CN101053260A - 照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于投影式显示设备的照明系统(10，50)。该系统包括：具有至少一个入射孔径(16，64)的积分器装置(14，58)，光源(24，54)，以及用于将光从所述光源引向所述至少一个入射孔径的引导装置(26，56，61)。该照明系统的特征在于：被设置在刚好与所述至少一个入射孔径相邻处的逆向反射器(34，66)。本发明提供的一个优势在于增加了从光源输出的流明利用效率。本发明还涉及一种包括这种照明系统的投影式显示设备(80)。

Description

照明系统

技术领域

本发明涉及一种照明系统，该照明系统包括：一个带有至少一个入射孔径的积分器装置，一个光源，以及一个用于将光从光源引向所述至少一个入射孔径的装置。本发明还涉及包括这种照明系统的投影式显示设备。

背景技术

基于硅基液晶技术(LCOS)或者透射液晶显示器(LCD)的调制器面板的投影式显示器面临着与光能效率相关的问题。这是因为在沿着照明路径的照明过程中光会有损失。光损失的一种情形就是，在投影式显示设备的光产生系统中，当来自光源的光将被聚焦在一个积分器装置的孔径处时的情形。

上述情形的一个例子就是当来自光源的光进入一个光再循环系统的棒状积分器的情形。这样的一种系统在例如文献WO02/096123中有所公开。WO02/096123中的系统是基于色彩和偏振的再循环技术。对于有效循环，棒状积分器的一个让光耦合进来的开口要尽可能地小，以便在棒状积分器内的多次前向和反向反射过程中的光损失很小。尽管如此，当采用一个小的开口时，由于聚焦在环形开口处的光斑的大小有限，不是所有的来自光源的光都能耦合进棒状积分器。因此，一部分光会损失掉，输出的流明的利用率比较低，特别是对于光导向装置的尺寸与光斑的大小相当的小调制器面板而言。

在将光聚焦在一个积分装置的孔径处时出现光损失的情形的另外一个例子是当光耦合进一个偏振转换系统(PCS)时的情形。在投影式显示设备中使用PCS产生偏振光。在PCS中，来自光源的光聚焦在位于覆盖PCS的遮光板上的大量狭缝上。但是，一部分光不能很好地聚焦在这些狭缝上，从而会损失掉。因此，输出的流明的利用率很低。文献US6535334披露了一个PCS的例子。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改进的可以充分利用可用光的照明系统。

根据以下描述，上述以及其他目的将变得显而易见，而且这些目的都能通过以介绍方式提到的类型的照明系统来实现，这种照明系统还包括了一个被安放在刚好与至少一个入射孔径邻近处的逆向反射器。

本发明是基于以下认识：在刚好与积分器装置的至少一个入射孔径邻近处安置一个逆向反射器，来自光源的任何杂散光，也就是未能很好的聚焦在入射孔径处的光，能够通过逆向反射器改变方向而返回光源，由此这些光又一次通过引导装置导向入射孔径处。因此，通过该逆向反射器，来自光源的光能够被重复利用。如果没有逆向反射器，大部分杂散光都不能重新进入光源，并且这些光将被损失掉，而不会有另外的机会被引向入射孔径处。

因此，这个发明所提供的一个优势在于提高了从光源输出的流明的利用率。由于将杂散光逆向反射回光源的作用，来自光源的光进入小的入射孔径的量会增加一倍。

优选地，逆向反射器被安置成使得由逆向反射器反射的任何光的偏移量都与光源尺寸处于同一数量级，或小于光源的尺寸，例如在采用超高压水银(UHP)灯的情况下，位移量与这种光源的电弧尺寸处于同一数量级，即，几毫米。如果该偏移量比较大，则逆向反射的光在其返回途中就会错过光源，也就不能重新聚焦在入射孔径处。通过调整逆向反射器的逆向反射结构的尺寸，偏移量的大小可以达到要求，借此光的偏移能调整到逆向反射结构的尺寸量级。

