專利名稱：在投影系統中用來布置光發射裝置的設備的制作方法
技術領域：
本發明公開的實施例涉及投影系統領域，更具體地，是涉及在那些投影系統中光發射裝置照明裝置的使用。
背景技術：
用來進行例如銷售演示、商務會議、教室培訓、以及用于家庭影院中的多媒體投影系統已經變得流行。在典型的操作中，投影系統接收來自于視頻單元的視頻信號并將視頻信號轉換為用來控制一個或多個數字驅動光閥的數字信息。基于該數字信息，光閥可以操控入射光成為表示視頻圖像的含圖像光。當前焦點已經轉向在投影系統中采用如發光二極管(LED)的光發射裝置作為照明源來提供入射光。

發明內容
本實用新型的目的是提供一種在投影系統中用來布置光發射裝置的設備。本實用新型的設備對現有技術的照明裝置中的發光裝置的組裝和校準做了改進，克服了現有技術的裝置中不能充分冷卻、結構復雜、校準和連接困難的缺陷。本發明的實施例的設備包括從平板發射光的光發射裝置。此外，本發明的實施例還提供了光學合成器和反射裝置，用于把從多個裝置接收的彩色光組合。本實用新型的設備與現有技術的裝置相比具有很多優點，例如外形小巧，減小了氣流通路的阻力，便于冷卻，易于連接和校準光發射裝置。
本發明提供了一種布置光發射裝置的設備，包括沿著第一光路從平板發射在第一波長范圍內的光的第一光發射裝置；沿著第二光路從所述平板發射在第二波長范圍內的光的第二光發射裝置；沿著第三光路從所述平板發射在第三波長范圍內的光的第三光發射裝置；第一、第二和第三光學積分器，其中每一個都具有接收來自于各自的第一、第二和第三光發射裝置的光的輸入孔徑；和沿著各自的第一、第二和第三光路傳輸充分積分的光的輸出孔徑；其中第一、第二和第三光學積分器的每一個都包括由復眼(flyseye)透鏡積分器和積分通道所組成的組中的一個；接收沿著各自的第一和第二光路的光并將所述光反射向光學合成器的第一和第二反射裝置；接收來自于第一端的第一反射裝置、第二端的第二反射裝置和第三端的第三發光二極管的光并從第四端沿著第四光路傳輸光的所述光學合成器；以及具有寬高比的光閥，該光閥光學耦合至所述光學合成器來接收來自于所述光學合成器的光，并將所述光調制成含圖像光。
本發明還提供了一種投影系統，包括照明裝置，包括沿著第一光路發射在第一波長范圍內的光的位于平板內的第一光發射裝置；沿著第二光路發射在第二波長范圍內的光的位于所述平板內的第二光發射裝置；沿著第三光路發射在第三波長范圍內的光的位于所述平板內的第三光發射裝置；接收沿著各自的第一和第二光路的光并將所述光導向至光學合成器的第一和第二反射裝置；和接收來自于第一反射裝置、第二反射裝置和第三發光裝置的光并沿著第四光路傳輸光的光學合成器；適于接收來自于數據源的彩色圖像數據并基于所述彩色圖像數據把控制信號發送至成像裝置的控制器；以及接收所述控制信號、接收來自于所述光學合成器的光并至少部分基于所述控制信號來調制所述光的成像裝置。


在附圖的各圖中以實例形式而不是限制形式對本發明的實施例進行了闡述，其中相似的參考標識代表相似的元件，并且圖1是依照本發明的實施例采用照明裝置的投影系統方框圖。
圖2描述了依照本發明的實施例的包括將基本平行的光路合成為一個光路的光學合成器部件的照明裝置。
圖3描述了依照本發明的實施例的放置于單一基板上的多個光發射裝置。
圖4描述了依照本發明的實施例的包括錐形積分通道的照明裝置。
圖5描述了依照本發明的實施例的包括復眼(flyseye)透鏡積分器的照明裝置。
圖6描述了依照本發明的實施例的包括具有兩個反射裝置和兩個分光鏡的光學合成器部件的照明裝置。
具體實施方式
