專利名稱：用于投影型顯示器的照明裝置和投影型顯示設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種有效采用萬花筒的用于投影型顯示器的照明裝置和投影型顯示設(shè)備。
采用放電燈例如汞燈、金屬鹵化物燈、或氙燈作為投影型顯示器的光源是一個(gè)傳統(tǒng)取向。
然而，基于燈的光源含有許多不必要的光學(xué)成份，通過投影型顯示器中的光學(xué)濾波器例如UV濾波器、IR濾波器、二向色反射鏡等加以阻斷，其中該投影型顯示器一般采用基于三基色的光學(xué)驅(qū)動(dòng)。因此，此中包含了不僅導(dǎo)致成本增加而且由于雜散光和發(fā)熱而引起各種缺陷的因素。
光學(xué)半導(dǎo)體元件例如LED等可以用作新的光源選擇，用以替代上述那些光源。例如，InGaAlP(紅色)LED1元件具有標(biāo)準(zhǔn)為大約2V的正向電壓，通常工作在20mA，其光源的電功率僅為0.04W。因而顯然投影型顯示器光源需要大量的光源。另外，這些半導(dǎo)體元件具有大的光束發(fā)散角、高折射系數(shù)和低的空氣透射率的缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，有可能考慮在照射表面的相對一側(cè)應(yīng)當(dāng)設(shè)置一個(gè)反射器，并且應(yīng)當(dāng)將燈元件表面涂覆以透鏡狀的樹脂材料，以提高其定向性和光輸出效率，可見于一般的單個(gè)LED燈結(jié)構(gòu)中。
然而，在此結(jié)構(gòu)中，在設(shè)有大量單個(gè)LED燈的情況下，光源的形狀具有較大的尺寸，因而系統(tǒng)增大了許多并且成本增加。另外，例如在采用液晶作為燈泡的情況下，照明角變得太大以致于包括對比度等在內(nèi)的圖象質(zhì)量由于視場的影響而降低。因而引致很多缺陷，例如，難以構(gòu)造含有投影透鏡部件的實(shí)現(xiàn)高效率聚光的光學(xué)系統(tǒng)。
如上所述，傳統(tǒng)投影型顯示器具有大尺寸的光源。部件的數(shù)量增加，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。另一個(gè)問題在于當(dāng)采用LED時(shí)其光通量不足。
發(fā)明概要因而，本發(fā)明的目的在于提供一種用于投影型顯示器的照明裝置和一種顯示設(shè)備，它們都具有簡單的結(jié)構(gòu)和較小的尺寸，并且可以獲得充分的照明光量。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種用于投影型顯示器的照明裝置，具有改進(jìn)的照明性能和較高的可靠性。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種用于投影型顯示器的照明裝置，具有較高的性能和較低的成本。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一種照明裝置包括萬花筒，具有一個(gè)照射表面，與一燈泡相對并且位于該燈泡的光入射部分一側(cè)，使得該照射表面的中心軸基本對應(yīng)于所述燈泡的光軸；一個(gè)漫反射表面，設(shè)置在離開照射表面一間隔處；和反射鏡，用于圍繞照射表面與漫反射表面之間的空間，其中萬花筒在沿中心軸方向任意位置處具有大于漫反射表面的截面區(qū)域；以及光源，具有用于將光束導(dǎo)引向萬花筒中漫反射表面的光導(dǎo)裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一種投影型顯示設(shè)備，包括燈泡；萬花筒，具有一個(gè)照射表面，與所述燈泡相對并且位于該燈泡的光入射部分一側(cè)，使得照射表面的中心軸基本對應(yīng)于所述燈泡的光軸；一個(gè)漫反射表面，設(shè)置在離開照射表面一間隔處；和反射鏡，用于圍繞照射表面與漫反射表面之間的空間，其中萬花筒在沿中心軸方向任意位置處具有大于漫反射表面的截面區(qū)域；和光導(dǎo)裝置，用于將激光束照射向萬花筒中的漫反射表面。
在本發(fā)明中，漫反射表面與光導(dǎo)裝置的光出射部之間的距離Ls由一函數(shù)表達(dá)，該函數(shù)采用至少a作為漫反射表面的反射面積，b作為依賴于照射表面的燈泡照明設(shè)定范圍的面積，d作為從漫反射表面至照射表面的距離，以及Δθ作為在將光導(dǎo)裝置插入萬花筒中的插入位置處光導(dǎo)裝置的插入角。
另外，在本發(fā)明中，漫反射表面形成為具有曲率的凸面形狀。
另外，在本發(fā)明中，漫反射表面形成為具有曲率的凸面形狀，并且漫反射表面與光導(dǎo)裝置的光出射部之間的距離Ls由一函數(shù)表達(dá)，該函數(shù)采用至少a作為漫反射表面的反射面積，b作為依賴于照射表面的燈泡照明設(shè)定范圍的面積，d作為從漫反射表面至照射表面的距離，以及Δθ作為在將光導(dǎo)裝置插入萬花筒中的插入位置處光導(dǎo)裝置的插入角。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)將在下面的說明中給出，部分可由該說明清楚了解，或者可以通過本發(fā)明的應(yīng)用來認(rèn)知。本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)可以通過下面特別給出的手段及其組合來實(shí)現(xiàn)和達(dá)到。
附圖的簡要說明所附圖面，被引入本說明書并且構(gòu)成本說明書的一個(gè)部分，顯示了本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，并且與上述一般說明以及下述詳細(xì)說明一起，用于說明本發(fā)明的原理。
圖1為表示一例根據(jù)本發(fā)明的投影型顯示設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為感應(yīng)發(fā)射光源的結(jié)構(gòu)例的示意圖；圖3A和3B為能級(jí)和相應(yīng)能級(jí)處功率密度分布的示意圖，用于說明感應(yīng)發(fā)射光源的原理；圖4為能級(jí)示意圖，用于說明感應(yīng)發(fā)射光源的另一原理；圖5表示能夠獲得激光發(fā)射的半導(dǎo)體晶片的基本結(jié)構(gòu)；圖6A至6C表示各采用感應(yīng)發(fā)射光源構(gòu)造的紅色、綠色和藍(lán)色光源的簡化結(jié)構(gòu)；圖7A表示根據(jù)本發(fā)明的萬花筒的基本原理，圖7B表示萬花筒的一例反射表面；圖8為構(gòu)成本發(fā)明照明裝置的萬花筒的基本原理示意圖；圖9A至9C用于說明可看作球體的鏡象球面的存在以及保持高會(huì)聚度光耦合的范圍，其中光源側(cè)從萬花筒中的觀看點(diǎn)P進(jìn)行觀看；圖10表示本發(fā)明基本實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)；圖11表示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)；圖12表示本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)；圖13用于說明在由萬花筒獲得的多角反射鏡圖象中出現(xiàn)的陰影問題；圖14A至14C為曲線示意圖，用于說明在任意照明條件下在包含光軸的任意截面中(萬花筒內(nèi)垂直于光軸方向的截面)由上述陰影造成的影響；圖15表示本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中作為光導(dǎo)裝置的光纖的安裝位置進(jìn)行了調(diào)整；圖16表示本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中光纖在萬花筒上的安裝方法也進(jìn)行了調(diào)整；圖17為本發(fā)明另一實(shí)施例的示意圖；圖18A至18C表示本發(fā)明的另一實(shí)施例；圖19表示本發(fā)明另一實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)；圖20表示圖19中所示實(shí)施例的一例設(shè)計(jì)條件的示意圖；圖21也表示本發(fā)明的一例設(shè)計(jì)條件；圖22也表示本發(fā)明的一例設(shè)計(jì)條件；圖23表示根據(jù)本發(fā)明的投影型顯示設(shè)備的一個(gè)基本結(jié)構(gòu)例；圖24A至24D為一例激光發(fā)射裝置驅(qū)動(dòng)的示意圖和一例空間調(diào)制元件驅(qū)動(dòng)的示意圖；以及圖25表示圖23所示裝置中加上萬花筒、DMD(空間調(diào)制元件)和投影透鏡部件的狀態(tài)。
發(fā)明的詳細(xì)描述下面將參照


本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1表示應(yīng)用本發(fā)明的投影型顯示設(shè)備的簡化整體結(jié)構(gòu)。標(biāo)記100表示投影透鏡部件，RGB合成(紅綠藍(lán))圖象光從大致外觀為立方體形狀的合成棱鏡101的發(fā)射表面進(jìn)入其中。
在合成棱鏡101的側(cè)表面101R一側(cè)，設(shè)有一個(gè)與該側(cè)表面平行的燈泡201R。對燈泡201R提供以對應(yīng)于紅色的視頻信號(hào)作為顯示顏色。照明光束通過設(shè)在萬花筒204R開口部(照射表面)的會(huì)聚透鏡203R照射在燈泡201R上。在萬花筒204R的另一端設(shè)有漫反射表面205R。來自激光源206R的激光束通過光導(dǎo)裝置(例如光纖或光纜)被內(nèi)部導(dǎo)引至萬花筒204R。從光導(dǎo)裝置206R一端發(fā)出的光束照射在漫反射表面205R上。后面將說明該部分的具體結(jié)構(gòu)和各種條件。
