CN103348288B - 照明光学系统与投影显示装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种照明光学系统，其具有：两个固态光源（11、12）；第一光导（21），其被配置为将从一个固态光源发射的光引导到第一方向上；第二光导（22），其被配置为将从另一个固态光源发射的光引导到第二方向上，该第二方向不同于第一方向；以及光路转换单元（31、32），其包括全反射面，该全反射面用于使借助第一光导和第二光导引导的光全反射以进入第三光导（50）。使用如此构造的照明光学系统的投影显示装置可以借助一个光学系统而将由多个光源发射的光径直输入成像元件。

Description

照明光学系统与投影显示装置

技术领域

本发明涉及一种投影显示装置和一种安装在该投影显示装置上的照明光学系统。

背景技术

近些年来，作为用于投影显示装置的光源，诸如LED（Light-EmittingDiode:发光二级管）或半导体激光器的固态光源已经引起注目。配备有该固态光源的投影显示装置包括具有固态光源和配置为引导从该固态光源发射的光的光学元件的照明光学系统，配置为调制由该照明光学系统引导的光的成像元件，以及投影由成像元件调制的光的投影光学系统。

多年来，固态光源的发光效率已被提高。例如，甚至已知具有超过150[Lm/W]的发光效率的LED。然而，对于投影高亮度图像所需的投影显示装置的光源，重要因素不仅在于发光效率，也在与发光量。

在这方面，即使当为各个颜色R、G、B中的每一个制备了一个LED模块时，由这三个LED模块发射的光量的总和也不能达到由常规放电灯发射的光量。已知具有超过数十瓦功耗的LED模块（也被称为“高功率LED”）。然而，即使当为各个颜色R、G、B中的每一个制备了一个高功率LED模块时，由这三个LED模块发射的光量的总和也不能达到由常规放电灯发射的光量。

因此，通过为R、G、B颜色中的每一个制备多个LED模块，可以提高其发光效率的总和。

引用列表

专利文献1：JP2006-106683A

专利文献2：JP2006-106682A

发明内容

发明待解决的问题：

然而，通过为R、G、B颜色中的每一个制备多个LED模块，产生如下问题。

如图1A所示，包括高功率LED的LED模块包括由铜或铝制成的金属基板100；大致安装在金属基板100的中心的发光元件（LED芯片101）；用于保护LED芯片101的覆盖玻璃（未示出），和从金属基板100延伸的一对电极102a与102b。换言之，LED芯片101安装在比该LED芯片101大的金属基板100上。

相应地，如图1B所示，当排列两个LED模块时，在一个LED模块上的LED芯片101的中心与在另一个LED模块上的LED芯片101的中心以距离T彼此分开。即两个LED芯片（光源）的中心不能彼此重合。换言之，不能将所有光源的中心布置在光轴上。其结果是，对于一个成像元件分散地存在多个光源。这里“光轴”意指与成像元件表面垂直的直线。

因此，在每个LED模块与成像元件之间必须设置光学系统，造成部件数目增加或照明光学系统扩大。

进一步地，即使在每个LED模块与成像元件之间设置光学系统时，从多个分散布置的光源发射的光斜向进入成像元件。因此光利用效率降低了。

可以由光导形成单一的次级光源，该光导的大小足够覆盖包括如图1B所示地布置的两个LED芯片101的发光面的区域。然而，因为两个LED芯片101如上所述地彼此分开，非常大的光导是必要的，并且照明光学系统也被增大。

构成LED模块的金属基板也起散热片作用，用于释放由LED芯片产生的热。这需要金属基板有足够的表面积。特别地在构成大热产生量的高功率LED的金属基板中，需要较大的表面积。其结果是，构成高功率LED的金属基板比构成普通LED模块的金属基板大。因此，当排列两个高功率LED时，距离T增大，造成前述问题显著化。

解决问题的技术方案

将从多个光源发射的光引导到一个共同的光导，以形成单一的次级光源，该多个光源对于一个成像元件分散布置。进一步地，无光损失的全反射被用作光路转换，执行该光路转换以实现将从多个光源发射的光引导到共同的光导。

发明的有益效果

从多个光源发射的光可以被光学系统引导到成像元件。进一步地，从多个光源发射的光可以直接进入成像元件。

附图说明

图1A是示出LED模块的平面图；

图1B是示出彼此相邻布置的两个LED模块的平面图;

图2是示出根据第一示例性实施例的投影显示装置的内部结构的示意图;

图3是示出图2中所示的第一照明光学系统的平面图;

图4是示出图2中所示的第一照明光学系统的透视图;

图5是示出图3与图4中所示的反射单元的放大图;

