CN101248384A

CN101248384A - 多光源光束扩展量的有效组合

Info

Publication number: CN101248384A
Application number: CN200680004407.5A
Authority: CN
Inventors: 肯尼斯K·李
Original assignee: Wavien Inc
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: CN101248384B; TW200632508A; JP2012155342A; HK1123611A1; JP5080987B2; JP2008530596A

Abstract

一种包含光束组合器的多色照明系统。该光束组合器包括两个三棱镜和一个用于透射第一束光并反射第二束光的滤光片，每束光具有不同的波长。该光束组合器将透过的第一束光和反射的第二束光组合以提供一个组合的光束。该光束组合器每个三棱镜的六个表面均被抛光，因此可以在不增加多色照明系统的光束扩展量情况下，对光束进行组合。

Description

多光源光束扩展量的有效组合

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年2月9日申请的美国临时申请No.60/651079的权益，并且本申请是申请于2005年9月30日的序列号为No.11/240169的部分继续申请，后者是2003年1月21日申请的序列号为No.10/347522(即现在美国专利No.6982830)的继续申请，而后者又是2001年3月23日申请的序列号为No.09/814970(即现在美国专利No.6587269)的继续申请，后者要求2000年8月24日申请的美国临时申请No.60/227312和2000年11月8日申请的美国临时申请No.60/246683的权益。以上所有申请被全文引用于本申请。

技术领域

本发明涉及一种未增加系统光束扩展量(etendue)而提供多色照明的系统和方法。

背景技术

液晶显示器(LCD)是一种已知的用于控制偏振光能透射的装置。受对其施加的电流影响，LCD可能透明或不透明。因该功能问题，投影系统通常使用一种包含多个LCD的阵列形成图像源。具体的说，就是投影系统将高强度偏振光能输入到LCD阵列(也称成像器)，后者选择性的透射部分输入的光能用于形成一个所需的图像的投影。由于单个LCD相对较小，将多个LCD组装在一起形成阵列，就会形成一个能够产生高分辨率图像的成像器。

正如以上所设想的，一个投影系统必须首先将输入到LCD中的光偏振。然而，来自光源(比如灯泡)的光能可能具有p偏振态或s偏振态。由于这种输入到LCD成像器的光必须是在一个取向上(比如p偏振态或s偏振态)，而LCD投影仪通常仅用了光源中一半的光能，人们期望在投影系统中将光输出的亮度和强度最大化。为此，人们已开发过各种方法捕获那些无用偏振状态的光能，并改变所捕获的光能的偏振状态，然后将其改向于LCD成像器。已知的偏振校正(polarization recovery)方法涉及产生一个光的扩展束，该光束中未使用部分(也就是非期望的极性)的光被发送通过一个半波片使其偏振状态发生改变，然后与原偏振光束进行再组合。不幸的是，这种已知方法在实施上需要复杂而庞大的系统，该系统通常包括二维透镜阵列组和一个偏振分束器阵列。此外，该已知的方法会损失大量光能，因此影响了投影仪产生高强度输出的目的。

导光管系统利用导光管、棱镜和分束器将白光分离为单独的红色(R)、蓝色(B)和绿色(G)分量。该系统可逆向应用于在不增加光束扩展量的情况下组合具有不同光谱的多光源。所以，就需要有一种无需增加光束扩展量而提供多色照明的系统。

发明内容

为了满足上述需求，本发明利用一个波导系统在LCD投影系统中实现偏振校正功能。具体的说，就是本发明中的波导偏振校正系统既能偏振输入光能使其用于LCD成像器，又可改变无用光能的极性以增加LCD成像器的照明。这种小型偏振校正波导系统通常包含以下被集成为一个独立单元的光学元件：(1)一个将非偏振光能输入到系统的输入波导；(2)一个将偏振光能移出该系统的输出波导；(3)一个偏振分束器，用于接收来自输入波导的光能、透射第一种偏振类型的光能并反射第二种偏振类型的光能，和(4)一个波片，该波片能够修改透射的或反射的任一光能的偏振状态。偏振校正系统通常还包括一个或多个置于所需位置的反射镜，用于引导透射的和(或)反射的光能到输出波导。输入波导和输出波导可由投影系统根据需要而成形，例如该输入和输出波导两者或其一可以根据需要逐渐变细或逐渐变粗，从而产生所需的图像。

在波导偏振校正系统中，输入和输出波导可构造为大体上平行或大体上垂直的取向。在二者大体上平行的构造中，输出波导直接接收分束器透射的光能。这样，光能大体上在相同方向进入和射出偏振校正系统。作为另一种选择，输入和输出波导可置于彼此大体上垂直的位置，这样光能可在与其进入方向呈直角的方向从偏振校正系统射出。在输入和输出波导呈垂直取向的构造中，反射镜接收由偏振分束器透射的光能，并将其改向90°至输出波导。

