彩色发光装置和方法以及图像投影 装置及其使用方法 【技术领域】
本发明涉及一种通过将从一光源发射的白光分解为几种颜色的光束来发出彩色光束的彩色发光装置和方法，以及图像投影方法和采用该方法的仪器。特别地，本发明涉及一种在具有很高的光学效率下发出彩色光束的小型光学彩色发光装置和方法，以及一种图像投影装置及其使用方法。
背景技术
一般地，图像投影系统通过采用一个微显示器将图像投影在使用光源的屏幕上来提供图像，微显示器例如是液晶显示器或者数字微镜显示器。
图像投影系统根据微显示器的数量划分为单板图像投影系统和三板图像投影系统，三板图像投影系统包括三个微显示器，三个微显示器分别处于分解的红、蓝和绿色光束的光学路径上。这样，三板图像投影系统比单板图像投影系统具有更高的光学效率，但是它的光学结构更为复杂，导致较高的制造成本。
其间，一般的单板图像投影系统采用一个彩色转轮滤光片(color wheelfilter)将从一光源发射的白光周期性地分解为红色，蓝色和绿色光束。单板图像投影系统具有一个比三板图像投影系统更简单的光学结构，但是由于采用了彩色转轮滤光片，它与三板图像投影系统相比多2/3的光损失掉，从而导致光学效率降低。图1示出一个常规的采用单板图像投影系统但却解决了低光学效率问题地图像投影系统。
如图1所示，常规的单板图像投影系统包括一个光源11，用于产生和发射非偏振白光。发射的白光在通过一个蝇眼透镜阵列13之后转换为均匀光，透镜阵列13通过混合入射光将入射光均匀化，然后光进入偏振转换器15。该偏振转换器15改变了从光源11发射的非偏振白光的偏振，因此非偏振白光具有一个单一的偏振方向。通过偏振转换器15的白光，在通过第一二向分色镜17和第二二向分色镜19时分解为红(R)，绿(G)和蓝(B)色光束。特别地，第一二向分色镜17只反射入射白光当中蓝色波长光谱中的光束，而透过所有其他颜色的光束。接下来，第二二向分色镜19将透过的彩色光束分解为红和绿色光束，并且类似地只透过一种颜色。
用于周期性地滚动入射光的第一，第二和第三扫描棱镜21，23和25，分别在沿着分解的R，G和B光束的各光学路径上设置。第一，第二和第三扫描棱镜21，23和25可以是正方柱形棱镜，通过一个驱动单元(未示出)受到旋转驱动。R，G和B光束光学路径上的光轴和棱镜21，23，25的侧壁之间的角度，由于第一，第二和第三扫描棱镜21，23和25的旋转驱动而变化，因此通过棱镜21，23和25的光束其传播路径周期性地变化。
这里，第一，第二和第三扫描棱镜21，23和25的初始角度设定为使得通过棱镜21，23和25的光将一个显示装置33的有效图像区域分解为三个区域。当第一，第二和第三扫描棱镜21，23和25沿着R，G和B光束的光学路径被旋转驱动时，通过棱镜21，23和25的光出射后照射到三个有效图像区域上。这样，如图2所示，当光束按照棱镜21，23和25的驱动状态依(B，R，G)，(G，B，R)和(R，G，B)的顺序重复时，光束聚焦在分解出的三个区域。
从第一，第二和第三扫描棱镜21，23和25出射的顺序化的光束，在通过第三和第四二向分色镜27和29后结合在一起。这里，用于改变光的传播路径的反射镜18和20分别设置在第一和第三二向分色镜17和27之间以及第二和第四二向分色镜19和29之间。
通过第四二向分色镜29的滚动光入射至一个偏振光束分解器31，其根据偏振方向透过或者反射入射光。如图2所示，从偏振光束分解器31反射的光周期性地滚动并且入射至显示装置33。显示装置33由入射光形成一个图像。这里，图像是通过变化每个像素上入射光的偏振方向而形成。
即，只有偏振方向变化的入射光能够通过偏振光束分解器31并进到一个投影透镜单元35。然后，入射至投影透镜单元35的图像得到放大并投影在屏幕50上。
