CN1595225A - 用于彩色图像显示的照明模块 - Google Patents

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CN1595225A CNA2004100770830A CN200410077083A CN1595225A CN 1595225 A CN1595225 A CN 1595225A CN A2004100770830 A CNA2004100770830 A CN A2004100770830A CN 200410077083 A CN200410077083 A CN 200410077083A CN 1595225 A CN1595225 A CN 1595225A
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Abstract

本发明涉及一种用于彩色图像显示的照明模块，其优选地在数据或视频投影仪以及背投电视设备中应用，在应用中将至少三个为原色红色(1)、绿色(9)和蓝色(10)的发光二极管(LED)或LED阵列的光校准到规定用于连接显示单元的、位于所述照明模块的光轴(2)上的位置(5)。按照本发明，具有朝所述显示单元方向的光路(Lr)的原色LED(1)或LED阵列被布置在所述照明模块的光轴(2)上。为了进行颜色混合，这样固定其他原色的LED(9、10)或LED阵列，使得其光路(Lg、Lb)在侧面依次以小于90度的耦合输入角(α、β)耦合输入到所述第一原色的光路(Lr)中。

Description

用于彩色图像显示的照明模块
技术领域
本发明涉及一种用于彩色图像显示的照明模块，其优选地在数据或视频投影仪以及背投电视设备中应用，在应用中将至少三个为原色红色、绿色和蓝色的发光二极管(LED)或LED阵列的光校准到规定用于连接显示单元的、位于该照明模块的光轴上的位置。
背景技术
目前只使用高压灯作为数据和视频投影仪的“光引擎”、投影监视器以及电视设备的照明模块。高压灯不仅辐射连续的可见光光谱，而且辐射在邻接范围(UV、IR)内的连续光谱。然而，为了产生图像，只需颜色红、绿和蓝的窄的波长范围。在产生连续的颜色时，利用颜色轮单个地、依次使用这些颜色。在此不需要的波长被滤去。
由于结合颜色红、绿和蓝的连续产生来使用高压灯，尤其对于小的移动投影仪来说，由灯的结构尺寸和有限的寿命所决定产生缺点，即必需使用颜色轮以及UV和IR滤光器，因此这种装置成本非常高。此外，光效率低。
为了克服这个缺点，已多次建议将发光二极管(LED)作为光源。在使用三个被调置成红色、绿色和蓝色的LED时，可以放弃颜色轮。代替该颜色轮，必须找到一种光学装置，其尽可能有效地收集由LED以大立体角辐射的光，使其成束、混合、均匀化并映射到成像器上。
还公开了用于联接多个光源的玻璃棱镜，其具备特殊的光学涂层(颜色混合立方体)。缺点是，除了吸收损失之外，需要相对较大的位置以及成本高。
为了联接多个彩色光束，公开了平面发射装置，其具有与所使用的颜色匹配的二向色涂层，其中通常以小于90度的角将两个颜色耦合输入到第三种颜色的光路中，也就是说，平面反射与第三种颜色的光路的光路成小于45度的角。
在DE 102 37 202.0中描述一种解决方法，其中这样将多个LED直接布置在混光杆(Lichtmischstab)的入射面中、侧面中或入射面的附近，使得其所辐射的光的最大部分混合到积分器中并输入到光出射面。
此外，EP 125148示出了来自LED的光借助纤维的光束转换，其中分别为单个纤维分配一个发射极。LED的光通过光纤或通过纤维阵列输入到积分器。根据所产生的颜色信号，通过接通和关断单个的彩色LED来进行颜色管理。显示控制器根据来自计算机的图像数据使LED的接通和关断同步。
对于多通道的应用，例如建议用于叠加单个颜色的颜色组合器。
已公开的解决方法的缺点基本上在于：在耦合输入到纤维或混光杆中时不能有效地利用由LED辐射的光电流。利用二向色的棱镜装置进行颜色混合在照明模块的尺寸以及效率方面同样具有局限性。
发明内容
基于此，本发明所基于的任务是：在使用LED作为光源的情况下，如下进一步研制照明模块，即随着使模块的结构尺寸最小化，在考虑在技术上可使用LED三原色的每个原色的光电流情况下同时提高光效率。
利用文章开头所述的那种照明模块并按照本发明通过以下方式来解决该任务，即将具有朝显示单元方向的光路的原色LED或LED阵列布置在照明模块的光轴上，并且为了进行颜色混合，这样固定其他原色的LED或LED阵列，使得其光路在侧面依次以小于90度的耦合输入角耦合输入到第一原色的光路中，其中该耦合输入角是LED或LED阵列的光轴与照明模块的光轴的夹角。
合理地，为了将两个原色耦合输入到第一原色的光路中，设有二向色滤光器，其被布置为与第一原色的光轴成小于45度的角。
一个有利的扩展变形方案在于，LED或LED阵列的红光被布置在照明模块的光轴上，该红光具有朝显示单元方向的光路，同时从绿色LED或LED阵列出发的光线被耦合输入到红色LED或LED阵列的光路中，并且从蓝色LED或LED阵列出发的光线被耦合输入到由原色红和绿混合成的光路中。
