CN102654723A - 使用公共构建块的光引擎 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用三个五棱镜元件将第一、第二和第三颜色范围的光组合起来的光引擎。每个棱镜具有第一和第二对角线曲面。每个第一对角线曲面具有第一分色处理，每个第二对角线曲面具有第二分色处理。所述棱镜设置为第一棱镜的第一对角线曲面与第三棱镜的一个对角线曲面并列，以及第二棱镜的第二对角线曲面与第三棱镜的另一对角线曲面并列。第一颜色的第一光束由第一对角线曲面以直角反射，第二光束由第二对角线曲面以直角反射。第三颜色的第三光束不反射地穿过曲面，以生成组合的光束或共同的输出光路。

Description

使用公共构建块的光引擎
技术领域
本发明总体涉及用于图像投影系统的光组合器，更具体地，涉及用于沿共同的输出光路引导彩色光源的多棱镜系统。
背景技术
各种类型的影像投影系统在如今普遍使用。例如数字光处理器(DLP)或硅基液晶(LCOS)装置的成像装置由根据视频图像的瞬态帧(instantaneous frame)的光照明，并选择性地调节所述光。为了将这种投影仪的尺寸、重量和成本保持至某一最低限度，影像投影系统在生成彩色图像时，通常仅使用单个成像装置。所述装置由图像的红色、绿色和蓝色部分依次照明。这种操作模式被称为色序法(field-sequential color)。用于这种类型彩色影像投影仪的照明源或光引擎包括在视频帧的合适部分期间分别打开的单独的红、绿和蓝色光源。为了使用单独的图像形成装置，单独的色彩必须沿通向装置的相同光路照明图像装置。
在一块公共基板上使用红色、绿色和蓝色光发光二极管(LEDs)的光引擎通常具有效率和/或颜色均匀性问题。例如，单独的LED切块会难以相对于准直光学装置(collimating optics)而位于最佳的位置。使用针对每个颜色光的独立定位源的已知光引擎通常使用分色镜将独立源的光输出组合起来。已知的镜系统大而昂贵，并且不可能将它们有效地整合在紧凑型、低成本光引擎中。
发明内容
本发明一方面提供了一种用于对齐第一颜色范围、第二颜色范围和第三颜色范围的光的光引擎。第一和第二五棱镜元件每一个都具有实质上矩形的基部和实质上三棱柱部分，其中每个三棱柱部分具有第一和第二对角线曲面。每个第一对角线曲面具有用于在第一颜色范围内反射光以及在第二和第三颜色范围内透射光的第一分色处理。每个第二对角线曲面具有用于在第二颜色范围内反射光以及在第一和第三颜色范围内透射光的第二分色处理。第三五棱镜元件具有实质上矩形的基部以及具有第一和第二对角线曲面的实质上三棱柱部分，其中每个对角线曲面在第三颜色范围内透射光。设置棱镜元件使它们的棱柱部分相邻接，由此第一棱镜元件的第一对角线曲面与第三棱镜元件的一个对角线曲面并列，第二棱镜元件的第二对角线曲面与第三棱镜元件的另一个对角线曲面并列。
具有在第一颜色范围内的第一光束的第一光源设置为引导第一光束穿过第一棱镜元件的基部进入其棱镜部分。具有在第二颜色范围内的第二光束的第二光源设置为引导第二光束穿过第二棱镜元件的基部进入其棱镜部分。具有在第三光束为第三颜色范围内的第三光束的第三光源设置为引导第三光束穿过第三棱镜元件的基部进入其棱镜部分。第一光束被第一棱镜元件和第二棱镜元件的第一对角线曲面实质上以直角反射。第二光束被第一棱镜元件和第二棱镜元件的第二对角线曲面实质上以直角反射。第三光束实质上无反射地穿过第一、第二和第三棱镜元件，以产生共同的输出光路。
附图说明
图1是使用来自有色源的组合光的成像系统的框图。
图2是本发明棱镜组件的优选实施例的透视图。
图3是图2的棱镜组件的分解图。
图4是表示棱镜元件的对角线曲面的透视图。
图5是表示棱镜元件的准直表面的透视图。
图6是表示红色光的反射路径的棱镜元件的局部分解图。
图7是表示蓝色光的反射路径的棱镜元件的局部分解图。
图8是表示绿色光的反射路径的棱镜元件的局部分解图。
图9是具有根据本发明光引擎的图像投影系统实施例的示意图。
具体实施方式
本发明使用微光学、模制塑料导光管和分色表面或涂层来提供紧凑型、低成本、有效率的光引擎。在一个实施例中，将具有朗柏发射模式(Lambertian emission patterns)的分离的红色、绿色和蓝色LEDs用作红色、绿色和蓝色光源。来自每个LED的光在最接近LED的一侧的具有微光学准直模式的单独模制塑料部件中被准直。在塑料部件另一侧的棱镜表面具有最佳的反射角，并设有分色表面，所述分色表面具有调整的以适应来自LED光源的颜色的传播和反射性能。这些棱镜元件用收集器/漫射器收在一起，所述收集器/漫射器也是模制塑料部件，具有模制到所述部件中的光学微结构，用于将出射光束漫射至期望的f数(f number)。