在以下的詳細描述中，參考構成其中一部分的附圖，其中全文相似的數字表示相似的部分，并且，以說明形式示出了可在其中實現本發明的具體實施例。可以理解在不脫離本發明實施例的范圍內其它的實施例可以被采用，并且可以進行結構或者邏輯上的改變。如上、下、后和前這樣的方向，可以在附圖的討論中使用。這些方向的使用有助于討論，并且不打算用來限制本發明的實施例的應用。因此，以下的詳細描述不能被認為在一限定范圍內，并且本發明的實施例的范圍通過所附權利要求和它們的等價物來限定。
附圖1示出了采用本發明的照明裝置32的投影系統30的普通的“單通路”實施例。可以被耦合到電源34的照明裝置32，可以包括多個定位于它們中每個從平板96發射光的彩色光發射裝置84。光發射裝置84的這種沿面取向可以有利于照明裝置32內的光發射裝置84的安裝和對齊。將光發射裝置84排列成為平面光源也可以幫助減少照明裝置32的外形尺寸。光發射裝置84可以包括，但并不局限于，發光二極管(LED)、有機LED(OLED)，和激光二極管(例如，邊緣發射激光器或垂直空腔表面發射激光器(VCSEL))。
每一個光發射裝置84可以在表示多種顏色的不同的波長范圍內沿著分離的并且基本平行的光路發射光。可以將光路通過光學合成器部件33來合成為單一光路，將所有不同顏色的光轉向具有相似照明區域和角度的下游元件，這將有助于投影系統的廣度(étendue)或者光通量的保存。
從照明裝置32發射出的光可以沿著光路36傳播，照射在例如光閥44這樣的成像裝置上，并且被例如光閥44這樣的成像裝置調制，并通過一個或多個投影透鏡46進行傳輸。另一個替代實施例可以使用多個光閥并把它們放置于光合成器部件33之前的光發射裝置84的光路中。另外，各種光學部件可以被放置在光路中來調整以適應實施例中的特定的設計參數。
光閥44可以包括，但不局限于，數字微鏡裝置(DMD)、反射液晶半導體基(LCOS)陣列裝置和液晶裝置(LCD)。投影透鏡46可以包括，但不局限于，固定焦距透鏡、可變焦距透鏡和變焦透鏡。
在一實施例中，光學部件可以通過光學框架一起來安裝在投影儀外殼內。外殼可以是機械剛性的并且被設計成有助于散熱。框架和外殼可以適于安裝冷卻風扇50用于通過產生氣流52來冷卻光學部件。光發射裝置84的沿面取向也可以通過將其安置于具有較少遮擋物的主氣流通路上來幫助耗散多余的熱量。電源34可以用來給冷卻風扇50和控制器56提供電力。
可以包括微處理器的控制器56，可以從數據源58接收表示彩色圖像的彩色圖像數據，并將圖像數據處理成包括組成顏色數據(例如，紅色、綠色和藍色數據)的控制信號。然后可以與發送往電源34的信號適當同步將控制信號發送給光閥44，發送往電源34的信號控制發射相應的組成彩色光的光發射裝置84的發射時間范圍。
數據源58的例子包括，但不局限于，個人或膝上電腦、數字通用盤(DVD)、機頂盒(STB)、集成電視調諧器和攝像機。投影系統30可以在多種不同的應用中實現，該應用包括但不局限于，游戲、電影、電視、廣告和數據顯示。
在光閥44是DMD的實施例中，DMD可以包括數字偏轉鏡面的高密度陣列。控制器56可以發送控制信號來有選擇的控制每個鏡面，使得沿光路36傳播的光可以作為含圖像光47被陣列中給定的鏡面反射至投影透鏡46，或者反射至相鄰的光吸收表面。含圖像光47可以通過投影透鏡46傳播以用來在屏幕上顯示。
在一實施例中，DMD可以是由鋁制微機械鏡片的矩形陣列所組成的空間光調制器，其中每一個鏡片都可以相對于旋轉的對角線軸獨立偏轉例如+/-10度的或者更多的角度。通過改變下面的地址電路的存儲器內容和鏡面復原信號來獨立地控制鏡面的偏轉角度(正的或負的)。
