投影光学系统300(G)、300(R)和300(B)，其具有图5所示的构造；液晶显示装置(LCD)420(G)、420(R)和420(B)，其是光阀；正交二向色棱镜430，其是用于将通过光阀的光组合的颜色组合光学系统；以及投影透镜440，其用于形成并投影通过正交二向色棱镜430的光的放大图像。

以下将描述本示例性实施例的LCD投影仪中的光路。

绿色波长带中的光束从激光源110(G)发射，通过投影光学系统300(G)和场镜410，并且进入液晶面板420(G)。被液晶面板420(G)调制并透射通过液晶面板420(G)的光束进入正交二向色棱镜430。

与绿色光束一样，红色波长带中的光束从激光源110(R)发射，通过投影光学系统300(R)和场镜410，然后进入液晶面板420(R)。被液晶面板420(R)调制并透射通过液晶面板420(R)的光束进入正交二向色棱镜430。

与绿色光束一样，蓝色波长带中的光束从激光源110(B)发射，通过投影光学系统300(B)和场镜410，并且进入液晶面板420(B)。被液晶面板420(B)调制并透射通过液晶面板420(B)的光束进入正交二向色棱镜430。

进入正交二向色棱镜430的彩色光束(R、G和B)在正交二向色棱镜430中被组合，并且组合后的光束向着投影透镜440射出。发射的光束通过投影透镜440被投影在屏幕(未示出)上。

由于本示例性实施例使用能够将没有进入柱形积分器150的部分光束返回柱形积分器150的投影光学系统300，因此与传统的LCD投影仪相比，到达屏幕的光量显著增加。

(第五示例性实施例)

以下将描述构成图1或图5中的投影光学系统的棱镜片的另一个模式。

图7是示出用在本发明中的棱镜片的另一个示例性构造的透视图。在本示例性实施例中，另一个棱镜片810堆叠在棱镜片800上，其堆叠方式使得棱镜片的排列彼此正交。棱镜片800和810中的每个均具有与相对于第一示例性实施例描述的棱镜片140相同的构造。

采用上述的构造，如图7中所示，通过光学波导(未示出)并进入扩散器820的光束830透射通过棱镜片800和810，然后透射的光840进入柱形积分器(未示出)。

在透射中，入射光束不仅沿着与上面布置有棱镜的棱镜片的一个平面平行的一个方向而且还沿着与该方向正交的方向在棱镜片周围分散。这样的作用在于，减少柱形积分器150的光入射端的开口表面中的亮度差和亮度不均匀性。

虽然与一个棱镜片的情况相比，两个棱镜片减少了透射率(透射的光量)，但是与减少的光量等价的光束返回光学波导并且重新进入棱镜片。

因此，没有通过棱镜片的光束在光导和一组棱镜片之间来回行进，并最终进入柱形积分器。因此，透射率的降低不明显。也就是说，柱形积分器的光入射端的开口表面处的亮度减小可以忽略不计。

(第六示例性实施例)

以下将描述构成图1或图5中的投影光学系统的扩散器部分的另一个形式。

图8是示出根据本发明的另一个示例性实施例的投影光学系统构造的示意图。

本示例性实施例的投影光学系统的构造为：在图1所示的光学波导120的表面122上设置另外的扩散器125。图1和图5所示的构造中的表面122是具有反射涂层的反射表面，而本示例性实施例中的表面122是透射型的，但代替具有透射型表面，而是，没有与表面122接触的扩散器125的表面是反射表面。

如果来自投影仪所使用光源的光束具有一定的发散度，则不需要分散要入射到扩散器上的光束。然而，就使用具有高度方向性的激光光源的投影仪而言，通过扩散器的光量往往在棱镜片的光入射表面的中心区域中较大，并且在环绕中心区域的区域中较小，即使光束已经通过扩散器。

为了解决这个问题，如图8所示，迫使光束进入另一个扩散器125，以在光束进入扩散器130和棱镜片140之前扩散和分散光束。这样可以减少棱镜片140的光入射表面的亮度不均匀性。

(第七示例性实施例)

上述示例性实施例中的棱镜片的结构为：许多三角形棱镜布置在一个平面上。然而，也可以通过其它结构实现本发明的效果，即，通过使用扩散器使没有进入柱形积分器的光束可以返回柱形积分器。因此，本发明的棱镜片中棱镜的形状、尺寸、阵列节距和其它参数不限于附图中公开的那些。

(第八示例性实施例)

虽然已经描述了激光光源用作光源的实例，但是即使用LED或诸如超高压贡灯这样的放电灯取代激光光源，本发明也具有与如上所述的效果相同的效果。然而，由于LED和放电灯发射的光的方向性差，因此光学波导的形状和其它参数需要相对于使用激光光源的光学系统中的光学波导的形状和其它参数进行修改。

虽然已经参照本发明的示例性实施例描述了本发明，但是本发明不限于上述的示例性实施例。在不脱离本发明的技术理念的情况下，本领域的技术人员会想到对本发明的形式和细节进行各种修改。