图6是示出图3与图4中所示的照明光学系统中光的运动的示意图；

图7是示出图3与图4中所示的照明光学系统的修改示例的平面图；

图8是示出根据第二示例性实施例的照明光学系统的平面图。

具体实施方式

（第一示例性实施例）

将描述根据本发明的第一示例性实施例的投影显示装置。图2是根据此示例性实施例的投影显示装置的内部结构的一部分的示意性图。根据本示例性实施例的投影显示装置包括：成像元件（液晶面板1R、1G和1B），其被制备用于R、G、B中的各个颜色；第一至第三照明光学系统2R、2G和2B，其被制备用于各个液晶面板；正交二向色棱镜（XDP3），其将由液晶面板产生的图像光合成；投影光学系统4，其投影由XPD3合成的全彩色图像光。

不必说，除了图2中所示的部件，根据本示例性实施例的投影型显示装置还包括基于图像输入信号形成图像并将形成的图像投影所必须的部件（未示出）。

接下来将详细描述照明光学系统，该照明光学系统是根据本示例性实施例的投影显示装置的一个特征。应该指出的是，图2中所示的三个照明光学系统2R，2G与2B在配置上基本类似。因此，将仅描述第一照明光学系统2R，而其他照明光学系统2G和2B的描述将被省略。

图3是示出第一照明光学系统2R的平面图。图4是示出第一照明光学系统2R的透视图。

如图3中所示，第一照明光学系统2R整体上具有大致T形的平面形状。具体而言，第一照明光学系统2R包括彼此相对地布置的第一LED模块11和第二LED模块12。第一光导21和第二光导22在第一LED模块11和第二LED模块12之间在直线上隔开。第一光路转换单元31和第二光路转换单元32被布置在第一光导21和第二光导22之间。反射单元40被设置在第一光路转换单元31和第二光路转换单元32之间。第三光导50被设置在反射单元40的相反侧，并夹着光路转换单元31和32。

第一LED模块11和第二LED模块12是的高功率LED模块，其结构类似于图1A所示的LED模块。具体而言，LED模块11和12中的每一个包括金属基板13、安装在金属基板13上的LED芯片14，和覆盖LED芯片14的覆盖玻璃（未示出）。另外，一对电极15a和15b（参见图4）从金属基板13的一侧延伸。从第一LED模块11和第二LED模块12发射的光的颜色为红色。

第一LED模块11（LED芯片14）的发光面经由非常小的间隙面对第一光导21的光入射面21a。另一方面，第二LED模块12（LED芯片14）的发光面经由非常小的间隙面对第二光导22的光入射面22a。为了减少光损失，希望在LED芯片的发光面与光导的光入射面之间的间隙尽可能窄。然而，为了在光导上的入射期间产生折射，该间隙必须大于光的波长。

第一光路转换单元31被接合到第一光导21的光出射面21b。另一方面，第二光路转换单元32被接合到第二光导22的光出射面22b。

具体而言，第一光路转换单元31是直角棱镜，其包括两个彼此正交的面（第一面31a和第二面31b）和跨跃第一面31a和第二面31b的斜面（第三面31c）。第一面31a通过光学粘合剂被接合到第一光导21的光出射面21b。

第二光学路转换单元32是直角棱镜，其包括两个彼此正交的面（第一面32a和第二面32b）和跨跃第一面32a和第二面32b的斜面（第三面32c）。第一面32a通过光学粘合剂被接合到第二光导22的光出射面22b。

另外，通过光学粘合剂，第一光路转换单元31的第二面31b和第二光学路径转换单元32的第二面32b被接合到第三光导50的光入射面50a。

换言之，第一光导21、第二光导22、第一光路转换单元31、第二光路转换单元32和第三光导50被一体化。

接下来，将描述反射单元40。图5是示出反射单元40的放大的透视图。反射单元40包括三角柱状基座构件41和金属膜（未示出），该金属膜形成为在基座构件41的两个连续侧面41a与41b上的反射膜。简单地讲，反射单元40包括两个反射面41a和41b。反射单元40被设置在第一光路转换单元31和第二光路转换单元32之间，以使得一个反射面41a可以经由非常小的间隙面对第一光路转换单元31的第三面31c，并且另一反射面41b可以经由非常小的间隙面对第二光路转换单元32的第三面32c（图3）。换言之，空气层61形成在第一光路转换单元31的第三面31c与反射面41a之间，并且空气层62形成在第二光路转换单元32的第三面32c与反射面41b之间。

接下来，将参考图3和图6描述第一照明光学系统2R的操作。从第一LED模块11发射的光从光入射面21a进入第一光导21。进入第一光导21的光被反复全反射以穿过第一光导21行进，然后从光出射面21b出射。换言之，通过光导21在第一方向（图6中所示的箭头“a”的方向）上引导从第一LED模块11发射的光。