在光閥44是例如可透射的液晶顯示器(LCD)的實施例中，光路36能夠在沒有任何彎曲的情況下，通過其傳播并直接穿過投影透鏡46。在該實施例中，來自于照明裝置32的光可以先被偏振器偏振。然后經偏振后的光被LCD中的液晶像素的信息模式調制。“ON”像素可以以選擇的通過取向來傳輸偏振光，這樣該偏振光可以作為含圖像光沿著光路47穿過背部偏振器(或者分析器)。“OFF”像素可以傳輸光，這樣光被分析器阻擋。然后含圖像光被引向通過投影透鏡46來用于觀看。多種LCD面板是商業可用的并且一些采用了能在本發明中采用的不同的偏振方案。
在光閥44是例如LCOS顯示器的實施例中，在鏡面基板層頂部上的液晶層可以調制光，這樣類似于LCD顯示器，光從鏡面層反射或者被偏振濾波器阻擋。本發明的具體的實施例可以包括光學結構的普通的修改來進行調整適應特殊類型的光閥44。
附圖2是適合用于附圖1中描述的投影系統30的照明裝置80的簡化的圖示。在一實施例中照明裝置80可以包括三個被安置成光從基本上相同的平板96發射的光發射裝置84R、84G和84B。光發射裝置84可以沿著三個不同的光路100R、100G和100B(可以是相互基本平行的)向用于將光路100合成為單一光路36的光學合成器部件112投射光。在一實施例中，光學積分器可以被放置于光發射裝置84和光學合成器部件112之間的各自的光路100中，用來使光均勻和成形。
在一實施例中光學積分器可以是細長的積分通道116R、116G和116B。積分通道116可以由基于全內部反射來通過它們傳輸光并在它們的輸出端產生基本上一致的照明區域的固體玻璃棒組成。積分通道116可以包括弄成方形的平面，也能包括可以保護內部反射的覆層或反射鏡面側壁。另一個替代實施例可以包括帶有反射側壁且中空的積分通道116，其以光學上極其類似于固體玻璃積分器的方式工作。
每一個光發射裝置84可以發射對應于組成顏色的波長。組成顏色可以看作單色，當以合適的數量合成時，其產生圖像像素的目標顏色。在一個實施例中，每個光發射裝置84可以不定效率發射三個基本波長藍、綠和紅中的一個。每個光發射裝置84可以是單獨的具有所需的組成顏色的光發射裝置，或者是平均發射波長對應為所需的組成顏色的光發射裝置陣列。
盡管上面的實施例描述了光發射裝置84發射對應于三種基本色的光，然而其它顏色也可以額外地或選擇地應用于其它的實施例中。
在一實施例中光學合成器部件112可以包括第一反射裝置128、第二反射裝置132和光學合成器136。第一和第二反射裝置128和132可以包括適合于反射沿輸入光路向光學合成器136傳播的光的任何類型的裝置。可以用于實施例中的反射裝置的例子有，但不局限于，平面鏡、曲面鏡和棱鏡。棱鏡可以包括，例如全內部反射(TIR)棱鏡和帶有至少應用于一個表面的反射覆蓋層的棱鏡。在一個使用包括TIR棱鏡的反射裝置128和132的實施例中，在TIR棱鏡的接收面和積分通道84R和84B之間、和在TIR棱鏡的發射面和光學合成器136之間各有空氣間隙。
在一個實施例中，光學合成器136可以包括第一和第二分色鏡1361和1362，排列如圖所示。一個實施例具有嵌于一透明光學元件內的兩個分色鏡136。第一分色鏡1361可以反射同光發射裝置84R相關聯的可見波長，例如大于600nm的波長(紅光)，并允許其它波長通過。因此，來自光發射裝置84R并被第一反射裝置128反射出的紅光也可以被第一分色鏡1361反射并沿光路36傳出。來自綠色光發射裝置84G和藍色光發射裝置84B的光可以被允許穿過第一分色鏡1361。
第二分色鏡1362可以反射同光發射裝置84B相關聯的可見波長，例如小于505nm的波長(藍光)，并允許其它波長通過。因此，來自光發射裝置84B并被第二反射裝置132反射出的藍光也可以被第二分色鏡1362反射并沿光路36傳出。來自綠色光發射裝置84G和紅色光發射裝置84R的光可以被允許穿過第二分色鏡1362。