逆向反射结构可以是安置在反射镜前的例如类似棱镜结构的阵列或者小透镜的阵列。可选地，该逆向反射器可以通过一个常规的反射镜上的锯齿状缺口来实现。

在本发明的一个实施例中，积分器装置包括带有所述至少一个入射孔径的一个棒状积分器，且导向装置包括将来自光源的光引向该至少一个入射孔径的反射器，以便将光耦合进所述棒状积分器。优选地，该逆向反射器基本包围该至少一个入射孔径，从而杂散光的绝大部分都能够被改变方向而回到光源处。同样优选地，该棒状积分器被用来进行光的再循环，由此这种照明系统还包括用于选择一部分光并且将其向回反射进入棒状积分器以进行再循环的装置，该装置设置在所述棒状积分器的相对于该至少一个入射孔径的对端。没有被反射的那一部分光透射通过该选择装置。在这种再循环的系统中，当使用一个逆向反射器将杂散光反射回光源，从而这些光可以获得另外一次耦合进入棒状积分器的机会时，相比于现有技术的方案，输出光可以获得约20％的增益。

选择装置例如可以是一个彩色滤光器阵列，比如一个色轮，或者是一个反射式偏振器。在前一种情况中，某一滤光器透射一种颜色并且反射其余颜色，即，“色彩再循环”。在后一种情况中，具有某一预定偏振的光被透射，而具有其它偏振的光就会被向回反射而进入棒状积分器，也就是“偏振再循环”。反射式偏振器优选附带有一个四分之一波片，从而具有“错误”偏振的光能够获得所需的预定偏振。彩色滤光器阵列和反射式偏振器也可以组合起来使用，以增加照明系统的效率。

在本发明的另外一个实施例中，积分器装置中包括了具有至少一个狭缝的遮光板，而该至少一个狭缝构成了所述至少一个入射孔径，且导向装置包括了一个反射镜和一个将来自光源的光引向该至少一个狭缝的第一积分器透镜阵列。随后，逆向反射器可以被安置在每一个狭缝的两面。优选地，根据本发明实施例的积分器装置构成了一个偏振转换系统(PCS)的一部分。

依照本发明的另一方面，提供了一种投影式显示设备，该投影式显示设备包括根据以上描述的照明系统。该投影式显示设备还包含至少一个调制面板，用于对从该照明系统输出的光进行调制，以及用于将来自该至少一个调制面板的光投影到一个投影屏幕上的装置。

附图说明

以下将参照用于示出目前优选实施例的附图，更加详细地描述本发明的这些和其它方面。

图1a是根据本发明一个实施例的照明系统的示意性侧视图；

图1b是图1a所示的照明系统的示意性透视图；

图2a-2b是表示图1a-1b中的光源输出光的变化的曲线图；

图3为根据该发明的另一实施例的照明系统的示意性侧视图；

图4为包括根据本发明的照明系统的投影式显示设备的示意性侧示图；

图5为表示根据本发明一个实施例的照明系统的光输出效率的曲线图；和

图6表示不同的调制器面板尺寸下光输出增益的曲线图。

具体实施方式

图1a-1b示出了与WO02/096123中描述的系统相似的照明系统10。照明系统10按照下面的顺序包括一个光源24，在其一端带有一个入射孔径16的棒状积分器14，一个色轮18，一个四分之一波片20和一个反射式偏振器22。

光源24，例如，一个UHP灯，与一个反射镜26布置在一起。优选地，反射镜26是一个椭面的反射镜，而光源24就位于椭圆的一个焦点上，棒状积分器14的入射孔径16位于另外一个焦点处。

棒状积分器14可以是一个无遮蔽的抛光玻璃或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)棒，借此，在积分器棒里面的光能够在玻璃-空气界面(也就是积分棒的内壁上)以全反射而进行反射。

相对于入射孔径16安置在棒状积分器14对端的色轮18包括多个彩色滤光器30，这些滤光器分别对应于例如红色，绿色和蓝色。例如，一个红色滤光器透射红色光并且反射其他颜色的光，即反射绿色和蓝色。

反射式偏振器22适合于透射具有某一预定偏振的光，并且反射具有其它“错误”偏振的光。

根据本发明，棒状积分器14的外入射表面32配备有一个围绕该入射孔径16的逆向反射器34。正如在图1b中能看到的，逆向反射器34覆盖住了外层表面32的一部分。但是，可选地，逆向反射器34还能够覆盖整个外表面32(除了入射孔径16)。逆向反射器34适合于反射来自入射方向的光。逆向反射器34可以由例如一个逆向反射面或者涂层构成，并且正如本领域技术人员所意识到的那样，该逆向反射器还能用很多方式构成。

