專利名稱：固態(tài)光引擎光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光和圖像投影機，尤其涉及用于投影顯示的照明設(shè)備。
背景技術(shù)：
當(dāng)前技術(shù)公開了用于觀看視頻和圖像的各種光源和圖像投影機。最簡單的光投影機包括閃光燈，更復(fù)雜的設(shè)備包括具有白熾光源的圖像投影機，如美國專利No.6227669中所述。
然而，當(dāng)前技術(shù)中投影機的缺點是它們可能很沉重、復(fù)雜或模糊；可能包括大量的昂貴部件；體積過大；產(chǎn)生過多熱量；需要冷卻風(fēng)扇；產(chǎn)生過多噪聲；或燈泡壽命短。所以期望能夠克服一個或多個上述缺點的投影顯示器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種由照明子系統(tǒng)和投影子系統(tǒng)構(gòu)成的固態(tài)光引擎。
在一個示例性實現(xiàn)中，照明子系統(tǒng)利用從紅、綠和藍發(fā)光二極管(LED)輸出的光照射單個硅基液晶(LCOS)微型顯示器。本發(fā)明可以使用的微型顯示器的例子還包括FLCOS、HTPS、德州儀器(TexasInstruments)的DLP、MEMS等。投影子系統(tǒng)將LCOS微型顯示器成像在前投影式電視或背投影式電視(RPTV)的反射顯示屏或透射顯示屏上。通過短暫抖動(dithering)LCOS微型顯示器和LED產(chǎn)生灰度和色彩。也可以使用其它微型顯示器以典型LCD中的類似方式產(chǎn)生灰度。從而利用該系統(tǒng)可以輕易獲得至少24-比特色彩、至少1280×1024分辨率和至少60Hz幀頻的SXGA解析度。雖然本說明書中舉例說明了基于投影的TV，但是本發(fā)明也可以用于計算機監(jiān)視器和其它顯示設(shè)備。
一個示例性的實現(xiàn)中包括雙遠心照明系統(tǒng)，其在來自光源物點的光錐形的最大光束擴展處漫射光，從而在圖像處提供了各個光源的最佳局部均勻化。該遠心照明系統(tǒng)可以包括遠心發(fā)光二極管(LED)光源的平面陣列，該光源被至少一個Fresnel透鏡遠心地成像到微型顯示器上。來自各個彩色LED信道的光可以通過二向色立方體結(jié)構(gòu)被組合，同時被成像到顯示器上。將漫射機構(gòu)置于恰好最后一個Fresnel透鏡之前，此處的光束擴展最大且該透鏡作為該照明系統(tǒng)的末級成像部件。
另外，已知為非成像集中器的諸如四元組反射(quad reflective)集中器、內(nèi)部全反射(TIR)差動集中器或邊界光線(edge ray)集中器這樣的光集中器被反過來使用從而被稱為發(fā)射器，可以在照明系統(tǒng)中使用這些光集中器來收集然后發(fā)射來自大面積固態(tài)光源的光。該四元組差動集中器或邊界光線集中器可以包括并排集成的四個單獨結(jié)合的集中器，各個單獨結(jié)合的集中器位于該固態(tài)光源一個象限的中心并覆蓋該象限。最接近固態(tài)光源一端的周界形狀還可以被描述為“四葉草(clover)”結(jié)構(gòu)。與覆蓋整個固態(tài)光源的單個集中器相比，該結(jié)構(gòu)得到較小尺寸的高效率收集和發(fā)射的光學(xué)部件。
在一個示例性實現(xiàn)中，使用四元組TIR復(fù)合雙曲線發(fā)射器(CHE，compound hyperbolic emitter)收集和發(fā)射來自大尺寸LED晶粒的光，且該四元組TIR復(fù)合雙曲線發(fā)射器由四個單獨的TIR復(fù)合雙曲線發(fā)射器并排結(jié)合在一起以覆蓋該大LED晶粒而組成。每一個CHE位于該LED晶粒的一個象限中央并覆蓋該象限，得到比單個集中器短且小得多的高效率的收集和發(fā)射光學(xué)部件。
通過將每個晶粒的角定位在形成如具有四葉草結(jié)構(gòu)的四元組TIRCHE的四個CHE中的每一個之間的重疊部分，非圓形晶粒或晶粒組的輸出可以更均勻的被采集和發(fā)送。
