CN100430761C - 用于显示系统的超紧凑型照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种照明系统(300)，包括具有入射面、出射面和其中可以设置光源(301)的孔径的光导(302)，并且涉及一种包括这种照明系统(300)的显示系统。本发明的思想在于，各种元件(306，307)被设置在所述光导(302)中，以增加入射到该光导(302)中的光束关于该系统(300)的光轴(304)的角度，并且在该光导(302)的出射面上产生均匀照明。由于该申请的照明系统(300)减小了给定光导(302)的长度，使得该照明系统(300)更小、更轻并且结构更紧凑，同时具有均匀照明和高的光效率，所以本发明是有利的。

Description

用于显示系统的超紧凑型照明系统
技术领域
本发明涉及一种包括光导的照明系统，所述光导具有入射面、出射面和在其中可以安装光源的孔径。
背景技术
包括LED(发光二极管)的光源设置为产生越来越高的光输出。可以设想，LED光源将被用在投影系统中，其范围从低功率移动应用(像蜂窝式电话中的可视器(Beamer))直到要求几百至上千流明的应用。LED光源的缺点是，光产生在具有非常高的折射系数的半导体材料中，这导致来自LED的光在所有方向上发射。
近年来，关于在包括杆式光导的光学系统中的光再循环方法的发展日益增强。未来的光导系统可能会导致结构非常紧凑的照明系统，并且因此可以适用于超紧凑型投影系统。杆式光导的物理长度和重量由光导中的光束的最大角度分布来确定。杆式光导的长度需要足够长，以便在光导中的光束将会相对于光导的内表面被反射足够数量的次数，以便在光导出射面处获得均匀照明。进入杆式光导、并且关于光导的光轴具有小角度的光束在其最终能够照射光导的端面之前，需要传播较长的一段距离，也就是说，光导必须足够长，以便能够均匀照明。
US专利6,547,400公开了一种包括光导块和点光源阵列的光源设备，其中所述光导块具有能够反射光的内壁，并且被成形为中空的组件以形成光导，并且所述点光源阵列位于光导块的相对的一个端面，并且能够将光发射到光导中。在该专利中，说明了从包括多个LED的光源阵列的中心附近的区域所发出的光直接通过光导的出射面，而没有被光导的反射内表面反射。
US专利6,547,400的问题是，光导必须足够长，以在光导的出射面处能够实现均匀照明。由于这个事实，光导体积大，这实际上与向更小、更轻并且结构更加紧凑的投影机的趋向相矛盾。
发明目的
本发明的目的是解决上述给出的问题，并且提供一种小、轻并且紧凑的照明系统，该系统提供均匀的照明和高光学效率。
该目标通过按照权利要求1所述的一种照明系统来实现，其包括具有入射面、出射面和其中设置有光源的孔径的光导。优选的实施例由从属权利要求确定。
根据本发明的一个方面，光反射结构被设置在光导入射面的附近，该光反射结构设置有其中可以安装所述光源的孔径。另外，第一光折射结构被设置在光导出射面的附近。在该第一光折射结构中，关于该系统的光轴的第一间隔角的至少一子集的光束被折射，以照射光导出射面，并且关于所述光轴的第二间隔角的至少一子集的光束被反射，以在该光导中被再循环。
本发明的思想在于，各种元件被设置在光导中，以增加入射到该光导中的光束关于所述系统的光轴的角度，并且产生在该光导出射面上的均匀照明。光反射结构被设置在光导入射面的附近，并且该光反射结构设置有孔径，在所述孔径中可以安装例如LED、激光器或者气体放电灯形式的光源。第一光折射结构被设置在光导出射面的附近，在该第一折射结构中，关于光轴的第一间隔角的至少一子集的光束被折射，以照射该光导出射面。第一间隔角被定义为从光束必须关于光轴被传播通过该第一折射结构的最小角度开始直到90°的间隔角，当然这是光束为了入射到与光轴同轴的结构上而可能具有的最大角度。另外，在该第一光折射结构中，关于光轴的第二间隔角的至少一子集的光束被反射，以在该光导中被再循环。