专利名称：：照明模块和方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于将光线从发光单元引导向图像投影装置的照明单元。
背景技术：
：空间光调制(spatiallightmodulation,SLM)显示系统是使用由空间光调制器的单个元件反射或者透射的光线的系统，有时也称成像器，以便产生显示的图像。一个类型的空间光调制器是数字微镜器件(digitalmirrordevice,DMD)。已知SLM显示系统，其包括DMD,例如商业上可以/人TexasInstruments乂>司以DLP商标获得(DigitalLightProcessing)。图1示出了传统的SLM投影显示系统10。该系统10包括光源11。光源11一般包括发射白光的弧光灯。来自光源11的白光沿着限定照明子系统21的光路从光源11传播到DMD19。所述照明子系统21的光路沿着纵轴2延伸。第一聚光器透镜13将白光聚集在色轮15上。马达16旋转色轮15，使得色轮15的各部分(例如，部分3、4、5)经过由第一聚光器透镜13提供的白光。第二聚光器透镜17接收由色轮15过滤的光线。第二聚光器透镜17将过滤后的光线聚焦在DMD19上。在图1中，DMD19包括成像器，该成像器包括DMD芯片。DMD19包括单个镜元件的阵列。同时，DMD19的镜元件根据^L频信号(例如，由视频源35提供)调制来自第二聚光器透镜17的光线以形成图像。成像器19将调制的光线透射到投影透镜部分29。投影透镜部分29将调制的光线聚焦以在屏幕31上显示图像。用于显示系统10的传统光源11包括，例如金属卣化物灯以及超高压汞灯。但是这些灯也有缺点。它们的寿命相对较短，典型的为几千小时。因此，必须经常更换灯。与传统投影显示器中使用的灯相比，发光装置，如发光二极管(LED)具有优势。LED与其他光源相比，具有相对较长的寿命。尽管具有这个优点，LED没有被广泛用作SLM显示器的光源。这是由于与LED发光性能相关的缺点。一个缺点是难于实现足够用于投影电视用途的图像亮度。LED发出的光比金属卣化物灯或者高压汞灯的光。对于投影显示器，亮度是一个重要的性能。在显示器应用场合，LED产生的另一个问题是它们的发光图案。LED发散地发射光线。因此，从LED光源发射的光线的很大一部分不到达显示屏幕31。这个发光特性使得传统的LED光源相对效率较低。已经提出了包括多个LED的阵列以增大用于图像投影装置中的照明图像的光线量。令人遗憾的是，阵列的发射面积与组成阵列的LED的数目成比例。因此，与所采用的LED的数目无关，对于大多数投影应用，阵列的效率仍然太低。需要用于聚集来自LED光源的光线的高效的系统和方法。
发明内容照明模块向显示系统的下游部分提供光线，该下游部分仅仅当光线入射到围绕光轴的特定角度中时可以使用光线。光源根据特征发光图案提供发射光线。包括至少一个透镜的透镜装置聚集通过所述发光图案发射的光线的一部分并且将所聚集的光线聚焦，以便在围绕所述光轴一定角度内进入所述下游部分。发射光线的被聚集的部分以及在所述角度内进入下游部分的被聚集光线配合，以最大化光源发出的光线可以由下游部分利用的百分比。本发明的实施例将在下面参照附图更加详细说明，其中相同的附图标记自始至终指代相同或者相对应的部件，并且其中图l是采用数字微镜器件(DMD)和传统光源的传统SLM显示系统的方块图2是根据本发明实施方式的包括红色、绿色以及蓝色LED光源的SLM显示系统的方块图，所述红色、绿色以及蓝色LED光源布置在相应的照明单元中；图3是才艮据本发明另一实施例的用于SLM显示系统的照明单元的方块图，SLM显示系统包括提供白光的LED光源和用于过滤白光的色轮；图4是才艮据本发明的一个实施例的用于SLM显示系统的照明单元的更详细的方块图5是根据本发明另一实施例的照明单元的方块图；图6-7是#4居本发明另一实施例的照明单元的方块图。具体实施例方式在附图中所示的实施例中，为了清楚的目的，采用特定的术语。然而，本发明不是意在局限于这样选择的特定术语，并且应当理解，每个特定的元件包括所有以类似方式运行以实现类似目的的技术等同物。另外，为了简洁的目的，其实现方式已经由本领域技术人员已知的特征和过程^皮省略。