通过适当地选择LEDs的分色性能和设置，本发明针对用于接收来自各个LED的光的模制塑料棱镜使用公共构建块(building block)。为了节约规模，具有针对三个颜色中仅两个颜色进行分色处理的同化部件可用于光学装置的所有三个准直/反射功能。在这样的实施例中，某些分色表面不执行有用的功能，但它们也不干涉有色光的期望传播。
可选择地，可以使用激光源代替LEDs。使用激光源可以不需要针对每个棱镜元件上的入射光束的微光学准直模式。此外，还可使用具有除了朗伯发射型以外的LEDs。
现在参考图1，组合器光学装置10接收来自独立的红色、绿色和蓝色源的光。光学装置10生成被引导进入成像器12的单独光输出路径11。共同的路径使得成像器12独立处理每个视频帧的不同的红色、绿色和蓝色部分。可选择地，如果期望沿着共同光路生成白色光输出，所述光源可同时被照明。
图2表示了利用公共构建块针对光引擎实现低成本、紧凑型组合器的棱镜组件15。第一、第二和第三五棱镜元件16、17和18从各彩色光源接收光。各棱镜元件16至18在它们的光输入表面上可优选包括微光学准直表面处理21。元件16至18的光输出表面沿着漫射元件20的输入表面在组件15内部连接在一起。元件20的输出表面可优选包括微光学漫射表面22，以在出射光束的输出上提供颜色强度的均匀性。
图3表示了组件分解状态的棱镜元件。所述元件具有彼此相邻以形成交叉的对角线曲面。至少元件16和18的对角线曲面设有分色表面。因此，元件16具有对角线曲面16a和16b，其带有用于在具体颜色范围内反射光的分色表面处理。元件18具有对角线曲面18a和18b，其中每个带有用于在相同的两个颜色范围内反射光的分色表面处理。棱镜元件17具有对角线曲面17a和17b，所述曲面可包括相同的分色表面处理以减少用于制备光引擎的部件总数，或者可选择地，可不包括任何分色处理。
在图4中显示了单独的五棱镜元件25，其包括矩形的基部26和三棱柱部分27。优选地，使用具有优良光学性能的已知塑料材料将基部26和三棱柱部分27整合形成为模制塑料组件。尽管基部26显示为具有穿过基部26至棱柱部分27的光路的一定厚度的矩形，提供这样的厚度并不是必要的。因此，本发明包括可以仅由三棱柱部分27的底面组成的基部。
棱柱部分27具有第一对角线曲面28和第二对角线曲面29。对角线曲面28具有用于在第一颜色范围(本实施例中为红色)内反射光同时在两个其它颜色范围内(即绿色和蓝色)透射光的第一分色处理。第二对角线曲面29具有用于在蓝色范围内反射光和在红色和绿色范围内透射光的第二分色处理。如图5中所示，基部26的入射面30可优选包括准直表面处理31。已知的微光学表面类型可以在模制棱镜元件时由模具生成，或者可以在使用已知的图形技术之后施加。
本领域已知当透射其它颜色时用于反射预定颜色光的分色涂层。例如参见专利号为7,508,591、2009年3月24日授权给皮尼奥(Pinho)的美国专利。颜色分色涂层可以例如从列支敦士登的Optics Balzers AG公司获得。优选红色和蓝色分色镜，因为它简化了棱镜元件以最小衰减穿过中间波长(即绿色)的剩余颜色的能力，这是由于它位于两个分色处理的通带。
当组装成光引擎时，在对立的横向侧的棱镜元件用于输入红色和蓝色光，并以共同的方向反射。因此，针对两个元件使用具有一个红色反射和一个蓝色反射分色表面的相同模制部件，但一个元件相对于另一个垂直翻转，由此它们的红色反射表面共面，并且它们的蓝色反射表面共面。
图6阐明了通过棱镜元件获得的红色光反射。红色LED 36照亮棱镜元件16的基部。红色光经过基部进入三棱柱部分，并且在元件16的第一对角线曲面由第一分色处理(反射红色)以直角反射。红色光通过元件16的第二对角线曲面穿出，没有被反射，因为第二对角线曲面上的分色处理反射蓝色光并透射红色光。然而，穿过的光之后遇上带有其红色反射性分色处理的棱镜元件18的第一对角线曲面。因此，所有的红色光以最佳角度(即直角)反射至输出光路。棱镜元件20没有显示在图6中，但它通常是存在的，为的是向输出光路提供期望的漫射和f数。在图6中，棱镜元件17显示远离其它棱镜元件以较好地照明光反射表面，但它优选1邻接其它的棱镜元件。