该第二间隔角被定义为从0°开始直到光束关于光轴所具有的、并且仍在第一折射结构中被反射的最大角度。属于第一间隔角的LED光束，即关于光轴相对“大”的角度的光束，将被传播通过该第一折射结构，并且照射光导的出射面。属于第二间隔角的LED光束，即关于光轴“小”的角度的光束，将在第一折射结构中被反射，并且随后在光导中被再循环。在第一折射结构中所反射的光束将入射到在光导的入射面处的光反射结构上，并且因此相对于该光反射结构和LED本身的表面被反射。这些光束将最终达到第一间隔角，并从而被传播通过第一折射结构。
由于所要求保护的照明系统减小了给定光导的长度，使得该照明系统更小、更轻并且更紧凑，同时具有均匀照明和高的光学效率，所以本发明是有利的。例如作为具有棱镜结构的膜的第一折射结构具有可以大大减小光导长度的优点。这是由于以下事实，即第一间隔角的光束将必须在光导中传播足够次数的往返行程以在光导出射面处获得均匀照明的距离能够被充分缩短。光导尺寸的减小对于微投影机、移动电话应用和要求尽可能小的组件的其他应用是极其重要的。另外，例如作为镜面的光反射结构将会保证在棱镜中第一次所反射的光束随后将在该镜面中被反射，并且最终达到第一间隔角，从而被传播通过该棱镜。除了提供均匀照明之外，这将导致有效的光再循环。
根据本发明的实施例，光散射元件被设置在光反射结构和第一光折射结构之间，以改变入射到所述散射元件的光束关于光轴的角度。该实施例具有以下优点，即光束关于该系统的光轴的角度将会增加。第二间隔角的光束将在少数几次往返行程中达到第一间隔角。这是由于以下事实的结果，即属于第二间隔角的光束将必须在光导中传播足够数量的往返行程以在光导出射面处获得均匀照明的距离将会被减小。结果是，能够减小光导本身的尺寸。
根据本发明的另一实施例，反射偏振器被设置在光导出射面的附近，以传播第一偏振模式的光束，并且反射第二偏振模式的光束。
依照本发明的又一实施例，偏振转换元件被设置在光导中、例如被设置在入射面处的镜面上，以改变入射到偏振转换元件的光束的偏振模式。这具有以下优点，即该偏振转换元件将改变在反射偏振器中反射的光束，即第二偏振模式的光束的偏振模式，以便这些光束将采用第一偏振模式。其效果是，现在具有第一偏振模式的这些光束将被传播通过反射偏振器。
根据本发明的另一实施例，例如作为具有棱镜结构的膜的第二光折射结构被设置在光导入射面的附近，以增加在所述第二光折射结构中所折射的光束关于光轴的角度。该实施例具有以下优点，即因为第二间隔角的入射光束在第二光折射结构中被折射，并且所折射的光束将会属于第一间隔角，通过第二光折射结构的第二间隔角的光束将在早期阶段时在光导中达到第一间隔角。因此，光导的尺寸将会被减小。
根据本发明的另一实施例，光导具有多个孔径，其中在每个孔径中可以设置光源，并且在每个孔径中设置有适用于各个光源的光谱特性的二向色涂层。该实施例具有以下优点，即具有适用于每个二向色涂层的光谱特性的光束将会通过入射面镜面、即光反射结构，并且具有其他光谱特性的光束被反射。这使得不同颜色的多个LED能够被耦合到该照明系统，例如一个红色LED、一个绿色LED和一个蓝色LED。
当分析附加的专利要求和以下的说明时，将理解本发明的其他特性和优点。本领域的技术人员认识到，本发明的不同特性被组合，以产生不同于下面所描述的实施例。本领域技术人员理解许多不同的改进方案、修改和组合。可选的实施例例如可能使用激光光源或者气体放电灯。
附图说明
将参照附图更详细地描述本发明优选的实施例。
图1示出包括杆式光导的现有技术的光学系统；
图2示出在本发明中所采用的棱镜结构中如何折射光束的原理图；
图3示出按照本发明实施例，设置有如图2中所示的折射结构和用于提供光再循环的反射结构的照明系统；
图4示出根据图3的照明系统，进一步设置有按照本发明实施例的光散射元件；
图5示出根据图4的照明系统，进一步设置有按照本发明实施例的反射偏振器和偏振转换元件；