从第一光导21的光出射面21b输出的光进入接合到光出射面21b的第一光路转换单元31。具体而言，从光出射面21b输出的光从第一光路转换单元31的第一面31a进入第一光路转换单元31，并且然后进入第一光路转换单元31的第三面31c。

空气层61存在于第一光路转换单元31的第三面31c与反射单元40的反射面41a之间。换句话说，第一光路转换单元31的第三面31c是折射率彼此不同的两种介质之间的边界面。相应地，已经以等于或大于临界角的角度进入第三面31c的光在第三面31c上被全反射。

在第一光路转换单元31的第三面31c上全反射的光，从第一光路转换单元31的第二面31b出射，以进入第三光导50。

另一方面，已经以小于临界角的角度进入第三面31c的光透射通过第三面31c。透射通过第三面31c的光在反射单元40的反射面41a上反射，以重新进入第一光路转换单元31。如光在第三面31c上全反射的情况，已经重新进入第一光路转换单元31的光从第二面31b出射，以进入第三光导50。

也就是说，所有由第一光导21引导以进入第一光路转换单元31的光最终被引导到第三光导50。进入第三光导50的光被反复全反射以穿过第三光导50行进，并且然后从光出射面出射。换言之，通过第三光导50在第三方向（图6中所示的箭头“c”的方向）上引导进入第三光导50的光。

另一方面，从第二LED模块12发射的光从光入射面22a进入第二光导22。进入第二光导22的光被反复全反射以穿过第二光导22行进，然后从光出射面22b出射。换言之，通过第二光导22在第二方向（图6中所示的箭头“b”的方向）上引导从第二LED模块12发射的光。

从第二光导22的光出射面22b输出的光进入接合到光出射面22b的第二光路转换单元32。然后，通过与前述情况相同的原理，所有由第二光导22引导以进入第二光路转换单元32的光最终被引导到第三光导50。进入第三光导50的光被反复全反射以穿过第三光导50行进，并且然后从光出射面出射。换言之，通过第三光导50在第三方向（图6中所示的箭头“c”的方向）上引导进入第三光导50的光。

简单地讲，从两个固态光导发射的光被引导到共同的光导，以形成单一的次级光源。

根据此示例性实施例的第一光导21和第二光导22是方柱。然而，它们可以是方筒。可以使用诸如BK7的光学玻璃或光学树脂作为用于第一光导21和第二光导22的材料。类似地，可以使用诸如BK7的光学玻璃或光学树脂作为用于第一光路转换单元31、第二光路转换单元32，以及反射单元40的基底构件41的材料。然而，希望的是，对于光路转换单元31和32，使用折射率比光导21、22和50的折射率高的材料。希望的是，对于三个光导21、22和50使用折射率相同的材料。

如在开始时所述地，如图2中所示的三个照明光学系统2R、2G和2B在配置上基本类似。然而，从构成第二照明光学系统2G的两个LED模块发射的光的颜色为绿色，而从构成第三照明光学系统2B的两个LED模块发射的光的颜色为蓝色。应当指出，一个照明光学系统可以通过使用用于发射不同颜色的光的两个LED模块来配置。

作为构成反射单元40的反射面41a和41b的金属膜，具有高反射效率的铝膜、金膜或银膜是希望的。不必说，可以使用电介质多层膜。

如图7中所示，反射面41a和41b可以由金属膜形成，该金属膜可以形成在板状基座构件41的表面上。板状基座构件41的数目可以是一个或多个。当使用多个板状基座构件41时，该多个板状基座构件41可以是一体化的或是独立的。

在本示例性实施例中，第一光路转换单元31和第二光路径转换单元32经由第三光导50而被一体化。然而，第一光路转换单元31和第二光路转换单元32可以被一体化地形成，而一体化地形成的第一光路转换单元31和第二光路转换单元32可以接合到第三光导50。

（第二示例性实施例）

图2中所示的三个照明光学系统2R、2G、2B中的至少一个可以被替换为图8中所示的照明光学系统。

在下文中，将描述图8中所示的照明光学系统。图8中所示的照明光学系统2在配置上基本类似于图3中所示的照明光学系统2R。

然而，在第一LED模块11与第二LED模块12之间的相对位置关系上，图8中所示的照明光学系统2与图3中所示的照明光学系统2R是彼此不同的。换言之，在第二LED模块12和第三光导50之间的相对位置关系上，图8所示的照明光学系统2和图3所示的照明光学系统2R是彼此不同的。

换言之，在图3中所示的照明光学系统2R中，第一LED模块11和第二LED模块12彼此面对。另一方面，在图8中所示的照明光学系统2中，第一LED模块11和第二LED模块12彼此并不面对。具体而言，在图8中所示的照明光学系统2中，第二LED模块12的发光面朝向第三光导50的光入射面。因此，为了使从第二LED模块12发射的光进入第三光导50，没有必要改变从第二LED模块12发射的光的行进方向。因此，在图8中所示的照明光学系统2中，省略了图3中所示的第二光路转换单元32。在图8中所示的照明光学系统2中，第二光源22的光出射面22b被接合到第三光导50的光出射面50a。

