專利名稱：照明系統(tǒng)和集成該照明系統(tǒng)的投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及照明系統(tǒng)。本發(fā)明尤其適用于在投影系統(tǒng)中生 成高對比度的照明系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
照明系統(tǒng)通常包括光源及將光從光源傳輸?shù)筋A(yù)期目標的照明光 學(xué)器件。照明系統(tǒng)可在多種應(yīng)用中使用，如投影顯示器和用于液晶顯示器(LCD)的背光源。照明系統(tǒng)中的光源可包括弧光燈(如水銀弧 光燈)、白熾燈、熒光燈、發(fā)光二極管(LED)或激光。投影系統(tǒng)通常包括用于生成圖像的活性光閥、用于照明該光閥 的照明系統(tǒng)以及用于投影和顯示圖像(通常在投影屏上)的光學(xué)器件。 投影系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)通常使用一個或多個白光源，例如弧光燈。照 明系統(tǒng)的照明光學(xué)器件可以包括用于將白光分解為不同色光(如紅、 綠和藍)的裝置。通常希望照亮光閥的方式能夠使顯示的投影圖像具有高亮度、 高分辨率和高對比度。發(fā)明內(nèi)容一般來講，本發(fā)明涉及照明系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及投影系統(tǒng)中采 用的照明系統(tǒng)。在本發(fā)明的一個實施例中，照明系統(tǒng)包括多個分立光源。可以 單獨控制每個分立光源的輸出光強度。照明系統(tǒng)還包括位于多個分立 光源共軛平面上的孔徑光闌?？讖焦怅@有開口。多個分立光源發(fā)出的 光填充開口的至少一部分，且在孔徑光闌上形成了第一光場。照明系 統(tǒng)還包括像素化光調(diào)制器，其具有能夠顯示可投影圖像的有效區(qū)域。 第一光場照明該有效區(qū)域，且在有效區(qū)域上形成第二光場。第一和第二光場形成了傅立葉變換對。通過選擇性控制一個或多個分立光源的 輸出強度可以調(diào)整可投影圖像的對比度。在本發(fā)明的另一個實施例中，照明系統(tǒng)包括獨立可操作的光元件的二維陣列。照明系統(tǒng)還包括第一光學(xué)傳輸系統(tǒng)。第一光學(xué)傳輸系 統(tǒng)從光元件接收光，并且照明像素化光調(diào)制器的有效區(qū)域。該有效區(qū) 域能夠顯示可投影圖像。來自至少一個光元件的光從有限多個方向照 明該有效區(qū)域。每個光元件均照亮該有效區(qū)域中的每個像素。通過調(diào) 整一個或多個光元件的輸出強度可以控制可投影圖像的對比度。在本發(fā)明的另一個實施例中，照明系統(tǒng)包括獨立可操作光源的 二維陣列。每個光源能夠基本上照明像素化光調(diào)制器的整個有效區(qū)域。每個光源朝不同的發(fā)射方向發(fā)射光。每個發(fā)射方向指向有效區(qū)域 的各自位置。獨立可操作光源的二維陣列發(fā)出的入射光錐照明有效區(qū) 域中的每個像素。該光錐有錐角，包括每個光源發(fā)出的至少一條光線D通過調(diào)整一個或多個獨立可操作光源的強度可控制至少一個此類光 錐的錐角。本發(fā)明的另一個實施例中，照明系統(tǒng)包括擴展光源，該擴展光 源能夠發(fā)射具有可調(diào)二維強度分布的光。照明系統(tǒng)還包括光調(diào)制器， 該光調(diào)制器具有可顯示圖像的有效區(qū)域。擴展光源中的點從相同方向 照明整個有效區(qū)域。擴展光源中不同點的方向也不同。通過調(diào)整發(fā)射 光的二維強度分布可控制顯示圖像的對比度。在本發(fā)明的另一個實施例中，投影系統(tǒng)包括多個分立光源，這 些光源可以照亮像素化光調(diào)制器的有效區(qū)域以形成具有對比度的可 投影圖像。每個分立光源基本上照明了整個有效區(qū)域。投影系統(tǒng)還包 括用于單獨控制每個分立光源的輸出光強度的處理器。處理器還確定對應(yīng)于每個分立光源的對比度。處理器還確定可投影圖像的平均亮 度。如果平均亮度小于閾值，處理器減少一個或多個具有低對比度的 分立光源的輸出光強度，以增加可投影圖像的對比度。


結(jié)合附圖對本發(fā)明的各種實施例所做的以下詳細描述將有利于更完整地理解和體會本發(fā)明，其中圖1示出了本發(fā)明一個實施例中照明系統(tǒng)的示意性三維視圖； 圖2a和2b示出了圖1擴展光源強度分布的兩個示例性橫截面-，圖3示出了本發(fā)明一個實施例中照明系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖； 圖4a-4e示出了本發(fā)明的示意性光錐； 圖5示出了本發(fā)明的另一個示意性光錐；圖6a-6c示出了本發(fā)明不同實施例中示例性光組件的示意性正視圖；圖7示出了本發(fā)明一個實施例中投影顯示器的示意性三維視圖；圖8a和8b示出了本發(fā)明的示例性照明方向；圖9示出了本發(fā)明的其它示例性照明方向；圖10示出了本發(fā)明一個實施例中光傳輸系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；圖11示出了本發(fā)明另一個實施例中光傳輸系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；圖12示出了本發(fā)明另一個實施例中光傳輸系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；圖13示出了本發(fā)明另一個實施例中光傳輸系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；圖14示出了本發(fā)明一個實施例中投影顯示器的示意性側(cè)視圖； 圖15示出了本發(fā)明一個實施例中光傳輸系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖； 圖16示出了本發(fā)明一個實施例中投影顯示器的示意性側(cè)視圖； 圖17a和17b示出了本發(fā)明不同實施例中示例性光源的示意 性正視圖；圖18示出了本發(fā)明一個實施例中照明系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖； 圖19示出了本發(fā)明一個實施例中投影系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；且圖20示出了本發(fā)明另一個實施例中投影系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖;具體實施方式
本發(fā)明整體涉及照明系統(tǒng)。本發(fā)明還適用于包括照明系統(tǒng)且希 望以高對比度和高亮度顯示投影圖像的投影系統(tǒng)。本發(fā)明尤其適用于包括液晶顯示器(LCD)或數(shù)字微鏡裝置(DMD)來生成可投影圖像 的投影系統(tǒng)。在本說明書中，在多個圖形中使用的相同附圖標記指代具有相 同或相似特性和功能的相同或相似元件。本發(fā)明的一個優(yōu)點是可動態(tài)控制照明系統(tǒng)的光強度分布，以優(yōu) 化每個或一系列投影圖像的對比度和/或亮度，取決于如投影圖像的 整體亮度等。例如，對于明亮的投影圖像，如室外日間場景，照明系 統(tǒng)可動態(tài)地控制以提供最大亮度；對于相對暗的投影圖像，如夜間場 景，提供最優(yōu)的對比度。圖1示出了本發(fā)明一個實施例中照明系統(tǒng)100的示意性三維 視圖。照明系統(tǒng)100包括光組件110和光調(diào)制器130。光調(diào)制器 110包括用于發(fā)光照明光調(diào)制器130的擴展光源115。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，擴展光源115朝不同的發(fā)射方向發(fā)射 光，如由射線112A、 112B和112C指示的方向。擴展光源115的 二維強度分布，例如，在x-y平面上，可由電子器件105沿著x-y 平面中的一個或多個方向控制。例如，如圖2a和2b所示，電子器 件105控制沿著Al-A2和Bl-B2方向的強度分布。