專利名稱：用于數(shù)字微反射鏡器件的發(fā)光二極管照明系統(tǒng)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種為微顯示投影型顯示系統(tǒng)提供照明的偏振光照明設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年來，使用空間光閥調(diào)制器，如數(shù)字微反射鏡器件(以下稱作“DMD”)、透射型液晶顯示器(以下稱作“LCD”)和硅上反射型液晶(以下稱作“LCoS”)等的數(shù)字投影系統(tǒng)，由于其能夠提供高標(biāo)準(zhǔn)的顯示性能而受到高度關(guān)注。這些顯示器提供諸如高分辨率、寬色域、高亮度和高對(duì)比率的優(yōu)點(diǎn)。基于LCD或LCoS技術(shù)類型的彩色投影系統(tǒng)需要將線性偏振光用作照明光源；可是，DMD不需要使用偏振光。LCD和LCoS裝置依據(jù)液晶的偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)或雙折射效應(yīng)產(chǎn)生光。光源產(chǎn)生的光必須被轉(zhuǎn)換成用于照明LCD或LCoS空間光調(diào)制器的偏振光。本領(lǐng)域技術(shù)人員了解商業(yè)上的LCD或LCoS投影儀中包含的光學(xué)系統(tǒng)一般包括具有偏振分束器陣列的蠅眼(fly’s-eye)透鏡陣列。這些設(shè)置的實(shí)例可在美國(guó)專利No.6,411,438、6,776,489、6,739,726和6,092,901中發(fā)現(xiàn)，這些專利在此包含引作參考。使用蠅眼型光學(xué)系統(tǒng)存在兩個(gè)缺陷，即體積大且制造費(fèi)用高。
大多數(shù)的投影系統(tǒng)使用短弧氣態(tài)白燈，如超高壓汞燈、氙燈等，其可以獲得平行照明所需的相對(duì)高效率的聚光能力(etendue)。聚光能力具體指光學(xué)系統(tǒng)傳輸輻射的幾何能力，如通過量。現(xiàn)在，僅有有限的幾個(gè)制造商能夠生產(chǎn)高質(zhì)量的短弧燈。這些類型的燈的典型的使用壽命為大約2000至6000小時(shí)。而且，該類型的燈發(fā)出大量的紫外(UV)和紅外(IR)光。
未過濾的UV光減少系統(tǒng)內(nèi)光學(xué)部件和微顯示面板的壽命，同時(shí)IR光需要額外的冷卻裝置以保持所需的操作溫度。
通過在投影照明系統(tǒng)中利用發(fā)光二極管(LED)，使得在脫離使用短弧燈的方面已經(jīng)作出了許多努力。一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)就是利用三原色的LED能夠產(chǎn)生比常規(guī)白燈更寬的色域。另外，LED具有高的發(fā)光效率，即發(fā)光輸出量與所需電能的比例高，因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)出的所有紅色、綠色和藍(lán)色光的光譜都可用于可視系統(tǒng)。美國(guó)專利No.6,224,216描述了一種利用三個(gè)單色LED陣列的三路投影儀，其在此引入作為參考。LED發(fā)出的光通過光纖束沿著單獨(dú)的路徑傳輸?shù)礁髯缘墓獠▽?dǎo)積分器(integrator)并隨后到達(dá)各個(gè)顯示裝置。這種類型的系統(tǒng)存在LED和光纖之間耦合的問題。實(shí)際上，由于耦合和傳輸損耗，使得很難將LED陣列發(fā)出的光與相應(yīng)的光纖束和波導(dǎo)有效地耦合。
類似地，美國(guó)專利No.6,220,714披露了一種利用用于照明的LED的投影系統(tǒng)，其中從紅色、綠色和藍(lán)色LED陣列發(fā)出的光被聚光透鏡準(zhǔn)直，該光傳輸通過蠅眼型積分器以照明單一的面板。基于蠅眼型積分器的幾何結(jié)構(gòu)，僅有效地會(huì)聚有一定觀看區(qū)域內(nèi)的發(fā)光區(qū)域的表面區(qū)域以照明面板。在美國(guó)專利No.6,644,814中發(fā)現(xiàn)類似的系統(tǒng)，其描述了一種具有一個(gè)面板的照明型DMD。通常，這些現(xiàn)有的系統(tǒng)中共存的問題是LED發(fā)出的一些光由于透鏡陣列的偏差和孔徑的限制而沒有進(jìn)入第一和第二蠅眼透鏡的相應(yīng)透鏡。因此，部分照明光落在面板區(qū)域的外面，導(dǎo)致了光利用率低和對(duì)比度低。
因此，需要提供一種用于數(shù)字光處理(DLP)投影系統(tǒng)等的光照明裝置，所述系統(tǒng)以高利用率和所需亮度利用非偏振光而沒有前述問題，也不使用復(fù)雜或昂貴的部件。


根據(jù)以下優(yōu)選實(shí)施例的說明，結(jié)合附圖能夠進(jìn)一步了解本發(fā)明的上述和其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。
圖1為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的LED彩色照明組件的框圖，所述組件包括三個(gè)LED、三個(gè)波導(dǎo)和非偏振的交叉分色合成器。
圖2為示出了具有添加到圖1中所示波導(dǎo)出射面上的透鏡的LED彩色照明組件的框圖。
圖3為示出了根據(jù)本發(fā)明可選實(shí)施例的非偏振V型分色合成器的使用的框圖。
圖4為示出了具有添加到圖3中所示波導(dǎo)出射面上的本發(fā)明另一可選實(shí)施例的框圖。
圖5為示出了將圖1中所示的發(fā)光裝置設(shè)置同一平板上的本發(fā)明另一可選實(shí)施例的框圖。