在下文的描述和附圖中將部分地舉出本發(fā)明其它的特征和優(yōu)點，其中，描述和示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，且在一定程度上，根據(jù)對以下詳細說明和附圖的審查，這些優(yōu)選實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是明顯的，或通過本發(fā)明的實踐可以學(xué)習(xí)這些優(yōu)選實施例。通過所附權(quán)利要求特別指出的手段和組合可以實現(xiàn)并獲得本發(fā)明的優(yōu)點。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例的光學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)配置圖；圖2示出了本發(fā)明一個示例性實施例中使用的光學(xué)系統(tǒng)聚焦遠心的原理；圖3示出了圖1的光學(xué)系統(tǒng)利用雙聚焦遠心原理的光傳播路徑；圖4A和4B示出了本發(fā)明一個示例性實現(xiàn)中使用的紅色復(fù)合雙曲線發(fā)射器(CHE，Compound Hyperbolic Emitter)；圖4C示出了復(fù)合雙曲線發(fā)射器的端面的布置，該端面用于裝配LED晶粒，使收集和發(fā)射效率最高；圖4D示出了單個四元組雙曲線發(fā)射器的端面的布置，該端面用于裝配LED晶粒，使收集和發(fā)射效率最高；圖5A和5B示出了本發(fā)明一個示例性實現(xiàn)中使用的綠色/藍色四元組復(fù)合雙曲線發(fā)射器(CHE)；圖5C示出了四元組復(fù)合雙曲線發(fā)射器的端面的布置，該端面用于裝配多個LED晶粒，使收集和發(fā)射效率最高；圖5D示出了多個LED晶粒在圖5C所示的四元組復(fù)合雙曲線發(fā)射器的端面處的定位；圖6示出了本發(fā)明的一個示例性實現(xiàn)中使用的二向色結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括具有二向色材料的薄玻璃板；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明另一個示例性實現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)配置；
圖8是用于控制LED光輸出的電子電路的示例性實現(xiàn)；圖9是背面投影電視的示例性結(jié)構(gòu)。
應(yīng)該理解，為了說明的簡單和清楚，沒有必要按照真實比例畫出圖中所示的部件。例如為了清楚，一些部件的尺寸彼此相對地被夸大了。另外，在這些圖中適當(dāng)?shù)刂貜?fù)參考標號來表示對應(yīng)的部件。
具體實施例方式
將進行詳細的說明，然而應(yīng)該理解，這里公開的實施例僅是本發(fā)明的示例，它們可以以各種形式實施。因此，這里公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細節(jié)不應(yīng)該被理解為限制本發(fā)明，而是僅作為權(quán)利要求的基礎(chǔ)，以及作為教授本領(lǐng)域技術(shù)人員以各種方式將本發(fā)明應(yīng)用于任何適當(dāng)具體結(jié)構(gòu)的代表性基礎(chǔ)。
現(xiàn)在詳細參考附圖(圖1-8)中所示的公開內(nèi)容。
如圖1所示，光學(xué)系統(tǒng)10是由照明子系統(tǒng)32和投影子系統(tǒng)30組成的固態(tài)投影機。照明子系統(tǒng)32利用來自分離顏色組中設(shè)置的多個紅12、綠14和藍16發(fā)光二極管(LED)的光來照射至少一個微型顯示器36。投影子系統(tǒng)30將LCOS微型顯示器36的輸出成像在前投影式電視或背投影式電視(RPTV)的反射顯示屏或透射顯示屏上。通過短暫抖動LCOS微型顯示器36和LED產(chǎn)生灰度和色彩。從而利用該系統(tǒng)可以輕易獲得至少24-比特色彩、至少1280×1024分辨率和至少60Hz幀頻的SXGA解析度。對于電視的說明沒有限制，沒有能力接收電視廣播、有線電視或其它電視信號的顯示器也在本公開的范圍之內(nèi)。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)可以使用有機發(fā)光二極管(OLED)、固態(tài)激光器、激光器和其它窄帶光源代替一個或多個LED。另外，LED可以是任何顏色，或可以產(chǎn)生任何波長和/或波長帶的光。
照明子系統(tǒng)32是臨界(critical)照明系統(tǒng)或阿貝氏(Abbe)照明系統(tǒng)，它分別將紅、綠和藍(RGB)LED光源12、14和16成像在LCOS微型顯示器36或潛在的任何其它通用類型的空間光閥、調(diào)制器或數(shù)字光處理器上。歸因于顯微鏡方法中的Ernst Carl Abbe應(yīng)用，臨界照明系統(tǒng)中光源被直接成像在物上。所設(shè)計的照明系統(tǒng)32除了是一個臨界照明系統(tǒng)之外，還可以是雙重遠心的。雙重遠心是一個重要的特征，尤其用于在適應(yīng)LED的遠心結(jié)構(gòu)的同時優(yōu)化LCOS微型顯示器36或其它基于角度的微型顯示器的光處理。
