專利名稱：：多光源投影儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及投影系統(tǒng)或投影儀，特別涉及透過(guò)式架空投影儀。
背景技術(shù)：
：隨看越來(lái)越多地使用計(jì)算機(jī)生成的全彩色攝影幻燈片和液晶顯示器(LCD)投影面板，需要提高投影系統(tǒng)的亮度。近來(lái)提高亮度的途徑是著眼于采用功率更大的鎢鹵素?zé)艉筒捎媒饘冫u化物燈技術(shù)以及在光學(xué)元件上覆蓋高效防反射涂層。采用較高功率的鎢鹵素?zé)艚z的燈增加了冷卻的難度，而采用象金屬鹵化物燈之類的電弧放電燈，則成本較高。過(guò)去幾種提高投影系統(tǒng)亮度方法的特點(diǎn)是采用多個(gè)小功率燈。如果是反射投影(常在非透明投影儀中采用)，那么利用若干光源發(fā)出的光照射不透明的拷貝就足以滿足要求。被拷貝散射的光線經(jīng)投影透鏡射向屏幕。例如在美國(guó)專利No.4,979,813中描述了這種類型的投影系統(tǒng)。在反射投影中，燈光經(jīng)單個(gè)或多個(gè)聚光透鏡會(huì)聚，通過(guò)投影幻燈片，隨后聚焦在投影透鏡上。這種投影方式通常用在35毫米膠片和架空式投影儀中，并且投影產(chǎn)生的圖像與反射投影相比具有更高的亮度。例如可參見美國(guó)專利No.3,547,530和No.3,979,160。但是由于聚光透鏡系統(tǒng)只能有效地將光線從某一點(diǎn)(光源位置)聚焦至另一點(diǎn)(投影透鏡位置)，所以反射投影通常局限于采用單光源。這種固有的缺陷制約著屏幕亮度的提高。為此已經(jīng)提出了好幾種將多個(gè)光源輸出充分組合起來(lái)并將它們聚焦至公共焦點(diǎn)的方法。美國(guó)專利No.1,887,650描述了一種將八只燈組合起來(lái)的系統(tǒng)，美國(guó)專利No.3,770,344描述了一種將四只燈組合起來(lái)的架空式投影儀，而日本專利No.4-179046和5-199485描述了將兩只燈組合起來(lái)的投影儀。所有這些設(shè)備存在一個(gè)相同的缺陷，即燈的組合輸出并非真正意義上的集成。組合燈輸出光束雖然相鄰，但是在空間上是分離的。其導(dǎo)致的結(jié)果是，一旦某只燈出故障，屏幕圖像的亮度下降不均勻，個(gè)別區(qū)域變成全黑，使得這部分的屏幕圖像無(wú)法辨別。因此更迫切需要的是將多個(gè)光源的光線真正集成在一起，使它們聚焦在公共點(diǎn)上。美國(guó)專利No.4,952,053描述了一種將兩只燈組合在一起的架空式投影儀，美國(guó)專利No.5,231,433描述了一種借助線性凹槽反射鏡或者線性凹槽衍射元件將兩束準(zhǔn)直光束集成在一起的方法。日本專利No.5-232399描述了一種借助分束鏡和多通路反射鏡將兩光源的輸出組合以及集成起來(lái)的方法。這些系統(tǒng)的效率受制于反射鏡涂層所能達(dá)到的反射率、幾何遮光損失以及折射元件的強(qiáng)色散。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種將多個(gè)光源的輸出完全充分地集成在一起的投影系統(tǒng)，提高了屏幕亮度，避免了已有技術(shù)的缺憾。為此采用一系列的菲涅爾聚焦透鏡和全內(nèi)反射(TIR)的線性光束組合棱鏡薄膜。投影系統(tǒng)可以是設(shè)計(jì)成投影電子方式生成或存儲(chǔ)的信息的集成投影儀形式，也可以是適合于全幅面架空幻燈片或LCD投影面板縮小樣式的架空式投影儀形式。本發(fā)明進(jìn)一步涉及低位架空式投影儀。附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1為已有技術(shù)的線性棱鏡薄膜的剖面示意圖，光束經(jīng)過(guò)該薄膜的折射和全內(nèi)反射發(fā)生偏轉(zhuǎn)。圖2為本發(fā)明60°頂角線性棱鏡薄膜的剖面示意圖。圖3為本發(fā)明棱鏡薄膜的剖面示意圖并且圖示出兩束準(zhǔn)直光束集成在一起的情形。圖4是將兩只燈的輸出組合與集成在一起的透射架空式投影儀系統(tǒng)的示意圖。