圖6示出了具有添加到圖5中所示波導(dǎo)出射面上的本發(fā)明另一可選實(shí)施例的框圖。
圖7為示出了將非偏振V型分色合成器與圖5中所示系統(tǒng)結(jié)合使用的本發(fā)明另一可選實(shí)施例的框圖。
圖8為示出了具有添加到圖7中所示波導(dǎo)出射面上的本發(fā)明另一可選實(shí)施例的框圖。
圖9、10和11為示出了本發(fā)明三個(gè)不同實(shí)施例的偏振轉(zhuǎn)換器(polarizationconverter)系統(tǒng)的框圖。
圖12為示出了根據(jù)本發(fā)明的LED彩色照明系統(tǒng)的框圖，所述系統(tǒng)將圖2中所示組件與圖9中所示偏振還原系統(tǒng)相結(jié)合。
圖13為示出了將圖2中所示組件與圖10中所示偏振還原系統(tǒng)相結(jié)合的一個(gè)可選實(shí)施例的LED彩色照明系統(tǒng)的框圖。
圖14為示出了將圖2中所示組件與圖11中所示偏振還原系統(tǒng)相結(jié)合的一個(gè)可選實(shí)施例的LED彩色照明系統(tǒng)的框圖。
圖15為示出了將圖4中所示組件與圖9中所示偏振還原系統(tǒng)相結(jié)合的另一可選實(shí)施例的LED彩色照明系統(tǒng)的框圖。
圖16為示出了將圖4中所示組件與圖10中所示偏振還原系統(tǒng)相結(jié)合的另一可選實(shí)施例的LED彩色照明系統(tǒng)的框圖。
圖17為示出了將圖4中所示組件與圖11中所示偏振還原系統(tǒng)相結(jié)合的另一可選實(shí)施例的LED彩色照明系統(tǒng)的框圖。
圖18為示出了將圖6中所示組件與圖10中所示偏振還原系統(tǒng)相結(jié)合的另一可選實(shí)施例的LED彩色照明系統(tǒng)的框圖。
圖19為示出了使用用于色彩混合的偏振交叉分色合成器的另一可選實(shí)施例的LED彩色照明系統(tǒng)的框圖。
圖20-23為示出了用于將分色合成器的光投射到微顯示面板的光投影系統(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施例方式
本說明特別涉及用于形成部分本發(fā)明設(shè)備的元件或者直接與本發(fā)明設(shè)備協(xié)同工作的元件。
現(xiàn)轉(zhuǎn)看附圖，圖1為描繪了本發(fā)明的偏振光照明組件的框圖，所述組件包括紅色LED101，綠色LED102，藍(lán)色LED103，三個(gè)錐形波導(dǎo)104、105、106，和交叉分色合成器107。紅色LED101，綠色LED102，藍(lán)色LED103發(fā)出的光分別被錐形波導(dǎo)104、105、106均勻化和引導(dǎo)。波導(dǎo)的光出射表面與非偏振的交叉分色合成器107的三個(gè)進(jìn)入表面連接。綠光通過分色合成器107傳輸而紅光束和藍(lán)光束被分色合成器107反射。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)清楚，錐形波導(dǎo)104、105和106為這樣的結(jié)構(gòu)，即通過將光束錐形化以沿著預(yù)定所需路徑行進(jìn)至分色合成器107來“引導(dǎo)”各個(gè)RGB光波。在該實(shí)施例中，錐形波導(dǎo)的設(shè)計(jì)可用于將來自60度發(fā)散LED光的錐形光引導(dǎo)至輸入非偏振分色合成器。
關(guān)于有時(shí)被稱作“x盒(cube)”的分色合成器，該裝置包括兩個(gè)分色涂覆濾光片，其合成或分開三個(gè)不同顏色的光束，即紅色(r)、綠色(g)和藍(lán)色(b)。一個(gè)分色涂覆濾光片通過透射綠色和紅色光來反射藍(lán)光，而另一分色涂覆濾光片通過透射綠光和藍(lán)光來反射紅光，其中可以將來自三個(gè)入射方向的RGB光組合成一個(gè)出射光路，分色合成器可以是交叉型、V型或類似的構(gòu)造。非偏振分色合成器可用于高效合成P和S偏振入射光。
在本發(fā)明中，可將錐形中空管或錐形積分器光棒用作波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)多功能的目的。隨后新型的錐形波導(dǎo)用于準(zhǔn)直、均化和定形光束。由于聚光能力的保持使得錐形波導(dǎo)能夠以錐形斜率減少入射錐形光的角度，其中聚光能力的保持是波導(dǎo)出射面的照明面積與照明立體角之積，等于波導(dǎo)入射面處的聚光能力。
如圖1所示，波導(dǎo)104、105、106的出射面的面積大于其入射面的面積，因此出射光束的錐角小于入射光束的錐角。因此，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)直功能。錐形波導(dǎo)104、105、106的第二個(gè)功能為光均勻器的功能，即將波導(dǎo)入射面處的空間非均勻分布的光改變?yōu)榫哂谢揪鶆驈?qiáng)度的出射光。波導(dǎo)104、105、106的第三個(gè)功能為光束定形，其中錐形波導(dǎo)出射面的孔徑比不同于入射面的孔徑比。這對(duì)于本發(fā)明是必要的，因?yàn)楣庠吹男螤畋仨毰c照射的面板的形狀成比例。相比于照明系統(tǒng)的大多數(shù)的準(zhǔn)直透鏡或透鏡陣列，系統(tǒng)的錐形波導(dǎo)是高效的、尺寸相對(duì)緊湊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且制造成本廉價(jià)。圖1中所示的實(shí)施例示出了置于紅色波導(dǎo)104和非偏振交叉分色合成器107上側(cè)面之間以及波導(dǎo)106和非偏振交叉分色合成器107下側(cè)面之間的有意間隙。因此，綠色波導(dǎo)105發(fā)出的光在分色合成器107的兩個(gè)側(cè)面上內(nèi)反射并且防止綠光進(jìn)入紅色波導(dǎo)105和藍(lán)色波導(dǎo)106。