图2图2是包括空间光调制(SLM)显示系统100的光学组件的方块图。系统100依靠多个光源方法。在这种方法中，对每个颜色(红色、绿色和蓝色)具有一个光源。所述多个光源方法用各个光源产生多个图像。所述图像结合以产生彩色显示。所述显示系统100包括照明光学部分144。照明光学部分144包括三个各自对应于红色、绿色、蓝色LED光源的照明单元111、112、113。照明单元lll、112、113各自包括对应的LED光源(在图3中清楚示出)。才艮据图2中示出的实施例，照明单元112、X-立方体120和光导192沿着纵轴117设置以便用来自每个照明单元111、112、113的光线照亮DMD194。光线沿着大体由箭头133所示的方向穿过光导192。在本发明的一个实施例中，包括照明光学部分144的光学组件沿着纵轴117对称设置。传统的光学X-立方体光束组合器120将来自照明模块111的红色分量光、来自照明模块112的绿色分量光、以及来自照明模块113的蓝色分量光接收并结合。在多个实施例中，照明模块lll、112、113设计上相同或者相似(除了颜色)。下面描述的图5-7示出了多个照明模块的实施例。X-立方体120是传统的结构。大体上，应当理解，X-立方体使用交叉二向色滤光器，以i"更反射一个波长同时允许其他波长通过。绿光通过红色和蓝色滤光器。红光反射离开红色滤光器并且通过蓝色滤光器，蓝光反射离开蓝色滤光器并且通过红色滤光器。这样的设计结合了三种颜色。X-立方体装置由很多公司制造并且在很多高温多LCD投影机中使用。因此，它们的运行不需要在这里进一步详细描述。如图12中所示，X-立方体120结合了红色、绿色、蓝色分量光。X-立方体120随后将结合的光线提供给光导192的开口800。光导192将光线传送到DMD194。显示系统100进一步包括从DMD194延伸到显示屏196的投影光学部分220。投影光学部分220将图像从DMD194投影到投影表面196上。在本发明的特定实施例中，负透镜121、122、123插入照明模块111、112、113和光立方体120之间。例如，在一些实施例中，照明模块和光通道192之间的光路很短，以致没有用于光立方体的空间。在这样的实施例中，负透镜121、122、123有效的延伸光路。这样，光立方体120可以在不牺牲照明模块的设计优点的情况下被容纳。可以构想到根据本发明的另一实施例的显示系统包括多于或者少于三个照明斗莫块111、112、113。在图2中所示的本发明的实施例中，照明单元111-113每个都包括至少一个发光二极管(LED)。在本发明的一些实施例中，每个照明单元包括多个用于发出三原色中的相应一种的LED。在图2中所示的示例性实施例中，第一光源111包括用于发出蓝光的LED阵列，第二光源112包括用于发出绿光的LED阵列，而第三光源113包括用于发出红光的LED阵列。然而，也可以^使用其他的颜色和布置。来自构成照明单元111-113的LED的光线通过照明光学部分144指向DMD194。在图2中，照明光学部分144包括光导192,也^L称为光通道(也称为光管)192。光导192包括用于接收由X-立方体120提供的光线的至少一部分的开口800。由X-立方体120提供的、在入射角A(在图4中清楚示出)之内入射到开口800上的光线被允许通过开口800并且穿过光导192。光导192驱动包括DMD的成^f象器组件194。在本发明的一个实施例中，投影透镜部分220容纳在组件194中。投影透镜部分220将光线投影到如屏幕的显示器196上。在很多实施例中，光通道180、投影光学部分220、成像器组件194以及显示屏幕196是传统的结构。因此，它们在这里不再进一步描述。成像器组件194包括DMD。DMD包括微镜元件阵列。这些元件一起根据视频信号调制由DMD144接收的光线。DMD194构造成使得其每个镜子元件处于两种不同倾斜状态中的一种，即或者处于"开"状态，或者处于"关"状态。DMD194构造成使得只有处于"开，，状态的镜子元件朝向包括投影光学部分220的光学元件反射照明光线。因此，照明光线由处于"开"状态的所述镜子元件反射的部分穿过投影光学部分220并且最终在投影表面196上形成显示图像。