CN1435710A - 准直透镜、准直系统以及使用准直系统的图像显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种准直透镜和准直系统以及使用该准直系统的设备，该准直透镜和准直系统可有效地聚集从具有方向性的光源发出的光。所述准直系统包括：光源，所述光源具有至少一个优势发射角，所述光源以该优势发射角发出的光具有较大的光强分布；以及准直透镜，所述准直透镜包括至少一个棱镜部分，所述棱镜部分具有一个与所述光源的优势发射角相对应的棱镜角倾斜的发射表面。

Description

准直透镜、准直系统以及使用准直系统的图像显示设备

技术领域

本发明涉及用于将由光源发出的光强较大的光以一定角度高效地聚集在投影光学系统上的准直透镜和准直系统，以及使用该准直系统的投影式图像显示设备。

背景技术

参见图1，一个常规的发光二极管(LED)包括：作为光发射器的芯片100；小片103，小片103支撑芯片100并且具有反射表面103a，反射表面103a反射和会聚来自于光源的广泛发散的光；以及圆拱形部分105，圆拱形部分105进一步聚集由反射表面103a反射的光。

小片103和圆拱形部分105构成了投影式图像显示设备的第一光学系统，该第一光学系统通过使光聚集在该投影式光学系统的入射光瞳(未示出)中来提高光效率。但是，由于光以大的发散角从芯片100发出，因此尽管从芯片100发出的光被第一光学系统会聚，但是光不能完全聚集在该投影式光学系统。

存在几种类型的LED：吸收基质(AS)式LED、透明基质(TS)式LED以及大功率LED、截顶的倒置的棱锥(TIP)式LED等。在这些LED中，由于TIP式LED的光效率较高，因此通常用作投影式图像显示设备的光源。图2中示出了在TIP式LED中的相对于发射角变化的光强分布。如图2中所示，TIP式LED的发射角上限约为120度并且以大约±38度的角度发出的光的光强最大。在图2中，实线表示光强的标准上限，虚线表示光强的标准下限。由于TIP式LED的反射角的范围太大，因此仅利用第一光学系统不能获得高的聚集效率。

因此，如图1中所示，提供第二光学系统108以使来自于第一光学系统的光进一步聚集。通常，诸如图3A中所示的双凸面的透镜、图3B中所示的平凹的透镜、图3C中所示的双凸面的透镜以及图3D中所示的平凹的透镜的准直透镜已经用作第二光学系统。

例如，当双凸面的透镜用作第二光学系统时，光以下列方式被聚集。参见图4A，当光束在位置P1处被准直时，光束在位置P2处朝向光轴充分折射。相反，当光束在位置P2处被准直时，如图4B中所示，光束在位置P1处轻微地折射和发散。如上所述，光在双凸面透镜108的光瞳边界处充分折射，而光在双凸面透镜108的光瞳中心附近轻微折射。由于在双凸面透镜108内的折射能力的差异，因此在这样的常规准直透镜结构中不能使入射光准直和完全聚集在光瞳中。

发明内容

因此，本发明提供一种准直透镜和准直系统，该准直透镜和准直系统可有效地聚集从具有一个优势发射角的光源发出的光，所述光源以该优势发射角发出的光的光强分布大于以其他各个发射角发出的光的光强分布，本发明还提供一种使用该准直系统的设备。

在一个方面，本发明提供一种准直透镜，该准直透镜可有效地聚集从具有至少一个优势发射角的光源发出的光，所述光源以该优势发射角发出的光具有较大的光强分布，所述准直透镜包括至少一个棱镜部分，所述棱镜部分具有一个与所述光源的优势发射角相对应的棱镜角倾斜的发射表面。

在另一个方面，本发明提供一种准直系统，所述准直系统包括：光源，所述光源具有至少一个优势发射角，所述光源以该优势发射角发出的光具有较大的光强分布；以及准直透镜，所述准直透镜包括至少一个棱镜部分，所述棱镜部分具有一个与所述光源的优势发射角相对应的棱镜角倾斜的发射表面。

在所述准直系统中，设计所述至少一个棱镜部分以满足下列关系： ${\tan \mathrm{\α}}_n=\frac{{\sin \mathrm{\Ω}}_n}{\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\Ω}}_n-1}}$