圖2示出了圖1中所示照明組件的一個(gè)可選實(shí)施例，其中透鏡207、208、209可安裝在各個(gè)波導(dǎo)的出射面上，以允許三個(gè)波導(dǎo)出射的光束被進(jìn)一步會(huì)聚。紅色LED201、綠色LED202和藍(lán)色LED203發(fā)出的光分別被錐形波導(dǎo)204、205和206均化和引導(dǎo)。三個(gè)波導(dǎo)204、205和206出射的光束被三個(gè)透鏡207、208和209進(jìn)一步會(huì)聚，并隨后進(jìn)入非偏振交叉分色合成器210的入射表面。如果波導(dǎo)204、205、206由固體玻璃棒制成，則透鏡和對(duì)應(yīng)的棒可集成為一個(gè)光學(xué)部件。此外，透鏡可添加在錐形波導(dǎo)前端處的LED頂端以進(jìn)一步準(zhǔn)直LED光。
圖3示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中使用V型非偏振分色合成器308或其他形狀的合成器替換圖1和圖2中所示的交叉分色合成器。V型非偏振分色合成器308相比于非偏振交叉分色合成器的最大優(yōu)勢(shì)在于其制造成本低并且制造容易。一般，V型分色棱鏡的角度誤差為幾個(gè)弧度分鐘，而交叉分色棱鏡的角度誤差為幾個(gè)弧度秒。V型分色合成器308包括兩個(gè)不同的分色涂層310和311。涂層310透射綠色和紅色光并反射藍(lán)色光，而涂層311透射綠色光和藍(lán)色光并反射紅色光。由波導(dǎo)305引導(dǎo)的從綠色LED302發(fā)出的光傳輸經(jīng)過分色涂層310和311，而由波導(dǎo)306引導(dǎo)的從藍(lán)色LED303發(fā)出的光被涂層310反射并傳輸通過涂層311。
可選的玻璃體307安裝在紅色波導(dǎo)304的出射表面上以將紅色LED301的光路長(zhǎng)度調(diào)至與綠色和藍(lán)色LED301、303的相等。紅色LED301發(fā)出并傳輸通過錐形波導(dǎo)304和玻璃體307的光被涂層311反射。在V型分色合成器308的出射表面上，紅色路徑、綠色路徑和藍(lán)色路徑的光軸重合。藍(lán)色波導(dǎo)306和分色合成器308之間的間隙以及玻璃體307和分色合成器308之間的間隙的功能與圖1中描述的相類似。綠色波導(dǎo)305出射的光在V型分色合成器308的兩個(gè)側(cè)面上內(nèi)反射并能防止綠光泄漏到藍(lán)色波導(dǎo)306和紅色波導(dǎo)307中。
圖4為本發(fā)明中圖3所示的另一實(shí)施例，其中三個(gè)透鏡407、408、409分別安裝在紅色、綠色和藍(lán)色波導(dǎo)404、405和406上。三個(gè)波導(dǎo)404、405和406中發(fā)出的光被三個(gè)透鏡407、408和409進(jìn)一步會(huì)聚，并隨后如圖3中所述進(jìn)入V型分色合成器407。如果波導(dǎo)是由固態(tài)玻璃棒制成，則透鏡和相應(yīng)棒可被集成在一個(gè)光學(xué)部件中。
圖5示出了本發(fā)明的又一實(shí)施例，其中系統(tǒng)包括紅色LED501，綠色LED502，藍(lán)色LED503，三個(gè)錐形波導(dǎo)504、505和506，交叉分色合成器507和兩個(gè)45度棱鏡508和509。相比于圖1中所示的彩色照明組件，三個(gè)LED被構(gòu)造以置于相同的平板上，能夠使系統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)器電路在尺寸上更緊湊且便于冷卻。兩個(gè)45度棱鏡508和509與非偏振交叉分色合成器507的兩個(gè)側(cè)面相鄰設(shè)置。在兩個(gè)45度棱鏡508、509與非偏振交叉分色合成器507之間具有間隙或間隔。45度棱鏡在反射表面上可包括高反射涂層以增加光利用率。因此，從紅色LED501發(fā)出的通過波導(dǎo)504傳輸?shù)墓?，?5度棱鏡508反射并隨后被交叉分色合成器507反射。類似地，從藍(lán)色LED503發(fā)出的通過波導(dǎo)506傳輸?shù)墓?，?5度棱鏡509反射并隨后被交叉分色合成器507反射。LED 502的綠光通過波導(dǎo)505后透射出交叉分色合成器507。因此，紅色、綠色和藍(lán)色光的光軸在非偏振分色合成器507的出射表面重合。
如圖6所示，通過將三個(gè)透鏡添加到錐形波導(dǎo)上可進(jìn)一步改進(jìn)圖5中所示的實(shí)施例。三個(gè)透鏡607、608和609可分別安裝在紅色、綠色和藍(lán)色波導(dǎo)604、605和606上。從三個(gè)波導(dǎo)604、605和606發(fā)出的光束進(jìn)一步被三個(gè)透鏡607、608和609會(huì)聚，并隨后進(jìn)入交叉分色合成器610中。如果錐形波導(dǎo)為固態(tài)玻璃棒，則透鏡和相應(yīng)棒可被集成為一個(gè)光學(xué)部件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可進(jìn)一步了解在波導(dǎo)入口處需要準(zhǔn)直透鏡時(shí)可進(jìn)一步修改圖6。