图3图2中所示的多光源方法在某些应用场合具有优势。利用三个单独的照明模块显著增加了显示系统的尺寸和复杂性。DMD型显示系统的另外的实施例在图3中示出。显示系统300包括一个根据本发明的实施例的照明模块310。照明模块310包括LED光源。与多照明模块系统相比，使用单照明模块310具有尺寸小的优点。使用单光源减小了显示尺寸和光学引擎的复杂性。显示系统300包括照明光学部分344、DMD394以及4殳影光学部分320。在图3中，光线在照明光学部分344中大体沿着由箭头133所示的光学路径传播。照明光学部分344包括单个照明单元310。照明单元310根据图4-7中所示的本发明实施例构造。照明单元310提供从LED光源到光导392的光线。在本发明的一个实施例中，光导392包括传统的积分棒(integratorrod)。DMD394接收离开光导392的出口850的光线。根据本发明的一些实施例，照明单元344还包括色轮312。当光从照明单元310到DMD394移动时所述色轮312插入光的路径中。照明单元310的LED光源产生白光以为每个颜色(红色、绿色、以及蓝色)产生图像。颜色通过旋转色轮312根据时间依次产生。当色轮312旋转时，来自LED光源的白光通过该色轮被过滤。希望的颜色照明相对应的图像。不同颜色的图像产生得很快，以致当在显示屏幕396上看时，眼睛将它们合成为正确的彩色帧。包括照明单元310和照明光学部分344的光学组件沿着纵轴317设置。投影光学部分320将光线从DMD394传播到显示屏幕396。所述照明光学部分344执行将来自构成照明单元310的光源的光线平滑功能。照明光学部分344,以及特别的光导392使得轴上光线(例如，沿着轴317的光线)和离轴光线之间的亮度差的影响最小。因此，可以实现入射到DMD394的元件上的光线的亮度分布的均匀性的改善。图4图4是根据本发明的实施例构造的图3中所示的显示系统300的照明单元310的方块图。照明单元310包括LED光源200、第一透镜201以及至少i"个第二透镜202。可选的，在本发明的某些实施例中，第三透镜203包括照明单元310。根据本发明的一个示例性实施例，LED200包括商业上可获得的大功率LED,例如，LUXEON大功率+LED(LUXEONLED商业上可以从SanJose,CA的Lumiledslighting获得)。在各个实施例中，光源200是从包括红色、绿色、蓝色、白色和其他颜色LED的组中选出。光源200才艮据特征LED发光图案发射光线。由LED200发出的光线反过来穿过透镜201、202、以及(选择性的)203。在本发明的一个实施例中，透4竟201、202、203沿着包4舌光源200的7>共光轴301对准。理想的，光源的发光图案将所有的光能引导为被拦截并且用于图像投影。然而，在实践中，典型的LED发光图案浪费一定量的光线。到达光导392的一些光线将被以太大的角度指向开口800,而不能进入光导392。根据本发明实施例的照明单元310通过引导来自光源的光线使得其落入光导392的进入角之内而使得浪费的光线最少。本发明通过增大在进入角内到达光导392的光线的百分比来提高效率，所述进入角例如角度A，相对于轴301限定。图4中的透镜在简化的方块图中形成为椭圆形。才艮据本发明的实施例的各种透镜类型，位置和取向在图4-7中示出。在一些实施例中，第一透镜201是准直器，例如部件编号FLP-HNB3-LL01-0(Fraen公司，Reading,Massachusetts)。在多个实施例中，透镜202、203实施为非球面聚光镜、平凸透镜、以及其他类型的透镜的各种组合。图4中示出并且在下文中描述的结构根据本发明原理由距离和透镜规格限定。根据本发明的实施例的照明单元310的光学組件在表I中提供。表I:距离的定义<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>光源200和光导392的开口800之间的总光路长度Lt。tal由下式给出Ltotal=Ll+厚度(202)+SEP+厚度(203)+L2其中，厚度(n)代表所指定的透镜的中央厚度，即，由光沿着光轴301穿过透镜的距离。