一旦照明系统10操作，来自光源24的一些光36将会聚焦在入射孔径16上并且耦合进棒状积分器14中，而由于光源24聚焦不完善，一些光38将不能落在入射孔径上，如前面的背景技术中所述。

大部分杂散光38，即，未能落在入射孔径上的光，会被围绕该入射孔径的逆向反射器34所接收。由于逆向反射器具有对入射方向上的光进行反射的特性，因而杂散光被改变方向回到光源24和反射镜26。改变方向回到光源24的光将会再一次聚焦到入射孔径上，从而获得另一次被耦合进棒状积分器14的机会。

因而，来自光源的没有聚焦到入射孔径上的光能通过逆向反射器进行再循环，这就增加了输出流明的利用率，如图2a-2b所示。图2a是表示由UHP灯产生的光落入圆形的入射孔径的百分比随孔径半径变化的曲线图。所有的杂散光都被入口表面吸收的情形由曲线40示出。可以观察出，光输出随着孔径半径的增加而增加，但是当整个光斑与入射孔径大小相符时，对于更大的半径值而言，光输出就会饱和。余下的大约百分之四十的光损失，例如，是由于椭圆反射镜处的吸收或者灯的部件在错误方向上的散射造成的。如曲线42所示，当杂散光被一个传统的反射镜反射回光源和反射镜时，落在入射孔径上的光的总量就增加了几个百分点。如曲线44所示，当杂散光被逆向反射回光源时，将会发现光输出的增益明显加大了。通过将杂散光逆向反射回光源的、来自光源的光输出的相对增益(与当杂散光被吸收的情况相比)随入射孔径半径的变化在图2中以曲线46示出。曲线48表示了当使用一个常规的反射镜时的情形。从图2b中可以注意到，在给定一定尺寸的光源时，对于小的入射孔径而言，光输出会加倍，然而对于大目标而言，将杂散光逆向反射回光源的影响则会减小。

回到图1a-1b，耦合进入棒状积分器14的光被导向色轮18，四分之一波片20和一个反射式偏振器22。在色轮18处，每一个彩色滤光器透射一种特定的颜色，而其它颜色的光被反射回棒状积分器。同样，具有“错误”偏振的光会被反射式偏振器20反射回棒状积分器14。被反射回棒状积分器14的光随后又被反射内表面28反射回色轮18和反射式偏振器22，这样就让光有了另外一次通过色轮18和反射式偏振器22的机会。这种基于颜色和偏振的再循环可从现有技术中获知。

因此，照明系统10在光源和棒状积分器处都提供光的再循环。应该进一步注意到，在不同的照明系统中色彩再循环和和偏振再循环能够被分开使用。

图3示意性的示出了根据本发明的另外一个实施例的照明系统50。这个照明系统50包括一个光源54，一个反射镜56和一个积分器装置58。积分器装置58构成了一个偏振转换系统(PCS)60的一部分，并且包括了一个第一积分透镜阵列61和第二积分透镜阵列63以及一个带有多个的狭缝64的遮光板62，而这些狭缝构成了入射孔径。狭缝64适合于接收那些通过PCS起偏的光。

根据这个发明，遮光板62可进一步由位于每个狭缝64的两面的逆向反射器66所覆盖，如图3所揭示的。

由于对于本领域技术人员而言，PCS的操作是公知的，所以以下仅描述涉及根据本发明的逆向反射器66的操作。

当照明系统50操作时，来自光源54的一些光68通过反射镜56和第一积分透镜阵列61聚焦到狭缝64上，同时一些光70由于缺陷而不能落在狭缝64上。

大部分杂散光68，也就是说没有落在狭缝64上的光，由设置在与狭缝64刚好相邻的逆向反射器66所接收。由于逆向反射器具有对入射方向上的输入光进行反射的特性，杂散光被改变方向引回光源54和反射镜56。改变方向回到光源54的光又将再一次聚焦在狭缝64上，从而将会有另外一次通过遮光板62上的狭缝64的机会。

因此，来自光源54且没有聚焦在狭缝64上的光通过逆向反射器66能够被再循环利用，这样就提高了输出流明的利用效率。

图4是一个投影式显示设备80的示意图，该投影式显示设备包括根据本发明的照明系统10。在图4中，照明系统10包括了一个光源24，反射镜26，一个带有一个逆向反射器34的棒状积分器14，一个色轮28，一个四分之一波片20和一个偏光板32。尽管如此，照明系统可以是上面提到的任何一种类型。