本发明中的波导偏振校正系统将上述列举的光学元件组成为一个独立的小型单元。在一个实施例中，波导偏振校正系统还包括一个或多个置于光学元件之间的光学透明材料的“间隙”(gaps)，以通过该系统促进能将光能损失减至最小的全内部反射的发生。

在LED照明领域，每个LED通常发射单一颜色。对于多色应用使用的N个LED，一般N≥2。典型的N个LED，例如两个LED，并排放置且耦合到同一对象。通过改变每个LED的输出，可获得所需的色彩和亮度。为了以该方式组合颜色，一个普通照明系统的光束扩展量必然会随着发射面积的增加而增加。因此，依据本发明的一个实施例，用一种基于导光管的系统将多种颜色进行组合，并不增加光束扩展量。

依据本系统的一个实施例，一个多色照明系统包含一个光束组合器。该光束组合器包含两个三棱镜和一个滤光片(filter)，后者用于透射第一束光和反射第二束光，每束光具有不同的波长。光束组合器将透射的第一束光和反射的第二束光组合以提供一个组合的光束。三棱镜每个表面被抛光，因此可以在不增加多色照明系统的光束扩展量情况下，对光进行组合。

依据本发明的一个实施例，一个多色照明系统包含n个光束组合器和每个光束组合器之间所提供的低折射率粘合剂(glue)或气隙，前者用于组合n+1(n＞2)束具有不同波长的光。每个光束组合器包含两个三棱镜和一个滤光片，三棱镜每个表面被抛光，滤光片用于透射从前一个光束组合器中接收的组合光束并反射之前尚未透射的或未反射的n+1束光中的一束新光。光束组合器将透射的组合的光束与反射的新光组合，提供一个新组合的光束。如果光束组合器不是最后的光束组合器，则该新组合的光束将被提供给下一个光束组合器；如果光束组合器是最后的光束组合器，则该新组合的光束将被输出。每个光束组合器之间的低折射率粘合剂或气隙能够使多色照明系统在不增加多色照明系统光束扩展量的情况下对所有的光进行组合。

依据本发明的一个实施例，一个多色照明系统包含至少两个LED、与每个LED相连的导光管、一个X立方镜(X-cube)和低折射率粘合剂或气隙。两个LED提供了两个不同波长的光。X立方镜将从与LED相连的每个导光管接收的光进行组合，以提供一个输出光束。在每个导光管和X立方镜之间提供低折射率粘合剂或气隙，从而在不增加多色照明系统光束扩展量的情况下对光进行组合。

依据本发明的一个实施例，一个光引擎包含上述的多色照明系统。

依据本发明的一个实施例，一个投影显示系统包含上述的光引擎、至少一个根据显示信号调制光的光调制器板(light modulator panel)和一个将调制的光投影到显示屏上的投影镜头。

依据本发明的一个实施例，一种多色照明方法包括的步骤有：通过第一光束组合器将由第一滤光片透射的第一束光与由第一滤光片反射的第二束光组合以提供一个组合的光束；通过第二光束组合器将由第二滤光片透射的组合的光束与由第二滤光片反射的第三束光组合以提供一个输出光束，每束光具有不同的波长；并且在光束组合器之间提供低折射率粘合剂或气隙，由此在不增加光束扩展量的情况下对光进行组合。

依据本发明的一个实施例，一种多色照明方法包括的步骤有：通过X立方镜将从两个对应导光管的接收的至少两束具有两个不同波长的光进行组合；在每个导光管和X立方镜之间提供低折射率粘合剂或气隙，由此在不增加光束扩展量的情况下对光进行组合。

附图说明

本发明的这些和其它优点将会结合以下附图作详细描述，附图中相同的标记指的是相同的元件：

图1-4和6-10是依据本发明不同实施例的波导偏振校正系统的示意图；

图5是依据本发明一个实施例的一种装有偏振校正系统的小型投影装置的示意图；

图11是一个包含90°转角的没有气隙或低折射率粘合剂的导光管的示意图；

图12是一个包含90°转角的具有气隙或低折射率粘合剂的导光管的示意图；

图13A-B是依据本发明一个实施例的基于导光管的彩色系统的示意图；

图14是依据本发明一个实施例的一种基于导光管的彩色系统的示意图；

图15是依据本发明一个实施例的一种包含一个X立方镜的基于导光管的彩色系统的示意图；

图16是依据本发明一个实施例的一种包含一个X立方镜的基于导光管的彩色系统的示意图；

图17是依据本发明一个实施例的一种包含一个LED源阵列的基于导光管的彩色系统的示意图；

图18是一种装有本发明导光管系统的投影系统的示意图；

图19是一个示意蓝光、绿光和红光的峰值或高强度区域图；和

图20是一个示意红光的曲线图，该红光由三种具有不同高强度区域的红光所组成。

具体实施方式的详细描述

如图1-4和6-10所示，依据本发明一个实施例，一个小型波导偏振校正系统10包含一个输入波导20、一个偏振分束器(“PBS”)30、一个波片40(该波片根据构造可以是半波片或四分之一波片)和一个输出波导50。波导偏振校正系统10通常还包括可根据需要用于引导在输入波导20和输出波导50之间的光束的反射镜60。以下论述首先总结了波导偏振校正系统10可能的几种构造，然后对个别元件进行了更具体的描述。