在合成棱鏡101的側(cè)表面101G一側(cè)，設(shè)有一個(gè)與該側(cè)表面平行的燈泡201G。通過來自萬花筒204G的光束對燈泡201G進(jìn)行照明，其中萬花筒204G與上述萬花筒204R具有相同的結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，用以指示燈泡201R一側(cè)部件的相同標(biāo)記也用以指示燈泡201G一側(cè)的部件，其詳細(xì)說明自此省略。上述合成棱鏡101的側(cè)表面101B設(shè)有與上述燈泡類似的燈泡201B、會(huì)聚透鏡203B、萬花筒204B等等。因此，用以指示燈泡201R一側(cè)部件的相同標(biāo)記也用以指示燈泡201B一側(cè)的部件，其詳細(xì)說明自此省略。
燈泡201R、201G和201B為透射型液晶顯示元件。而且，漫反射表面205R、205G和205B為具有完全漫射特性或緊密漫射特性的反射表面。在各漫反射表面205R、205G和205B的后側(cè)可以附著有散熱片。
在本發(fā)明中，當(dāng)然可以采用LED作為上述光源。在此情況下，用LED發(fā)光基板來替代漫反射表面部分。
圖2表示激光源(感應(yīng)發(fā)射光源)206R、206G和206B之中206B的結(jié)構(gòu)例。就成本來看，考慮到生產(chǎn)效率、輸出功率、空間因素、和批量生產(chǎn)優(yōu)勢，半導(dǎo)體激光器適用于作為激光源206B。
首先，參照

對于由光導(dǎo)裝置所導(dǎo)引激光束的激光源的基本原理。
圖3A表示能級(jí)和發(fā)光躍遷，以說明感應(yīng)發(fā)射光源的工作原理。在圖3B中，縱坐標(biāo)表示在相應(yīng)能級(jí)的Tm3+離子的分布密度，橫坐標(biāo)表示光功率P(W)。
首先說明引起注意的幾個(gè)點(diǎn)。考慮圖3B，隨著光功率的增加在能級(jí)7與1之間出現(xiàn)一個(gè)交點(diǎn)。接著能級(jí)7的分布密度超過光功率的分布密度并引起反轉(zhuǎn)。這說明480nm的CW輸出是可能的。也就是說，圖3A中所示的發(fā)光躍遷可以繼續(xù)。
然而，即使光功率增加，能級(jí)8的分布密度也不會(huì)超過能級(jí)2的分布密度，所以不能獲得450nm的CW輸出。其主要原因?yàn)橥Ａ粼谀芗?jí)2的電子的壽命長達(dá)6ms，而停留在能級(jí)8的電子的壽命短至55μs。
顯示光源需要用于紅色的610nm至630nm波長，用于綠色的510nm至530nm波長，和用于藍(lán)色的460 nm至470nm波長，以及W(瓦特)級(jí)以上的輸出。對于紅色和綠色，其波長多少具有一定的容許寬度。然而對于藍(lán)色，其波長是非?？量痰摹Ｈ绻{(lán)色波長偏移至短波長一側(cè)，則光束變紫。特別地，如果波長偏移至長波長一側(cè)，則顏色再現(xiàn)范圍變得非常窄。
盡管已知基于氮化鎵的激光二極管用作發(fā)射具有藍(lán)色波長光束的激光器，但是由于其輸出和可靠性方面的原因，目前難于采用該激光二極管用于顯示目的。
然而，銩(TM)可以同時(shí)輸出450nm和480nm的光束，因而可以用作大致相當(dāng)于顯示所用460nm至470nm光束的光源。
同時(shí)，自然需要CW(連續(xù)波)以應(yīng)用于顯示。盡管從Tm的物理特性可以獲得對于480nm輸出的CW，但是由于上述能級(jí)8與2之間的關(guān)系，使得對于450nm難以獲得CW輸出。
考慮圖3B中功率非常高的狀態(tài)，例如接近2W的區(qū)域。此時(shí)，能級(jí)7的分布密度大于能級(jí)1的分布密度，因而存在反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。當(dāng)能級(jí)7為43mW以上時(shí)，即處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。
假定此時(shí)在圖3A的能級(jí)7與1之間強(qiáng)制進(jìn)行感應(yīng)發(fā)射(箭頭106所指的發(fā)光躍遷)。通過從能級(jí)7到能級(jí)1進(jìn)行感應(yīng)發(fā)射(箭頭106所指的發(fā)光躍遷)，發(fā)出了具有480nm波長的光束。由于此效應(yīng)，能級(jí)7的分布密度降低，底部能級(jí)1的分布密度升高。
由于假定了由波長650nm的激勵(lì)光進(jìn)行了充分激勵(lì)，所以隨著能級(jí)7分布密度的降低，對激勵(lì)光的吸收變得更好，從而有效實(shí)現(xiàn)了從能級(jí)2到能級(jí)7的吸收躍遷(箭頭105)，因而能級(jí)2的分布密度降低。
另外，隨著能級(jí)1分布密度的降低，吸收激勵(lì)光從而實(shí)現(xiàn)從能級(jí)1到能級(jí)5和6的吸收反轉(zhuǎn)(箭頭101)。然而，由于能級(jí)5和6具有較短的壽命，所以隨機(jī)發(fā)生到能級(jí)4的無發(fā)射躍遷(箭頭102)，從而分布密度增加。
當(dāng)能級(jí)4的電子分布密度增加并且能級(jí)2的電子分布密度降低時(shí)，完成從能級(jí)4到能級(jí)8進(jìn)而到能級(jí)2的躍遷路徑。
也就是說，在由波長650nm的激勵(lì)光實(shí)現(xiàn)充分激勵(lì)的狀態(tài)下，進(jìn)一步吸收激勵(lì)光從而實(shí)現(xiàn)從能級(jí)4到能級(jí)8的吸收躍遷(箭頭108)，因而能級(jí)8的分布密度增加。
通過上述過程，出現(xiàn)了能級(jí)2分布密度降低與能級(jí)8分布密度增加之間的關(guān)系，能級(jí)8的分布密度超過了能級(jí)2的分布密度，從而實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)能級(jí)之間的反轉(zhuǎn)分布。通過實(shí)現(xiàn)此狀態(tài)，波長450nm的輻射由從能級(jí)8到能級(jí)2的躍遷(箭頭104)實(shí)現(xiàn)。
由于該450nm波長的輻射增加了能級(jí)2的分布密度，所以如果該系統(tǒng)達(dá)到均衡態(tài)則能級(jí)2的分布密度穩(wěn)定在系統(tǒng)均衡時(shí)的值。
特別地，此時(shí)，其它能級(jí)的分布密度都各自穩(wěn)定在一定的均衡態(tài)。
也就是說，對Tm3+離子提供以充分的激勵(lì)光密度，并充分感應(yīng)和發(fā)射具有480nm波長的輻射光，從而有效進(jìn)行從能級(jí)2到能級(jí)7的吸收躍遷(箭頭105)。以此方式，結(jié)果減小了能級(jí)2的分布密度并增加了能級(jí)8的分布密度。
其結(jié)果是，可以同時(shí)獲得具有480nm波長的輻射光和從能級(jí)8到能級(jí)2的感應(yīng)發(fā)射(箭頭104所指的發(fā)光躍遷)。
基于上述原理，下面參照圖2詳細(xì)說明實(shí)施例1的具體結(jié)構(gòu)。在圖2中，標(biāo)記301表示激勵(lì)光源裝置，由激光二極管晶片(或SLD(超級(jí)熒光二極管，Super-Luminescent Diode))構(gòu)造而成，其輸出激勵(lì)光靠近650nm的中心波長。標(biāo)記302表示驅(qū)動(dòng)裝置，用于驅(qū)動(dòng)激勵(lì)光源裝置301，由電源/電路系統(tǒng)構(gòu)造而成。
標(biāo)記305表示光纖，由具有低聲子能量的材料例如氟化物制成。將Tm3+離子加入光纖的芯部。標(biāo)記303表示耦合元件，由用于連接激勵(lì)光源301與光纖305的波導(dǎo)通路構(gòu)造而成。標(biāo)記304表示反射鏡，由一個(gè)用于反射從激勵(lì)光源裝置301一端發(fā)出的激勵(lì)光的光學(xué)部件構(gòu)造而成。例如，它由形成在激勵(lì)光源裝置301一端的介電材料制成的多層膜構(gòu)成，對于波長接近650nm的激勵(lì)光具有99％以上的高反射系數(shù)。標(biāo)記308表示制作在光纖305中的光纖梯階(反射鏡)，制作成具有一個(gè)梯階使得對于靠近650nm激勵(lì)波長的光束具有99％以上的高反射系數(shù)。也就是說，該梯階是一個(gè)通過局部改變光纖使得其反射系數(shù)根據(jù)波長周期性變化而制成的反射鏡。標(biāo)記306和307也是反射鏡，其通帶范圍通過沿長度方向逐步改變梯階周期得以增寬，從而既反射波長450nm的光束也反射波長480nm的光束。
另外，反射鏡306構(gòu)造成對于波長450nm和480nm的光束具有99％以上的反射系數(shù)，反射鏡307構(gòu)造成對于這些波長具有不同的局部反射系數(shù)。
標(biāo)記309為插入在光纖中的偏振元件，例如通過將由光學(xué)部件制成的偏振器插入設(shè)在光纖305的狹縫中構(gòu)造而成。
下面，參照圖2說明其操作。
首先，從激勵(lì)光源裝置301的兩端發(fā)出激勵(lì)光。從激勵(lì)光源裝置301后端表面發(fā)出的激勵(lì)光由反射鏡304加以反射，再次通過激勵(lì)光源裝置301，因而得以放大。從其前端表面發(fā)出的激勵(lì)光通過耦合元件303進(jìn)入光纖305。該激勵(lì)光由反射鏡308加以反射，再次進(jìn)入并通過激勵(lì)光源裝置301，因而得以放大。也就是說，對于激勵(lì)光(650nm)，在反射鏡304與308之間構(gòu)成諧振器，由于該諧振器結(jié)構(gòu)，使得可以在光纖305中保持高的激勵(lì)光密度。該激勵(lì)光由加入在光纖305中的Tm3+離子所吸收。
與上述原理類似，通過使激勵(lì)光的光密度非常高，可以發(fā)出具有450nm和480nm波長的光束。因此，對于具有450nm和480nm波長的輻射光束，由反射鏡306(高反射)與反射鏡307(部分反射)構(gòu)成諧振器。另外，通過插入在光纖305中的偏振元件309，產(chǎn)生對于沿特定方向偏振具有高Q值的諧振器。具有這些波長的光束對于其偏振被強(qiáng)烈激勵(lì)。在諧振器內(nèi)被重復(fù)反射和放大的光束，保持了較高的激勵(lì)光密度，產(chǎn)生激光振蕩。這些光束部分由于部分反射而通過反射鏡307，同時(shí)作為具有450nm和480nm波長的光束輸出。
如上所述，由諧振器進(jìn)行光纖內(nèi)的能量控制。分別對多個(gè)波長構(gòu)造諧振器。具有激勵(lì)所必需波長的光束被封閉在光纖中，具有需要波長的光束被提取出來。也就是說，在該實(shí)施例中，第一諧振器用于具有650nm波長的光束，第二諧振器用于具有450nm和480nm波長的光束。然后提取出具有450nm和480nm波長的光束。