圖2a示出了 在x-y平面中，作為x方向上的位置的函數(shù)的強度I;圖2b示出了 作為y方向上的位置的函數(shù)的強度。具體地講，圖2a示出了 Al-A2 方向上的示例性強度分布210和211，圖2b示出了 Bl-B2方向 上的示例性強度分布220和221。強度分布210和220可對應(yīng)電 子器件105的一種配置；強度分布211和221可對應(yīng)電子器件105 的另一種不同的配置。應(yīng)當(dāng)理解，A1A2和B1B2僅為示例性方向。 一般來講，根據(jù)本發(fā)明中的一個方面，電子器件105能夠給擴展光 源115供電，以在x-y平面產(chǎn)生所需的二維強度分布。重新參考圖1，光調(diào)制器130具有能夠顯示圖像的有效區(qū)域 140。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，擴展光源115中的每個發(fā)光點均可基本上照明了整個有效區(qū)域140。例如，擴展光源115的發(fā)光點113 和114中任一個均可基本上照明了整個有效區(qū)域140。此外，擴展 光源115中每個單獨的發(fā)光點從公共的方向(不同的發(fā)光點有不同 的公共方向)照明有效區(qū)域140。例如，擴展光源115中的發(fā)光點 113發(fā)出立體錐角為a的光錐117。錐體117中包括示例性的光 射線113A、 113B和113C。光錐117從公共方向"U"照明有效區(qū) 域140。具體地講，發(fā)射光射線113A照明有效區(qū)域140，記為光 射線Ul;發(fā)射光射線113B照明有效區(qū)域140，記為光射線U2; 發(fā)射光射線113C照明有效區(qū)域140，記為光射線U3; Ul、 U2、 U3 都是沿著公共方向"U"。又如，發(fā)光點114的示例性光射線VI、 V2、 V3沿著公共方向"V"照明有效區(qū)域140， "V"方向與"U" 方向不同。照明系統(tǒng)IOO也可以包括圖1中沒有示出的其它元件。例如， 照明系統(tǒng)100可包括布置在光組件110和光調(diào)制器130之間的光 學(xué)模塊，用于將光從光組件傳輸?shù)秸{(diào)制器。具體地講，例如，光學(xué)模 塊可以設(shè)計來改變錐體117中光射線的方向，使其沿著公共方向"U" 來基本上照明整個有效區(qū)域140。光調(diào)制器130可以為任意可顯示圖像的光調(diào)制器。例如，光調(diào) 制器130可以為微機電系統(tǒng)(MEMS)，如數(shù)字微鏡裝置(畫D)。 DMD 通常包括可傾斜微鏡的陣列?？瑟毩⒖刂泼總€鏡子的傾斜，例如通過 電信號來控制。每個鏡子(或像素)的傾斜使得鏡子可作為快速且精 確的光開關(guān)。因此，DMD可作為空間光調(diào)制器，例如當(dāng)入射光照明時 數(shù)字地調(diào)節(jié)入射光以顯示圖像。DMD的一個實例是Digital Light了M 了MProcessor (DLP )， 可購自 Texas Instruments Company, Dallas,光調(diào)制器130的實例還包括光柵閥(GLV)(如美國專利No. 5,841,579中描述的光柵閥)或液晶顯示器(LCD)。液晶顯示器類 型的調(diào)制器130可以具有光傳輸性或反射性等，前者如高溫多晶硅 (HTPS)液晶顯示器，后者如硅基液晶(LCoS)顯示器。在典型液晶 顯示器中， 一層液晶薄膜填充在兩個基板之間，基板可由玻璃或塑料等材料制成?；宓囊粋?cè)或兩側(cè)通常有偏振薄片，以偏振進入或離開 液晶的光。面向液晶的基板一側(cè)通常涂敷有成圖案的導(dǎo)電電極，該導(dǎo) 電電極限定液晶晶格或像素的陣列。在穿過晶格的電極上施加電場， 通過改變晶格中液晶分子的定向來影響晶格的光傳輸或反射特性。由 于液晶顯示器能夠影響單個像素的光學(xué)特性，因此在入射光照明時， 液晶顯示器即顯示圖像。一般來講，光調(diào)制器130可以是任何可形成圖像的電子可尋址 裝置或可切換裝置。在一些應(yīng)用中，光調(diào)制器130可顯示能夠刷新、 變化等，或以其它方式根據(jù)具體應(yīng)用作為時間函數(shù)進行更新的靜態(tài)圖 像。光調(diào)制器的對比度通常定義為調(diào)制器有效區(qū)域內(nèi)"白"(或 "開")和"暗"(或"關(guān)"或"黑")狀態(tài)之間的亮度比率。測量對比度有多種方法，如順序?qū)Ρ确椒ê虯NSI (美國國家標準協(xié)會) 對比方法。在順序?qū)Ρ榷葴y量中，調(diào)制器(例如調(diào)制器130)的對比 度通常采用下述方法測得將有效區(qū)域140顯示為"白"("開" 狀態(tài))，測量有效區(qū)域(如該區(qū)域中心或中心附近)的亮度值，然后 將整個有效區(qū)域顯示為"黑"("關(guān)"或"日音"狀態(tài))，使用相似方 法測得亮度值。對比度即是兩個亮度測得值的比率。ANSI對比度測量方法是提供由"白"、"黑"像素相間形成的 16格(像素)棋盤顯示器進行測量。通過測量和累加八個"白"像 素中心處的亮度得到"白"狀態(tài)的亮度。相似地，通過測量和累加八 個"黑"像素中心處的亮度得到"黑"狀態(tài)的亮度。ANSI對比度即是這兩個亮度值的比率。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，通過調(diào)整發(fā)射光的二維強度分布可控 制有效區(qū)域140所顯示圖像的對比度。例如，再次參考圖2a和2b， 通過強度分布210和220來表征的強度分布可能使得在有效區(qū)域 140中顯示的圖像的對比度與通過強度分布211和221來表征的 相同圖像的對比度不同。本發(fā)明的一個優(yōu)點是對于給定的光調(diào)制器和/或光源，可通過調(diào) 整擴展光源115的二維強度分布改善或優(yōu)化顯示圖像的對比度和/或亮度。在前投影或背投影系統(tǒng)中，可有利地采用照明系統(tǒng)100來提高 對比度、分辨率和亮度。由投影系統(tǒng)形成的圖像可以是實像，也可以 是虛像，無論在哪一情況下，觀察者都能夠直接地看到圖像，或間接 地(如使用目鏡)看到。圖3示出了本發(fā)明一個實施例中照明系統(tǒng)300的示意性側(cè)視 圖。照明系統(tǒng)300包括光組件310和帶有有效區(qū)域340的像素化 光調(diào)制器330。光組件310包括獨立可操作光源的二維陣列315， 如光源315A、 315B和315C。每個光源可單獨或獨立地操作，這意 味著，例如，可單獨調(diào)整每個獨立可操作光源的輸出光強度，而不影 響其它的獨立可操作光源的輸出光強度。例如，光源315A的輸出 光強度可以與光源315B的輸出光強度不同，以此類推，也可以與 光源315C的輸出光強度不同。在一些應(yīng)用中或在一些情況下，一 個或多個獨立可操作光源的輸出光強度可以減少或最小化，例如關(guān)掉 或堵塞那些特定光源。在本發(fā)明的一個實施例中，光源315中的每個獨立可操作光源 基本上照明了整個有效區(qū)域340。例如，獨立可操作光源315C基 本上照明了整個有效區(qū)域340。而且，每個獨立可操作光源朝不同的 發(fā)射方向發(fā)射光。例如，光源315A朝不同的發(fā)射方向發(fā)射光，如 光射線318A和318B分別沿發(fā)射方向A和B發(fā)射；光源315B朝 不同的發(fā)射方向發(fā)射光，如光射線316A和316B分別沿著各自的 發(fā)射方向A和B發(fā)射；光源315C朝不同的發(fā)射方向發(fā)射光，如 光射線317A和317B分別沿著各自的發(fā)射方向A和B發(fā)射。此 外，每個發(fā)射方向都被導(dǎo)向有效區(qū)域340中的各個位置，這意味著， 光源315在給定方向上發(fā)出的全部光射線分別照明有效區(qū)域340上 的特定位置。例如，射線316A、 317A和318A沿著A方向發(fā)射， 會聚到有效區(qū)域340上的相同位置，如像素341A。又如，射線316B、 317B和318B沿著不同于A方向的B方向發(fā)射，會聚到有效區(qū)域 340上的相同位置，如像素341B。有效區(qū)域340中的每個像素由具有錐角的入射光錐照明，入射光錐包括二維光源陣列315中每個獨立可操作光源發(fā)射的至少一條光射線。例如，光錐320照明有效區(qū)域340中的像素341c。