由所选择的两个原色到第三原色光路中的小于90度的耦合输入角以及二向色滤光器装置所决定，耦合输入效率跟耦合输入角等于90度的装置相比得到了明显改善。其原因是一方面降低了极化效应，其通常在所耦合输入的原色光线在高入射角的情况下射到二向色滤光器上时产生。另一方面，获得了更有利的光谱特性，因为可以选择更大的涂层光学厚度。此外，对于大量的应用来说产生可接受的位置关系。
合理地，从侧面被耦合输入的两个原色的耦合输入角(α、β)相等并且为75度。在这种角度情况下，可以在照明模块的输出端上获得最佳的光效率。
当使用LED或LED阵列时，为了实现最佳的颜色混合，除了耦合输入角之外，有意义的是LED或LED阵列具有627nm的红色中心波长，530nm的绿色中心波长以及455nm的蓝色中心波长。
另一个有利的扩展方案在于，将用于耦合输入绿色LED的光线的二向色滤光器构造为长通滤光器，其具有在600至670nm范围内的透射波长以及在470至580nm范围内的反射波长，其中为了使红光分量完全通过，该长通滤光器的背面应具有消除反射的涂层。
与此类似的是，作为用于耦合输入蓝色LED的光线的二向色滤光器，可以使用具有在480至670nm范围内的透射波长以及在420至470nm范围内的反射波长的长通滤光器，为了使红光和绿光分量完全通过，该滤光器的背面具有消除反射的涂层。
为了校准光分量，有利地是，在LED和二向色滤光器之间以及在二向色滤光器和例如连接混光器的位置之间布置聚光透镜，其具有依赖于所用波长来消除反射的表面。
在此由于生产成本低的原因，对于三原色中的每个原色，单个聚光透镜的表面形状可以是相同的。在此，已证明是合理地是，当聚光透镜是由塑料制成的非球面时，其在双侧具有消除宽带反射的表面。
为了降低照明模块的结构尺寸，通过在LED和二向色滤光器之间布置用微光方式建立的透镜阵列而单独地使每个彩色LED的光均匀化，这也可能是合理的。由此，可以避免积分器杆(Integrator-Stab)或积分器隧道(Integrator-Tunnel)形式的混光器，并且可以利用简单的透镜装置将借助二向色滤光器而合并的光直接映射到成像器上。
基于在三原色的颜色混合装置的输出端上最大可用的光电流，出现用于连续地调置颜色(白平衡)的LED和成像器的时间电路。光电流越弱，颜色的相对时间分量就越长。
附图说明
图1示出了本发明的照明模块的实施例。
具体实施方式
所属附图示出了一个红色LED1，其光轴位于照明模块的光轴2上，其中通过聚光透镜3和4来校准光线Lr。为了使光线Lr聚焦到没有详细描绘的混光杆的光入射面5上，在光路中还附加地有一个聚光透镜6。聚光透镜3、4和6是消除宽带反射的塑料透镜，其分别具有至少一个非球面的表面并且被这样布置在光轴2上，使得聚光透镜3和4的非球面的表面朝着光入射面5以及聚光透镜6的非球面的表面朝着LED1。
为了在侧面将绿色和蓝色耦合输入到光轴2上，在聚光透镜4和6之间有两个二向色滤光器7和8，其中这样布置二向色滤光器7，使得其将从绿色LED9出发的光线Lg耦合输入到红色光路Lr中。在此，二向色滤光器8承担以下作用，即将从蓝色LED10出发的光线Lb耦合输入到已经由红色光线Lr和绿色光线Lg混合而成的光路中。
绿色LED9的光轴11和蓝色LED10的光轴与红色LED1的光轴、或者更确切地说与照明模块的光轴2成入射角α和β，其中α和β分别为75度。
由绿色LED9校准的光线Lg通过聚光透镜13和14射到二向色滤光器7上，并且被耦合输入到完全穿过该二向色滤光器7的光线Lr中。与光线Lg的耦合输入类似，从蓝色LED10出发的光线Lb通过聚光透镜15和16射到二向色滤光器8上，并且和已经合并的光线Lr和Lg一起折射到光入射面5中。如上所述，混合光线Lr、Lg和Lb借助于聚光透镜6聚焦到混光杆的光入射面5中。
二向色滤光器7和8具有消除反射的背面，因此二向色滤光器7允许光线Lr完全通过，以及二向色滤光器8允许光线Lr和Lg完全通过。因为应在几乎没有光损失的情况下实现光线Lg和Lb的耦合输入，所以为二向色滤光器7和8配备特殊的薄涂层系统，其起长通滤光器的作用。
为了获得高的光效率，使用下列具有下列涂层的二向色滤光器：
    二向色滤光器     透射     反射
    78     600-670nm470-580nm     480-670nm420-580nm
     参考符号列表
1                 LED(红色)
2                 光轴
3、4              聚光透镜
5                 光入射面
6                 聚光透镜
7、8              二向色滤光器
9、10             LED(绿色，蓝色)
11、12            光轴
13、14、15、16    聚光透镜
Lr                LED 1(红色)的光线
Lg                LED 9(绿色)的光线
Lb                LED 10(蓝色)的光线
α、β                          耦合输入角