图1、3和6示意了一种波导偏振校正系统10的构造，该构造中的输出光能大体上与输入光能平行。在该实施例中，输入波导20将来自光源或LED光源的非偏振输入光引导入射到PBS 30。图示的PBS 30透射p偏振光，所以输入光能中p偏振的部分在与初始输入相同的方向继续通过，而s偏振光则在与初始输入方向垂直的方向被反射。所置的半波片40用于接收反射的s偏振光并将其转变为p偏振。随后，反射镜60将来自半波片40的经过偏振转变的光能再导回初始输入方向。在输出波导中，将来自PBS 30透射的光能和来自半波片40转变的光能再组合并使二者混合。结果，输出的光能具有一致的强度分布(intensity profile)并被偏振。应该理解通过使用仅透射s偏振光的PBS 30时可以产生相反的偏振状态输出。

图2、4和7-8示意了一个具有可供选择构造的波导偏振校正系统10的实施例，在该构造中输出光能垂直于原始输入光能。如图1中的实施例，输入波导20将非偏振输入光引导入射到PBS 30。此外PBS 30执行相同的透射p偏振光的功能，因此输入光能中p偏振的部分在与初始输入相同的方向继续通过，而s偏振光则在与初始输入方向垂直的方向被反射。然而在图2的构造中，一个反射镜60将输入光能中透射的p偏振的部分旋转90°再导向输出波导50。此外，来自PBS 30反射的s偏振光第一次通过四分之一波片40’传播，而后第二反射镜60将其反射到四分之一波片40’，并再通过它。第二次通过也在输出波导50的方向。由于反射的s偏振光两次通过四分之一波片40’，s偏振光利用所示的反射镜被相移半波，被p偏振了两次。两束p偏振输出再次在输出波导中混合，产生一致的强度输出。由于图2的实施例仅需要两个光学组件：一个由输入波导20、PBS 30、四分之一波片40’和一个反射镜60组合所构成的第一组件；和一个由输出波导50和一个第二反射镜60组合所构成的第二组件，因此，该系统设计简单、成本相对低廉。输出光能与原始输入光能的垂直放置还使投影系统具有更小型化的优点，如下作更具体的描述。

与上述波片40改变由PBS 30所反射的光能的构造相对比，波导偏振校正系统10的其他构造设置波片40以改变由PBS 30所透射的光能。例如，图9和10示意了将半波片40置于用于接收PBS 30所透射的光能的构造。在图9的构造中，半波片40光学置于反射镜60和输出波导50之间。半波片40接收首先已由反射镜60所改向的透射的光能。同样在图10中，将半波片40置于PBS 30和反射镜60之间。这样，在把自PBS 30透射的光能改向于输出波导50之前首先将其偏振。在图9-10的构造中，因其输入光能仅通过PBS 30偏振层一次，由此降低了系统10中的光学能量损失，因而具有一些优点。对比之下，上述图2、4和7-8的构造则需要一部分输入光能通过PBS 30两次。

在波导偏振校正系统10的各种构造中使用的相同元件，现进行具体描述。

输入波导20通常是一种积分装置(integrator)，该积分装置可收集来自光源(比如弧光灯)的光，并通过多次反射混合光束，以产生一个更一致的强度分布进入到波导偏振校正系统10中。同样，输出波导50通常也是一种积分装置，该积分装置可收集来自波导偏振校正系统10的光，并通过多次反射将光进行混合，为成像器的照明产生一个更一致的强度分布。输入波导20和输出波导50可以是，例如，由光纤束所熔接的单芯光纤，纤维束，实心的或空心的方形或矩形的导光管，或能够逐渐变细变粗或非锥形的光束均匀器。在光学投影系统中，为了与成像器的形状和最终投影的图像一致，输入波导20和输出波导50的横截面通常是矩形的。输入波导20和输出波导50可以根据功率使用的要求由玻璃、石英或塑料制成。