圖5是將兩只燈的輸出以另一種方式組合與集成在一起的投影系統(tǒng)的示意圖。圖6是將四只燈的輸出組合與集成在一起的投影系統(tǒng)示意圖。圖7為表示本發(fā)明中所用透鏡形狀的透視圖。圖8為表示本發(fā)明中所用聚焦光學(xué)的透視圖，利用該聚焦光學(xué)在矩形菲涅爾透鏡準(zhǔn)直儀中形成橢圓形光束。圖9是將兩只燈的輸出組合與集成在一起的集成液晶投影系統(tǒng)的示意圖。實(shí)施發(fā)明的較佳方式如圖1所示，美國(guó)專利No.4,984,144描述了一種色散線性棱鏡薄膜1，光束經(jīng)過(guò)折射和全內(nèi)反射發(fā)生偏轉(zhuǎn)。等腰三角形微棱鏡2的頂角α為69°。入射光線3以75°的入射角θ進(jìn)入小面4后發(fā)生折射。隨后在小面5被全內(nèi)反射，并且光線7垂直于平面8出射。對(duì)于這種原來(lái)在高縱橫比燈具中使用的棱鏡透鏡來(lái)說(shuō)，需要75°這樣大的入射角。圖2示出了本發(fā)明的線性棱鏡薄膜9，它由一系列頂角α為60°的等腰三角形微棱鏡10組成。當(dāng)擴(kuò)展了面積的準(zhǔn)直光束11以60°的特定入射角θ垂直于小面12進(jìn)入薄膜時(shí)，光線13垂直于平面14出射，其偏轉(zhuǎn)完全由小面15的全內(nèi)反射決定。由于表面12或14處沒(méi)有產(chǎn)生折射，所以不會(huì)發(fā)生色散并且光束的偏轉(zhuǎn)與材料的折射系數(shù)無(wú)關(guān)。而且，由于入射光束11既能到達(dá)相鄰微型凹槽的峰，又能到達(dá)它們的谷，所以入射光束11分布于整個(gè)TIR小面15上，并且不會(huì)產(chǎn)生幾何損失或者雜散光束偏轉(zhuǎn)。對(duì)于頂角為60°的薄膜，由圖3所示，可以將兩條準(zhǔn)直入射光束16a和16b充分地在空間內(nèi)組合起來(lái)。從微觀尺度觀察，左右兩條入射光束16a和16b的出射光束17a和17b互相交錯(cuò)，從而足以保證薄膜9總面積上的光強(qiáng)是原來(lái)的兩倍。對(duì)于本發(fā)明的線性棱鏡光束組合薄膜9，為了能最大限度地挖掘其潛力，需要滿足以下的條件1)必須使入射光束16a和16b準(zhǔn)直從而使每只燈發(fā)出的光線以同一入射角θ入射整個(gè)棱鏡薄膜9；2)線性棱鏡光束組合薄膜9的頂角α比較好的是取值60°±2°；以及3)入射至線性光束組合薄膜的準(zhǔn)直光線入射角θ比較好的是取60°±3.5°。如果棱鏡頂角α大于62°，則每個(gè)反射小面的利用率不足90％。例如對(duì)于折射率n＝1.492的聚丙烯塑料棱鏡薄膜，當(dāng)頂角α等于62°而入射角θ等于63.5°時(shí)，每個(gè)反射小面大約只有90％的部分被利用。反射小面若過(guò)度欠填充，由相鄰微棱鏡產(chǎn)生的準(zhǔn)直出射光束17a和17b將在空間分離，并且在光線照射的投影屏幕上出現(xiàn)黑帶。另一方面，如果棱鏡頂角α小于58°，則垂直于薄膜出射的入射光線16a和16b不足90％。例如對(duì)于折射率n＝1.492的聚丙烯塑料棱鏡薄膜，當(dāng)頂角α等于58°而入射角θ等于56.5°時(shí)，每個(gè)反射小面大約有10％的入射光線未被利用。未照射到反射小面上的光束從薄膜出射時(shí)是非準(zhǔn)直的并且方向也無(wú)法控制，因此并不能提高投影屏幕的亮度。下面的表1示出了在各種薄膜頂角α下每個(gè)小面的光束填充分?jǐn)?shù)(BFF)。BFF值小于1表示反射小面未充分填充，而BFF值大于1表示反射小面被過(guò)度填充。如上所述，當(dāng)頂角α大于62°或小于58°時(shí)，入射光線從薄膜9出射后有10％以上部分在空間內(nèi)分離或者被浪費(fèi)。表16060.01.06161.70.9476263.50.8957077.70.446</table>由表1可見，準(zhǔn)直光線16a和16b的入射角θ隨著頂角α的變化而以同樣方式變化，但是并不呈線性關(guān)系。這是因?yàn)楸∧げ牧系恼凵湎禂?shù)n除了入射角θ為60°以外都有影響。