图像投影系统还包括多个中继透镜41，42，43，44，45，46，47和48，它们沿着光的光学路径设置并将从光源11发射的入射光传输至显示装置33。
尽管在具有上述结构的常规图像投影系统中只使用一个显示装置，但是这种图像投影系统的光学结构也是非常复杂的。进而，由于三个扫描棱镜独立地旋转并滚动光，所以很难使图像投影系统与显示装置协同工作。
【发明内容】
因此，本发明提供一个彩色发光装置和方法，其具有简单的光学结构并发射滚动的彩色光束。
本发明还提供一种单板图像投影装置和方法，它包括简单的光学结构并且易于与显示装置的驱动同步工作。
本发明的其他方面和/或者优点一部分在以下的描述中阐明，一部分可以从描述中明显看到，或者可以通过对本发明的实践而了解。
为了实现以上的和/或其他的方面和优点，本发明的实施例提供一个彩色发光系统，其中包括：一个发射光的光源；一个彩色光束分解器，将光源发射的入射光按照预定的波段分解并以不同的角度传播所分解的光；一个第一聚光透镜，会聚所分解的光束；和一个滚动单元，改变所述会聚的光束传播路径，使光束呈彩色条状并在不同位置，并且滚动所述会聚的光束的传播路径的变化以周期性地滚动彩色条。
彩色光束分解器可以包括：一个第一二向分色镜，相对于入射至彩色光束分解器的光的光轴倾斜，反射入射光束的第一种颜色的光束并透射其余颜色光束；一个第二二向分色镜，相对于入射光的光轴倾斜并设置在第一二向分色镜背面的后面，反射第一二向分色镜透射的彩色光束中的第二颜色光束，透射其余颜色的光束；和一个第三二向分色镜，相对于入射光的光轴倾斜并设置在第二二向分色镜背面的后面，反射第二二向分色镜透射的彩色光束中的第三颜色光束。
为了实现以上的和/或其他的方面和优点，本发明的实施例提供一种图像投影系统，该系统包括：一个发射光的光源；一个彩色光束分解器，按照预定的波段分解从光源发射的入射光束并以不同的角度传播所分解的光束；一个第一聚光透镜，会聚所述分解的光；一个滚动单元，改变会聚光束的传播路径以在不同的位置形成彩色条，并滚动光束传播路径的变化从而周期性地滚动彩色条；一个第二聚光透镜，会聚从滚动单元出射的光；一个均匀光形成单元，将从滚动单元出射的光转变为均匀光；一个图像形成装置，由均匀光形成单元出射的光形成一个图像；和一个投影透镜单元，放大和投影从图像形成装置产生的图像至屏幕上。
彩色光束分解器可以包括：一个第一二向分色镜，相对于入射到该彩色光束分解器的光的光轴倾斜，反射入射光的第一颜色光束并透射其余颜色光束；一个第二二向分色镜，相对于入射光的光轴倾斜并在第一二向分色镜背面的后面，反射第一二向分色镜所透射的彩色光中的第二颜色光束，并透射其余颜色光束；和一个第三二向分色镜，相对于入射光的光轴倾斜并在第二二向分色镜背面的后面，反射第二二向分色镜所透射的彩色光束中的第三种颜色光束。
为了实现以上的和/或其他的方面和优点，本发明的实施例包括一个彩色发光方法，其中包括按照预定的波段分解入射光，按照不同的角度将所分解的光束透射至聚光单元，使用该聚光单元会聚所透射的光束，改变所透射的光束的传播路径以产生彩色条，并且滚动会聚光束传播路径的变化从而周期性地滚动彩色条。
彩色发光方法可以进一步包括会聚变化传播路径的会聚光束，采用会聚变化传播路径的会聚光束以形成图像，并投影所形成的图像至屏幕上。
另外，入射光的分解可以包括按第一角度反射入射光束的第一颜色光束至聚光单元，并将入射到彩色光束分解器上的剩余彩色光束透射，以第二角度反射剩余彩色光束中的第二颜色光束至聚光单元，透射第二次反射后剩余的彩色光束，并以第三角度反射第二次反射后剩余光束中的第三颜色光束至聚光单元，并透射第三次反射后剩余彩色光束。
【附图说明】
本发明的这些和/或其他方面和优点，在以下结合下述附图的实施例说明中会变得更为明显并更易于认清。
图1示意一个采用常规彩色发光系统的单板图像投影系统的光学配置图；
图2表示通过驱动图1中扫描棱镜分解的彩色光束的排列变化；