输入波导20与输出波导50的二者或其一，可以根据投影系统的要求拥有一个增大或减小的锥状。例如，图3-4和6-10示意了波导偏振校正系统10的实施例，在这些实施例中，输入波导20’是一个锥形棒，其输入横截面与光源面积相匹配，其输出横截面与LCD成像器的尺寸相关。输入波导20的最终尺寸可能会根据需要而改变，以使光学投影系统中杂散光的损失降至最小。类似的，图8示意了一个输出波导50’也是锥形的波导偏振校正系统10的实施例。根据PBS 30和波片40的性能参数，以及投影系统的输出要求，由于偏振校正不可能总是在与输出孔径相同的数值孔径中进行偏振校正，因此输出波导50’呈锥形是有利的。PBS 30和波片40在较小的数值孔径下会表现出更好的性能，用小数值孔径将输入光能变成一个较大范围，然后在输出波导50’的输出端将光能变回到较大的数值孔径中，这样在性能上得到了有效提高。总的说来，输入波导20和输出波导50的锥形可选择用来匹配投影系统总的性能要求，同样的，该输入和输出波导可以在任一方向上形成锥形。

波导偏振校正系统10还包括PBS 30。PBS 30是一个公知的光学元件，该元件可以在透射一种偏振状态的光能的同时反射一种不同偏振状态的光能。一般的，PBS 30是一种光学透明材料(例如塑料或玻璃)的直角棱镜，该材料具有镀在对角线表面的偏振膜。作为选择，该PBS 30可以由一种依据光能的偏振状态选择性透射光能的材料所构成。然而，应该理解存在着许多可供选择的PBS设计和类型可用于本发明的波导偏振校正系统10中。因为PBS 30是一个公知的且商业可利用的物件，在此不作更多阐述。

波导偏振校正系统10的另一个光学元件是波片40。波片40是一个可以改变通过波片40的光能的偏振状态的光学透明元件。波片40一般可在一个轴向改变光的传播，从而改变偏振状态。波片40根据波导偏振校正系统10的具体构造可以是半波或四分之一波。总之，波片40是一个公知的且商业可利用的物件，将不再作更多阐述。

波导偏振校正系统10根据需要还可以包括一个或多个反射镜60，以引导光能通过该波导偏振校正系统10。虽然反射镜通常公知是金属涂覆的玻璃表面或抛光的金属，但为了本发明，反射镜60不应受限于该常见的定义。取而代之，应该将反射镜60认为是任何能够反射或改向光能的光学元件。例如反射镜60可以由一个导光管所取代，比如一个棱镜或有一定转角的导光管(此处同指棱镜)，比如90°旋转，利用入射角捕获和改向光能。例如，图9和10示意了一种波导偏振校正系统10，该系统具有一个用于指引或改向由PBS 30透射的光能至输出波导50的棱镜。对于具有小数值孔径的系统来说，可利用棱镜的全内部反射，因此涂层就不是必需的。

在本发明另一个优选的实施例中，如图6-10所示，波导偏振校正系统10还包括在其他光学元件之间的一个或多个光学透明区域、低折射率粘合剂或“间隙”70(此处同指空隙)。间隙70可能是遗留在光学元件之间的气穴。间隙70可由低折射率环氧树脂或其他透明材料所填充，这样全内部反射仍然发生，但元件的装配将会得到简化。例如，图6示意了一个在输入波导20和PBS 30之间含有间隙70的构造。该间隙70能确保由对角线的PBS 30所反射的光能，被旋转90°朝向四分之一波片40，因为来自PBS 30和间隙70之间界面上的全内部反射能够阻挡光能返回输入波导20并防止因出射造成的损失。图6中波导偏振校正系统10也含有其他间隙70以引起在不同光学元件之间全内部反射的产生。同样的，图7示意了一种波导偏振校正系统10，在如图4所示的具有锥形的输入波导20和垂直构造的输出波导50的偏振校正系统中加入间隙70。通过激励光学元件间的全内部反射，这些间隙70再次提高了效率。如图6-7所示，间隙70在提高系统效率时，也使波导偏振校正系统10随分离元件数量的增多变得更加复杂。

在上述的图9-10的构造中，间隙70进一步用于提高棱镜60’性能的目的，该棱镜60’用作反射镜将光能引导至输出波导50。具体的说，就是需要间隙70在PBS 30和棱镜60’之间，这样从棱镜60’的斜边所反射的光反向回到PBS 30，碰到间隙70的界面，并且内部反射至输出波导50。通过这种方式将系统损失减到最小，从而使系统效率得到提高。

通过利用两侧表面的增透涂层，间隙70在性能方面的优势可能会得到进一步提升，这样使透射的光受到最低限度的损失。

图5示意了一种使用波导偏振校正系统10的投影仪100。投影仪100包括一个聚光系统110，在该示意的例子中聚光系统具有两个抛物面反射镜和一个后向反射器，用于通过反射来自光源120的光回到其本身，提高反射光的输出量。将光源120的弧置于第一抛物面反射镜的焦点，并将输入波导20’的近末端置于第二抛物面反射镜的焦点。应当理解所配置的聚光系统仅为举例说明，许多其他已知的聚光系统也是公知的，可以使用。同样光源120可以是弧光灯，例如氙气或金属卤化物灯、高强度气体放电灯(HID)、汞灯，或若系统改造以适应透光的(non-opaque)白炽灯，光源120也可以是一个白炽灯，如卤素灯。