图6示出根据图5的照明系统，进一步设置有按照本发明实施例的在光导入射面处具有第二光折射结构的照明系统；
图7示出设置有多个孔径的根据图5的照明系统，其中根据本发明的实施例光源可以设置在每个孔径中。
具体实施方式
图1示出包括杆式光导的现有技术的光学系统。LED 101位于光导102的入射面处。该LED 101在所有方向上发射光，但是光束可以被模型化为包含在两个可能的不同间隔角103、105之一中。第一间隔角103的光束是关于光轴104具有“大”角度的光束，而第二间隔角105的光束是关于光轴104具有“小”角度的光束。属于第二间隔角105的光束随后将通过投影透镜(未示出)的光瞳，而第一间隔角103的光束将被阻挡在该投影透镜的光瞳处。杆式光导102的物理长度主要由第二间隔角105的光束来设定。该长度需要足够长，以便光导102中的第二间隔角105的光束相对于光导102的内表面被反射足够数量的次数，以在光导104的出射面处获得均匀的照明。
图2示出在本发明所采用的棱镜结构205中光束折射的原理图。构造该棱镜结构205，以便包含在第一间隔角中的光束202在该棱镜结构205中被折射，并且所产生的光束204适用于该光学系统，这是因为它稍后将在该系统中通过投影透镜(未示出)。包含在第二间隔角中的光束201在该棱镜结构205中将被反射，产生光束203。
图3示出根据本发明实施例的照明系统300。在光导302的入射面处，LED 301被安装在以镜面307形式的光反射结构的孔径中。在光导302的出射面处，设置有第一折射结构、这里是具有棱镜结构306(如参照图2所述)的膜。属于第一间隔角303的光束，即关于光轴304具有大角度的光束，在棱镜结构306中被折射，并且将照射该光导302的出射面。属于第二间隔角305的光束，即相对于光轴304具有小角度的光束，在棱镜结构306中被反射，并且在光导302的入射面处以镜面307的方向被传播。在棱镜306中所反射的光束将入射到镜面307上，并且从而被镜面307和LED 301本身的表面反射。这些光束最终将达到第一间隔角303，并且因此通过棱镜结构306被传输。
图4示出根据图3的照明系统，进一步设置有按照本发明实施例的光散射元件408。该光散射元件408被设置在棱镜结构406上，但是实际上也可以被设置在棱镜结构406和镜面407之间的光导402中的任何位置，以改变入射到散射元件408上的光束关于光轴404的角度。光散射元件408的使用将导致光束关于照明系统400的光轴404的角度增加。第二间隔角405的光束将在几次往返行程中达到第一间隔角403，这因此将减小光导402的长度。
图5示出根据图4的照明系统，进一步设置有按照本发明实施例的反射偏振器509以及偏振转换元件510。该反射偏振器509被设置在光导502的端面上，以传播第一偏振模式的光束，并且反射第二偏振模式的光束。偏振转换元件510被设置在镜面510上，以改变入射到偏振转换元件510上的光束的偏振模式。图5中所示的实施例的结果是，偏振转换元件510将改变在反射偏振器509中所反射的光束的偏振模式，以便这些光束最终通过反射偏振器509被传播。偏振转换元件510优选地是所谓的λ/4膜，但是也可以由去偏振材料构成，诸如在棱镜结构506和光散射元件508中所使用的强双折射塑性材料。
图6示出根据图5的照明系统，进一步设置有按照本发明实施例的第二光折射结构611。作为第二棱镜结构611的第二光折射结构被设置在镜面607的孔径中。在第二棱镜结构611中折射的光束角度将关于照明系统600的光轴604增加。所有入射到光导602中的光束中，一些光束612通常已经被包含在第二间隔角605中。然而，利用第二棱镜结构611，这些光束将在初期阶段相反地达到第一间隔角603。因此，可以减小该光导602的尺寸。