其中，α_n表示棱镜部分的棱镜角，Ω_n表示光源的优势发射角，以及n是准直透镜的折射率。

在所述准直系统中，所述至少一个棱镜部分同心地形成在所述准直透镜中。

根据本发明，所述准直透镜是具有连续的发射表面的多角形透镜。光源是发光二极管或者激光二极管。光源具有一种阵列结构。

在另一个方面，本发明提供一种准直系统，所述准直系统包括：光源，所述光源具有至少一个优势发射角，所述光源以该优势发射角发出的光具有较大的光强分布；以及折射光学元件，所述折射光学元件包括至少一个局部区域，所述局部区域具有与所述优势发射角相对应的光栅间距。

在另一个方面，本发明提供一种图像显示设备，所述图像显示设备包括：多个光源，每一个光源具有至少一个优势发射角，所述光源以该优势发射角发出的光具有较大的光强分布；多个准直透镜，每一个准直透镜包括至少一个棱镜部分，所述棱镜部分具有一个与相应的光源的优势发射角相对应的棱镜角倾斜的发射表面；以及光组合单元，所述光组合单元根据入射光的波长传输或者反射来自于每一个准直透镜的平行入射光以沿着一个光学路径发射光；显示单元，所述显示单元根据输入图像信号处理从所述光组合单元入射的光以形成图像；以及投影透镜单元，所述投影透镜单元对由所述显示单元形成的图像放大并且将其投射到屏幕上。

附图说明

从下面参照附图对本发明的实施例的详细描述中可以明显地看出本发明的上述特征和优点，在附图中：

图1示出了一种常规的准直系统；

图2是表示在发光二极管中光强分布相对于发射角的变化的图表；

图3A至图3D示出了用于一种常规准直系统中的准直透镜的各种实施例；

图4A和图4B示出了一种常规准直系统的操作；

图5示出了本发明一个实施例所涉及的准直系统；

图6是本发明所涉及的用于图5中所示准直系统中的准直透镜的详细视图；

图7是表示在本发明所涉及的准直系统中所用的发光二极管中光强分布相对于发射角的变化的图表；

图8A、图8B和图9示出了本发明所涉及的准直系统中所用的准直透镜的各个实施例；

图10示出了本发明另一个实施例所涉及的准直系统；以及

图11示出了本发明一个实施例所涉及的投影式图像显示设备。

具体实施方式

参见图5，本发明所涉及的准直系统的一个实施例包括具有方向性的光源1和准直透镜18，准直透镜18具有棱镜部分，棱镜部分用于使从光源1发出的光准直。光源1具有至少一个优势反射角Ω_n，所述光源1以该优势发射角Ω_n发出的光的光强分布大于以其他各个发射角发出的光的光强分布。例如，作为发光二极管(LED)的光源1可包括发光的芯片10、支撑芯片10的小片13以及圆拱形部分15，圆拱形部分15具有能够聚集由芯片10反出的发散光的弯曲表面。

本发明的一个特征是在准直透镜18中的棱镜部分20，棱镜部分20能够聚集从光源1以优势反射角Ω_n发射的入射光。为了建立棱镜部分20的设计条件，在图6中对棱镜部分20进行放大。棱镜部分20包括光入射表面22和光射出表面24。棱镜部分20的光入射表面22可与准直透镜18的光入射表面相同。使光源1发出的光具有较大的光强分布的优势反射角Ω_n与光入射准直透镜18的角度相对应。

在图6中，l₁表示进入入射表面22的光，l₂表示在棱镜部分20中的折射光，以及l₃表示通过射出表面24的光。C表示准直系统的光学轴线，C′表示相对于光学轴线C的平行线，P₁表示相对于入射表面22的法线，以及P₁₁表示相对于射出表面24的法线。角β表示光相对于入射表面22的折射角，角γ表示光进入射出表面24的角度，以及角度δ表示光相对于射出表面24的折射角。另外，角α_n表示棱镜部分20的棱镜角，角α_n与优势反射角Ω_n相对应并且满足α_n＝(β+γ)的关系。用n表示棱镜部分20的折射率，根据斯涅尔定律建立下列关系。

nsinβ＝sinΩ_n                        公式(1)

nsinγ＝sinδ

以优势反射角Ω_n入射到棱镜部分20上的光l₁平行于光学轴线发射的棱镜角α_n以下列方式根据等式(1)来确定。为了通过棱镜部分20发射平行光，应该满足δ＝α_n的关系。通过棱镜部分20发射平行光的要求概括如下。

α_n＝β+γ                            公式(2)

α_n＝δ

可利用上述等式(1)和(2)推导出下列等式(3)

sinδ＝nsinγ

＝nsin(α_n-β)                        公式(3)