一個(gè)后面將要說明的實(shí)施例可以闡明用于能量控制的各種變型裝置。
在上述實(shí)施例中，光纖305中的反射鏡并不限于本實(shí)施例中所述的位置。如果反射鏡307和308的位置互相替換顯然也可以獲得相同的操作和作用。
偏振器309的位置并不限于本發(fā)明中所述的位置，只要其位于由反射鏡306和307所構(gòu)成的諧振器中即可。
盡管反射鏡307對于450nm和480nm的光束都進(jìn)行部分反射，但是也可以通過將具有窄帶范圍的反射鏡分成兩個(gè)對于具有450nm和480nm波長的光束分別具有部分反射系數(shù)的反射鏡來構(gòu)造該反射鏡。
激勵(lì)光源裝置301可以是能夠以較高光密度諧振的光源。例如，可以采用半導(dǎo)體激光器。在此情況下，無需反射鏡304。
光纖305中的各反射鏡都可以是由多層膜制成的具有窄帶范圍的反射鏡。
另外，可以采用具有非對稱截面形狀的芯部的偏振保持光纖作為光纖305。
偏振元件309并非本發(fā)明的關(guān)鍵元件，因而在輸出光不需要恒定偏振的情況下可以加以省略。這也適用于下述的實(shí)施例。
已有關(guān)于上變頻(up-conversion)激光器的報(bào)導(dǎo)，當(dāng)采用具有靠近645nm的645nm波長的激勵(lì)光對Ho3+離子進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，能夠獲得545nm的輸出。通過采用加入Ho3+離子替代Tm3+離子的光纖305，采用發(fā)出具有靠近645nm波長的光束的光源裝置替代光源裝置301，并且將反射鏡308的反射中心波長設(shè)定在靠近645nm，將反射鏡306和307的反射中心波長設(shè)定在靠近545nm，采用與上述實(shí)施例中相同的結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)造出具有高效率的綠色上變頻光纖激光裝置。
也有報(bào)導(dǎo)當(dāng)采用波長靠近970nm或800nm的光束對Er3+離子進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，能夠獲得波長545nm的光輸出。在此情況下，通過采用加入Er3+離子替代Tm3+離子的光纖305，采用發(fā)出波長靠近970nm或645nm的激勵(lì)光的光源裝置替代光源裝置301，并且將反射鏡308的反射中心波長設(shè)定在靠近970nm或800nm，將反射鏡306和307的反射中心波長設(shè)定在靠近545nm，采用與上述實(shí)施例中相同的結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)造出具有高效率的綠色上變頻光纖激光裝置。
用于半導(dǎo)體激光器的材料并不限于上述材料，也可以采用Pr3+和Yb3+。圖4表示其能級(jí)。
圖5表示能夠獲得激光發(fā)射的半導(dǎo)體晶片的基本結(jié)構(gòu)。該半導(dǎo)體晶片由N電極、N-GaAs(間隙層)、N-Gal-xAlxAs(包覆層)、N-Gal-yAlyAs(活性層)、N-Gal-xAlxAs(包覆層)、N-GaAs(電流封閉層)、P-GaAs基片、P電極和Al電極構(gòu)造而成。
圖6A、6B和6C表示采用上述原理構(gòu)造的紅色光源(630至650nm)、綠色光源(520至560nm)、和藍(lán)色光源(450和480nm)的簡化結(jié)構(gòu)。
圖7A和7B表示采用根據(jù)本發(fā)明的萬花筒的照明系統(tǒng)的基本原理。
在圖7A和7B中，標(biāo)記31表示漫反射表面(用作表面光源)，標(biāo)記32表示照射表面。漫反射表面31的外圍空間以及照射表面32的外圍空間由例如反射鏡(導(dǎo)引區(qū))33包圍。然而，該空間也可以填充以樹脂或者也可以構(gòu)造成棱鏡。
為了簡化說明，假定照射表面32為具有任意縱橫比的矩形，并且在上述三種顏色的系統(tǒng)中只畫出了一個(gè)照明光學(xué)系統(tǒng)。
漫反射表面31為例如紅色LED光源的總體，具有其垂直和水平尺寸小于照射表面32的垂直和水平尺寸的形狀。漫反射表面31的有效外端以及漫反射表面32的有效外端由反射鏡33a、33b、33c、和33d無間隙地包圍。從照射表面32的中央觀看部“P”觀看，基于漫反射表面31和反射鏡33a、33b、33c、和33d的鏡象看起來是橢球光源，其半徑由照射表面與漫反射表面31之間的尺寸比決定。
也就是說，從漫反射表面31發(fā)出的光束到達(dá)照射表面32的觀看點(diǎn)“P”。如果在漫反射表面31與照射表面32之間保持充分的距離，并且如果投影系統(tǒng)(投影透鏡系統(tǒng))34具有根據(jù)光源鏡象的最大照明光束的發(fā)散角作為其F值，則可以獲得具有高效率和均勻性的投影型光學(xué)裝置。
投影系統(tǒng)(投影透鏡)34所達(dá)到的F值不必總是覆蓋鏡象的所有范圍。當(dāng)光源以完全漫射狀態(tài)發(fā)出光束并且反射鏡33a、33b、33c、和33d基本不產(chǎn)生反射損耗時(shí)可以顯著產(chǎn)生該效果(高效率的均勻投影)。
基本上，在上述本發(fā)明所用的萬花筒33中，漫反射表面31和照射表面32(照射表面或顯示表面)設(shè)置成使得其中心軸大致互相對應(yīng)。另外，萬花筒具有反射鏡33a至33d，圍繞由漫反射表面31和照射表面32產(chǎn)生的空間。萬花筒在沿其中心軸方向的任意位置上的截面面積大于漫反射表面31。因此，萬花筒33由上、下、左、和右反射鏡33a、33b、33c、和33d構(gòu)成。
圖8表示構(gòu)造上述裝置的基本理念。為了簡化說明，該實(shí)施例是基于一種顏色的結(jié)構(gòu)，漫反射表面31和照射表面32設(shè)置成關(guān)于光軸對稱，圖中畫出了包含光源的二維截面圖。
假定漫反射表面31的尺寸為“a”，照射表面32的尺寸為“b”，漫反射表面31與照射表面32之間的距離為“d”。另外，漫反射表面31的端部和照射表面32的端部由反射鏡33a、33b、33c、和33d彼此相對地?zé)o間隙包圍。此時(shí)，從照射表面32的中心觀看點(diǎn)“P”看去，漫反射表面31和漫反射表面31以及光源鏡象35設(shè)置在半徑為“r”的圓36上，其中半徑“r”為從漫反射表面31到反射鏡33a與33b的延長線交點(diǎn)“O”處的距離。
如果保持充分的照明距離“d”，可以將鏡象35看作圓36(以下稱鏡象球面)。因此，至觀看點(diǎn)“P”的最大照明角為光軸與圓36自點(diǎn)“P”的切線之間的夾角“θ”。若照射表面32至反射鏡33a與33b延長線交點(diǎn)的距離為“L， 反射鏡33a和33b與光軸的夾角都為“φ”，則有r＝d×(a/(b-a)) …(1)L＝d×b/(b-a) …(2)φ＝tan-1{(b-a)/(2d)}…(3)因此，照明角“θ”為θ＝sin-1(r/L)＝sin-1(a/b) …(4)因此，該投影系統(tǒng)能夠覆蓋整個(gè)上述照明角的最小F值為F＝1/(2sinθ)＝b/(2a)…(5)該F值不依賴于照明距離“d”。
因此，如果從任意方向看光源表面的尺寸比與照射表面32的尺寸比彼此相等，也即光源表面與照射表面32彼此類似，則從觀看點(diǎn)“P”看去，漫反射表面31及其鏡象35看起來為球狀。
同時(shí)，即使觀看點(diǎn)P遠(yuǎn)離光軸，鏡象球面36的中心O也不會(huì)改變。因此，通過在萬花筒33的發(fā)光一側(cè)設(shè)置具有焦距L(＝d·b/(b-a))的準(zhǔn)直透鏡37，可以確保對于投影照明為重要因素的遠(yuǎn)心狀態(tài)。
在此方面，如圖9A、9B和9C所示，當(dāng)從觀看點(diǎn)P看光源部分31(即漫反射表面31)一側(cè)時(shí)，只要存在可看作球體的鏡象球面36并且可以保持高度會(huì)聚的光學(xué)耦合，就可以保持尺寸a與b之間的上述關(guān)系而不受中繼透鏡37、38、39等的影響。也就是說，在保持光會(huì)聚效率的情況下，不依賴于中繼系統(tǒng)也可以保持光學(xué)亮度的恒定性。
在本發(fā)明中，上述光源由漫反射表面根據(jù)上述基本結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。作為其一個(gè)例子，提供了一種通過光照射漫反射表面31的裝置。用作此裝置的可以是沿與照明方向相反的方向輸入具有高度定向性的激光束的裝置，其中的激光束由作為感應(yīng)發(fā)射光源的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生。通過采用該結(jié)構(gòu)，可以用簡單設(shè)計(jì)條件和普通廉價(jià)照明光學(xué)部件來獲得具有高質(zhì)量和高效率投影型燈泡的照明光學(xué)系統(tǒng)。
圖10表示本發(fā)明的基本實(shí)施例。
也就是說，下面進(jìn)行說明，圖7A、8和9中相同的部件用相同的標(biāo)記表示。在本發(fā)明中，由激光源產(chǎn)生的具有高定向性的光束被引導(dǎo)進(jìn)入萬花筒33中并照射在漫反射表面31上。在此情況下，光束通過圖10中箭頭41、42和43所指的路徑照射。也即，具有高定向性的光束從圍繞漫反射表面31的萬花筒33開口端輸入，例如也從燈泡或照明設(shè)定范圍b的外部輸入。將如此引入的光束進(jìn)一步通過萬花筒33的內(nèi)表面引導(dǎo)至漫反射表面31，或者直接引導(dǎo)至漫反射表面31并由之反射。
此時(shí)，通過漫反射表面31將激光束轉(zhuǎn)換成以激光束的到達(dá)位置作為光源的漫射光源。其結(jié)果是，當(dāng)從觀看點(diǎn)P觀看萬花筒33的內(nèi)部時(shí)，在上述鏡象球面上可以看到反射光。
下面僅考慮入射激光束(箭頭42)說明漫反射表面13和萬花筒33的作用。通過箭頭42所指路徑輸入的激光束到達(dá)位置44并由其漫射和反射。在該漫射并反射的光束中，部分定向光束到達(dá)觀看點(diǎn)P。