在這個實施例中分色鏡136可以包括允許特定頻率段通過的而反射其它頻率的邊緣濾波器。然而，采用不同設置的可替代的實施例可以使用陷波濾波器來反射特定頻率段。
合成所有的光路100成為單一光路36至少可以有助于投影系統廣度(étendue)的保存。投影系統的每個光學部件可以有各自的廣度(étendue)，它指部件可以處理的聚光錐的大小。部件的廣度(étendue)與它垂直于光傳播方向的面積、它的實體光錐的可接受角度和部件的折射率密切相關。通過沿著同樣的路徑將組成顏色的光轉向光合成器部件的光學部件下游，那些光學部件的廣度(étendue)可以通過利用可接受角度的有效數量來被保存。
光發射裝置84可以設置成這樣光從基本上同樣的平板96發射。這可以有利于光發射裝置84同其它光學部件取向、校準和對齊。光發射裝置可以通過具有適用于分別接收和容納多個光發射裝置的光學框架或外殼來放置于基本上同樣的平板內，或者可選擇地，多個光發射裝置可以在配置投影系統之前被放置于單一基板上。另外，采用平面光源可以減少照明裝置的包裝尺寸，也使得空氣路徑少受限制而有助于裝置的冷卻。
附圖3是依照本發明的實施例的放置于單一基板140之上的三個光發射裝置84的圖示。在這個實施例中，光發射裝置可以包括紅光發射裝置84R、綠光發射裝置84G和藍光發射裝置84B。在一個實施例中，每一個光發射裝置可以被獨立的包裝并安裝到同一板上。替代實施例可以包括集成在單一基板上的多個彩色光發射裝置。例如，一個實施例可以使用包括共用玻璃基板、共用透明傳導層(例如銦錫氧化物(ITO))、有機層(每種顏色都不同)和成型頂部金屬接點的有機LED(OLED)。另一個替代實施例可以包括發射除所需的波長外全部被過濾的白光的光發射裝置，這樣只有在所需波長范圍內的光被發射。在一個電子板上采用多個光發射裝置可以減少同不在平板內的支持板和連接器相關的數目和費用。
附圖4是依照本發明的實施例的包括錐形光學積分器的照明裝置81的簡化圖示。在這個實施例中光發射裝置84、光路100和光學合成器部件112可以同附圖2中的實施例相似。然而該實施例中的光學積分器可以包括帶有具有不同橫截面大小和形狀以有利于所需光的聚集或展示的輸入142和輸出146孔徑的積分通道144。例如，在一個實施例中，積分通道144的輸出孔徑146可以被成形和/或轉動角度以使均勻分布的光在斜置的下游成像裝置上最佳地成像。一種這樣的光學積分器可以包括矩形輸入端和不對稱的光積分通道，該不對稱的光積分通道在空間中將光積分為從通道的非矩形輸出孔徑出來的空間均勻模式。從非矩形輸出孔徑出來的均勻照明能被中繼鏡再次成像到與通道縱向軸傾斜放置的反射光閥上。從非矩形輸出孔徑出來的圖像能夠被有意的變形來補償任何梯形失真、照明溢出區域和照明減弱區域，因此在可能地減少光損失的同時增加通過光閥的亮度和亮度均勻性。在本發明的范圍內的不同的實施例可以包括用于光學積分器的輸入和輸出孔徑的多種尺寸和形狀的組合。
積分通道144可以具有同多種顯示標準之一兼容的寬高比。這種顯示標準的例子包括，但不局限于，16∶9高清晰度電視(HDTV)格式、4∶3擴展圖形陣列(XGA)格式和16∶10寬屏XGA(WXGA)格式。具有不同橫截面的多個光學積分器和相關聯的聚集和投影光學裝置可以被配置來提供所需的獨特的投影顯示格式。另外，其它類型的光學積分器也可以在本發明的不同的實施例中使用。