＝nsinα_ncosβ-ncosα_nsinβ

利用(1-sin²β)^1/2代替等式(3)中的cosβ并且利用等式(1)和(2)，可使等式(3)变换如下。 $\sin \mathrm{\δ}=$ $\sin {\mathrm{\α}}_n\sqrt{n^2(1-{\sin }^2\mathrm{\β})}$ $-{n\cos \mathrm{\α}}_n\sin \mathrm{\β}$ 等式(4) $={\sin \mathrm{\α}}_n\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\Ω}}_n}-{\sin \mathrm{\Ω}}_n{\cos \mathrm{\α}}_n$

根据δ＝α_n的关系，利用α_n代替δ可使等式(4)变换如下。 ${\sin \mathrm{\α}}_n={\sin \mathrm{\α}}_n\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\Ω}}_n}-{\sin \mathrm{\Ω}}_n\cos {\mathrm{\α}}_n$ 等式(5)

通过使等式(5)的两边都除以cosα_n可获得等式(6)。 ${\tan \mathrm{\α}}_n={\tan \mathrm{\α}}_n\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\Ω}}_n}-{\sin \mathrm{\Ω}}_n$ 等式(6)

对于棱镜角α_n，对等式(6)进行变换可获得等式(7)。 ${\tan \mathrm{\α}}_n=\frac{{\sin \mathrm{\Ω}}_n}{\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\Ω}}_n-1}}$ 等式(7)

可利用上述等式(7)计算入射到具有折射率n的棱镜部分20上的光平行于光学轴线C发射的棱镜角α_n。

当光源具有至少一个能够发射较大光强的光的优势发射角时，具有棱镜部分20的准直透镜18是有效的。作为一个示例，图7中示出了以各个发射角在一个LED芯片中的光强分布。LED芯片以10度和38度的发射角发出的光具有最大的光强分布。在图7中，利用虚线相互连接的点是试验数据，并且实线是例如利用Sovitzky-Golay方法使试验数据平滑的结果。因此，光强在发射角为10度和38度时最大。根据本发明，假设光源的优势发射角是大约10度和38度，确定可使以这些角度入射到棱镜部分上光准直的棱镜角α_n。

如果利用10度和38度代替优势反射角Ω_n来对等式(7)求解，那么棱镜角α_n分别为19.7度和59.5度。因此，用于接收以10度的优势发射角入射到棱镜部分上的光L1的在第一区域D1中的棱镜角α₁被确定为19.7度，用于接收以10度的优势发射角入射到棱镜部分上的光L1的在第二区域D2中的棱镜角α₂被确定为59.5度。如上所述，通过在棱镜部分中使从光源以优势反射角Ω_n发出的光入射的区域中限定棱镜角α_n，可大大地提高准直系统的聚光效率。

尽管在上面参照图8A描述的实施例中，在准直透镜18的每一个区域中仅形成一个棱镜部分20，但是如图8B中所示，在准直透镜18的每一个区域中可形成多个棱镜部分。在这种情况下，最好在同一个区域内的棱镜部分具有相同的棱镜角α_n。最好同心地形成多个棱镜部分。因此，可有效地聚集以优势发射角从光源发出的发散光。

或者，如图9中所示，准直透镜18可被制成多角形透镜，其中棱镜部分的第一区域D1和第二区域D2具有连续的射出表面22′。在这种情况下，由于射出表面22′的连续性，因此从准直透镜18发射的光不可能在第一区域D1和第二区域D2之间的边界处沿着不同的方向发散。

图10示出了本发明所涉及的准直系统的另一个实施例。参见图10，所述准直系统包括：光源1，所述光源1具有至少一个优势发射角Ω_n，所述光源以该优势发射角Ω_n发出的光具有较大的光强分布；以及折射光学元件28，所述折射光学元件28使以优势发射角Ω_n入射到其上的光准直。在图10中，利用与图5中的相同的附图标记表示的元件与图5中的那些元件相同。光源1在至少一个优势发射角Ω_n处具有发出较大的光强的光的方向性。折射光学元件28被设计以在使从光源10以优势反射角Ω_n发出的光入射的区域中具有由下列等式(8)限定的光栅间距d_n： $d_n=\frac{\mathrm{m\λ}}{{\sin \mathrm{\Ω}}_n}$ 等式(8)