圖7和圖8進(jìn)一步示出了非偏振V型分色合成器707、810，其取代圖5和圖6中的非偏振交叉分色合成器。圖7所示的系統(tǒng)包括紅色LED701，綠色LED702，藍(lán)色LED703，三個(gè)錐形波導(dǎo)704、705和706，V型分色合成器707，玻璃體708和兩個(gè)45度棱鏡709和710。如之前實(shí)施例所示，圖8示出了通過對(duì)波導(dǎo)添加三個(gè)透鏡而進(jìn)一步改進(jìn)的圖7中的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，三個(gè)透鏡807、808和809分別安裝在紅色、綠色和藍(lán)色波導(dǎo)804、805和806上。從紅色LED801、綠色LED802和藍(lán)色LED803發(fā)出的光束從波導(dǎo)804、805和806出射，并進(jìn)一步被透鏡807、808和809會(huì)聚。相比于交叉分色合成器，利用V型分色合成器的優(yōu)點(diǎn)是在此已經(jīng)討論的那些優(yōu)點(diǎn)。
圖9、10和11示出了適用于偏振光應(yīng)用的實(shí)施例，其中包含偏掁還原(polarization recovery)和再循環(huán)(recirculation)以提高整體偏振效率。圖9中所示的偏振還原設(shè)備包括偏振分束器(PBS)901，45度棱鏡902和半波長(zhǎng)板903。進(jìn)入到PBS901入射表面(左邊表面)的光904被分成s-偏振光906和p-偏振光905。p-分量905通過PBS901傳輸而s分量906通過45度棱鏡902被向上反射到半波長(zhǎng)半903。半波長(zhǎng)板903將s-分量906的偏振態(tài)轉(zhuǎn)成p-偏振分量907以沿著平行于p-分量905的方向傳輸。
圖10示出了本發(fā)明偏振還原設(shè)備的另一實(shí)施例。設(shè)備包含PBS盒911，45度棱鏡912以及反向反射的偏振旋轉(zhuǎn)器(polarization rotator)913。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，反向反射的偏振旋轉(zhuǎn)器的詳細(xì)描述可在美國(guó)專利公開No.2004/0090763中找到，其在此包含引作參考。該設(shè)備的主要優(yōu)勢(shì)為其對(duì)入射光的波長(zhǎng)變化、溫度改變和偏振對(duì)準(zhǔn)誤差不敏感。進(jìn)入PBS911的入射光914被分成s-偏振光916和p-偏振光915。p-分量915穿過PBS911。與圖9中的實(shí)施例不同，偏振旋轉(zhuǎn)器913可用來替換半波長(zhǎng)板以便通過將入射光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90度來旋轉(zhuǎn)從PBS911入射的s-分量916的偏振方向。在被偏振旋轉(zhuǎn)器913反射之后，未使用的s-分量916變成p-偏振光束917并通過PBS盒911傳輸而到達(dá)棱鏡912。45度棱鏡912隨后再定向行進(jìn)方向與p-分量915的方向平行的p-偏振光束917。
圖11示出了偏振還原設(shè)備的又一可選實(shí)施例，該設(shè)備包括PBS盒922，45度棱鏡921，1/4波長(zhǎng)板923和反射鏡924。進(jìn)入PBS922的光925被分成s-偏振光927和p-偏振光926。p-分量光926通過PBS922傳輸。s-分量光927通過1/4波長(zhǎng)板923傳輸，并在此變成圓偏振光。在被反射鏡924反射之后，該分量光在此通過1/4波長(zhǎng)板923傳輸并變成p-分量光。已還原的p-分量光928穿過PBS盒922到達(dá)棱鏡921。45度棱鏡921隨后再定向行進(jìn)方向與p-分量光926的方向平行的光束928。圖9、10和11中所示的每個(gè)偏振還原設(shè)備可與圖1-圖8中所示的任意LED組件相結(jié)合以提供適用于偏振光投影應(yīng)用的LED彩色照明系統(tǒng)。圖12-圖17示出了六個(gè)示意性實(shí)施例。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有偏振還原系統(tǒng)的彩色照明設(shè)備。該系統(tǒng)包括紅色LED1001，綠色LED1002，藍(lán)色LED1003，三個(gè)錐形波導(dǎo)1004、1005和1006，三個(gè)透鏡1007、1008和1009，非偏振交叉分色合成器1010，PBS1011，45度棱鏡1012，和半波長(zhǎng)板1013。紅色LED1001發(fā)出的穿過波導(dǎo)1004的光被透鏡1007會(huì)聚并隨后被非偏振交叉分色合成器1010反射。類似地，從藍(lán)色LED1003發(fā)出的穿過波導(dǎo)1006的光被透鏡1009會(huì)聚并隨后被交叉分色合成器1010反射。LED1002發(fā)出的穿過波導(dǎo)1005的綠光被透1008會(huì)聚并隨后透射穿過偏振交叉分色合成器1010。紅色、綠色和藍(lán)色光軸在偏振交叉分色合成器1010的出射表面上重合。偏振交叉分色合成器1010的輸出光被PBS1011分成s-偏振光1022和p-偏振光1021。p-分量1021穿過PBS1011透射而s-分量1022被向上反射并被45度棱鏡1012進(jìn)一步反射到半波長(zhǎng)板1013。半波長(zhǎng)板1013將s-分量1022的偏振態(tài)旋至p-偏振分量1023，且沿著平行于p-分量1021方向的方向行進(jìn)。事實(shí)上，圖10中所示的彩色照明系統(tǒng)是圖2中所示LED組件和圖9中所示偏振還原設(shè)備的組合。
類似地，圖13-圖18示出了彩色照明系統(tǒng)的其他示意性實(shí)施例。圖13示出了圖2中所示LED組件和圖10中所示偏振還原設(shè)備的組合。圖14中的實(shí)施例加入了圖2中所示LED組件和圖11中所示偏振還原設(shè)備。圖15為圖4中所示LED組件和圖9中所示偏振還原設(shè)備的組合。圖16為圖4中所示LED組件和圖10中所示偏振還原設(shè)備的組合。圖17為圖4中所示LED組件和圖11中所示偏振還原設(shè)備的組合。最后，圖18為圖6中所示LED組件和圖10中所示偏振還原設(shè)備的組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，在此已經(jīng)說明了這些示意性實(shí)施例的每個(gè)單獨(dú)部件并且這些說明同樣適用于圖13-18所示的部件。