現(xiàn)在參考圖2進行說明，遠心光學(xué)系統(tǒng)置，在該光學(xué)系統(tǒng)的一個焦點處設(shè)置孔徑光闌60，使得入射光瞳或出射光瞳位于無限遠處。孔徑光闌60是物理光闌，用于限制通過該光學(xué)系統(tǒng)的光的數(shù)量和光的錐形角(cone)。入射光瞳是由孔徑光闌60前面的所有主動光學(xué)元件形成的該孔徑光闌的像。出射光瞳是由孔徑光闌后面的所有主動光學(xué)元件形成的該孔徑光闌的像。
具有物空間遠心的光學(xué)系統(tǒng)具有位于該光學(xué)系統(tǒng)或透鏡62的后焦點的孔徑光闌60。從而入射光瞳位于物空間64(因為物體通常位于該空間所以稱為物空間)中無限遠處。從物點68平行于光軸傳播的一條入射主光線66將穿過孔徑光闌60的中心到達像平面65。由定義，該主光線66是來自從物點68的光線，傳播穿過孔徑光闌60的中心，因此也穿過入射光瞳和出射光瞳的中心，因為它們是孔徑光闌的像。來自另一個物點70的主光線66以基本上相似的方式傳播。對于物空間遠心，如果物點發(fā)生移動，則所產(chǎn)生的像點的放大率不變，只是這些點在像平面中變得模糊。
類似地，具有像空間遠心的光學(xué)系統(tǒng)具有位于該光學(xué)系統(tǒng)或透鏡82的前焦點的孔徑光闌80。從而出射光瞳位于通常像所在空間中的無限遠處。從物點88傳播的一條入射主光線86將穿過孔徑光闌80的中心，并平行于像平面85處的光軸出射。來自另一個物點的一條主光線以基本上相似的方式傳播。對于像空間遠心，如果像平面發(fā)生移動，則所產(chǎn)生的像點的放大率不變，只是這些點在像平面中變得模糊。最后，如圖2所示，雙遠心系統(tǒng)90結(jié)合了物空間遠心和像空間遠心的優(yōu)點。
一方面，微型顯示器36使用鐵電液晶技術(shù)來切換單元的平面中入射光37的偏振狀態(tài)。然而，微型顯示器的偏振延遲(polarizationretardation)和相關(guān)狀態(tài)切換的效果是鐵電材料中光路徑長度的函數(shù)。即，當(dāng)光法向入射到其主動平面上且所有光線以幾乎相同的光路徑長度在鐵電材料中傳播時，微型顯示器36最佳地操作。這對于所有基于液晶的微型顯示器來說都是正確的。例如，雖然微型顯示器36(如LOCS微型顯示器)可以接受直到25度的軸偏離光線(f/1.2)，但是它在f/3或約10度最大入射角的情況下最佳地操作并產(chǎn)生最佳的對比度。f/n(f/number)表示一個光學(xué)系統(tǒng)的聚光能力。f/n較小的光學(xué)系統(tǒng)比f/n較大的系統(tǒng)聚集更多的光。像空間的f/n被定義為光學(xué)系統(tǒng)的有效焦距與入射光瞳直徑的比率。然而，在典型的照明系統(tǒng)中，使f-n(f-number)接近于f/1從而使用于照射物體的光量最大，這種情況并不罕見。在非遠心系統(tǒng)中，光源邊緣的主光線以大角度進入微型顯示器36，并以與來自該光源中心的軸上光線顯著不同的方式被切換。從而，將光從光源的所有點以接近于法向入射發(fā)送到LCOS微型顯示器36或任何相似的微型顯示器36中是有利的。照明子系統(tǒng)32在LCOS微型顯示器36或任何相似類型的微型顯示器36處提供像空間遠心，使得來自每個LED(12、14、16)的主光線垂直于其平面照射微型顯示器36。這種情況下的主光線是來自這些光源中每一端的物點的光線，它們穿過孔徑光闌的中心。
因此，光更加均勻地進入微型顯示器36的孔徑，并使得從微型顯示器輸出到投影屏幕的光的分布更加均勻。然而，雖然圍繞主光線的光束穿過該微型顯示器材料時會經(jīng)歷稍長的路徑長度，但是在相似f-n下，來自特定光源點的大多數(shù)光比來自非遠心系統(tǒng)的光大大接近于最佳條件。
典型地，LED(12、14、16)布置在電路板上，并且它們的發(fā)射軸與該電路板垂直。這種發(fā)射光源被認為是一種遠心光源，從而建議使用遠心光學(xué)系統(tǒng)進行成像。這種情況下，該光學(xué)系統(tǒng)具有物空間遠心。因此，在LED處提供了物空間遠心的照明子系統(tǒng)使得來自每個LED的主光線平行于該LED的光軸發(fā)射。即，使從LED中心平行于光軸發(fā)射的光線為主光線。