在透镜203被省略的实施例中，SEP和厚度(203)为零。在一个实施例中，光源200的零件号是LXHL-PW03，3瓦的LUXEONSTAR(SanJose，CA的Lumileds公司的注册商标)。透镜201实现为准直器零件号FLP國HNB3-LL01-0(Fraen公司，Reading,Massachusetts)。透镜202和203、位置以及取向的各种选择在下文中论述，下面几点要注意。简而言之，希望最大化系统300的照明光学部分的效率。这里效率被定义为从光源200发出的光线中在相对于轴301的进入角A内到达光导392的开口800的部分。进入角A根据包括照明光学部分的特定光学组件限定，并且在一定程度上，根据系统300的投影光学部分限定。在这个角度A内到达开口800的光线被称为"有用，，光线。有用光线可以在成像器394的照明中使用。满足这个要求的更大量光线为系统300提供更好的性能。由图5-7涵盖的照明模块的实施例至少部分由结构参数L1、SEP、以及L2限定。性能也与透镜202和203的选择或设计有关。发光面积和由LED发出的光线的立体角的乘积是被称为"集光率"的守恒值。由于集光率守恒，发光面积和由LED发出的光线的立体角的乘积应当等于成像装置的面积与成像装置的入射的立体角的乘积。所述成像装置的集光率由其几何形状确定。这里，光源200发光的立体角是LED发光的立体角。一旦选定了特定装置，成像装置394的面积固定。在可以有效的通过投影透镜投影的立体角的范围之外存在一些光线，并且发生光线损失。所述损失降低系统300的光效率。因此，尽管提供了更多的LED,成像装置392的亮度有时也很有限。本发明提供了效率更高的系统，该系统使得进入光导392的光线量最优。更高的效率意味着更多的光线并且使得整体上更好的输出照明到投影仪(或者其他装置)。然而，使得进入光导392的光线量最大与优化光线进入光导392的进入角的需要冲突。优化进入角A很重要，因为几乎不平行于光轴301的光线不能被投影光学所利用。无用的光线代表浪费光学能量。一般的系统可以使用在平行于光轴301的轴的10到15度之内的光线。为了简化，下面的论述描述了利用"成品，，(商业上可获得的)透镜的实施例。当然，本发明专门设计透镜的实施例也是可以构想到的。本发明不应当被限制到选择商业上可获得透镜的实施例。图5中，透镜502、503的非平面(凸面)502C、503C互相相对。透镜502的平面502p面对透镜501。透镜503的平面503p面对光导392。才艮据可选实施例，给定透镜502、503的平面沿着与图5中所示的方向相反的方向(参见下面对表in的论述)指向。此外，在其他的实施例中，透镜503被完全移除。例如，图6和7示出了第二透镜不在第一透镜(图6的602和图7的702)之后的实施例。透镜502聚集一定量的光线。透镜503将光线会聚，从而以比其他情况更小的进入角A进入光导592。因此，透镜502、503实现聚集并会聚光线的功能，以增大系统500的效率。图6和7的实施例利用单个透镜以实现两个功能。为了实现这些功能，透镜被按照由表I、II和III中所示的尺寸构造。另外，透镜的相对位置和取向利用根据本发明的结构优化。参照图4,光导392的开口800限定了一横截面，该橫截面在布置本发明的组件中予以考虑。对于不同尺寸的横截面，本发明提供了最佳的透镜结构。下面的论述表示了与8mmx4.5mm光导392相关的结构参数。这样的光导典型的是与TI(TexasInstruments公司)HD-2DLP成像器一起使用的光导。在本发明的上述实施例中，透镜202包括比f71快(faster)的非球面透镜。透镜203的焦距比透镜202长。一般，根据本发明的实施例，透镜201、202、203的相对位置由下面的原则调整。如果透镜202焦距大于透镜203，Ll大于L2。如果透镜203的焦距大于透镜202,L2大于L1。SEP根据光导392的横截面选择。表II示出了根据本发明原理的用于透镜202、203的特定实施例的透镜零件号的例子。零件号来自Edmund工业光学公司(Barrington,NJ)。每个透镜简化为A、B、c、或者D以使得在下文中更容易论述表ni。