另外，在漫反射表面31反射的光束中，在主鏡象的位置45和46處的部分主要反射光束也到達(dá)觀看點(diǎn)P。類似地，當(dāng)從觀看點(diǎn)P看萬花筒33的次級(jí)反射光束時(shí)，可以看到好象來自鏡象35的位置47和48的反射激光束到達(dá)。
現(xiàn)在假定漫反射表面31的反射特性為具有完全漫射特性，并且萬花筒33具有非常好的可忽視損耗的反射效率。包含鏡象的位置44至48處的光源到達(dá)觀看點(diǎn)P，具有同等的亮度。因此，通過角度分布將位置44至48的亮度值集中在一起，可以獲得類似于光軸上亮度的亮度。也就是說，可以保持遠(yuǎn)心特性。
對于通過箭頭41所指路徑并到達(dá)漫反射表面31的激光束確保了遠(yuǎn)心特性，這一點(diǎn)無需說明。類似地，對于在萬花筒33內(nèi)表面上反射并沿箭頭43所指路徑到達(dá)漫反射表面31的激光束也確保了遠(yuǎn)心特性。這指的是激光束的入射條件是允許的。此種實(shí)施例作為照明系統(tǒng)對于采用無偏振控制的DMD(數(shù)字微反射鏡裝置)等作為燈泡的投影型投影儀是有效的。DMD是用于顯示器、投影儀等的光學(xué)空間光調(diào)制器。也即，來自萬花筒33的光束照射在DMD上，由之反射的光束投影在屏幕上。
接下來，在采用有偏振控制的燈泡例如液晶等的情況下，如果照明光束是隨機(jī)偏振的則用偏振片將照明光束轉(zhuǎn)換成只沿一個(gè)方向的偏振光。必須用此作為燈泡的照明光。
激光束初始時(shí)具有感應(yīng)發(fā)射特性，因此，其偏振光是均勻的。然而，如果激光束多次通過由產(chǎn)生應(yīng)力的樹脂制成的成形產(chǎn)品、鍍膜透鏡等，其偏振度即會(huì)喪失。
對于萬花筒，通過多次反射降低了偏振特性。因此，如果用其作為液晶燈泡的照明光，則由于偏振片的作用會(huì)損失大約一半光束。此時(shí)，光束由偏振片吸收，因而需要對發(fā)熱進(jìn)行處理，或者存在功能可靠性方面的問題。另外，由于光束利用效率減小至一半，所以存在亮度以及亮度與功率之比方面的缺點(diǎn)。
為了解決這些問題，本發(fā)明可進(jìn)一步采用如下結(jié)構(gòu)。
圖11表示本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。該光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)位置在采用該實(shí)施例作為萬花筒33與燈泡的光入射表面之間的光中繼裝置時(shí)是有用的。
透鏡51相當(dāng)于多個(gè)蠅眼透鏡之中的一個(gè)蠅眼。當(dāng)具有遠(yuǎn)心特性和任意漫射角的光束進(jìn)入透鏡51時(shí)，光束被會(huì)聚在設(shè)于透鏡51焦點(diǎn)位置處的中繼透鏡54的光軸上。偏振反射鏡53透過p偏振成份并反射s偏振成份。
現(xiàn)在假定從萬花筒入射至透鏡51的光束52具有最大漫射角，由透鏡51和54獲得。此時(shí)，該最大漫射光束包含在大致等于區(qū)域a的區(qū)域之內(nèi)平行于光軸直接傳播的成份。也即，光束厚度得以保持并中繼至透鏡55(會(huì)聚透鏡)。透鏡55位于離開透鏡54的焦距的位置。
接下來，以相對于光軸成45度的夾角設(shè)置偏振反射鏡53。因此，s偏振成份被反射至與透鏡51的光軸成90度的方向。在s偏振成份的前進(jìn)傳播方向設(shè)有中繼透鏡56。該透鏡56設(shè)在透鏡51的焦距位置，其關(guān)系類似于透鏡51與54之間的關(guān)系。通過該透鏡56的光束由偏振反射鏡57加以反射。偏振反射鏡57設(shè)置成與透鏡56的光軸成45度夾角，用于將其反射光(s偏振成份)導(dǎo)引至平行于上述透鏡54的光軸。來自該偏振反射鏡57的光束被導(dǎo)引至透鏡58(會(huì)聚透鏡)。透鏡56與58之間的光學(xué)距離設(shè)計(jì)成等于透鏡54與55之間的光學(xué)距離。
通過上述透鏡54的p偏振成份接著通過設(shè)在靠近透鏡54處的偏振軸旋轉(zhuǎn)片59，并被導(dǎo)引至透鏡55。
設(shè)置此結(jié)構(gòu)的結(jié)果是使得從透鏡58和55發(fā)出的光束都是s偏振光。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，光束變?yōu)楹愣ㄆ窆猓瑥亩ㄟ^設(shè)在燈泡附近的偏振片可以大幅度降低光束損失。
此結(jié)構(gòu)的重要方面在于，通過進(jìn)行將隨機(jī)偏振光變成恒定偏振光的過程使得兩個(gè)輸出光都類似于入射光。也就是說，從投影儀一側(cè)看，一個(gè)光源被用作兩個(gè)光源(兩倍)。從其相反一側(cè)看，這意味著光源尺寸a通過關(guān)系式F＝1/(2a)可以減小至一半，除非照明條件改變。也即，獲得F＝1/(4a)。
如上所述，當(dāng)燈泡必需用偏振照明時(shí)，漫反射表面的尺寸在利用偏振的兩個(gè)軸向上降至正常計(jì)算值的一半或更小。
然而上述結(jié)構(gòu)會(huì)增加部件的數(shù)量。因此，其需要偏振照明的情況下，可以采用下述結(jié)構(gòu)以簡化結(jié)構(gòu)。
在圖12中，與上述實(shí)施例中相同的部件用相同的標(biāo)記表示。在本實(shí)施例中，只有一任意偏振成份被允許通過萬花筒33的開口部，并且設(shè)有偏振反射鏡59，垂直于所述任意偏振成份的偏振成份由之高效率反射。圖中所示圓內(nèi)的縱向箭頭表示V偏振。圖中所示圓內(nèi)的橫向箭頭表示水平偏振。
現(xiàn)在假定根據(jù)圖12中所示結(jié)構(gòu)作為入射光的光源(箭頭60)被垂直對準(zhǔn)(V偏振)，如圖中所示。此時(shí)，偏振反射鏡59的偏振軸被設(shè)成V偏振軸。以此方式，入射光以高效率進(jìn)入萬花筒33。
入射偏振光由萬花筒33中的反射鏡加以反射并導(dǎo)引至漫反射表面31。從而改變成漫反射光61。接著，漫反射光61以任意光取向分布沿朝向開口的方向(照射表面方向)向前傳播。此光束被變?yōu)殡S機(jī)偏振的光束62。在該隨機(jī)偏振光束中，V偏振成份通過偏振反射鏡59而成為照明光63。
垂直于V偏振成份的H偏振成份由偏振反射鏡59反射至萬花筒33內(nèi)，并返回漫反射表面31。接著，該成份作為新的漫射光源向開口部傳播。以此方式，隨機(jī)偏振光的V偏振光通過偏振反射鏡59而成為照明光。
偏振反射鏡59的入射和反射條件都確定在由初始條件限定的F值范圍內(nèi)，使得上述反射和輸出基本重復(fù)，直至所有光束都由于各反射鏡的反射效率而完全損失。以此，該萬花筒照明裝置可以用作雙偏振光系統(tǒng)。
在上述說明中，僅優(yōu)先考慮了漫射尺寸條件(5)F＝1/(2sinθ)＝b/(2a)，照明距離d不是參數(shù)，也就是說，在可以從觀看點(diǎn)將鏡象看作圓或球體的范圍內(nèi)不受該參數(shù)的影響。
然而實(shí)際上，光源和鏡象不是平滑球體，而是多面體形狀。因此，由多面體頂點(diǎn)造成的陰影(圖中斜線71和72的范圍)被放大至不容忽視的程度，特別是在照明距離較短的范圍內(nèi)。在此情況下，不受斜線71和72范圍影響的觀看點(diǎn)P與受其影響的觀看點(diǎn)Q之間的差別是顯著的。
可以認(rèn)為這是一個(gè)導(dǎo)致不穩(wěn)定照明或者損害遠(yuǎn)心特性的因素。
因此，在對該影響(由斜線范圍造成的影響)量化的同時(shí)試圖確定照明距離d的最佳范圍。
圖14A至14C用曲線圖形式顯示了在任意照明條件下在包含光軸的任意截面中(在萬花筒內(nèi)垂直于光軸方向的截面)上述陰影的影響。橫坐標(biāo)表示相對于萬花筒33的光軸的偏振角(偏振角＝照明距離/照明范圍)。在圖14A中，鏡象的數(shù)量表示在右側(cè)縱坐標(biāo)中，鏡面角φ表示在左側(cè)縱坐標(biāo)中。在圖14B中，照明系統(tǒng)的F值表示在左側(cè)縱坐標(biāo)中。另外，在圖14C中，投影系統(tǒng)的效率表示在左側(cè)縱坐標(biāo)中。
如圖14A所示，此例中的重點(diǎn)在于所實(shí)現(xiàn)的實(shí)際反射鏡引起反射損失。也就是說，照明系統(tǒng)的效率隨著鏡象的數(shù)量N的增加而惡化。另外，在此例中，最短邊方向(例如TV屏幕上的垂直方向)的鏡象數(shù)量自然要多增加許多。
圖14B表示關(guān)于上述鏡象數(shù)量的照明F值。圖14C表示關(guān)于投影系統(tǒng)的會(huì)聚效率，通過在漫反射相對于鏡象數(shù)量具有完全漫射特性的情況下由關(guān)系式(5)獲得。
從上述結(jié)果可知，在照明質(zhì)量與照明效率(鏡象(反射)數(shù)量)之間存在交換關(guān)系。如果選擇引起5％以下照明不均勻度的沿萬花筒中心軸方向長度d，則該長度應(yīng)落入從最大對角線1.7倍至最大對角線6倍的范圍內(nèi)，此時(shí)鏡象數(shù)量即使在最短邊也不超過10。也就是說，萬花筒沿中心軸方向的長度d設(shè)計(jì)成落入從燈泡的照明設(shè)定范圍區(qū)域的最大對角線1.7倍至最大對角線6倍的范圍內(nèi)。
如上所述，在本發(fā)明的裝置中，任意感應(yīng)發(fā)射光源例如半導(dǎo)體激光器等實(shí)現(xiàn)了較低的價(jià)格、緊湊性，和較高的設(shè)計(jì)自由度。另外，即使對于例如液晶顯示器等偏振照明，也可以實(shí)現(xiàn)具有高照明效率的裝置。
另外，至于制造方面，可以提供高質(zhì)量和高效率的用于投影型投影儀的照明裝置，而不必投資制造特別部件或者高精密布置的部件。
另外，通過采用可以高輸出、高效率和高純度地提供波長并且可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)以及低價(jià)格的半導(dǎo)體激光器和上變頻激光器作為本發(fā)明的光源，可以以低得多的成本提供具有非常小尺寸的照明裝置。
本發(fā)明并不限于上述各實(shí)施例。
在上述實(shí)施例中，例如，采用比如光纖等波導(dǎo)裝置作為將來自光源的光束照射至漫反射表面31上的裝置。然而，在安裝該波導(dǎo)裝置時(shí)應(yīng)當(dāng)注意幾點(diǎn)。
圖15表示對作為波導(dǎo)裝置的光纖的安裝位置進(jìn)行了調(diào)整的實(shí)施例。與上述實(shí)施例中相同的部件用相同的標(biāo)記表示。