附圖5是依照本發明的實施例的包括復眼(flyseye)透鏡積分器150的照明裝置83的簡化圖示。每一個復眼(flyseye)透鏡積分器150可以具有第一149和第二151小透鏡(lenslet)陣列。第一小透鏡(lenslet)陣列149可以包括，例如，3×5陣列的第一小透鏡(lenslet)，其中每一個都具有同下游光閥一樣的寬高比。在采用DMD作為光閥的實施例中，第一小透鏡(lenslet)的形狀可以輕微地改變為平行四邊形來補償傾斜的照明角度。第二小透鏡(lenslet)陣列151的小透鏡(lenslet)可以呈放射狀的對稱(球面的或非球面的)并具有曲率中心，以用來被有選擇地偏置以從第一小透鏡(lenslet)陣列149相應的小透鏡(lenslet)接受光線。
附圖6是依照本發明的實施例的包括具有兩個反射裝置和兩個分色鏡的光學合成器部件152的照明裝置82的簡化圖示。該實施例同附圖4相似，然而，光學合成器154由兩個互不交叉的分色鏡1541和1542組成。在該實施例中，分色鏡154沒有被嵌入在同一透明光學元件中，然而在其它的實施例中有可能會。來自于藍光發射裝置84B的光可以在反射裝置132反射移開、在分色鏡1541反射移開、穿過第二分色鏡1542并沿著光路36傳播出來。來自于紅光發射裝置的光可以在反射裝置128反射移開、然后再在第二分色鏡1542反射移開并沿著光路36射出。鏡面和光發射裝置的放置方式可以進行調整以用來容納特殊實施例的細節。
現今的分色鏡設計可能導致一些希望被反射的光能被透過，以及一些希望被透過的光線被反射。因此，希望穿過兩個分色鏡1541和1542或者在一個分色鏡上反射并穿過另一個的一小部分光可能非有意的被引向沿著不正確的路徑(例如，非成像光路)。一個實施例可能通過放置例如綠光發射裝置84G的較低效率的光發射裝置于具有最少的因無意的光的改變方向帶來的損失的路徑上來說明該非有意的引向。該路徑的確定可以取決于特定實施例中的分色鏡的類型和取向以及從光發射裝置84發射的光的波長。
盡管為了描述優選實施例在這里解釋和描述了特定的實施例，但是在不脫離本發明的范圍內，本領域的普通技術人員將理解，大量的設計用來實現同樣目的的替代的和/或等同的實施方式可以替代所示和描述的特定實施例。本領域的技術人員將容易理解本發明可以在非常多的實施例中實現。本申請意圖覆蓋在這里所討論的實施例的所有的改進和變形。因此，顯然希望本發明僅僅被權利要求和其等價物所限制。
權利要求1.一種布置光發射裝置的設備，包括沿著第一光路從平板發射在第一波長范圍內的光的第一光發射裝置；沿著第二光路從所述平板發射在第二波長范圍內的光的第二光發射裝置；沿著第三光路從所述平板發射在第三波長范圍內的光的第三光發射裝置；第一、第二和第三光學積分器，其中每一個都具有接收來自于各自的第一、第二和第三光發射裝置的光的輸入孔徑；和沿著各自的第一、第二和第三光路傳輸充分積分的光的輸出孔徑；其中第一、第二和第三光學積分器的每一個都包括由復眼(flyseye)透鏡積分器和積分通道所組成的組中的一個；接收沿著各自的第一和第二光路的光并將所述光反射向光學合成器的第一和第二反射裝置；接收來自于第一端的第一反射裝置、第二端的第二反射裝置和第三端的第三發光二極管的光并從第四端沿著第四光路傳輸光的所述光學合成器；以及具有寬高比的光閥，該光閥光學耦合至所述光學合成器來接收來自于所述光學合成器的光，并將所述光調制成含圖像光。
2.如權利要求1所述的設備，其中第三光路基本上同第四光路成一條線。
3.如權利要求1所述的設備，其中所述光學合成器包括沿著第四光路傳輸至少一部分在第三波長范圍內的光的在第三光路上的第一和第二分光鏡；第一分光鏡接收來自于第一反射裝置的在第一波長范圍內的光并沿著第四光路反射至少一部分所述光；第二分光鏡接收來自于第二反射裝置的在第二波長范圍內的光并沿著第四光路反射至少一部分所述光。