图7显示了照明棱镜元件18基部的蓝色光源38、以及最终在共同光输出路径上的蓝色光反射。图8显示了由绿色光源37产生的穿过棱镜元件17、16和18的绿色光的光输出路径。由于红色和蓝色分色处理不会影响绿色光，同化部件可用于元件17而不影响光输出。可选择地，可使用在对角线曲面上没有任何处理的棱镜元件17。这会导致部件总数增加，但会节约表面处理的成本。
图9显示了电路板40，其具有安装其上的用于影像投影系统的组件。红色LED41、绿色LED42和蓝色LED43分别照明棱镜元件44、45和46。元件44至46的对角线曲面各自具有用于如前述反射红色和蓝色范围的分色处理。漫射元件47具有颜色漫射或混合表面48，以便光引擎提供被引向角隅棱镜51的共同输出光路50，所述角隅棱镜带有使来自光引擎的光改变方向至成像器53的内部表面52。成像器53包括背衬镜(backingmirror)并连接至控制器54。成像器53可包含像素化的LCD装置，该装置用于根据将要投影的图像帧的相应部分选择性地减弱红色、绿色和蓝色光。形成的图像返回至角隅棱镜51并穿过角隅棱镜51至投影透镜55。

Claims (10)

1.用于对齐第一颜色范围、第二颜色范围和第三颜色范围内的光的光引擎装置，其特征在于，包含：
各自具有实质上矩形的基部和实质上三棱柱部分的第一和第二五棱镜元件，其中每个棱镜部分具有第一和第二对角线曲面，其中每个第一对角线曲面具有用于在第一颜色范围内反射光并且在第二和第三颜色范围内透射光的第一分色处理，其中每个第二对角线曲面具有用于在第二颜色范围内反射光并且在第一和第三颜色范围内透射光的第二分色处理；
具有实质上矩形的基部并且具有第一和第二对角线曲面的实质上三棱镜部分的第三五棱镜元件，其中每个对角线曲面透射第三颜色范围内的光，其中所述棱镜元件设置为使它们的棱柱部分相邻接，由此第一棱镜元件的第一对角线曲面与第三棱镜元件的一个对角线曲面并列，第二棱镜元件的第二对角线曲面与第三棱镜元件的另一个对角线曲面并列；
具有在第一颜色范围内的第一光束的第一光源，其设置为引导第一光束穿过第一棱镜元件的基部进入其棱镜部分；
具有在第二颜色范围内的第二光束的第二光源，其设置为引导第二光束穿过第二棱镜元件的基部进入其棱镜部分；以及
具有在第三颜色范围内的第三光束的第三光源，其设置为引导第三光束穿过第三棱镜元件的基部进入其棱镜部分；
其中第一光束被第一棱镜元件和第二棱镜元件的第一对角线曲面实质上以直角反射，其中第二光束被第一棱镜元件和第二棱镜元件的第二对角线曲面实质上以直角反射，以及其中第三光束实质上无反射地穿过第一、第二和第三棱镜元件，以产生共同的输出光路。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每个基部具有准直表面处理。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包含：
具有实质上矩形的基部和实质上三棱柱部分的第四五棱镜元件，所述三棱柱部分的第一和第二对角线曲面邻接第一棱镜元件的第二对角线曲面以及第二棱镜元件的第一对角线曲面，其中第四棱镜元件的基部具有颜色漫射表面处理。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第三棱镜元件具有在其第一对角线曲面上的第一分色处理、和在其第二对角线曲面上的第二分色处理，由此第一、第二和第三棱镜元件实质上是相同的组件。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，每个基部具有准直表面处理。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每个五棱镜元件的基部和三棱柱部分整合形成模制塑料组件。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，每个分色处理由各自的分色涂层构成。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一、第二和第三光源每个都由LED构成。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一、第二和第三光源每个都由激光源构成。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中第一颜色范围的特征是蓝色光，其中第二颜色范围的特征是红色光，以及其中第三颜色范围的特征是绿色光。
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