图3示意一个根据本发明一个实施例的彩色发光装置及其方法和一个图像投影装置及其使用方法的光学配置图；
图4表示根据本发明实施例图3中圆柱阵列透镜和滚动单元的驱动单元的立体图；
图5是图4的横截面图；
图6至图8示意解释图3所示彩色发光装置和方法的工作过程；
图9示意根据本发明另一个实施例的彩色发光装置和方法的光学配置；
图10是图9中元件的立体图；
图11示意根据本发明另一个实施例的彩色发光装置和方法的光学配置。
【具体实施方式】
现在详细说明涉及本发明实施例的内容，其实例示于附图中，其中全部以类似的附图标号表示类似的元件。以下参照附图描述实施例以解释本发明。
图3表示根据本发明实施例的一个彩色发光装置，它包括一个光源60；一个彩色光束分解单元70，其根据预定波段分解光源60发射出的入射光；一个第一聚光透镜81，会聚彩色光束分解单元70所分解的光束；和一个滚动单元90。滚动单元90改变根据预定波段分解的光束的传播路径，使光束呈彩色条状并在不同位置，并且滚动入射光从而周期性地滚动彩色条。
产生和发射白色光的光源60包括一个产生光的灯61和一个反射由灯61发射的光并引导反射光传播路径的反射镜63。反射镜63可以是一个椭圆镜，其中灯61的位置是第一焦点，而光的聚焦点是第二焦点。或者，反射镜63可以是一个抛物线形镜，灯61的位置是一个焦点而抛物线形镜校准从灯61发射的光。在图3中，反射镜63是一个抛物线形镜。
彩色光束分解单元70根据预定波段分解灯61发射的光，并以不同的角度传播所述分解的光束。为此，彩色光束分解单元70包括第一，第二和第三二向分色镜71，73和75，其每一个反射具有特定波段的光，将入射光分解为第一，第二和第三光束L1，L2和L3。分解的第一，第二和第三光束L1，L2和L3分别以不同的角度θ1，θ2和θ3进入第一聚光透镜81，θ1，θ2和θ3分别是光束L1，L2和L3的光轴与二向分色镜71，73和75之间的夹角。
特别地，第一二向分色镜71相对于在反射镜63反射的光传播方向的入射光的光轴以θ1的角度倾斜，它反射第一颜色光束L1，例如蓝色入射光束，并透射除蓝色光束之外的其他颜色光束。第二二向分色镜73相对于在反射镜63反射的光传播方向的入射光的光轴以θ2的角度倾斜，它设置在第一二向分色镜71的背面上，反射第二颜色光束L2，例如红色入射光束，并透射其他颜色光束。类似地，第三二向分色镜75相对于在反射镜63反射的光传播方相对于入射光的光轴以θ3的角度倾斜，它设置在第二二向分色镜73的背面中，反射第三颜色光束L3，例如绿色入射光束。这里，第三二向分色镜75也可以是能够反射所有彩色光束的全反射镜。
其间，θ1，θ2和θ3是钝角并且满足下式1，以使得从第一，第二和第三二向分色镜71，73和75反射至第一聚光透镜81上的第一，第二和第三颜色光束L1，L2和L3的光轴排列起来。
θ1＞θ2＞θ3 (1)
第一，第二和第三二向分色镜71，73和75也可以设置为除一种颜色光束外反射所有其他颜色光束，其中镜71，73和75中的每一个可以各自单独反射。进而，由于制造第一，第二和第三二向分色镜71，73和75的制造方法对于应用光学的技术领域的普通技术人员来说是公知的，所以其描述被省略。
第一聚光透镜81聚焦由第一，第二和第三二向分色镜71，73和75分解的彩色光束。为了这样做，最好第一聚光透镜81是一个圆柱形透镜，它仅有选择地会聚沿特定入射路径入射在聚光透镜81上的入射光。第一聚光透镜81的形状也可以与图10中所示的附图标号为81的聚光透镜基本上相同。
第一聚光透镜81可以是在一个平板上具有预定折射图案的折射光学元件，它仅有有选择地会聚沿特定路径入射至聚光透镜81的入射光，如以上参考内容。由于根据一个折射图案会聚和发散入射光的透镜的结构和制造方法已经广为人知，所以其描述省略。