在所示的投影仪100中，输入波导20是一个锥形的导光管，该设计能够使从聚光系统110收集的光输入，匹配于LCD成像器150的光学要求。如上面图4所描述的，输入波导20的光输出由PBS 30所偏振，其他偏振状态由四分之一波片40’所校正。然后，输出波导50将偏振光能引导至LCD成像器150。在这种情况下，输出波导50中的输出光入射到第二PBS130中，后者的取向匹配于入射光的偏振状态从而使损失降低到最小。一个色轮140(或其他类型颜色区分系统)和反射型LCD成像器150以传统方式通过投影镜头160产生投影的图像。如图5所示，由于光学元件的数量减至最小，使投影仪的成本相对低廉。

应当理解波导偏振校正系统10可能为其他类型的投影系统所用。例如，投影仪可使用两个或三个成像器150以确定投影的图像。成像器150也可以是一种利用硅基液晶(″LCOS″)技术的反射显像，或其他任意一种要求偏振的系统类型。

现转至图11，如图所示的导光管20与导光管50呈一定转角(例如90°)，二者没有气隙或低折射率粘合剂，并且内有多种不同的光路。由于某些大角度光会损失，这就降低了导光管系统的效率。依据本发明的一个实施例，如图12所示，导光管系统200包括含有气隙或低折射率粘合剂的导光管20和导光管50。这样图11中损失的光，例如光路(a)和(c)，则可通过全内部反射重新所捕获，并且由导光管系统200的输出导光管50所收集。

依据本发明的一个实施例，如图13A所示，彩色系统300包含光束组合器310和320、气隙或低折射率粘合剂70及三个光源，即红(R)、绿(G)和蓝(B)。每个光输入直接或间接通过导光管或透镜系统200(图13A中没有画出，但如图12所示)耦合到彩色系统300中。每个光束组合器包含一个滤光片和两个棱镜或分束器，最好是表面全部抛光的三棱镜。具有滤光片A的第一光束组合器310用来透射红光(R)并反射绿光(G)。应当理解通过控制、调谐或选择滤光片A可以透射红光(R)并反射绿光(G)。从输入端进入的红光(R)由第一组合器310所透射，而来自第一组合器310另一表面的绿光(G)则由第一组合器310所反射。反射的绿光(G)与透射的红光(R)组合并在组合器310的同一表面共同射出。然后组合的红/绿光(R，G)进入具有滤光片B的第二组合器320，该组合器透射红/绿光(R，G)，并反射蓝光(B)。应当理解通过控制、调谐或选择滤光片B可以透射红/绿光(R，G)并反射蓝光(B)。因此，红/绿光(R，G)将继续经过第二组合器320，而来自蓝光输入端的蓝光则由第二组合器320所反射。反射的蓝光(B)与透射的红/绿光(R，G)及组合的光(R，G，B)组合并从彩色系统300共同射出。应当理解输出强度和色彩由每一个输入到彩色系统300的颜色光量所控制。此外，应当理解光源的位置是任意的并决定于彩色系统300的应用。换句话说，如果使滤光片A现在调谐为反射蓝光(B)而不是绿光(G)，那么应是蓝光(B)输入到第一组合器310，而不是绿光(G)输入到第一组合器310。因为本发明中彩色系统300的输出光束占据了单个输入光束的相同的横截面积，所以保留了与单个光源相同的光束扩展量。通过在不同光学元件，比如光束组合器310和320之间，提供一个气隙或低折射率粘合剂70，使光的有效耦合得以实现。依据本发明的一个方面，本发明中彩色系统300组合的输出光束可用于光纤照明或投影显示应用，例如投影显示系统中的光引擎。

依据本发明的一个实施例，如图13B所示，彩色系统300包含光束组合器310和两个光源，即红(R)和绿(G)光源。每个光输入直接或间接通过一个导光管或透镜系统200(图13B中没有画出，但如图12所示)耦合到彩色系统300中。每个光束组合器包含一个滤光片和两个棱镜或分束器，最好是表面全部抛光的三棱镜。具有滤光片A的光束组合器310透射红光(R)并反射绿光(G)。应当理解通过控制、调谐或选择滤光片A可以透射红光(R)并反射绿光(G)。从输入端进入的红光(R)由第一组合器310所透射，而来自第一组合器310另一表面的绿光(G)则由组合器310所反射。反射的绿光(G)与透射的红光(R)组合并在组合器310的同一表面共同射出。应当理解输出强度和色彩由每一个输入到彩色系统300的颜色光量所控制。此外，应当理解调谐光源的位置是任意的并决定于彩色系统300的应用。换句话说，如果使滤光片A现在调谐为反射蓝光(B)而不是绿光(G)，那么输入到第一组合器310的不是绿光(G)，而应是蓝光(B)。因为本发明中彩色系统300的输出光束占据了单个输入光束的相同的横截面积，所以保留了与单个光源相同的光束扩展量。通过三棱镜反射的抛光的表面使光的有效耦合得以实现。依据本发明的一个方面，本发明中彩色系统300组合的输出光束可用于光纤照明或投影显示应用，例如投影显示系统中的光引擎。

