DE10260611A1

DE10260611A1 - Kollimatorlinse, Kollimatorsystem und Bildanzeigevorrichtung, die ein Kollimatorsystem verwendet

Info

Publication number: DE10260611A1
Application number: DE10260611A
Authority: DE
Inventors: Ju Seong Hwang
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2003-08-21
Also published as: CN1435710A; GB2386201A; JP2003227906A; KR100453040B1; GB0229142D0; GB2386201B; US6927919B2; US20030147151A1; CN1222809C; KR20030065844A

Abstract

Es werden eine kollimierende Linse und ein kollimierendes System, die Licht, das von einer Lichtquelle mit Richtungsabhängigkeit ausgesandt wird, mit hoher Effizienz bündeln, und eine Bildanzeigevorrichtung des Projektionstyps, in der das kollimierende System eingesetzt ist, bereitgestellt. Das kollimierende System umfasst: eine Lichtquelle mit mindestens einem ausgeprägten Emissionswinkel, unter dem Licht mit relativ hoher Intensität ausgestrahlt wird; und eine kollimierende Linse mit mindestens einem Prismenbereich mit einer Austrittsfläche, die unter einen Prismenwinkel entsprechend dem ausgeprägten Emissionswinkel geneigt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINIDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kollimatorlinse und ein Kollimatorsystem, die Licht mit relativ großer Intensität, das von einer Lichtquelle ausgesandt wird, unter einem Winkel auf ein optisches Projektionssystem mit hohem Wirkungsgrad bündeln, und betrifft ferner eine Projektionsbildanzeigevorrichtung, in der ein Kollimatorsystem verwendet ist.

BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK

In Fig. 1 umfasst eine gewöhnliche Leuchtdiode (LED) einen Chip 100 als Lichtsender, ein Plättchen 103, das den Chip 100 trägt und eine reflektierende Oberfläche 103a aufweist, die das stark divergierende Licht aus der Lichtquelle reflektiert und bündelt, und eine Rundung 105, die das von der reflektierenden Oberfläche 103a reflektierte Licht weiter bündelt.

Das Plättchen 103 und die Rundung 105 bilden ein erstes optisches System einer Projektionsbilddarstellungsvorrichtung, die die Leuchteffizienz verbessern, indem Licht in die Eintrittsöffnung des optischen Projektionssystems (nicht gezeigt) gebündelt wird. Da jedoch das Licht von dem Chip 100 unter einem großen Divergenzwinkel ausgesendet wird, kann das Licht nicht vollständig in das optische Projektionssystem konzentriert werden, obwohl dieses von dem ersten optischen System gebündelt wird.

Es gibt mehrere Arten von LEDs: LEDs mit absorbierendem Substrat (AS), LEDs mit transparentem Substrat (TS), und Hochleistungs-LEDs, LEDs mit getrennter umgekehrter Pyramide (TIP), usw. Von diesen LEDs werden TIP-LEDs häufig als Lichtquelle für Projektionsbilddarstellungsvorrichtungen aufgrund ihrer hohen Lichtausbeute verwendet. Die Lichtintensitätsverteilung in Bezug auf den Aussendewinkel verhält sich in einer TIP-LED so, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besitzt die TIP- LED eine obere Emissionswinkelgrenze von ungefähr 120° und sendet die höchste Intensität unter Winkeln von ungefähr ± 38° aus. In Fig. 2 bezeichnet die durchgezogene Linie eine typische obere Grenze der Lichtintensität und die gestrichelte Linie bezeichnet eine typische untere Grenze der Lichtintensität. Da der Bereich der Emissionswinkel der TIP-LED zu breit ist, kann mit dem ersten optischen System allein keine hohe Bündelungseffizienz erreicht werden.

Daher wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist, ein zweites optisches System 108 für die weitere Bündelung des Lichts aus dem ersten optischen System vorgesehen. Konventioneller Weise werden kollimierende Linsen, etwa eine bikonvexe Linse, wie in Fig. 3A gezeigt ist, eine plankonkave Linse, wie in Fig. 3B gezeigt ist, eine bikonvexe Linse, wie in Fig. 3C gezeigt ist, und eine plankonkave Linse, wie in Fig. 3D gezeigt ist, als das zweite optische System verwendet.