從示例的角度，本發(fā)明使用了物和像空間遠心，以適應(yīng)電路板上微型顯示器和本身LED布局的需要。圖3示出了投影機的雙遠心操作和從LED(12′、14、16′)發(fā)射的光線的傳播路徑。該照明系統(tǒng)可以包括玻璃、塑料、非球面或Fresnel(菲涅耳)聚光透鏡(20、26、28)，將光源成像在微型顯示器36上。作為示例，當(dāng)前系統(tǒng)使用三個Fresnel透鏡(20、26、28)，調(diào)節(jié)其Fresnel側(cè)以最小化照明系統(tǒng)的像差。除Fresnel透鏡外或代替Fresnel透鏡，也可以使用標準玻璃透鏡。然而，制造較大孔徑和較低f/n的Fresnel透鏡比制造等價的玻璃透鏡更容易。另外，容易使Fresnel透鏡非球面化，以校正球面像差，并且Fresnel透鏡很薄很輕，比玻璃聚光透鏡便宜。
該照明子系統(tǒng)32包括固態(tài)紅、綠和藍LED(12、14、16)光源。在一個實現(xiàn)中，使用紅、綠和藍LED中每種顏色的陣列作為光源。在電路板上將這些LED排列成陣列。下文中詳細描述的另一個實現(xiàn)中，例如，所使用的每種顏色的LED排列成六邊形的組合陣列(packedarray)。這些陣列由紅、綠和藍LED組成。可選地，可以使用具有所選擇波段和輸出功率的任何LED。可以在收集光學(xué)部件(collectionoptic)的半球形圓頂內(nèi)用合適密封材料來封裝紅色LED晶粒。也可以在相似的半球形圓頂內(nèi)用合適密封材料來封裝綠和藍LED晶粒。綠和藍LED可以是排列在2*2晶粒矩陣中的四個晶粒。這些LED的晶粒也可以封裝在相似的圓頂形空腔內(nèi)的合適封閉材料中。該封裝劑必須在晶粒發(fā)射表面與收集光學(xué)部件之間提供用于內(nèi)部全反射的折射率匹配(index matching)材料。
陣列中所有LED以半球形Lambertian(朗伯)發(fā)射模式發(fā)射。Lambertian發(fā)射模式以該半球周圍所有方向上的相等亮度發(fā)射，同時表現(xiàn)出強度的余弦衰減，該余弦衰減作為與該發(fā)射表面法線之間角度的函數(shù)。
然而，使用這種LED的基本問題是從該LED捕獲可用光，并將該可用光集中在可以被該臨界照明系統(tǒng)有效率地和物理地成像在微型顯示器36上的一個區(qū)域和發(fā)射角內(nèi)。該半球形圓頂透鏡實際上很大，限制了對來自LED(12、14、16)的光的收集，并最終限制這些光在微型顯示器36上的集中。關(guān)于光集中理論上的熱力學(xué)限制，稱為亮度守恒、吞吐量(throughput)或光展量(etendue)，是光源發(fā)射面積與其發(fā)射立體角之間的乘積，并且作為通過該光學(xué)系統(tǒng)傳播的光是守恒的。例如，不能使具有大發(fā)射立體角的小面積光源變成具有相同發(fā)射面積的小發(fā)射立體角。
因此，可以使用復(fù)合雙曲線集中器(CHC，compound hyperbolicconcentrator)來優(yōu)化從可以是平面形式的LED發(fā)出的光的收集效率。復(fù)合雙曲線集中器和更一般的相關(guān)器件復(fù)合拋物線集中器(CPC，compound parabolic concentrator)最初是作為用于將太陽能集中到檢測器的太陽能集中器技術(shù)被開發(fā)的。當(dāng)反過來使用(即用LED代替該檢測器)時，它們變成高效率的照明器或發(fā)射器。同樣的，以下將它們稱為復(fù)合雙曲線發(fā)射器(CHE)。在一個實現(xiàn)中，這些CHE被設(shè)計成獲得最佳的內(nèi)部全反射(TIR)，從而使來自LED晶粒的光收集效率最大并從而使組合的晶粒和CHE系統(tǒng)的發(fā)射效率最大。這些CHE裝配實際的LED晶粒，但是從原始LED封裝中去除半球形透鏡。該CHE的表面本身被設(shè)計成通過內(nèi)部全反射來反光。利用折射率匹配的密封劑來填充CHE底部的空腔，該密封劑將光從晶粒直接耦合到CHE。
在一個實現(xiàn)中，紅、綠和藍CHE與綠和藍CHE不同。這是由于晶粒的尺寸不同引起的。另外，一些CHE被截取一定長度以限制它們的輸出孔徑，從而允許放大它們對微型顯示器的輸出。非截取的輸出孔徑的尺寸根據(jù)以下方程與輸入孔徑尺寸直接相關(guān)。
該截取僅將理論發(fā)射效率限制在約90％。根據(jù)經(jīng)驗驗證了這個數(shù)字。從圖4可以看出，這些CHE的形狀是對稱的。