在頂角α給定的情況下，為了在屏幕上產(chǎn)生最高的亮度，入射角θ所滿足的精確關(guān)系由下式給定θ=90-(α2+asin(ncos32α))]]>這里θ＝所述準(zhǔn)直光線的所述傾角α＝所述棱鏡兩邊的所述夾角n＝所述薄膜材料的折射率圖4示出了一種將兩只燈19a和19b的輸出充分集成起來(lái)的投影系統(tǒng)18，當(dāng)每只燈19a或19b單獨(dú)點(diǎn)亮?xí)r向屏幕提供的亮度是均勻的，而當(dāng)光源19a或19b同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r屏幕亮度提高一倍。光源19a和19b分別位于用來(lái)使光束準(zhǔn)直的矩形菲涅爾透鏡20a和20b的焦點(diǎn)上。每條準(zhǔn)直光束都以60°的入射角θ射入臺(tái)階孔徑21。臺(tái)階孔徑21可以做成正方形以容納整幅架空式幻燈片，也可以做成尺寸縮小的矩形以容納LCD投影面板。在臺(tái)階孔徑21附近有60°線性棱鏡薄膜9。從60°線性棱鏡薄膜9出射的集成準(zhǔn)直光束進(jìn)入圓形菲涅爾透鏡22并被聚焦至投影透鏡23。在菲涅爾透鏡22上方通常放置一塊玻璃平板24用來(lái)支承架空式幻燈片或者LCD投影面板。如果60°線性棱鏡薄膜9被投射小面的寬度小于正常視覺(jué)距離下的肉眼分辨率，則光源19a和19b發(fā)出的光線看上去都充分照射到了整個(gè)屏幕上。當(dāng)兩只燈19a和19b同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r，與單只燈19a或19b點(diǎn)亮?xí)r的情形相比，屏幕亮度有效地增加了一倍。圖5示出了采用折疊鏡25a，25b和26將兩個(gè)光源19a和19b的輸出組合起來(lái)的另一種實(shí)施方案。這里需要增加一個(gè)60°光束組合線性棱鏡9a。圖6示出了一種將四個(gè)光源19a，19b，19c和19d的輸出組合起來(lái)的構(gòu)造。在該實(shí)施方案中，增加了線性棱鏡薄膜元件9b、菲涅爾透鏡準(zhǔn)直儀20c和20d以及折疊鏡25c和25d。這種級(jí)聯(lián)式處理可以進(jìn)一步推廣，從而將另外增加的光源的輸出集成起來(lái)。當(dāng)這些光學(xué)元件的縱橫比L/W都接近于1，即呈正方形時(shí)，最容易將光束變形以使它們進(jìn)入多光源投影系統(tǒng)的矩形光學(xué)元件內(nèi)。為此，比較好的是使每個(gè)增加的光學(xué)元件沿著它前面的矩形元件短邊排列取向。在圖4所示的雙光源系統(tǒng)中(圖7示出了其細(xì)節(jié))，矩形線性棱鏡元件9的長(zhǎng)L1＝8單位而寬W1＝6單位(L1/W1＝1.33)，如果菲涅爾透鏡準(zhǔn)直儀20a和20b(只示出了20a)沿著W1的方向排列取向，則準(zhǔn)直儀的長(zhǎng)L2＝W1＝6單位，而準(zhǔn)直儀的寬W2＝L1/2＝4單位，由此得到的縱橫比L1/W1＝6/4＝1.5。如果菲涅爾透鏡準(zhǔn)直儀沿著L1的方向排列取向，則準(zhǔn)直儀的縱橫比L2/W2＝8/3＝2.67，因而光束變形更加困難。同樣，在圖6所示的四光源系統(tǒng)中，矩形線性棱鏡元件9的長(zhǎng)L1＝12單位而寬W1＝12單位，所以線性棱鏡元件9a的縱橫比必須取為L(zhǎng)2/W2＝12/6＝2。如果菲涅爾透鏡準(zhǔn)直儀20a和20b沿著W2方向排列取向，則準(zhǔn)直儀的縱橫比L3/W3＝6/6＝1，這就是理想的光束變形要求。另外需要著重指出的是，隨著光源數(shù)量的依次增加(例如采用兩個(gè)光源、四個(gè)光源或者八個(gè)光源)，另外增加的線性棱鏡元件或者菲涅爾準(zhǔn)直器的面積都依次減半。這制約了所能獲得的聚光效果并且限制了實(shí)際應(yīng)用中所能集成的燈的數(shù)量。與圖4一樣，圖9也示出了一種將兩只燈的輸出充分集成起來(lái)的投影系統(tǒng)，因此當(dāng)每只燈單獨(dú)點(diǎn)亮?xí)r向屏幕提供的亮度也是均勻的，而當(dāng)兩個(gè)光源同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r屏幕亮度也提高一倍。