滚动单元90包括一个第一柱形阵列透镜91和一个第一驱动单元100。该第一柱形阵列透镜91包括多个具有相同折射系数并相邻的柱形透镜91a。这里，多个柱形透镜91a独立地会聚和发散入射光。例如，发散入射光的柱形凹透镜91a示于图3。该柱形透镜91a也可以在一个平板上形成折射图案。
滚动单元90最好进一步包括一个第二柱形阵列透镜93和一个用于驱动第二柱形透镜阵列93的第二驱动单元100′。第二柱形透镜阵列93滚动通过第一柱形阵列透镜91的光，并沿第一柱形阵列透镜91的光学路径设置。第二柱形阵列93包括多个柱形阵列透镜91。第二柱形阵列透镜93包括多个具有相同折射系数和相邻的柱形透镜93a，如同第一柱形阵列透镜91中一样。这里，多个柱形透镜93a独立地会聚和发散入射光。柱形透镜93a也可以是发散入射光的凹透镜，或者是某个能够通过会聚或者发散入射光在一个平板上形成折射图案的确定的形状。
第一和第二驱动单元100和100′提供一个在垂直于入射光光轴方向上的用于往复驱动第一和第二柱形阵列透镜91和93的驱动力。
参照图4和5，第一和第二驱动单元100和100′在上和下方向往复驱动第一和第二柱形阵列透镜91和93，如图4和5所示。第一和第二驱动单元100和100′的每一个包括：一个示于图5中的轭元件101其中内轭和外扼整体地形成以产生一个磁路；一个磁铁103，它在轭元件101的外轭内；和一个面对磁铁103的线圈元件105，它缠绕在从第一和第二柱形阵列透镜91和93延伸的线轴92周围。这里，磁铁103的磁力线方向和线圈元件缠绕的方向确定为使得线圈元件105和磁铁103之间的电磁力是沿上和下方向，如图4和5所示。
由于第一和第二驱动单元100和100′独立驱动第一和第二柱形阵列透镜91和93，通过第一和第二柱形阵列透镜91和93的光在图象形成装置130的有效图象区域分解为三个区域。因此，彩色条形成在分解的区域上然后被滚动。这样，彩色条形成在一个图象形成装置130的形成位置上，以下将对其进行详细描述。具有第一，第二和第三波段即红(R)，绿(G)和蓝(B)波段的光束，交替地入射在分解的三个区域上。例如，R，G和B光束交替地以(G，R，B)，(R，B，G)和(B，G，R)的顺序被聚焦。第一和第二驱动单元100和100′可以是一个音圈电机或者一个压电驱动单元。
根据本发明的这个实施例，考虑到通过滚动单元90的光的焦点和均匀度，彩色发光装置可以进一步包括一个第二聚光透镜83，一个均匀光形成单元110，和一个把光传输至预定位置而不改变光的尺寸的中继透镜120。
第二聚光透镜83进一步会聚通过滚动单元90的光。第二聚光透镜83最好是一个柱形透镜，只选择沿特殊入射路径入射在聚光透镜81上的入射光进行聚焦。进而，第二聚光透镜83可能是一个在平板上具有衍射图案的衍射光学元件，因而如上所述有，有选择地会聚聚光透镜81上沿特殊入射路径的光。
均匀光形成单元110设置在第二聚光透镜83和中继透镜120之间的光学路径上，将通过滚动单元90的光转化为均匀光。为此，均匀光形成单元110包括：一个具有多个凹部111a的第一蝇眼透镜阵列111，凹部以二维方式设置在入射光的入射表面和/或一个发射表面上；和第二蝇眼透镜阵列113，其与第一蝇眼透镜阵列111相邻设置，具有多个凹部113a，凹部以二维方式设置在入射表面和/或一个发射表面上。
均匀光形成单元110可以包括另一个光学元件，例如玻璃棒，以及第一和第二蝇眼透镜111和113。中继透镜120将通过均匀光形成单元110的光传输至一个预定位置，例如，图象形成装置130的形成位置。
下面将参考图3，且具如图6-8所示对有上述结构的彩色发光装置的操作方法以下进一步描述。