在图8中所示的照明光学系统2中，通过第一光导21在第一方向（图8中所示的箭头“a”的方向）上引导从第一LED模块11发射的光。所有由第一光导21引导的光最终进入第三光导50，以被引导在第三方向（图8中所示的箭头“c”的方向）上。所有由第一光导21引导的光进入第三光导50的原因已在上文阐明。

另一方面，通过第二光导22在第二方向（图8中所示的箭头“b”的方向）上引导从第二LED模块12发射的光。由第二光导22在第二方向上引导的光从第二光导22的光出射面22b出射。所有从第二光导22的光出射面22b输出的光从接合到光出射面22b的第三光导50的光入射面50a进入第三光导50。进入第三光导50的光被第三光导50引导至第三方向。

换句话说，在图8中所示的照明光学系统2中，第二光导22的光引导方向和第三光导50的引导方向是相似的，而第一光导21的光引导方向和第三光导50的引导方向是不同的。

然而，如在上述情况下，在图8中所示的照明光学系统2中，从两个固态光导发射的光被引导至共同的光导，以形成单一的次级光源。

根据本发明的固态光源包括半导体激光器和有机EL（电致发光）。根据本发明的成像元件包括DMD（数字微镜器件）。

附图标记

1R，1G，1B液晶面板

2R，2G，2B照明光学系统

11，12LED模块

21，22，50光导

31，32光路转换单元

31c，32c第三面（全反射面）

40反射单元

41a，41b反射面

Claims (10)

1.一种照明光学系统，包括：

两个固态光源；

第一光导，所述第一光导配置为在第一方向上引导从所述两个固态光源中的一个发射的光；

第二光导，所述第二光导配置为在不同于所述第一方向的第二方向上引导从所述两个固态光源中的另一个发射的光；

第三光导，所述第三光导配置为引导从所述第一光导和所述第二光导发射的光；

第一光路转换单元，所述第一光路转换单元包括第一全反射面，所述第一全反射面用于使由所述第一光导引导的光全反射，使得光进入所述第三光导；

第二光路转换单元，所述第二光路转换单元包括第二全反射面，所述第二全反射面用于使由所述第二光导引导的光全反射，使得光进入所述第三光导；

反射单元，所述反射单元具有布置在所述第一光路转换单元和所述第二光路转换单元之间的第一反射面和第二反射面，

其中所述第一反射面经由空气层与所述第一全反射面相对地设置，并且配置为使透射通过所述第一全反射面的光重新进入所述第一光路转换单元和所述第三光导；

所述第二反射面经由空气层与所述第二全反射面相对地设置，并且配置为使透射通过所述第二全反射面的光重新进入所述第二光路转换单元和所述第三光导。

2.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中：

所述两个固态光源彼此相对地布置；并且

所述第一方向和所述第二方向彼此正相反。

3.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，从所述两个固态光源中的一个发射的光的颜色与从所述两个固态光源中的另一个发射的光的颜色不同。

4.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中所述第一光路转换单元的折射率高于所述第一光导与所述第二光导的折射率中的任何一个。

5.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中所述第一光导的折射率和所述第二光导的折射率彼此相等。

6.一种照明光学系统，包括：

两个固态光源；

第一光导，所述第一光导配置为在第一方向上引导从所述两个固态光源中的一个发射的光；

第二光导，所述第二光导配置为在不同于所述第一方向的第二方向上引导从所述两个固态光源中的另一个发射的光，然后使光进入第三光导；

光路转换单元，所述光路转换单元包括全反射面，所述全反射面用于使从所述第一光导输出的光全反射以进入所述第三光导；以及

反射面，所述反射面经由空气层与所述全反射面相对地设置，并且配置为使透射通过所述全反射面的光重新进入所述光路转换单元。

7.根据权利要求6所述的照明光学系统，其中所述光路转换单元的折射率高于所述第一光导与所述第二光导的折射率中的任何一个。

8.根据权利要求6所述的照明光学系统，其中所述第一光导的折射率和所述第二光导的折射率彼此相等。

9.一种投影显示装置，包括：

成像元件；

照明光学系统，所述照明光学系统配置为照明所述成像元件；以及

投影光学系统，所述投影光学系统配置为投影由所述成像元件形成的图像光，

其中所述照明光学系统是根据权利要求1所述的照明光学系统。

10.一种投影显示装置，包括：

成像元件；

照明光学系统，所述照明光学系统配置为照明所述成像元件；以及

投影光学系统，所述投影光学系统配置为投影由所述成像元件形成的图像光，

其中所述照明光学系统是根据权利要求6所述的照明光学系统。