Wenn beispielsweise die bikonvexe Linse als das zweite optische System verwendet ist, wird das Licht in der folgenden Weise gebündelt. Wenn entsprechend Fig. 4A ein Lichtstrahl an der Position P1 gebündelt wird, wird ein Lichtstrahl an der Position P2 stark in Richtung der optischen Achse gebeugt. Wenn im Gegensatz dazu ein Lichtstrahl an der Position P2 gebündelt wird, wie dies in Fig. 4B gezeigt ist, wird ein Lichtstrahl an der Position P1 leicht gebeugt und divergiert. Wie zuvor beschrieben ist, wird Licht an der Grenze der Pupille der bikonvexen Linse 108 gebeugt, wohingegen Licht in der Nähe des Mittelpunkts der Pupille der bikonvexen Linse 108 nur leicht gebeugt wird. Aufgrund des Unterschieds in der Beugungsstärke innerhalb der bikonvexen Linse 108, ist es in derartigen konventionellen Kollimatorlinsenstrukturen nicht möglich, das einfallende Licht zu kollimieren und vollständig in die Pupille zu konzentrieren.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Daher stellt die Erfindung eine kollimierende Linse und ein kollimierendes System bereit, das in effizienter Weise Licht, das von einer Lichtquelle mit einem ausgeprägten Emissionswinkel emittiert wird, und in dem eine Lichtintensitätsverteilung relativ größer als die Intensitätsverteilung und zu anderen diversen Emissionswinkel der Lichtquelle ist, bündelt, und stellt ferner eine Bildanzeigevorrichtung bereit, in der das kollimierende System verwendet ist.

Gemäß einem Aspekt stellt die Erfindung eine kollimierende Linse zum Bündeln von Licht, das von einer Lichtquelle mit mindestens einem ausgeprägten Emissionswinkel, bei dem Licht mit einer relativ großen Intensitätsverteilung ausgesendet wird, emittiert, wobei die kollimierende Linse mindestens einen Prismenbereich mit einer Austrittsoberfläche umfasst, die unter einem Prismenwinkel entsprechend dem ausgeprägten Emissionswinkel der Lichtquelle geneigt ist.

In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein kollimierendes System bereit, das umfasst: eine Lichtquelle mit mindestens einem ausgeprägten Emissionswinkel, unter dem Licht mit einer relativ großen Intensitätsverteilung ausgesendet wird; und eine kollimierende Linse mit mindestens einem Prismenbereich mit einer Austrittsoberfläche, die unter einem Prismenwinkel entsprechend dem ausgeprägten Emissionswinkel geneigt ist.

In dem kollimierenden System ist der zumindest eine Prismenbereich so gestaltet, um die folgende Beziehung zu erfüllen:

wobei α_n den Prismenwinkel des Prismenbereichs, Ω_n den ausgeprägten bzw. dominierenden Emissionswinkel der Lichtquelle und n einen Brechungsindex der Kollimatorlinse bezeichnet.

In dem kollimierenden System ist der zumindest eine Prismenbereich konzentrisch in der kollimierenden Linse gebildet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die kollimierende Linse eine Polygonallinse mit einer zusammenhängenden Austrittsfläche. Die Lichtquelle ist eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode. Die Lichtquelle weist eine Array-Struktur auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein kollimierendes System bereit, das umfasst: eine Lichtquelle mit zumindest einem ausgeprägten Emissionswinkel, unter dem Licht mit einer relativ großen Intensitätsverteilung ausgesendet wird; und ein beugendes optisches Element mit mindestens einem Schnittgebiet mit einem Gitterabstand, der dem ausgeprägten Emissionswinkel entspricht.

Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Bilddarstellungsvorrichtung bereit mit: mehreren Lichtquellen, wobei jede mindestens einen ausgeprägten Emissionswinkel aufweist, unter dem Licht mit einer relativ großen Intensitätsverteilung ausgesendet wird; mehreren kollimierenden Linsen, wovon jede mindestens einen Prismenbereich mit einer Austrittsfläche aufweist, die unter einem Prismenwinkel entsprechend dem ausgeprägten Emissionswinkel einer entsprechenden Lichtquelle geneigt ist; einer Lichtvereinigungseinheit, die parallel einfallendes Licht aus jeder der kollimierenden Linsen entsprechend der Wellenlänge des einfallenden Lichts durchlässt oder reflektiert, um Licht entlang eines einzelnen optischen Weges auszusenden; einer Anzeigeeinheit, die das von der Lichtvereinigungseinheit einfallende Licht entsprechend einem Eingangsbildsignal verarbeitet, um ein Bild zu erzeugen; und einer Projektionslinseneinheit, die das von der Anzeigeeinheit gebildete Bild auf einen Bildschirm vergrößert und projiziert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorhergehenden Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert werden; es zeigen:

Fig. 1 ein konventionelles Kollimatorsystem;

Fig. 2 einen Graphen der Lichtintensitätsverteilung in Abhängigkeit der Änderung des Emissionswinkels einer Leuchtdiode;

Fig. 3A bis 3D diverse Beispiele einer kollimierenden Linse, die in einem konventionellen kollimierenden System verwendet sind;

Fig. 4A und 4B die Funktion eines konventionellen kollimierenden Systems;

Fig. 5 ein kollimierendes System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine Detailansicht einer kollimierenden Linse, die in dem kollimierenden System aus Fig. 5 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ist;

Fig. 7 einen Graphen der Lichtintensitätsverteilung in Abhängigkeit diverser Emissionswinkel einer Leuchtdiode, die in dem erfindungsgemäßen kollimierenden System verwendet ist;

Fig. 8A, 8B und 9 diverse Beispiele einer kollimierenden Linse, die in dem erfindungsgemäßen kollimierenden System verwendet sind;

Fig. 10 ein kollimierendes System gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform; und

Fig. 11 eine Bildanzeigevorrichtung des Projektionstyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gemäß Fig. 5 umfasst eine Ausführungsform eines kollimierenden Systems bzw. eines Kollimatorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung eine Lichtquelle 1 mit Richtungsabhängigkeit und eine kollimierende Linse 118 bzw. eine Kollimatorlinse mit einem Prismenbereich, der das von der Lichtquelle 1 ausgesandte Licht kollimiert. Die Lichtquelle 1 weist mindestens einen ausgeprägten bzw. dominierenden Emissionswinkel Ω_n auf, unter dem eine Lichtintensitätsverteilung relativ größer ist als die Intensitätsverteilung bei anderen Emissionswinkeln. Das Aussenden von Licht unter einem ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n wird als die Richtungsabhängigkeit einer Lichtquelle bezeichnet. Beispielsweise kann die Lichtquelle 1, die eine Leuchtdiode (LED) ist, einen Chip 10, der Licht emittiert, ein Plättchen 13, das den Chip 10 trägt, und eine Rundung 15 mit einer gekrümmten Oberfläche zum Bündeln divergierenden Lichts, das von dem Chip 10 ausgesendet wird, aufweisen.

Der Prismenbereich 20 in der kollimierenden Linse 18 zum Bündeln des unter dem ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n von der Lichtquelle 1 ausgesandten Lichts ist ein Merkmal der Erfindung. Um die Entwurfsbedingungen für den Prismenbereich 20 zu ermitteln, ist der Prismenbereich 20 in Fig. 6 vergrößert dargestellt. Der Prismenbereich 20 umfasst eine Lichteingangsfläche 22 und eine Lichtaustrittsfläche 24. Die Eingangsfläche 22 des Prismenbereichs 20 ist optisch identisch mit der Oberfläche der kollimierenden Linse 18, in die Licht eintritt. Der ausgeprägte Emissionswinkel Ω_n, unter dem Licht mit größerer Intensität von der Lichtquelle 1 ausgesandt wird, entspricht dem Winkel, unter dem das Licht in die kollimierende Linse 18 eintritt.