其中m是自然数并且λ是入射光的波长。例如，当入射光的波长λ为530纳米，并且光源10的优势发射角Ω_n为10度和38度时，折射光学元件28具有从光源10发出的光以10度的优势发射角入射的第一区域D1′和从光源10发出的光以28度的优势发射角入射的第二区域D2′。第一区域D1′被设计为具有3微米的光栅间距d₁，第二区域D2′被设计为具有0.86微米的光栅间距d₂。以这样的方式，利用包括多个局部区域的折射光学元件28使准直系统的聚光效率可被提高，每一个局部区域具有用于接收以优势发射角从光源10发出的光的光栅间距。

下面将参照图11对利用本发明所涉及的准直系统的图像显示设备进行描述。参见图11，本发明的一个实施例所涉及的投影式图像显示设备包括：发射波长不同的光的第一、第二和第三光源30R、30G和30B；多个分别使来自于第一、第二和第三光源30R、30G和30B的入射光准直的准直透镜33；使来自于多个准直透镜33的光组合以沿着一个光学路径发光的光组合单元35；显示单元45，所述显示单元45根据输入图像信号处理从所述光组合单元35入射的光以形成图像30；以及投影透镜单元48，所述投影透镜单元48对由所述显示单元45形成的图像放大并且将其投射到屏幕50上。

特别是，第一、第二和第三光源30R、30G和30B发出不同波长的光。例如，第一光源30R可发出红光，第二光源30G可发出绿光，以及第三光源30B可发出蓝光。最好以至少一个优势发射角Ω_n(见图5)发光的光源可用作第一、第二和第三光源30R、30G和30B中的每一个，所述光源以该优势发射角Ω_n发出的光的光强分布大于以其他各个发射角发出的光的光强分布。例如，激光二极管或者发光二极管(LED)可用作第一、第二和第三光源30R、30G和30B中的每一个。或者，多个这样的光源以一种阵列设置以提供一个图像显示设备所需的光量。

如图6中所示，每一个准直透镜33包括棱镜部分20，棱镜部分20具有与至少一个优势发射角Ω_n相对应的棱镜角α_n。从第一、第二和第三光源30R、30G和30B中的每一个以优势发射角Ω_n发出被准直，同时通过每一个准直透镜33的棱镜部分20并且向着光组合单元35前进。

根据波长使以不同的方向发出的三种颜色R、G和B的光选择地传输或者从光组合单元35反射并且沿着相同的方向传播。例如，光组合单元35可是一种分色镜、一种X棱镜或者X折射光学元件。

在象素与象素的基底上根据输入图像信号使入射在显示单元45上的光束受到通断控制并且输送到投影透镜单元48。显示单元45例如可是能够根据图像信号利用微镜的通断切换操作显示彩色图像的移动式镜装置或者能够利用偏振入射光束显示彩色图像的液晶显示器(LCD)。

均光器40还设置在光组合单元35和显示单元45之间的光学路径上以使光束强度均匀。均光器40例如可是积分杆或者蝇眼透镜。图像显示设备还可包括使由光组合单元35发出的光束朝向均光器40会聚的第一中继透镜38和使由均光器40发出的光束朝向显示单元45会聚的第二中继透镜42。

由每一个准直透镜33准直的光和在光组合单元35上入射光被结合以沿着一个光学路径传播并且经第一中继透镜38、均光器40和第二中继透镜42以均匀的光强分布进入显示单元45。在显示单元45中，根据图像信号通过在象素与象素的基底上进行通断切换形成彩色图像。利用投影透镜单元48使所形成的彩色图像被放大并且被投射到屏幕50上。

如上所述，本发明所涉及的准直透镜和准直系统通过其棱镜部分使从光源以优势发射角发出的光被准直，所述棱镜部分的棱镜角被设计成与光源的优势发射角相对应的形式，从而可提高聚光效率。该准直透镜和准直系统适于提高聚光效率，特别是当光源发出广泛发散的光时。

当本发明所涉及的准直系统用于投影式图像显示设备时，使从光源发出的广泛发散的光被高效地聚集并且被传输到一个投影光学系统，从而可降低功率消耗。另外，在常规彩色图像显示设备中，通常用作光源的放电管可被LED代替，从而可获得能够被立即点亮并且长时间使用的高质量彩色图像显示设备。

尽管上面参照本发明的优选实施例对本发明进行了特别的描述，但是本领域普通技术人员应该理解的是，在不脱离由下面的权利要求所限定的本发明的保护范围的基础上可对其形式和细节进行各种改进。

Claims (21)