圖1-圖16中所示的非偏振交叉分色合成器或V型合成器都適用于非偏振光束。因此，分色合成器內(nèi)部涂層的透射特性與p-分量和s-分量非常類似?？蛇x地，還有另一種類型的稱作“偏振分色合成器”的分色合成器。偏振分色合成器用于合成偏振的入射彩色光束。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚，市場(chǎng)上大多數(shù)的偏振分色合成器為SPS型。SPS合成器反射紅色和藍(lán)色光的s分量并透射綠光的p分量。偏振分色合成器相對(duì)于非偏振分色合成器的主要優(yōu)點(diǎn)在于其在通過波帶和停止波帶之間具有陡的過渡曲線，以便減少過渡帶的損耗。
圖19示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光照明設(shè)備，其利用偏振分色合成器。圖19中所示的設(shè)備包括紅色LED1701，綠色LED1702，藍(lán)色LED1703，三個(gè)錐形波導(dǎo)1704、1705和1706，三個(gè)透鏡1707、1708和1709，三個(gè)偏振分束器(PBS)盒1710、1711和1712，三個(gè)45度棱鏡1713、1714和1715，三個(gè)半波長(zhǎng)板1716、1717和1718，偏振交叉分色合成器1719和偏振阻尼疊板1720。偏振阻尼疊板在本領(lǐng)域是公知的并披露于美國(guó)專利No.5,751,384且其在此包含引作參考。操作上，從紅色LED1701發(fā)出的光穿過波導(dǎo)1704和透鏡1707而到達(dá)PBS盒1710。s-分量被PBS盒1710反射而p-分量穿過1710到達(dá)45度棱鏡1713。棱鏡1713發(fā)出的p-偏振光穿過半波長(zhǎng)板1716并變成s-偏振光束。
兩個(gè)s-分量，即從PBS1710直接反射的s-分量和從半波長(zhǎng)板1716出射的s-分量，被偏振交叉分色合成器1719反射并通過偏振阻尼疊板1720。類似地，從藍(lán)色LED1703發(fā)出的并穿過波導(dǎo)1706和透鏡1709的光束被PBS盒1712分開。s-分量被PBS盒1712反射而p-分量穿過1712到達(dá)45度棱鏡1715。從棱鏡1715出射的偏振光經(jīng)過半波長(zhǎng)板1718并變成s偏振光束。兩個(gè)s-分量，即PBS1712直接反射的s-分量和半波長(zhǎng)板1718出射的s-分量被偏振交叉分色合成器1719反射并通過偏振阻尼疊板1720。與其中進(jìn)入偏振交叉分色合成器的光為s偏振光的紅色和藍(lán)色LED光路不同，沿著綠色LED光路進(jìn)入偏振交叉分色合成器1719的光為p-偏振光。從綠色LED1702發(fā)出的光通過波導(dǎo)1705和透鏡1708到達(dá)PBS盒1711。P-分量通過PBS1711而s-分量被PBS1711和45度棱鏡1714反射。從棱鏡1714出射的s偏振光通過半波長(zhǎng)板1717并變成p-偏振。兩個(gè)p-分量，即直接通過PBS1711的p-分量和半波長(zhǎng)析板1717出射的p-分量，通過偏振交叉分色合成器1719和偏振阻尼疊板1720。因此，偏振阻尼疊板1720選擇地改變綠色光束的偏振方向同時(shí)保持紅色和藍(lán)色光束的偏振方向。其也可被設(shè)計(jì)為維持綠色光束的偏振方向同時(shí)改變紅色和藍(lán)色光束的偏振方向。
圖20-23為示出了光積分器和聚光透鏡系統(tǒng)的示意圖。這些系統(tǒng)適用于將非偏振光從分色合成器傳送到DMD面板。圖20示出了聚光透鏡2001，其用于將均勻輸出光束傳送到DMD面板2003上。在圖21中，使用波導(dǎo)積分器2101和聚光透鏡2103將光會(huì)聚到DMD面板2103上。本領(lǐng)域技術(shù)人員了解波導(dǎo)2101可以是錐形的或者使用另外的聚光透鏡將光聚焦在矩形波導(dǎo)2101的入口。波導(dǎo)2101的輸出光被聚焦透鏡2103投射在DMD面板2105上，并且可以是具有增加錐形、減少錐形或直形的錐形光管或錐形光棒積分器。波導(dǎo)2101的出射表面形狀可以與DMD面板2105的成比例。圖22示出了光積分器和聚光透鏡系統(tǒng)的又一實(shí)施例，其中準(zhǔn)直透鏡2201、第一透鏡陣列2203、第二透鏡陣列2205和聚焦透鏡2207可用于將光投射在DMD面板2209上。第一透鏡陣列2203用于分離和聚焦光，而第二透鏡陣列2205在第一透鏡陣列2201中形成每個(gè)相應(yīng)透鏡的瞳孔像。隨后，聚焦透鏡2207操作第二透鏡陣列2203中每個(gè)透鏡的重疊瞳孔像以便為DMD面板2205提供均勻的照明。
最后，圖23示出了另一實(shí)施例，其中聚光透鏡2301用于將光聚焦在積分器光管2303，在此聚焦透鏡2305用于將光聚焦在DMD面板2307上。