In Fig. 6 bezeichnet I₁ Licht, das in die Eintrittsfläche 22 eintritt, I₂ Licht, das in dem Prismenbereich gebrochen wird, und I₃ Licht, das durch die Austrittsfläche 24 austritt. C bezeichnet die optische Achse des kollimierenden Systems, C' bezeichnet eine parallele Linie in Bezug auf die optische Achse C, P_I bezeichnet eine senkrechte Linie in Bezug auf die Eintrittsfläche 22 und P_II bezeichnet eine senkrechte Linie in Bezug auf die Austrittsfläche 24. Der Winkel β bezeichnet einen Brechungswinkel des Lichts in Bezug auf die Eintrittsfläche 22, der Winkel γ bezeichnet den Winkel, unter dem das Licht in die Austrittsfläche 24 eintritt, und der Winkel δ bezeichnet einen Beugungswinkel des Lichts in Bezug auf die Austrittsfläche 24. Ferner bezeichnet der Winkel α_n den Prismenwinkel des Prismenbereichs 20, der dem ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n entspricht und der der Beziehung genügt: α_n = (β + γ). Wenn der Brechungsindex des Prismenbereichs 20 als n bezeichnet wird, kann die folgende Beziehung gemäß dem Gesetz von Snellius aufgestellt werden.

n sin β = sin Ω_n
n sin γ - sinδ (1)

Der Prismenwinkel α_n, unter dem das Licht I₁, das auf dem Prismenbereich 20 unter dem ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n einfällt, parallel zu der optischen Achse ausgesendet wird, wird auf der Grundlage der Gleichung (1) wie folgt bestimmt. Um paralleles Licht durch den Prismenbereich 20 auszusenden, sollte die Beziehung δ = α_n erfüllt werden. Die Anforderungen für das Aussenden des parallelen Lichts durch den Prismenbereich 20 können wie folgt zusammengefasst werden.

α_n = β + γ
α_n = δ (2)

Die folgende Gleichung (3) kann aus den Gleichungen (1) und (2) abgeleitet werden.

sin δ = n sin γ
= n sin (α_n - β)
= n sin α_n cosβ - n cosα_n sinβ (3)

Durch Einsetzen von (1-sin²β)^S für cosβ in Gleichung (3) und unter Verwendung der Gleichungen (1) und (2), kann die Gleichung (3) in der folgenden Weise umgeordnet werden.

Die Gleichung (4) kann durch Ersetzen von α_n für δ auf der Grundlage der Beziehung α_n = δ wie folgt umgeordnet werden.

Die folgende Gleichung (6) wird durch Dividieren beider Seiten der Gleichung (5) durch cos α_n erhalten.

Die folgende Gleichung (7) wird durch Auflösen der Gleichung (6) nach dem Prismenwinkel α_n erhalten.

Der Prismenwinkel α_n, unter dem das von dem Prismenbereich 20 mit dem Brechungsindex n einfallende Licht parallel zu der optischen Achse C ausgesendet wird, kann unter Verwendung der obigen Gleichung (7) berechnet werden.

Die kollimierende Linse 18 mit dem Prismenbereich 20 ist wirksam, wenn eine Lichtquelle mindestens einen ausgeprägten Emissionswinkel aufweist, unter dem Licht mit relativ großer Intensität ausgesendet wird. Als Beispiel ist die Lichtintensitätsverteilung in einem LED-Chip bei diversen Emissionswinkeln in Fig. 7 gezeigt. Der LED-Typ sendet Licht mit einer Spitzenintensität bei den Emissionswinkeln von 10° und 38° aus. In Fig. 7 sind die durch die gestrichelte Linie verbundenen Punkte experimentelle Daten und die durchgezogene Linie ist das Ergebnis des Glättens der experimentellen Daten, wobei beispielsweise das Sovitzky-Golay-Verfahren verwendet wird. Als Folge davon ist die Lichtintensität bei den Emissionswinkeln von ungefähr 10° und 38° am größten. Unter der Annahme, dass die ausgeprägten Emissionswinkel der Lichtquelle bei ungefähr 10° und 38° liegen, kann erfindungsgemäß der Prismenwinkel α_n, unter dem das auf den Prismenbereich einfallende Licht bei diesen Winkeln gebündelt werden kann, bestimmt werden.