除了具有创造性的照明系统20外，这个投影式显示设备80还包括一个包括转接镜片的中继系统82，一个偏振分束器84，一个反射调制器面板86(比如一个LCOS或者DMD)以及一个投影透镜88。

当投影式显示设备80进行操作时，照明系统10输出的光经由中继系统82转接到偏振分束器84，该偏振分束器随后将光投射到面板86上。由面板86反射的光继而被投影透镜88聚焦到投影屏幕90上，以便于形成一个投影图像。

图5示出色彩再循环、偏振再循环与图1a-1b中照明系统10的光源处的光再循环的组合效率随孔径比r(即，入射孔径的面积与棒状积分器横截面面积之比)的变化。如以上背景技术中所述，棒状积分器的入射孔径的尺寸取决于棒状积分器的尺寸和再循环效率。图5是基于一种一英寸直径的16∶9的调制器面板，并且杂散光被吸收，被一个传统的反射镜反射，和被一个逆向反射器反射的情形分别由曲线92，94和96表示。显然，对于某一孔径比r来说有一个最佳值。同时也应该注意到，当使用一个逆向反射器代替一个传统的反射镜或者吸收器时，总的光输出会增加20％以上。另外，当杂散光被逆向反射回灯时，最佳效率增加并且移向较小的r值。同样地，对于较小的调制器面板尺寸而言，光输出的增益也会增加。

此外，通过将杂散光逆向反射回光源和反射镜得到的光输出的相对增益(与当杂散光被吸收时的情形相比)随调制器面板尺寸的变化在图6中以曲线98示出。曲线99表示当使用一个常规反射镜的情形。与没有反射的情况相比，对于尺寸大于对角线为1英寸的面板，逆向反射器可提高10％到20％的光输出量，而对于尺寸小一些的面板而言，则可提高数十个百分点。

本发明并不仅仅限于上述实施例。本领域技术人员将会意识到，在不脱离所附权利要求书中要求的本发明的范围的情况下可进行改变和修正。例如，投影式显示设备可以包括多个调制器面板。

Claims (10)

1.一种投影式显示设备的照明系统(10，50)，所述系统包括：

积分器装置(14，58)，具有至少一个入射孔径(16，64)，

光源(24，54)，以及

引导装置(26，56，61)，用于将光从所述光源引向所述至少一个入射孔径，

其特征在于：

逆向反射器(34，66)，被设置在刚好与所述至少一个入射孔径(16，64)相邻处。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述逆向反射器(34，66)被设置成由所述逆向反射器逆向反射回的任何光的位移与所述光源(24，54)的尺寸处于同一数量级，或者更小。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述积分器装置包括了带有所述至少一个入射孔径(16)的棒状积分器(14)，并且其中所述引导装置包括了一个反射镜(26)，该反射镜将来自光源(24)的光引向所述至少一个入射孔径(16)，以便将光耦合进所述棒状积分器。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述逆向反射器(34)基本上围绕所述至少一个入射孔径(16)。

5.根据权利要求3或4所述的系统，还包括布置在所述棒状积分器(14)上相对于所述至少一个入射孔径(16)的对端的选择装置(18，22)，用于选择一部分光并且将所述部分光反射回所述棒状积分器。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述选择装置包括一个彩色滤光器阵列(18)。

7.根据权利要求5或6所述的系统，其中所述选择装置包括一个反射式偏振器(22)。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述棒状积分器装置(58)包括带有至少一个狭缝(64)的遮光板(62)，该狭缝构成所述至少一个入射孔径，并且其中所述引导装置包括用于将来自光源(54)的光引向所述至少一个狭缝(64)的反射镜(56)和第一积分器透镜阵列(61)。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述逆向反射器(66)被设置在每一个狭缝(64)的两面。

10.一种投影式显示设备(80)，包括：

根据权利要求1至9中任一项所述的照明系统，

至少一个调制器面板(86)，用于对从所述照明系统输出的光进行调制，以及，

用于将来自所述至少一个调制器面板的光投射到一个投影屏幕(90)的装置(88)。

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