依据本发明的一个实施例，图13A-B中每个输入光源(R，G或B)是一个LED光源，该光源耦合于一个直的或锥形的导光管330，如图14所示。虽然在图14所示的导光管330是下尖锥形，但应该理解也可以使用上尖锥形的导光管330。如图17所示，可以理解光源可以是多个LED光源或LED光源I₁-I_n(n≥2)的阵列且每个光源提供的光具有不同颜色或波长。可以选择光源I₀当作输入提供给光束组合器BC₁，后者将来自光源I₀的光透射至下一个光束组合器BC₂。来自每个光源I_j的光或光能由对应的光束组合器BC_j所反射，后者包含一个与对应光源I_j的光波长相匹配的滤光片F_j。反射的光I_j与透射的光I₀...I_j-1以及组合的光I₀...I_j组合，并进入下一个光束组合器BC_j+1。最后，组合的光I₀...I_n射出光束组合器BC_n并进入直的、上尖锥形或下尖锥形的输出导光管430。虽然图中没有示出，但每个光源均可如图14所示耦合于一个直的、上尖锥形或下尖锥形的导光管330。

当本发明在具体应用中需要增强的或更丰富的颜色时，可以使用能产生多种不同颜色的多个LED，从而在颜色坐标空间覆盖一个较大面积。在投影显示系统中，已知一个六彩色系统可以形成更加鲜艳和饱和的色彩。依据本发明的一个实施例，一个n色投影显示系统包含n个不同LED光源(I₁...I_n)，可提供n个不同颜色光或具有n个不同波长的光，如图17所示。通过控制、调谐或选择滤光片F_j使其匹配于LED光源I_j的波长λ_j，这样滤光片仅反射波长为λ_j的光。

依据本发明一个示例型的实施例，输出光的亮度可以通过适当选择滤光片和光源进行控制和提高，以提供更加鲜艳和饱和的色彩。例如，通过控制、调谐或选择每个滤光片F_j，将光或光能的低强度部分从对应的光或LED光源中滤出，从而仅传播光的高强度部分，进而得到更亮的输出光束。

依据本发明一个示例型的实施例，如图20所示，多个LED光源可用于增强单个颜色，比如红色。一般的如图19所示，每束光都有高强度区域，比如红光具有高强度区域λ_R，蓝光具有高强度区域λ_B。例如，将高强度区域分别是λ_R1、λ_R2和λ_R3的三种不同的红光R₁、R₂和R₃混合，形成一束单独的高强度红光，并将其输入到X立方镜410或光束组合器310、320或BC_j中。而后，对应的滤光片F_R1、F_R2和F_R3分别将红光R₁、R₂和R₃的低强度部分滤出。

依据本发明一个示例型的实施例，如图15和16所示，彩色系统400包含一个X立方镜颜色组合器410(或X立方镜410)，后者可以在不增加彩色系统400的光束扩展量的情况下对光束进行组合。每个光源(图16中)或LED光源(图15中)耦合于一个直的、上尖锥形或下尖锥形的导光管420。来自红光光源或红色LED光源的红光(R)，通过直线的、上尖锥形或下尖锥形的导光管420从X立方镜410的第一个输入面进入X立方镜410。由X立方镜410所透射的红光(R)从X立方镜410的输出面射出，并进入直的、上尖锥形或下尖锥形的输出导光管430。来自绿光光源或绿色LED光源的绿光(G)，通过直的、上尖锥形或下尖锥形的导光管420从X立方镜410的第二个输入面进入X立方镜410。X立方镜410将绿光(G)反射。反射的绿光(G)与透射的红光(R)组合并从X立方镜410相同的输出面共同射出，然后进入直的、上尖锥形或下尖锥形的导光管430。来自蓝光光源或蓝色LED光源的蓝光(B)，通过直的、上尖锥形或下尖锥形的导光管420从X立方镜410的第三个输入面进入X立方镜410。X立方镜410将蓝光(B)反射。反射的蓝光(B)与透射的红光(R)和反射的绿光(G)组合并从X立方镜410相同的输出面共同射出，然后进入直的、上尖锥形或下尖锥形的导光管430。导光管420和430可以是，例如由光纤束所熔接的单芯光纤，纤维束，实心的或空心的方形或矩形的导光管，或能够逐渐变细变粗或非锥形的光束均匀器。应当理解输出强度和色彩由每个通过对应光源或LED光源输入到彩色系统400的颜色光量所控制。此外，应当理解光源的位置是任意的并决定于彩色系统400的应用。换句话说，就是可以用红光(R)替代绿光(G)，输入到X立方镜410的第二个输入面。因为本发明中彩色系统400的输出光束占据了单个输入光束的相同的横截面积，所以保留了与单个光源相同的光束扩展量。通过在不同光学元件，比如X立方镜410和直的、上尖锥形或下尖锥形的导光管420、430之间，提供气隙或低折射率粘合剂70，使光的有效耦合得以实现。依据本发明的一个方面，本发明中彩色系统400组合的输出光束可用于光纤照明或投影显示应用，例如投影显示系统中的光引擎。