图6表示一个实施例中第一和第二阵列透镜91和93在通过第一和第二驱动单元100和100′的驱动而取向时的一个例子。当如图6所示设置光学元件时，从彩色分解单元70分解的彩色光束会聚在第一聚光透镜81上，并且会聚光束由第一柱形阵列透镜91分解为几个光束。所分解的光束通过第二柱形阵列透镜93，第二聚光透镜83，均匀光形成单元110，和中继透镜120，因而在一个预定位置形成一个彩色条。这里，形成的彩色条由附图标号130a代表，G，R和B光束以(G，R，B)的顺序从带130a的上部分到下部分的方向设置，如图6所示。由于从彩色分解单元70分解的彩色光束以不同的角度入射在第一聚光透镜81上，并通过由上述光学元件形成的不同的光学路径传输至它们相应的预定的位置，上述光学元件即第二柱形阵列透镜93、第二聚光透镜83、均匀光形成单元110和一个中继透镜120，所以可能将入射光分解为彩色光束。
优选地，第一和第二聚光透镜81和83、以及第一和第二柱形阵列透镜91和93的全部焦距按这样设置：当平行光束入射在第一聚光透镜81上，从第二聚光透镜83发射的光束聚焦在第一蝇眼透镜111上。焦距根据上述光学元件的折射系数设定。由于设定焦距的方法是已知的，这里省略详细的描述。
图7表示通过驱动第一和第二驱动单元100和100′配置第一和第二柱形阵列91和93的例子。作为图6所示的实施例的替代，第一柱形阵列透镜91设置在高于第二柱形阵列透镜93的位置。当第一和第二柱形阵列透镜91和93如图7所示设置时，形成的彩色条由附图标号130b所代表，其中R，B和G光束按着(R，B，G)的顺序从彩色条130b的上部分至下部分设置。
而附图8表示另一个通过驱动第一和第二驱动单元100和100′配置第一和第二柱形阵列91和93的例子。作为图6和7所示的实施例的另一个替代，如图8所示，第一柱形阵列透镜91设置在更高于第二柱形阵列透镜93的位置。即，在图8中第一和第二柱形阵列透镜91和93间的高度差大于图7中的高度差。在这种情况下，当第一和第二柱形阵列透镜91和93如图8所示设置时，形成的彩色条由附图标号130c所代表，其中B，G和B光束按着(B，G，R)的顺序从彩色条130c的上部分至下部分设置。
这样，由于如图6-8所示的第一和第二驱动单元100和100′的驱动，第一和第二柱形阵列透镜91和93配置发生变化，从而彩色条130a，130b，130c的滚动进行重复。
参考图3，根据本发明实施例的图象投影装置和方法，包括彩色发光系统，由均匀光形成单元110出射的光形成一个图像的图像形成装置130，和一个将图像形成装置130产生的图像放大和投影至屏幕150上的投影透镜单元140。
这里，彩色发光装置和方法包括一个产生和发射光的光源60，一个根据预定波段分解入射光的彩色光束分解单元70，第一和第二聚光透镜81和83，滚动单元90和均匀光形成单元110。包括在彩色发光系统中的光学元件的结构、配置和功能如上所述，参考图3-8。
图象形成装置130设置在彩色条形成的位置。图象形成装置130的有效图象区域分解为三个区域。形成彩色条的R，G和B光束被滚动并入射在三个区域上。
图象形成装置130可以是透射型液晶显示器。在这种情况下，透射型液晶显示器起到光阀的作用，通过有选择地透射或者阻断每个象素的入射光而形成一个图象。
图象形成装置130可以是反射型液晶显示器或者微镜装置，其使得入射到每个象素上的光的反射路径不同。在这种情况下，图象投影系统可以进一步包括一个光束分解器(未示出)，因而从图象形成装置130产生的图象送至屏幕150上。由于图象形成装置130的结构和功能已经广为人知，这里省略详细描述。
投影透射单元140设置于图象形成装置130和屏幕150之间，由图象形成装置130产生的图形被放大并投影在屏幕150上。
参考图9，根据本发明的另一个实施例，一个彩色发光装置和方法包括一个光源60，一个彩色光束分解单元70，一个第一聚光透镜81，和一个滚动单元190。这里，由于光源60，彩色光束分解单元70和第一聚焦透镜81与图3所示的实施例采用了相同的附图标号，它们的结构和功能与图3实施例中基本上是相同的，所以省略它们的详细描述。