光錐 320具有錐角p。圖3示出了光錐320的兩條極限射線320a和 320b。光錐320包括多條光射線，這些光射線中包括二維光源陣列 315中每個獨立可操作光源發(fā)射的至少一條光射線。通過調(diào)整二維光源陣列315中的一個或多個獨立可操作光源的 輸出光強度可控制光錐320的錐角p。例如，通過調(diào)節(jié)光源315中 一個或多個獨立可操作光源的輸出光強度，光錐320可以變?yōu)殄F角 為y的光錐350， y小于P。一般來講，光調(diào)制器的對比度隨著照明該調(diào)制器的入射光錐錐 角的增大而降低。在使用液晶顯示器調(diào)制器的情況下，這種降低通常 是因為液晶材料的阻滯取決于入射光射線的入射角。這種依賴關(guān)系使 得可通過增加"暗"狀態(tài)像素的亮度來降低對比度。偏振薄片(或其 它部件，如偏振光分束器)存在成傾斜角度的漏光時，也可導(dǎo)致對比 度降低。在使用羅d調(diào)制器的情況下，對比度降低的原因據(jù)信至少部分 是因為光衍射影響。在所有光調(diào)制器中，例如發(fā)自有瑕疵的透鏡表面 的雜散光或散射光也會降低對比度。本發(fā)明的一個優(yōu)點是可使用下述方法增加由光調(diào)制器330顯示 的圖像的對比度調(diào)整二維光源陣列315中單個光源的輸出光強度， 以使得有效區(qū)域340中入射光錐的一個或多個錐角減小，由此可增 加圖像的對比度。此外，在本發(fā)明的一個實施例中，提高一個或多個不能顯著影 響入射光錐錐角大小的光源的輸出強度，可以進一步提高圖像的對比 度和/或亮度。這類光源可以是，例如，發(fā)出位于入射光錐內(nèi)部的入 射光線的光源。照明系統(tǒng)300還可包括圖3中沒有示出的其它元件。例如， 照明系統(tǒng)300可包括位于光調(diào)制器310和像素化光調(diào)制器330之 間的光學(xué)元件，用于將光從光組件傳輸?shù)秸{(diào)制器。具體地講，例如光 學(xué)元件可以設(shè)計為改變所有沿a方向發(fā)射到像素341a的光射線的方向，并且改變所有沿B方向發(fā)射到像素341B的光射線的方向。在前投影或背投影系統(tǒng)中，可有利地采用照明系統(tǒng)300來提高 對比度、分辨率和亮度。在本發(fā)明中，錐體通常指限定了一個夾角(稱之為錐角)的多 條光射線。圖4a中示出了本發(fā)明的一個普通光錐，錐體400包括 許多光射線如400A、 400B和400C，光射線限定了立體夾角，也就 是錐角al。錐體400在X-Y平面上有基面410，該基面由任意形 狀的閉合曲線411限定。基面通常指錐體在z軸方向的橫截面， 光錐與光調(diào)制器在這里相交。 一般來講，錐體400在z軸方向上 的其它橫截面可能與基面410形狀不同。例如，錐體400在X-Y平 面上的橫截面420與基面410形狀不同。基面410可以，例如， 照明有效區(qū)域340上的一個像素(見圖3)或有效區(qū)域140上的 一塊區(qū)域(見圖1)。圖4b-4e示出了其它光錐。例如，圖4b示出了錐體401的 頂點412，錐角a2，示例性的最外沿光射線401A、 401B和401C, 在X-Y平面的橫截面輪廓421， 421可以為圓形或橢圓形等任意形 狀。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明的錐體是與錐體401相似的錐體，但在 頂點412附近被截斷了。圖4c示出了錐體402，具有矩形基面413，立體夾角a3，示 例性的最外沿光射線402A、 402B和402C。橫截面422是錐體在z 軸上另一個位置的橫截面(在X-Y平面)?？梢钥闯?，橫截面422 為任意輪廓。圖4d示意性示出另一個示例錐體，錐體403具有矩 形基面414，錐角a4，沿z軸上的不同點切開的X-Y平面上的橫 截面423，具有圓形或橢圓輪廓?；?13或414可以，例如， 照明有效區(qū)域340上的一個像素(見圖3)。作為另一個例子，圖4e示出的錐體404是截棱錐或一種截錐 體，具有矩形基面415和夾角a5。錐體404沿z軸的其它點切 開呈矩形橫截面，如橫截面424?；?15可以，例如，照明有效 區(qū)域340中的一個像素(見圖3)。一般來講，錐體的基面或X-Y平面上的其它橫截面可以為具體應(yīng)用中所需的任何二維形狀。示例形狀包括圓形、橢圓形、多邊形， 如四邊形、菱形、平行四邊形、梯形、矩形、正方形，或三角形，或 在特定應(yīng)用中有利的其它任何形狀。例如，重新參考圖3，光錐320的基面可以設(shè)計為與像素341C形狀基本匹配的形狀，該像素由光錐照明。形狀匹配可以增加所顯示圖像的對比度和/或亮度。圖4a-4e示出的示例性錐體可以為實心，也可具有沒有光射線 的部分。圖5示出這樣的一個實例。錐體500包括多條光射線， 如射線500A、 500B、 500C和500D。多條光射線限定立體夾角，也 就是錐角a6。錐體500在X-Y平面還有一個具有開口區(qū)域511的 矩形基面510。橫截面520是錐體500過z軸上與基面510相對 應(yīng)的點以外的點在X-Y平面上的橫截面。橫截面520有開口區(qū)域 530。如圖5所示，錐體500具有不含光射線的單個開口區(qū)域540。 一般來講，錐體500可以具有多個開口區(qū)域。重新參考圖3，二維光源陣列315可以包括可在應(yīng)用中有利的、 任何類型的光源。實例包括弧光燈，如水銀弧光燈、白熾燈、熒光燈、 激光、發(fā)光二極管(LED)、有機發(fā)光二極管(0LED)、垂直腔面發(fā)射 激光器(VCSEL)或其它任何合適的發(fā)光裝置。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，二維光源陣列315中的每個光 源均為LED。光源315中的獨立可操作光源可排列為應(yīng)用中所需的任何陣列 形式。實例包括矩形、三角形、六邊形、圓形或其它任何適當(dāng)構(gòu)造的 陣列。圖6a-6c示出了三個具有不同獨立可操作光源陣列的示例光 組件的示意性正視圖。圖6a示出了光源組件610，其包括二維矩 形獨立可操作光源陣列615。光源616A為光源陣列中的示例性獨 立可操作光源。圖6b示出了光源組件620，其包括二維圓形獨立 可操作光源陣列625。光源626A為光源陣列中的示例性獨立可操 作光源。相似地，圖6c示出了光源組件630，其包括二維獨立可 操作光源陣列635。光源636A為光源陣列中的示例性獨立可操作 光源。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明，獨立可操作光源陣列可包括不同尺寸 的光源。例如，在光源陣列635中，光源636B的區(qū)域大于光源636C。在本發(fā)明的一個實施例中，可以包括不同類型的單個光源。例 如，陣列中的一些光源可以是LED, —些光源可以是弧光燈，還有一 些其它光源可以是0LED。此外，光源的發(fā)射光譜也可以不同。例如， 在獨立可操作LED陣列中，不同的LED可發(fā)射不同的色光，如白 光、綠光、紅光和藍光。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的投影顯示器700的示 意性三維視圖。投影顯示器700包括照明系統(tǒng)701和投影系統(tǒng) 702。照明系統(tǒng)701包括擴展光源710，第一光傳輸系統(tǒng)720和像 素化光調(diào)制器730。擴展光源710以光軸716為中心，包括獨立可操作光元件的二 維陣列715，如光元件715A和715B。每個光元件發(fā)射以輸出光強 度、錐角、及沿著某方向傳播的中心射線來表征的光錐。例如，光元 件715B發(fā)射的光錐703，其具有錐角(x7，示例性最外沿光射線705A 和705B，沿著方向704傳播的中心射線705C。第一光傳輸系統(tǒng)720在其輸入面721接收由光源710發(fā)射的 光，將接收到的光傳輸?shù)捷敵雒?22，并將透射光從輸出面?zhèn)魉偷较?素化光調(diào)制器730。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，由至少一個光元件發(fā)出的光通過第 一光傳輸系統(tǒng)720傳輸，從有限幾個方向(至少為兩個方向)照明 像素化光調(diào)制器730。