如圖5A-5D所示，四元組CHE具有左右對稱結(jié)構(gòu)。這種CHE通常是由四個單獨的CHE組成的一個“四元組”CHE。另外，一些綠和藍晶粒是紅晶粒兩倍大小，且實際上由四個單獨的晶粒制成。
在四個單獨晶粒的較大矩陣上布置單個CHE產(chǎn)生過大的CHE輸出尺寸，最終該尺寸與將來自CHE的光成像到微型顯示器36上所需要的尺寸不一致。該四元組CHE可以減小CHE的輸出尺寸，同時保持適當(dāng)?shù)陌l(fā)射效率。另外，該四元組CHE由四個單獨CHE構(gòu)成，每個CHE以四個晶粒119a-119d LED中每一個的角“CC”為中心，以完全覆蓋所有LED。最后，相鄰CHE的表面沿以該四元組CHE為中心的平面相互修整(trim)。這些設(shè)備還必須被截取，且該截取和該修整將理論發(fā)射效率限制到65％，已經(jīng)根據(jù)經(jīng)驗驗證了該數(shù)字。
從圖5A-5D可以看出，在一個示例性實現(xiàn)中，該四元組CHE的一端110包括由每一個單獨的CHE(CHE1、CHE2、CHE3和CHE4)端116a-116d組成的圓形重疊表面端116。該方法確保利用四乘四陣列完全覆蓋晶粒119a-119d。當(dāng)然，該設(shè)計適于覆蓋任何數(shù)量任何形狀、輸出功率和波長的固態(tài)光源。根據(jù)本發(fā)明的這個方面，在110端的重疊表面(或孔徑)可以是任何形狀(例如正方形、三角形等)和任何尺寸，以確保完全覆蓋具有LED的任何形狀的晶粒。
因此，可能具有如圖5C和5D所示的四葉草結(jié)構(gòu)(或三角形、正方形、圓形或任何多邊形)的單個CHE可以以某種方式確定與晶粒之間的位置，從而使該CHE的收集效率最大，并從而使結(jié)合的晶粒和CHE系統(tǒng)的發(fā)射效率最大。具體而言，如圖4C所示，該CHE的520端可以定位在晶粒上，以完全包含該LED晶粒12。圖4D示出了具有四元組或四葉草結(jié)構(gòu)的單個CHE的522端。該晶粒12的角“CC”基本上定位在每個葉瓣522a-522d的中心。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，可以將多個CHE組合得到任何結(jié)構(gòu)的端表面結(jié)構(gòu)來代替該四葉草結(jié)構(gòu)(例如五邊形、六邊形等)，且這些CHE的后端表面的邊緣可以定位在該晶粒的角/邊附近，以使該CHE的收集效率最大，進而使該結(jié)合的晶粒和CHE系統(tǒng)的發(fā)射效率最大。圖5C中示出了由四元組CHE形成的該四葉草結(jié)構(gòu)的一個例子，其中包含了例如包括藍和綠LED的晶粒。
在本系統(tǒng)10中，來自紅、綠和藍(RGB)LED(12、14、16)的光在被微型顯示器36處理之前必須被重新組合?？梢栽谌壕э@示(LCD)投影系統(tǒng)中使用顏色立方體(color cube)和二向色濾光器進行顏色重組和分離。
顏色立方體有時稱為“X-立方體”，實際上是由四個玻璃棱鏡組成的二向色分光器，這四個玻璃棱鏡沿著棱鏡側(cè)面涂有特殊的涂層，但不需要沿著棱鏡的斜邊涂有該涂層。當(dāng)這些棱鏡被粘和在一起時，它們的側(cè)面形成立方體的有涂層的對角面，因此被稱為X-立方體。X-立方體的位置通常十分接近于LCD從而需要具有高光學(xué)質(zhì)量。然而，顏色立方體的主要缺點包括成本、尺寸和重量。
二向色濾光器通常用于將來自典型的放電燈這樣的多色(白色)光源的光分成紅、綠和藍(RGB)顏色分量，并且二向色濾光器典型地位于照明系統(tǒng)的光源側(cè)。處理后的分離顏色被顏色立方體重新組合。然而，二向色濾光器的主要缺點是與顏色立方體相比它們具有較差的光學(xué)質(zhì)量，且它們同時分離兩種顏色而不是三種。
根據(jù)本發(fā)明的一個示例性的方面，如圖1、3所示或圖6中詳細說明的二向色X(DX)結(jié)構(gòu)被設(shè)計成在RGB LED的光輸出被微型顯示器36處理之前對其進行重新組合。通過將紅色二向色濾光器19或藍色二向色濾光器18或梯度二向色濾光器切為兩半來構(gòu)成DX結(jié)構(gòu)21?？梢允褂锰荻榷蛏珵V光器代替均勻二向色濾光器，以補償由作為輸入光束在二向色濾光器上的入射角的函數(shù)的反射和透射的變化導(dǎo)致的不期望的顏色偏移。然后將每一半的末端緊固在另一個濾光器的中間，由薄玻璃平板二向色濾光器形成另一個“X”。這些二向色濾光器不需要具有高光學(xué)質(zhì)量，因為它們位于本系統(tǒng)10的照明端，而不是位于成像路徑中。由這些半濾光器之間的結(jié)合處產(chǎn)生的朦朧(obscuration)很小，且不在微型顯示器36的共軛面內(nèi)。這樣以及該光學(xué)系統(tǒng)中的均勻化部件減輕了由接縫23產(chǎn)生的不均勻。