本发明的另一个实施例其特征在于滚动单元190与图3中滚动单元90相比有所变化。参照图9和10，滚动单元190包括一个旋转柱形阵列透镜195，其可以旋转地设置在光的光学路径上，还包括一个驱动单元200，用于旋转地驱动旋转柱形阵列透镜195。
旋转柱形阵列透镜195为圆柱形，包括多个具有相同折射系数并且相邻设置的柱形透镜195a。多个柱形透镜195a独立地会聚和发散入射光。柱形透镜195a可以是发散入射光的凹形，或者也可以具有某些能够通过在一个平板上形成一个折射图案而会聚或发散入射光的确定的形状。
由于驱动单元200是一个常见的可旋转驱动装置，例如一个马达，其结构广为人知，所以其描述这里省略。
这个实施例中的滚动单元190包括旋转柱形阵列透镜195，比其他系统的优越之处在于分离形成的彩色条可以按顺序滚动，与前面实施例的滚动单元90不同。
这个实施例的彩色发光系统可以包括一个第二聚光透镜183，一个均匀光形成单元110，和一个中继透镜120。
如图10所示，第二聚光透镜183与多个柱形阵列透镜195a中的一些透镜相对设置，并且类似于第一聚光透镜81具有半圆柱形状。
第二聚光透镜183包括：第一区域183a，其与多个柱形透镜195a中的外部透镜相对；和第二区域183b，其与多个柱形透镜195a中的内部透镜相对。第一区域183a和第二区域183b的曲率互不相同。由于具有不同的曲率，所以通过第一区域183a的光和通过第二区域183b的光聚焦在相同的平面。
均匀光形成单元110沿着第二聚光透镜183和中继透镜120之间的光学路径设置。由于均匀光发射单元110的光学结构基本上与前述实施例中彩色发光系统的均匀光形成单元110相同，所以这里省略其详细描述。
参考图11，根据本发明另一个实施例的彩色发光系统，包括一个光源60，一个彩色光束分解单元70，一个第一聚光透镜81，一个滚动单元190，一个第二聚光透镜283，一个均匀光形成单元110，和一个中继透镜120。这里，由于光源60，彩色光束分解单元70，第一聚光透镜81，滚动单元190与前述实施例使用相同的附图标号，同时它们的结构和功能基本上相同，所以这里省略其详细描述。
这个另外实施例的特点在于第二聚光透镜283的光学配置不同于其他实施例。特别地，第二聚光透镜283设置在均匀光形成单元110中的第一蝇眼透镜111和第二蝇眼透镜113之间。
根据本发明的这个实施例的图像投影系统，包括彩色发光系统，一个由均匀光形成单元110出射的光形成图象的图象形成装置(未示出)，和一个放大和投影由图象形成装置产生的图象至屏幕上(未示出)的投影透镜单元(未示出)。这个实施例的图像投影系统中包括的彩色发光系统图象不同于以前的实施例，不同之处在于滚动单元190包括一个旋转柱形阵列透镜195。由于除旋转柱形阵列透镜195外，其余光学元件的结构、配置和功能，与以前实施例的相同，所以这里省略其详细描述。即，滚动单元190包括旋转柱形阵列透镜195和一个驱动旋转阵列透镜195的驱动单元，因此滚动单元190滚动彩色条，同时图形投影系统很容易与图象形成装置的驱动协同工作。
如上所述，根据本发明实施例，由于彩色发光系统包括一个发射彩色光束滚动单元，它的光学结构可以简化，光能够以低的光损失滚动并发射。
进而，根据本发明的实施例，当彩色条滚动时，图象投影系统可以很容易地与图象形成装置协同工作。另外，由于图象投影系统是一单板型，因此光路的结构可以被简化。由于图象投影系统采用第一和第二柱形阵列透镜或者一个旋转柱形阵列透镜滚动入射光，因而光学效率得到改善。
尽管只表示和描述了本发明的几个实施例，但是本技术领域的专业人员可以理解在不偏离本发明的原理和构思的情况下，可以在本实施例中作改变，本发明的范围由权利要求书及其等效替代物所确定。