Wenn die Gleichung (7) durch Einsetzen von 10° und 38° für den ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n gelöst wird, ergibt sich der Prismenwinkel α_n zu 19,7° und 59,5°. Folglich wird ein Prismenwinkel α₁ in einem ersten Gebiet D1 zum Empfangen von Licht L1, das von dem Prismenbereich unter einem ausgeprägten Emissionswinkel von 10° eintrifft, zu 19,7° bestimmt, und ein Prismenwinkel α₂ in einem zweiten Bereich D2 zum Empfangen von Licht L1, das von dem Prismenbereich unter einem ausgeprägten Emissionswinkel von 10° eintrifft, wird zu 59,5° bestimmt. Durch Definieren des Prismenwinkels α_n in dem Gebiet des Prismenbereichs, in den das Licht, das von der Lichtquelle 10unter dem ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n ausgesendet wird, eintrifft, wie dies zuvor beschrieben wird, kann die Lichtbündelungseffizienz des kollimierenden Systems stark verbessert werden.

Obwohl in der zuvor mit Bezug zu Fig. 8A beschriebenen Ausführungsform lediglich ein Prismenbereich 20 in jedem der Gebiete der kollimierenden Linse 18 gebildet ist, können mehrere Prismenbereiche in jedem der Gebiete der kollimierenden Linse 18 gebildet sein, wie dies in Fig. 8B gezeigt ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass die Prismenbereiche innerhalb des gleichen Gebiets einen gleichen Prismenwinkel α_n aufweisen. Vorteilhaft ist es, dass die mehreren Prismenbereiche konzentrisch gebildet sind. Daher kann divergierendes Licht, das von der Lichtquelle unter dem ausgeprägten Emissionswinkel ausgesendet wird, in effizienter Weise gebündelt werden.

Alternativ kann die kollimierende Linse 18 als eine Poligonallinse gestaltet sein, wobei das erste und das zweite Gebiet D1 und D2 des Prismenbereichs eine zusammenhängende Austrittsfläche 22' aufweisen, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Aufgrund der zusammenhängenden Struktur der Austrittsfläche 22' ist es in diesem Fall unwahrscheinlich, dass von der kollimierenden Linse 18 austretendes Licht in unterschiedliche Richtungen an der Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet D1 und D2 zerstreut wird.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kollimierenden Systems. Gemäß Fig. 10 umfasst das kollimierende System eine Lichtquelle 1 mit mindestens einem ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n, unter den Licht mit einer relativ breiten Lichtintensitätsverteilung ausgesendet wird, und ein beugendes optisches Element 28, das darauf unter dem ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n einfallendes Licht kollimiert. In Fig. 10 sind die Elemente, die mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 5 bezeichnet sind, identisch zu diesen Elementen aus Fig. 5. Die Lichtquelle 1 besitzt eine Richtungsabhängigkeit, wobei Licht mit relativ großer Intensität bei dem zumindest einen ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n ausgestrahlt wird. Das beugende optische Element 28 ist so gestaltet, dass es einen Gitterabstand d_n aufweist, der durch die folgende Gleichung (8) definiert ist, in einem Gebiet, in dem das Licht, das von der Lichtquelle 10 unter dem ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n ausgestrahlt wird, eintrifft:

wobei m eine natürliche Zahl und λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist. Wenn beispielsweise die Wellenlänge λ des einfallenden Lichts 530 nm beträgt und die ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n der Lichtquelle 10 10° und 38° sind, so weist das beugende optische Element 28 ein erstes Gebiet D1', auf das das von der Lichtquelle 10 unter einem ausgeprägten Emissionswinkel von 10° ausgesandte Licht eintrifft, und ein zweites Gebiet D2' in dem das von der Lichtquelle 10 unter einem ausgeprägten Emissionswinkel von 28° ausgesandte Licht eintrifft, auf. Das erste Gebiet D1' ist so gestaltet, dass es einen Gitterabstand d₁ von 3 µm aufweist, und das zweite Gebiet D2' ist so gestaltet, dass es einen Gitterabstand d₂ von 0,86 µm aufweist. Auf diese Weise kann die Lichtbündelungseffizienz des kollimierenden Systems verbessert werden, wobei das beugende optische Element 28 mit den mehreren Schnittgebieten verwendet wird, wobei jedes einen Gitterabstand zum Empfangen des Lichts aufweist, das von der Lichtquelle 10 unter einem ausgeprägten Emissionswinkel ausgesendet wird.