該照明系統(tǒng)的一個實施例中包括折疊鏡(fold mirror)22，用于折疊光學(xué)路徑以實現(xiàn)很緊湊的系統(tǒng)?？梢允褂娩X涂料來改進該折疊鏡22的前表面，使反射損失最小。
漫射器34恰好位于第三個Fresnel聚光透鏡之前。該漫射器均勻化或使來自RGB LED光源的不均勻變的均勻。例如，該設(shè)計中使用的特定漫射器為光整形漫射器(LSD，Light Shaping Diffuser)。也可以使用塑料或磨砂玻璃的漫射器，根據(jù)系統(tǒng)的使用和其它參數(shù)選擇漫射器。
該漫射器在該光學(xué)系統(tǒng)中的位置優(yōu)化了到達微型顯示器36的光的均勻化。例如，將漫射器布置在該臨界照明系統(tǒng)的共軛位置處的CHE附近的光源端，不會得到最好的光均勻化輸出。與光束尺寸(或光束擴展)達到最大的末端光學(xué)部件最接近的位置，在該部件的物空間側(cè)提供了在該特定設(shè)計中最佳的均勻化。該光學(xué)系統(tǒng)中，達到其最大擴展的來自各個LED的漫射光在微型顯示器36提供了從LED輸出的光的最佳局部均勻化。
在另一個實現(xiàn)中，如圖7所示可以去掉該折疊鏡，以通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置CHE-LED組合、DX結(jié)構(gòu)21、Fresnel透鏡26、28和漫射器34與偏振分束器24和微型顯示器36之間的位置關(guān)系使光學(xué)損失最小。
來自RGB LED光源的光是非偏振或自然偏振的。然而，入射到LCOS微型顯示器上的光必須被線性偏振。另外，微型顯示器可以是反射設(shè)備而非透射設(shè)備。從而，偏振部件24用于(i)線性偏振進入微型顯示器的光，和(ii)將來自微型顯示器的正交偏振分量反射到投影透鏡上?；蛘撸梢詫⒃撓到y(tǒng)設(shè)計成由LED發(fā)射偏振光。這種情況下，可以用普通分束器代替偏振分束器。
在一個實現(xiàn)中，偏振分束器24可以是線柵(例如，偏振分束器24可以是由Moxtek公司制造的分束器)。偏振分束器24同時作為偏振器和分束器。線柵型偏振器特點是薄、輕、相對便宜，并且不會將顯著的額外玻璃厚度引入照明或投影光學(xué)路徑中。另外，與典型偏振分束器相比，線柵偏振器通常接受較小的f/n光束(較大或較寬的受光角)，具有高消光比，以及線性偏振光的較高投射和反射。
在另一個實現(xiàn)中，可以使用其它類型的偏振器，如為較快光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化的具有偏振涂層的立方體分束器?；蛘?，還可以使用線柵或其它類型的偏振器對入射到偏振分束器上的光進行預(yù)偏振。
一方面，微型顯示器36可以是SXGA彩色反射式液晶顯示器(LCD)，能夠顯示具有很高空間分辨率的全彩色計算機或視頻圖像。硅基液晶(LCOS)設(shè)備使用與扭曲向列型結(jié)構(gòu)(tiwsted neumatic)相對的鐵電結(jié)構(gòu)來快速地切換入射偏振的狀態(tài)。通過短暫抖動LCOS微型顯示器與LED獲得灰度和顏色。當(dāng)前實施例中可以使用其它類型的微型顯示器。例如，對于至少一個微型顯示器，可以使用諸如德州儀器的DLP這樣的單片技術(shù)?；蛘撸⑿惋@示器也可以是LCOS、FLCOS、HTPS或基于MEMS。
陷光器32是一種陷光盒體，被設(shè)計成抑制從偏振分束器24反射的正交偏振非信號光。如果不抑制這些光，則如果它們被反射或散射回信號光束路徑39中就會促進對比度的顯著下降。
陷光器32由涂有抗反射層(AR)的黑玻璃和高吸收性黑壁構(gòu)成。涂有AR的黑玻璃定向為與入射光成45度。大多數(shù)光是所發(fā)射的可見光，其進入涂有AR的黑玻璃，并當(dāng)在該吸收材料中傳播時被高度吸收。余下的一小部分反射可見光向高吸收性黑色壁傳播。任何散射回的光被散射到該涂有AR的黑玻璃上，該小部分光中的大部分進一步被該吸收玻璃吸收。該陷光器的空腔和相關(guān)孔徑被設(shè)計成阻礙干擾光返回微型顯示器和成像路徑的直接路徑。利用該設(shè)置可以獲得多次干擾光中幅度的減小?？梢栽黾宇~外的折疊，進一步抑制任何散射回的分量。