相比于現(xiàn)有技術(shù)的光引擎，以與DMD面板2003、2105、2209、2309成比例的形狀或尺寸制造本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中使用的紅色、綠色和藍(lán)色LED面板101、102、103，其一般具有16∶9或4∶3的孔徑比。LED面板同樣具有16∶9或4∶3的孔徑比，其可根據(jù)照明光路中所用的視場(chǎng)光闌或其他裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，提供1∶1的對(duì)應(yīng)關(guān)系以使得LED面板和照明光路處的孔徑比等于DMD面板2003、2105、2209、2309上照明光束的孔徑比。換句話說，從LED發(fā)出的光直接成像在DMD面板2003、2105、2209、2309上。另外，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中所用的LED基本形成得均勻。如果特定的LED面板包括基本上均勻的子光源陣列，那么每個(gè)LED面板可形成為使子光源之間的間隙最小化。
因此，本發(fā)明涉及一種偏振光照明光源，其與非偏振DMD投影應(yīng)用一樣利用多色LED發(fā)出的光束。本發(fā)明通過提高成像色域來提供優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而消除不期望的UV或IR光并顯著增加了光源的發(fā)光效率。更特別地，本發(fā)明提供一種包含用作光源的至少一個(gè)紅色、綠色和藍(lán)色LED的偏振照明光源。設(shè)置多個(gè)錐形波導(dǎo)以便實(shí)現(xiàn)光源的光均勻性、準(zhǔn)直性和光傳導(dǎo)性。非偏振分色合成器用于混合入射光束以形成混合顏色光通量同時(shí)偏振分束器(PBS)將非偏振光束分成兩個(gè)線性偏振分量。偏振轉(zhuǎn)換器將無用偏振分量的極性轉(zhuǎn)換成有用的偏振分量的極性，并且45度棱鏡朝照亮圖像顯示面板的方向再定向還原的偏振光束。最后，多個(gè)光積分器和聚光透鏡系統(tǒng)用于將非偏振光從分色合成器投射到DMD面板上。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在整體不脫離本發(fā)明的范圍的情況下能夠以其他特定形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，在此的披露和描述傾向于是說明性的，而不是限定以下權(quán)利要求闡述的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種光照明引擎，包括多個(gè)發(fā)光二極管(LED)光源；至少一個(gè)與所述多個(gè)LED光源相關(guān)聯(lián)的光波導(dǎo)；和用于將來自所述至少一個(gè)光波導(dǎo)的光合并成單一光源的非偏振分色合成器。
2.如權(quán)利要求1所述的光照明引擎，進(jìn)一步包括在來自所述至少一個(gè)光波導(dǎo)的光進(jìn)入非偏振分色合成器之前對(duì)所述光進(jìn)行處理的透鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的光照明引擎，其中所述至少一個(gè)光波導(dǎo)是中空的光管。
4.如權(quán)利要求1所述的光照明引擎，其中所述至少一個(gè)光波導(dǎo)為固態(tài)積分器光棒。
5.如權(quán)利要求1所述的光照明引擎，其中所述非偏振分色合成器為交叉型合成器或V型合成器。
6.如權(quán)利要求1所述的光照明引擎，進(jìn)一步包括至少一個(gè)將來自所述至少一個(gè)光波導(dǎo)的光引導(dǎo)至所述非偏振分色合成器的棱鏡。
7.如權(quán)利要求6所述的光照明引擎，其中所述至少一個(gè)棱鏡為45度棱鏡。
8.如權(quán)利要求1所述的光照明引擎，其中所述光照明引擎被用于電視接收機(jī)中。
9.一種用于投影全色圖像的偏振光照明光源，包括多個(gè)發(fā)光二極管(LED)光源；與該多個(gè)LED光源中的每個(gè)相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)錐形波導(dǎo)；合并來自LED光源的射線的非偏振分色合成器；分離從非偏振分色合成器出射的S偏振光和P偏振光的偏振分束器(PBS)；使來自PBS的光沿行進(jìn)方向向前的棱鏡；旋轉(zhuǎn)入射偏振光束的偏振方向的偏振轉(zhuǎn)換器；且其中所述至少一個(gè)錐形波導(dǎo)將來自多個(gè)LED光源的光送至所述非偏振分色合成器。
10.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，進(jìn)一步包括安裝在至少一個(gè)波導(dǎo)出射面上的透鏡。
11.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，其中多個(gè)LED光源由具有不同顏色的LED構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，其中至少一個(gè)錐形波導(dǎo)準(zhǔn)直從LED光源發(fā)出的光。
13.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，其中至少一個(gè)錐形波導(dǎo)均勻化從LED光源發(fā)出的光。
14.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，其中至少一個(gè)錐形波導(dǎo)定形從LED光源發(fā)出的光束。
15.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，其中至少一個(gè)錐形波導(dǎo)為中空光管。
16.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，其中至少一個(gè)錐形波導(dǎo)為固態(tài)積分器光棒。
17.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，其中分色合成器為交叉型合成器。