Im Weiteren wird eine Bilddarstellungsvorrichtung mit Bezug zu Fig. 11 beschrieben, wobei das kollimierende System gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ist. Gemäß Fig. 11 umfasst die Bilddarstellungsvorrichtung des Projektionstyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine erste, eine zweite und eine dritte Lichtquelle 30R, 30G und 30B, die entsprechend unterschiedliche Wellenlängen aussenden, mehrere kollimierende Linsen 33, die das von der ersten, der zweiten und der dritten Lichtquelle 30R, 30G und 30B eintreffende Licht bündeln, eine Lichtvereinigungseinheit 35, die das Licht von dem mehreren kollimierenden Linsen 33 vereinigt, um Licht entlang eines einzelnen optischen Weges auszusenden, eine Anzeigeeinheit 45, die das darauf von der Lichtvereinigungseinheit 30 entlang dem einzelnen optischen Weg einfallende Licht entsprechend einem Bildeingangssignal verarbeitet und ein Bild anzeigt, und eine Projektionslinseneinheit 48, die das auf der Anzeigeeinheit 45 dargestellte Bild vergrößert und auf einen Bildschirm 50 projiziert.

Insbesondere senden die erste, die zweite und die dritte Lichtquelle 30R, 30G und 30B Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge aus. Beispielsweise kann die erste Lichtquelle 30R rotes Licht, die zweite Lichtquelle 30G grünes Licht und die dritte Lichtquelle 30B blaues Licht emittieren. Vorteilhaft ist es, dass eine Lichtquelle, die Licht unter mindestens einem ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n (siehe Fig. 5) aussendet, der eine Intensitätsverteilung zeigt, die relativ größer als die Intensitätsverteilung bei diversen anderen Emissionswinkeln ist, für jeweils die erste, die zweite und die dritte Lichtquelle 30R, 30G und 30B verwendet wird. Beispielsweise kann eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode (LED) für jeweils die erste, die zweite und die dritte Lichtquelle 30R, 30G und 30B verwendet werden. Alternativ können mehrere derartige Lichtquellen als ein Array bzw. ein Feld angeordnet werden, um die erforderliche Intensität für eine Bilddarstellungsvorrichtung bereit zu stellen.

Jede der kollimierenden Linsen 33 umfasst einen Prismenbereich 20, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, mit dem Prismenwinkel α_n, der zumindest einem ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n entspricht. Das von jeder der ersten, der zweiten und der dritten Lichtquelle 30R, 30G und 30B unter dem ausgeprägten Emissionswinkel Ω_n ausgesandte Licht wird gebündelt, während es durch den Prismenbereich 20 jeder der kollimierenden Linsen 33 läuft und wird zu der Lichtvereinigungseinheit 35 gelenkt.

Das Licht der drei Farben R, G und B, das in unterschiedliche Richtungen ausgestrahlt wird, wird selektiv von der Lichtvereinigungseinheit 35 entsprechend den Wellenlängen durchgelassen oder reflektiert, und läuft in der gleichen Richtung. Die Lichtvereinigungseinheit 35 kann beispielsweise ein dichroischer Spiegel, ein X-Prisma oder ein Xoptisches Beugungselement sein.

Ein auf die Anzeigeeinheit 45 einfallender Lichtstrahl wird einer Ein-Aus-Steuerung auf Pixel-Basis entsprechend einem Eingangsbildsignal unterworfen und der Lichtstrahl wird in die Projektionslinseneinheit 48 gesendet. Die Anzeigeeinheit 45 kann beispielsweise ein bewegbares Spiegelelement sein, das ein Farbbild durch den Ein-Aus-Schaltvorgang von Mikrospiegeln gemäß einem Bildsignal darstellt, oder kann eine Flüssigkristallanzeige (LCD) sein, die ein Farbbild durch Polarisieren des einfallenden Strahls darstellt.