投影透鏡30將微型顯示器的輸出成像在顯示屏上。根據(jù)一個實現(xiàn)中的一個方面，投影透鏡30可以是分六組的九個元件，f/1.75透鏡，以及被設(shè)計成在約8英尺距離處投影約40英寸對角線的圖像。該投影透鏡在孔徑光闌位置處也可以具有一個線柵線性偏振器。需要該投影透鏡中的偏振器來提高在經(jīng)過線柵分束器反射后信號的反差比(contrast ratio)。該分量的反差比通常僅為約20∶1-50∶1。該特定設(shè)計中線性偏振器位于光闌處，因為該空間占據(jù)最小面積且光的入射角最小。還可以與透鏡鏡筒無關(guān)地旋轉(zhuǎn)線性偏振器，以適應(yīng)由于旋轉(zhuǎn)透鏡來改變焦距導(dǎo)致的反差比的改變。
另外，如圖8所示，該系統(tǒng)采用動態(tài)直流(DC)功率放大電路200，在特定時間間隔向各個LED(固態(tài)光源)彩色信道提供特定電流。對于每個LED彩色信道，該電路的輸入是直流功率210和控制信號212。該電路板200放大該直流功率以預(yù)先調(diào)節(jié)每個LED彩色信道的電流限制，并可以被數(shù)字地或手動地控制，并且當(dāng)接收到主動控制信號時將該放大的直流功率供應(yīng)到相應(yīng)的LED彩色信道，從而產(chǎn)生對于該特定信道的LED光輸出。該結(jié)果是可以被數(shù)字控制的實際LED光輸出和定時LED光輸出，該定時LED光輸出對于微型顯示器上相應(yīng)幀可以是彩色順序的(color sequential)。該實現(xiàn)與傳統(tǒng)電燈設(shè)計很不相同，傳統(tǒng)設(shè)計中將交流(AC)功率提供到電燈，產(chǎn)生以恒定頻率輸出的光。
圖9示出了本發(fā)明的包括若干應(yīng)用領(lǐng)域中的一個的背面投影電視或其它視覺顯示器的一般結(jié)構(gòu)。
應(yīng)該理解，可以使用其它實施例，并且可以在不偏離本發(fā)明相關(guān)范圍的情況下進行結(jié)構(gòu)和功能的改變。對于該系統(tǒng)的可能修改包括但不限于LED的較小或較大晶粒尺寸，從而允許非四元組CHE和所述LED一起被代替；信號處理裝置，用于過濾發(fā)送到微型顯示器的信號，以提高該光信號的均勻性并提高信噪比。
權(quán)利要求
1.一種非成像設(shè)備，用于提高對于從至少一個固態(tài)光源接收的光的收集效率，然后向圖像投影光學(xué)系統(tǒng)中的微型顯示器發(fā)射光，該非成像設(shè)備包括基于內(nèi)部全反射的復(fù)合雙曲線發(fā)射器，該復(fù)合雙曲線發(fā)射器整體地安裝在具有至少一個固態(tài)設(shè)備的晶粒上。
2.如權(quán)利要求1所述的非成像設(shè)備，其中該至少一個固態(tài)光源為紅、藍或綠發(fā)光二極管中的至少一個。
3.如權(quán)利要求1所述的非成像設(shè)備，其中該復(fù)合雙曲線發(fā)射器中的空腔包含折射率匹配的密封劑，用于使從該至少一個固態(tài)光源發(fā)射的光與該復(fù)合雙曲線發(fā)射器充分耦合。
4.一種非成像設(shè)備，在圖像投影光學(xué)系統(tǒng)中，用于提高對于從至少一個固態(tài)光源接收的光的發(fā)射效率，該非成像設(shè)備包括四元組的基于內(nèi)部全反射的復(fù)合雙曲線發(fā)射器，該復(fù)合雙曲線發(fā)射器整體地安裝在多個晶粒上，其中該多個晶粒中的每一個晶粒包括該至少一個固態(tài)光源。
5.如權(quán)利要求4所述的非成像設(shè)備，其中該四元組的基于內(nèi)部全反射的復(fù)合雙曲線發(fā)射器包括多個單獨的基于內(nèi)部全反射的復(fù)合雙曲線發(fā)射器，其被設(shè)計成覆蓋該多個晶?；蚓ЯＣ娣e或部分晶粒面積。
6.如權(quán)利要求5所述的非成像設(shè)備，其中每一個該單獨的基于內(nèi)部全反射的復(fù)合雙曲線發(fā)射器基本上與該多個晶粒中的每一個晶粒的一個角對齊，以完全覆蓋該多個晶粒。
7.如權(quán)利要求4所述的非成像設(shè)備，其中至少一個固態(tài)光源是發(fā)光二極管。
8.如權(quán)利要求4所述的非成像設(shè)備，其中每一個該單獨的復(fù)合雙曲線發(fā)射器中的空腔包含折射率匹配的密封劑，用于使從至少一個固態(tài)光源發(fā)射的光與該單獨的復(fù)合雙曲線發(fā)射器充分耦合。