18.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，其中分色合成器為V型合成器。
19.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，其中偏振轉(zhuǎn)換器為半波長(zhǎng)板。
20.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，其中偏振轉(zhuǎn)換器為反向反射的偏振旋轉(zhuǎn)器。
21.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，其中偏振轉(zhuǎn)換器為安裝在反射鏡上的1/4波長(zhǎng)板。
22.如權(quán)利要求9所述的偏振光照明光源，其中偏振光照明設(shè)備被用于電視接收機(jī)中。
23.一種偏振光照明設(shè)備，包括至少一個(gè)發(fā)光二極管(LED)光源；與至少一個(gè)LED光源相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)光波導(dǎo)；引導(dǎo)來自至少一個(gè)光波導(dǎo)的光的多個(gè)棱鏡；合并從該多個(gè)棱鏡發(fā)出的光以提供單一偏振光源的偏振交叉分色合成器。
24.如權(quán)利要求23所述的偏振光照明設(shè)備，進(jìn)一步包括設(shè)置成接收來自至少一個(gè)光波導(dǎo)的光以定形來自該波導(dǎo)的光束的至少一個(gè)透鏡。
25.如權(quán)利要求23所述的偏振光照明設(shè)備，其中該至少一個(gè)LED光源包括多個(gè)不同顏色的LED。
26.如權(quán)利要求23所述的偏振光照明設(shè)備，其中至少一個(gè)光波導(dǎo)為錐形中空光管。
27.如權(quán)利要求23所述的偏振光照明設(shè)備，其中至少一個(gè)錐形波導(dǎo)為錐形固態(tài)積分器光棒。
28.如權(quán)利要求23所述的偏振光照明設(shè)備，其中該照明設(shè)備被用于電視接收機(jī)中。
29.一種用于提供光照明的方法，包括步驟提供至少一個(gè)發(fā)光二極管(LED)；通過光波導(dǎo)接收來自至少一個(gè)LED的光；并且通過非偏振分色合成器合并來自光波導(dǎo)的光以產(chǎn)生單一的光束。
30.如權(quán)利要求29所述的提供光照明的方法，進(jìn)一步包括步驟在光波導(dǎo)的一個(gè)端部定位一個(gè)透鏡以會(huì)聚波導(dǎo)出射的光。
31.如權(quán)利要求29所述的提供光照明的方法，其中非偏振分色合成器為交叉型合成器或V型合成器。
32.如權(quán)利要求29所述的提供光照明的方法，進(jìn)一步包括步驟在波導(dǎo)的一個(gè)端部處定位至少一個(gè)棱鏡以便將來自光波導(dǎo)的光導(dǎo)向非偏振分色合成器。
33.如權(quán)利要求29所述的提供光照明的方法，其中至少一個(gè)光波導(dǎo)為錐形中空光管。
34.如權(quán)利要求29所述的提供光照明的方法，其中至少一個(gè)光波導(dǎo)為錐形固態(tài)積分器光棒。
35.如權(quán)利要求29所述的提供光照明的方法，其中照明光被用于電視監(jiān)視器中。
36.一種用于投影彩色圖像的光照明系統(tǒng)，包括能夠產(chǎn)生多種不同顏色光束的發(fā)光二極管(LED)照明組件；用于將多個(gè)不同顏色光束合并到公共光路的分色合成器；用于將LED照明組件與分色合成器耦合的光波導(dǎo)；數(shù)字微反射鏡顯示(DMD)面板；和用于將來自分色合成器的光引導(dǎo)到DMD面板的聚光透鏡系統(tǒng)。
37.如權(quán)利要求36所述的光照明系統(tǒng)，其中聚光透鏡系統(tǒng)包括用于引導(dǎo)來自單一光源的光的至少一個(gè)波導(dǎo)；和用于將至少一個(gè)波導(dǎo)的光引至DMD面板的聚光透鏡。
38.如權(quán)利要求36所述的光照明系統(tǒng)，其中聚光透鏡系統(tǒng)包括聚焦透鏡；多個(gè)透鏡陣列；和將來自至少一個(gè)波導(dǎo)的光引至DMD面板的聚光透鏡。
39.如權(quán)利要求36所述的光照明系統(tǒng)，其中聚光透鏡系統(tǒng)包括聚焦透鏡；用于匯集來自聚焦透鏡的光的積分器光管；和用于將來自積分器光管的光引至DMD面板的聚光透鏡。
40.如權(quán)利要求36所述的光照明系統(tǒng)，其中分色合成器為非偏振交叉型合成器。
41.如權(quán)利要求36所述的光照明系統(tǒng)，其中分色合成器為非偏振V型合成器。
42.如權(quán)利要求36所述的光照明系統(tǒng)，其中偏振光照明設(shè)備被用于電視接收機(jī)中。
43.一種發(fā)光二極管(LED)照明系統(tǒng)，包括多個(gè)LED光源；與多個(gè)LED光源相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)光波導(dǎo)；用于將來自至少一個(gè)光波導(dǎo)的光合并成單一光源的非偏振分色合成器；和用于將單一光源投射到數(shù)字微反射鏡裝置(DMD)顯示面板上的投影系統(tǒng)。
44.如權(quán)利要求43所述的LED照明系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于在使來自至少一個(gè)光波導(dǎo)的光進(jìn)入非偏振分色合成器之前對(duì)其進(jìn)行處理的透鏡。
45.如權(quán)利要求43所述的LED照明系統(tǒng)，其中至少一個(gè)光波導(dǎo)為中空光管。
46.如權(quán)利要求43所述的LED照明系統(tǒng)，其中至少一個(gè)光波導(dǎo)為固態(tài)積分器光棒。