Eine Lichtanpassungseinheit 40 ist ferner im Strahlengang zwischen der Lichtvereinigungseinheit 35 und der Anzeigeeinheit 45 angeordnet, um eine gleichförmige Strahlintensität bereit zu stellen. Die Lichtanpasseinheit 40 kann beispielsweise ein integrierender Stab oder eine Fliegenaugenlinse sein. Die Bilddarstellungsvorrichtung kann ferner eine erste Übertragungslinse 38, die den von der Lichtvereinigungseinheit 35 in Richtung der Lichtanpasseinheit 40 ausgesandten Strahls bündelt, und eine zweite Übertragungslinse 42, die den von der Lichtanpasseinheit 40 in Richtung der Anzeigeeinheit 45 ausgesandten Lichtstrahl bündelt, aufweisen.

Das von jeder der kollimierenden Linsen 33 gebündelte und auf die Lichtvereinigungseinheit 35 einfallende Licht wird kombiniert, so dass dieses entlang eines einzelnen optische Weges weiterläuft und in die Anzeigeeinheit 45 mit gleichförmiger Lichtintensitätsverteilung über die erste Übertragungslinse 38, die Lichtanpasseinheit 40 und die zweite Übertragungslinse 42 eintritt. Es wird ein Farbbild durch das Ein-Aus-Schalten auf Pixel- Basis gemäß einem Bildsignal in der Anzeigeeinheit 45 gebildet. Das resultierende Farbbild wird vergrößert und auf den Schirm 50 mittels der Projektionslinseneinheit 48 projiziert.

Wie zuvor beschrieben ist, kollimieren eine erfindungsgemäße kollimierende Linse und ein kollimierendes System Licht, das unter mindestens einem ausgeprägten Emissionswinkel von einer Lichtquelle ausgesandte Licht durch den Prismenbereich, dessen Prismenwinkel so gestaltet ist, dass dieser dem ausgeprägten Emissionswinkel der Lichtquelle entspricht, und somit kann die Lichtbündelungseffizienz verbessert werden. Die kollimierende Linse und das kollimierende System sind zum Steigern der Lichtbündelungseffizienz geeignet, insbesondere, wenn die Lichtquelle ein stark divergierendes Licht emittiert.

Wenn das erfindungsgemäße kollimierende System auf eine Bildanzeigevorrichtung des Projektionstyps angewendet wird, wird stark divergierendes Licht, das von einer Lichtquelle ausgesandt wird, mit großer Effizienz gebündelt und an ein optisches Projektionssystem übertragen, so dass der Leistungsverbrauch reduziert werden kann. Ferner kann eine Entladungsleuchte, die häufig als Lichtquelle in konventionellen Farbbildanzeigevorrichtungen verwendet wird, durch eine LED ersetzt werden, so dass Farbbildanzeigevorrichtungen mit hoher Qualität, die sofort einschaltbar sind und für längere Zeitdauern eingesetzt werden können, bereit gestellt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben ist, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass diverse Änderungen in der Form und den Details durchgeführt werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die folgenden Patentansprüche definiert ist, abzuweichen.

Figurenbeschreibung Fig. 1

Stand der Technik

Fig. 2

Y-Achse: Lichtintensität

X-Achse: Emissionswinkel

Legende: Typische obere Grenze

Typische untere Grenze

Fig. 3A bis 4B

Stand der Technik

Fig. 7

Y-Achse: Lichtintensität

X-Achse: Emissionswinkel

Claims

1. Kollimierendes System mit:
einer Lichtquelle mit mindestens einem ausgeprägten Emissionswinkel, unter dem Licht mit relativ großer Intensität ausgesendet wird; und
einer kollimierenden Linse mit mindestens einem Prismenbereich mit einer Austrittsfläche, die unter einem Prismenwinkel geneigt ist, der dem ausgeprägten Emissionswinkel entspricht.

2. Kollimierendes System nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Prismenbereich so gestaltet ist, um der folgenden Gleichung zu genügen:

wobei α_n den Prismenwinkel des Prismenbereichs, Ω_n den ausgeprägten Emissionswinket der Lichtquelle und n den Brechungsindex der kollimierenden Linse bezeichnet.

3. Kollimierendes System nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Prismenbereich konzentrisch in der kollimierenden Linse gebildet ist.

4. Kollimierendes System nach Anspruch 3, wobei die Lichtquelle eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode ist.

5. Kollimierendes System nach Anspruch 4, wobei die Lichtquelle eine Array-Struktur aufweist.

6. Kollimierendes System nach Anspruch 2, wobei die kollimierende Linse eine Polygonallinse mit einer zusammenhängenden Austrittsfläche aufweist.