9.一種在圖像投影光學(xué)系統(tǒng)中將從發(fā)光二極管陣列發(fā)射的多個信號進行組合的設(shè)備，該設(shè)備包括由多個二向色或分度二向色濾光器形成的結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中該分度二向色濾光器包括紅色二向色濾光器或藍色二向色濾光器中的至少一個。
11.一種在圖像投影光學(xué)系統(tǒng)中在微型顯示器處提供光均勻性的設(shè)備，該設(shè)備包括位于基本上遠離固態(tài)光源陣列的位置處的漫射器。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中在該圖像投影光學(xué)系統(tǒng)中，該漫射器位于光束的擴展基本上達到最大的空間中一點，以及其中通過對從該固態(tài)光源陣列產(chǎn)生的光進行組合形成該光束。
13.投影顯示中使用的一種光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括固態(tài)光源陣列，其中該陣列中的每一個該固態(tài)光源與用于提高對于從該固態(tài)光源陣列輸出的光的發(fā)射效率的非成像設(shè)備關(guān)聯(lián)；基于二向色濾光器的設(shè)備，用于對從固態(tài)光源陣列發(fā)射并從多個二向色濾光器形成的多個信號進行組合；微型顯示器，利用從該固態(tài)光源陣列輸出的光進行照明；漫射器，用于均勻化該微型顯示器處的光，其中在該光學(xué)系統(tǒng)中，該漫射器位于從該基于二向色濾光器的設(shè)備發(fā)射的光束的擴展基本上達到最大的空間中一點。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中該非成像設(shè)備為基于內(nèi)部全反射的復(fù)合雙曲線發(fā)射器。
15.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中該固態(tài)光源陣列包括紅、藍和綠發(fā)光二極管。
16.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括多個Fresnel透鏡。
17.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括偏振分束器，用于線性偏振傳送到該微型顯示器的光。
18.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括陷光器，用于抑制從該偏振分束器反射的正交偏振的非信號光。
19.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中該非成像設(shè)備為基于內(nèi)部全反射的復(fù)合雙曲線發(fā)射器，其與一個發(fā)光二極管關(guān)聯(lián)。
20.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中該非成像設(shè)備為四元組的基于內(nèi)部全反射的復(fù)合雙曲線發(fā)射器，其與一個發(fā)光二極管陣列關(guān)聯(lián)。
21.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中該四元組的復(fù)合雙曲線發(fā)射器的孔徑是圓形的。
22.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中該四元組的復(fù)合雙曲線發(fā)射器的孔徑是三角形或其它多邊形。
全文摘要
基于投影的顯示中使用的一種光學(xué)系統(tǒng)，包括與多個基于內(nèi)部全反射的復(fù)合雙曲線發(fā)射器關(guān)聯(lián)的多個固態(tài)光源，用于對從多個固態(tài)光源輸出的光進行均勻化的基于分級二向色濾光器的設(shè)備，利用從固態(tài)光源陣列輸出的光進行照明的硅基鐵電液晶設(shè)備，以及使硅基鐵電液晶設(shè)備處的光均勻化的偏振漫射器，其中在該光學(xué)系統(tǒng)中，該偏振漫射器位于從基于分級二向色濾光器的設(shè)備發(fā)射的光束的尺寸基本上達到最大的空間中一點。
文檔編號G02B27/14GK1882867SQ200480017670
公開日2006年12月20日 申請日期2004年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月24日
發(fā)明者凱文·J·加西亞, 米切爾·C·魯達, 蒂爾曼·施圖林格 申請人:克羅姆諾默申成像應(yīng)用公司