47.如權(quán)利要求43所述的LED照明系統(tǒng)，其中非偏振分色合成器為交叉型合成器或V型合成器。
48.如權(quán)利要求43所述的LED照明系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于將來自至少一個(gè)光波導(dǎo)的光引至非偏振分色合成器的至少一個(gè)棱鏡。
49.如權(quán)利要求48所述的LED照明系統(tǒng)，其中至少一個(gè)棱鏡為45度棱鏡。
50.如權(quán)利要求43所述的LED照明系統(tǒng)，其中投影系統(tǒng)包括用于將單一光源引至DMD面板上的聚光透鏡。
51.如權(quán)利要求50所述的LED照明系統(tǒng)，其中投影系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于將單一光源引至聚光透鏡的錐形波導(dǎo)。
52.如權(quán)利要求43所述的LED照明系統(tǒng)，其中投影系統(tǒng)包括用于聚焦來自單一光源的光的聚焦透鏡；用于將光引至第二透鏡陣列中至少一個(gè)對(duì)應(yīng)透鏡的第一透鏡陣列；和用于將來自第二透鏡陣列的光引至DMD面板的聚光透鏡。
53.如權(quán)利要求43所述的LED照明系統(tǒng)，其中投影系統(tǒng)包括用于聚焦來自單一光源的光的聚焦透鏡；用于匯集來自聚焦透鏡的光的積分器光管；和用于將來自第二透鏡陣列的光引至DMD面板的聚光透鏡。
54.如權(quán)利要求43所述的LED照明系統(tǒng)，其中光照明系統(tǒng)被用于電視接收機(jī)中。
55.一種用于投射彩色圖像的方法，包括步驟使來自至少一個(gè)發(fā)光二極管(LED)的不同顏色的光束與分色合成器耦合；利用分色合成器將不同顏色光合成到公共光路中；和利用聚光透鏡系統(tǒng)將來自分色合成器的光引至數(shù)字微反射鏡顯示(DMD)面板。
56.如權(quán)利要求55所述的投射彩色圖像的方法，其中利用以下步驟操作聚光透鏡系統(tǒng)通過至少一個(gè)波導(dǎo)引導(dǎo)來自單一光源的光；以及將來自至少一個(gè)波導(dǎo)的光通過聚光透鏡引導(dǎo)至DMD面板。
57.如權(quán)利要求55所述的投射彩色圖像的方法，其中耦合步驟包括通過插入在分色合成器和至少一個(gè)LED之間的錐形光波導(dǎo)引導(dǎo)不同顏色的光束的步驟。
58.如權(quán)利要求57所述的投射彩色圖像的方法，其中利用以下步驟操作聚光透鏡系統(tǒng)利用聚焦透鏡聚焦單一光源；將來自聚焦透鏡的聚焦光引導(dǎo)至多個(gè)透鏡陣列；和通過聚光透鏡將來自多個(gè)透鏡陣列的光引導(dǎo)至DMD面板。
59.如權(quán)利要求55所述的投射彩色圖像的方法，其中利用以下步驟操作聚光透鏡系統(tǒng)利用聚焦透鏡聚焦單一光源；通過積分器光管會(huì)聚來自聚焦透鏡的聚焦光；和通過聚光透鏡將來自積分器光管的光引導(dǎo)至DMD面板。
60.如權(quán)利要求55所述的投射彩色圖像的方法，其中分色合成器為非偏振交叉型合成器。
61.如權(quán)利要求55所述的投射彩色圖像的方法，其中分色合成器為非偏振V型合成器。
62.如權(quán)利要求55所述的投射彩色圖像的方法，其中用于投射彩色圖像的方法被用于電視接收機(jī)中。
63.一種圖像表現(xiàn)裝置，包括具有為投射圖像提供特定孔徑比的形狀的微顯示面板；光學(xué)光引擎系統(tǒng)，包括至少一個(gè)發(fā)光二極管(LED)面板，該面板的形狀用于為微顯示面板提供對(duì)應(yīng)于特定孔徑比的光；且其中通過光耦合結(jié)構(gòu)，以至少一個(gè)LED面板傳出的光的孔徑比基本等于微顯示面板接收光的孔徑比的方式，使至少一個(gè)LED面板與微顯示面板耦合。
64.如權(quán)利要求63所述的圖像表現(xiàn)裝置，其中特定孔徑比為4∶3或16∶9。
65.一種用于產(chǎn)生表示圖像的方法，包括步驟操作微顯示面板裝置以產(chǎn)生圖像序列；對(duì)應(yīng)于微顯示面板裝置的操作來操作多個(gè)發(fā)光二極管，該多個(gè)發(fā)光二極管都可被操作發(fā)出具有多種顏色中一種顏色的光；將來自多個(gè)發(fā)光二極管的光直接成像在微顯示面板裝置上；以及投影微顯示面板裝置處產(chǎn)生的所述圖像序列。
66.如權(quán)利要求65所述的方法，其中微顯示面板裝置具有特定的孔徑比，并且定形發(fā)光二極管以發(fā)出孔徑比對(duì)應(yīng)于微顯示面板裝置孔徑比的光，并進(jìn)一步包括以基本保持發(fā)光二極管產(chǎn)生的光的孔徑比的方式，將發(fā)光二極管的光送至微顯示面板裝置的步驟。
全文摘要
一種用于將彩色圖像投射到微反射鏡顯示(DMD)板的光照明系統(tǒng)，包括發(fā)光二極管(LED)照明組件(101，102，103)，用于提供單一光源的分色合成器(107)，以及用于將單一光源的光引至DMD面板的聚光透鏡系統(tǒng)(圖20－23)。本發(fā)明提供一種用于微DMD面板以提供非偏振的均勻光的經(jīng)濟(jì)合算且有效的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02B6/00GK1854884SQ20061005925
公開日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2006年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月25日
發(fā)明者伊斯雷爾·J·莫雷洪, 翟金輝, 李海長(zhǎng), 羅伯特·J·潘塔洛內(nèi) 申請(qǐng)人:加比爾電路公司