例如，第一光傳輸系統(tǒng)720在其輸入面721 接收光錐703，將接收到的光傳輸?shù)捷敵雒?22，并將透射光沿著 717和719兩個方向傳送到像素化光調(diào)制器730。例如，來自錐體 703的射線716A和716B從輸出面722射出，沿著方向717朝調(diào) 制器730傳播。相似地，來自錐體703的射線718A和718B從輸 出面722射出，沿著方向719朝調(diào)制器730傳播。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，從圖8a和圖8b所描述的示意圖 上可看出，717方向和719方向關(guān)于光軸716旋轉(zhuǎn)對稱。圖8a示 出與光軸716成夾角a8的方向717、與光軸716成夾角ot9的 方向719， a8與a9相等。此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，方向704與方向717和方向719中的一個相同。例如，圖8a中的方 向704是沿著方向717。如圖8a所示，方向717和719無需與光軸716處于同一平 面。然而，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖8b的示意圖中方向717和 方向719與光軸716處于同一平面810。重新參考圖7，光傳輸系統(tǒng)720改變錐體703的方向，使得 所有錐體射線沿方向717和719離開光傳輸系統(tǒng)。 一些光元件發(fā) 出的錐體中的光射線基本上沿同一方向離開第一光傳輸系統(tǒng)720。例 如，布置在靠近光軸716的光元件會出現(xiàn)上述情況，如光元件715C。一般來講，光錐中的光射線，如元件715B發(fā)出的光錐703中 的光射線，可以沿著有限多個方向從第一光傳輸系統(tǒng)720的輸出面 722射出。圖9中示意性示出了一個例子。具體地講，圖9示出 了光元件715D，其發(fā)射錐角為a10、中心射線915A沿著方向904 傳播的光錐903。錐體903中的光射線沿著關(guān)于光軸716旋轉(zhuǎn)對 稱的Ul、 U2、 U3三個不同方向離開第一光傳輸系統(tǒng)720，也就是 說角col、 co2和co3相等，col是方向Ul與光軸716的夾角；co2 是方向U2與光軸716的夾角；co3是方向U3與光軸716的夾角。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，方向904與Ul、 U2和U3三個方向中 的其中一個相同。重新參考圖7，像素化光調(diào)制器730具有有效區(qū)域740，該區(qū) 域包括獨立可控制的像素陣列，如像素751和752。當(dāng)由第一光傳 輸系統(tǒng)720遞送的光照明有效區(qū)域740時可顯示圖像。 一般來講， 光調(diào)制器730可以是任何可形成圖像的電子可尋址裝置或可切換裝 置，如LCD或DMD。在本發(fā)明的一個實施例中，光調(diào)制器730的 每個像素隨著照明該像素的入射光錐錐角減小而提供更高的對比度。根據(jù)本發(fā)明，第一光傳輸系統(tǒng)720可包括一個或多個光學(xué)元件， 如透鏡、微透鏡陣列、光勻化器、濾光器、顏色組合器、反射鏡或其 它任何可在第一光傳輸系統(tǒng)720中使用的光學(xué)元件，這些組件用來 將光傳輸?shù)焦庹{(diào)制器730。圖10中示意性地示出的光傳輸系統(tǒng)1300可作為第一光傳輸系統(tǒng)720的例子。光傳輸系統(tǒng)1300位于獨立可操作光元件的二維 陣列715和具有有效區(qū)域740的像素化光調(diào)制器730之間。在不 喪失一般性的同時，為了便于說明，僅示出陣列715的三個光元件 715A、 715B和715C。光傳輸系統(tǒng)1300包括第一透鏡陣列1305、 第二透鏡陣列1315和場鏡1330。每個光元件具有來自第一透鏡陣 列1305的專用透鏡和來自第二透鏡陣列1315的專用透鏡。例如， 光元件715A具有專用透鏡1310和1320。光傳輸系統(tǒng)1300改變 來自每個光元件的光的方向，以使得從每個光元件出來的光從有限多 個方向上基本上照明整個有效區(qū)域740。例如，光元件715-A發(fā)射 光錐1360。透鏡1310、 1320和1330協(xié)同改變光錐1360中光射 線的方向，使其沿著方向1370 (如光射線1371和1372所示意的 方向)照明整個有效區(qū)域740。圖ll中示意性地示出的光傳輸系統(tǒng)1400可作為第一光傳輸系 統(tǒng)720的例子。光傳輸系統(tǒng)1400位于獨立可操作光元件的二維陣 列715和具有有效區(qū)域740的像素化光調(diào)制器730之間。在圖11 的實例中，每個光元件均包括專用的透鏡頂蓋，用于減小光元件發(fā)射 的光錐的錐角。例如，光元件715A包括透鏡頂蓋1430。光傳輸系 統(tǒng)1400包括透鏡陣列1405、聚光透鏡1410和可選的場鏡1420。 每個光元件均具有來自透鏡陣列1405的專用透鏡。例如，光元件 715A具有專用透鏡1406。光傳輸系統(tǒng)1400改變來自每個光元件 的光的方向，以使得從每個光元件出來的光從有限多個方向基本上照 明整個有效區(qū)域740。例如，光元件715A發(fā)射出光錐1460。透鏡 1406、 1410和1420協(xié)同改變光錐1460中光射線的方向，使其沿 著方向1470 (如光射線1471和1472示意方向)照明整個有效區(qū) 域740?？蛇x的場鏡1420可以使照明系統(tǒng)1490為遠心照明系統(tǒng)， 意味著照明系統(tǒng)1490的入口光瞳和出口光瞳中的一個或兩個可以 位于無限遠或接近無限遠。光傳輸系統(tǒng)1400進一步引導(dǎo)由陣列715發(fā)射的光射線，以使 得朝相同方向發(fā)射的光射線被引導(dǎo)到有效區(qū)域740上基本相同的位 置。例如，由不同光元件發(fā)射的光射線1431、 1432和1433沿著同一方向1480傳播。光傳輸系統(tǒng)1400改變這些光射線的方向， 以使得它們基本上會聚到有效區(qū)域740上的同一點1491。圖12中示意性地示出的光傳輸系統(tǒng)1600可作為第一光傳輸系 統(tǒng)720的例子。光傳輸系統(tǒng)1600位于獨立可操作光元件二維陣列 715和具有有效區(qū)域740的像素化光調(diào)制器730之間。在不喪失 一般性的同時，為了便于說明，僅示出陣列715的三個光元件715A、 715B和715C。光傳輸系統(tǒng)1600包括第一透鏡陣列1605、第二透 鏡陣列1615、光勻化器1650和包括透鏡1630和1640的中繼透 鏡系統(tǒng)1625。每個光元件具有來自第一透鏡陣列1605的專用透鏡 和來自第二透鏡陣列1615的專用透鏡。例如，光元件715A具有 專用透鏡1610和1620。光傳輸系統(tǒng)1600改變來自每個光元件的 光的方向，以使得從每個光元件出來的光從有限多個方向基本上照明 整個有效區(qū)域740。例如，光元件715A發(fā)射出光錐1660。光傳輸 系統(tǒng)1600改變光錐1660中光射線的方向，使其沿著方向1671和 1672 (這兩個方向關(guān)于光軸716旋轉(zhuǎn)對稱)照明整個有效區(qū)域740。勻化器1650用于將接收到的來自獨立可操作光元件的二維陣 列715的光均質(zhì)化。例如，勻化器1650將接收到的來自光元件 715A的光均質(zhì)化，均質(zhì)化是指從勻化器1650出來的光比進入勻化 器1650的光具有更均勻的空間強度分布。己為人們所知的光勻化 器實例可見于美國專利No. 5， 625， 738和6， 332， 688及美國專利 申請公布No, 2002/0114167、 2002/0114573和2002/0118946中。勻化器1650有輸入面1651、光導(dǎo)棒1653和輸出面1652。 輸入面1651可以與輸出面1652平行，也可以與輸出面1652不 平行。 一般來講，輸出面1652的形狀可以與有效區(qū)域740的形狀 不同。例如，輸出面1652可以是梯形，而有效區(qū)域740可以是正 方形。在一些應(yīng)用中，輸出面1652和有效區(qū)域740具有相同的形 狀，如矩形或正方形。輸入面1651、輸出面1652和光導(dǎo)棒1653的橫截面可以為任 何形狀，如矩形、梯形、正方形、橢圓形或在應(yīng)用中所期望的其它任 何形狀。