在菲涅爾透鏡22和60°線性棱鏡薄膜9之間放置有偏振調(diào)制顯示器32(例如液晶顯示器)，從而限定出一個(gè)來(lái)自光源的光線通過(guò)的光學(xué)窗口。該液晶顯示器面板32包含一層夾在兩塊透明襯底或者平板之間的液晶材料，它可以是扭轉(zhuǎn)向列型液晶也可以是超扭轉(zhuǎn)向列型液晶。每塊平板都包含有透明控制電極，這些電極被分割為大量的行與列，從而將顯示器面板劃分為大量的圖像單元。這些圖像單元通過(guò)驅(qū)動(dòng)電極來(lái)控制，而這樣的圖像顯示器面板被稱為無(wú)源控制型顯示器面板。另一種情況是在其中一塊襯底上提供一個(gè)電極而在另一塊襯底上提供半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路。采用這種控制方式的器件被稱為有源控制型圖像顯示器面板。實(shí)例圖7和8示出了一種LCD架空式投影儀的具體構(gòu)造。在矩形臺(tái)階孔徑尺寸中，長(zhǎng)L1＝228.6毫米(9.0英寸)而寬W1＝171.5毫米(6.75英寸)，從而給出的縱橫比為L(zhǎng)1/W1＝4/3，對(duì)于許多LCD投影面板來(lái)說(shuō)通常都取這樣一個(gè)比率。光源燈絲26(只畫出一根)位于一對(duì)用來(lái)聚光并將光線引向菲涅爾透鏡準(zhǔn)直儀a的玻璃聚光鏡27之后，相距11毫米左右。光源26為400瓦的36伏平展鐵心盒型燈，ANSI標(biāo)準(zhǔn)名稱為EVD。球面反射鏡28的直徑為60毫米而曲面半徑為32.5毫米，它被用來(lái)聚焦前行的反射光線。焦距為55毫米左右而直徑為60毫米的消球差對(duì)稱Pyrex聚光鏡29將燈26發(fā)出的光線聚焦至圓形橫截面的光錐處。在靠近Pyrex聚光鏡29的位置放置一個(gè)由光學(xué)冕牌玻璃做成的正方形圓柱形透鏡30，其焦距約為175毫米而大小為82×82毫米。該圓柱形透鏡30將圓形光錐沿著某一方向進(jìn)一步壓縮從而形成橢圓狀光束31。單元件菲涅爾透鏡準(zhǔn)直儀20a的焦距為178毫米，工作于f/.75與f/1.0之間，并且與垂直方向呈30°角對(duì)稱取向排列。菲涅爾準(zhǔn)直儀20a的高度W2是臺(tái)階孔徑長(zhǎng)度L1的一半，即W2＝114.3毫米(4.5英寸)，而菲涅爾準(zhǔn)直儀20a的寬度L2與臺(tái)階孔徑寬度相等，即L2＝171.5毫米(6.75英寸)。這樣準(zhǔn)直菲涅爾透鏡的縱橫比L2/W2即為1.5。為了充分填滿準(zhǔn)直菲涅爾透鏡的矩形孔徑，縱橫比應(yīng)該近似地滿足下列關(guān)系L2/W2＝A/B，這里的A和B是光束在如圖8所示菲涅爾準(zhǔn)直儀平面處的橢圓橫截面31的長(zhǎng)軸和短軸。如圖4所示，60°線性棱鏡薄膜9由2毫米厚的丙烯酸塑料制成，其尺寸略大于臺(tái)階孔徑，并且各棱鏡凹槽10的寬度為0.5毫米左右。丙烯酸制成的矩形菲涅爾透鏡22放置于線性棱鏡薄膜9與限定出臺(tái)階孔徑的玻璃平板21之間，其焦距為325毫米左右，凹槽寬度介于0.5-0.125毫米之間，并且尺寸大小與線性棱鏡薄膜9基本相近。焦距為330毫米的三重投影透鏡23將臺(tái)階上的圖像投射到60英寸寬的屏幕上，放大倍數(shù)接近6.7。在這種結(jié)構(gòu)下，單只燈點(diǎn)亮?xí)r的屏幕平均亮度為140英尺-燭光，而兩只燈都點(diǎn)亮?xí)r的屏幕平均亮度為280英尺燭光。這相當(dāng)于一個(gè)7000流明的正方形孔徑架空式投影儀在投射60平方英寸圖像時(shí)的亮度。對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，上述較佳實(shí)施例的描述足以使他們能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，對(duì)上述實(shí)施例所作的各種改動(dòng)都是顯而易見的，并且這里限定的一般原理也無(wú)需創(chuàng)造性就可應(yīng)用到其它實(shí)施例上。