图7示出根据图5所示的照明系统，该系统700设置有多个孔径，其中按照本发明的实施例在每个孔径中设置有光源701′、701″、701″′。另外，适用于各个光源701′、701″、701″′的光谱特性的二向色涂层713′、713″、713″′被设置在每个孔径中。该实施例具有以下优点，即具有适用于每个二向色涂层713′、713″、713″′的光谱特性的光束将通过入射面镜面707，并且具有其他光谱特性的光束将被反射。这使得包括例如不同颜色的LED、激光器和气体放电灯的多个光源701′、701″、701″′被耦合到照明系统700，例如一个红色LED、一个绿色LED和一个蓝色LED。
根据本发明的照明系统也可以用于采用波导的其他类型的显示系统，例如用于直视型LCD系统中，其中具有以下优点，即可以以更加优化和有效的方式将光引导通过位于LCD板之后的波导。可以使用本发明的其他显示系统包括直视显示系统，其中光通过机电移动部件耦合输出波导。
即使已经参照特殊的示意性的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员理解许多不同的改进方案、修改和类似。因此，所描述的实施例不会像所附加的权利要求限定的那样来限制本发明的范畴。

Claims (12)

1、一种照明系统(300)，包括杆式光导(302)，使最后得到的光束(204)从杆式光导(302)穿过光学系统的投影透镜，所述照明系统(300)具有入射面、出射面和至少一个孔径，入射面和出射面彼此相互相对，在所述孔径中要设置光源(301)，该系统的特征在于其包括：
设置在所述光导(302)入射面附近的光反射结构(307)，该光反射结构(307)设置有孔径，在所述孔径中要安装所述光源(301)；和
设置在所述光导(302)出射面附近的第一光折射结构(306)，在该第一光折射结构(306)中：
关于该系统(300)的光轴(304)的第一间隔角(303)的至少一子集的光束被折射，以照射所述光导(302)出射面，和
关于所述光轴(304)的第二间隔角(305)的至少一子集的光束被反射，以在所述光导(302)中被再循环。
2.按照权利要求1的照明系统(300)，还包括：
设置在光反射结构(407)和第一光折射结构(406)之间的光散射元件(408)，以改变入射到所述散射元件(408)上的光束关于光轴(404)的角度。
3.按照权利要求1或者2的照明系统(300，400)，还包括：
设置在光导(502)出射面附近的反射偏振器(509)，以发射第一偏振模式的光束，并反射第二偏振模式的光束。
4.按照权利要求1或2的照明系统(300，400)，还包括：
设置在光导(502)中的偏振转换元件(510)，以改变入射到所述偏振转换元件(510)上的光束的偏振模式。
5.按照上述权利要求1或2的照明系统(300，400，500)，还包括：
设置在光导(602)入射面附近的第二光折射结构(611)，以增加在所述第二光折射结构(611)中所折射的光束关于光轴(604)的角度。
6.按照上述权利要求1或2的照明系统(300，400，500，600)，其中在光导(702)的每个孔径中要设置光源(701′，701″，701″′)，并且在每个孔径中设置有适用于各个光源(701′，701″，701″′)的光谱特性的二向色涂层(713′，713″，713″′)。
7.按照上述权利要求1或2的照明系统(300)，其中所述光源(301)是LED。
8.按照上述权利要求1或2的照明系统(300)，其中所述光源(301)是激光器。
9.按照上述权利要求1或2的照明系统(300)，其中所述光源(301)是气体放电灯。
10.一种显示系统，包括按照上述权利要求中任一的照明系统(300)。
11.一种投影显示系统，包括按照权利要求1-9中任一的照明系统(300)。
12.一种直视LCD系统，包括按照权利要求1-9中任一的照明系统(300)。
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