1.一种准直系统，所述准直系统包括：

光源，所述光源具有至少一个优势发射角，所述光源以该优势发射角发出的光具有较大的光强分布；以及

准直透镜，所述准直透镜包括至少一个棱镜部分，所述棱镜部分具有一个与所述光源的优势发射角相对应的棱镜角倾斜的发射表面。

2.如权利要求1所述的准直系统，其特征在于，设计所述至少一个棱镜部分以满足下列关系： ${\tan \mathrm{\α}}_n=\frac{{\sin \mathrm{\Ω}}_n}{\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\Ω}}_n-1}}$

其中，α_n表示棱镜部分的棱镜角，Ω_n表示光源的优势发射角，以及n是准直透镜的折射率。

3.如权利要求2所述的准直系统，其特征在于，所述至少一个棱镜部分同心地形成在所述准直透镜中。

4.如权利要求3所述的准直系统，其特征在于，所述光源是发光二极管或者激光二极管。

5.如权利要求4所述的准直系统，其特征在于，所述光源具有一种阵列结构。

6.如权利要求2所述的准直系统，其特征在于，所述准直透镜是具有连续的发射表面的多角形透镜。

7.一种准直系统，所述准直系统包括：

光源，所述光源具有至少一个优势发射角，所述光源以该优势发射角发出的光具有较大的光强分布；以及

折射光学元件，所述折射光学元件包括至少一个局部区域，所述局部区域具有与所述优势发射角相对应的光栅间距。

8.如权利要求7所述的准直系统，其特征在于，所述光源是发光二极管或者激光二极管。

9.一种图像显示设备，所述图像显示设备包括：

多个光源，每一个光源具有至少一个优势发射角，所述光源以该优势发射角发出的光具有较大的光强分布；

多个准直透镜，每一个准直透镜包括至少一个棱镜部分，所述棱镜部分具有一个与相应的光源的优势发射角相对应的棱镜角倾斜的发射表面；

光组合单元，所述光组合单元根据入射光的波长传输或者反射来自于每一个准直透镜的平行入射光以沿着一个光学路径发射光；

显示单元，所述显示单元根据输入图像信号处理从所述光组合单元入射的光以形成图像；以及

投影透镜单元，所述投影透镜单元对由所述显示单元形成的图像放大并且将其投射到屏幕上。

10.如权利要求9所述的图像显示设备，其特征在于，设计所述至少一个棱镜部分以满足下列关系： ${\tan \mathrm{\α}}_n=\frac{{\sin \mathrm{\Ω}}_n}{\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\Ω}}_n-1}}$

其中，α_n表示棱镜部分的棱镜角，Ω_n表示光源的优势发射角，以及n是准直透镜的折射率。

11.如权利要求10所述的图像显示设备，其特征在于，所述至少一个棱镜部分同心地形成在所述准直透镜中。

12.如权利要求11所述的图像显示设备，其特征在于，所述光源是发光二极管或者激光二极管。

13.如权利要求12所述的图像显示设备，其特征在于，所述光源具有一种阵列结构。

14.如权利要求10所述的图像显示设备，其特征在于，所述准直透镜是具有连续的发射表面的多角形透镜。

15.如权利要求10所述的图像显示设备，其特征在于，所述光组合单元35可是一种分色镜、一种X棱镜或者X折射光学元件。

16.如权利要求15所述的图像显示设备，其特征在于，所述图像显示设备还包括在所述光组合单元和所述显示单元之间的光学路径上以使光束强度均匀的均光器。

17.如权利要求9所述的图像显示设备，其特征在于，所述光组合单元35可是一种分色镜、一种X棱镜或者X折射光学元件。

18.一种准直透镜，该准直透镜可有效地聚集从具有至少一个优势发射角的光源发出的光，所述光源以该优势发射角发出的光具有较大的光强分布，所述准直透镜包括至少一个棱镜部分，所述棱镜部分具有一个与所述光源的优势发射角相对应的棱镜角倾斜的发射表面。

19.如权利要求18所述的准直透镜，其特征在于，设计所述至少一个棱镜部分以满足下列关系： ${\tan \mathrm{\α}}_n=\frac{{\sin \mathrm{\Ω}}_n}{\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\Ω}}_n-1}}$

其中，α_n表示棱镜部分的棱镜角，Ω_n表示光源的优势发射角，以及n是准直透镜的折射率。

20.如权利要求19所述的准直透镜，其特征在于，所述至少一个棱镜部分同心地形成在所述准直透镜中。

21.如权利要求19所述的准直透镜，其特征在于，所述准直透镜是具有连续的发射表面的多角形透镜。

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