Claims (10)

1.用于彩色图像显示的照明模块，其优选地在数据或视频投影仪以及背投电视设备中应用，其中将原色红色(1)、绿色(9)和蓝色(10)的至少三个发光二极管(LED)或LED阵列的光校准到被设定用于连接显示单元的、位于所述照明模块的光轴(2)上的位置(5)，其特征在于，具有朝所述显示单元方向的光路(Lr)的原色LED(1)或LED阵列被布置在所述照明模块的光轴(2)上，并且为了进行颜色混合，这样固定其他原色的LED(9、10)或LED阵列，使得其光路(Lg、Lb)在侧面依次以小于90度的耦合输入角(α、β)耦合输入到所述第一原色的光路(Lr)中，其中所述耦合输入角(α、β)是LED(9、10)或LED阵列的光轴(11、12)与所述照明模块的光轴(2)的夹角。
2.如权利要求1所述的用于彩色图像显示的照明模块，其特征在于，为了将所述两个原色耦合输入到所述第一原色的光路(Lr)中，设有二向色滤光器(7、8)，并且所述二向色滤光器(7、8)被布置为与所述第一原色的光轴成小于45度的角。
3.如权利要求1所述的用于彩色图像显示的照明模块，其特征在于，具有朝所述显示单元方向的光路(Lr)的红色LED(1)或LED阵列被布置在所述照明模块的光轴(2)上，从绿色LED(9)或LED阵列出发的光路(Lg)被耦合输入到红色LED(1)或LED阵列的光路(Lr)中，并且从蓝色LED(10)或LED阵列出发的光路(Lb)被耦合输入到由原色红和绿混合成的光路(Lr、Lg)中。
4.如权利要求1所述的用于彩色图像显示的照明模块，其特征在于，从侧面所耦合输入的两个原色的耦合输入角(α、β)相等并且为75度。
5.如权利要求1和3所述的用于彩色图像显示的照明模块，其特征在于，所述LED(1、9、10)或LED阵列具有627nm的红色中心波长，530nm的绿色中心波长以及455nm的蓝色中心波长。
6.如权利要求1至3所述的用于彩色图像显示的照明模块，其特征在于，用于耦合输入所述绿色LED(9)的光线(Lg)的二向色滤光器(7)被构造为长通滤光器，其具有在600至670nm范围内的透射波长以及在470至580nm范围内的反射波长，其中为了使红光分量(Lr)完全通过，所述二向色滤光器(7)的背面具有消除反射的层。
7.如权利要求1至3所述的用于彩色图像显示的照明模块，其特征在于，用于耦合输入所述蓝色LED(10)的光线(Lb)的二向色滤光器(8)被构造为长通滤光器，其具有在480至670nm范围内的透射波长以及在420至470nm范围内的反射波长，其中为了使红光和绿光分量(Lr、Lg)完全通过，所述二向色滤光器(8)的背面具有消除反射的层。
8.如上述权利要求之一所述的用于彩色图像显示的照明模块，其特征在于，在所述LED(1、9、10)和所述二向色滤光器(7、8)之间布置以同样方式构成的聚光透镜对(3-4、13-14、15-16)，其具有依赖于所用波长来消除反射的表面。
9.如上述权利要求之一所述的用于彩色图像显示的照明模块，其特征在于，在例如连接混光器(5)的位置前设有使光路(Lr、Lg、Lb)成束的聚光透镜(6)。
10.如权利要求8所述的用于彩色图像显示的照明模块，其特征在于，聚光透镜(3、4、6、13、14、15、16)是由塑料制成的非球面。
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