輸入面1651、輸出面1652和光導(dǎo)棒1653的橫截面可以有不同形狀。例如，輸入面1651可以是圓形而輸出面1652可以 是正方形。沿著光導(dǎo)棒1653的不同位置切開可以有不同的光導(dǎo)棒 橫截面。例如，沿著光軸716，光導(dǎo)棒1653在其長度方向可以是 錐形。光導(dǎo)棒1653的橫截面?zhèn)冗吙梢允侵钡?，也可以是彎曲的?錐形光導(dǎo)棒實例在美國專利No. 6， 332， 688中有所描述。勻化器1650可以為任何三維形狀，例如六面體等多面體。勻 化器1650的部分或整體可以是實心的，也可以是中空的。勻化器 1650可以通過任何合適的光學(xué)方法，如反射、全內(nèi)反射、折射、散 射、衍射或以上的任意組合來將輸入光均質(zhì)化。圖13中示意性地示出的光傳輸系統(tǒng)1700可作為第一光傳輸系 統(tǒng)720的例子。光傳輸系統(tǒng)1700位于獨立可操作光元件的二維陣 列715和具有有效區(qū)域740的像素化光調(diào)制器730之間。在不喪 失一般性的同時，為便于描述，僅示出陣列715的三個光元件715A、 715B和715C。光傳輸系統(tǒng)1700包括多個光導(dǎo)元件1701、多個透 鏡頂蓋1702、透鏡陣列1704、聚光透鏡1710和場鏡1720。每個 光元件具有多個光導(dǎo)元件1701中的一個專用光導(dǎo)元件、多個透鏡 頂蓋1702中的一個專用透鏡頂蓋和透鏡陣列1704中的一個專用 透鏡。例如在圖13的實例中，光元件715A具有專用的光導(dǎo)元件 1701A、透鏡頂蓋1702A和透鏡1704A，透鏡頂蓋1702A安裝在光 導(dǎo)元件1701A的輸出面1760上。光傳輸系統(tǒng)1700改變來自每個 光元件的光的方向，以使得從每個光元件出來的光從有限多個方向基 本上照明整個有效區(qū)域740。例如，光傳輸系統(tǒng)1700改變光元件 715A發(fā)出的光射線的方向，使其沿著方向1731和1732 (這兩個 方向關(guān)于光軸716旋轉(zhuǎn)對稱)照明整個有效區(qū)域740。光傳輸系統(tǒng)1700還包括位于透鏡陣列1704上或附近的孔徑 光闌1705。在圖13所示的實施例中，多個光導(dǎo)元件1701的每個 光導(dǎo)元件輸出面在基本上整個有效區(qū)域740上成像。例如，輸出面 1760在基本上整個有效區(qū)域740上成像。重新參考圖7，投影系統(tǒng)702包括第二光傳輸系統(tǒng)750和投 影屏760。第二光傳輸系統(tǒng)750將光調(diào)制器730形成的圖像投射到投影屏760上。圖7示出具有光傳輸性的光調(diào)制器730。 一般 來講，光調(diào)制器730可以具有傳輸性，也可以具有反射性。圖14示 意性示出的投影顯示器與投影顯示器700類似，但引入了反射光調(diào) 制器。具體地講，圖14示出了具有反射特性的像素化光調(diào)制器 1030，該調(diào)制器接收沿總體方向Wl傳播的光，并選擇性地以總體 方向W2朝第二光傳輸系統(tǒng)750反射所接受到的光，以將光投射到 投影屏760上。重新參考圖7，投影顯示器700可以為背投系統(tǒng)，在這種情況 下，投影屏760即為背投屏幕。投影顯示器700可以為前投影系 統(tǒng)，在這種情況下，投影屏760為前投影屏幕。根據(jù)本發(fā)明，第二光傳輸系統(tǒng)750可包括一個或多個光學(xué)元件， 如透鏡、微透鏡陣列、偏振片、顏色組合器、反射鏡、菲涅耳透鏡或 可用于第二光傳輸系統(tǒng)750中的其它光學(xué)元件，以將光調(diào)制器730 (或1030)顯示的圖像投射到投影屏760上。圖15中示意性地示出的光傳輸系統(tǒng)1500可作為第二光傳輸系 統(tǒng)750的例子。光傳輸系統(tǒng)1500位于像素化光調(diào)制器730和投影 屏760之間，包括多個透鏡元件，具體地講為透鏡元件1510、 1520、 1530、 1540和1550。光傳輸系統(tǒng)1500將有效區(qū)域740顯示的圖 像放大并投射到投影屏760上。已為人們所知的投影系統(tǒng)的其它實 例在美國專利No. 6,417,971、 6,301,057和5， 969， 876中有所i寸 論。圖16示出了本發(fā)明另一個實施例中投影顯示器1100的示意 性側(cè)視圖；投影顯示器1100包括照明系統(tǒng)1101和投影系統(tǒng)1102。 照明系統(tǒng)1101主要用于照明形成圖像的調(diào)制器1160;投影系統(tǒng) 1102主要用于將調(diào)制器1160形成的圖像投射到投影屏1190上， 例如使觀察者1195看到。照明系統(tǒng)1101包括擴展光源1110、第一光傳輸系統(tǒng)1120、 孔徑光闌1130、第二光傳輸系統(tǒng)1150和像素化光調(diào)制器1160。 擴展光源1110包括多個分立光源1115，如分立光源1111?？蓡?獨控制每個分立光源，意味著，例如，可單獨控制每個分立光源的輸出強度而不影響其它的分立光源。在一些應(yīng)用中，控制多個分立光源 1115的不同子集作為分立組可能是有利的，詳見參考圖17a和17b所作的說明。圖17a示出了本發(fā)明的一個實施例中多個分立光源1215的示 意性正視圖，這些分立光源與圖16所示光源1115相似。多個分 立光源1215包括分立光源的第一圓環(huán)1220，如通過電子連接器 1222互相連接的分立光源1220A。第一圓環(huán)1220中的所有分立光 源可以作為一個群組通過電子器件1221供電。多個分立光源1215還 包括分立光源的第二圓環(huán)1230，如通過電子連接器1232互相連接 的分立光源1230A。第二圓環(huán)1230中的所有分立光源可以作為一 個群組通過電子器件1231供電。多個分立光源1215還包括分立光 源的第三圓環(huán)1240，如通過電子連接器1242互相連接的分立光源 1240A。第三圓環(huán)1240中的所有分立光源可以作為一個群組通過電 子器件1241供電。 一般來講，多個分立光源1215可具有更多或更 少的光源行。圖17a所示的示例性二維光源中，每一行的輸出強度 可單獨控制。 一般來講，光源1215可包括不同的段，每個段的輸 出光強度可單獨控制。圖17b示出了本發(fā)明的一個實施例中多個分立光源1250的示 意性正視圖。多個分立光源1250包括16段分立光段，標號從l到 16。每個光段可單獨地控制，例如通過專用的電子器件電路控制。例 如，電子器件1212控制光段12的輸出光強度，電子器件1209控 制光段9的輸出光強度。重新參考圖16，所示的多個分立光源1115是非平面的。 一般 來講，可將多個分立光源1115布置為有利于給定應(yīng)用的任何構(gòu)造。 例如，多個分立光源1115可以被布置為形成球形、橢球形、拋物 線形、雙曲線形、平面或其它任何合適的表面。又如，多個分立光源 1115可被布置為形成多面體的至少一部分，如四面體、六面體、八 面體、十二面體、二十面體或其它任何多面體化的表面。再如，多個 分立光源1115中的不同光源可以不同方式布置。例如，內(nèi)部的光 源可形成多面體的一部分，而外部的光源可形成球形表面的一部分。此外，球形表面也可以在位置上偏移多面體，以形成兩組分立光源。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，多個分立光源1115可包括不同尺 寸的光源。例如，參見圖17b，光源10的面積比光源16更大。 多個分立光源1115中的光源可以為不同類型。例如， 一些光源可 以是LED， 一些光源可以是弧光燈，其它一些光源可以是0LED。此 外，光源的發(fā)射光譜也可以不同。例如，在多個分立LED中，不同 的LED可發(fā)射不同的色光，如白光、綠光、紅光或藍光?？讖焦怅@1130有光傳輸性的開口區(qū)域1140。開口區(qū)域1140 可以為正方形、圓形、橢圓形、梯形或應(yīng)用中適合的其它任何形狀。 此外，開口 1140的尺寸可以控制，如手動控制或自動控制。第一光傳輸系統(tǒng)1120將多個分立光源1115映像到與孔徑光 闌1130基本重合或大致接近的平面上。形成的圖像是填充孔光闌 開口 1140至少一部分的第一光場1145。在本發(fā)明的一個實施例中， 第一光場1145基本上填充整個孔光闌開口 1140。