4.如權利要求3所述的設備，其中第一和第二分光鏡彼此交叉并且嵌于透明光學元件內。
5如權利要求1所述的設備，其中第一和第二反射裝置中的每一個都包含由棱鏡和平面鏡所組成的組中的一個。
6.如權利要求1所述的設備，其中第一和第二反射裝置中至少一個包括全內部反射棱鏡，所述棱鏡具有接收來自于各自輸出孔徑的光的第一表面，在第一表面和所述輸出孔徑之間具有空氣間隙；和傳輸光至所述光學合成器的的第二表面，在第二表面和所述光學合成器之間具有空氣間隙。
7.如權利要求1所述的設備，其中第一、第二和第三光學積分器的每一個輸出孔徑都具有同所述光閥寬高比相應的寬高比。
8.如權利要求7所述的設備，其中所述光學積分器的輸入孔徑具有尺寸和形狀；所述光學積分器的輸出孔徑具有尺寸和形狀；并且所述輸入孔徑和所述輸出孔徑之間在尺寸和形狀中至少有一個不同。
9.如權利要求1所述的設備，其中第一、第二和第三光發射裝置的每個都在各自的第一、第二和第三發射時間范圍內產生光。
10.如權利要求1所述的設備，其中所述光發射裝置包括發光二極管。
11.一種投影系統，包括照明裝置，包括沿著第一光路發射在第一波長范圍內的光的位于平板內的第一光發射裝置；沿著第二光路發射在第二波長范圍內的光的位于所述平板內的第二光發射裝置；沿著第三光路發射在第三波長范圍內的光的位于所述平板內的第三光發射裝置；接收沿著各自的第一和第二光路的光并將所述光導向至光學合成器的第一和第二反射裝置；和接收來自于第一反射裝置、第二反射裝置和第三發光裝置的光并沿著第四光路傳輸光的光學合成器；適于接收來自于數據源的彩色圖像數據并基于所述彩色圖像數據把控制信號發送至成像裝置的控制器；以及接收所述控制信號、接收來自于所述光學合成器的光并至少部分基于所述控制信號來調制所述光的成像裝置。
12.如權利要求11所述的系統，其中所述光學合成器包括沿著第四光路傳輸至少一部分在第三波長范圍內的光的在第三光路上的第一和第二分光鏡；所述第一分光鏡，接收來自于第一反射裝置的第一波長的光并沿著第四光路反射至少一部分第一波長的光；所述第二分光鏡，接收來自于第二反射裝置的第二波長的光并沿著第四光路反射至少一部分第二波長的光。
13.如權利要求11所述的系統，其中第一、第二和第三光發射裝置中的每個發射由紅、綠和藍光所組成的組中的一個。
14.如權利要求11所述的系統，其中所述照明裝置進一步包括分別位于第一、第二和第三光路中的第一、第二和第三光學積分器。
15.如權利要求14所述的系統，其中第一、第二和第三光學積分器的每個都包括一個同所述成像裝置的寬高比相應的輸出寬高比。
16.如權利要求11所述的系統，其中所述成像裝置包括從數字微鏡裝置、液晶硅基裝置和液晶顯示器組成的組中選擇的一個裝置。
17.如權利要求11所述的系統，其中所述數據源包括從個人電腦、數字通用盤、機頂盒和攝像機組成的組中選擇的一個源。
18.如權利要求11所述的系統，其中所述光發射裝置包括發光二極管。
專利摘要本實用新型的實施例包括一種在投影系統中用來布置光發射裝置的設備。本實用新型的實施例的設備包括從平板發射光的光發射裝置，對現有技術的照明裝置中的發光裝置的組裝和校準做了改進。此外，本實用新型的實施例還提供了光學合成器和反射裝置，用于把從多個裝置接收的彩色光組合。
文檔編號G02B27/18GK2881719SQ20052001188
公開日2007年3月21日 申請日期2005年4月23日 優先權日2004年4月23日
發明者M.D.彼得森, T.S.恩格爾 申請人:因佛卡斯公司