依据本发明的一个方面，通过在不同光学元件，比如导光管20、50、330，棱镜和光束组合器310、320、BC₁-BC_n之间，提供气隙或低折射率粘合剂70，使光的有效耦合得以实现。这些气隙或低折射率粘合剂70为某些有一定角度的光提供了全内部反射，使这部分光反射回彩色系统300，否则这些光将会损失掉，从而最小化或消除了光或光能的损失。

本领域中的普通技术会认识到，遵循本发明相同构思可以利用不同滤光片组和不同位置的光源建立其它结构，可以改变两种或n种颜色的顺序，也可改变有颜色的LED的入口点。

依据本发明的一个实施例，一种多颜色照明方法包括步骤：通过第一光束组合器310将由第一滤光片A透射的第一束光(R)与由第一滤光片A反射的第二束光(G)组合提供一个组合的光束；通过第二光束组合器320将由第二滤光片透射的组合光束与由第二滤光片反射的第三束光(B)组合以提供一个输出光束，每一束光具有不同的波长；并且在光束组合器310和320之间提供低折射率粘合剂或气隙70，由此在不增加光束扩展量的情况下对光进行组合。

依据本发明的一个实施例，一种多颜色照明方法包括步骤：通过X立方镜410把从对应两个导光管330接收的至少两束具有两种不同波长的光进行组合；并且在每个导光管330和X立方镜410之间提供低折射率粘合剂或气隙70，由此在不增加光束扩展量的情况下对光进行组合。

现转至图17，依据本发明的一个实施例，该图示意了一个装有本发明的基于导光管彩色系统的光投影系统的示意图。LED光源510的输出，例如任何在此描述的彩色系统，被入射到投影引擎520(例如数字式光处理(DLP)，硅基液晶(LCOS)，高温多晶硅(HTPs)诸如此类)中，该投影引擎以传统方式通过投影镜头530产生投影的图像。依据本发明的一个方面，投影引擎520包含至少一个用于根据显示信号调制光的调制器板和一个将调制的光投影到显示屏的投影镜头530。

对于光纤应用中纤维通常是圆形的情况，系统可采用圆形的棱镜和滤光片实现。

虽然图14、15和17所示的是实心的锥形导光管330、420和430，但其他耦合构造，包括复合抛物面聚光器(CPC)、镜头、实心的或空心的CPC、导光管和其他任何成像或非成像系统均可使用。依据本发明的实施例，锥形导光管具有一个带镜头的输出表面。依据本发明的实施例，导光管的输入根据LED光源成形以提高耦合效率。

尽管参照上述的实施例对于本发明已作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以基于本发明的公开进行各种叠加、修改、改进和适配，并且这些修改、改进和适配都在本发明范围之内。附后的权利要求书意在解释包括上述的实施例，以及提到的各种选择和所有等价物。

Claims

1. 一种多色照明系统，包括一个光束组合器，所述光束组合器包括两个三棱镜和一个用于透射第一束光并反射第二束光的滤光片，每束光具有不同的波长；其中所述的光束组合器可操作地将所述透射的第一束光与所述反射的第二束光组合，以提供一个组合的光束；并且其中所述的两个三棱镜的每个表面被抛光，因此在不增加所述多色照明系统的光束扩展量的情况下，对所述光进行组合。

2. 权利要求1的系统，还包括：

n个光束组合器，用于组合n+1束光，每束光具有不同的波长，其中n大于2，且每个光束组合器包括两个三棱镜和一个滤光片，所述两个三棱镜的每个表面被抛光，所述滤光片用于透射所述从前一个光束组合器接收的组合的光束，并反射来自所述之前尚未透射的或反射的n+1束光中的一束新光，如果所述每个光束组合器不是最后的光束组合器，则所述每个光束组合器将对所述透射的组合的光束与所述反射的新光进行组合，以为下一个光束组合器提供一个新组合的光束，如果所述每个光束组合器是最后的光束组合器，则所述每个光束组合器将输出所述新组合的光束；和