假定萬花筒33的設(shè)定條件滿足上述表達(dá)式(1)至(5)。還假定從激光源(未畫出)通過波導(dǎo)通路(未畫出)輸入的激光束80是從四個(gè)角的任意位置S沿萬花筒33的對角線方向通過光纖81輸入的。該激光束80到達(dá)漫反射表面31并由之漫射和反射。
為了簡化說明，注意光軸上的一個(gè)觀看點(diǎn)P進(jìn)行說明。在所漫射并反射的光束中，只有沿某一任意方向反射的光束由萬花筒33的內(nèi)表面沿既定方向反射。以此方式，將光束轉(zhuǎn)換成照明光束82，以既定的角度射向觀看點(diǎn)P。
當(dāng)從觀看點(diǎn)P觀看該狀態(tài)時(shí)，看起來就象光束來自球體36上的光源，其中球體36的中心位于萬花筒33內(nèi)表面的延長表面與萬花筒33中心軸的延長線之間的交點(diǎn)O處。因此，如果在觀看點(diǎn)附近設(shè)置上述準(zhǔn)直透鏡37，則滿足由表達(dá)式(4)至(5)所表示的照明角條件。
也就是說，本實(shí)施例包括一個(gè)萬花筒33，具有圍繞由一開口部(照射表面)和漫反射表面31所形成空間的反射鏡，其中的漫反射表面31設(shè)在從開口部沿中心軸方向的一定間隔處，并且具有在中心軸方向任意位置大于漫反射表面31的截面區(qū)域；和一個(gè)作為光源的光導(dǎo)裝置，用于輸入照射在萬花筒33漫反射表面31上的光束，平行于作為萬花筒內(nèi)表面的反射鏡。以此方式，可以構(gòu)造具有均勻性和高質(zhì)量的照明裝置。
在上述實(shí)施例中，光纖81看起來會(huì)產(chǎn)生大的陰影。然而實(shí)際光纖細(xì)至大約50至200μm，考慮到光束保持條件和實(shí)際光纖元件安裝誤差的容許范圍，其陰影落在實(shí)際投影型顯示器的燈泡照明的邊緣范圍內(nèi)。因此，通過將光纖入射位置S設(shè)在萬花筒33的一個(gè)對角處，可以使光纖81的安裝所造成的有害影響減至最小。另外，其位置靠近萬花筒33的開口部并且在角部，因而可以方便地進(jìn)行安裝工作，并且可以實(shí)現(xiàn)安裝位置精度的可靠性。
本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例。
在從光纖81發(fā)出的激光束具有由光纖結(jié)構(gòu)所確定的漫射角的情況下，對部件的組件和設(shè)計(jì)施加了限制。因此，在本發(fā)明中，對用于將光纖固定至萬花筒33的方法進(jìn)行了改變。
下面進(jìn)行說明，在圖16中與上述實(shí)施例中相同的部件用相同的標(biāo)記表示。
如果光纖81具有發(fā)散角，則在萬花筒33內(nèi)傳播的光束中，存在相對于光纖81所發(fā)出光束的光軸具有最大角θna的光束85。如果光束85的延長線與交點(diǎn)O的最短距離ra超過理想鏡象圓(球體)的半徑r，則鏡象范圍(照射角)在半徑為最短距離ra的圓(球體)表面上從鏡象36延伸至鏡象35。這意味著在光纖81頂端激光束的發(fā)射位置過于靠近漫反射表面31。在鏡象35的情況下，照明效果惡化。
下面是可以消除這種缺陷的條件，即不超過照明角的條件。所有從光纖81發(fā)出的光束最好都應(yīng)到達(dá)漫反射表面31，也即，所有光束最好都應(yīng)處于圓36的立體角范圍內(nèi)，其中圓36上存在有鏡象35，在以漫反射表面31作為光源的情況下鏡象35依賴于萬花筒33。也就是說，最好將光纖81的頂端設(shè)置在離開漫反射表面31的位置，使得Δθ+θna處于所述立體角之內(nèi)。
下面針對處于光軸上的情況說明這一點(diǎn)，以簡化說明。
如圖17所示，如果光纖81插入在萬花筒33中，則在該位置86入射方向81的軸與萬花筒33內(nèi)表面產(chǎn)生的夾角表示為Δθ。光源光束的有效發(fā)散角表示為Δθ。另外，從光纖81發(fā)出的光源光束的有效發(fā)散角表示為θna。具有作為角Δθ與有效發(fā)散角θna之和的總和角的輸出光獲得一個(gè)由萬花筒33和漫反射表面31形成的鏡象，即具有半徑r的圓36。在此情況下，具有總和角的輸出光位置S(＝86)可以如下得到。
r＝d×(a/(b-a)) …(1)從交點(diǎn)O到圓36被看成具有尺寸(Δθ+θna)的觀看點(diǎn)S的距離(r+Ls)如下。
L·sin(Δθ+θna)＝r …(6)因此，由表達(dá)式(1)和(6)可得下式。
L＝a·b·sin(Δθ+θna)/(b-a) …(7)因此，最好應(yīng)位于如下位置。
Ls＝{(ab)/(b-a)}{(1/sin(Δθ+θna))-1}…(8)換句話說，最佳入射位置位于由以交點(diǎn)O為中心具有半徑(r+Ls)的圓的切線(如圖17所示)與從交點(diǎn)O到萬花筒33一側(cè)的延長線彼此相交的點(diǎn)所形成的表面S上。
光纖81的芯部直徑為大約數(shù)十μm，因而很小，從而在大多數(shù)情況下可以提供具有高質(zhì)量并且無缺陷的照明裝置，只要不超過由表達(dá)式(8)所得的位置。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，在萬花筒33的中間位置86處設(shè)置一個(gè)安裝孔用于安裝光纖81。因?yàn)榉瓷溏R部分可能損壞，所以制作安裝孔的工作應(yīng)當(dāng)仔細(xì)進(jìn)行。一種不設(shè)置安裝孔的方法可以是在對萬花筒33成形和制作時(shí)預(yù)先制作孔。然而該方法存在易于在孔的周圍產(chǎn)生應(yīng)力并且易于產(chǎn)生形變的問題。
另一種不設(shè)置安裝孔的方法可以是將來自萬花筒33開口部的光纖插入至達(dá)到距離Ls的位置。然而，如果將光纖插入至圖17中所示的位置，則需要有固定光纖的處理，結(jié)果該處理工作存在困難。
為了消除該復(fù)雜處理，采用中繼透鏡是有效的，從而光纖安裝位置可以選擇在靠近萬花筒33開口部的位置。
圖18A至18C表示采用中繼透鏡37、38或39的實(shí)施例。與上述實(shí)施例中相同的部件用相同的標(biāo)記表示。
在圖18A中，標(biāo)記33表示萬花筒，標(biāo)記31表示漫反射表面，以及標(biāo)記36表示鏡象形成于其上的圓。中繼透鏡37固定在該萬花筒33的開口部，其光軸大致與萬花筒33的中心軸對準(zhǔn)。該照明裝置構(gòu)造成滿足上述表達(dá)式(1)至(5)。如果滿足該條件，則可以在滿足上述Ls的位置切割萬花筒33，如圖18B或18C所示。另外，其照明光束通過中繼透鏡37、38或39(圖18B)加以耦合。圖18C中所示的例子表示采用微透鏡作為中繼透鏡37和38的情況。
萬花筒33開口部的位置可以等于從漫反射表面31到光纖的光出射端距離為Ls的位置。以此方式，可以容易地進(jìn)行光纖81的安裝和固定。該優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)參照圖15進(jìn)行了說明。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的照明裝置中，任何類型感應(yīng)發(fā)射光源，首先包括半導(dǎo)體激光器，可以以低價(jià)格和緊湊的尺寸以及較高的設(shè)計(jì)自由度視點(diǎn)投影型投影儀。另外，也減少了對特別制造工藝和制造設(shè)備的要求。
本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例。
參照前面圖13，有如下說明?！叭欢鴮?shí)際上，光源和鏡象不是平滑球體，而是多面體形狀。因此，由多面體頂點(diǎn)造成的陰影(圖中斜線71和72的范圍)被放大至不容忽視的程度，特別是在照明距離較短的范圍內(nèi)。在此情況下，不受斜線71和72范圍影響的觀看點(diǎn)P與受其影響的觀看點(diǎn)Q之間的差別是顯著的。”作為反措施以改進(jìn)此點(diǎn)，已經(jīng)說明“萬花筒沿中心軸方向的長度d設(shè)計(jì)成落入從燈泡的照明設(shè)定范圍區(qū)域的最大對角線1.7倍至最大對角線6倍的范圍內(nèi)”，參照圖15。
然而，當(dāng)再次返回圖14A進(jìn)行討論時(shí)，可以指出如下。在圖14A中，橫坐標(biāo)表示通過將萬花筒33的光軸長度d除以照明尺寸b所得的值。另外，該圖給出了鏡面設(shè)定角和所觀看鏡象數(shù)量的分析。根據(jù)該分析，圖14B畫出了取決于同樣參數(shù)的光軸觀看點(diǎn)處的最大照明角特性。在此狀態(tài)下，圖14B表示在設(shè)定由表達(dá)式(5)所得投影條件時(shí)的投影效率。
如果觀看點(diǎn)從觀看點(diǎn)P向圖13中所示點(diǎn)Q處連續(xù)偏移，則出現(xiàn)不均勻的照明，對應(yīng)于圖14B和14C所示曲線中的波紋。為了改進(jìn)此點(diǎn)，最好將照明距離加以固定。然而此要求的滿足犧牲了通過降低體積占用、尺寸和重量以及減小相應(yīng)部件來降低成本的目的。
即使這種犧牲可以接受，考慮到圖14B中鏡象的數(shù)量，每次當(dāng)鏡象數(shù)量增加一個(gè)時(shí)光源也會(huì)通過另一個(gè)具有有限反射效率的反射鏡。因此，如果保持照明距離d大于照明范圍的5倍，通過進(jìn)行測試計(jì)算假定例如鋁蒸鍍膜反射鏡具有95％的反射系數(shù)，則可以從所述曲線中估算出來的不均勻照明優(yōu)越至1％。然而鏡象的數(shù)量為8，所以預(yù)計(jì)有95％的8次方，即34％的反射損耗。
這意味著照明質(zhì)量、形狀、成本以及效率構(gòu)成了彼此折衷的關(guān)系，因而需要進(jìn)一步的調(diào)整以提供具有小尺寸和高效率以及低價(jià)格的投影型顯示器。
在本發(fā)明中，對照明裝置進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)整。
也就是說，在采用激光束作為本發(fā)明光源的情況下，對由表達(dá)式(5)所得的光源范圍(漫反射表面)進(jìn)行調(diào)整，以獲得可以在其中獲得多面體形狀鏡象并且可以限制其頂點(diǎn)的影響(不均勻照明)的光源范圍。因此，漫反射表面設(shè)置成具有曲率以不受影響。