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>"]"表示透镜202的平面朝向下游取向图5说明了根据表III的#1-#16构造的本发明的实施例。图6说明了根据表111的#17、#18、#21以及#23构造的本发明实施例。图7说明了根据表111的#19、#20、#22以及#24构造的本发明实施例。在根据弁6(B-A)构造的本发明的一些实施例中，在光导392的开口800之前设置有附加透镜。本发明的一些实施例包括组合光学器件(例如，X立方体120)。这样的实施例根据结构#4(D-D)构造，或者根据结构#16(D-C)构造。本发明的单透镜实施例根据#18(B)和#19(B])构造。本发明的一个实施例包括f/2.8系统。这样的实施例根据表111的#12(C-B)构造。在一些实施例中，透镜(202)将LED500的发射光线的至少27%在围绕光导392的光轴(结构#18)10度角内提供到光导392的开口800。在一些实施例中，透镜(202)提供至少27%的发射光线在围绕光导392的光轴10度角内，以及提供31%的发射光线在围:绕光轴15度角内(结构#19)。在一些实施例中，透镜(202)向下游部分(320)提供至少34%的发射光线在围绕光轴(301)15度角内(结构#19)。在一些实施例中，透镜(202)向下游部分(320)提供至少24%在围绕光轴10度角内，以及34%的发射光线在围绕光轴(301)15度角内(结构#19)。在一些实施例中，透镜(202)包括非球形聚光器透镜(表II透镜"B";结构#18或者#19)。在一些实施例中，透镜装置包括第一透镜(202)，该第一透镜具有第一焦距并且构造成聚集通过发光图案发射的光线，并且将所聚集的光线朝向第二透镜(203)透射；以及第二透镜，该第二透镜具有至少与第一焦距同样长的第二焦距，并且构造成将聚集的光线聚焦以便在围绕光轴(210)的角度(215)之内进入下游部分(220)(图4-多透镜)。在一些实施例中，第一(202)和第二(203)透镜共同向下游部分(220)提供至少40%的发射光线在围绕光轴的15度角之内(结构#6)。在一些实施例中，第一(202)和第二(203)透镜共同向下游部分(220)提供至少30%的发射光线在围绕光轴的IO度角之内；40%的发射光线在围绕光轴的15度角之内(结构#6)。在一些实施例中，第一(202)和第二(203)透镜共同向下游部分(220)提供至少33%的发射光线在围绕光轴的IO度角之内(结构#12)。在一些实施例中，第一(202)和第二(203)透镜共同向下游部分(220)提供至少33%的发射光线在围绕光轴的IO度角之内，36%的发射光线在围绕光轴的15度角之内(结构#12)。在一些实施例中，所述显示系统在下游部分(220)之前包括光结合元件(120)，第一(202)和第二(203)透镜共同向下游部分(320)提供至少20%的发射光线在围绕光轴的IO度角之内，28%的发射光线在围绕光轴的15度角之内(结构#4、#16)。在一些实施例中，第一透镜(202)包括平凸透镜，该平凸透镜构造成在平面上接收光线并且从凸面透射光线。在一些实施例中，第二透镜(203)包括平凸透镜，该平凸透镜构造成在凸面上接收光线并且自平面透射光线。在一些实施例中，至少第一和第二透镜之一是非球面透镜。在一些实施例中，至少第一和第二透镜之一是球面透镜P本发明还提供包括至少一个透镜的支撑方法。所述方法提供光线到显示系统透镜光学部分(320)。所述方法的实施例包括的步骤为(a)根据特征发光图案提供(200)发射光线；以及(b)最大化可以被显示系统的下游部分(220)使用的发射光线(从200)的百分比。所述最大化步骤包括配合(bl)聚集(202)发光图案中的一部分发射光线；以及(b2)将聚集的光线聚焦(图5、6的透镜202,或者图4的透镜202+203)以便在相对于光轴，例如轴301的角A之内进入光导392。在一些实施例中，所述聚集和聚焦步骤包括聚集一部分发射光线并且利用单个透4竟(202)将聚集的光线聚焦(图6和7)。在一些实施例中，所述聚集步骤包括利用具有第一焦距的第一透镜聚集一部分发射光线；而所述聚焦步骤包括利用具有至少与第一焦距同样长的第二焦距的第二透镜将所聚集的光线聚焦。