光場1145和多 個分立光源1115形成共軛對，意思是說，例如光場1145位于多 個分立光源1115的像平面中。本發(fā)明的一個優(yōu)點是動態(tài)變跡，意思是說，通過單獨控制多個 分立光源1115中的分立光源可以動態(tài)控制孔徑光闌1130的有效 形狀和/或尺寸，這樣就可提高投影圖像的亮度和/或?qū)Ρ榷?。第一光傳輸系統(tǒng)1120可包括一個或多個光學(xué)元件，如透鏡、 微透鏡陣列、光勻化器、濾光器、顏色組合器、反射鏡、菲涅耳透鏡 或其它任何適用于第一光傳輸系統(tǒng)1120的光學(xué)元件，以用于將多 個分立光源1115映像到孔徑光闌開口 1140上。像素化光調(diào)制器1160具有像素化的有效區(qū)域1170，包括能夠 形成圖像的像素，如像素1171。第二光傳輸系統(tǒng)1150將第一光場 1145傳輸?shù)接行^(qū)域1170上，由此在有效區(qū)域1170或像素化光 調(diào)制器1160的平面中形成第二光場1165。根據(jù)本發(fā)明的一個實施 例，第一光場1145和第二光場1165形成傅立葉變換對，意思是 說， 一般來講，光場1145中的每個點從有限多個方向(優(yōu)選為一 個或兩個方向)基本上照明整個有效區(qū)域1171。此外，來自第一光場1145的沿相同方向傳播的所有光射線基本上會聚在有效區(qū)域 1170上的某個點處。第二光場1165可照明有效區(qū)域1170的一部分，這種情況有 時稱為未充滿。第二光場1165可照明延伸至有效區(qū)域1170以外 的區(qū)域，這種情況有時稱為過滿。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第二光 場1165的大小與有效區(qū)域1170的大小基本相同，意味著未充滿 或過滿情形最小化或根本沒有。第二光傳輸系統(tǒng)1150可包括一個或多個光學(xué)元件，如透鏡、 微透鏡陣列、光勻化器、濾光器、顏色組合器、反射鏡、菲涅耳透鏡 或其它任何適用于第二光傳輸系統(tǒng)1150的光學(xué)元件，以接收第一 光場1145并在調(diào)制器1160上形成第二光場1165，這兩個光場形 成傅立葉變換對。圖18示意性地示出了第一光傳輸系統(tǒng)1120和第二光傳輸系 統(tǒng)1150。圖18示出了本發(fā)明的一個實施例中照明系統(tǒng)1900的示 意性側(cè)視圖。照明系統(tǒng)1900包括多個分立光源1115。在不喪失一 般性的同時，為便于描述，多個分立光源1115包括三個光源1115A、 1115B和1115C。 一般來講，多個分立光源1115可包括按應(yīng)用要 求來排列的分立光源陣列。照明系統(tǒng)1900還包括具有有效區(qū)域 1170的像素化光調(diào)制器1160。照明系統(tǒng)1900還包括第一多個分 立透鏡1910、第二多個分立透鏡1920、孔徑光闌1930、聚光透鏡 1940和場鏡1980。每個分立光源具有第一多個分立透鏡1910中 的一個專用透鏡和第二多個分立透鏡1920中的一個專用透鏡。例 如，光源1115A有專用透鏡1910A和1920A。第二多個分立透鏡 1920被放置在孔徑光闌1930的開口 1931中。根據(jù)圖18中示出 的示例性實施例，孔徑光闌1930被放置在多個光源1115的共軛 平面中。例如，光源1115A被映像到孔徑光闌1930的開口 1931中。 來自多個光源1115的光在開口 1931中形成第一光場1990。根據(jù) 本發(fā)明的一個實施例，來自每個分立光源的光以相同方向基本上照明 了整個有效區(qū)域1170。例如，分立光源1115A發(fā)射的光沿著如光 射線1951、 1952和1953所例示的1950方向基本上照明整個有效區(qū)域1170。此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，以給定方向離開孔徑光闌1930開口 1931的光射線被導(dǎo)向有效區(qū)域1170的相同位置。 例如，光射線1961、 1962和1963沿著1960方向離開孔徑光闌 1930的開口 1931。隨后，這些射線會聚到有效區(qū)域1170上的相 同位置1970。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第一光場1990基本上照 明了整個有效區(qū)域1170，且在該有效區(qū)域形成第二光場1991，這 兩個光場形成傅立葉變換對。重新參考圖16，投影系統(tǒng)1102包括第三光傳輸系統(tǒng)1180和 投影屏1190。第三光傳輸系統(tǒng)1180將光調(diào)制器1160形成的圖像 投射到投影屏1190上。圖16示出具有光傳輸性的光調(diào)制器1160。 一般來講，如前所述，光調(diào)制器1160可以具有光傳輸性，也可以 具有反射性。投影顯示器1100可以為背投系統(tǒng)，在這種情況下，投影屏1190 是背投影屏幕。投影顯示器1100可以為前投影系統(tǒng)，在這種情況 下，投影屏1190是前投影屏幕。第三光傳輸系統(tǒng)1180可包括一個或多個光學(xué)元件，如透鏡、 微透鏡陣列、偏振片、顏色組合器、反射鏡、菲涅耳透鏡或適用于第 三光傳輸系統(tǒng)1180中的其它任何光學(xué)組件，以將光調(diào)制器1160顯 示的圖像投射到投影屏1190上。圖15示出了第三光傳輸系統(tǒng) 1180的例子。投影顯示器1100還包括處理器1103,用于測量和存儲對應(yīng)于 每個分立光源的對比度。可通過例如關(guān)閉所有其它分立光源，僅留下 一個光源，測量該處于"開"狀態(tài)的光源在有效區(qū)域1170中的對 比度?？墒褂迷摐y量方式測量每一個光源，生成電子存儲的査找表， 該表按對比度由最差/最小到最好/最高對分立光源進行排序。處理器1103也可測量在有效區(qū)域1170中所形成的可投影圖 像的平均亮度，該投影圖像可以，例如，由第三光傳輸系統(tǒng)1180等 投射到投影屏1190上。處理器1103可使用測得的平均亮度，通 過調(diào)整一個或多個分立光源的輸出光強度來增加可投影圖像的對比 度和/或亮度。例如，如果平均亮度低于指示相對較暗圖像(如晚景圖像)的閾值，則處理器1103可以減小一個或多個具有最低對應(yīng) 對比度的獨立光源的輸出強度或?qū)⑵渫耆P(guān)閉。受影響的分立光源可以位于多個分立光源1115的外側(cè)，也可以位于多個分立光源1115 的內(nèi)側(cè)，或是通常被放置于擴展光源1110中不同的位置。本發(fā)明的一個優(yōu)點是可單獨控制分立光源的輸出強度來提高可投影圖像的對比度和/或亮度，而與分立光源的位置無關(guān)。同時，處理器1103可 增加一個或多個具有相應(yīng)高對比度的分立光源的輸出強度。因此，可 以增加相對暗的可投影圖像的亮度和對比度。如果有效區(qū)域1170上可投影圖像的平均亮度高于閾值，這指 示明亮圖像(如室外日景圖像)，則處理器1103可保持所有分立 光源1115為啟用狀態(tài)，甚至可以增加一個或多個分立光源的輸出 強度。本發(fā)明的優(yōu)點是處理器1103可以測量任何給定的有效區(qū)域 1170和任何給定的多個光源1115中每個分立光源的對比度。例如 可以減小具有相應(yīng)低對比度的具體分立光源的輸出強度，而與分立光源在擴展光源1110中的位置無關(guān)。處理器1103可以是電子器件 105 (參見圖1)的一部分，在這種情況下，處理器1103的功能可 以通過電子器件105實現(xiàn)。圖19示出了本發(fā)明的一個實施例中投影系統(tǒng)1800的側(cè)視圖。 処影玄站 1。no ^1±壬楚——昭昍玄站 1，笛一昭曰日玄錄 isn9知笛三照明系統(tǒng)1803，盡管， 一般來講，投影系統(tǒng)1800可包括更多或 更少的照明系統(tǒng)。此外，雖然圖19中示出的三個照明系統(tǒng)大致沿 著x和y方向布置，但一般來講，每個照明系統(tǒng)可以根據(jù)給定應(yīng) 用中的需要取任何方向。圖19中的每個照明系統(tǒng)包括獨立可操作光元件的二維陣列、 第一透鏡陣列、第二透鏡陣列、場鏡和帶有可于其上顯示圖像的有效 區(qū)域的光調(diào)制器。例如，第一照明系統(tǒng)1801包括第一獨立可操作 光元件1810的二維陣列，圖19中示出了其中的三個光元件 1801A、 1801B和1801C。 