而且，在LED等設(shè)置在漫射自我發(fā)射板中的情況下，大量發(fā)光元件設(shè)置在具有曲率的安裝(面板)表面上或者大量發(fā)光元件設(shè)置在平面面板上，并且采用任意透明樹脂等材料將發(fā)光表面加工成具有曲率的形狀。
下面說明作出上述改進(jìn)的照明裝置。
圖19表示本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)。下面進(jìn)行說明，與上述實(shí)施例相同的部件用相同的標(biāo)記表示。漫反射表面31(具有尺寸a)與照明設(shè)定范圍(具有尺寸b)之間的空間由萬花筒33包圍。在上述開口部設(shè)有會(huì)聚透鏡37，其焦點(diǎn)位于從萬花筒33開口部至交點(diǎn)O的光軸距離L處。在該照明裝置中，滿足上述表達(dá)式(5)的關(guān)系。
激光束91現(xiàn)在從任意位置照射在漫反射表面31的光軸位置上。從照明觀看點(diǎn)P所看的漫反射表面31及其鏡象35設(shè)置在其中心位于交點(diǎn)O處并具有由表達(dá)式(1)確定的半徑r的球體上。其結(jié)果是，它看起來象是由漫反射表面31和鏡象35產(chǎn)生的從多面體球的各中心92朝向觀看點(diǎn)P的多個(gè)光源。
甚至假定如下情況，由于安裝誤差等原因造成激光束91到達(dá)漫反射表面31的位置偏移，由來自多面體形狀頂點(diǎn)的直線與光軸在觀看點(diǎn)P處互相交叉產(chǎn)生的夾角θ為最大角，并且來自鏡象另一位置(頂點(diǎn)除外)的光束與光軸互相交叉產(chǎn)生的任何角都不超過所述最大角。只要為照明范圍兩倍的萬花筒照明距離d得以可靠保持，則角θ可以近似至由F＝b/(2a)確定的F值的θ。
然而，如果觀看點(diǎn)P偏移，則參照圖14說明的不均勻照明會(huì)出現(xiàn)，并且隨著照明距離d變短而更加顯著。因此，降低尺寸變得困難。
因此，在本發(fā)明中，在漫反射表面31上針對由r＝(a·b)/(a-b)確定的半徑r進(jìn)行了處理，使得漫反射表面31A及其鏡象變?yōu)榫哂邪霃絩的球體。相應(yīng)地，照明效率是恒定的，即使在不能獲得充分照明距離d的情況下。
在本發(fā)明中，對上述結(jié)構(gòu)加入了進(jìn)一步的改進(jìn)。取決于包含球面的照明角隨著照明距離d而增大，盡管只是稍微的增大。在此情況下，不能通過由表達(dá)式(5)確定的關(guān)系來保持理想的聚焦系數(shù)。
因此，在本發(fā)明中，即使對于漫反射表面通過設(shè)定球面來構(gòu)造曲面31A，也需計(jì)算使照明效率不會(huì)下降的參數(shù)。
下面參照圖20說明設(shè)計(jì)條件。
在到觀看點(diǎn)P的最大照明角θ恒定的情況下，隨著照明距離縮短至L1，至L2，并進(jìn)一步縮短至L3，鏡象球體的半徑和發(fā)射表面的尺寸逐漸減小，由之對于由表達(dá)式(5)所確定的漫反射表面31的尺寸A聚焦系數(shù)不變。也就是說，如圖中所示，當(dāng)距離為L1時(shí)，鏡象位于其上的球體的半徑為r1，并且反射表面的尺寸為a1。當(dāng)距離為L2時(shí)，鏡象位于其上的球體的半徑為r2，并且反射表面的尺寸為a2。當(dāng)距離為L3時(shí)，鏡象位于其上的球體的半徑為r3，并且反射表面的尺寸為a3。
利用圖20中所示參數(shù)，得其間關(guān)系如下。
sinθ＝1/(2·F) …(11)r＝(r+d)sinθ …(12)因此，得下式。
r＝d/(2·F-1) …(13)注意θM，得下式。
sinθM＝a/(2·r) …(14)tanθM＝(b-A)/(2·d) …(15)這里，F(xiàn)＝b/(2·A) …(16)為萬花筒的一個(gè)條件，代入得下式。
θM＝tan-1(b·(2·F-1)/(4·d·F)} …(17)因此有下式。
a＝{2d/(2F-1)}sin[tan-1{b·(2·F-1)/(4·d·F)}]…(18)此時(shí)，將表達(dá)式(13)直接應(yīng)用于r，因而得下式。
r＝d/(2·F-1) …(13)另外，由于反射表面具有曲率，所以萬花筒光軸部分的長度L必須從距離d向萬花筒開口端部在光軸上延伸取決于曲率的下述間隔成份。
r·(1-cosθM) …(19)因此，可以使照明光路程的影響降至最低，從而可以通過如下設(shè)定獲得具有高效率和高質(zhì)量的照明光學(xué)系統(tǒng)。
L＝d+r[1-cos[tan-1{(b(2F-1))/(4dF)}]] …(20)在具有一定程度擴(kuò)展的半導(dǎo)體激光器等入射光源條件下，如果將上述本發(fā)明應(yīng)用于照明裝置，則可以使萬花筒長度的影響降至最低，從而可以獲得具有高效率和高質(zhì)量的照明。然而，如果具有非常銳利定向性的光源，例如采用氣體激光器等的光源，入射至距光軸很遠(yuǎn)的位置，則特別在照明距離d較短的區(qū)域會(huì)存在缺陷。
此情況顯示在圖21中，下面進(jìn)行說明。
與上述實(shí)施例相同的部件采用相同的標(biāo)記表示。假定萬花筒33、漫反射表面31、照明范圍b、和照明距離d滿足上述條件(表達(dá)式20)。在此情況下，光軸與萬花筒之間的夾角為θM。
漫反射表面31及其鏡象35以同等間隔設(shè)在其中心位于交點(diǎn)O的圓36上，這一點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)行說明。為了簡化說明，將鏡象分成以光軸作為分界彼此隔開的區(qū)域p和q進(jìn)行說明。
下面假定漫反射表面31由漫反射表面31p和31q構(gòu)成。然后，漫反射表面31p的區(qū)域p方向的鏡象一定例如按36p和36q的順序以θM的角間隔排列。鏡象36p為虛象，不能從觀看點(diǎn)P觀看到。
類似地，漫反射表面31q的區(qū)域q方向的鏡象一定例如按36q′和36p′的順序以θM的角間隔排列。然而，鏡象36p′為虛象，不能從觀看點(diǎn)P觀看到。
在此狀態(tài)下，假定以氣體激光器為代表的具有良好線性度的光源輸入至漫反射表面的位置(離開光軸)502。在此情況下，至觀看點(diǎn)P的照明光位于可以觀看到漫射光源的位置503和504，其中位置504不能在觀看點(diǎn)處驗(yàn)證。
其結(jié)果是，射向作為照明位置P的觀看點(diǎn)的照明光的主光束為來自位置502的直接反射光和來自位置503的鏡象反射光的平均。在此情況下，照明光的傳播軸與光軸成Θ角，并且具有與光軸成一定角度的偏離。這意味著喪失了遠(yuǎn)心特性。
相應(yīng)地，在采用易受照明范圍b影響的液晶燈泡等的情況下，出現(xiàn)不均勻的對比度，并且照明質(zhì)量下降，特別在顯示黑色的情況下。
因此，在本發(fā)明中，角θM的選擇條件設(shè)定如下。也即，當(dāng)把由照明條件F引入的照明設(shè)定最大角θ和由萬花筒與光軸之間關(guān)系產(chǎn)生的上述角θM乘以奇數(shù)(1除外)的積加在一起時(shí)，選擇角θM使得相加結(jié)果為90度。
下面參照圖22說明此效果。
圖22表示兩個(gè)萬花筒33-1和33-2。
這些萬花筒33-1和33-2設(shè)計(jì)成滿足上述表達(dá)式(20)。當(dāng)從觀看點(diǎn)P觀看漫反射表面一側(cè)時(shí)，看到漫反射表面31位于中央處角θM的范圍內(nèi)。繼而，看到其主鏡象31A位于角2θM的范圍內(nèi)。另外，看到二級(jí)反射圖象31B位于角2θM的范圍內(nèi)。
如果選擇角θM使得連接鏡象中心O與第N和第N+1鏡象(其中N大于或等于2)邊界的直線以直角與源自觀看點(diǎn)P的最大照明角范圍θ相交，則在一個(gè)區(qū)域可以從該觀看點(diǎn)觀看到的鏡象數(shù)量為恰當(dāng)奇數(shù)。也即，一個(gè)區(qū)域的整個(gè)鏡象范圍為由θM乘以一個(gè)奇數(shù)所得的角度。
假定例如入射光束511此時(shí)到達(dá)大幅度偏離光軸的漫反射位置512。在此情況下，到達(dá)觀看點(diǎn)P的光束照射自觀看點(diǎn)P看到的漫反射表面到達(dá)位置512以及相應(yīng)鏡象的對應(yīng)位置513和514。此時(shí)，如果漫反射表面31′具有完全漫反射特性并且萬花筒反射鏡的反射效率理想，則各光束具有同等強(qiáng)度，主光束等于光軸上的光束。該特性即使在觀看位置偏離光軸的情況下也不會(huì)喪失。盡管對觀看點(diǎn)Q的照明情況是一起說明的，但是例如如果在萬花筒開口一側(cè)設(shè)有其交點(diǎn)為r+d的會(huì)聚透鏡(未畫出)，則在此情況下主光束平行于光軸。
實(shí)際上，由于輕微反射損失以及完全漫射偏差，預(yù)計(jì)主光束存在輕微的偏移。然而，如果在實(shí)際水平確保有充分的鏡面效率性能，則該輕微變化的影響可以忽略。
從上述可知，可以避免將主光束改變至任意觀看位置的萬花筒安裝條件為鏡象數(shù)量為恰當(dāng)?shù)恼麛?shù)。也即，如果將光軸與萬花筒之間的偏移角設(shè)定在下面由照明最大角θ表示的角度，其中照明最大角θ決定于照明條件F，則可以針對任何類型光源構(gòu)造出提供主光束最小變化的照明光學(xué)系統(tǒng)。
Θ＝(90-θ)/(2·N-1)(其中N為除1之外的2或2以上的整數(shù))根據(jù)上述本發(fā)明，即使用感應(yīng)發(fā)射光源也可以獲得具有低價(jià)格和緊湊尺寸以及高設(shè)計(jì)自由度的裝置。另外，可以方便地將需要部件高精度安裝的氣體激光器、需要高安裝技術(shù)的光纖等等互相組裝。另外，可以獲得如下裝置，它幾乎不受主光束變化的影響，造成較少的不均勻照明，并且實(shí)現(xiàn)高聚焦系數(shù)和高可靠性。至于制造方面，不需要部件的特別投資或高精度布置，因而本發(fā)明適用于具有高質(zhì)量和高效率的投影設(shè)備。
下面說明采用上述照明裝置的投影型顯示設(shè)備結(jié)構(gòu)的另一個(gè)具體例子。
圖23表示一個(gè)其中上述上變頻激光裝置和采用萬花筒的照明裝置結(jié)合以實(shí)現(xiàn)顯示設(shè)備的例子。
標(biāo)記600表示例如一個(gè)棱柱形光纖裝載盒體，在該盒體600內(nèi)部設(shè)有一個(gè)沿朝向頂部的方向位于底部的卷筒601。盒體600與卷筒601之間的間距可以填充以冷卻介質(zhì)603用于冷卻。而且，該冷卻介質(zhì)603可以強(qiáng)制循環(huán)。最好采用不可燃遮光材料制作盒體600。