上述实施例仅仅是例子并且不被认为是本发明的限制。所述实施例的描述用于说明而不是限制权利要求的范围。根据以上教导，很多可选方案、修而同时仍然保持在本发明的范围内。因此，应当理解，在所附权利要求和它们的等价物的范围内，本发明可以实施为与这里专门描述的不同。权利要求1.一种显示系统，包括发光二极管(LED)光源，光聚集单元和光投影单元；所述光聚集单元至少包括第一透镜、第二透镜和细长的光导，所述光导包括由进入角限定的开口，所述聚集单元的特征在于所述第一和第二光学元件以及所述光导沿着共同的轴对准；所述第一光学元件相对于所述光源设置以将由所述光源发出的光线的大部分耦合到所述第二光学元件；所述第二光学元件将至少一部分来自所述第一光学元件的光线在所述进入角之内耦合到所述开口；所述第二光学元件与所述光源沿着所述轴隔开距离L1；所述开口与所述第二光学元件沿着所述轴隔开距离L2；其中所述第一光学元件包括准直透镜，所述第二光学元件包括非球形透镜，所述进入角相对于所述轴不超过15度，并且其中从所述光源发出的总光线的至少15％由所述聚集单元在所述进入角之内提供到所述开口。2.如权利要求1所述的显示系统，其中所述进入角相对于所述轴不超过10度。3.—种用于聚集从LED光源发出的光线并且将所聚集的光线提供到光通道的入口的光学模块，其中所述LED和所述入口沿着公共轴对准并且在所述公共轴上分开距离(LT)，所述光学模块包括第一光学元件，该第一光学元件围绕所述模块的中心轴耦接到所述光源；第二光学元件，该第二光学元件围绕所述中心轴设置在第一光学元件和所述入口之间，并且与所述光源隔开至少7.4mm的距离(Ll);所述第二光学元件的特征为至少8mm的厚度(tl)、直径(dl)、至少13mm的有效焦距(EFL1)并且至少0.5mm的焦数(focalnumber)(fl);所述模块的特征在于效率(E)至少15%;其中所述聚集角(A)至少IO度。4.如权利要求l所述的装置，其中所述光源包括至少三个发光二极管。5.如权利要求4所述的装置，其中所述至少三个发光二极管包括至少一个红色、至少一个蓝色以及至少一个绿色发光二极管。6.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个光源包括白色光源，所述系统还包括旋转彩色元件(rotatingcolorelement),该元件耦合以从所述光源接收所述白光并且提供彩色光到所述阵列。7.如权利要求1所述的装置，其中在所述进入角之内耦合到所述光线聚集器的所述部分光线至少是由所述发光二极管发出的光线的总光线的百分之十。8.如权利要求1所述的装置，其中在所述进入角之内耦合到所述光线聚集器的所述部分光线至少是由所述发光二极管发出的光线的总光线的百分之十五。9.如权利要求1所述的装置，其中在所述进入角之内耦合到所述光线聚集器的所述部分光线至少是由所述发光二极管发出的光线的总光线的百分之二十。10.—种向显示系统(100、101)的下游部分(220)提供光线的方法，该下游部分仅仅当光线入射到围绕光轴(210)的给定角度(215)之内时才可以利用光线，该方法包括a)根据特征发光图案提供发出的光线(200);和b)最大化发出的光线(从200)可以4皮显示系统的下游部分(220)利用的百分比，所述最大化步骤包括下面步骤的配合bl)聚集发光图案中发出的光线的一部分(202);和b2)将所聚集的光线聚焦以便在围绕所述光轴(210)的所述给定角度(215)之内进入所述下游部分(220)。全文摘要一种照明单元，该单元为投影显示系统提供光线。所述照明单元包括由进入角限定的光导。光源(200)根据特性发光类型提供发射光线。包括至少一个透镜的透镜装置通过发光类型聚集一部分发出的光线并且将所聚集的光线聚焦以便倒带进入角(215)中的光导。被聚集的部分发出光线，以及进入所述角中的光导的聚集光线配合以便最大化光源发出的光线可以被系统的投影光学部分使用的百分比。文档编号H04N9/31GK101563637SQ200680056633公开日2009年10月21日申请日期2006年12月15日优先权日2006年12月15日发明者埃斯蒂尔·T·豪尔申请人:汤姆森特许公司