7. Kollimierendes System mit:
einer Lichtquelle mit mindestens einem ausgeprägten Emissionswinkel, unter dem Licht mit einer relativ großen Intensität ausgestrahlt wird; und
einem beugenden optischen Element mit mindestens einem Schnittgebiet mit einem Gitterabstand entsprechend dem ausgeprägten Emissionswinkel.

8. Kollimierendes System nach Anspruch 7, wobei die Lichtquelle eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode aufweist.

9. Bildanzeigevorrichtung mit:
mehreren Lichtquellen, wobei jede mindestens einen ausgeprägten Emissionswinkel aufweist, unter dem Licht mit relativ hoher Intensität ausgestrahlt wird;
mehreren kollimierenden Linsen, wobei jede mindestens einen Prismenbereich mit einer Austrittsfläche aufweist, die unter einem Prismenwinkel entsprechend dem ausgeprägten Emissionswinkel einer entsprechenden Lichtquelle geneigt ist;
einer Lichtvereinigungseinheit, die paralleles einfallendes Licht von jeder der kollimierenden Linsen entsprechend der Wellenlänge des einfallenden Lichts durchlässt oder reflektiert, um Licht entlang eines einzelnen optischen Weges auszusenden;
einer Anzeigeeinheit, die das von der Lichtvereinigungseinheit herkommende Licht gemäß einem Bildeingangssignal verarbeitet, um ein Bild zu erzeugen; und
einer Projektionslinseneinheit, die das von der Anzeigeeinheit erzeugte Bild vergrößert und auf einen Bildschirm projiziert.

10. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Prismenbereich so gestaltet ist, um der folgenden Gleichung zu genügen:

wobei α_n den Prismenwinkel des Prismenbereichs, Ω_n den ausgeprägten Emissionswinkel der Lichtquelle und n den Brechungsindex der kollimierenden Linse bezeichnet.

11. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 10, wobei der mindestens eine Prismenbereich in jeder der kollimierenden Linsen konzentrisch gebildet ist.

12. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 11, wobei die mehreren Lichtquellen Leuchtdioden oder Laserdioden aufweisen.

13. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 12, wobei die mehreren Lichtquellen eine Array-Struktur aufweisen.

14. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 10, wobei die mehreren kollimierenden Linsen polygonale Linsen sind, die jeweils eine zusammenhängende Austrittsfläche aufweisen.

15. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Lichtvereinigungseinheit einen dichroischen Spiegel, ein X-Prisma oder ein beugendes optisches Element des X-Typs umfasst.

16. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 15, die ferner eine Lichtanpasseinheit in einem Strahlengang zwischen der Lichtvereinigungseinheit und der Anzeigeeinheit umfasst, um eine gleichförmige Strahlintensität bereit zu stellen.

17. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Lichtvereinigungseinheit einen dichroischen Spiegel, ein X-Prisma oder ein beugendes optisches Element des X- Typs umfasst.

18. Kollimierende Linse zum Kollimieren von Licht, das von einer Lichtquelle mit mindestens einem ausgeprägten Emissionswinkel, unter dem Licht mit relativ großer Intensität ausgestrahlt wird, emittiert wird, wobei die kollimierende Linse mindestens einen Prismenbereich mit einer Austrittsfläche aufweist, die unter einem Prismenwinkel entsprechend dem ausgeprägten Emissionswinkel der Lichtquelle geneigt ist.

19. Kollimierende Linse nach Anspruch 18, wobei der mindestens eine Prismenbereich so gestaltet ist, um der folgenden Gleichung zu genügen:

wobei α_n den Prismenwinkel des Prismenbereichs, Ω_n den ausgeprägten Emissionswinkel der Lichtquelle und n den Brechungsindex der kollimierenden Linse bezeichnet.

20. Kollimierende Linse nach Anspruch 19, wobei der mindestens eine Prismenbereich in der kollimierenden Linse konzentrisch ausgebildet ist.

21. Kollimierende Linse nach Anspruch 19, die eine polygonale Linse mit einer zusammenhängenden Austrittsfläche ist.