低折射率粘合剂或气隙，其设置于每个所述光束组合器之间，因此在不增加所述多色照明系统的光束扩展量的情况下，对所有所述的光进行组合。

3. 权利要求2的系统，还包括n个光源，用于产生n束光，每束光具有不同的波长。

4. 权利要求3的系统，其中每个光源是一个LED或一个LED阵列。

5. 权利要求1的系统，还包括一个输出导光管，将其设置成用于接收绝大部分所述组合的光束。

6. 权利要求5的系统，其中所述输出导光管是以下导光管中的一种：直的导光管，上尖锥形的导光管或下尖锥形的导光管。

7. 权利要求5的系统，还包括在所述输出导光管和所述光束组合器之间的低折射率粘合剂或气隙。

8. 权利要求4的系统，还包括与每个LED或LED阵列相连的一个导光管。

9. 权利要求8的系统，其中所述的导光管是以下导光管中的一种：直的导光管，上尖锥形的导光管或下尖锥形的导光管。

10. 权利要求1的系统，还包括：

n个光束组合器，用于组合n束光，每束光具有不同的波长，其中n大于2，且每个光束组合器包括两个三棱镜和一个滤光片，所述两个三棱镜的每个表面被抛光，所述滤光片用于透射所述的从前一个光束组合器接收的组合的光束，并反射来自所述之前尚未透射的或反射的n束光中的一束新光，如果所述每个光束组合器不是最后的光束组合器，则所述每个光束组合器将对所述透射的组合的光束与所述反射的新光进行组合，以为下一个光束组合器提供一个新组合的光束，如果所述每个光束组合器是最后的光束组合器，则所述每个光束组合器将输出所述新组合的光束，并且其中每个光束具有不同波长；和

低折射率粘合剂或气隙，其设置于每个所述的光束组合器之间，因此在不增加所述多色照明系统的光束扩展量的情况下，对所有所述的光进行组合。

11. 一种用于投影显示系统的光引擎，包括权利要求2所述的多色照明系统。

12. 权利要求11所述的光引擎，其中所述光引擎是以下的一种：数字式光处理(DLP)，硅基液晶(LCOS)或高温多晶硅(HTP)。

13. 一个投影显示系统，包括权利要求11的用于投影显示系统的光引擎；至少一个光调制器板，用于根据显示信号调制光；和一个投影镜头，用于将所述调制的光投影到显示屏。

14. 一个用于投影显示系统的光引擎，包括权利要求1所述的多色照明系统。

15. 一个多色照明系统，包括：

至少两个LED或LED阵列，用于提供两束具有两个不同波长的光；

与每个LED或LED阵列相连的导光管；

一个X立方镜，用于组合从每个与LED相连的导光管接收的光，以提供一个输出光束；和

低折射率粘合剂或气隙，其设置于每个所述导光管和所述X立方镜之间，因此在不增加所述多色照明系统的光束扩展量的情况下，对所述光进行组合。

16. 权利要求15的系统，还包括n个LED或LED阵列，用于提供n束光，每束光具有不同的波长，其中n大于2。

17. 权利要求15的系统，还包括一个输出导光管，其设置成用于接收绝大部分输出光束。

18. 权利要求17的系统，其中所述输出导光管是以下导光管的一种：直的导光管，上尖锥形的导光管或下尖锥形的导光管。

19. 权利要求18的系统，还包括在所述输出导光管和所述X立方镜之间的低折射率粘合剂或气隙。

20. 权利要求15的系统，其中每个所述导光管是以下导光管的一种：直的导光管，上尖锥形的导光管或下尖锥形的导光管。

21. 一个用于投影显示系统的光引擎，包括权利要求16所述的多色照明系统。

22. 权利要求21所述的光引擎，其中所述的光引擎是以下的一种：数字式光处理(DLP)，硅基液晶(LCOS)或高温多晶硅(HTP)。

23. 一个投影显示系统，包括权利要求22的用于投影显示系统的光引擎；至少一个光调制器板，用于根据显示信号调制光；和一个投影镜头，用于将所述调制的光投影到显示屏。

24. 一个用于投影显示系统的光引擎，包括权利要求15所述的多色照明系统。

25. 一种用于多色照明的方法，包括步骤：

通过第一光束组合器将由第一滤光片透射的第一束光与由所述第一滤光片反射的第二束光组合以提供一个组合的光束；

通过第二光束组合器将由第二滤光片透射的所述组合的光束与由所述第二滤光片反射的第三束光组合以提供一个输出光束，每束光具有不同的波长；以及

在所述第一和第二光束组合器之间设置低折射率粘合剂或气隙，由此在不增加光束扩展量的情况下对所述光进行组合。

26. 一种用于多色照明的方法，包括步骤：

通过X立方镜将来自两个对应导光管的至少两束具有两个不同波长的光进行组合；以及

在每个导光管和所述X立方镜之间设置低折射率粘合剂或气隙，由此在不增加光束扩展量的情况下对所述光进行组合。