一般來講，每個獨立可操作光元件 二維陣列包括多個光源，以最能滿足給定應(yīng)用需要的方式布置。照明系統(tǒng)1801還包括第一透鏡陣列1820和第二透鏡陣列1830。陣列1810 中的每個光元件包括第一透鏡陣列1820中的一個專用透鏡和第二 透鏡陣列1830中的一個專用透鏡。例如，光元件1801C包括專用 透鏡1820-C和1830-C。照明系統(tǒng)1801還包括場鏡1840和帶有 可于其上顯示圖像的有效區(qū)域1851的光調(diào)制器1850。光調(diào)制器 1850可以是LCD或能夠形成圖像的其它任何光調(diào)制器，其實例在本 說明書中已有所討論。根據(jù)本發(fā)明中的一個實施例，每個光元件發(fā)射出的光基本上照 明對應(yīng)光調(diào)制器的整個有效區(qū)域。例如，光元件1801A發(fā)射出的所 有光基本上照明了整個有效區(qū)域1851。此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實 施例，照明是沿著相同的方向。例如，光元件1801A發(fā)出的光沿著 方向1810A (如光射線1811和1812所示意的方向)照明有效區(qū) 域1851;光元件1801B發(fā)出的光沿著方向1810B照明有效區(qū)域 1851;光元件1801C發(fā)出的光沿著方向1810C照明有效區(qū)域1851。 此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖19中所示的1810A、 1810B和 1810C這三個方向互不相同。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所有由獨立可操作光元件的二維陣 列朝同一方向發(fā)射的光射線基本上會聚到對應(yīng)光調(diào)制器有效區(qū)域上 的相同位置。圖19中示出了三個示例性照明系統(tǒng)，其中的每個照明系統(tǒng)可 以用相同的顏色照明，也可以用不同的顏色。例如，照明系統(tǒng)1801可 使用發(fā)射藍光的光源或采用該顏色的濾光器(圖19中未明確示出) 來提供藍色照明，類似地，照明系統(tǒng)1802可提供紅色照明；照明 系統(tǒng)1803可提供綠色照明。投影系統(tǒng)1800還包括顏色組合器1860，用于組合和疊加三個 光調(diào)制器形成的圖像。圖19示出了具有光傳輸性的光調(diào)制器，如 具有光傳輸性的LCD。在一些應(yīng)用中，調(diào)制器可以具有反射性(參見 例如圖14和20 )，在這種情況下顏色組合器1860組合和疊加 光調(diào)制器形成的反射圖像。在顏色組合器I860中示意性地示出了不同光調(diào)制器形成的圖像的路徑。具體地講，射線路徑1861示出了照明系統(tǒng)1801形成 圖像的通用傳輸路徑；射線路徑1862示出了照明系統(tǒng)1802形成 圖像的通用傳輸路徑；射線路徑1863示出了照明系統(tǒng)1803形成 圖像的通用傳輸路徑。為了便于示意，示出的射線路徑彼此間有輕微 的偏移。 一般來講，照明系統(tǒng)形成的圖像基本上重疊和疊加以形成具 有高分辨率的彩色圖像。投影系統(tǒng)1800還包括投影透鏡系統(tǒng)1870和投影屏1880。投 影透鏡系統(tǒng)1870通常包括多個透鏡(例如，圖19中有5個)。 已為人們所知的投影透鏡系統(tǒng)實例在美國專利No. 6， 417， 971、 No. 6,301,057和No. 5,969,876中有所討論。投影系統(tǒng)1800可以是背投系統(tǒng)，在這種情況下，投影屏1880 優(yōu)選為背投屏幕。投影系統(tǒng)1800可以是前投影系統(tǒng)，在這種情況 下，投影屏1880優(yōu)選為前投影屏幕。圖20示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的投影系統(tǒng)2000的示 意性側(cè)視圖。投影系統(tǒng)2000包括第一照明系統(tǒng)2001、第二照明系 統(tǒng)2002和第三照明系統(tǒng)2003，而一般來講，投影系統(tǒng)2000可包 括更多或更少的照明系統(tǒng)。此外，雖然圖20中示出的三個照明系 統(tǒng)大致沿著x和y方向排布，但一般來講，每個照明系統(tǒng)可以根 據(jù)給定應(yīng)用中的需要取任何方向。圖20中的每個照明系統(tǒng)包括獨立可操作光元件的二維陣列、 第一透鏡陣列和第二透鏡陣列。例如，第一照明系統(tǒng)2001包括獨 立可操作光元件2010的二維陣列(圖20中示出了其中的三個光 元件2001A、 2001B和2001C)、第一透鏡陣列2020和第二透鏡 陣列2030。 一般來講，每個獨立可操作光元件的二維陣列中的光元 件以最能滿足給定應(yīng)用需要的方式布置。此外，照明系統(tǒng)中的每個光元件包括相應(yīng)第一透鏡陣列中的一 個專用透鏡和相應(yīng)第二透鏡陣列中的一個專用透鏡。例如，光元件 2001C包括第一透鏡陣列2020中的一個專用透鏡2020C和第二透 鏡陣列2030中的一個專用透鏡2030C。這三個照明系統(tǒng)共用相同 的場鏡2005和相同的反射光調(diào)制器2050，該反射光調(diào)制器2050上有可顯示圖像的有效區(qū)域2051。光調(diào)制器2050優(yōu)選為麗D，如 DLP。圖20中示出的示例性實施例中，照明系統(tǒng)共用光調(diào)制器2050。 在一些應(yīng)用中，每個照明系統(tǒng)可有專用的光調(diào)制器。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，每個光元件發(fā)射出的光基本上照明 了光調(diào)制器的整個有效區(qū)域。例如，光元件2001A發(fā)射出的所有光 基本上照明了整個有效區(qū)域2051。此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例， 給定光元件發(fā)出的光射線沿著相同方向照明有效區(qū)域2051，在同一 二維獨立可操作的光元件陣列中，不同的光元件照明的方向也不同。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所有由獨立可操作光元件的二維陣 列朝同一方向發(fā)射的光射線基本上會聚到光調(diào)制器2050上有效區(qū) 域2051的相同位置。圖20中示出了三個示例性照明系統(tǒng)，其中的每個照明系統(tǒng)可 以用相同的顏色照明，也可以用不同的顏色。例如，照明系統(tǒng)2001可 使用發(fā)射藍光的光源或采用該顏色的濾光器(圖20中未示出)來 提供藍色照明，照明系統(tǒng)2002可提供紅色照明，照明系統(tǒng)2003可 提供綠色照明。投影系統(tǒng)2000還包括三個照明系統(tǒng)共用的顏色組合器2060， 用于使不同光元件發(fā)出的光緊湊有效地改變方向，使其射向光調(diào)制器 2050。圖20中示意性示出了顏色組合器2060中的射線路徑。具 體地講，路徑2061示出了照明系統(tǒng)2001發(fā)出光射線的通用傳輸 路徑；路徑2062示出了照明系統(tǒng)2002發(fā)出光射線的通用傳輸路 徑；路徑2063示出了照明系統(tǒng)2003發(fā)出光射線的通用傳輸路徑。 為了便于示意，示出的射線路徑彼此間有輕微的偏移。 一般來講，來 自照明系統(tǒng)的光射線充分重疊，為有效區(qū)域2051提供有效照明。投影系統(tǒng)2000還包括全內(nèi)反射(TIR)棱鏡2070，用于壓縮 和有效改變光的方向。TIR棱鏡2070包括第一棱鏡2071、第二棱 鏡2072、輸入面2074、退出面2075和用于將棱鏡2071和棱鏡 2072分開的低折射率區(qū)域2073 (如空氣)。從輸入面2074進入第一棱鏡2071的光射線2081在第一棱鏡2071和低折射率區(qū)域2073之間交界面的點2085處被全內(nèi)反 射，然后作為光射線2082朝向光調(diào)制器2050傳播。光射線2082 入射到有效區(qū)域2051中的一個像素上。如果像素處于"啟用"狀 態(tài)，入射光線2082被反射為光線2083，從退出面2075離開TIR 棱鏡2070，然后朝向投射透鏡系統(tǒng)2090傳播。