半導(dǎo)體光源611、612和613以90度間隔分別安裝在盒體600的三個(gè)角部的表面上。這些半導(dǎo)體光源611、612和613可以與散熱處理器614、615和616相接觸。
一端固定至半導(dǎo)體光源611的光導(dǎo)路徑621由光纖631加以連接，并且通過一個(gè)分支部分617將該光纖631圍繞卷筒601導(dǎo)引至盒體的外部。類似地，一端固定至半導(dǎo)體光源612的另一光導(dǎo)路徑622由光纖632加以連接，并且通過分支部分617將該光纖632圍繞卷筒601導(dǎo)引至盒體的外部。同樣類似地，一端固定至半導(dǎo)體光源613的另一光導(dǎo)路徑623由光纖633加以連接，并且通過分支部分617將該光纖633圍繞卷筒601導(dǎo)引至盒體的外部。
光纖631、632和633從盒體600的提取口604提取出來，由一層保護(hù)涂覆膜605加以集束，并且被導(dǎo)引至照明裝置。
下面對光纖進(jìn)行說明。
各光纖具有一個(gè)稱作芯部的光路(具有折射率N1)和一個(gè)稱作包層的涂層(具有折射率N2)。各光纖具有一個(gè)根據(jù)QR＝sin-1(N1/N2)由折射率決定的臨界角。超過臨界角的光束不會(huì)通過光纖，而是在半途中損耗掉，因而不會(huì)到達(dá)光纖的輸出端。然而，如果在用以減小投影型顯示器尺寸的安裝空間條件下將光纖彎曲并以任意曲率安裝，則在光束進(jìn)入光纖之后，接近臨界角的光束首先在初始階段落入臨界角之內(nèi)，然后在任意位置重復(fù)地入射和反射，從而由該光束引起一定的損耗。
該損耗根據(jù)材料、折彎曲率、芯部厚度、芯部和包層的邊界條件等而變化。
繼而，在上述損耗可以在選定卷筒半徑時(shí)盡可能減小的條件下選擇卷筒半徑，其結(jié)構(gòu)基本上設(shè)置成使得光纖纏繞在卷筒上。另外，在上變頻時(shí)預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生熱量。因此，最好采用能夠冷卻全部這些部件的結(jié)構(gòu)。
同時(shí)，在光發(fā)射基于激光器的情況下，在達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)通過齊平光密度來提高效率。因此，如果滿足諧振條件，則基于時(shí)分驅(qū)動(dòng)的光發(fā)射是有效的。因而下面對如下設(shè)備進(jìn)行說明，該設(shè)備根據(jù)采用單片的時(shí)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以由就燈泡(DMD)而言較低的功率消耗來獲得較大的能量。
在上述上變頻激光系統(tǒng)中，對光纖進(jìn)行了梯度處理，其結(jié)構(gòu)設(shè)置成對任一波長產(chǎn)生諧振，從而進(jìn)行感應(yīng)發(fā)射。為了產(chǎn)生振蕩，需要一任意光強(qiáng)，從而光纖需要滿足該條件的一任意厚度的芯部直徑，并實(shí)現(xiàn)等于或大于一任意效率的入射效率。然而，在一旦實(shí)現(xiàn)振蕩之后，隨著光密度的增高其變頻效率增大。因此，上變頻光纖的截面區(qū)域最好盡可能地窄。換句話說，只要滿足振蕩條件，則由連續(xù)振蕩發(fā)出光束時(shí)比由時(shí)分驅(qū)動(dòng)(脈沖驅(qū)動(dòng))發(fā)出光束時(shí)，可以由較小的電功率獲得較高的光輸出。相應(yīng)地，激光響應(yīng)速度具有高速響應(yīng)，可以用于通信。
因此，本系統(tǒng)采用例如圖24A至24D所示的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖24A和24B為時(shí)序圖，分別表示水平同步信號(hào)和驅(qū)動(dòng)周期。例如，輸出顏色R光束的激光裝置工作水平周期的1/3周期，輸出顏色G光束的另一激光裝置工作在下一個(gè)1/3周期。輸出顏色B光束的另一激光裝置工作在再下一個(gè)1/3周期。以此時(shí)序向發(fā)射激光束的燈泡提供R、G和B視頻信號(hào)。通過重復(fù)該操作實(shí)現(xiàn)顯示設(shè)備。
然而，在實(shí)際的時(shí)分驅(qū)動(dòng)中，各顏色的發(fā)光周期的比值最好如圖24C或24D中所示加以調(diào)整，使得觀看者不會(huì)感覺到“顏色分裂”。
圖25表示從萬花筒701發(fā)出的光束通過反射鏡702和中繼透鏡703進(jìn)一步照射在DMD704上的情況，其結(jié)構(gòu)如圖23所示。該圖還畫出了從DMD704反射的光學(xué)圖象被導(dǎo)入投影透鏡部件100的情況。用于將來自開口側(cè)的各顏色光束輸出至漫反射表面的光纖被導(dǎo)入萬花筒701中。與圖23中相同的部件用相同的標(biāo)記表示。
盡管上述各實(shí)施例每個(gè)都單獨(dú)地構(gòu)成本發(fā)明，但是任意這些實(shí)施例組合而成的結(jié)構(gòu)也屬于本發(fā)明的范圍。
例如，已經(jīng)說明激光束照射在漫反射表面31上。然而，漫反射表面31可以是平面，也可以是具有曲率的表面。另外，用于導(dǎo)引激光束的導(dǎo)引裝置可以設(shè)置成將其端部設(shè)定在萬花筒33的開口部，也可以將其端部設(shè)定在比萬花筒33開口部更深入的位置。此外，該導(dǎo)引裝置可以通過設(shè)在萬花筒33主體部分上的孔導(dǎo)入。
另外，其中具有高效率的光束而不是激光束照射在萬花筒33的漫反射表面上的結(jié)構(gòu)也屬于本發(fā)明的范圍。另外，甚至其中漫反射表面31具有曲率以及大量由其本身發(fā)光的發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)也屬于本發(fā)明的范圍。另外，本發(fā)明的范圍包括其中冷卻介質(zhì)或裝置設(shè)在靠近于發(fā)射激光束的振蕩部或者直接設(shè)在其上的結(jié)構(gòu)。而且，本發(fā)明的范圍包括如下結(jié)構(gòu)，其中光纖纏繞在卷筒上以獲得光纖距離(長度)并實(shí)現(xiàn)振蕩功能，其輸出光用作萬花筒的光源。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種用于投影型顯示器的照明裝置，具有簡單的結(jié)構(gòu)和較小的尺寸，并且可以獲得充分的照明光量。另外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種用于投影型顯示器的照明裝置，具有改進(jìn)的照明性能和較高的可靠性。而且，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種用于投影型顯示器的照明裝置，具有較高的性能和較低的成本。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員易于得出其它的優(yōu)點(diǎn)和改型。因此，本發(fā)明在其較寬方面并不限于此處所示和所述的具體細(xì)節(jié)和典型實(shí)施例。相應(yīng)地，可以在不偏離由所附權(quán)利要求及其等同物所限定的一般發(fā)明理念的精神和范圍的情況下作出各種改型。
權(quán)利要求
1.一種用于投影型顯示器的照明裝置，其特征在于，該裝置包括萬花筒(204R、204G、204B)，具有一個(gè)照射表面，與燈泡(201R、201G、201B)相對并且位于該燈泡的光入射部分一側(cè)，使得照射表面(32)的中心軸基本對應(yīng)于所述燈泡的光軸；一個(gè)漫反射表面(205R、205G、205B)，設(shè)置在離開照射表面一間隔處；和反射鏡，用于圍繞照射表面與漫反射表面之間的空間，其中萬花筒在沿中心軸方向任意位置處具有大于漫反射表面的截面區(qū)域；和光源(206R、206G、206B)，具有用于將光束導(dǎo)引向萬花筒中漫反射表面的光導(dǎo)裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述燈泡為基于非偏振控制的照明系統(tǒng)，其中a為漫反射表面的反射面積，b為依賴于照射表面的燈泡照明設(shè)定范圍的面積，其與由燈泡或投影條件決定的燈泡照明F值的關(guān)系基本滿足F＝b/(2a)，漫反射表面的反射面積a與燈泡照明設(shè)定范圍的面積b基本上彼此相等。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述燈泡為基于偏振控制的照明系統(tǒng)，其中a為漫反射表面的反射面積，b為依賴于照射表面的燈泡照明設(shè)定范圍的面積，其與由燈泡或投影條件決定的燈泡照明F值的關(guān)系基本滿足F＝b/(2a)，并且在照射表面上設(shè)有偏振反射鏡，用于透射一既定偏振軸成份并反射與該既定偏振軸成份垂直的偏振成份。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述燈泡為基于偏振控制的照明系統(tǒng)，其中a為漫反射表面的反射面積，b為依賴于照射表面的燈泡照明設(shè)定范圍的面積，其與由燈泡或投影條件決定的燈泡照明F值的關(guān)系基本滿足F＝b/(2a)，并且在垂直于中心軸的截面位置處基本滿足F＝b/(4a)。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于萬花筒沿中心軸方向的長度d設(shè)計(jì)成落入所述燈泡的照明設(shè)定范圍區(qū)域的最大對角線1.7倍至6倍的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述光源為包含上變頻光纖激光器的感應(yīng)發(fā)射光，所述光導(dǎo)裝置為用于導(dǎo)引該感應(yīng)發(fā)射光的光纜。
7.一種用于投影型顯示器的照明裝置，其特征在于，該裝置包括萬花筒(204R、204G、204B)，具有一個(gè)開口部；一個(gè)漫反射表面(205R、205G、205B)，與該開口部相對，位于該開口部沿中心軸方向的一間隔處；和反射鏡，用于圍繞所述開口部與漫反射表面之間的空間，其中萬花筒在沿中心軸方向任意位置處具有大于漫反射表面的截面區(qū)域；和光源(206R、206G、206B)，具有用于基本平行于所述反射鏡將光束導(dǎo)引進(jìn)入萬花筒中漫反射表面的光導(dǎo)裝置。