因此本發(fā)明并不打算借助這些實(shí)施例來(lái)限定其范圍，相反，它的范圍最大程度地被這里所揭示的原理和新特征所限定。權(quán)利要求1.一種將圖像投射到屏幕上的投影系統(tǒng)，其特征在于包含帶有光學(xué)窗口的外殼；包括一個(gè)用來(lái)限定平面的平坦的第一表面和與所述第一表面相對(duì)并具有一定結(jié)構(gòu)的第二表面，所述具有一定結(jié)構(gòu)的第二表面包含多個(gè)線性三角棱鏡，其每一個(gè)內(nèi)角都介于58°-62°之間；以及至少一個(gè)放置在至少是所述薄膜一端的光源，它沿著垂直于所述線性棱鏡軸并且相對(duì)于所述薄膜的所述平面的垂直方向傾斜56.5°-63.5°的方向發(fā)射準(zhǔn)直光線，從而使得所述光線基本上全部照射到所述線性棱鏡的所述兩邊之一并且在所述薄膜內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，隨后從所述平坦的第一表面出射并作為準(zhǔn)直光束射向光學(xué)窗口。2.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其特征在于所述光源發(fā)射的所述準(zhǔn)直光線的所述傾角與所述棱鏡邊所夾的所述內(nèi)角滿足下列關(guān)系θ=90-(α2+asin(ncos(32α)))]]>這里θ＝所述準(zhǔn)直光線的所述傾角α＝所述棱鏡兩邊的所述夾角n＝所述薄膜材料的折射率3.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包含至少一個(gè)第二光源，它沿著垂直于所述線性棱鏡軸并且相對(duì)于所述薄膜的所述平面的垂直方向傾斜56.5°-63.5°的方向發(fā)射準(zhǔn)直光線，從而使得所述光線基本上全部照射到所述線性棱鏡的所述兩邊之另一邊并且在所述薄膜內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，隨后從所述平坦的第一表面出射并作為準(zhǔn)直光束射向光學(xué)窗口。4.如權(quán)利要求3所述的投影系統(tǒng)，其特征在于所述光源發(fā)射的所述準(zhǔn)直光線的所述傾角與所述棱鏡邊所夾的所述內(nèi)角滿足下列關(guān)系θ=90-(α2+asin(ncos(32α)))]]>這里θ＝所述準(zhǔn)直光線的所述傾角α＝所述棱鏡兩邊的所述夾角n＝所述薄膜材料的折射率5.如權(quán)利要求3所述的投影系統(tǒng)，其特征在于所述每個(gè)光源發(fā)射的所述光線照射到屏幕的整個(gè)區(qū)域。6.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)窗口的形狀為矩形。7.如權(quán)利要求6所述的投影系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括用來(lái)使所述光源發(fā)射的所述光線準(zhǔn)直的矩形準(zhǔn)直儀。8.如權(quán)利要求7所述的投影系統(tǒng)，其特征在于所述矩形準(zhǔn)直儀為菲涅爾透鏡。9.如權(quán)利要求7所述的投影系統(tǒng)，其特征在于所述矩形準(zhǔn)直儀的長(zhǎng)-寬縱橫比不超過(guò)2。全文摘要本發(fā)明提供一種能夠?qū)⒍鄠€(gè)光源(19A，19B)的輸出充分組合起來(lái)的投影系統(tǒng)。投影屏幕的亮度是相同功率下普通單光源系統(tǒng)的數(shù)倍。通過(guò)開啟或關(guān)閉單只燈(19A，19B)可以調(diào)節(jié)屏幕亮度從而滿足普通架空式幻燈片和低透射率液晶顯示器投影面板使用的需要。文檔編號(hào)G03B21/132GK1164281SQ95196329公開日1997年11月5日申請(qǐng)日期1995年10月10日優(yōu)先權(quán)日1994年11月23日發(fā)明者J·F·吉雷耶,R·M·菲斯勒,D·F·范得霍夫申請(qǐng)人:美國(guó)3M公司