另一方面，如果像 素處于"關(guān)閉"狀態(tài)，入射光線2082被反射為光線2084，遠離投 射透鏡系統(tǒng)2090。光射線2084通常被圖20中未示出的光阱捕獲。投影系統(tǒng)2000還包括投影透鏡系統(tǒng)2090和投影屏2095。投 影透鏡系統(tǒng)2090通常包括多個透鏡(例如，圖20中有5個)。 已為人們所知的投影透鏡系統(tǒng)實例在美國專利No. 6， 417， 971、 No. 6,301,057和No. 5， 969， 876中有所討論。投影系統(tǒng)2000可以是背投系統(tǒng)，在這種情況下，投影屏2095 優(yōu)選為背投屏幕。投影系統(tǒng)2000可以是前投影系統(tǒng)，在這種情況 下，投影屏2095優(yōu)選為前投影屏幕。投影系統(tǒng)2000還包括處理器2024，其與圖16中的處理器 1103類似，用以確定、順序排列和存儲對應(yīng)于單個光元件的對比度。 處理器2024還可確定光調(diào)制器2050形成的可投影圖像的平均強 度，然后根據(jù)測得結(jié)果，處理器2024可減小具有低對比度的一個 或多個分立光元件的輸出強度，和/或增加具有高對比度的一個或多 個分立光元件的輸出強度，以增加整個可投影圖像的對比度和/或亮 度。以上引用的所有的專利、專利申請以及其它出版物均以如同全 文復(fù)制的方式引入本文以供參考。雖然為了有助于說明本發(fā)明的各個 方面，上文詳細描述了本發(fā)明的具體實例，但是應(yīng)當(dāng)理解，這并不旨 在將本發(fā)明限制于這些實例中所給出的具體內(nèi)容。相反，其目的在于涵蓋附帶的權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改 形式、實施例和替代實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于投影顯示器的照明系統(tǒng)，包括多個分立光源，每個分立光源的輸出光強度可獨立控制；孔徑光闌，其位于多個分立光源的共軛平面中，所述孔徑光闌具有開口，所述多個分立光源發(fā)出的光填充所述開口的至少一部分，并在所述孔徑光闌上形成了第一光場；以及像素化光調(diào)制器，其具有能夠顯示可投影圖像的有效區(qū)域，所述第一光場照亮該有效區(qū)域并在該區(qū)域形成第二光場，所述第一、第二光場形成傅立葉變換對，可通過有選擇地控制一個或多個所述分立光源的輸出強度來調(diào)整所述可投影圖像的對比度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中所述多個分立光源 形成分立光源圓形陣列。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中所述多個分立光源 中的至少一個是LED。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其還包括用于獨立操作 每個分立光源的電子電路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中所述孔徑光闌的開 口是圓形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中從所述多個分立光 源發(fā)出的光基本上填充孔徑光闌的整個開口。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中所述多個分立光源 的每一個均在孔徑光闌的開口中成像。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中所述像素化光調(diào)制 器包括液晶調(diào)制器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中所述像素化光調(diào)制 器包括數(shù)字微鏡裝置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中通過減少所述多個 分立光源中一個或多個最外沿分立光源的輸出強度來增加所述可投 影圖像的對比度。
11. 一種投影顯示器，其包括一個或多個根據(jù)權(quán)利要求1所述 的照明系統(tǒng)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的投影顯示器，其為前投影顯示器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的投影顯示器，其為背投顯示器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的投影顯示器，其中所述投影顯示 器形成的圖像為虛像。
15. —種用于投影顯示器的照明系統(tǒng)，包括獨立可操作光元件的二維陣列，其以光軸為中心；以及第一光傳輸系統(tǒng)，以光軸為中心，用于接收來自所述光元件的光并照明像素化光調(diào)制器的有效區(qū)域，所述有效區(qū)域能夠顯示可投影 圖像，其中來自至少一個光元件的光從有限多個方向照明所述有效區(qū)域，所述有限多個方向繞光軸旋轉(zhuǎn)對稱，并且其中每個光元件均能夠 照明所述有效區(qū)域中的每個像素，通過調(diào)整一個或多個光元件的輸出 強度可控制可投影圖像的對比度。
16. —種照明系統(tǒng)，包括獨立可操作光源的二維陣列，每個光源能夠基本上照明了像素 化光調(diào)制器的相同有效區(qū)域，每個光源朝不同的發(fā)射方向發(fā)射光，每 個發(fā)射方向被導(dǎo)向有效區(qū)域的各個位置，有效區(qū)域中的每個像素通過 獨立可操作光源的二維陣列所發(fā)出的入射光錐照明，光錐有錐角且包 括每個光源的至少一條光射線，通過調(diào)整一個或多個所述獨立可操作 光源的強度可控制至少一個這樣的光錐的錐角。
17. —種照明系統(tǒng)，包括擴展光源，其可發(fā)出具有可調(diào)二維強度分布的光；以及 光調(diào)制器，其具有能夠顯示圖像的有效區(qū)域，擴展光源中的點以相同方向照明整個有效區(qū)域，所述擴展光源中不同的點有不同的方 向，通過調(diào)整發(fā)射光的二維強度分布可控制所顯示圖像的對比度。
18. —種投影系統(tǒng)，包括多個分立光源，其能夠照明像素化光調(diào)制器的有效區(qū)域，從而 形成具有對比度的可投影圖像，每個分立光源基本上照明了整個有效 區(qū)域；以及處理器，其用于單獨控制每個分立光源的輸出光強度并確定對 應(yīng)于每個分立光源的對比度，所述處理器確定可投影圖像的平均亮 度，當(dāng)平均亮度小于閾值時，所述處理器通過減小具有相應(yīng)低對比度 的一個或多個分立光源的輸出光強度來增加可投影圖像的對比度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的投影系統(tǒng)，其中所述處理器還增 加具有相應(yīng)高對比度的一個或多個分立光源的輸出光強度，以進一步 增加可投影圖像的對比度。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的投影系統(tǒng)，其中被所述處理器減 少輸出強度的至少一個分立光源位于多個分立光源的內(nèi)側(cè)。
全文摘要
本文公開了照明系統(tǒng)和集成該照明系統(tǒng)的投影系統(tǒng)。所述照明系統(tǒng)包括獨立可操作光源的二維陣列。每個光源基本上照明了像素化光調(diào)制器的整個有效區(qū)域。每個光源朝向不同的發(fā)射方向發(fā)出光。每個發(fā)射方向被導(dǎo)向所述有效區(qū)域的各個位置。所述有效區(qū)域中的每個像素通過獨立可操作光源的二維陣列所發(fā)出的入射光錐來照明。所述光錐有錐角，并且包括每個光源發(fā)出的至少一條光線。通過調(diào)整一個或多個獨立可操作光源的輸出強度來控制至少一個這類光錐的錐角。
文檔編號H04N5/74GK101278558SQ200680036322
公開日2008年10月1日 申請日期2006年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月29日
發(fā)明者阿利·R·康納 申請人:3M創(chuàng)新有限公司