8.一種用于投影型顯示器的照明裝置，其特征在于，該裝置包括萬花筒(204R、204G、204B)，具有一個(gè)開口部；一個(gè)漫反射表面(205R、205G、205B)，與該開口部相對，位于該開口部沿中心軸方向的一間隔處；和反射鏡，用于圍繞所述開口部與漫反射表面之間的空間，其中萬花筒在沿中心軸方向任意位置處具有大于漫反射表面的截面區(qū)域；和光源(206R、206G、206B)，具有用于基本平行于所述反射鏡將光束照射向萬花筒中漫反射表面的光纖狀光導(dǎo)裝置(207R、207G、207B)，其中萬花筒中所述光導(dǎo)裝置的光出射端的位置位于如下范圍內(nèi)，其中從漫反射表面到該光出射端的距離Ls不超過由下式給出的位置Ls＝{(ad)/(b-a)}{(1/sin(θna+Δθ))-1}其中，Δθ為在將光導(dǎo)裝置插入萬花筒中的插入位置處相對于萬花筒表面的插入角，θna為由光導(dǎo)裝置的材料結(jié)構(gòu)所決定的出射發(fā)散角，a為在包含光導(dǎo)裝置插入位置和中心軸的萬花筒內(nèi)截面上漫射表面的尺寸，b為開口部的尺寸，以及d為萬花筒的光軸平行分量長度。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述開口部與漫反射表面之間的距離d基本上等于距離Ls，并且該開口部與從開口部發(fā)出的光束所導(dǎo)向的燈泡照射表面通過中繼透鏡進(jìn)行耦合。
10.一種用于投影型顯示器的照明裝置，其特征在于，該裝置包括萬花筒(204R、204G、204B)，具有一個(gè)照射表面，與燈泡(201R、201G、201B)相對并且位于該燈泡的光入射部分一側(cè)，使得照射表面(32)的中心軸基本對應(yīng)于該燈泡的光軸；一個(gè)漫反射表面(205R、205G、205B)，設(shè)置在離開照射表面一間隔處；和反射鏡，用于圍繞照射表面與漫反射表面之間的空間，其中萬花筒在沿中心軸方向任意位置處具有大于漫反射表面的截面區(qū)域；和光源(206R、206G、206B)，具有用于將光束導(dǎo)引向萬花筒中漫反射表面的光導(dǎo)裝置，其中a為漫反射表面的反射面積，b為依賴于照射表面的燈泡照明設(shè)定范圍的面積，以及d為從漫反射表面至照射表面的距離，由燈泡或投影條件決定的燈泡照明的F值基本滿足F＝b/(2a)，并且漫反射表面作為其曲率r具有基本等于r＝(ad)/(b-a)的曲率。
11.一種用于投影型顯示器的照明裝置，其特征在于，該裝置包括萬花筒(204R、204G、204B)，具有一個(gè)照射表面，與燈泡(201R、201G、201B)相對并且位于該燈泡的光入射部分一側(cè)，使得照射表面(205R、205G、205B)的中心軸基本對應(yīng)于該燈泡的光軸；一個(gè)漫反射表面，設(shè)置在離開照射表面一間隔處；和反射鏡，用于圍繞照射表面與漫反射表面之間的空間，其中萬花筒在沿中心軸方向任意位置處具有大于漫反射表面的截面區(qū)域；和光源(206R、206G、206B)，具有用于將光束導(dǎo)引向萬花筒中漫反射表面的光導(dǎo)裝置，其中a為漫反射表面的反射面積，b為依賴于照射表面的燈泡照明設(shè)定范圍的面積，以及d為從漫反射表面至照射表面的距離，由燈泡或投影條件決定的燈泡照明的F值基本滿足F＝b/(2a)，漫反射表面具有曲率r，具有曲率r的漫反射表面的反射面積a其垂直于光軸的分量表示為a＝[(2d)/(2F-1)]sin[tan-1((b(2F-1))/(4dF)}]并且具有曲率半徑r＝d/(2F-1)，以及對于萬花筒的光軸分量L基本滿足由下式表達(dá)的條件L＝d+r[1-cos[tan-1{(b(2F-1))/(4dF)}]]。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，萬花筒中心軸與來自光導(dǎo)裝置的光束經(jīng)由照射并且反射在漫反射表面上的中心路徑之間的偏移角Θ滿足Θ＝(90-θ)/(2·N-1)(其中N為除1之外的2或2以上的整數(shù))，其中a為在漫反射表面位置處垂直于中心軸的表面的尺寸，θ為由燈泡的投影透鏡等決定的照明F值所確定的照明最大角。
13.一種用于投影型顯示器的照明裝置，包括萬花筒(204R、204G、204B)，具有一個(gè)照射表面(32)，與燈泡相對并且位于該燈泡的光入射部分一側(cè)，使得照射表面的中心軸基本對應(yīng)于該燈泡的光軸；一個(gè)漫反射表面(205R、205G、205B)，設(shè)置在離開照射表面一間隔處；和反射鏡，用于圍繞照射表面與漫反射表面之間的空間，其中萬花筒在沿中心軸方向任意位置處具有大于漫反射表面的截面區(qū)域，其中所述漫反射表面形成為具有曲率的漫反射表面，該漫反射表面凸向照射表面一側(cè)。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述漫反射表面具有多個(gè)發(fā)光元件。
15. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，還包括用于將激光束照射在漫反射表面上的光導(dǎo)裝置。
16.一種用于投影型顯示器的照明裝置，其特征在于，該裝置包括萬花筒(204R、204G、204B)，具有一個(gè)照射表面，與燈泡(201R、201G、201B)相對并且位于該燈泡的光入射部分一側(cè)，使得照射表面(32)的中心軸基本對應(yīng)于該燈泡的光軸；一個(gè)漫反射表面(205R、205G、205B)，設(shè)置在離開照射表面一間隔處；和反射鏡，用于圍繞照射表面與漫反射表面之間的空間，其中萬花筒在沿中心軸方向任意位置處具有大于漫反射表面的截面區(qū)域；和光導(dǎo)裝置(207R、207G、207B)，用于將激光束照射在萬花筒中的漫反射表面上。
17.一種用于投影型顯示器的照明裝置，其中分別通過光導(dǎo)裝置用來自多個(gè)光源的光束照射一單個(gè)燈泡，其特征在于各光導(dǎo)裝置(631、632、633)具有光纖或上變頻光纖，纏繞在裝載于一單個(gè)盒體中的卷筒上，所述卷筒(601)具有一任意厚度，其直徑超過由所述光纖或上變頻光纖的限定NA所確定的最小半徑，以及光導(dǎo)裝置插入所述單個(gè)盒體的位置在所述卷筒切線的延長線上，設(shè)在多個(gè)部分，并且沿一個(gè)相同的旋轉(zhuǎn)方向取向。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，從光導(dǎo)裝置發(fā)出的光束設(shè)置成從萬花筒的開口部附近進(jìn)入萬花筒，萬花筒由所述開口部，與該開口部相對的漫反射表面，和用于圍繞該開口部與漫反射表面之間空間的反射鏡所構(gòu)成，漫反射表面由根據(jù)a＝b/(2·F)所確定的光軸法線分量a表示，其中b為在包含光軸的任意截面中的燈泡照明尺寸，以及F為燈泡的照明F值，并且來自光導(dǎo)裝置的光束沿其中出現(xiàn)反射鏡延長線方向交點(diǎn)的方向輸入。
19.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述燈泡采用單片數(shù)字微反射鏡裝置(DMD)，其中反射鏡制作在一矩陣上，彩色顯示通過分區(qū)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行。
20.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述光源包括半導(dǎo)體元件，光導(dǎo)裝置具有上變頻光纖并且采用具有最短波長的光束。
21.一種投影型顯示設(shè)備，其特征在于包括燈泡(201R、201G、201B)；萬花筒(204R、204G、204B)，具有一個(gè)照射表面，與所述燈泡相對并且位于該燈泡的光入射部分一側(cè)，使得照射表面的中心軸基本對應(yīng)于該燈泡的光軸；一個(gè)漫反射表面，設(shè)置在離開照射表面一間隔處；和反射鏡，用于圍繞照射表面與漫反射表面之間的空間，其中萬花筒在沿中心軸方向任意位置處具有大于漫反射表面的截面區(qū)域；和光源(206R、206G、206B)，具有用于將光束導(dǎo)引向萬花筒中漫反射表面的光導(dǎo)裝置。
22.一種投影型顯示設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括燈泡(201R、201G、201B)；萬花筒(204R、204G、204B)，具有一個(gè)照射表面，與所述燈泡相對并且位于該燈泡的光入射部分一側(cè)，使得照射表面的中心軸基本對應(yīng)于該燈泡的光軸；一個(gè)漫反射表面，設(shè)置在離開照射表面一間隔處；和反射鏡，用于圍繞照射表面與漫反射表面之間的空間，其中萬花筒在沿中心軸方向任意位置處具有大于漫反射表面的截面區(qū)域；和光導(dǎo)裝置(206R、206G、206B)，用于將激光束照射向萬花筒中的漫反射表面。
23.一種投影型顯示器，其中分別通過光導(dǎo)裝置用來自多個(gè)光源的光束照射一單個(gè)燈泡，其特征在于各光導(dǎo)裝置(631、632、633)具有光纖或上變頻光纖，纏繞在裝載于一單個(gè)盒體中的卷筒上，所述卷筒(601)具有一任意厚度，其直徑超過由所述光纖或上變頻光纖的限定NA所確定的最小半徑，以及光導(dǎo)裝置插入所述單個(gè)盒體的位置在所述卷筒切線的延長線上，設(shè)在多個(gè)部分，并且沿一個(gè)相同的旋轉(zhuǎn)方向取向。
全文摘要
所述照明裝置具有簡單結(jié)構(gòu)和較小尺寸,可以獲得充分的照明光量,并且可以改進(jìn)照明性能,具有高度可靠性和較高性能以及較低成本。萬花筒(33)設(shè)置成使得其中心軸基本對應(yīng)于燈泡的光軸。萬花筒包括在其后側(cè)的漫反射表面(31),激光束從萬花筒(33)的開口部照射在漫反射表面(31)上,從而采用來自漫反射表面(31)的反射光作為照明光源。
文檔編號(hào)G03B21/14GK1340727SQ0112584
公開日2002年3月20日 申請日期2001年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月29日
發(fā)明者三原久幸 申請人:株式會(huì)社東芝